Métal de cobalt: Propriétés, Utilisations, et importance industrielle

1. Introduction

Cobalt retrace ses racines jusqu'au début du XVIIIe siècle, Nommé de l'allemand kobold ou «gobelin,"Un clin d'œil aux frustrations des mineurs lorsque les minerais ont refusé de produire du cuivre mais ont libéré des vapeurs toxiques.

Aujourd'hui, Cobalt est indispensable dans la technologie moderne: il stabilise les batteries lithium-ion, endows les superalliages avec une résilience à extrême température, Corrige des catalyseurs chimiques clés, et confère le bleu profond emblématique des céramiques et des pigments.

2. Qu'est-ce que Cobalt?

Cobalt est un élément chimique avec le symbole CO et le nombre atomique 27.

Situé en groupe 9 du tableau périodique, C'est dur, gris argenté, métal de transition ferromagnétique.

En tant que métal de transition, Cobalt présente une variété d'états d'oxydation et forme de nombreux composés, qui contribuent à son large éventail d'applications.

Dans la nature, Le cobalt ne se trouve pas dans sa forme pure mais est principalement associé aux minerais de nickel et de cuivre.

Cette association signifie que la majeure partie de la production de cobalt est un sous-produit des opérations minières en nickel et en cuivre.

La République démocratique du Congo (RDC) est le plus grand producteur de cobalt au monde, en comptabilité approximativement 70% de la production mondiale ces dernières années.

Les autres grands pays producteurs de cobalt comprennent la Russie, qui a des réserves de cobalt importantes associées à ses dépôts de métal nickel-copper-platine, et Australie, connu pour ses minerais de cobalt de haute qualité.

3. Physique & Propriétés chimiques du cobalt

Cobalt est un dur, lustré, Métal de transition gris-gris avec une suite de caractéristiques physiques et chimiques qui sous-tendent ses diverses utilisations industrielles:

4. Production et raffinage de cobalt

Le cobalt est principalement extrait comme un sous-produit de minerais de cuivre et de nickel-cobalt.

Les deux principales techniques d'exploitation utilisées pour les minerais de cobalt sont mine souterraine et mine à ciel ouvert.

L'extraction souterraine est généralement utilisée pour des corps de minerai plus profonds, offrant une meilleure concentration de minerai mais des coûts opérationnels plus élevés.

En revanche, L'exploitation à ciel ouvert est plus adaptée aux dépôts proches de la surface et est généralement plus rentable pour la production à grande échelle.

Une fois le minerai extrait, il subit une série de processus métallurgiques pour séparer et purifier le contenu du cobalt:

Pyrométallurgie

Cette technique à haute température implique:

• Fonte: Le minerai est chauffé avec un agent réducteur pour séparer le métal du matériau environnant. Ce processus est couramment utilisé pour les minerais de sulfure.
• Grillage: Convertit les sulfures métalliques en oxydes en chauffant en présence d'oxygène, permettant une récupération plus facile dans les étapes suivantes.

Hydrométallurgie

Une méthode plus sélective et largement adoptée pour l'extraction du cobalt, surtout de la latérite et des minerais oxydés. Les étapes clés comprennent:

• Lixiviation au sulfate: Le minerai est traité avec de l'acide sulfurique pour dissoudre le cobalt, ainsi que d'autres métaux précieux comme le nickel et le cuivre.
• Précipitation: Les réactifs chimiques sont utilisés pour séparer sélectivement le cobalt de la solution de lixiviation, produisant souvent de l'hydroxyde ou du sulfate de cobalt comme intermédiaires.

Raffinage

Le raffinage est essentiel pour obtenir du cobalt de haute pureté adapté aux applications industrielles et technologiques:

• Extraction de solvant: Les solvants organiques sont utilisés pour extraire sélectivement les ions de cobalt de la phase aqueuse, éliminer efficacement les impuretés telles que le fer, manganèse, et du cuivre.
• Électrowinning: L'étape de purification finale, Lorsqu'un courant électrique direct est passé à travers une solution contenant du cobalt pour déposer du métal cobalt pur (99.8%–99,99%) sur les cathodes.

5. Grades et formulaires de cobalt

Cobalt est disponible dans une gamme de notes et de formulaires commerciaux, chacun adapté à des utilisations industrielles spécifiques en fonction de la pureté requise, structure physique, et composition chimique.

Ces variantes prennent en charge les applications dans la fabrication de batteries, alliages à haute température, électronique, catalyseurs, et matériaux magnétiques.

Vous trouverez ci-dessous une ventilation des notes et des formes de cobalt les plus courantes:

6. Alliages clés du cobalt

Propriétés uniques de Cobalt - comme une résistance à haute température, résistance à la corrosion, performance magnétique, et la résistance à l'usure - faites-le un élément essentiel dans de nombreux alliages avancés.

Superalliages à base de cobalt

• Description: Ces alliages sont conçus pour résister à des températures extrêmes et des environnements oxydatifs, Les rendre idéaux pour les moteurs de turbine et les composants aérospatiaux.
• Compositions typiques: Co-cr-w, Co-ni-cr, et co - mo - ni alliages.
• Propriétés:

• • Résistance à haute température (> 1000°C)
  • Excellente résistance à l'oxydation et à la corrosion
  • Bonnes performances de fatigue thermique

• Applications:

• • Lames et au longs de turbine en moteur à réaction
  • Turbines à gaz industrielles
  • Regins de combustion et boucliers thermiques

• Exemple d'alliages: Haynes 188, Stellites 21, MAR-M509

Aciers à grande vitesse contenant du cobalt (HSS)

• Description: Le cobalt est ajouté à HSS pour améliorer la dureté rouge - allongeant les outils pour maintenir la dureté à des températures élevées pendant la coupe.
• Grade typique: M42 (8% Co)
• Propriétés:

• • Résistance à la dureté chaude et à l'usure améliorée
  • Amélioration de la rétention de pointe sous des charges élevées

• Applications:

• • Outils de coupe, exercices, fraises en bout, broches
  • Outils de formation pour le métal et le plastique

• Note: M42 HSS est devenu une norme dans l'usinage de précision en raison de son contenu en cobalt.

Aimants permanents à base de cobalt

• Espèces:

• • Alnico (Aluminium - Nickel - Cobalt): Résistance magnétique élevée et résistance à la température
  • Samarium Cobalt (SMCO): Aimant en cobalt rare-terre avec une excellente stabilité et une résistance à la corrosion

• Propriétés:

• • Produit à forte coercivité et énergie
  • Excellente stabilité thermique (jusqu'à 350–550 ° C pour SMCO)

• Applications:

• • Moteurs et générateurs
  • Capteurs aérospatiaux
  • Imagerie médicale (IRM)

• Performance: Les aimants SMCO ont généralement un produit énergétique de 20 à 32 Mgoe (MEGA GAUSS OSUVERS)

Alliages de chrome de cobalt (Co-cr)

• Description: Alliages biocompatibles avec une usure élevée et une résistance à la corrosion; Souvent utilisé dans les applications médicales et dentaires.
• Propriétés:

• • Non magnétique, haute résistance
  • Excellente biocompatibilité

• Applications:

• • Implants orthopédiques (les hanches, genoux)
  • Prothèses dentaires
  • Composants de vanne cardiaque

• Exemple d'alliages: ASTM F75 (Casting co-cr-mo), ASTM F799 (CO-CR-MO)

Alliages dur (par ex., Stellites)

• Description: Alliages de cobalt résistants à l'usure utilisés comme revêtements de surface pour prolonger l'outil ou la durée de vie.
• Propriétés:

• • Résistance exceptionnelle à l'abrasion, érosion, et irritant
  • Conserve la dureté jusqu'à 900 ° C

• Applications:

• • Soupape sièges, lames de coupe, outils d'exploitation
  • Composants du moteur dans des environnements à haute usine

Tableau: grades d'alliage cobalt communs

7. Applications industrielles de cobalt

Cobalt joue un rôle vital dans un large éventail de secteurs industriels en raison de son physique unique, chimique, et propriétés magnétiques.

Sa capacité à résister à des températures élevées, résister à la corrosion, et améliorer les performances d'autres matériaux rend le cobalt indispensable dans les industries de haute technologie et traditionnelles.

Stockage d'énergie et batteries

• Utilisation primaire: Batteries au lithium-ion
• Fonction: Le cobalt est utilisé dans les cathodes des batteries lithium-ion, en particulier dans Cobalt de manganèse nickel (NMC) et Aluminium en nickel cobalt (NCA) chimies.
• Avantages:

• • Améliore la densité d'énergie et la durée de vie de la batterie
  • Améliore la stabilité thermique et structurelle

• Perspicacité du marché:

• • Sur 60% de la demande de cobalt est entraîné par le secteur des batteries.
  • Utilisation du cobalt par véhicule électrique (EV) la batterie varie de 4 à 14 kg, Selon la chimie.

Moteurs aérospatiaux et turbines

• Utilisation primaire: Superalliages à base de cobalt
• Fonction: Les superalliages contenant du cobalt sont utilisés dans les composants du moteur à réaction, turbines à gaz, et moteurs de fusée.
• Avantages:

• • Maintient la résistance et la résistance à la corrosion à des températures élevées (au-dessus de 1000 ° C)
  • Résiste à la fatigue oxydative et thermique

• Composants clés:

• • Lames de turbine, aubes, chambres à combustion

Outils de coupe et matériaux résistants à l'usure

• Utilisation primaire: Carbures cimentés et aciers à grande vitesse
• Fonction: Le cobalt sert de liant dans les carbures cimentés et améliore la dureté en acier à grande vitesse.
• Avantages:

• • Améliore la ténacité et la résistance à l'outil à la déformation sous la chaleur
  • Prolonge la durée de vie de l'outil dans des conditions de coupe à grande vitesse ou à haute pression

• Exemples:

• • Perceuses, fraises en bout, dies à l'estampage, outils d'exploitation

Catalyseurs dans les industries chimiques et pétrolières

• Utilisation primaire: Catalyseurs de synthèse et de raffinage
• Types d'applications catalytiques:

• • Synthèse de Fischer-Tropsch: Produit des hydrocarbures liquides à partir de syngas (CO + H₂)
  • Hydrodésulfurisation (HDS): Élimine le soufre de l'huile brute pour produire des carburants propres

• Avantages:

• • Efficacité catalytique élevée et durabilité dans des environnements chimiques difficiles

Dispositifs médicaux et biomédicaux

• Utilisation primaire: Alliages de chrome de cobalt
• Fonction: Utilisé pour les implants, prothèses, et des instruments chirurgicaux en raison de leur excellente biocompatibilité.
• Exemples:

• • Hanches et genoux artificiels
  • Stents, implants dentaires

• Cas spécial:

• • COBALT-60 (Co-60): Un isotope radioactif utilisé dans la radiothérapie contre le cancer et la stérilisation des équipements médicaux

Aimants permanents et électronique

• Espèces:

• • Aimants alnico: Utilisé dans les moteurs électriques, capteurs, et guitares électriques
  • Samarium Cobalt (SMCO): Aimants de terres rares avec une forte coercivité et stabilité

• Avantages:

• • Performances magnétiques stables à des températures élevées
  • Résistance à la corrosion dans des environnements difficiles

• Applications:

• • Instruments aérospatiaux, Appareils IRM, robotique, équipement audio

Pigments, Verre, et céramique

• Composés de cobalt utilisés:

• • Oxyde de cobalt (Co₃o₄) et aluminate de cobalt (Charbon₂o₄)

• Fonction:

• • Utilisé pour produire bleu de cobalt, une écurie, pigment dynamique

• Applications:

• • Céramique artistique, verre automobile, carreaux architecturaux
  • Applications en verre de haute technologie en raison des propriétés absorbant les UV

8. Sécurité, Manutention, et toxicologie du cobalt

Tandis que le cobalt est indispensable dans de nombreuses technologies modernes, Il pose plusieurs santé, sécurité, et les risques environnementaux s'ils ne sont pas correctement gérés.

Comprendre son profil toxicologique, Limites d'exposition, et les pratiques de manutention sécurisées sont essentielles pour les industries utilisant du cobalt dans l'exploitation minière, fabrication, et traitement.

Limites d'exposition professionnelle

Des organismes de réglementation tels que l'OSHA, Niosh, et ACGIH ont établi des limites d'exposition pour garantir des conditions de travail sûres:

Effets sur la santé de l'exposition au cobalt

Le cobalt peut entrer dans le corps par inhalation, ingestion, ou contact cutané.

La gravité des effets sur la santé dépend de la forme de cobalt (métallique, sels solubles, ou isotopes radioactifs) et la durée de l'exposition.

À court terme (Aigu) Effets:

• Irritation respiratoire: toux, respiration sifflante
• Éruptions cutanées ou dermatite du contact
• Irritation des yeux

À long terme (Chronique) Effets:

• Poumon de cobalt: maladie pulmonaire interstitielle en inhalant la poussière de cobalt / fumées
• Cardiomyopathie (Dommages musculaires du cœur) avec une exposition systémique élevée
• Réponses allergiques et asthme
• Effets neurotoxiques possibles avec une exposition prolongée à haute dose

Cancérogénicité:

• L'Agence internationale pour la recherche sur le cancer (CIRI) classe les composés de cobalt et de cobalt comme Groupe 2B: «Peut-être cancérigène à l'homme» basé sur des preuves humaines limitées et des études animales suffisantes.

Cobalt radioactif (COBALT-60)

COBALT-60 (⁶⁰co) est un isotope radioactif synthétique utilisé dans:

• Radiothérapie (traitement du cancer)
• Stérilisation de l'équipement médical
• Radiographie industrielle

Dangers:

• Émet des rayons gamma à haute énergie
• Peut provoquer des brûlures de rayonnement, Dommages à l'ADN, et augmenter le risque de cancer s'il est mal géré
• Doit être stocké et transporté selon des directives réglementaires strictes (par ex., Boulissant en plomb, sécuriser les conteneurs)

Meilleures pratiques pour la sécurité du cobalt

9. Comparaison avec les éléments connexes

Cobalt partage plusieurs caractéristiques avec des éléments voisins dans le tableau périodique, en particulier le fer (Fe), nickel (Dans), et du manganèse (Mn).

La comparaison du cobalt à ces éléments aide à mettre en évidence ses propriétés et avantages uniques dans diverses applications industrielles.

10. Conclusion

Cobalt est un métal crucial connu pour son point de fusion élevé, résistance à la corrosion, et propriétés magnétiques.

Il joue un rôle clé dans les superalliages, aimants permanents, et batteries au lithium-ion, le rendre vital pour l'aérospatiale, énergie propre, et les industries électroniques.