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