ALEACIONES DE COBALTO
Cromo - Cobalto (Stellite)
Las aleaciones de cobalto – cromo comprimen el grupo más importante entre las aleaciones en la que el cobalto actúa como metal base. Son usadas principalmente en aplicaciones que requieran una elevada resistencia a las altas temperaturas y el desgaste, así como también en aquellas donde la expansión térmica del metal no sea tolerable, ni tampoco su pérdida de fuerza a altas temperaturas.
Su marca más comercializada y ampliamente usada con diferencia es Stellite®. Creada por Elwood Haynes a principios de 1900 bajo el registro de Kennametal Stellite Company.
Originalmente pensada por su elevada resistencia a la corrosión dada la presencia de dos metales con gran afinidad por el oxígeno como son el cobalto y el cromo, fue evolucionando hasta nuestros días y así añadiéndose en el proceso nuevos elementos que mejoran sus características anti-corrosivas, su dureza, o bien una combinación de ambas. Se considera una superaleación, y es entre éstas la que mejor responde a los cambios bruscos de temperatura.
La aleación es de un color blanco espejo similar a la de los metales preciosos blancos como el rodio o el platino que no pierde su brillo con facilidad. Típicamente dura y quebradiza, se trabaja/maquina con dificultad y de hecho suele fundirse al vacío para prevenir la contaminación por impurezas en el momento del fundido.
Es mucho más cara que cualquier grado de acero inoxidable (debido a su elevado contenido de cobalto) y también más resistente en condiciones oxidantes, donde es absolutamente inerte y de hecho, bio-compatible cuando aleada al molibdeno (contenido no superior al 10% en masa), es por esto usada desde hace décadas en medicina como una de las aleaciones más importantes en el campo de los implantes óseos, donde compite actualmente con algunas aleaciones de titanio y cerámica (principalmente zirconia/ZrO2).
En este campo, su principal ventaja es su mayor dureza comparada a la del titanio (y por tanto, resistencia al desgaste), además de ser fabricada con mayor facilidad que éste último, sin embargo su elevada densidad (más del doble que el titanio) suponen una contra en este sentido.
Resistencia a la corrosión
La aleación tradicional de cobalto – cromo sin adición de molibdeno es inerte a todas las soluciones oxidantes (ej: ácidos nítrico, tartárico, sulfúrico concentrado, fosfórico) que de hecho refuerzan su capa pasiva de óxido de cromo/cobalto, pero sufre en condicines reductoras así como también frente al ataque de halógenos a temperaturas elevadas, por ello no se recomienda su uso en aplicaciones marinas ni otras que contemplen el contacto con las mencionadas substancias. Ejemplos de estos ácidos son el clorhídrico, el sulfúrico diluido, el fluorhídrico. La resistencia a los álcalis es moderada. Su coste es más accesible que el de las que contienen molibdeno, pero incluso en estos casos su precio es elevado.
En los grados que contengan molibdeno (usualmente entre un 5 – 7%) la resistencia a los ácidos reductores se incrementa notablemente, confiriéndole mayor tolerancia al agua de mar que el acero 316L, famoso por su gran desempeño en aplicaciones de este tipo, sobretodo si el contenido en carbono es bajo, ya que la formación de carburos intergranulares tan indispensables en aplicaciones que exigen un incremento de la dureza puede suponer una desventaja en términos de resistencia a los medios corrosivos. Cabe destacar a su vez, que la adición del molibdeno aumenta la tenacidad y la densidad final de la aleación.
Versiones con tungsteno
La adición de tungsteno imprime efectos similares a aquellos buscados con la adición de molibdeno, no obstante, en estos casos se busca incrementar la dureza con la formación del carburo de wolframio, más estable térmicamente y también más robusto en comparación al formado por el molibdeno y el meta-estable formado por el cromo.
Grados con cromo y molibdeno son bio-compatibles, y no provocarán reacción alérgica en el cuerpo del paciente medio a corto plazo. Algunas modificaciones de esta aleación son usadas en la llamada joyería alternativa, tan popular en nuestros tiempos, donde rebasan los precios del carburo de tungsteno y el titanio. (Véase BioBlu27)
Dureza
Las aleaciones de esta familia se hallan entre los compuestos metálicos más duros que existen, aunque no es su dureza 'en frío' lo que realmente justifica su uso (teniendo en cuenta el precio), sino más bien el hecho de que la mantienen a alta temperatura. En este aspecto, es superior a algunos grados comunes de acero rápido, que si bien poseen mayor tenacidad al estar basadas en el hierro, pierden sus propiedades cuando enfrentadas a elevadas temperaturas fruto de la fricción mecánica, encontrada comúnmente en fresas mecánicas, así como también tornos y piezas de perforación. La combinación cobalto – cromo con alto contenido en carbono (hasta 5% en masa) está -pensada- para trabajar en condiciones como la previamente descrita sin cambios peligrosos en su micro-estructura interna, como sería en el caso de la familia del acero templado, que corre el riesgo de perder el temple si se alcanza la temperatura suficiente, debilitándose consecuentemente y perdiendo así su tenacidad. Los carburos intergranurales encontrados en la matriz cobalto/cromo son muy estables y responderán bien ante temperaturas extremas, donde su naturaleza frágil incial se verá disminuida en estos casos, permutándose por cierta ductilidad, dada la respuesta* del metal ante el calor ejercido. Además de retener mejor su ya de por sí mayor dureza, durarán más tiempo, y no se verán afectadas por la corrosión.
*(véase transición frágil-dúctil)
Rol de cada metal en la aleación
El cobalto es de entre los metales bases, el que mejor responde ante las altas temperaturas, ya que no sólo se vuelve lo suficientemente dúctil, sino que también retiene su dureza y es más resistente a la corrosión que el hierro. Aleaciones de níquel también puede usarse en aplicaciones que requieran esta característica pero no son igual de duras. Debido al hecho de pertenecer a la familia del hierro, se asocia bien como aleante con metales refractorios como los de la familia del cromo (molibdeno y wolframio), así como también los de su propio subgrupo (níquel y hierro). Sin embargo, el cobalto -no- forma carburos a ninguna temperatura (ni durante ni después de la fabricación de la pieza), sino que en su lugar funciona como matriz de diversos carburos en su mayor parte conformados por el cromo y en menor grado por los de wolframio y molibdeno. Pequeñas adiciones de vanadio, titanio y tantalio usados (como dopantes) son también frecuentes, aunque su uso predominante es en el campo de la mecánica, donde es indispensable el carbono para la formación de los correspondientes carburos. En el sector de la joyería, la inclusión de carbono es muy limitada, y se considera prácticamente residual. Para grados médicos, la cantidad de carbono es también baja, aunque lo suficientemente alta como para otorgar cierta dureza, y por ende resistencia al desgaste, a la aleación final.
Aleaciones duras de Cobalto (Vitallium)
El Cobalto se lleva usando desde principios del siglo XX para la fabricación de aleaciones duras y resistentes a la corrosión. Poca gente sabe que dichas aleaciones precedieron al acero inoxidable (más barato) en una época en la que la cubertería de mesa aún se fabricaba con plata, alpaca o incluso peltre. La combinación Cobalto – Cromo es la más conocida, y se comercializa bajo el nombre de Stellite desde hace más de cuarenta años. Hay otras variaciones, como por ejemplo, el Vitallium, pero son muy parecidas. Son aleaciones extremadamente duras a la vez que tenaces y resistentes a la corrosión. El precio es caro en comparación al mejor de los aceros, pero el rendimiento, superior.
Otros metales que suelen acompañar al Cromo son el Molibdeno y el Wolframio (nótese que los tres metales forman parte de la misma familia), aunque no es raro encontrar pequeños porcentajes de Silicio, Manganeso, Hierro y Níquel. El contenido de Carbono es muy alto (hasta los 6% en casos especiales) ya que el Cobalto no forma carburos, sino que actúa como matriz (“pegamento”) en la formación intergranular de carburos producidos por los metales previamente mentados que se combinan con el carbono en el momento del fundido, dando lugar a un compuesto metálico extraordinariamente duro, a la vez que tenaz. Estas aleaciones se vuelven lo suficientemente dúctiles en caliente, es por ello que no fracturan incluso cuando la pieza se pone “al rojo vivo”.
SUPERALEACIONES DE COBALTO
Al igual que en el caso del níquel, se utiliza para fabricar las llamadas “superaleaciones” de extrema resistencia al calor y a la corrosión a altas temperaturas ya que retienen su tenacidad y dureza. Incluso los aceros rápidos de élite (ejemplo: AISI M50) desarrollados en un principio para motores y rodamientos de alta responsabilidad en la industria aeronáutica son inferiores en este aspecto a las superaleaciones de Cobalto. Se alea con Cromo, Molibdeno, Titanio, Renio y Rutenio (en el caso de aleaciones particularmente especiales) para la fabricación de motores aeroespaciales, cabezas de misiles, rotores, palas y turbinas. La composición química de estas superaleaciones es muy compleja y el proceso de fabricación, extremadamente costoso. Basta decir que muchas de ellas sólo se fabrican en -ciertos- lugares estratégicos de Estados Unidos y la Unión Europea. En Eurasia, Rusia y China tienen sus propias versiones. Hay superaleaciones con base de Cobalto, otras con base de Níquel y otras en las que ambos metales se encuentran en una proporción parecida.
Las superaleaciones con base de Níquel son más resistentes a la corrosión y pueden operar a temperaturas bajo cero, sin embargo, son menos duras (resistencia al desgaste) que las de Cobalto. Son las más populares (ejemplo: Hastelloy, Inconel, Renèe) y accesibles.
Las superaleaciones con base de Cobalto soportan mejor los cambios bruscos de temperatura. Este es un detalle importante, ya que no siempre el aumento de la temperatura es gradual. También operan mejor en niveles extremos de la misma (están pensadas para retener su dureza hasta los 1000 Cº o incluso más). Se utilizan en el ejército, aviones – crucero, industria aeroespacial y aeronáutica, coches de altas prestaciones o de competición (incluyendo monoplazas de F1), medicina, etc. No responden bien en temperaturas bajo cero ya que no son austeníticas.
Las superaleaciones con base de Cobalto/Níquel existen, pero no son muy usadas.
Cabe reseñar que tanto las superaleaciones de base Níquel tienen algo de cobalto y viceversa (excepto si la pieza en cuestión debe ser expuesta a radiación). Ambas familias de superaleaciones son muy caras, y sólo algunas compañías lo producen. Pregúntese porqué un avión cuesta tantos millones...