0
04136674922

کبالت و آلیاژهای کبالت

تاریخچه کبالت

 

ترکیبات کبالت در طی قرون متمادی برای تولید شیشه مخصوصاً شیشه ­های آبی رنگ به ­کار رفته ­اند. همچنین رنگ آبی ناشی از ترکیبات شیمیایی کبالت در کاشی سازی، سرامیک و سفالگری استفاده شده و می ­شود. فلز کبالت در آثار باستانی کشف شده در مصر و ایران دیده شده­ اند. این آثار متعلق به هزاره سوم پیش از میلاد هستند. همچنین در باستان شناسی انجام شده در چین آثاری حاوی کبالت پیدا شده است.

 

در سال ۱۷۳۵ بود كه یك دانشمند سوئدی به نام جورج برانت برای اولین بار فلز كبالت را به صورت‌‌‌ یك نمونه ناخالص با احیاكردن از كانسنگ جدا كرد. وی كبالت را به رنگ آبی در شیشه نشان داد كه قبلاً ناشی از بیسموتی می‌دانستند كه همراه با كبالت یافت شده است. او اثبات کرد که رنگ آبی به ­کار رفته در شیشه­ ها و کاشی­ ها حاوی کبالت است.

 

 

 

 

خواص عمومی کبالت:

 

کبالت فلزی به رنگ سفید براق مایل به آبی کم ­رنگ و از نظر ظاهری و برخی خواص شبیه نیکل است. ساختمان بلوری کبالت در دمای کمتر از ۴۲۱ درجه سانتیگراد از نوع HCP و در دمای بالاتر از آن FCC است. این عنصر با عدد اتمی ۲۷ در گروه هشتم جدول تناوبی عناصر جای دارد، وزن اتمی آن ۵۸٫۹۳۳ بوده و در ترکیبات شیمیایی با ظرفیت ­های ۲ و ۳ شرکت می ­کند. کبالت دارای ایزوتوپ پایدار طبیعی نیست اما چند ایزوتوپ مصنوعی رادیو اکتیو از آن ساخته می ­شود که مهم ­ترین آن رادیو ایزوتوپ کبالت ۶۰ است. این فلز شکل ­پذیر و فرومغناطیس است و نفوذ پذیری مغناطیسی آن دو سوم آهن است.

 

کبالت عنصری است که به مقدار کم و جزئی در خاک کشاورزی وجود دارد و برای رشد و نمو گیاهان ضروری است. اسیدهای معدنی رقیق از جمله اسید کلریدریک و اسید سولفوریک آن را در خود حل می­ کنند. فلز کبالت در حالت پودر قابل اشتعال است و استنشاق آن مسموم ­کننده است. حداکثر مقدار مجاز کبالت در هوا ۰٫۰۵ میلی­گرم در متر مکعب است.

 

 

ایزوتوپ ­های کبالت

 

كبالت با منشاء طبیعی دارای یك ایزوتوپ پایدار به نام کبالت ۵۹ (Co59) است که به طور طبیعی یافت می شود. كبالت ۲۲ ایزوتوپ مصنوعی و رادیو اكتیو هم دارد كه فراوان ترین آن کبالت۶۰  با نیمه عمر ۵٫۳ سال است. کبالت ۶۰  با عدد جرمی ۶۰، یکی از متداول ­ترین و پرمصرف ­ترین ایزوتوپ ­های کبالت است که در پزشکی هسته ­ای به ­کار می ­رود و تولید اشعه بتا و گاما می ­کند. کبالت ۵۷ با نیمـه عمـر ۲۷۱٫۷۹ روز و با عدد جرمی ۵۷  از بمباران نیکل با پروتون ساخته می ­شود و در تحقیقات زیست­ شناسی و پزشکی مصرف می ­شود. تشعشعات این ایزوتوپ از نوع گاما و اشعه X است. کبالت ۵۸ با نیمــه عمر ۷۰٫۸۶ روز ایزوتوپی رادیو اکتیو با عدد جرمی ۵۸ است و تشعشعات آن پوزیترون، اشعه X و اشعه گاما است و از بمباران نیکل با نوترون تولید می­ شود. کبالت ۵۶ با نیمـه عمـر ۷۷٫۲۷ روز از دیگر ایزوتوپ های کبالت است. ایزوتوپ ‌های رادیواكتیو باقیمانده، نیمه عمر كمتر از ۱۸ ساعت و یكی از آن ها نیمه عمر كمتر از یك ثانیـه دارد. کبـالت ۴ ایزوتـوپ نیمـه پایدار دارد كه همه‌ی آن ها نیمـه عمر كمتر از ۱۵ دقیقه دارند.

 

 

منابع کبالت

 

کبالت به­ صورت فلزی در طبیعت یافت نمی ­شود و عموماً به ­صورت کانی ترکیبی دیده می ­شود. کبالت به تنهایی استخراج نمی ­گردد و معمولاً به عنوان محصول جانبی کانی ­های مس و نیکل به ­شمار می ­آید. کانی­ های اصلی کبالت عبارتند از: کبالتیت، اریتریت، گلنکودت و اسکوترودیت.

 

مهم­ترین کشورهای تولید کننده کانی ­های کبالت و فلز کبالت عبارتند از: چین، کنگو، زامبیا، روسیه، اتریش، فنلاند و قزاقستان.

 

 

آلیاژهای کبالت

 

آلیاژهای پایه کبالت عموماً به آلیاژهای ضد خوردگی، ضد سایش و آلیاژهای نسوز (مقاوم به حرارت) معروف هستند. اکثر خواص مکانیکی کبالت ناشی از ساختمان ویژه بلوری آن است. محلول ­های جامد کبالت، باعث افزایش استحکام کروم، تنگستن و مولیبدن می­ شوند. آلیاژهای کبالت-تنگستن-کروم و آلیاژهای کبالت-کروم-مولیبدن از مهم ­ترین آلیاژهای سخت و مقاومی هستند که از ابتدای قرن بیستم جای خود را در صنعت به خصوص در کاربردهای ضد سایش و ضد خوردگی پیدا کرده ­اند. افزودن ترکیبی استوکیومتری از عناصر کروم، تنگستن و مولیبدن به کبالت موجب حصول استحکامی فوق­ العاده در این آلیاژها می­ شود. این آلیاژها به نام استلایت معروفند.

 

استلایت‌ ها

 

آلیاژهای استلایت، آلیاژهایی بر پایه کبالت هستند. مهم ‌ترین عناصر آلیاژی در ترکیب شیمیایی استلایت ‌ها، کربن، کروم، تنگستن، مولیبدن و نیکل می ‌باشد. استلایت ‌ها مقاومت بسیار خوبی در برابر سایش فلز روی فلز دارند. این آلیاژها نیاز به روانکاری کمی داشته و ضریب اصطکاک پایینی دارند. به همین دلیل نسبت به sliding wear مقاومت خوبی دارند. هم‌ چنین این آلیاژها مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون، کاویتاسیون و فرسایش از خود نشان می ‌دهند.

 

نظیر هر گروه آلیاژی دیگر، هر نوع از آلیاژهای استلایت‌، برای یک نوع کاربرد خاص طراحی شده‌ اند و در نتیجه ترکیب شیمیایی متفاوتی نیز دارند. به عنوان مثال آلیاژهایی از این دسته که در کاربردهای مقاومت به خوردگی استفاده می ‌شوند، دارای ۲۸ تا ۳۲ درصد کروم می ‌باشند.

 

به علت نقش اساسی کربن در ایجاد مقاومت به سایش یا مقاومت به خوردگی، آلیاژهای استلایت را بر اساس درصد این عنصر شیمیایی به دو دسته کلی زیر طبقه ‌بندی می‌ کنند:

 

  • استلایت ‌های کاربیدی (درصد کربن بیش ‌تر از ۰٫۰۸%):

 

این استلایت ‌ها توسط کاربیدهای کروم، تنگستن یا مولیبدن استحکام می ‌یابند و به دو صورت هیپویوتکتیک و هایپریوتکتیک گروه ‌بندی می‌ شوند.

 

 

  • استلایت ‌های محلول جامد:

 

این دسته از آلیاژهای استلایت معمولاً مقاومت به ضربه و مقاومت به خوردگی مناسب ‌تری نسبت به گروه قبلی دارند. این دسته خود به دو زیر گروه زیر تقسیم می‌شوند:

الف) آلیاژهای استلایت کبالت، کروم، مولیبدن (بدون تنگستن)

ب) آلیاژهای استلایت کبالت،کروم، مولیبدن، نیکل (با تنگستن در مقادیر بسیار جزئی)

 

 

 

 

 

 

آلیاژهای ضد خوردگی کبالت

 

انواع مختلف آلیاژهای ضد خوردگی کبالت از لحاظ نوع خوردگی به سه گروه عمده خوردگی سایشی، شیمیایی و لغزشی تقسیم می ­شوند و با توجه به نوع خوردگی در محل مصرف، نوع آلیاژ انتخاب می ­شود.

 

  • خوردگی سایشی

 

در حالتی اتفاق می­ افتد که ذرات سخت با صفحه آلیاژ برخورد کنند. بخشی از سطح در اثر این نوع برخورد ساییده می­ شود. اصطلاح سایش سخت و نرم با توجه به شرایط محیط تعریف می­شود. در حالت سایش سخت ماده و محیط ساینده خود نیز خرد می ­شود. در سایش نرم، مواد ساینده خرد نمی ­شوند، مثل جریانی از ماسه و ذرات سیلیس که به شکل دوغاب با اجزاء و قطعات یک پمپ برخورد می­ کند.

 

  • خوردگی شیمیایی

 

زمانی اتفاق می­ افتد که آلیاژ در یک محیط شیمیایی خورنده قرار گیرد. مثلاً انتقال محلول ­های اسیدی، قلیایی و یا محیط­ های حاوی برخی نمک­ های خورنده، مواد شیمیایی و … . آلیاژهای مقاوم به خوردگی شیمیایی اکثراً در پمپ­ ها، راکتورها، لوله­ های انتقال محلول و همزن ­ها به­ کار می ­رود.

 

  • خوردگی لغزشی

خوردگی لغزشی در حالتی پیش می­ آید که دو صفحه سخت بر روی هم حرکت و لغزش مکرر داشته باشند و یا اصطلاحاً به هنگام کار روی یکدیگر بغلطند. اگر هر دو صفحه فلزی باشند احتمال سایش و خوردگی بیشتر خواهد بود. غیر از انتخاب نوع آلیاژ مناسب برای جلوگیری از خوردگی لغزشی، می ­توان از روان ­کاری و روغن ­کاری مناسب نیز استفاده کرد.

 

 

آلیاژهای مقاوم به حرارت کبالت

 

تا مدت ­ها مصرف آلیاژهای مقاوم به حرارت فقط در توربین ­های نیروگاهی بود. اما گسترش صنایع هوافضا نیاز به آلیاژهای جدید را افزایش داد. آلیاژهایی که در نیروگاه ­ها می ­بایست در حرارت نسبتاً کم که ناشی از سوخت مواد نفتی و یا گاز طبیعی است، مقاوم باشند. در این نوع آلیاژها مقاومت در برابر سولفیدها بسیار مهم و اساسی است. اما در توربین ­ها و موتورهای هواپیما به آلیاژهایی نیاز است که علاوه بر مقاومت حرارتی، استحکام و مقاومت خستگی خوبی نیز داشته باشند.

 

هرچند آلیاژهای کبالت به اندازه آلیاژهای نیکل و یا فولادهای نیکل­ دار مصرف نمی ­شوند، اما مقاومت بسیار خوب آن ­ها در محیط­ های سولفیدی کاربرد آلیاژهای کبالت را به آلیاژهای نیکل و فولادهای نسوز ارجح می ­سازد.

 

به ­طور کلی خواص آلیاژی بسیار خوب کبالت مخصوصاً در آلیاژهای نسوز به این دلیل است که کبالت در دمای معمولی ساختمان بلوری از نوع CPH دارد که در اثر افزایش دما به ساختمان بلوری FCC تبدیل می ­شود. همچنین دمای کوری کبالت بسیار زیاد است (۱۱۲۱ درجه سانتیگراد)، که همین خاصیت باعث می ­شود که آلیاژهای کبالت در مقابل ارتعاش، فشار و دما کاربرد داشته باشند.

 

امروزه از آلیاژهای کبالت در اشکال مختلف شمش، مفتول، ورق، آند، پودر، ساچمه، فویل، لوله، الکترود و سیم جوش و … در تولید آلیاژهای حرارتی (نسوز)، مغناطیس ­های دائم، آلیاژهای ضد سایش و ضد خوردگی و غیره استفاده می شود.

 

 

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد کبالت، نوشته زیر از عصر مواد هم توصیه می شود:

 

کبالت؛ خواص، كانی ها و كاربردهای آن

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ارسال دیدگاه