Usos finales del cobalto
Según el Cobalt Development Institute, el consumo mundial de cobalto se puede dividir en los segmentos de mercado expuestos en la tabla 1.
Tabla 1. Segmentos de mercado del cobalto.
La Tabla 2 enumera el consumo de cobalto por uso final en los EE. UU. Uno de los mercados de más rápido crecimiento es el uso de cobalto en baterías recargables utilizadas para dispositivos electrónicos portátiles, como teléfonos móviles, videocámaras y computadoras. En 1995, se estimó que el consumo mundial de cobalto totalizaba aproximadamente 700 toneladas métricas por año. Las estimaciones actuales sugieren que el consumo de cobalto en las baterías recargables, principalmente las de iones de litio, podría superar las 5000 toneladas métricas por año. Se espera que el uso cada vez mayor de cobalto en baterías recargables para aplicaciones de vehículos eléctricos aumente esto aún más.
Tabla 2. Consumo por uso final del cobalto en los Estados Unidos.
Aleaciones a base de cobalto
Como grupo, las aleaciones a base de cobalto pueden describirse generalmente como resistentes al desgaste, resistentes a la corrosión y resistentes al calor (fuertes incluso a altas temperaturas). El uso más importante de las aleaciones a base de cobalto se encuentra en el área de componentes y / o aplicaciones resistentes al desgaste. En aplicaciones resistentes al calor, el cobalto se utiliza más ampliamente como elemento de aleación en aleaciones a base de níquel con tonelajes de cobalto superiores a los utilizados en aleaciones resistentes al calor a base de cobalto. Muchas de las propiedades de las aleaciones surgen de la naturaleza cristalográfica del cobalto (en particular, su respuesta a la tensión); los efectos fortalecedores de las soluciones sólidas del cromo, tungsteno y molibdeno; la formación de carburos metálicos; y la resistencia a la corrosión impartida por el cromo. Generalmente, las composiciones más blandas y resistentes se utilizan para aplicaciones de alta temperatura, tales como paletas y cubos de turbinas de gas. Los grados más duros se utilizan para ofrecer resistencia al desgaste.
MP35N
Composición química. Límites de composición: 35.0 Co; 35.0 Ni; 20.0 Cr; 9.75 Mo; 1.0 máx. Fe; 1.0 máx. Ti; 0.025 máx. C; 0.15 máx. Mn; 0.15 máx. Si.
Usos típicos. Debido a su combinación de resistencia a la tracción ultra alta (hasta 2070 MPa o 300 ksi), buena ductilidad y tenacidad, y excelente resistencia a la corrosión, el MP35N se ha utilizado en una amplia variedad de aplicaciones. Los ejemplos incluyen sujetadores utilizados para aplicaciones de la industria aeroespacial, marina, médica y petrolera, ejes de transmisión para bombas de aceite de fondo de pozo, implantes quirúrgicos, resortes, componentes eléctricos no magnéticos y productos tubulares de la industria petrolera.
Resistencia a agentes corrosivos específicos. MP35N posee una excelente resistencia a la mayoría de los ácidos minerales (incluidos los ácidos nítrico, clorhídrico y sulfúrico), sulfuro de hidrógeno, agua de mar y ambientes de niebla salina. Cuenta con excepcional resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión (SCC) y la fragilización por hidrógeno a niveles de resistencia muy altos en condiciones ambientales severas que pueden agrietar la mayoría de las aleaciones convencionales resistentes a la corrosión. También es muy resistente a otras formas de ataque localizado, como picaduras y corrosión por grietas. En agua de mar, el MP35N es prácticamente inmune a la corrosión general, por grietas y por tensión, independientemente del nivel de resistencia o de las condiciones del proceso.
Fabricación
Trabajo en caliente. La aleación MP35N se forja y se enrolla de manera muy similar a un acero de níquel-cromo endurecido por envejecimiento como el A-286, y es ligeramente más resistente a la deformación que la serie 300 de aceros inoxidables. La temperatura máxima del horno para forjar o laminar es de 1150 ° C (2100 ° F). Para la ruptura de la estructura fundida, la deformación no debe continuar por debajo de aproximadamente 870 ° C (1600 ° F) para evitar el desgarro de la superficie. La estructura forjada puede deformarse a cualquier temperatura hasta 1150 ° C (2100 ° F) dentro de los límites del equipo de procesamiento.
Trabajo en frío. Prácticamente cualquier forma de deformación en frío se puede aplicar a la aleación. La excelente ductilidad de ésta permite grandes reducciones sin recocido. La tasa de endurecimiento por trabajo es similar a la del acero inoxidable 304 y menor que la del acero inoxidable 301. El embutido, estampado, laminado y conformado por cizallamiento son excelentes formas de deformar para fortalecer el trabajo.
Formado. Las operaciones como doblar con prensa de freno, estirar copa, perforar y girar se pueden realizar fácilmente en estado recocido. Se debe prestar especial atención para garantizar que se disponga de la potencia adecuada para formar la aleación en la condición de mayor resistencia y que las herramientas de formación sean más duras que la aleación MP35N después de que se haya formado. Los lubricantes son útiles para todas las operaciones de conformado y necesarios para algunas. Para el estirado se utilizan revestimientos de cobre estándar, lubricante sólido de disulfuro de molibdeno (MoS2) y lubricantes de jabón. Se recomiendan aceites o grasas con alto contenido de azufre para estampar y centrifugar a temperatura ambiente, y lubricantes con grasa de grafito para operaciones en caliente.
Cobalto en superaleaciones
Cobalto en superaleaciones a base de níquel.
En las superaleaciones a base de níquel, el cobalto (que está presente típicamente en el rango de 10 a 15%) fortalece la solución sólida y disminuye la solubilidad del aluminio y el titanio, aumentando así la fracción de volumen de gamma prima, γ ′, (Ni3Al) , que es la fase requerida para la resistencia a altas temperaturas y la resistencia a la fluencia. El cobalto en las superaleaciones a base de níquel también reduce la tendencia a la precipitación de carburo en los límites de los granos, lo que reduce el agotamiento del cromo en éstos. Se han realizado varios estudios para determinar el papel del cobalto en las superaleaciones a base de níquel, siendo el objetivo de estos estudios determinar los efectos de la reducción y / o sustitución del cobalto sobre las propiedades o características microestructurales de varias superaleaciones.
El programa de la NASA para la conservación de materiales aeroespaciales estratégicos (COSAM) apoya estos estudios Waspaloy, que contiene 13% de Co y se utiliza en discos de turbina. Debido al tamaño y al peso del disco de la turbina, en esta aplicación se utiliza una parte importante del cobalto utilizado en los componentes del motor de la turbina de gas. Los aspectos más destacados de ese estudio se muestran en la Fig. 1. La resistencia a la tracción disminuyó solo ligeramente a medida que disminuyó la cantidad de cobalto en la aleación. Sin embargo, la vida útil de la rotura disminuyó sustancialmente con la disminución de las cantidades de cobalto. La Tabla 3 resume los principales hallazgos de este estudio. Además de la ligera disminución en la cantidad de γ ', los principales efectos que tuvo la eliminación del cobalto sobre las propiedades mecánicas se contribuyeron a una posible mayor energía de falla de apilamiento de la matriz y a cambios en la "partición" del carburo en los límites de grano. Se han realizado estudios similares con Udimet 700 (17% Co) y MAR-M 247 (10% Co).
Figura 1. Efecto del contenido de cobalto en Waspaloy sobre: (a) La vida útil de ruptura a 730 ° C (1345 ° F) y 550 MPa (80 ksi) y, (b) la resistencia a la tracción a 535 ° C (995 ° F).
Tabla 3. Efectos de eliminar el cobalto del Waspaloy.
Cobalto en superaleaciones a base de hierro.
El cobalto también es un elemento de aleación importante en algunas superaleaciones a base de hierro. Por ejemplo, Haynes 556 (UNS R30556) es una aleación de Fe-Ni-Cr-Co reforzada con solución sólida que se utiliza ampliamente en entornos que contienen azufre. La resistencia de la aleación a la sulfuración se debe a su contenido de níquel comparativamente bajo (20%) junto con la adición de cobalto (18%) y un alto nivel de cromo (22%). La Tabla 4 compara la resistencia a la sulfuración de la aleación 556 con otras aleaciones resistentes al calor. Otra superaleación a base de hierro reforzada con solución sólida que contiene cobalto es Multimet (UNS R30155), que es el predecesor de la aleación 556. Esta aleación que contiene cobalto (20% Co) se usa ampliamente en turbinas de gas de aviones más antiguas. Algunas superaleaciones a base de hierro de alta resistencia, endurecibles por precipitación que exhiben bajos coeficientes de expansión térmica también contienen de 13 a 16% de Co.
Tabla 4. Resistencia a la sulfuración de varias aleaciones a temperaturas elevadas.
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