۲۵ شهریور ۱۴۰۰

پیشگامان توسعه
مواد سام,مواد سام,مواد سام

کبالت و آلیاژهای پایه کبالت

کبالت و آلیاژهای پایه کبالت (Cobalt and Cobalt base alloys) گروهی از فلزات و آلیاژها هستند که مقاومت به خوردگی و مقاومت به حرارت فوق العاده ای دارند .

کبالت چیست؟

کبالت فلزی با عدد اتمی ۲۷ است که بطور طبیعی خاصیت فرومغناطیسی دارد .

تاریخچه آلیاژهای کبالت

بیشتر آلیاژهای پایه کبالت تجاری از سه تایی های کبالت-کروم-تنگستن و کبالت-کروم-مولیبدن نشات گرفته اند که اولین بار در اوایل قرن بیستم توسط الوود هاینس (Elwood Haynes) مورد بررسی قرار گرفت . وی استحکام بالا و ماهیت ضد زنگ آلیاژهای کبالت کروم دوتایی را کشف کرد و پس از آن تنگستن و مولیبدن را بعنوان عوامل مستحکم کننده قوی در سیستم دوتایی کبالت-کروم شناسایی کرد .

هاینس این آلیاژها را بدلیل درخشش ستاره مانند (Star-like luster) آنها ، بعنوان آلیاژهای استلایت (Stellite alloys) نامگذاری کرد . وی کشف کرد که آلیاژ استلایت استحکام بالایی در دماهای بالا دارد ؛ بهمین دلیل استفاده از آن در ابزارهای برش را ترویج داد .

انواع آلیاژهای پایه کبالت

آلیاژهای پایه کبالت یا سوپرآلیاژهای پایه کبالت فلزاتی هستند که عنصر اصلی آنها کبالت است . ترکیب پایه اکثر این آلیاژها کبالت-کروم (آلیاژهای کبالت کروم) است که کروم بعنوان یک عنصر مستحکم کننده عمل می‌کند .

افزودنی های تنگستن یا مولیبدن نیز می‌توانند تاثیر بیشتری بر استحکام آلیاژ داشته باشند .

نیکل یکی دیگر از افزودنی هایی است که در آلیاژهای پایه کبالت استفاده می‌شود . مقاومت به حرارت نیکل از کبالت هم بیشتر است .

بر طبق توضیحات فوق آلیاژهای پایه کبالت به گروه های زیر تقسیم می‌شود .

  • آلیاژهای مقاوم به سایش .
  • آلیاژهای مقاوم به حرارت .
  • آلیاژهای مقاوم به خوردگی .

علاوه بر دسته بندی فوق آلیاژهای پایه کبالت به دو گروه اصلی ریختگی و کارپذیر نیز تقسیم می‌شوند .

آلیاژهای پایه کبالت مقاوم به سایش (Cobalt-Base Wear-Resistant Alloys)

کبالت و آلیاژهای پایه کبالت مقاوم به سایش امروزی با آلیاژهایی که توسط هاینس کشف شد مقدار اندکی تفاوت دارد . مهمترین تفاوت این دو کنترل شدن مقادیر کربن و سیلیسیم است که در آلیاژهای اولیه منجر به ایجاد ناهمواری می‌شدند .

تفاوت اصلی آلیاژهای استلایت جدید در محتوای کربن و تنگستن است .

محتوای کربن و تنگستن بر سختی ، انعطاف پذیری و مقاومت به سایش فرسایشی این آلیاژها اثر می‌گذارند .

محدوده ترکیب شیمیایی آلیاژهای استلایت

کروم : ۲۵ تا ۳۰ درصد ، مولیبدن : حداکثر ۱ درصد ، تنگستن : ۲ الی ۱۵ درصد ، کربن : ۰.۲۵ تا ۳.۳ درصد ، آهن : حداکثر ۳ درصد ، نیکل : حداکثر ۳ درصد ، سیلیسیم : حداکثر ۲ درصد ، منگنز : حداکثر ۱ درصد ، کبالت : بالانس شده .

آلیاژهای پایه کبالت مقاوم به حرارت (Cobalt-Base High-Temperature Alloys)

این آلیاژها بدلیل مقاومت عالی در برابر سولفیدها و استحکام بالا در کاربردهای دما بالا نیز استفاده می‌شود .

ترکیب شیمیایی آلیاژهای کبالت مقاوم به حرارت

کروم : ۲۰ تا ۲۳ درصد ، تنگستن : ۷ تا ۱۵ درصد ، نیکل : ۱۰ تا ۲۲ درصد ، آهن : حداکثر ۳ درصد ، کربن : ۰.۱ تا ۰.۶ درصد ، کبالت : بالانس شده .

ترکیب شیمیایی کبالت و آلیاژهای پایه کبالت مقاوم به خوردگی (Cobalt-Base Corrosion-Resistant Alloys) در برابر آب

کروم : ۲۰ تا ۲۵ درصد ، تنگستن : ۲ درصد ، مولیبدن : ۵ تا ۱۰ درصد ، نیکل : ۹ تا ۳۵ درصد ، آهن : حداکثر ۳ درصد ، کربن : حداکثر ۰.۸ درصد ، نیتروژن : حداکثر ۰.۱ درصد ، کبالت : بالانس شده .

خواص کبالت و آلیاژهای آن

خواص کبالت

  • چگالی این فلز مشابه فلز نیکل است ؛ اما از آهن سنگین تر است .
  • در دماهای بالا مقاوم است و در دمای ۱۴۹۳ درجه سانتی گراد ذوب می‌شود .
  • ساختار کریستالی کبالت هگزاگونال فشرده (Hexagonal close-packed (hcp)) است ؛ اما در دمای ۴۵۰ درجه سانتی گراد به ساختار مکعبی با وجوه مرکز دار (Face centered cubic structure (fcc)) تبدیل می‌شود .
  • کبالت FCC نسبت به HCP انعطاف پذیری بیشتری دارد .

خواص آلیاژهای پایه کبالت

  • این مواد با عناصری مانند کروم ، تنگستن ، نیکل و آهن آلیاژ می‌شوند .
  • بطور کلی ویژگی های مکانیکی مطلوبی دارند .
  • این آلیاژها در برابر خوردگی ، حرارت و سایش مقاوم هستند .
  • در برابر سولفیدها مقاومت بالایی دارند .
  • این آلیاژها زیست سازگار هستند .

کاربرد کبالت و آلیاژهای پایه کبالت

کاربرد کبالت

  • از کبالت بعنوان یک عنصر مستحکم کننده در فولادها و آلیاژهای آهنی استفاده می‌شود .
  • رنگدانه رنگ ، سوپر آلیاژهای پایه نیکل ، کاربیدهای سیمانی و فولادهای ابزار ، مواد مغناطیسی و منبع مصنوعی اشعه گاما (Artificial g-ray sources) از دیگر کاربردهای فلز کبالت است .

کاربرد آلیاژهای کبالت

  • مشابه نیکل و آلیاژهای پایه نیکل از این آلیاژها در محیط های خاص مانند محیط های دما بالا و محیط های اسیدی استفاده می‌شود . لازم به ذکر است که آلیاژهای کبالت مقاومت به خوردگی بیشتری نسبت به آلیاژهای نیکل دارند .
  • توربین های گازی داغ یکی دیگر از کاربردهای خاص این مواد است .
  • کاربرد آلیاژهای کبالت در پزشکی و دندانپزشکی شامل ایمپلنت دندانی ، ایمپلنت جراحی ، پروتزهای ارتوپدی زانو ، شانه و مفصل ران و غیره است .

رایج ترین آلیاژهای کبالت کروم در کاربردهای بیوپزشکی

  • آلیاژ ریختگی ASTM F75: Co-28Cr-6Mo .
  • ASTM F799: Co-28Cr-6Mo ، آلیاژی که بطور ترمومکانیکی تهیه شده‌اند .
  • آلیاژ کارپذیر ASTM F90: Co-20Cr-15W-10Ni .
  • آلیاژ کارپذیر ASTM F562: Co-35Ni-20Cr-10Mo .

شکل ۱ کاربردهای بیوپزشکی کبالت و آلیاژهای پایه کبالت را نشان می‌دهد .

شکل ۱ : برخی از کاربردهای بیوپزشکی آلیاژهای کبالت کروم a) ساقه ران b) سر مفصل ران c) مفصل فلز/ فلز d) محفظه دریچه قلب مکانیکی e) استنت عروقی .

شکل ۲ نیز کاربردهای آلیاژهای پایه کبالت را در حوزه های مهندسی و پزشکی نشان می‌دهد .

شکل ۲ : کاربرد آلیاژهای پایه کبالت در محصولات مهندسی و پزشکی .

کبالت و آلیاژهای پایه کبالت (Cobalt and Cobalt Alloys) گروه خاصی از آلیاژهای غیرآهنی هستند که مقاومت به خوردگی بی نظیری دارند . سایر خواص این آلیاژها از جمله مقاومت به حرارت ، مقاومت به سایش و زیست سازگاری منجر به استفاده از این آلیاژها در کاربردهای هوافضا ، پزشکی و دندانپزشکی ، نیروگاه های هسته ای ، خودروسازی و غیره شده است .

منابع

۱. https://bortec.de/en/blog/cobalt-based-alloys/

۲. http://www.totalmateria.com/Article54.htm

۳. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11270075/

۴. https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/cobalt-alloys

۵.https://www.researchgate.net/figure/Applications-of-cobalt-base-alloys-in-engineering-and-medical-products-8-17-18_fig1_319888430