Справочники
Кобальт — двадцать седьмой элемент периодической системы, серебристо-белый металл с лёгким розоватым отливом, плотностью 8,90 г/см³ и температурой плавления 1495 °C. Проводник из него посредственный: удельное сопротивление кобальта в три с половиной раза выше медного, и токоведущих деталей из кобальта не делают. Ценят его за три других свойства — за самую высокую среди простых веществ точку Кюри (1121 °C), за способность удерживать слоистую структуру катода литий-ионной ячейки при заряде и за то, что он даёт сплавы с заданными свойствами там, где чистые металлы свои свойства уже теряют.
Имя металла — от немецкого Kobold, горного духа: серебристая руда обманывала саксонских рудокопов видом серебряной, при обжиге давала ядовитые пары мышьяка, а металла из неё не выходило. Выделил кобальт швед Георг Брандт в 1735 году, доказав, что синий цвет стёкол даёт именно новый элемент, а не примесь висмута.
В электроустановке кобальт встречается в четырёх ролях: катодный металл аккумулятора, основа и легирующий компонент постоянных магнитов, составляющая прецизионных и термоэлектродных сплавов, добавка к жаропрочным и износостойким материалам. Кобальт торгуется на Лондонской бирже металлов — текущие котировки собраны на странице «Кобальт — котировки LME».
Физические и химические свойства кобальта
Параметр | Значение |
|---|---|
Атомный номер | 27 |
Атомная (молярная) масса | 58,933194 а. е. м. (г/моль) |
Электронная конфигурация | [Ar] 3d⁷4s² |
Неспаренных электронов в основном состоянии | 3 (на 3d-подуровне) |
Степени окисления | +2 (основная) и +3, реже 0, +1, +4 |
Кристаллическая решётка | гексагональная плотноупакованная (ГПУ); выше ≈ 420 °C — гранецентрированная кубическая (ГЦК) |
Плотность при 20 °C | 8,90 г/см³ |
Температура плавления | 1495 °C |
Температура кипения | 2927 °C |
Удельное электрическое сопротивление при 20 °C | 0,060–0,064 мкОм·м (60–64 нОм·м) по разным справочникам |
Относительная электропроводность | ≈ 28 % IACS (пересчёт от эталона 0,0172 Ом·мм²/м) |
Температурный коэффициент сопротивления | ≈ 0,006 K⁻¹ |
Теплопроводность | 100 Вт/(м·К) |
Удельная теплоёмкость | 421 Дж/(кг·К) |
ТКЛР | ≈ 13·10⁻⁶ K⁻¹ |
Модуль Юнга | 209 ГПа |
Твёрдость по Моосу | 5,0 |
Точка Кюри | 1121 °C (1394 K) |
Индукция насыщения | ≈ 1,8 Тл |
Стандартный электродный потенциал Co²⁺/Co | −0,28 В |
Проводимость кобальта — примерно 28 % медной; ряд проводниковых металлов, с которым его сравнивают, — в справочнике «Таблицы электропроводности металлов». Для сравнения: у меди удельное сопротивление 0,0172 мкОм·м, у алюминия — 0,028, у никеля — 0,069 мкОм·м. Кобальт ложится между алюминием и никелем: он проводит лучше никеля и железа, но втрое-вчетверо хуже меди, поэтому в проводниках работает только легирующей добавкой.
Аллотропия кобальта важна для магнитных изделий: до температуры около 420 °C устойчива гексагональная α-фаза, выше — кубическая β-фаза. Именно на переходе между ними построена термообработка литых магнитотвёрдых сплавов, а разброс температуры перехода в источниках (417–427 °C) объясняется чувствительностью превращения к примесям и напряжениям.
На воздухе компактный кобальт устойчив: плотная плёнка шпинельного Co₃O₄ тормозит окисление примерно до 300 °C, выше начинается заметный рост окалины. Металл растворяется в разбавленных азотной, соляной и серной кислотах, концентрированная азотная его пассивирует; щёлочи на кобальт практически не действуют. Порошок и мелкая стружка пирофорны — при измельчении кобальта это учитывают отдельно.
Кобальт, никель и железо: чем различаются три ферромагнетика
При комнатной температуре ферромагнитны три простых вещества — железо, кобальт и никель. Различаются они по индукции насыщения и, главное, по температуре, до которой намагниченность вообще сохраняется.
Параметр | Кобальт (Co) | Никель (Ni) | Железо (Fe) |
|---|---|---|---|
Атомный номер | 27 | 28 | 26 |
Плотность при 20 °C, г/см³ | 8,90 | 8,90 | 7,87 |
Температура плавления, °C | 1495 | 1455 | 1538 |
Удельное сопротивление, мкОм·м | 0,060–0,064 | 0,069 | ≈ 0,098 |
Относительная электропроводность, % IACS | ≈ 28 | 25 | ≈ 18 |
Точка Кюри, °C | 1121 | 355–358 | 770 |
Индукция насыщения, Тл | ≈ 1,8 | ≈ 0,6 | ≈ 2,15 |
Кристаллическая решётка | ГПУ, выше ≈ 420 °C — ГЦК | ГЦК | ОЦК, выше 911 °C — ГЦК |
Основная роль в электротехнике | катодный металл аккумуляторов, магнитотвёрдые сплавы, легирование | покрытия, сплавы сопротивления, термоэлектроды — см. «Никель (Ni) в электротехнике» | магнитопроводы и конструкции — см. «Таблицы параметров электротехнической стали» |
Строка «точка Кюри» объясняет, почему кобальт попадает в магнитные сплавы. Железо теряет ферромагнетизм при 770 °C, никель — уже при 355 °C, кобальт держится до 1121 °C. Поэтому в магнитном материале, которому предстоит работать горячим, кобальт присутствует почти всегда: он поднимает точку Кюри сплава и уменьшает температурный коэффициент индукции. Значения % IACS пересчитаны из удельного сопротивления относительно эталона 0,0172 Ом·мм²/м.
Марки первичного кобальта по ГОСТ 123-2018
Товарный кобальт поставляют катодными листами, полосами и пластинами, слитками и обрезью. Марки и химический состав задаёт ГОСТ 123-2018 «Кобальт. Технические условия», введённый 1 июня 2019 года взамен ГОСТ 123-2008; марок в нём четыре.
Марка | Кобальт, не менее, % | Никель, не более, % | Медь, не более, % | Железо, не более, % | Углерод, не более, % | Сера, не более, % | Вид продукции |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
К0 | 99,95 | 0,02 | 0,001 | 0,003 | 0,004 | 0,0003 | Катодные листы, полосы, пластины |
К1Ау | 99,90 | 0,05 | 0,005 | 0,005 | 0,01 | 0,001 | То же и слитки |
К1А | 99,80 | 0,05 | 0,01 | 0,01 | 0,02 | 0,004 | То же и слитки |
К1 | 99,30 | 0,3 | 0,03 | 0,03 | 0,03 | 0,005 | То же, слитки и обрезь |
Марки различаются по содержанию никеля на порядок: от 0,02 % у К0 до 0,3 % у К1. Это прямое следствие технологии — кобальт и никель извлекают из одних и тех же руд и разделяют на последнем переделе, поэтому никель остаётся главной примесью кобальта, а кобальт — нормируемой примесью первичного никеля по ГОСТ 849-2018. Марку К0 берут туда, где примеси меняют магнитные и электрические характеристики: в шихту самарий-кобальтовых магнитов по ГОСТ 21559-76 идут К0 и К1А. Литые магнитотвёрдые сплавы по ГОСТ 17809-72 допускают К0, К1Ау, К1А и К1, деформируемые по ГОСТ 24897-81 — К1.
Биржевой контракт на кобальт заключается на металл стандартного сорта чистотой не менее 99,3 % лотами по одной тонне — это в точности нижняя марка К1. Совпадение удобно на практике: цена со страницы котировок LME приложима к катодному и брикетированному кобальту марки К1 напрямую, а для К0 и К1Ау к ней добавляется премия за чистоту.
Где кобальт встречается в электроустановке
Ниже — узлы, в которых кобальт несёт нагрузку, и то, в каком виде и в каком количестве он там присутствует: от основы магнита и катода до долей процента в термоэлектроде.
Узел или изделие | В каком виде присутствует кобальт | Что он даёт | Подробнее |
|---|---|---|---|
Литий-ионный аккумулятор | катодный материал LiCoO₂, NMC, NCA | устойчивость слоистой структуры при заряде, ресурс и токоотдача | |
Ротор бесколлекторного двигателя и генератора | магниты SmCo, ЮНДК, NdFeB с добавкой кобальта | сохранение потока при рабочей температуре обмотки | |
Двигатель постоянного тока с магнитным возбуждением | литые магниты ЮНДК | стабильное поле статора без обмотки возбуждения | |
Поляризованные реле, герконовые узлы, датчики положения | деформируемые сплавы Fe-Cr-Co, литые ЮНДК | магнит получают готовой деталью, без шлифовки | |
Термопара ТХА (тип K) | кобальт 0,6–1,2 % в хромеле и алюмеле | воспроизводимость термо-ЭДС от партии к партии | |
Вакуумплотный ввод, корпус силового модуля | ковар 29НК, кобальта 17–18 % | ТКЛР, совпадающий с боросиликатным стеклом | |
Магнитопровод трансформатора тока, магнитный экран | аморфные ленты на кобальтовой основе | высокая проницаемость в слабых полях при близкой к нулю магнитострикции | — |
Дугостойкая наплавка, инструмент, детали горячего тракта ГТУ | стеллиты, твёрдые сплавы ВК, кобальтовые суперсплавы | твёрдость и эрозионная стойкость при нагреве | — |
Кобальт в литий-ионных аккумуляторах
С 1991 года доля кобальта в промышленном катоде упала с 60 % до нуля, и вместе с ней менялись напряжение ячейки, её ресурс и порог теплового разгона.
Зачем кобальт в катоде
Катод литий-ионной ячейки — литированный оксид переходного металла со слоистой решёткой: слои оксида чередуются со слоями лития, который при заряде уходит из решётки, а при разряде возвращается. Кобальт в этой решётке выполняет работу каркаса. У кобальтита лития слои держит кобальт — лучше, чем никель, хотя и здесь рабочий диапазон ограничен примерно половиной лития (отсюда практические ~140 мА·ч/г из теоретических 274); электронная проводимость материала высока, а потенциал катода относительно металлического лития — около 3,9 В, что и даёт номинальные 3,6 В на ячейке с графитовым анодом. Замена кобальта никелем поднимает ёмкость, но никелевые слои при заряде склонны перемешиваться с литиевыми и разрушать структуру; замена марганцем и железом даёт дешёвый и безопасный катод ценой напряжения и удельной энергии.
Отсюда общая схема: кобальт отвечает за ресурс и стабильность, никель — за ёмкость, марганец и алюминий — за прочность решётки и безопасность. Все промышленные катоды — это разные пропорции этих четырёх металлов.
Химия | Катодный материал | Доля Co среди металлов катодного слоя (кроме Li), % | Массовая доля Co в катодном материале, % | Чем определяется выбор |
|---|---|---|---|---|
LCO | LiCoO₂ | 100 | 60,2 | максимальная объёмная плотность энергии, короткий ресурс, дорогой катод |
NMC 111 | LiNi₀,₃₃Mn₀,₃₃Co₀,₃₃O₂ | 33 | 20,4 | универсальный состав первого поколения, сбалансирован по цене и ресурсу |
NMC 622 | LiNi₀,₆Mn₀,₂Co₀,₂O₂ | 20 | 12,2 | больше ёмкости при вдвое меньшем кобальте, базовый состав тяговых батарей |
NMC 811 | LiNi₀,₈Mn₀,₁Co₀,₁O₂ | 10 | 6,1 | высокая удельная энергия, жёстче требования к температуре и защите |
NCA | LiNi₀,₈Co₀,₁₅Al₀,₀₅O₂ | 15 | 9,2 | наибольшая удельная энергия среди массовых химий, алюминий вместо марганца |
LMO | LiMn₂O₄ | 0 | 0 | шпинель без кобальта, большие токи, малый ресурс; идёт в смеси с NMC |
LFP | LiFePO₄ | 0 | 0 | оливин без кобальта и никеля, ресурс и безопасность вместо удельной энергии |
Для справки
Массовые доли кобальта в таблице пересчитаны по стехиометрической формуле катодного материала и относятся именно к нему, а не к аккумулятору в сборе: катодная масса составляет лишь часть массы ячейки, а вместе с корпусом, электролитом, медной и алюминиевой фольгой доля кобальта в готовой батарее оказывается в несколько раз ниже. Реальные составы NMC выпускаются и в промежуточных пропорциях (532, 721), а у NCA соотношение Ni : Co : Al различается у изготовителей.
Электрические параметры этих химий — номинальное напряжение, удельная энергия, ресурс и температура начала теплового разгона — сведены в справочнике «Литий (Li) в электротехнике»; общая номенклатура химических источников тока, включая нелитиевые системы, — в справочнике «Таблицы классификации аккумуляторных батарей».
Первым коммерческим литий-ионным катодом был именно кобальтит лития: ячейка 1991 года работала на LiCoO₂, и путь к ней разобран в публикации «История литий-ионных батарей». За это время батарейный сектор стал главным потребителем кобальта, обогнав и жаропрочные сплавы, и твёрдый сплав, — как менялся этот рынок, показано в публикации «Эволюция мирового рынка аккумуляторных батарей». Обратная сторона снижения доли кобальта видна на ресурсе: чем беднее катод кобальтом, тем чувствительнее ячейка к высокому заряду и нагреву — фактические сроки службы тяговых батарей приведены в публикации «Анализ срока службы современных аккумуляторов для электромобилей».
Катодную химию ячейки можно прочитать по буквенному коду: по ГОСТ Р МЭК 61960-3-2019 первая буква — основа отрицательного электрода (I — углерод, L — металлический литий или его сплав, T — титан), вторая — основа положительного (C — кобальт, N — никель, M — марганец, F — железо, Fp — фосфат железа, Mp — фосфат марганца, V — ванадий), третья — форма корпуса (R — цилиндрическая, P — призматическая). Ячейка ICR18650 работает на кобальтите лития, INR18650 — на никелевом катоде NMC или NCA. Расшифровка размерных кодов — в справочнике «Литий (Li) в электротехнике».
Выбор химии аккумулятора по применению
Задача | Химия катода | Кобальт в катоде | Почему такой выбор |
|---|---|---|---|
Смартфон, планшет, ноутбук, носимая электроника | LCO | максимальный | решает объём, а не масса и не ресурс: 500–1000 циклов за срок жизни устройства достаточно |
Электромобиль дальнего радиуса, премиальный сегмент | NCA, NMC 811 | 9,2 и 6,1 % | запас хода на киловатт-час массы; требуются развитая система охлаждения и BMS |
Массовый городской электромобиль, коммерческий транспорт | LFP | нет | ресурс, стойкость к полному заряду и низкая цена важнее плотности энергии |
Электроинструмент, стартовые и импульсные токи | NMC, смеси NMC с LMO | 12,2–20,4 % | нужна токоотдача порядка 8–15C у цилиндрических ячеек (в сборках и pouch-ячейках — выше) при приемлемой энергии |
Накопитель солнечной электростанции, ИБП, резерв объекта | LFP | нет | масса не ограничена, а критичны ресурс и пожарная безопасность — см. «Аккумуляторы для солнечных батарей» и «Аккумуляторы для ИБП» |
Электробус, техника с многократной подзарядкой за смену | LTO (анод) с катодом NMC или LFP | зависит от катода | 3000–7000 циклов и заряд токами до 5C ценой напряжения 2,4 В вместо 3,2–3,7 В |
Тяговая батарея, работающая при повышенной температуре | LFP | нет | начало теплового разгона у LFP выше, чем у кобальтовых и никелевых катодов |
Требования к литий-ионным батареям электротранспорта нормирует ГОСТ Р МЭК 62660-1-2020, к промышленным накопителям — ГОСТ Р МЭК 62619-2023. Подбор накопителя под солнечную установку разобран в справочнике «Солнечная панель».
Направление развития катодов одно — уменьшение доли кобальта. За четверть века промышленный катод прошёл путь от 60 % кобальта в LCO до 6 % в NMC 811 и до нуля в LFP, и полностью бескобальтовые химии уже занимают массовый сегмент. Полностью кобальт из отрасли это не убирает: в LCO для портативной электроники замены ему по объёмной плотности энергии нет, а высоконикелевые катоды без нескольких процентов кобальта теряют ресурс.
Магнитотвёрдые сплавы с кобальтом
Постоянный магнит должен сохранять намагниченность в собственном размагничивающем поле и при рабочей температуре. Оба требования кобальт закрывает лучше других металлов, поэтому он входит в четыре из пяти нормативных семейств магнитотвёрдых материалов — во все, кроме бариевых ферритов.
Литые сплавы ЮНДК (альнико) по ГОСТ 17809-72
ГОСТ 17809-72 «Материалы магнитотвёрдые литые. Марки» распространяется на сплавы железо-никель-алюминиевой основы. В обозначении марки Ю — алюминий, Н — никель, Д — медь, К — кобальт, Т — титан, Б — ниобий, С — кремний, И — магнитная изотропия, А — столбчатая кристаллическая структура, АА — монокристаллическая; цифра после Т показывает процентное содержание титана.
Марка сплава | Кобальт, % | Прочие основные компоненты, % | (BH)max, кДж/м³ | Hcb, кА/м | Br, Тл | Магнитная анизотропия |
|---|---|---|---|---|---|---|
ЮНДЧ | — | Al 13,0–14,0; Ni 24,0–25,0; Cu 3,0–4,0; Ti 0,2–0,3 | не менее 7,2 | не менее 40 | не менее 0,50 | отсутствует |
ЮНТС | — | Al 13,0–16,0; Ni 32,0–35,0; Ti 0,4–0,5; Si 1,0–1,5 | не менее 8,0 | не менее 58 | не менее 0,43 | отсутствует |
ЮНДКИ | 15,0–19,0 | Al 8,5–10,0; Ni 18,0–20,0; Cu 3,0–4,0 | 12,0–19,4 | 48–55 | 0,75–0,90 | отсутствует |
ЮНДК | 23,5–25,0 | Al 7,5–8,7; Ni 12,5–15,5; Cu 2,0–3,5; Ti 0,15–0,5; Si до 1,5 | 36,0–44,0 | 40–52 | 1,11–1,25 | имеется |
ЮНДКБА | 24,0–26,0 | Al 7,5–8,7; Ni 12,5–15,0; Cu 3,0–4,5; Ti до 0,3; Nb до 0,15 | 56,0–60,0 | 44–62 | 1,25–1,40 | имеется |
ЮНДКТ5 | 34,0–35,5 | Al 6,5–8,2; Ni 14,0–16,5; Cu 3,0–4,0; Ti 4,5–5,5 | 28,0–44,0 | 92–120 | 0,75–0,90 | имеется |
ЮНДКТ5БА | 34,5–35,5 | Al 6,5–7,5; Ni 13,5–14,5; Cu 3,0–4,0; Ti 4,0–5,5; Nb до 1,2 | 72,0–88,0 | 110–120 | 1,00–1,10 | имеется |
ЮНДКТ5АА | 34,5–35,5 | Al 7,0–7,5; Ni 13,5–14,5; Cu 2,5–4,6; Ti 5,0–5,5 | 80,0–88,0 | 115–120 | 1,05–1,10 | имеется |
ЮНДКТ8 | 38,0–42,0 | Al 7,0–8,5; Ni 13,5–14,5; Cu 3,0–4,0; Ti 7,0–9,0 | не менее 36,0 | 145–168 | 0,70–0,75 | имеется |
По таблице видно, за что в этих сплавах платят кобальтом. Бескобальтовым ЮНДЧ и ЮНТС стандарт нормирует всего 7,2 и 8,0 кДж/м³ (не менее) — они изотропны и применяются там, где магнит работает вспомогательным элементом. При 24 % кобальта и направленной кристаллизации ЮНДКБА выходит на 56–60 кДж/м³ при остаточной индукции до 1,40 Тл — на уровне лучших неодимовых марок. Расплата за неё — низкая коэрцитивная сила: 44–62 кА/м против сотен и тысяч у современных материалов. Магнит из ЮНДК легко размагничивается посторонним полем и требует замкнутой магнитной цепи, зато почти не меняет параметры с нагревом. Марки с титаном (ЮНДКТ5, ЮНДКТ8) поднимают коэрцитивность до 92–168 кА/м, теряя остаточную индукцию. Стандарт допускает легирование серой, кремнием и церием до 1 % каждого без снижения магнитных параметров.
Спечённые самарий-кобальтовые материалы по ГОСТ 21559-76
ГОСТ 21559-76 распространяется на спечённые материалы на основе сплавов кобальта с редкоземельными металлами. В действующей редакции (изменения № 2 от 1987 года и № 3 от 1991 года заменили таблицы марок целиком) буквы означают: К — кобальт, С — самарий, Э — эрбий, Гд — гадолиний, Д — медь, Ц — цирконий, ММ — цериевый мишметалл, А — улучшенная текстура. Цифры после буквы отвечают среднему содержанию самария или мишметалла, а число после дефиса — максимальному произведению (BH)max в кДж/м³. Кобальт здесь не легирующая добавка, а основа: у самариевых марок КС37 и КС36А на него приходится около 62–64 % массы, у медно-циркониевых КС25ДЦ — около половины, остальное самарий, железо, медь и цирконий.
Марка | Состав, % | Br, Тл | Hcb, кА/м | (BH)max, кДж/м³ | Hcj, кА/м |
КС25ДЦ-150 | Sm 24–27; Zr 1,5–3,5; Fe 13–20; Cu 4–9; Co остальное | 0,90 | 690 | 150 | 900 |
КС25ДЦ-175 | Sm 24–27; Zr 1,5–3,5; Fe 13–20; Cu 4–9; Co остальное | 0,94 | 700 | 175 | 900 |
КС25ДЦ-190 | Sm 24–27; Zr 1,5–3,5; Fe 13–20; Cu 4–9; Co остальное | 0,98 | 710 | 190 | 900 |
КС25ДЦ-210 | Sm 24–27; Zr 1,5–3,5; Fe 13–20; Cu 4–9; Co остальное | 1,02 | 740 | 210 | 900 |
КС25ДЦ-225 | Sm 24–27; Zr 1,5–3,5; Fe 13–20; Cu 4–9; Co остальное | 1,06 | 760 | 225 | 900 |
КС25ДЦ-240 | Sm 24–27; Zr 1,5–3,5; Fe 13–20; Cu 4–9; Co остальное | 1,10 | 780 | 240 | 900 |
КС36А | Sm 35–39; Co остальное | 0,90 | 660 | 160 | 900 |
КС37 | Sm 35–39; Co остальное | 0,77 | 540 | 110 | 1300 |
КС37А | Sm 35–39; Co остальное | 0,82 | 560 | 130 | 1000 |
КС25ЭГд | Sm 24–27; Er 3–5; Gd 5–8; Co остальное | 0,68 | 510 | 90 | 1030 |
КС27ЭГд | Sm 24–27; Er 3–5; Gd 5–8; Co остальное | 0,72 | 550 | 105 | 1030 |
КММ37 | Мишметалл 37–38; Co остальное | 0,57 | 425 | 65 | 630 |
КС10ММ27 | Sm 8–28; мишметалл 10–28; Co остальное | 0,64 | 470 | 80 | 720 |
КС20ММ17 | Sm 8–28; мишметалл 10–28; Co остальное | 0,70 | 520 | 95 | 960 |
КС25ММ12 | Sm 8–28; мишметалл 10–28; Co остальное | 0,73 | 580 | 110 | 1275 |
Составы даны диапазонами по таблице ГОСТ 21559-76 в редакции Изменения № 2: стандарт нормирует их на группы марок, а не помарочно. Пункт 2.2.3 той же редакции прямо относит химический состав этих сплавов к нормативно-технической документации изготовителя, поэтому паспорт конкретной партии уточняет состав внутри указанных границ.
Магнитные параметры даны как «не менее». Семейство делится надвое. Самариевые марки КС37, КС37А и КС36А — это соединение SmCo₅ с рекордной коэрцитивной силой: у КС37 она достигает 1300 кА/м по намагниченности, выше, чем у неодимовых марок базовой теплостойкости, где стандарт требует не менее 800 кА/м. Марки КС25ДЦ — двухфазные Sm₂Co₁₇ с медью, железом и цирконием: самария в них на треть меньше, зато (BH)max доходит до 240 кДж/м³ при остаточной индукции 1,10 Тл. Марки с цериевым мишметаллом (КММ37, КС10ММ27, КС20ММ17, КС25ММ12) — попытка удешевить материал заменой части самария на дешёвый мишметалл, и параметры падают вслед за содержанием самария. Шихта — кобальт марок К0 и К1А по ГОСТ 123-78 (так в тексте стандарта; действующая редакция — ГОСТ 123-2018) плюс порошки ПК-1 и ПК-1У. Материал хрупок, обрабатывается только шлифованием и дорог из-за самария.
Деформируемые сплавы Fe-Cr-Co по ГОСТ 24897-81
ГОСТ 24897-81 нормирует магнитотвёрдые материалы на основе сплавов железа, хрома и кобальта, которые поддаются горячей и холодной пластической деформации. Это их главное отличие от литых и спечённых: магнит можно получить точением, штамповкой или прокаткой и не шлифовать хрупкую заготовку. Цифры в обозначении марки — средняя массовая доля элемента: Х — хром, К — кобальт, Ф — ванадий, Б — ниобий, Д — медь, Т — титан, А — магнитная анизотропия. Действующая редакция (изменения № 1–3, 1986–1990 годы) устанавливает двенадцать марок.
Марка материала | Хром, % (по обозначению) | Кобальт, % (по обозначению) | (BH)max, кДж/м³, не менее | Hcb, кА/м, не менее | Br, Тл, не менее |
|---|---|---|---|---|---|
28Х10К | 28 | 10 | 7 | 20 | 0,8 |
28Х10КА | 28 | 10 | 26 | 38 | 1,1 |
25Х15К | 25 | 15 | 10 | 24 | 0,9 |
25Х15КА | 25 | 15 | 32 | 40 | 1,2 |
23Х15К5ФА | 23 | 15 | 38 | 42 | 1,25 |
30Х23К | 30 | 23 | 12 | 50 | 0,75 |
30Х23КА | 30 | 23 | 30 | 55 | 1,00 |
22Х15КА | 22 | 15 | 56 | 47 | 1,5 |
23Х15КА | 23 | 15 | 34 | 40 | 1,23 |
23Х14К3ФА | 23 | 14 | 36 | 41 | 1,27 |
25Х12К2БА | 25 | 12 | 35 | 40 | 1,25 |
32Х12КДТ | 32 | 12 | 24 | 48 | 1,05 |
Буква А в конце марки поднимает максимальное произведение в два с половиной — четыре раза при том же составе (28Х10К 7 → 28Х10КА 26; 25Х15К 10 → 25Х15КА 32; 30Х23К 12 → 30Х23КА 30 кДж/м³): анизотропный материал получают термомагнитной обработкой в поле, и весь прирост даёт текстура, а не химия. Изделия выпускают прутками, полосами, трубами и кольцами диаметром до 100 мм, литыми, горячекатаными или холоднокатаными. Деформируемые марки выплавляют из кобальта К1.
Кобальт в неодимовых магнитах
Неодим-железо-бор кобальта, казалось бы, не требует, но ГОСТ Р 52956-2008 в таблице химического состава прямо допускает его до 20 % по массе: неодим 10–37 %, кобальт 0–20 %, бор 1–2 %, другие редкоземельные элементы (диспрозий, празеодим, тербий) до 25 %, прочие добавки до 5 %, железо — остальное. Кобальт вводят по двум причинам: он поднимает точку Кюри сплава и уменьшает температурный коэффициент индукции, а также повышает коррозионную стойкость, слабое место неодимовых магнитов.
Насколько это работает, видно по приложению А того же стандарта. Марки НмБ разной теплостойкости различаются точкой Кюри — от 583 К (310 °C) у группы с индексом 80 до 623 К (350 °C) у групп с индексами 240 и 270, а предельная рабочая температура растёт с 353 К (80 °C) до 493 К (220 °C). Самарий-кобальтовые материалы сохраняют свойства при заметно более высоких температурах — за это их и берут в горячие узлы. Марка записывается как НмБ 250/80, где 250 — минимальное (BH)max в кДж/м³, а 80 — минимальная коэрцитивная сила по намагниченности, делённая на 10.
Сравнение семейств постоянных магнитов
Семейство | Норматив | (BH)max, кДж/м³ | Br, Тл | Коэрцитивная сила | Кобальт, % | Предельная рабочая температура, °C | Чем берёт |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
Литые ЮНДК (альнико) | 7,2–88 | 0,43–1,40 | Hcb 40–168 кА/м | 0–42 | до ≈ 500 (по данным изготовителей) | высокая остаточная индукция и температурная стабильность параметров | |
Спечённые самарий-кобальтовые | 65–240 | 0,57–1,10 | Hcb 425–780 кА/м, Hcj 630–1300 кА/м | ≈ 48–64 | до ≈ 300 (по данным изготовителей) | теплостойкость и коррозионная стойкость при высокой коэрцитивности | |
Деформируемые Fe-Cr-Co | 7–56 | 0,75–1,50 | Hcb 20–55 кА/м | 10–23 | — | обработка резанием и давлением, магнит как готовая деталь | |
Спечённые NdFeB | 150–400 | 0,94–1,46 | Hcj от 800 до 2700 кА/м | 0–20 | 80–220 (норма стандарта) | максимальная энергия на единицу объёма | |
Бариевые ферриты | 6–28 | 0,19–0,39 | Hcj 150–240 кА/м | нет | до ≈ 250 (по данным изготовителей) | низкая цена, не корродируют, не боятся размагничивания |
Предельная рабочая температура нормирована только у неодимовых материалов: ГОСТ Р 52956-2008 определяет её как температуру, при которой коэрцитивная сила по намагниченности остаётся выше 400 кА/м. Для остальных семейств этот параметр приводят каталоги изготовителей, а не стандарты, — при выборе его берут из документации на конкретную марку. Кобальт в строке ЮНДК дан по диапазону марок ГОСТ 17809-72, у Fe-Cr-Co — по среднему содержанию из обозначения марки. Класс магнитотвёрдых материалов целиком — NdFeB и ферриты наравне с кобальтовыми семействами, международные классы N35–N52 и температурные индексы — разобран в справочнике «Постоянные магниты и магнитные материалы».
Выбор магнитного материала по узлу
Материал магнита выбирают по трём вещам: рабочей температуре узла, размагничивающему полю в его магнитной цепи и допустимому габариту.
Узел | Материал магнита | Почему | Подробнее |
|---|---|---|---|
Ротор BLDC- и PMSM-двигателя общего назначения | NdFeB (НмБ) | максимальный момент на единицу объёма ротора при температуре обмотки до 120–150 °C | |
Тяговый и высокотемпературный привод, генератор с горячим ротором | SmCo (КС37, КС25ДЦ) | коэрцитивность сохраняется там, где неодимовый магнит уже размагничивается | — |
Тахогенератор, датчик положения, узел с требованием стабильности потока | ЮНДК, ЮНДКБА | малый температурный коэффициент индукции и высокая точка Кюри сплава | — |
Магнитная система поляризованного реле, геркона, шагового двигателя | деформируемые Fe-Cr-Co (24897-81) | магнит вытачивается или штампуется вместе с деталью | |
Двигатель постоянного тока бытового прибора, громкоговоритель, магнитный держатель | бариевый феррит (24063-80) | цена и коррозионная стойкость важнее энергии; габарит магнита вырастет | |
Узел во влажной или химически агрессивной среде без гальванического покрытия | SmCo или феррит | неодимовый магнит без покрытия разрушается коррозией | — |
Кобальт в магнитомягких и прецизионных сплавах
От прецизионных сплавов требуется точно заданная и воспроизводимая характеристика: магнитная проницаемость, тепловое расширение или термо-ЭДС. Кобальт входит в них и десятыми долями процента, и десятками процентов, и в обоих случаях задаёт ключевой параметр.
Сплав, марка | Кобальт, % | Ключевой параметр | Где применяется |
|---|---|---|---|
Железо-кобальтовые магнитомягкие сплавы (пермендюр) по ГОСТ 10994-74 | ≈ 49–50 | наибольшая среди технических магнитомягких материалов индукция насыщения, около 2,4 Тл | полюсные наконечники, магнитопроводы авиационных генераторов, силовые электромагниты и актуаторы |
Ковар 29НК по ГОСТ 10994-74 | 17–18 | ТКЛР (4,5–6,5)·10⁻⁶ K⁻¹ — совпадает с боросиликатным стеклом | вакуумплотные спаи, вводы, корпуса и выводы силовых модулей |
Суперинвар 32НКД | 3,2–4,2 | ТКЛР ≈ 1,0·10⁻⁶ K⁻¹ | прецизионные приборы, несущие детали измерительных систем |
Хромель Т (НХ9,5) по ГОСТ 492-2006 | 0,6–1,2 | положительный термоэлектрод, воспроизводимость термо-ЭДС | термопары ТХА, компенсационные провода |
Хромель К (НХ9) по ГОСТ 492-2006 | 0,4–1,2 | положительный термоэлектрод пары с копелем | термопары ТХК, компенсационные провода |
Алюмель (НМцАК2-2-1) по ГОСТ 492-2006 | 0,6–1,2 | отрицательный термоэлектрод термопары типа K | термопары ТХА, промышленная термометрия |
Аморфные и нанокристаллические ленты на кобальтовой основе | основа | высокая проницаемость в слабых полях при близкой к нулю магнитострикции | магнитопроводы трансформаторов тока, магнитные экраны, датчики |
В термоэлектродных сплавах доли процента кобальта нормируются наравне с основными компонентами: расхождение по кобальту между хромелем Т и хромелем К даёт систематическую погрешность на длинной линии от головки датчика до вторичного прибора. Градуировочные характеристики по типам термопар собраны в справочниках «Таблицы термопар и термосопротивлений» и «Датчики температуры: термопары и термосопротивления»; марки и составы никелевых и медно-никелевых сплавов — в справочнике «Никель (Ni) в электротехнике».
Жаропрочные, твёрдые и износостойкие сплавы
Твёрдые сплавы группы ВК — это карбид вольфрама, спечённый с кобальтовой связкой: цифра в марке (ВК3, ВК6, ВК8, ВК15) показывает массовую долю кобальта в процентах. Кобальт здесь не режет — он связывает зёрна карбида и определяет вязкость: малокобальтовые марки твёрже и хрупче, многокобальтовые держат ударную нагрузку. Из тех же сплавов делают волоки для протяжки медной и алюминиевой проволоки, то есть кобальт участвует в производстве кабельной продукции задолго до готового изделия.
Стеллиты — литые и наплавочные сплавы системы кобальт-хром-вольфрам — сохраняют твёрдость при нагреве и стойки к эрозии, поэтому ими наплавляют рабочие поверхности, работающие в дуге и в потоке пара. Быстрорежущие стали с кобальтом (индекс К в обозначении, например Р6М5К5) держат режущую кромку при более высокой температуре, чем стали без кобальта. Литейные суперсплавы на кобальтовой основе идут на детали горячего тракта газовых турбин — там кобальт конкурирует с никелевыми жаропрочными сплавами и выигрывает по стойкости к горячей коррозии.
Сырьевая база и биржевая цена
Собственных кобальтовых месторождений промышленного масштаба почти нет: кобальт извлекают попутно — из медных руд, где на него приходятся доли процента, и из сульфидных и латеритных никелевых руд. Отсюда особенность рынка: предложение кобальта задаётся проектами по добыче меди и никеля, и на рост цены самого кобальта добыча реагирует слабо. Основная часть мировой добычи приходится на Демократическую Республику Конго, растущий вклад дают никелевые проекты Индонезии.
Биржевой контракт на кобальт торгуется на Лондонской бирже металлов; котировка в долларах за тонну служит ориентиром для сделок с катодным и брикетированным металлом и для расчёта стоимости аккумуляторного сырья. Цены кобальтовых солей, порошков и лигатур считаются отдельно: в них дополнительно входят передел, фасовка и логистика. График котировок и пересчёт в рубли за килограмм — на странице «Кобальт — котировки LME». Место кобальта среди остальных металлов отрасли — в справочнике «Металлы и сплавы в электротехнике».
Нормативная база
- ГОСТ 123-2018 «Кобальт. Технические условия» — марки К0, К1Ау, К1А, К1, химический состав, виды продукции.
- ГОСТ 17809-72 «Материалы магнитотвёрдые литые. Марки» — сплавы ЮНДК, состав и магнитные параметры.
- ГОСТ 21559-76 «Материалы магнитотвёрдые спечённые. Марки» (название дано по действующей редакции, изменение № 2) — самарий-кобальтовые материалы КС25ДЦ-150…КС25ДЦ-240, КС36А, КС37, КС37А, КС25ЭГд, КС27ЭГд и марки с цериевым мишметаллом.
- ГОСТ 24897-81 «Материалы магнитотвёрдые деформируемые. Марки» (название дано по действующей редакции, изменение № 2) — двенадцать марок системы железо-хром-кобальт.
- ГОСТ Р 52956-2008 «Материалы магнитотвёрдые спечённые на основе сплава неодим-железо-бор. Классификация. Основные параметры» — марки НмБ, допустимое содержание кобальта, рабочие температуры.
- ГОСТ 24063-80 «Ферриты магнитотвёрдые. Марки и основные параметры» — марки бариевых гексаферритов 6БИ240…28БА190 и их магнитные параметры.
- ГОСТ 10994-74 «Сплавы прецизионные. Марки» — ковар 29НК, суперинвар 32НКД, железо-кобальтовые магнитомягкие сплавы.
- ГОСТ 492-2006 «Никель, сплавы никелевые и медно-никелевые, обрабатываемые давлением. Марки» — хромель, алюмель и нормы по кобальту в них.
- ГОСТ 849-2018 «Никель первичный. Технические условия» — кобальт как нормируемая примесь никеля.
- ГОСТ Р МЭК 61960-3-2019 — обозначение литий-ионных ячеек по катодному металлу (ICR, INR, IMR, IFR).
- ГОСТ Р МЭК 62660-1-2020 — литий-ионные аккумуляторы для электрических дорожных транспортных средств.
- ГОСТ Р МЭК 62619-2023 — литиевые аккумуляторы и батареи для промышленного применения.
Для справки
Справочник носит ознакомительный характер. Марки, составы и магнитные параметры приведены по действующим редакциям стандартов на дату публикации; перед применением сверяйтесь с актуальной редакцией нормативного документа и с техническими условиями изготовителя. Предельные рабочие температуры магнитов и электрические параметры аккумуляторных ячеек берут из документации на конкретную марку: разброс между исполнениями одного семейства достигает десятков процентов.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
❓ Что такое кобальт и где он применяется в электротехнике?
Кобальт — химический элемент № 27, серебристо-белый ферромагнитный металл плотностью 8,90 г/см³ с температурой плавления 1495 °C. Проводником он работать не может: удельное сопротивление втрое с лишним выше медного. В электротехнике кобальт берут в четырёх ролях — катодный металл литий-ионных аккумуляторов (LiCoO₂, NMC, NCA), основа и легирующий компонент постоянных магнитов (ЮНДК, самарий-кобальтовые КС37, добавка к неодимовым), составляющая прецизионных и термоэлектродных сплавов (ковар 29НК, хромель, алюмель) и добавка к жаропрочным, твёрдым и износостойким материалам.
❓ Магнитится ли кобальт и при какой температуре он теряет магнитные свойства?
Кобальт ферромагнитен при комнатной температуре — как железо и никель. Точка Кюри у него 1121 °C, самая высокая среди простых веществ: железо теряет ферромагнетизм при 770 °C, никель — уже при 355 °C. Поэтому кобальт вводят в магнитные сплавы, которым предстоит работать горячими: он поднимает точку Кюри материала и уменьшает температурный коэффициент индукции. По этой же причине его допускают до 20 % по массе в неодимовых магнитах по ГОСТ Р 52956-2008.
❓ Сколько кобальта в литий-ионном аккумуляторе?
Зависит от химии катода. В катодном материале LCO (LiCoO₂) на кобальт приходится 60,2 % массы, в NMC 111 — 20,4 %, в NMC 622 — 12,2 %, в NCA — 9,2 %, в NMC 811 — 6,1 %; в LFP и LMO кобальта нет вовсе. Доли пересчитаны по стехиометрической формуле катодного материала: в ячейке в сборе — вместе с корпусом, электролитом, сепаратором, медной и алюминиевой фольгой — доля кобальта в несколько раз ниже.
❓ Чем кобальт отличается от никеля?
Плотность у них совпадает — 8,90 г/см³, а расходятся они по трём параметрам. Точка Кюри: 1121 °C у кобальта против 355–358 °C у никеля. Индукция насыщения: около 1,8 против 0,6 Тл. Проводимость: около 28 % IACS у кобальта и 25 % у никеля. Отсюда разделение ролей: никель идёт в покрытия, сплавы сопротивления и термоэлектроды, кобальт — в магнитотвёрдые сплавы и катоды аккумуляторов. В одних и тех же сплавах они и соседствуют: в ковар 29НК кобальта 17–18 %, в хромель и алюмель — доли процента.
❓ Какие марки кобальта устанавливает ГОСТ 123-2018?
Четыре: К0 (кобальта не менее 99,95 %), К1Ау (99,90 %), К1А (99,80 %) и К1 (99,30 %). Различаются они прежде всего содержанием никеля — от 0,02 % у К0 до 0,3 % у К1, поскольку никель извлекают из тех же руд и отделяют от кобальта на последнем переделе. Стандарт введён 1 июня 2019 года взамен ГОСТ 123-2008. Биржевой контракт заключается на металл чистотой не менее 99,3 %, то есть ровно на уровень марки К1 (котировки LME); для К0 и К1Ау к бирже добавляется премия за чистоту.
❓ Почему кобальт убирают из катодов аккумуляторов?
Кобальт — самый дорогой компонент катода и самый уязвимый по поставкам: его добывают попутно с медью и никелем, а основная часть мировой добычи приходится на одну страну. За четверть века промышленный катод прошёл путь от 60 % кобальта в LCO до 6 % в NMC 811 и до нуля в LFP. Полностью вытеснить кобальт пока не выходит: в портативной электронике у LCO нет равных по объёмной плотности энергии, а высоконикелевые катоды литий-ионных ячеек без нескольких процентов кобальта быстрее теряют ёмкость — никелевые слои при заряде перемешиваются с литиевыми и разрушают решётку.