کبالت

کبالت (Cobalt) یک عنصر فرومغناطیس سخت به رنگ سفید – نقره ای، دارای سختی زیاد، براق و ترد است. یکی از عناصر گروه 8B جدول تناوبی است. مانند آهن، می­ تواند مغناطیسی شود. خواص فیزیکی آن مشابه آهن و نیکل است. این عنصر از نظر شیمیایی فعال است و تشکیل ترکیبات زیادی می­ دهد. کبالت در هوا پایدار است و آب روی آن اثر نمی گذارد، اما به وسیله اسید های رقیق مورد حمله قرار می گیرد.

فراوانی کبالت در طبیعت

بیشتر کبالت موجود در کره زمین در سنگ معدنی آن یافت می شود. کبالت نسبتا دارای فراوانی کمی در پوسته زمین است و در آب های طبیعی، به عنوان سولفین کبالت (CoS) غیر قابل حل، رسوب می کند. اگرچه سطح میانگین کبالت در خاک حدود 8 ppm است، ولی خاک هایی با مقدار کبالت به اندکی 0.1 ppm و یا به بزرگی بیش از   70 ppmنیز وجود دارد. کبالت به صورت فلز آزاد یافت نمی شود و عموما در شکل سنگ معدنی یافت می شود. کبالت معمولا به تنهایی استخراج نمی شود و معمولا به عنوان محصول جانبی فعالیت های استخراج مس و نیکل تولید می ­شود. مهم ترین سنگ معدن های کبالت شامل کبالتیت، اریتریت، گلوکودوت و اسکاتریودیت است و این فلز معمولا همراه با سنگ معدن ­های آهن، نیکل، نقره، سرب و مس یافت می شود. تولید کنندگان اصلی کبالت در جهان جمهوری دمکراتیک کنگو، چین، زامبیا، روسیه و استرالیا هستند. این فلز همچنین در فنلاند، آذربایجان و قزاقستان یافت می شود. تولید جهانی آن 17000 تن در سال است.

خواص اتمی، فیزیکی و شیمیایی کبالت

خواص اتمی، فیزیکی  و شیمیایی کبالت
27	عدد اتمی
58.9332 g.mol -1	وزن اتمی یا عدد جرمی
125 pm	شعاع اتمی
30	تعداد نوترون ها
g.cm -3­­8.9	چگالی در 20°C
7.75 g.cm -3	چگالی مایع در نقطه ذوب
1495 °C	نقطه {{ذوب}}
2927 °C	نقطه جوش
125 pm	شعاع وان دروالس
126±3 pm	شعاع کوالانسی
63 (+3e) 72 (+2e)	شعاع یونی
8	ایزوتوپ
[ Ar ] 3d7 4s2	پوسته الکترونی
2,8,15,2	الکترون ها در هر پوسته
فرومغناطیس	حالت مغناطیسی
360°C	دمای کوری
757 kJ.mol -1	انرژی اولین یونیزاسیون
1666.3 kJ.mol -1	انرژی دومین یونیزاسیون
kJ.mol -1 3226	انرژی سومین یونیزاسیون
1.8	الکترونگاتیویته
– 0.28 V ( Co2+/ Co ) ; +1.84 V ( Co3+/ Co2+ )	پتانسیل استاندارد
75 GPa	مدول برشی
209 GPa	مدول یانگ
180 GPa	مدول بالک
0.31	نسبت پواسون
5	سختی موس
700 MPa	سختی برینل
1043 MPa	سختی ویکرز

خواص الکتریکی و حرارتی کبالت

خواص حرارتی و الکتریکی کبالت
24.81 J·mol−1·K−1	ظرفیت گرمایی مولی
16.06 kJ/mol	گرمای ذوب
377 kJ/mol	گرمای تبخیر
100 W·m−1·K−1	هدایت حرارتی
13.0 µm·m−1·K−1	انبساط حرارتی در 25 °C
62.4 nΩ·m	مقاومت الکتریکی در 20 °C

آلیاژهای کبالت

آلیاژهای پایه کبالت

آلیاژهای پایه کبالت عموما به عنوان آلیاژهای مقاوم به سایش، مقاوم به خوردگی و مقاوم به حرارت (مستحکم حتی در دماهای بالا) مطرح می شوند. بیشتر خواص این آلیاژها از طبیعت کریستالوگرافی کبالت ناشی می شود. اثرات استحکام دهی محلول جامد عناصر کروم، تنگستن و مولیبدن به علت تشکیل کاربید های فلزی بوده و مقاومت به خوردگی به علت وجود کروم می باشد. عموما کامپوزیت های نرم تر و چقرمه تر برای کاربردهای دما بالا، مانند پره های توربین های گازی و تیغه توربین بکار رفته و انواع سخت تر برای کاربردهای مقاوم به سایش استفاده می شوند. بیشتر آلیاژهای پایه کبالت از آلیاژهای سه تایی کبالت-کروم-تنگستن و کبالت-کروم-مولیبدن ناشی می شوند، که اولین بار بوسیله Elwood Haynes در شروع قرن بیستم کشف شدند. وی استحکام بالا و طبیعت ضد زنگ آلیاژهای دوتایی کبالت-کروم را کشف کرد و سپس تنگستن و مولیبدن را به عنوان عوامل استحکام بخش قوی در سیستم کبالت – کروم معرفی کرد. هنگامی که وی این آلیاژها را کشف کرد، به علت استلای لاتین (ستاره) و جلای ستاره ای شکل آن، نام آنها را آلیاژهای Stellite گذاشت.

 آلیاژهای پایه کبالت مقاوم به سایش

آلیاژ های پایه کبالت امروزی، تفاوت اندکی با آلیاژهای Elwood Haynes دارند. تفاوت اصلی آلیاژ های استلایت جدید، محتوی کربن و تنگستن آنها است (بنابر مقدار و نوع کاربید تشکیل شده در ریزساختار در حین انجماد). محتوی کربن، سختی، داکتیلیته و مقاومت به سایش را تحت تاثیر قرار می دهد. همچنین تنگستن نقش مهمی در این خواص بازی می کند. ترکیب شیمیایی آلیاژهای استلایت تقریبا بصورت زیر می باشد:

Cr ~ 25-30%
Mo = 1% max
W = 2-15%
C ~ 0.25-3.3%
Fe = 3% max
Ni = 3% max
Si = 2% max
Mn = 1% max.
Co = rest of balance

 آلیاژهای پایه کبالت دما بالا

سالهاست که مصرف عمده آلیاژ های دما بالا، در صنعت توربین های گازی بوده است. در مورد توربین های گازی هواپیما، الزامات اصلی مواد، استحکام دما بالا، مقاومت به خستگی حرارتی و مقاومت به اکسیداسیون می­باشد. به طور عمومی آلیاژهای دما بالا بر پایه کبالت دارای ترکیبات شیمیایی زیر می باشند:

Cr = 20-23%
W = 7-15%
Ni = 10-22%
Fe = 3% max
C = 0.1-0.6%
Co = rest of balance.

آلیاژهای پایه کبالت مقاوم در برابر خوردگی

اگرچه آلیاژهای پایه کبالت مقاوم در برابر سایش، دارای مقاومت اندکی به خوردگی در محیطهای آبی هستند، ولی آنها بوسیله رسوب کاربید مرز دانه ای، کمبود عناصر آلیاژی حیاتی در زمینه (پس از تشکیل کاربیدها یا رسوبات)، در زمینه ریخته گری و جوشکاری و بوسیله جدایش شیمیایی در ریزساختار، محدود می شوند. آلیاژ های پایه کبالت دما بالا (که معمولا حاوی تنگستن بیشتر از مولیبدن هستند)، با این مزیت که ریزساختار همگن و محتوی کربن کمتر دارند، دارای مقاومت به خوردگی آبی بیشتری هستند.

برای کاربرد صنعتی نیاز به آلیاژهایی است که مقاومت زیادی در محیط های خورنده آبی از خود نشان دهند. ترکیبات شیمیایی این آلیاژ ها شامل:

Cr = 20-25%
W = 2%
Mo = 5-10%
Ni = 9-35%
Fe = 3% max
C = 0.8% max
N = 0.1% max
Co = rest of balance.

کاربردهای کبالت

کبالت در بسیاری از آلیاژ ها (سوپر آلیاژهای مورد استفاده در اجزاء توربین گازی موتورهای هواپیما، آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی، فولادهای تندبر، کاربیدهای سمانته) در آهن رباها و وسایل ضبط مغناطیسی، به عنوان کاتالیست برای صنایع شیمیایی و نفتی و به عنوان عامل خشک کننده برای رنگ ها و جوهرها بکار می رود. کبالت آبی یک بخش مهم پالت هنرمندان است و در صنعت چینی، سفال، شیشه کاری منقوش، کاشی و جواهرات مینا، استفاده می شود.

کبالت آلیاژهای مفید بسیاری را تشکیل می دهد. این فلز با آهن، نیکل و سایر فلزات برای تشکیل آلنیکو که یک آلیاژ با استحکام مغناطیسی استثنایی است آلیاژ می شود. کبالت، کروم و تنگستن ممکن است برای تشکیل استلایت که برای کاربردهای دما بالا، ابزار برش تندبر، و قالب­ ها، استفاده می­ شود، آلیاژ شوند. کبالت در فولادهای مغناطیسی و ضدزنگ نیز بکار می رود. از این فلز برای آبکاری الکتریکی، به علت سختی و مقاومت به اکسیداسیون بالایش استفاده می شود. نمک های کبالت، برای ایجاد رنگ آبی درخشان دائمی به شیشه، سفال، مینا، کاشی و چینی استفاده می شوند. محلول کلرید کبالت، برای ساختن جوهر استفاده می شود. کبالت برای تغذیه بیشتر حیوانات ضروری است. کبالت-60 یک منبع مهم گاما، ردیاب و عامل رادیوتراپی می باشد.  به طور کلی می توان کاربرد های کبالت را به صورت زیر طبقه بندی کرد:

• پیگمنت های رنگ
• کاربیدهای سمانته و فولادهای ابزار
• سوپر آلیاژهای پایه نیکل
• مواد مغناطیسی
• منابع اشعه گاما مصنوعی

در بین این کاربردها پیگمنت رنگ بیشترین مورد مصرف کبالت است. در سوپر آلیاژهای پایه نیکل، کبالت در رنج 15-10% وزنی حضور دارد. که استحکام محلول جامد و کاهش انحلال پذیری آلومینیوم و تیتانیوم را فراهم می­کند. نقش کبالت در کاربیدهای سمانته فراهم کردن زمینه پیوندی داکتیل برای ذرات کاربید تنگستن می­ باشد. از نظر تجاری کاربید های سمانته، حاوی کبالت در محدوده 3 تا 25 % می باشند. در موادی که به عنوان ابزار برش بکار می­ روند، کاربیدهای سمانته با 12-3% وزنی کبالت استفاده می شوند. کبالت که به طور طبیعی فرومغناطیس است در گروه های متعددی از مواد مغناطیسی دائمی، باعث مقاومت در برابر دیامغناطیس شدن، می شود. اینها شامل آلیاژهای کبالت-نیکل-آلومینیوم (که کبالت در محدوده بین 35-5% وزنی است) و آلیاژهای آهن-کبالت (تقریبا 12-5% وزنی) می باشند.

منابع و پیوندها

ASM Handbook Volume 02: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials

ASM Specialty Handbook: Nickel, Cobalt, and Their Alloys

www.lenntech.com

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن