钴具有优良的物理、化学和机械性能, 是制造高强度合金、耐高温合金、硬质合金、磁性材料和催化剂等的重要材料, 应用非常广泛。90年代以来, 世界钴的消费量一直呈现增加趋势, 目前, 我国钴的消费领域主要是硬质合金和陶瓷行业。在硬质合金行业中, 钴主要以钴粉形式作为生产硬质合金的粘结剂。我国硬质合金、金刚石工具产量居世界第一位,对钴粉的消耗量相对较大, 占全国钴总耗量的33%, 并以每年近5.4%的幅度递增。我国目前从事电解钴、氧化钴、钴粉及各类钴盐生产的厂家有40余家,其所用的原料主要有三个来源:一是镍系统、铜系统或锌系统中副产出的钴;二是国内自产的钴硫精矿;三是进口钴原料。目前我国绝大部分钴粉生产厂家采用进口钴原料。

 

钴粉生产工艺原理

草酸钴氢气热还原工艺分为湿法生产工艺和还原制粉生产工艺两大部分。其工艺原理如下：

1、配制草酸铵溶液

CoCl2+(NH4)2C2O4=CoC2O4↓+2NH4Cl (1)

2、草酸钴煅烧干燥

2CoC2O4+O2=2CoO+4CO2

4CoC2O4+O2=2Co2O3+4CO2+2CO

3CoC2O4+2O2=Co3O4+6CO2

3、氧化钴还原

Co3O4+4H2=3Co+4H2O

4、草酸钴还原

2CoC2O4+3H2=2Co+CO2+3CO+3H2O 

 

钴粉生产流程：溶解→沉淀草酸钴→还原（即可还原氧化钴，也可直接还原草酸钴）(如下图)

硬质合金黏结相又叫粘结相，是硬质合金工业中将难熔金属硬质化合物(硬质相)紧密黏合在一起的软金属相，是硬质合金的重要组成部分

 

1.黏结相熔点要较高；

2.硬质合金黏结相要能部分溶解难熔金属硬质化合物；

3.不能与难熔金属硬质化合物发生化学反应；

4.要与难熔金属硬质化合物有较高的黏结强度；

5.最重要是的硬质合金黏结相与难熔金属硬质化合物有良好的润湿性，烧结过程中转变为液相，能较好的润湿固相。润湿（Wetting）是固体界面由固-气界面转变为固-液界面的现象。而润湿性（wettability）是指一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性。固体的润湿性用接触角表示，当液滴滴在固体表面时，润湿性不同可出现不同形状。液滴在固液接触边缘的切线与固体平面间的夹角称为接触角。

接触角最小为0°，最大为180°。接触角越小，则固体的润湿性越好。θ=0°，液体完全润湿固体表面，液体在固体表面铺展；0°<θ<90°，液体可润湿固体，且θ越小，润湿性越好；90°<θ<180°，液体不能润湿固体；θ=180°，完全不润湿，液体在固体表面凝聚成小球。

以钴举例（图为WC-Co合金的SEM照片,灰色部分是WC相，深色部分是Co相）：

(1) 液态Co对WC完全浸搜索润。在1500℃和氢气氛下，液态Co与WC的润湿角为0°，即完全浸润，满足条件4和5。

(2)WC在Co部分溶解W-Co-C三元相图的WC-Co纵截面(WC含C质量分数为6.1％）。Co基固溶体中WC的溶解度随温度提高而增大，在1340℃时达到最大值。在硬质合金中WC是过量的，所以在温度超过1340℃后会出现液相，并且随温度的升高，WC在液相中的溶解度增加，满足条件1和2。 

(3) 烧结温度(1350-1480℃）下有液相Co存在，而液相Co在WC中不溶解，使得在保温阶段液相始终存在，满足条件3和5。

（4）W会固溶在Co中，但不发生化学转变，满足条件3。

 

硬质合金通常由硬质相WC和粘接相Co组成，Co赋予硬质合金韧性，并在烧结过程中对合金的致密化和组织结构的演变起着极为重要的作用。

 

钴，元素符号Co，银白色铁磁性金属，表面呈银白略带淡粉色，在周期表中位于第4周期、第Ⅷ族，原子序数27，原子量58.9332，有密排六方和面心立方两种晶体结构，常见化合价为+2、+3。钴是具有光泽的钢灰色金属，熔点1493℃、比重8.9，比较硬而脆，钴是铁磁性的，在硬度、抗拉强度、机械加工性能、热力学性质、的电化学行为方面与铁和镍相类似。加热到1150℃时磁性消失。

Co相有α-Co和ε-Co两种晶型。α-Co为面心立方(fcc)结构（右图），有12个滑移面，韧性好；ε-Co为密排六方(hcp)结构（左图），只有3个滑移面，其吸收应变能和松弛应力及协调两相应变的能力比α-Co差，韧性也差。Co在417℃以下为密排六方结构，417℃以上为面心立方结构。测定硬质合金中α-Co 和ε-Co的比例与变化规律，有利于进一步开发强韧化工艺、提高硬质合金的性能和增加其使用寿命。一般认为，烧结态硬质合金Co粘结相主要为ε-Co，通过淬火处理可以增加 Co粘结相中α-Co 的含量

碳化钨基硬质合金是硬质合金中产量最大,用途最广的一类合金,其基本组元WC的质量直接影响着合金性能。粗晶碳化钨相硬质合金在韧性、抗冲击疲劳等方面要优于中细颗粒硬质合金，故有着诸多应用。

制造韧性好的粗晶WC一Co硬质合金：

 

1、硬质合金钎头（如下图）、矿用齿等矿山工具：

凿岩机上要装上具有高硬度高韧性的粗晶WC一Co合金钎头,才能有成效地破碎各种高硬度的岩石。凿岩用的硬质合金钎头,其磨损以冲击裂碎和冲击疲劳为主，这就要求所用硬质合金要有很好的韧性。硬质合金的韧性受两个因素支配。其一是Co含量, Co含量愈高,其韧性愈大;其二是受Co相的平均自由程支配,WC 晶粒愈粗, Co相的平均自由程愈大。基于此,在凿岩行业中,普遍采用了粗晶WC一Co合金钎头。

 

2、石油钻采工具

石油钻采工业中要用到牙轮钻，而硬质合金牙轮钻齿是其最主要的工作部件，目前大部分均选择粗晶W-Co合金。钻齿按位置不同可分为保径齿、内排齿和修边齿。

轮钻齿的失效主要是热疲劳和机械疲劳造成的。WC一Co合金抗热疲劳和抗机械疲劳能力随钻含量的增加、WC 晶粒变粗和合金碳含量的增高(在保持两相范围内)而增加。邻接的两颗WC之间晶界,最容易产生疲劳裂纹，薄钻层处的WC/Co晶界,容易使裂纹扩展,因此要求钻相在合金中分布均匀,尽量避免邻接的WC。 所以要尽量采用粗颗粒WC原料。

硬质合金钎头主要用于凿岩等工作环境，被安装在凿岩机和风压潜孔设备中，目前使用硬质合金钎头的液压凿岩机和风压潜孔凿岩钻车已经占了钻爆施工机械的90%。

凿岩用的硬质合金钎头,其磨损以冲击裂碎和冲击疲劳为主。在冲击能量作用下,钎头与岩石的接触处,承受很高的压应力。硬质合金的抗压强度很高,对这种压应力尚能胜任。但钎头与岩石的接触处,还有一些未接触或接触不好的地方,造成很高的拉应力和剪应力,当这两种应力超过合金的强度极限时,便会造成钎头的局部崩碎和剥落。如果硬质合金的韧性很高,便可避免这种局面的过早发生。所以目前采用的牌号大部分是高钴粗颗粒牌号。

按钎头形状可以分为：一字型、十字型、X型、三刃型、球齿型 、混合刃型等。

 GB/T 6480-2002中对钎头型号等都有规定：

钎头型号由类型代号、形别代号、钎头直径、主要尺寸和螺纹形式代号组成。

一字型--适用于轻型凿岩机钻凿硬度不高的岩层，便于修磨。

十字型、X型--适用具有较大冲击功凿岩机的条件下，钻凿裂缝性岩层和磨蚀性强的岩层，抗径向磨蚀能力强。