COBALTO

Leticia Bonal Pérez

Angela Fernández Fernández

Enrique C. Martínez-Miracle Muñoz

Universidad Politécnica de Valencia. Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales

HISTORIA Egipto (3000 aC): arte

funerario, vidrio... China (618 dC):

porcelana

Historia 1730-1737

George Brandt lo identifica como elemento y deja de formar parte del grupo de las cadmias

Se convierte en el primer metal registrado desde la antigüedad Su nombre procede del término kobalt, que utilizaban los

mineros en la Edad Media para designar a los 'duendes' que les provocaban los problemas respiratorios

PROPIEDADES QUÍMICAS Elemento de transición Estable a temperatura ambiente Reactivo frente a elementos halógenos Isótopos

Naturales Co50 (99'8%) Co57 (0'2%)

Artificiales Co55....Co62

Propiedades atómicas

Número atómico 27

Peso atómico (g/mol) 58'9332

Volumen atómico (cm3/mol) 6'77

Radio atómico (Å) 1'25

Radio covalente (Å) 1'157

Potencial de ionización (eV) 7'86

Configuración electrónica s2 2s2 2p6 3s2 3d7 4s2

Propiedades ácido/base Anfótero

Abundancia isotópica relativa

Co50(99'8%), Co57(0'2%)

Electronegatividad 1'88

Afinidad electrónica (kJ/mol) 64

MenasRocasSedimentoEscorrentíaAtmósfera

Plantas Animales

Oligoelemento esencial Constituyente de la vitamina B12 Déficit:

Anemia Falta de crecimiento Fallo hepático

Exceso: Intoxicación Vómitos y náuseas Problemas respiratorios

Propiedades físicasMaterial denso y de dureza elevadaSuperficie con brillo metálico Fácil de mecanizar Permite forja y soldadura sin tratamientos previosTransición entre estados alotrópicos a los 400ºCAltos puntos de:

Fusión: 1493ºC Ebullición: 5500ºC Temperatura de Curie:1100ºC

Reservas mundialesOcupa la posición 33 en cuanto a abundanciaDistribuido de forma muy dispersa

República democrática del Congo Australia Canadá China Bostwana Finlandia

.....

Producción En 2010 se produjeron más de 76000 toneladas.Previsiones continentales se estima que pueden durar

100 años; además se puede extraer de nódulos magmáticos en el océano y a partir del reciclado de residuos de minería.

Se suele obtener como subproducto en la extracción de otros metales (especialmente cobre y níquel).

Algunas especies minerales en las que se encuentra:

CarrolitaEsmaltita

Linneita

Cobaltina

Aplicaciones del Cobalto Aleaciones para uso a temperaturas elevadas. El cobalto y el vidrio

Sellos vidrio a metal. Aleaciones no magnéticas de cobalto Aleaciones binarias de cobalto con metales no férricos y con hierro Aleaciones para fabricación de prótesis quirúrgicas y dentales. Superaleaciones y aleaciones multicomponente

Stellite Aleaciones magnéticas para la fabricación de imanes y electroimanes

Aleaciones de alnico Imanes de tierras raras Aleaciones magnéticas de Fe-Cr-Co Vidrios metálicos

Aplicación en baterías Catalizadores.

Hidrotratamientos Plásticos y otros

Aleaciones para temperaturas elevadasEn aceros: mantiene la dureza de los mismos aún sometidos a altas

temperaturas de trabajo evitándose así el revenido.La gran resistencia al desgaste de las aleaciones de cobalto las hacen

difícil de mecanizar, se usan métodos abrasivos o por electroerosión.Los tipos más usados de aleaciones duras son:

1. Aleaciones monocarburo: carburo de tungsteno y cobalto, la cantidad de cobalto puede ser entre 3 y 10%. Cuanto mayor sea la cantidad de cobalto tanto mayor será la tenacidad y menor la dureza de la aleación.

2. Aleaciones de doble carburo: carburos de titanio y tungsteno e igualmente el cobalto sirve de aglutinante. Cuanto más cantidad de titanio entra en la aleación, tanto más dura es, pero pasa a ser más frágil.

Aplicaciones: Herramientas de corte, piezas de gran resistencia o sometidas a

altas temperaturas

El cobalto y el vidrioAplicaciones:

Colorante: aumento de la capacidad filtrante del vidrio al formar moléculas complejas CoOx en la masa fundida de material. Gafas protectoras para soldadura Cristales para hornos de fundición

Sellos vidrios a metal: solución al problema de cómo atravesar el material de un recinto de vidrio sin que se produzcan fugas de gases o líquidos del interior. Tubos de descarga Ventanas de vidrios resistentes a la presión Semiconductores encapsulados Componentes electrónicos

Aleaciones no magnéticas de cobalto

Muy demandas en la industria, 50% de la minería mundialReunen:

TenacidadResistenciaDurezaInalterabilidad

Aplicaciones:Hilos de aceroHerramientas de corteProtesis

Aleaciones binarias de cobalto con metales no férricos y con hierro

Aleaciones binarias de uso mas frecuente: Co-Ni, Cr - Co, Co-W, Co-Ta, Co-Ti, Co-V, Co-Mo o Co-P Resistentes a la abrasión Resistentes a la corrosión y oxidación Dureza Agregación a los carburos cementados: Co-W

Resistencia mecánica Flexibilidad e inalterabilidad Fragilidad Porosidad Preparación por sinterizado Costes relativamente bajos Proceso de síntesis: calentamiento de cobalto sinterizado(>1000ºC), humidificación,

aglutinado con las partículas de carburo de wolframio.

Aleaciones binarias de cobalto con metales no férricos y con hierroAleaciones férricas: contienen entre un 12% y un 13% de

hierro.Fácil mecanización, sin necesidad de calentamiento para la

misma.Admiten buena soldaduraUn contenido abundante de cobalto (incluso superior al

80%) modifica algunas de las propiedades del hierro, el material resultante tolera mayores esfuerzos de tensión y su límite elástico es superior al del hierro sin alear

Aleaciones para prótesis quirúrgicas Mayormente empleadas en la odontología Principal combinación: Cobalto-cromo

Prótesis removibles Se adicionan otros elementos para mejorar sus propiedades físicas y químicas,

como berilio, boro, carbono, cobre, cesio, galio, silicio, estaño, manganeso, titanio, zirconio, hierro, niobio.

Aleaciones de Cobalto-Cromo son utilizadas frecuentemente en piezas coladas. Es un material usado desde hace muchos años en restauraciones dentales.

Económicas, con resistencia a la corrosión, mayor densidad, alto módulo de elasticidad(rigidez), gran dureza, y resistencia a la pigmentación en comparación con las aleaciones de oro.

Se oxidan fácilmente a temperaturas elevadas, permitiendo mejor la unión porcelana (recubrimiento de la prótesis).

Superaleaciones y aleaciones multicomponentesCompuestas por una base, matriz, con cobalto y níquel y por otros

materiales en pequeñas proporciones, alrededor del 7%, tales como cromo, molibdeno, carbono, silicio, hierro, etc.

El incremento de la resistencia frente al desgaste y la corrosión en este tipo de las aleaciones es la principal característica del cobalto pudiendo trabajar a altas temperaturas (superiores a 800ºC)

Se usan frecuentemente en la industria aeronáutica, en la fabricación de álabes u otros componentes de turbo-compresores para motores a reacción que deben resistir fatiga mecánica y oxidación producida por gases calientes y a presión, o también, en la construcción de turbinas de vapor o de gas con similares condiciones de trabajo.

Superaleaciones y aleaciones multicomponentesStellite:

Gama de aleación de cromo cobalto diseñada especialmente para la resistencia al desgaste.

Es completamente no magnética y resistente a la corrosión. Muy difícil de mecanizar debido a su gran dureza lo que encarece enormemente

el precio de las piezas fabricadas con esta aleación siendo usual hacerlo por desgaste con muelas en vez de por corte.

Soldadura complicada pues la combinación de cromo con el cobalto mantiene un alto punto de fusión.

Aplicaciones: Dientes de sierra Piezas sometidas a ácidos Válvulas de motores de combustión interna Herramientas de torneado Cámaras de explosión y cañones en armamentística, etc.

Aleaciones magnéticas para la fabricación de imanes y electroimanes.Coercitividad o capacidad magnética permanente más elevada que

la de las aleaciones magnéticas basadas en sistemas Cr-W.Punto de Curie elevado, por lo que se mantiene su magnetismo

inducido incluso a altas temperaturas.Resistividad eléctrica inferior a la del hierro, lo que posibilita

saturación magnética comparativamente mayor en estas aleaciones.Variación muy grande de la proporción de cobalto según la función a

desempeñar (5%-35%)Aplicación:

Imanes de alta intensidad de campo Imanes de media-baja intensidad de campo

Aleaciones magnéticas para la fabricación de imanes y electroimanes.

Aleaciones de alnico: Se refiere a las aleaciones de metal que están compuestas principalmente de

aluminio (Al símbolo), níquel (símbolo Ni) y cobalto (Co símbolo) Son ferromagnéticas, se usan para hacer imanes permanentes Tienen una alta energía producto Alta inducción de remanente (0,7 a 1,35 T) Moderado campo coercitivo (40 a 160 kA/m) Tipos:

Isótropas: se pueden magnetizar eficientemente en cualquier dirección. Anisótropas: en general tienen una mayor capacidad magnética en una orientación preferente

Tanto el alnico isótropo como el anisótropo necesitan un tratamiento térmico adecuado para el desarrollo óptimo de las propiedades magnéticas sin lo cual su coercitividad es de unos 10 Oe, comparable a la del hierro técnico, que es un material magnético blando. Después del tratamiento térmico el álnico se convierte en un material compuesto, llamado material de precipitación, que está formado por hierro y cobalto precipitados en una matriz rica en Ni y Al. La estructura de precipitado es una «barrera» contra los cambios de magnetización.

Aleaciones magnéticas para la fabricación de imanes y electroimanes.Alnico:

Aplicaciones:Aplicaciones industriales y de consumo donde se necesitan

fuertes imanes permanentesMotores eléctricosPastillas de guitarra eléctricaMicrófonosSensoresAltavocesImanes de herradura

Aleaciones magnéticas para la fabricación de imanes y electroimanes.Imanes de tierras raras: nos centraremos sobre todo en los imanes

de Samario-Cobalto, también llamados de tierras raras Imán fuerte y permanente La maquinación de las aleaciones se realiza en estado de desmagnetización. El samario cobalto debe ser molido usando un proceso de molienda en

húmedo (refrigerantes basados en agua) y una rueda moledora de diamante. Al desecho de la molienda producido no debe permitírsele secar completamente ya que el samario–cobalto tiene un bajo punto de ignición. Una pequeña chispa, como las producidas por electricidad estática, pueden fácilmente comenzar la combustión. El polvo resultante es presionado en la forma deseada, dentro de un campo magnético para orientar el campo magnético de las partículas. Se aplica sinterizado a una temperatura de 1100˚C–1250˚C, seguido por un tratamiento en disolución a 1100˚C–1200˚C finalmente se realiza un templado al imán alrededor de 700˚C–900˚C.

Aleaciones magnéticas para la fabricación de imanes y electroimanes

Imanes de tierras raras:Podemos resumir diciendo que son extremadamente

resistentes a la desmagnetización, tienen buena estabilidad con la temperatura (temperaturas máximas de uso entre 250 y 550 °C; temperaturas de Curie desde 700 hasta 800 °C) y son caros.

Aplicaciones: Motores eléctricos de alta gama. Turbomáquinas. Imanes de tubos de onda progresiva. Aplicaciones que requieren que el sistema funcione a

temperaturas criogénicas, o a muy altas temperaturas (más de 180 °C).

Dispositivos médicos tales como los pequeños motores de bombas implantables y válvulas, en relojes de muñeca, tubos de onda progresiva y en motores y generadores de corriente continua síncronos.

Aleaciones magnéticas para la fabricación de imanes y electroimanes

Aleaciones magnéticas de hierro-cromo-cobalto Similares a las de alnico en estructura metalúrgica y propiedades magnéticas

permanentes, pero poseen como ventaja que pueden ser conformables en frío. Los valores de las propiedades magnéticas son de 1,0T a 1,3T de inducción

remanente, de 150 A/cm a 600 A/cm de coercitividad y de 10kJ/m3 a 45kJ /m3. Se emplean en imanes permanentes para receptores telefónicos.

Vidrios metálicos Materiales de estructura amorfa, obtenidos mediante la combinación de elementos

ferrimagnéticos como el hierro, cobalto y níquel, con metaloides como el Boro y el Silicio.

Son muy fuertes, muy duros, con cierta flexibilidad y resistentes a la corrosión. Las paredes del dominio se mueven con facilidad a causa de que tienen ciclos de

histéresis muy estrechos. Aplicaciones: transformadores de potencia, sensores magnéticos, cabezas grabadoras

para imagen y sonido y para pequeños motores.

Aplicaciones en bateríasIones de litio como un electrodo y óxido de litio cobalto (LiCoO2), que es

estable en el aire.Incrementó la seguridad sobre las baterías que utilizaban el litio metal.La evolución de las baterías en constante, la química con más posibilidades

de éxito en la “línea sucesoria” de la familia del Litio sería la combinación de Litio con Níquel-Cobalto-Manganeso, también conocidas como Litio NCM, combinada con electrodos de alta capacidad de silicio, muy comunes en coches eléctricos.

Tasa elevada de recuperación por reciclado de un componente de precio elevado como el cobalto.

CatalizadoresEn forma generalizada, en los combustibles de hoy día se reducen los

compuestos de azufre, para evitar daños ambientales por lluvia ácida. Al proceso que se utiliza para este propósito y al cual se someten las diferentes fracciones que se obtienen en la destilación atmosférica y al vacío se le denomina hidrotratamiento o hidrodesulfuración, por estar basado en el uso de hidrógeno que reacciona con los compuestos de azufre presentes en los hidrocarburos para formar ácido sulfhídrico; en un procesamiento posterior, este compuesto se convierte en azufre elemental sólido que tiene una importante aplicación industrial. En el proceso ocurren reacciones adicionales que permiten complementar el tratamiento al eliminar también compuestos nitrogenados, convertir las olefinas en compuestos saturados y reducir el contenido de aromáticos. El hidrotratamiento requiere de altas presiones y temperaturas, y la conversión se realiza en un reactor químico con catalizador sólido constituido por gg-alúmina impregnada con molibdeno, níquel y cobalto.

Plásticos y otrosSe usan fuentes de cobalto radiactivo para reforzar los

enlaces moleculares de compuestos poliméricos empleados en algunos productos.

Los equipos de registro isotópico con fuente de irradiación de Co60 son empleados en la medición de volúmenes, por ejemplo de sólidos granulados, el flujo de líquidos o la determinación de defectos estructurales en tuberías, componentes de motores, piezas de turbinas, etc.

Isotopos cobaltoSe han caracterizado 22 radioisótopos siendo los más estables el Co-

60, el Co-57 y el Co-56 con periodos de semidesintegración de 5,2714 años, 271,79 días y 70,86 días respectivamente.

Cobalto-60 Vida media de 5,27 años. 60Co decae por "desintegración beta" al isótopo

estable níquel-60 (60Ni). En el proceso de desintegración, 60Co emite un electrón con una energía de 315 keV y luego dos rayos gammas con energías de 1,17 y 1,33 MeV, respectivamente.

Principales beneficios Co-60Elemento traza de cobalto en reacciones químicas.Esterilización de equipo médico.Fuente de radiación para radioterapia médica,Fuente de radiación para radiografía industrial.Fuente de radiación para nivelar artefactos y

verificar espesores.Fuente de radiación para irradiación de alimentos.Fuente de radiación para uso de laboratorio.

Radiografía IndustrialEmplea la radiación ionizante de alta energía que al pasar

a través de un material sólido, parte de su energía es atenuada debido a diferencias de espesores, densidad o presencia de discontinuidades.

Esterilización sin residuos de radiaciónLa ionización, producida por la radiación gamma actúa

interrumpiendo los procesos que conducen a la descomposición de las substancias orgánicas.

Su función es hacer no viable lo microorganismos rompiendo las cadena del material genético del.

Las aplicaciones industriales más relevantes de las radiaciones ionizantes son:• Irradiación de productos desechables de uso médico.• Irradiación de productos herbolarios y especies.• Irradiación de productos farmacéuticos.• Irradiación de alimentos• Irradiación de cosméticos.

APLICACIONES INDUSTRIALES DEL Co-60

Terapia de cobaltoTratamiento que utilizan como fuente radiactiva el Cobalto 60 para tratar el cáncer.El mayor problema es su vida media relativamente pequeña, la radiación va perdiendo actividad y se hace inútil.Ha sido parcialmente reemplazado por el acelerador lineal pero todavía se usa en todo el mundo ya que la máquina es relativamente fiable y fácil de mantener.

Galvanizado: recubrimiento con cobalto La función del galvanizado es proteger la superficie del metal sobre

el cual se realiza el proceso.El cobalto tiene mucha similitud con el niquelado y no ha sido

aplicado industrialmente en mayor escala por el elevado precio del cobalto.

Los depósitos de cobalto aguantan perfectamente las flexiones, tensiones y golpes que se producen durante el rectificado y el pulido.

Capas base para esmaltes

El cobalto se emplea para dar color azul a esmaltes y vidrios.Para la fabricación se tuestan minerales de cobalto, a fin de obtener

óxido de cobalto. Luego se funde este óxido con cuarzo y potasa (o con vidrio), de lo que resulta un material vítreo de color azul oscuro intenso, que se pulveriza al sumergirlo en agua fría.

Reciclado de residuos del cobaltoFuentes de cobalto recuperable son las chatarras de

aleaciones, del metal cobalto, desechos de herramientas de carburo cementado, de escorias metalúrgicas o de compuestos químicos de cobalto.

La fusión mediante lanza de oxígeno, permite segregar los diferentes metales que componen la aleación sin deterioro de las propiedades físicas.

Reciclado a partir de catalizadores de industrias químicas.

Se han ensayado procesos de recuperación de cobalto basados en la aplicación de arco de corriente continua.