Metal cobalto: Propriedades, Usos, e importância industrial

1. Introdução

O cobalto traça suas raízes até o início do século XVIII, nomeado do alemão Kobold ou “Goblin,"Um aceno para as frustrações dos mineradores quando os minérios se recusaram a produzir cobre, mas liberaram vapores tóxicos.

Hoje, O cobalto é indispensável na tecnologia moderna: estabiliza baterias de lítio, dotar as super -calas com resiliência extrema de temperatura, dirige os principais catalisadores químicos, e transmite o icônico azul profundo de cerâmica e pigmentos.

2. O que é cobalto?

O cobalto é um elemento químico com o símbolo CO e o número atômico 27.

Localizado no grupo 9 da tabela periódica, É difícil, cinza prateado, Metal de transição ferromagnética.

Como um metal de transição, O cobalto exibe uma variedade de estados de oxidação e forma numerosos compostos, que contribuem para sua ampla gama de aplicações.

Na natureza, O cobalto não é encontrado em sua forma pura, mas está principalmente associado a níquel e minérios de cobre.

Esta associação significa que a maior parte da produção de cobalto é um subproduto das operações de mineração de níquel e cobre.

A República Democrática do Congo (DRC) é o maior produtor mundial de cobalto, representando aproximadamente 70% de produção global nos últimos anos.

Outros grandes países produtores de cobalto incluem a Rússia, que possui reservas de cobalto significativas associadas aos seus depósitos de metal do grupo níquel-com-platina, e Austrália, conhecido por seus minérios de cobalto de alta qualidade.

3. Físico & Propriedades químicas de cobalto

Cobalto é difícil, brilhante, Metal de transição de gray prateado com um conjunto de características físicas e químicas que sustentam seus diversos usos industriais:

4. Produção de cobalto e refino

O cobalto é extraído principalmente como um subproduto de abre-cobalto e minérios de níquel-cobal.

As duas principais técnicas de mineração usadas para minérios de cobalto são mineração subterrânea e mineração aberta.

A mineração subterrânea é normalmente empregada para corpos de minério mais profundos, oferecendo melhor concentração de minério, mas custos operacionais mais altos.

Em contraste, A mineração aberta é mais adequada para depósitos de quase superfície e geralmente é mais econômica para a produção em larga escala.

Depois que o minério é extraído, sofre uma série de Processos metalúrgicos Para separar e purificar o conteúdo de cobalto:

Pirometalurgia

Esta técnica de alta temperatura envolve:

• Fundição: O minério é aquecido com um agente redutor para separar o metal do material circundante. Este processo é comumente usado para minérios de sulfeto.
• Assar: Converte sulfetos de metal em óxidos por aquecimento na presença de oxigênio, permitindo a recuperação mais fácil nas etapas subsequentes.

Hidrometalurgia

Um método mais seletivo e amplamente adotado para extração de cobalto, especialmente de laterita e minérios oxidados. As etapas importantes incluem:

• Lixiviação de sulfato: O minério é tratado com ácido sulfúrico para dissolver o cobalto, junto com outros metais valiosos, como níquel e cobre.
• Precipitação: Os reagentes químicos são usados ​​para separar seletivamente o cobalto da solução de lixiviação, frequentemente produzindo hidróxido de cobalto ou sulfato como intermediários.

Refino

O refino é essencial para obter cobalto de alta pureza adequado para aplicações industriais e tecnológicas:

• Extração de solvente: Solventes orgânicos são usados ​​para extrair seletivamente os íons cobalto da fase aquosa, Remoção efetivamente de impurezas como ferro, manganês, e cobre.
• Eletrowinning: A etapa de purificação final, onde uma corrente elétrica direta é passada por uma solução contendo cobalto para depositar metal de cobalto puro (99.8%–99,99%) em catodos.

5. Cobalto e formulários

O cobalto está disponível em uma variedade de notas e formulários comerciais, cada um adaptado para usos industriais específicos, dependendo da pureza necessária, estrutura física, e composição química.

Essas variantes suportam aplicações na fabricação de baterias, ligas de alta temperatura, eletrônica, catalisadores, e materiais magnéticos.

Abaixo está um colapso dos graus e formas mais comuns de cobalto:

6. Ligas de cobalto -chave

Propriedades únicas do Cobalt-como força de alta temperatura, resistência à corrosão, desempenho magnético, e resistência ao desgaste - faça um elemento essencial em inúmeras ligas avançadas.

Superlloys à base de cobalto

• Descrição: Essas ligas são projetadas para suportar temperaturas extremas e ambientes oxidativos, tornando -os ideais para motores de turbinas e componentes aeroespaciais.
• Composições típicas: Co-Cr-W, Co-Ni-Cr, e ligas co - mo - ni.
• Propriedades:

• • Resistência a altas temperaturas (> 1000°C)
  • Excelente oxidação e resistência à corrosão
  • Bom desempenho de fadiga térmica

• Aplicativos:

• • Palhetas e palhetas de turbinas a jato
  • Turbinas a gás industriais
  • Forros de combustão e escudos de calor

• Exemplo de ligas: Haynes 188, Estelites 21, MAR-M509

Aços de alta velocidade contendo cobalto (HSS)

• Descrição: O cobalto é adicionado ao HSS para melhorar a dureza vermelha - permitindo ferramentas para manter a dureza a temperaturas elevadas durante o corte.
• Grau típico: M42 (8% Co)
• Propriedades:

• • Dureza quente aprimorada e resistência ao desgaste
  • Retenção de ponta aprimorada sob cargas altas

• Aplicativos:

• • Ferramentas de corte, exercícios, fresas finais, Broaches
  • Ferramentas de formação para metal e plástico

• Observação: M42 HSS tornou -se um padrão na usinagem de precisão devido ao seu conteúdo de cobalto.

Ímãs permanentes à base de cobalto

• Tipos:

• • Alnico (Alumínio -Nickel -Cobalto): Alta resistência magnética e resistência à temperatura
  • Cobalto samarium (SMCO): Ímã de cobalto de terra rara com excelente estabilidade e resistência à corrosão

• Propriedades:

• • Alta coercividade e produto energético
  • Excelente estabilidade térmica (até 350-550 ° C para SMCO)

• Aplicativos:

• • Motores e geradores
  • Sensores aeroespaciais
  • Imagem médica (ressonância magnética)

• Desempenho: Ímãs SMCO normalmente têm um produto de energia de 20 a 32 MGOE (Mega Gauss Oversome)

Ligas de cobalto-cromo (Co-Cr)

• Descrição: Ligas biocompatíveis com alto desgaste e resistência à corrosão; frequentemente usado em aplicações médicas e odontológicas.
• Propriedades:

• • Não magnético, alta resistência
  • Excelente biocompatibilidade

• Aplicativos:

• • Implantes ortopédicos (quadris, joelhos)
  • Próteses dentárias
  • Componentes da válvula cardíaca

• Exemplo de ligas: ASTM F75 (Elenco Co-Cr-Mo), ASTM F799 (Co-Cr-Cr-Mo)

Ligas Hardfacing (por exemplo, Estelites)

• Descrição: Ligas de cobalto resistentes ao desgaste usadas como revestimentos de superfície para prolongar a ferramenta ou a vida útil.
• Propriedades:

• • Resistência excepcional à abrasão, erosão, e irritante
  • Retém dureza até 900 ° C

• Aplicativos:

• • Válvula assentos, cortando lâminas, Ferramentas de mineração
  • Componentes do motor em ambientes de alto desgaste

Mesa: Graus comuns de liga cobalto

7. Aplicações industriais de cobalto

O cobalto desempenha um papel vital em uma ampla gama de setores industriais devido ao seu físico único, químico, e propriedades magnéticas.

Sua capacidade de suportar altas temperaturas, resistir à corrosão, e aprimorar o desempenho de outros materiais torna o cobalto indispensável nas indústrias de alta tecnologia e tradicionais.

Armazenamento de energia e baterias

• Uso primário: Baterias de íon de lítio
• Função: O cobalto é usado nos catodos de baterias de íons de lítio-especialmente em Níquel Manganês cobalto (NMC) e Alumínio de níquel cobalto (NCA) químicas.
• Benefícios:

• • Melhora a densidade de energia e a duração da bateria
  • Aumenta a estabilidade térmica e estrutural

• Insight de mercado:

• • Sobre 60% de demanda de cobalto é impulsionada pelo setor de baterias.
  • Uso de cobalto por veículo elétrico (Ev) A bateria varia de 4 para 14 kg, Dependendo da química.

Motores aeroespacial e turbina

• Uso primário: Superlloys à base de cobalto
• Função: Superlloys contendo cobalto são usados ​​em componentes do motor a jato, Turbinas a gás, e motores de foguete.
• Benefícios:

• • Mantém resistência à força e corrosão em altas temperaturas (acima de 1000 ° C.)
  • Suporta fadiga oxidativa e térmica

• Componentes principais:

• • Blades de turbina, palhetas, Câmaras de combustão

Ferramentas de corte e materiais resistentes ao desgaste

• Uso primário: Carbonetos cimentados e aços de alta velocidade
• Função: O cobalto serve como fichário em carbonetos cimentados e aumenta a dureza em aço de alta velocidade.
• Benefícios:

• • Melhora a tenacidade da ferramenta e a resistência à deformação sob calor
  • Estende a vida útil da ferramenta sob condições de corte de alta velocidade ou alta pressão

• Exemplos:

• • Bits de perfuração, fresas finais, Stamping morre, Ferramentas de mineração

Catalisadores em indústrias químicas e petrolíferas

• Uso primário: Catalisadores para síntese e refino
• Tipos de aplicações catalíticas:

• • Síntese de Fischer-Tropsch: Produz hidrocarbonetos líquidos a partir de syngas (Co + H₂)
  • Hidrodesulfurização (HDS): Remove o enxofre do petróleo bruto para produzir combustíveis limpos

• Benefícios:

• • Alta eficiência catalítica e durabilidade em ambientes químicos severos

Dispositivos médicos e biomédicos

• Uso primário: Ligas de cobalto-cromo
• Função: Usado para implantes, próteses, e instrumentos cirúrgicos devido à sua excelente biocompatibilidade.
• Exemplos:

• • Quadris e joelhos artificiais
  • Stents, implantes dentários

• Caso especial:

• • Cobalto-60 (Co-60): Um isótopo radioativo usado na radioterapia do câncer e esterilização de equipamentos médicos

Ímãs e eletrônicos permanentes

• Tipos:

• • Ímãs Alnico: Usado em motores elétricos, sensores, e guitarras elétricas
  • Cobalto samarium (SMCO): Ímãs de terras raras com alta coercividade e estabilidade

• Benefícios:

• • Desempenho magnético estável a altas temperaturas
  • Resistência à corrosão em ambientes agressivos

• Aplicativos:

• • Instrumentos aeroespaciais, Máquinas de ressonância magnética, robótica, Equipamento de áudio

Pigmentos, Vidro, e cerâmica

• Compostos de cobalto utilizados:

• • Óxido de cobalto (Co₃o₄) e Aluminato de cobalto (Carvão₂o₄)

• Função:

• • Usado para produzir Blue cobalto, um estábulo, pigmento vibrante

• Aplicativos:

• • Cerâmica artística, vidro automotivo, ladrilhos arquitetônicos
  • Aplicações de vidro de alta tecnologia devido a propriedades de absorção por UV

8. Segurança, Manuseio, e toxicologia do cobalto

Enquanto o cobalto é indispensável em muitas tecnologias modernas, Isso representa várias saúde, segurança, e riscos ambientais se não forem gerenciados adequadamente.

Compreendendo seu perfil toxicológico, Limites de exposição, e práticas seguras de manuseio é essencial para as indústrias que usam cobalto na mineração, fabricação, e processamento.

Limites de exposição ocupacional

Órgãos regulatórios como OSHA, Niosh, e ACGIH estabeleceram limites de exposição para garantir condições de trabalho seguras:

Efeitos na saúde da exposição ao cobalto

O cobalto pode entrar no corpo por inalação, ingestão, ou contato com a pele.

A gravidade dos efeitos da saúde depende da forma de cobalto (metálico, sais solúveis, ou isótopos radioativos) e duração da exposição.

Curto prazo (Agudo) Efeitos:

• Irritação respiratória: tosse, chiando
• Erupções cutâneas ou dermatite de contato
• Irritação nos olhos

A longo prazo (Crônico) Efeitos:

• Pulmão cobalto: Doença pulmonar intersticial da inalação de poeira/fumaça de cobalto
• Cardiomiopatia (dano muscular cardíaco) com alta exposição sistêmica
• Respostas alérgicas e asma
• Possíveis efeitos neurotóxicos com exposição prolongada em altas doses

Carcinogenicidade:

• A Agência Internacional de Pesquisa sobre Câncer (IARC) classifica os compostos de cobalto e cobalto como Grupo 2b: “Possivelmente carcinogênico para humanos” baseado em evidências humanas limitadas e estudos de animais suficientes.

Cobalto radioativo (Cobalto-60)

Cobalto-60 (⁶⁰co) é um isótopo radioativo sintético usado em:

• Radioterapia (Tratamento do câncer)
• Esterilização de equipamentos médicos
• Radiografia industrial

Perigos:

• Emite raios gama de alta energia
• Pode causar queimaduras de radiação, Dano de DNA, e aumento do risco de câncer se for maltratado
• Deve ser armazenado e transportado sob diretrizes regulatórias estritas (por exemplo, blindagem de chumbo, recipientes seguros)

Práticas recomendadas para segurança de cobalto

9. Comparação com elementos relacionados

Cobalt compartilha várias características com elementos vizinhos na tabela periódica, particularmente ferro (Fé), níquel (Em), e manganês (Mn).

Comparar o cobalto com esses elementos ajuda a destacar suas propriedades e vantagens exclusivas em várias aplicações industriais.

10. Conclusão

O cobalto é um metal crucial conhecido por seu alto ponto de fusão, resistência à corrosão, e propriedades magnéticas.

Ele desempenha um papel fundamental nas super -ligas, ímãs permanentes, e baterias de íon de lítio, tornando -o vital para aeroespacial, energia limpa, e indústrias eletrônicas.