Co – Kobalt (cobaltum) składnik stali żarowytrzymałej.

Kobalt (Co) w stali i stopach – właściwości, wpływ na strukturę i zastosowanie

Kobalt (Co) jest metalicznym pierwiastkiem stopowym o liczbie atomowej 27, należącym do metali przejściowych. W przeciwieństwie do takich dodatków jak chrom, nikiel, mangan czy molibden, kobalt nie jest powszechnym składnikiem typowych stali konstrukcyjnych. Stosuje się go przede wszystkim tam, gdzie od materiału wymaga się zachowania właściwości mechanicznych w podwyższonej temperaturze, wysokiej odporności na odpuszczanie, szczególnych właściwości magnetycznych albo pracy w ekstremalnych warunkach cieplnych.
Kobalt jest również podstawowym lub istotnym składnikiem wielu stopów specjalnych niezawierających klasycznej osnowy żelaznej. Należą do nich między innymi superstopy na osnowie kobaltu, stopy Co-Cr, Stellity®, stopy Fe-Co oraz niektóre superstopy niklu. Z tego względu znaczenie kobaltu znacznie wykracza poza klasyczną metalurgię stali.

Kobalt – podstawowe właściwości

Kobalt jest srebrzystym metalem o lekko niebieskawym odcieniu. Jego temperatura topnienia wynosi około 1495°C, a gęstość około 8,9 g/cm³. Podobnie jak żelazo i nikiel, wykazuje właściwości ferromagnetyczne.
Jedną z interesujących cech kobaltu jest bardzo wysoka temperatura Curie. Dzięki temu jego właściwości magnetyczne mogą być zachowane w temperaturach znacznie wyższych niż w przypadku wielu innych materiałów ferromagnetycznych. Właściwość ta ma duże znaczenie w stopach magnetycznych przeznaczonych do pracy w podwyższonej temperaturze.

Kobalt – rys historyczny

Związki kobaltu były wykorzystywane przez człowieka na długo przed rozpoznaniem kobaltu jako odrębnego pierwiastka. Minerały zawierające kobalt służyły już w starożytności do uzyskiwania intensywnie niebieskiego zabarwienia szkła i glazury. Znane są zabytki ze szkła barwionego kobaltem pochodzące ze starożytnego Egiptu i Bliskiego Wschodu.
Sama nazwa kobalt ma znacznie mniej eleganckie pochodzenie. Wywodzi się od niemieckiego słowa Kobold, oznaczającego złośliwego ducha lub goblina. Górnicy pracujący w średniowiecznych kopalniach natrafiali na rudy przypominające rudy cennych metali, z których jednak nie udawało się uzyskać oczekiwanego metalu. Co gorsza, wiele rud kobaltu występowało razem z arsenem, a podczas ich prażenia i wytapiania mogły wydzielać się toksyczne związki arsenu. Winą za niepowodzenia obarczano więc kopalniane „koboldy”.
Przełom nastąpił w XVIII wieku. Szwedzki chemik Georg Brandt, badając rudy dające niebieskie zabarwienie szkła, wykazał, że odpowiada za nie nieznany wcześniej metal, a nie – jak wcześniej sądzono – bizmut. Tym samym kobalt stał się jednym z pierwszych metali odkrytych i naukowo opisanych w czasach nowożytnych.
W XIX i XX wieku znaczenie kobaltu gwałtownie wzrosło wraz z rozwojem metalurgii stopów specjalnych, elektrotechniki, lotnictwa oraz technologii narzędziowych. Z pierwiastka kojarzonego przede wszystkim z niebieskim pigmentem stał się jednym z kluczowych składników materiałów przeznaczonych do pracy w ekstremalnych warunkach.

Wpływ kobaltu na stal

Kobalt należy do nietypowych dodatków stopowych. Nie jest pierwiastkiem stosowanym przede wszystkim do zwiększania hartowności. W wielu układach jego wpływ jest wręcz przeciwny – może przyspieszać przemiany dyfuzyjne austenitu i tym samym zmniejszać hartowność.

Jego najważniejszą zaletą jest natomiast wpływ na zachowanie stali w podwyższonej temperaturze. W odpowiednio zaprojektowanych stalach stopowych kobalt:

• zwiększa odporność na odpuszczanie,
• sprzyja zachowaniu wysokiej twardości w podwyższonej temperaturze,
• zwiększa twardość wtórną niektórych stali narzędziowych,
• może zwiększać efektywność działania pierwiastków węglikotwórczych,
• poprawia właściwości materiału podczas długotrwałej pracy cieplnej,
• umożliwia projektowanie stopów o szczególnych właściwościach magnetycznych.

Dlatego kobalt należy traktować przede wszystkim jako pierwiastek specjalnego przeznaczenia, a nie uniwersalny dodatek zwiększający wytrzymałość stali.

Kobalt a węgliki w stali

Ciekawą cechą kobaltu jest to, że w przeciwieństwie do wanadu, wolframu, molibdenu czy tytanu, nie należy do typowych silnych pierwiastków węglikotwórczych. Jego rola w stalach narzędziowych polega więc nie na tworzeniu dużej ilości własnych węglików kobaltu, lecz na oddziaływaniu na osnowę oraz na procesy wydzieleniowe zachodzące podczas odpuszczania.
W stalach zawierających W, Mo, V i Cr kobalt może zwiększać efekt twardości wtórnej związany z wydzielaniem drobnych węglików stopowych. To jeden z powodów, dla których kombinacja Co + W/Mo + V + Cr jest tak skuteczna w stalach szybkotnących.

Kobalt w stalach szybkotnących HSS

Jednym z najważniejszych zastosowań kobaltu w stalach jest produkcja stali szybkotnących HSS. Kobalt zwiększa ich odporność na odpuszczanie oraz zdolność zachowania wysokiej twardości w temperaturze powstającej podczas intensywnego skrawania.
Właściwość tę określa się jako twardość na gorąco lub tradycyjnie czerwonotwardość – zdolność narzędzia do zachowania twardości i właściwości skrawnych pomimo silnego nagrzania krawędzi roboczej.
Dobrymi przykładami są stale szybkotnące:

• M35 – stal HSS zawierająca około 5% Co,
• M42 – wysokowydajna stal szybkotnąca zawierająca około 8% Co.

Dodatek kobaltu pozwala takim stalom pracować przy większych prędkościach skrawania i większym obciążeniu cieplnym niż klasyczne stale HSS bez kobaltu. Z tego względu wykorzystuje się je między innymi na:

• wiertła,
• frezy,
• rozwiertaki,
• gwintowniki,
• narzędzia tokarskie,
• przeciągacze,
• narzędzia do obróbki materiałów trudnoobrabialnych.

Dlaczego wiertło „kobaltowe” nie jest wykonane z kobaltu?

Określenie „wiertło kobaltowe” bywa mylące. Takie narzędzie nie jest wykonane z czystego kobaltu ani nawet ze stopu, którego głównym składnikiem jest kobalt. Jest to najczęściej stal szybkotnąca stopowa zawierająca kilka procent Co, na przykład HSS-Co5 lub HSS-Co8.
Kobalt jest składnikiem całego materiału narzędzia, a nie tylko jego powłoki. Jest to istotna różnica w stosunku do narzędzi pokrywanych np. TiN lub TiAlN – zeszlifowanie powierzchni narzędzia HSS-Co nie usuwa jego „kobaltowych” właściwości.

Kobalt w stalach maraging

Kobalt odgrywa również ważną rolę w niektórych stalach maraging – ultrawysokowytrzymałych stopach Fe-Ni o bardzo niskiej zawartości węgla.
W klasycznych stalach maraging wysoką wytrzymałość uzyskuje się nie dzięki dużej ilości węgla i klasycznym węglikom, lecz dzięki starzeniu i wydzielaniu bardzo drobnych faz międzymetalicznych. Kobalt współdziała tutaj przede wszystkim z molibdenem i wpływa na kinetykę oraz efektywność procesów wydzieleniowych.
To interesujący przykład pokazujący, że kobalt może być niezwykle istotny w stali mimo tego, że sam nie jest klasycznym pierwiastkiem węglikotwórczym.

Kobalt w stopach żarowytrzymałych i superstopach

Znaczenie kobaltu staje się jeszcze większe po wyjściu poza klasyczne stale. Jest on ważnym składnikiem superstopów przeznaczonych do pracy w wysokiej temperaturze.
Stopy na osnowie kobaltu oraz niektóre superstopy na osnowie niklu zachowują wysoką wytrzymałość, odporność na pełzanie, utlenianie i korozję wysokotemperaturową w warunkach, w których zwykłe stale tracą znaczną część swoich właściwości.
Materiały zawierające kobalt znajdują zastosowanie między innymi w:

• turbinach gazowych,
• silnikach lotniczych,
• komorach spalania,
• elementach pracujących w gorących gazach,
• przemyśle energetycznym,
• przemyśle chemicznym i petrochemicznym.

Stellity® – stopy, w których kobalt gra pierwsze skrzypce

Szczególną grupę materiałów stanowią stopy kobaltowo-chromowe znane pod nazwą Stellite®. W odróżnieniu od stali zawierających kilka procent Co, tutaj kobalt stanowi podstawę osnowy stopu.

Typowe Stellity zawierają znaczne ilości chromu, a w zależności od gatunku również wolfram, molibden, węgiel i inne pierwiastki.

Ich najważniejszą zaletą jest połączenie:

• odporności na zużycie ścierne i adhezyjne,
• odporności na korozję,
• odporności na utlenianie,
• zachowania twardości w podwyższonej temperaturze.

Z tego względu stosuje się je między innymi na gniazda i elementy zaworów, powierzchnie uszczelniające, części pomp, elementy turbin oraz powierzchnie narażone jednocześnie na wysoką temperaturę, korozję i zużycie.

Kobalt i stopy magnetyczne Fe-Co

Kobalt ma szczególne znaczenie w metalurgii materiałów magnetycznych. Stopy żelazo–kobalt (Fe-Co) mogą osiągać bardzo wysoką indukcję nasycenia, większą niż klasyczne miękkie materiały magnetyczne na bazie samego żelaza.
Nie należy jednak automatycznie utożsamiać stopów Fe-Co z magnesami trwałymi. Wiele stopów Fe-Co to materiały magnetycznie miękkie, projektowane tak, aby można je było łatwo magnesować i rozmagnesowywać przy jednoczesnym uzyskaniu bardzo dużej indukcji magnetycznej.
Znajdują zastosowanie między innymi w:

• silnikach i generatorach o dużej gęstości mocy,
• elektromagnesach,
• siłownikach elektromagnetycznych,
• elementach lotniczych i kosmicznych,
• specjalistycznych urządzeniach elektrotechnicznych.

Kobalt w magnesach trwałych

Inną grupę stanowią rzeczywiste magnesy trwałe zawierające kobalt. Historycznie ogromne znaczenie uzyskały magnesy typu AlNiCo, których nazwa pochodzi od aluminium, niklu i kobaltu.

Jeszcze bardziej zaawansowaną grupą są magnesy samaro-kobaltowe Sm-Co. Charakteryzują się wysoką odpornością na rozmagnesowanie oraz bardzo dobrą stabilnością właściwości magnetycznych w podwyższonej temperaturze. Dlatego są stosowane tam, gdzie warunki cieplne są zbyt wymagające dla wielu innych typów magnesów.

Kobalt, nikiel i stopy o kontrolowanej rozszerzalności

Kobalt występuje również w niektórych stopach Fe-Ni o precyzyjnie kontrolowanej rozszerzalności cieplnej. Dobrym przykładem jest Kovar®, stop na bazie żelaza i niklu zawierający także kobalt.
Nie jest więc poprawne określanie Kovaru jako typowego „stopu kobaltowego”. Rolą odpowiednio dobranego składu Fe-Ni-Co jest uzyskanie charakterystyki rozszerzalności cieplnej umożliwiającej wykonywanie trwałych połączeń metalu ze szkłem lub ceramiką.
Materiały tego typu wykorzystywano i nadal wykorzystuje się między innymi w:

• przepustach szkło–metal,
• lampach elektronowych i próżniowych,
• obudowach elementów elektronicznych,
• czujnikach,
• aparaturze pomiarowej,
• specjalistycznych elementach elektronicznych i optoelektronicznych.

Kobalt a korozja i utlenianie

Kobalt sam w sobie nie jest odpowiednikiem chromu odpowiedzialnym za klasyczną pasywację stali nierdzewnej. Jednak w stopach Co-Cr obecność dużej ilości chromu umożliwia tworzenie ochronnych warstw tlenkowych, zapewniających bardzo dobrą odporność na wiele środowisk korozyjnych.
W superstopach znaczenie ma również zachowanie materiału podczas długotrwałej ekspozycji na wysoką temperaturę. W takich warunkach odporność na utlenianie, korozję wysokotemperaturową i stabilność mikrostruktury może być równie ważna jak sama wytrzymałość mechaniczna.

Kobalt – zalety i ograniczenia w metalurgii

Dlaczego kobalt nie jest powszechnym dodatkiem do stali?

Skoro kobalt zapewnia tak interesujące właściwości, można zapytać, dlaczego nie dodaje się go powszechnie do stali. Powodów jest kilka.
Po pierwsze, jest pierwiastkiem stosunkowo drogim. Po drugie, wiele jego funkcji można w typowych zastosowaniach uzyskać taniej za pomocą odpowiednich kombinacji chromu, niklu, molibdenu, wolframu i wanadu. Po trzecie, kobalt nie poprawia wszystkich właściwości jednocześnie – przykładowo nie jest typowym pierwiastkiem zwiększającym hartowność.
W praktyce jego zastosowanie jest więc ekonomicznie uzasadnione przede wszystkim wtedy, gdy zwykłe stale stopowe osiągają granice swoich możliwości.

Od niebieskiego szkła do silnika odrzutowego

Historia kobaltu dobrze pokazuje rozwój współczesnej inżynierii materiałowej. Przez tysiące lat człowiek wykorzystywał związki kobaltu przede wszystkim dlatego, że nadawały szkłu i ceramice niezwykle intensywną niebieską barwę. Dzisiaj ten sam pierwiastek znajduje się w materiałach pracujących w turbinach gazowych, narzędziach skrawających, silnikach elektrycznych, magnesach wysokotemperaturowych i superstopach.
Największą zaletą kobaltu nie jest więc jedna konkretna właściwość, lecz możliwość projektowania z jego udziałem materiałów zachowujących wymagane parametry tam, gdzie pojawiają się wysoka temperatura, intensywne zużycie, silne pola magnetyczne lub ekstremalne obciążenia mechaniczne.

W metalurgii kobalt pozostaje pierwiastkiem stosowanym selektywnie. W zwykłej stali konstrukcyjnej byłby kosztownym i często niepotrzebnym dodatkiem. W stali szybkotnącej, stopie Fe-Co albo superstopie przeznaczonym do gorącej części turbiny może natomiast decydować o tym, czy materiał w ogóle będzie zdolny do pracy w wymaganych warunkach.

Żelazo Węgiel Chrom Nikiel Wanad Mangan Krzem Molibden Wolfram Miedź Tytan Glin Kobalt Niob Fosfor Siarka Tlen Azot