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2006-05-11
Aplicaciones del cobalto
El cobalto no se encuentra como metal nativo en la Tierra a excepción del que se presenta, en
cantidades mínimas, en fases metálicas de los meteoritos. Su contenido geoquímico en las rocas y
minerales de la litosfera ha sido establecido en 20 ppm (partes por millón o g/t). Como elemento
químico simple el cobalto se integra en las combinaciones que dan lugar a unas setenta especies
minerales.
Casi en su totalidad la producción mundial de metal cobalto procede, primariamente, del tratamiento
de menas minerales; un pequeño porcentaje de esta producción deriva del reciclado de componentes
industriales o productos previamente manufacturados con cobalto. Hay que tener en cuenta, sin
embargo, que son excepcionales los depósitos minerales con leyes de interés económico en cobalto,
y por ello que la recuperación de este escaso metal suele tener carácter subsidiario respecto a
procesos de concentración industrial de otros metales a los que se asocia en la naturaleza, como son
el cobre, níquel, cromo, plata, oro, uranio, etc. En consecuencia el cobalto es considerado habitualmente un subproducto o coproducto de los diversos procesos minero-metalúrgicos.
APLICACIONES INDUSTRIALES DEL COBALTO
La mayor demanda mundial de cobalto se genera
en el sector industrial dedicado a la fabricación de aleaciones, superaleaciones, carburos
cementados y tratamiento de aceros. Según datos referidos al año 2000 Estados Unidos,
país a la cabeza en el consumo de cobalto, destinó el 72.26% del mismo a los sectores
mencionados, el 27.12% a industrias de química de base y sectores cerámicos, y el
restante 0.72% a otros sectores.
PORCENTAJES DE CONSUMO DE COBALTO POR SECTORES DE APLICACIÓN
EMPLEO DEL METAL COBALTO Y SUS ALEACIONES
A la obtención del cobalto metal se llega tras el tratamiento de menas minerales de cobalto y
los consiguientes procesos metalúrgicos de refinado. El metal comercial se obtiene con grados
de pureza, o calidades, de 99.30%, 99.65% y 99.80%; también se consiguen productos de
pureza superior, como la calidad del 99.9%, de elevado coste y producción limitada, que se
destina a fines de investigación y desarrollo.
Por lo que se refiere a las calidades comerciales del metal cobalto, y
salvo otras especificaciones por parte del comprador, las formas comunes de presentación son
la briqueta, lingote, granalla (granulado sin calibrar), varilla (elementos cilindriformes de 10-12
mm de longitud), cátodos (obtenidos por proceso electrolítico) o el metal en polvo.
El mayor consumo de cobalto refinado se produce en la industria de manufactura de aleaciones
y superaleaciones. En líneas generales, las aleaciones con cobalto ofrecen una gama de
cualidades físicas muy amplia (en función también de los restantes componentes de la aleación
y sus proporciones relativas); por ejemplo, alcanzan muy elevado grado de ductilidad las de
Co-Ni-Mn-Ti o, al contrario, muy elevado grado de rigidez las de Co-Cr-Mo-W-Si.
La fusión es un método común en la fabricación de estas aleaciones; no obstante, en la actualidad se obtiene excelentes rendimientos con otros procesos de manufactura como la
pulvimetalurgia, que aplica técnicas de prensado a alta presión y en seco, de mezclas de
metales en polvo y un posterior calentamiento (sin sobrepasar el punto de fusión de los
distintos componentes de la aleación).
Aleaciones no magnéticas de cobalto
La fabricación de aleaciones no magnéticas con base de cobalto absorbe cada año
aproximadamente un 50% de la producción
minera mundial de cobalto. Son aleaciones
adecuadas a condiciones de trabajo
extremas ya que reúnen tenacidad,
resistencia, dureza e inalterabilidad. Por
ello, son de empleo común en aceros
resistentes al calor, la corrosión o el
desgaste por rozamiento. La gama de sus
aplicaciones comprende desde las herramientas de todo tipo, hilos de acero para bandas
de resistencia en neumáticos radiales o discos para corte y pulido de metales, hasta usos
minoritarios en aleaciones para fabricación de prótesis.
Aleaciones binarias de cobalto con metales no férricos y con hierro
Algunas aleaciones binarias de cobalto con
metales no férricos de uso más frecuente son las
Co-Ni, Cr - Co, Co-W, Co-Ta, Co-Ti, Co-V, Co-Mo o Co-P. Poseen cualidades de dureza y
resistencia, en particular a la oxidación, abrasión
y corrosión provocadas por la acción de gases y
sales fundidas, o bien al colapso mecánico
función del tiempo de uso (proceso denominado
fluencia). Las aleaciones del tipo Ni-Co, cuyo
contenido en cobalto varía entre el 1% y 18%, son muy utilizadas en manufactura de
aceros con revestimientos resistentes y dúctiles, que soportan un pulimento de
grano muy fino. Las de Co-W, como la denominada Carboloy del tipo carburo
cementado, o las de Co-Cr, como las Stellite patentadas por Elwood Haynes10 en
1899, se emplean en herramientas de mano, discos de sierra, taladros y útiles
diversos para la mecanización del hierro, acero y en general materiales de gran
dureza.
Las denominadas aleaciones férricas contienen generalmente entre un 12% y un
13% de hierro. Las aleaciones férricas no requieren calentamiento para su
mecanización y admiten bien la soldadura. Un 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. En otros casos la presencia del cobalto mejora parámetros físicos,
como la coercitividad magnética, la conductividad térmica o la conductividad
eléctrica (esta última alcanza valores máximos cuando la aleación contiene
porcentajes de cobalto entre 10% y 65%).
Durante la manufactura de piezas específicas es posible modular las propiedades de
la aleación en función del contenido en cobalto, de modo que las mismas tengan
grado de tenacidad variable, en unos u otros sectores o secciones, de modo que se
adecua el componente a unas determinadas condiciones finales de trabajo. Es el
caso de útiles para perforación mecánica (coronas o triconos) fabricados con
aleaciones de cobalto que presentan en su exterior mayor resistencia al desgaste,
rigidez en su sección axial y flexibilidad en la zona intermedia.
Carburos cementados (metal duro)
Las aleaciones del grupo de los carburos cementados contienen carburo de
wolframio11, compuesto que confiere al material propiedades de resistencia
mecánica, flexibilidad e inalterabilidad, pero también de fragilidad y porosidad. Las
propiedades de estas aleaciones se mejoraron con procesos de fabricación que
conseguían fijar la fase carburada a una matriz de partículas metálicas (cobalto,
titanio, tántalo, vanadio, niobio, etc.). El resultado es una estructura de gran
resistencia mecánica, formada por los granos del componente mayoritario (lo que se
denomina la fase mayor) y los restantes componentes minoritarios (fase menor)
regularmente distribuidos en los espacios intergranulares. Tal modelo de estructura
dificulta los posibles micro-deslizamientos dentro del material; además pueden
potenciarse determinadas cualidades de la aleación con posteriores procesados
como el de cocción o forja que produce recristalización intergranular de agregados
de carburos, el de moldeado que proporciona mayor homogeneidad (envejece la
aleación), o el de calentamiento por etapas que facilita las uniones por soldadura.
Las aleaciones de carburo cementado-cobalto se preparan comúnmente con cobalto
sinterizado, en un proceso que comprende calentamiento a 1 375 ºC, humidificación
y aglutinado con las partículas de carburo de wolframio. La manufactura de carburos
cementados implica costes relativamente bajos. Por su resistencia al desgaste, que
supera entre 12 y 20 veces la del acero rápido, se emplean en herramientas de
metal-duro para mecanizado y corte (taladros, fresas, terrajas, discos de corte, etc.).
Otras ventajas se refieren a su punto de fusión, más bajo que el de los carburos de
wolframio sin base de cobalto, lo que rentabiliza el coste de la adición de este metal.
Superaleaciones y aleaciones multicomponentes
Las superaleaciones están formadas básicamente por una matriz con níquel o con
níquel y otros metales, como el cobalto, y por un porcentaje menor (en torno al 7%)
de otros componentes como el cromo, molibdeno, wolframio, carbono, silicio, hierro,
etc. Preferentemente se incorpora a tales aleaciones el cobalto en estado alotrópico
cph, aunque también se use el fcc.
La aportación principal del cobalto a este tipo de aleaciones es un incremento en la
resistencia frente al desgaste y la corrosión a altas temperaturas (superiores a
800ºC). Son por ejemplo de uso frecuente, 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 (aleaciones de denominación comercial X-40, X-45, o
aleación 31 Haynes-Stellite).
El cobalto interviene en tipos de aleaciones multicomponentes de aplicación específica.
Así, las aleaciones Vitallium (de Co-Cr) por su elasticidad e inalterabilidad se emplean en
prótesis dentales, o bien las aleaciones tipo Widia12 o Stellite13 (existen alrededor de
veinte tipos de estas últimas, con contenidos entre el 3% y 15% en Co) que reúnen
cualidades de resistencia a la corrosión, erosión, abrasión y descamación en la superficie
("galling"). Determinadas aleaciones multicomponentes participan en las actuales pilas o
baterías recargables, tal como se describe más adelante. Existe otra modalidad de aleaciones
multicomponentes, como son las comercialmente denominadas Kovar A, Fernico, Rodar y Aleaciones magnéticas de cobalto
El desarrollo experimental de aleaciones magnéticas con base de cobalto se remonta a 1920,
siendo hoy materiales de uso habitual común. Sus características más destacadas son:• 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.
El gran margen de variación para las distintas composiciones se aprecia en las siguientes
cifras: 5% a 35% de cobalto, 1% a 5% de cromo, 2% a 0,5% de molibdeno, 1% de carbono y,
eventualmente, hasta un 5% de wolframio y hierro. Su campo de aplicación comprende la
fabricación de imanes de alta intensidad de campo y de media-baja intensidad de campo. En la
manufactura de los primeros, con alto grado de imantación permanente mantenida a las
distintas temperaturas de trabajo (imanes duros), se aplican técnicas de endurecimiento por
precipitación o enfriamiento, estructuras ordenadas, trabajo en frío o pulvimetalurgia (imanes de
dominio simple).
Pertenecen al grupo de las aleaciones magnéticas las designadas como Alnico, cuyo
desarrollo se produjo tras la segunda Guerra Mundial; su nombre designa su composición
básica: Al-Ni-Co-Fe (3 – 35 % de Co, 14 -30 % de Ni, 6 – 12 % de Al y Fe residual).
También son aleaciones magnéticas otras con bases de Fe-Co-Mo, Co-Pt, Fe-Ni-Cu-Co y
Fe-Ni-Co-Mn.
Las aleaciones magnéticas de media-baja intensidad (imanes blandos) tienen la
característica de permanencia de un magnetismo remanente mínimo tras cesar el campo
eléctrico inductor. Son, por ejemplo, las aleaciones basadas en sistemas Fe-Ni-Co o Fe-
Co-V denominadas comercialmente Permendur, Supermendur, Hiperco o Perminvar, de
uso especifico en pequeños motores, generadores, transformadores estáticos o cintas
magnéticas de grabación de imagen y sonido.
EMPLEO DEL COBALTO EN TECNOLOGÍAS AVANZADAS
No faltan hoy en día fuentes de información sobre usos recientes del cobalto metal de alta
pureza u otros productos de cobalto 14. Se señalan a continuación algunas de las
aplicaciones relacionadas con sectores tecnológicos o industriales.
Radioisótopo cobalto 60
El isótopo artificial de cobalto más utilizado es el cobalto 60 (Co60), que se obtiene en
reactores nucleares mediante un bombardeo de nucleidos estables de Co59 con neutrones
de baja energía. El Co60 tiene, por su acción ionizante, un extenso campo de aplicaciones
médicas y sanitarias que van desde el diagnóstico y terapéutica de enfermedades
oncológicas (cobaltoterapia) a la desinfección de útiles quirúrgicos y residuos o efluentes hospitalarios. Por medio de cámaras de ionización provistas de fuentes radiactivas de
Co60 se tratan alimentos perecederos tanto envasados (bolsas de polietileno, latas
metálicas) como a granel, a fin de retrasar su degradación. La irradiación con Co60 tiene
otras facetas, como la conservación de documentación histórica, objetos artísticos, piezas
arqueológicas, etc., ya que son destruidos insectos, mohos, hongos u otros
microorganismos.
La industria de plásticos usa también fuentes de cobalto radiactivo, cuya acción permite
reforzar los enlaces moleculares de compuestos polímeros empleados en algunos de sus
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.
Baterías eléctricas ligeras con cátodo de cobalto
El metal cobalto de alta pureza es uno de los componentes contenidos en algunas de las
baterías ligeras de tipo metal-hidruro o similares, cuyo uso es ya generalizado en telefonía,
radiofonía, cámaras de vídeo o fotografía.
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE BATERÍAS ELÉCTRICAS CON COBALTO
En las baterías fabricadas con esta tecnología el electrodo negativo (ánodo) suele ser de carbón o
grafito, figurando el cobalto como componente del electrodo positivo (cátodo), lo que supone un mejor
rendimiento eléctrico, comparable al que se consigue en las baterías con base de manganeso (las
denominadas de espinelas sintéticas), de níquel o de tierras raras. El cobalto conjuntamente con
aditivos químicos contribuye a equilibrar el balance crítico entre la densidad de energía máxima del
acumulador y la mayor duración de su capacidad de almacenamiento y vida operativa. Las técnicas
demanufactura de este tipo de baterías también hacen posible una tasa elevada de recuperación por
reciclado de un componente de precio elevado como el cobalto.
Superaleaciones usadas en los sectores de la aeronáutica e industria aerospacial
Diversas aplicaciones de las superaleaciones con cobalto se refieren a la construcción
aeronáutica (componentes de fuselajes, motores de explosión o reactores), junto a otros
componentes metálicos como níquel, wolframio, niobio,
tántalo, etc. Actualmente se abren nuevas perspectivas
de uso a este tipo de superaleaciones, así como para
ciertas aleaciones cerámicas con cobalto, en el campo
tecnológico de fabricación de vehículos aerospaciales o
estaciones orbitales.
La aplicación de sales de cobalto en la decoloración del vidrio verde se justifica por su efecto
de neutralización del exceso de hierro contenido. Pero en la industria del vidrio se aprovechan
generalmente más por su acción colorante: el catión cobalto forma moléculas complejas (CoOx)
en la masa de vidrio fundido, influyendo el porcentaje de moléculas respecto a masa total de
vidrio sobre la capacidad filtrante que resulta. En el caso del vidrio coloreado común son
requeridos unos 280 gr de cobalto por tonelada de vidrio fundido, y se llega hasta 4.5 kg de Co
por tonelada de vidrio cuando se obtiene el vidrio de gafas protectoras o de mirillas para
trabajos de soldadura y hornos de fundición.
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