COBALTO
 
L'ELEMENTO CHIMICO
Il cobalto (Co, numero atomico 27) compare nella tavola periodica degli elementi nell’ottavo gruppo del primo periodo dei metalli di transizione, assieme a ferro e nichel.L’isotopo stabile e' il Co59, mentre gli altri, dal Co54 al Co64, sono radioattivi (radiazioni β e γ) con tempi di dimezzamento che vanno da 0.2 s (Co54) a 5.3 anni (Co60).
La struttura cristallina e' esagonale compatta fino a 417°C, quindi cubica a facce centrate fino alla temperatura di fusione di 1493°C. La transizione allotropica avviene con meccanismo di tipo martensitico attraverso il movimento di dislocazioni.  Il cobalto (esagonale, alla temperatura di 20°C) presenta le seguenti caratteristiche fisiche e meccaniche:
 

Densita' [kg m-3]

8832

Modulo di elasticita' [GPa]

210

Resistenza a trazione* [MPa]

240

Conduttivita' elettrica [% IACS]

27.6

Resistivita' elettrica [nΩ m]

52.5

(*) si riferisce ad un campione policristallino

 
 
DAL MINERALE AL METALLO
 
Il cobalto metallico e' ricavato da minerali di zolfo e arsenico per fusione e quindi facendo precipitare la polvere di idrossido di cobalto, che se opportunamente conservata presenta un’elevata stabilita' e puo' essere facilmente convertita nel metallo o nell’ossido, oppure usata direttamente.
Solfuri contenenti Co sono:
  • la carrollite CuS∙Co2S3
  • la linneite Co3S4
  • la cattierite CoS2
 
Arsenuri contenenti Co sono:
  • la smaltina CoAs2
  • la skutterudite (Co,Ni,Fe)As3
  • la cobaltite CoAsS
 
Ossidi:
  • asbolite (miscela di manganese e ossidi di ferro cobaltiferi)
  • eterogenite (miscela di minerali quali mindigite 2Co2O3∙CuO∙3H2O e trieuite 2Co2O∙CuO∙6H2O)
Il cobalto si trova anche associato a piriti, come la bieberite (CoSO4∙7 H2O) combinata con solfati di ferro.Una promettente futura fonte di cobalto sono noduli ricchi di manganese scoperti sul fondo dell’Oceano Pacifico. Solitamente il cobalto e' un prodotto secondario dell’estrazione di rame, nichel, argento, ma anche piombo, zinco e oro.
 
 
APPLICAZIONI
 
In campo metallurgico le principali sono:
  • superleghe
  • leghe resistenti a usura
  • leghe resistenti a corrosione
  • alligazione per acciai inossidabili, resistenti alle alte temperature, da utensile
  • alligazione per superleghe a base di nichel
  • leghe magnetiche
  • legante nel metallo duro (cemented carbides)
  • leghe speciali (per saldature, per applicazioni dentistiche e chirurgiche, a bassa dilatazione)
 
Altre applicazioni sono:
  • catalizzatori nell’industria chimica
  • pigmenti
  • smalti
  • agenti essiccanti
  • elettrodi
  • materiali magnetici
  • batterie ricaricabili (settore in grande espansione in seguito al recente sviluppo delle tecnologie “mobili”: telefoni cellulari, computer portatili ecc.)
    		•
     
     
    SUPERLEGHE
     
    Benche' di impiego piu' limitato rispetto alle superleghe a base nichel o nichel-ferro, le superleghe a base cobalto ricoprono un importante ruolo nell’industria delle turbine a gas. Esse presentano infatti resistenza meccanica superiore alle temperature piu' elevate, maggiore resistenza alla corrosione (alle alte temperature e in presenza di solfuri), maggiore resistenza alla fatica termica e migliore saldabilita' rispetto alle superleghe a base nichel. Il principale elemento di lega e' costituito dal cromo, presente in tenore compreso tra il 20 e il 30% peso: esso conferisce soprattutto un’elevata resistenza alla corrosione, e in misura minore un indurimento per soluzione solida.Il principale meccanismo di indurimento e' la precipitazione di carburi (cubici, incoerenti rispetto alla matrice), sfruttata anche per il controllo della dimensione dei grani. Non si tratta di carburi di Co, bensi' di carburi di altri elementi di lega, soprattutto del tipo M23C6, in seguito alla presenza di Cr, Mo e W. Un esempio ne e' il carburo Cr17Co4W2C6. Ti, Zr,Ta, Nb e Hf generano invece carburi di tipo MC.Carburi di tipo M7C3 possono decomporsi (via trattamento termico) in una fine dispersione di M23C6 secondo lo schema :

    23 Cr7C3 = 7 Cr23C6 + 27 C

    6 C + 23 Cr = Cr23C6
    In generale la struttura finale che si mira ad ottenere e' una fine dispersione di carburi all’interno della matrice di Co, tale da conferire la migliore resistenza a creep. I trattamenti termici sono generalmente complessi; il piu' semplice consiste nella precipitazione di M23C6 per invecchiamento ad una temperatura compresa tra 700 e 870°C. La similitudine tra la matrice di Ni e quella di Co potrebbe suggerire anche per quest’ultimo un meccanismo di indurimento per formazione di fasi intermetalliche γ’ analoghe a Ni3(Al, Ti). Cio' pero' non avviene in quanto l’esistenza di un intermetallico Co3Al e' negata dal diagramma di stato Co-Al, mentre l’intermetallico Co3Ti scompare gia' alla temperatura di 760°C. L’assenza di fase gamma giustifica le inferiori caratteristiche delle superleghe base Co rispetto a quelle base Ni fino alla temperatura a cui gamma inizia a scomparire (circa 900°C); al di sopra infatti la maggiore stabilita' dei carburi in matrice di Co rende queste superleghe concorrenziali o addirittura migliori .
    Altri intermetallici Co-Cr-(Ni,Mo,W) (detti TCP, topologically close packed) sono le fasi sigma, µ e di Laves, che si presentano quando sono superati i limiti di solubilita' degli elementi di lega. Sono da evitare in quanto fragili e possibili iniziatori di cricche.Effetto di indurimento per soluzione solida hanno le alligazioni con W, Ta, Nb e Mo.
    La presenza di nichel ha come scopo principale quello di stabilizzare la struttura fcc.
    A questo punto si riportano a titolo di esempio le composizioni e le caratteristiche meccaniche di alcune tra le piu' diffuse superleghe a base Co.
    Lega
    Cr
    W
    C
    Fe (max)
    Ni
    Si
    Mn
    altro
    Co
    Haynes 25 (L605)
    20
    15
    0.10
    3
    10
    1
    1.5
     
    resto
    Haynes 188
    22
    14
    0.10
    3
    22
    0.35
    1.25
    0.05 La
    resto
    MAR-M 509
    22.5
    7
    0.60
    1.5
    10
    0.4
    0.1
    3.5 Ta0.2 Ti0.5 Zr
    resto
     

    Haynes 25 (L605)

    Haynes 188

    MAR-M 509

    Resistenza a snervamento a 21°C [MPa]

    445

    464

    585

    Resistenza a snervamento a 540°C [MPa]

    305

    400

    Resistenza a rottura a 21°C [MPa]

    970

    945

    780

    Resistenza a rottura a 540°C [MPa]

    800

    740

    570

    Tensione a rottura dopo 1000h a 870°C [MPa]

    75

    70

    140

    Tensione a rottura dopo 1000h a 980°C [MPa]

    30

    30

    90
     
     
    LEGHE RESISTENTI A CORROSIONE
     
    Per soddisfare l’esigenza industriale di leghe dalle eccellenti proprieta' di resistenza alla corrosione acquosa, sono state sviluppate diverse leghe a base cobalto contenenti Cr, Ni e Mo.Un esempio ne e' la lega Haynes 1233 di composizione Cr 25,5%, Ni 9%, Mo 5%, Fe 3%, W 2% e Co a completare.Le eccellenti proprieta' di questa lega possono essere valutate alla luce dei confronti con una superlega a base nichel (Hastelloy C-276) e un acciaio inossidabile (316L) presentati in tabella:

    Velocita' di corrosione [mm/anno]

    Lega

    100°C

    ac. acetico 99%

    100°C

    ac. nitrico 65%

    100°C

    ac. cloridrico 1%

    100°C

    ac. cloridrico 2%

    116°C

    P2O5 54%

    100°C

    ac.solforico 10%

    1233

    <0.01

    0.15

    0.01

    13.49

    0.19

    2.52

    C-276

    <0.01

    21.51

    0.52

    1.90

    0.58

    0.51

    316L

    0.19

    0.24

    13.31

    25.15

    5.11

    47.46
     
    La lega Vitallium (Cr 30%, Mo 5%, C 0.5%, Si 0.5%, Co a completare) e' utilizzata soprattutto per protesi odontoiatriche grazie alla sua ottima resistenza all’attacco corrosivo dei fluidi biologici.La precipitazione di carburi nella matrice Co-Cr consente di ottenere durezze dell’ordine di 380-400 HV e resistenze a rotture dell’ordine di 670-870 MPa.
    A partire dalla lega Vitallium sono poi state sviluppate altre leghe adatte per protesi chirurgiche, soprattutto per gli arti inferiori. Esse presentano un’ottima resistenza ai fluidi corporei, e rispetto ad altrettanto resistenti leghe di Ti, Ta o acciai inossidabili manifestano superiori caratteristiche di resistenza a fatica. Una tipica composizione di una lega di questo genere e': Co 45%, Cr 30%, Ni 25%, C 0.1%.
     
     
    LEGHE RESISTENTI AD USURA
     
    Le leghe resistenti ad usura sono essenzialmente leghe quaternarie Co-Cr-W-C indurite per soluzione solida e per precipitazione.
    Le piu' diffuse sono riportate nella tabella seguente:

    Lega

    Cr

    W

    Mo

    C

    Fe

    Ni

    Si

    Mn

    Co

    Stellite 1

    31

    12.5

    1

    2.4

    3

    3

    2

    1

    resto

    Stellite 6

    28

    4.5

    1

    1.2

    3

    3

    2

    1

    resto

    Stellite 12

    30

    8.3

    1

    1.4

    3

    3

    2

    1

    resto

    Stellite 21

    28

     

    5.5

    0.25

    1

    2.5

    2

    1

    resto

    Haynes 6B

    30

    4

    1

    1.1

    3

    2.5

    0.7

    1.5

    resto

    Tribaloy T-800

    17.5

     

    29

    0.08

     

     

    3.5

     

    resto
     
    Il cromo, oltre a conferire resistenza all’ossidazione, provvede all’indurimento per soluzione solida e per precipitazione di carburi (generalmente del tipo M23C6).Il tungsteno conferisce soprattutto indurimento per soluzione solida, ma se in grandi quantita' (es. Stellite 1) puo' contribuire alla formazione di carburi M6C.La Stellite 21 sfrutta soprattutto il molibdeno con duplice effetto: oltre all’indurimento per soluzione solida esso, in quanto piu' reattivo, minimizza il consumo di Cr nei carburi (si noti anche la piccola percentuale di C) conferendo alla lega superiori proprieta' di resistenza a corrosione.La Stellite e' utilizzata in getti ma soprattutto per ricoprimenti saldati GTA (gas-tungsten-arc).