Co – Kobalt (Kobaltum), ein Bestandteil von hitzebeständigem Stahl.

Kobalt (Co) in Stahl und Legierungen – Eigenschaften, Einfluss auf die Struktur und Anwendung

Cobalt (Co), ist ein metallisches Legierungselement mit der Ordnungszahl 27 und gehört zu den Übergangsmetallen. Im Gegensatz zu Zusatzstoffen wie chrom, nikiel, Mangan czy MolybdänKobalt ist kein üblicher Bestandteil von Baustählen. Es wird hauptsächlich dort eingesetzt, wo das Material seine mechanischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen beibehalten, eine hohe Anlassbeständigkeit aufweisen, spezifische magnetische Eigenschaften zeigen oder unter extremen thermischen Bedingungen funktionieren muss.
Kobalt ist außerdem ein grundlegender oder essentieller Bestandteil vieler Speziallegierungen, die keine klassische Eisenmatrix enthalten. Dazu gehören unter anderem: Kobaltbasierte Superlegierungen, Co-Cr-Legierungen, Stellite®, Fe-Co-Legierungen und einige Nickel-SuperlegierungenAus diesem Grund reicht die Bedeutung von Kobalt weit über die klassische Stahlmetallurgie hinaus.

Kobalt – grundlegende Eigenschaften

Kobalt ist ein silberfarbenes Metall mit einem leicht bläulichen Schimmer. Sein Schmelzpunkt liegt bei etwa 1495°Cund die Dichte beträgt ungefähr 8,9 g / cm³. Genau wie Eisen i nikielweist ferromagnetische Eigenschaften auf.
Eine der interessanten Eigenschaften von Kobalt ist seine sehr hohe Curie-Temperatur. Dadurch bleiben seine magnetischen Eigenschaften auch bei deutlich höheren Temperaturen als bei vielen anderen ferromagnetischen Materialien erhalten. Diese Eigenschaft ist von großer Bedeutung für magnetische Legierungen, die für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen vorgesehen sind.

Kobalt – ein historischer Überblick

Kobaltverbindungen wurden von Menschen lange vor der Entdeckung von Kobalt als eigenständiges Element verwendet. Kobalthaltige Mineralien dienten in der Antike dazu, Glas und Glasuren eine intensive blaue Farbe zu verleihen. Kobaltfarbene Glasartefakte sind aus dem alten Ägypten und dem Nahen Osten bekannt.
Der Name selbst kobalt hat einen weitaus weniger eleganten Ursprung. Es stammt vom deutschen Wort KoboldDer Begriff bezeichnete einen bösartigen Geist oder Kobold. Bergleute in mittelalterlichen Minen stießen auf Erze, die Edelmetallen ähnelten, konnten das gewünschte Metall aber nicht gewinnen. Schlimmer noch: Viele Kobalterze enthielten Arsen, und beim Rösten und Schmelzen konnten giftige Arsenverbindungen freigesetzt werden. Für diese Misserfolge wurden die sogenannten „Kobolde“ verantwortlich gemacht.
Der Durchbruch gelang im 18. Jahrhundert. Ein schwedischer Chemiker Georg BrandtDie Untersuchung der Erze, die dem Glas einen blauen Schimmer verliehen, zeigte, dass dieser durch ein bis dahin unbekanntes Metall und nicht, wie zuvor angenommen, durch Wismut verursacht wurde. Kobalt wurde somit zu einem der ersten Metalle, die in der Neuzeit entdeckt und wissenschaftlich beschrieben wurden.
Im 19. und 20. Jahrhundert gewann Kobalt mit der Entwicklung der Speziallegierungsmetallurgie, der Elektrotechnik, der Luftfahrt und der Werkzeugtechnik rasant an Bedeutung. Aus einem Element, das hauptsächlich mit blauen Pigmenten in Verbindung gebracht wurde, entwickelte es sich zu einem Schlüsselbestandteil von Werkstoffen für extreme Bedingungen.

Die Wirkung von Kobalt auf Stahl

Kobalt ist ein ungewöhnliches Legierungselement. Es wird nicht primär zur Erhöhung der Härtbarkeit eingesetzt. In vielen Systemen bewirkt es genau das Gegenteil – es kann Austenitdiffusionsumwandlungen beschleunigen und dadurch die Härtbarkeit verringern.

Sein wichtigster Vorteil liegt jedoch in seinem Einfluss auf das Verhalten von Stahl bei erhöhten Temperaturen. In geeignet konstruierten legierten Stählen bewirkt Kobalt Folgendes:

• erhöht die Härtebeständigkeit,
• hilft dabei, eine hohe Härte bei erhöhten Temperaturen aufrechtzuerhalten.
• erhöht die Sekundärhärte einiger Werkzeugstähle,
• kann die Wirksamkeit karbidbildender Elemente erhöhen
• verbessert die Materialeigenschaften bei langfristigem thermischen Betrieb,
• ermöglicht die Entwicklung von Legierungen mit speziellen magnetischen Eigenschaften.

Daher sollte Kobalt in erster Linie als Spezialelement und nicht als universeller Zusatzstoff zur Steigerung der Stahlfestigkeit betrachtet werden .

Kobalt und Karbide im Stahl

Eine interessante Eigenschaft von Kobalt ist, dass es im Gegensatz zu Vanadium, Wolfram, Molybdän czy tytanu, Es handelt sich nicht um ein typisches starkes karbidbildendes Element.Seine Rolle in Werkzeugstählen besteht daher nicht darin, große Mengen eigener Kobaltkarbide zu erzeugen, sondern darin, die Matrix und die beim Anlassen auftretenden Ausscheidungsprozesse zu beeinflussen.
In Stählen, die W, Mo, V und Cr enthalten, kann Kobalt den sekundären Härtungseffekt verstärken, der mit der Ausscheidung feiner Legierungskarbide einhergeht. Dies ist einer der Gründe, warum die Kombination Co + W/Mo + V + Cr ist bei Schnellarbeitsstählen so wirksam.

Kobalt in HSS

Eine der wichtigsten Anwendungen von Kobalt in der Stahlherstellung ist die Produktion HSS-SchnellstähleKobalt erhöht ihre Beständigkeit gegen Anlassen und ihre Fähigkeit, eine hohe Härte bei den beim intensiven Schneiden entstehenden Temperaturen beizubehalten.
Diese Immobilie wird als bezeichnet Warmhärten oder traditionell Rothärte – die Fähigkeit des Werkzeugs, seine Härte und Schneideigenschaften trotz starker Erhitzung der Schneide beizubehalten.
Gute Beispiele hierfür sind Schnellarbeitsstähle:

• M35 – HSS-Stahl mit einem Kobaltgehalt von etwa 5%,
• M42 – Hochleistungsschnellstahl mit einem Kobaltgehalt von ca. 8%.

Durch die Zugabe von Kobalt können diese Stähle bei höheren Schnittgeschwindigkeiten und höheren thermischen Belastungen als herkömmliche HSS-Stähle ohne Kobalt eingesetzt werden. Aus diesem Grund werden sie für Anwendungen wie die folgenden verwendet:

• Bohrer,
• Schneidgeräte
• Reibahlen,
• Wasserhähne
• Drehwerkzeuge,
• Broschen,
• Werkzeuge zur Verarbeitung schwer zu verarbeitender Materialien.

Warum besteht der „Kobalt“-Bohrer nicht aus Kobalt?

Begriff "Kobaltbohrer" kann irreführend sein. Ein solches Werkzeug besteht weder aus reinem Kobalt noch aus einer Legierung, deren Hauptbestandteil Kobalt ist. Dies ist meistens der Fall. Schnellarbeitsstahl, legiert mit einigen Prozent Cozum Beispiel HSS-Co5 oder HSS-Co8.
Kobalt ist Bestandteil des gesamten Werkzeugmaterials, nicht nur seiner Beschichtung. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu Werkzeugen, die beispielsweise mit TiN oder TiAlN beschichtet sind – das Schleifen der Oberfläche eines HSS-Co-Werkzeugs entfernt dessen „Kobalt“-Eigenschaften nicht.

Kobalt in Maraging-Stählen

Kobalt spielt auch in einigen Bereichen eine wichtige Rolle. Maraging-Stähle – ultrahochfeste Fe-Ni-Legierungen mit sehr niedrigem Gehalt Kohle.
Bei klassischen Maraging-Stählen wird die hohe Festigkeit nicht durch einen hohen Kohlenstoffgehalt und klassische Carbide, sondern durch Alterung und die Ausscheidung sehr feiner intermetallischer Phasen erreicht. Kobalt interagiert primär mit Molybdän und beeinflusst so die Kinetik und Effizienz der Ausscheidungsprozesse.
Dies ist ein interessantes Beispiel, das zeigt, dass Kobalt in Stahl von enormer Bedeutung sein kann, obwohl es selbst kein klassisches karbidbildendes Element ist.

Kobalt in hitzebeständigen Legierungen und Superlegierungen

Die Bedeutung von Kobalt nimmt noch zu, wenn wir über klassische Stähle hinausgehen. Es ist ein wichtiger Bestandteil Superlegierungen, die für den Hochtemperaturbetrieb ausgelegt sind.
Kobaltbasierte Legierungen und einige kobaltbasierte Superlegierungen Nickel Sie behalten ihre hohe Festigkeit, Kriechfestigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit unter Bedingungen, unter denen gewöhnliche Stähle einen erheblichen Teil ihrer Eigenschaften verlieren.
Materialien, die Kobalt enthalten, werden unter anderem verwendet in:

• Gasturbinen,
• Flugzeugtriebwerke
• Brennkammern
• Elemente, die in heißen Gasen arbeiten,
• Energiewirtschaft
• Chemische und petrochemische Industrie.

Stellite® – Legierungen, bei denen Kobalt die Hauptrolle spielt

Eine besondere Gruppe von Werkstoffen bilden die Kobalt-Chrom-Legierungen, bekannt als Stellite® . Im Gegensatz zu Stählen, die einige Prozent Kobalt enthalten, bildet Kobalt die Basis der Legierungsmatrix.

Typische Stellite enthalten erhebliche Mengen an Chrom und je nach Qualität auch Wolfram , Molybdän , Kohlenstoff und andere Elemente.

Ihr wichtigster Vorteil ist die Kombination aus:

• Beständigkeit gegen abrasiven und adhäsiven Verschleiß,
• Korrosionsbeständigkeit
• Oxidationsbeständigkeit
• Beibehaltung der Härte bei erhöhten Temperaturen.

Aus diesem Grund werden sie unter anderem für Ventilsitze und -komponenten, Dichtflächen, Pumpenteile, Turbinenkomponenten und Oberflächen verwendet, die hohen Temperaturen, Korrosion und Verschleiß ausgesetzt sind.

Kobalt- und Fe-Co-Magnetlegierungen

Kobalt ist in der Metallurgie magnetischer Werkstoffe von besonderer Bedeutung. Legierungen Eisen-Kobalt (Fe-Co) kann eine sehr hohe Sättigungsinduktion erreichen, die größer ist als die von klassischen weichmagnetischen Werkstoffen, die ausschließlich auf Eisen basieren.
Allerdings sollten Fe-Co-Legierungen nicht automatisch mit Permanentmagneten gleichgesetzt werden. Viele Fe-Co-Legierungen sind magnetisch weiche Materialien, so konzipiert, dass es sich leicht magnetisieren und entmagnetisieren lässt und dabei eine sehr hohe magnetische Induktion erreicht.
Sie werden unter anderem verwendet in:

• Hochleistungsmotoren und -generatoren
• Elektromagnete,
• elektromagnetische Aktuatoren
• Komponenten für Luft- und Raumfahrt,
• spezialisierte elektrotechnische Geräte.

Kobalt in Permanentmagneten

Eine weitere Gruppe besteht aus echten Permanentmagneten, die Kobalt enthalten . Historisch gesehen haben AlNiCo- Magnete , benannt nach Aluminium, Nickel und Kobalt, enorme Bedeutung erlangt .

Eine noch fortschrittlichere Gruppe bilden Samarium-Kobalt-Magnete (Sm-Co-Magnete) . Sie zeichnen sich durch hohe Beständigkeit gegen Entmagnetisierung und sehr gute Stabilität der magnetischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen aus. Daher werden sie dort eingesetzt, wo die thermischen Bedingungen für viele andere Magnettypen zu anspruchsvoll sind.

Kobalt-, Nickel- und Legierungen mit kontrollierter Wärmeausdehnung

Kobalt findet sich auch in einigen Fe-Ni-Legierungen mit präzise kontrollierter Wärmeausdehnung. Ein gutes Beispiel dafür ist Kovar®, eine Eisen-Nickel-Legierung, die auch Kobalt enthält.
Daher ist es nicht korrekt, Kovar als typische „Kobaltlegierung“ zu bezeichnen. Die Rolle einer geeignet gewählten Fe-Ni-Co-Zusammensetzung besteht darin, Wärmeausdehnungseigenschaften zu erzielen, die die Bildung dauerhafter Metall-Glas- oder Keramikverbindungen ermöglichen.
Materialien dieser Art wurden und werden unter anderem in folgenden Bereichen verwendet:

• Glas-Metall-Durchlässe,
• Elektronen- und Vakuumröhren,
• Gehäuse für elektronische Bauteile,
• Sensoren
• Messgeräte,
• spezialisierte elektronische und optoelektronische Bauteile.

Kobalt und Korrosion und Oxidation

Kobalt selbst ist nicht das Chromäquivalent, das für die klassische Passivierung von Edelstahl verantwortlich ist. In Co-Cr-Legierungen ist jedoch eine große Menge Kobalt vorhanden. Chrom ermöglicht die Bildung schützender Oxidschichten und bietet dadurch eine sehr gute Beständigkeit gegenüber vielen korrosiven Umgebungen.
Bei Superlegierungen ist das Verhalten des Materials bei längerer Einwirkung hoher Temperaturen ebenfalls von Bedeutung. Unter solchen Bedingungen können Oxidationsbeständigkeit, Hochtemperaturkorrosionsbeständigkeit und mikrostrukturelle Stabilität ebenso wichtig sein wie die mechanische Festigkeit selbst.

Kobalt – Vorteile und Grenzen in der Metallurgie

Warum wird Kobalt nicht häufig Stahl zugesetzt?

Da Kobalt so interessante Eigenschaften besitzt, könnte man sich fragen, warum es nicht häufiger Stahl zugesetzt wird. Dafür gibt es mehrere Gründe.
Erstens ist es ein relativ teures Element. Zweitens lassen sich viele seiner Funktionen in typischen Anwendungen kostengünstiger durch geeignete Kombinationen von Chrom, Nickel, Molybdän, Wolfram und Vanadium erreichen. Drittens verbessert Kobalt nicht alle Eigenschaften gleichzeitig – es ist beispielsweise kein typisches Element zur Erhöhung der Härtbarkeit.
In der Praxis ist sein Einsatz daher wirtschaftlich vor allem dann gerechtfertigt, wenn gewöhnliche legierte Stähle an ihre Grenzen stoßen.

Von blauem Glas zum Düsentriebwerk

Die Geschichte des Kobalts veranschaulicht die Entwicklung der modernen Materialwissenschaft. Seit Jahrtausenden nutzen Menschen Kobaltverbindungen vor allem, weil sie Glas und Keramik eine unglaublich intensive blaue Farbe verleihen. Heute findet sich dasselbe Element in Werkstoffen für Gasturbinen, Schneidwerkzeuge, Elektromotoren, Hochtemperaturmagnete und Superlegierungen.
Der größte Vorteil von Kobalt ist nicht eine bestimmte Eigenschaft, sondern die Möglichkeit, mit seiner Hilfe Materialien zu entwickeln, die die erforderlichen Parameter überall dort beibehalten, wo sie vorkommen. hohe Temperaturen, starker Verschleiß, starke Magnetfelder oder extreme mechanische Belastungen.

In der Metallurgie wird Kobalt weiterhin gezielt eingesetzt. In normalem Baustahl wäre es ein kostspieliger und oft unnötiger Zusatz. In Schnellarbeitsstahl, einer Fe-Co-Legierung oder einer Superlegierung für den Heißbereich einer Turbine kann es jedoch darüber entscheiden, ob das Material überhaupt unter den erforderlichen Bedingungen einsatzfähig ist.

Eisen Kohle Chrom Nickel Vanadium Mangan Silizium Molybdän Wolfram Kupfer Tytan Aluminium Kobalt Niob Phosphor Schwefel Sauerstoff Stickstoff