Cobalto Storia



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Co

Fe

Cr

Mo

W

V

Al

Ti

Atomic %

20

10

20

4

4

1.5

6

1

Change in flow stress (Mpa)

1.8

5.6

16

17

18

3.4

20

4

V
i è poi l’effetto del Co sulla solubilità di Ti e Al nella matrice. Come si vede la presenza del Co permette di abbassare la solubilità di Ti e Al (per temperature inferiori ai 1080°C), favorendo la formazione del precipitato ’(e ciò permette un deciso miglioramento della resistenza ad alta temperatura).


Figura 16: effetto del cobalto sulla solubilità del titanio in leghe Ni-Cr



Un effetto aggiuntivo il Co lo conferisce riguardo la lavorabilità: aumenta infatti la solubilità del C nella matrice, opponendosi alla formazione di carburi di titanio e di cromo. Infatti il carburo metastabile M7C3 che si forma a temperature superiori ai 1000°C e che si muta in M23C6 a temperature inferiori, non compare se vi è almeno il 20% di Co.

Leghe

Lavorazione

Composizione (% in peso)

Co

Cr

C

Ti

Al

Mo

W

altro

Nimonic 90

Wrought

17

20

0.05

2.5

1.5

-

-

-

Udimet 700

Wrought

18.5

15

0.08

3.5

4.3

5.2

-

-

IN 100

Cast

15

10

0.18

5

5.5

3

-

1 V

IN 738

Cast

8.5

16

0.18

3.5

3.5

1.75

2.5

0.7 Nb, 1.6Ta



Confronto proprietà


Segue una tabella contenente un confronto tra i dati di r a temperature elevate delle superleghe a base Co e quelli delle superleghe a base Ni contenenti cobalto in cui emerge la leggera superiorità di queste ultime, confermata anche dalla maggiore diffusione di utilizzo dal punto di vista industriale.


Leghe

Lavorazione

r (Mpa)

815°C

870°C

980°C

100 h

1000 h

100 h

1000 h

100 h

1000 h

HS 21

Cast

152

98

115

91

65

48

X 40

Cast

179

138

134

103

76

55

HA 25

Wrought

165

117

107

72

48

26

HA 188

Wrought

154

110

105

70

41

25

Nimonic 90

Wrought

200

117

108

60

-

-

Udimet 700

Wrought

400

296

290

200

110

52

IN 100

Cast

464

363

356

263

160

90

IN 738

Cast

420

330

-

220

130

80



Applicazioni


Come già accennato queste leghe trovano grosso spazio per la fabbricazione di componenti di turbine a gas e a vapore.

Ad esempio per le pale rotoriche che sono generalmente il componente più sollecitato sia dal punto di vista meccanico che termico (si raggiungono temperature tra 800-1050°C !!), si usa una lega di Ni con un alto contenuto di Ti e Al che dopo essere stata fusa in vuoto viene versata direttamente negli stampi.

Inoltre sia le leghe a base Ni che quelle a base Co presentano un’ottima saldabilità, che permette di realizzare anche forme complesse che non siano possibili ottenere direttamente in stampaggio o con lavorazioni meccaniche.


Materiali magnetici


Per valutare le proprietà magnetiche di un materiale ferromagnetico è indispensabile conoscerne la curva di magnetizzazione caratteristica ed il ciclo di isteresi che si crea misurando l’induzione magnetica (B) come conseguenza delle variazioni imposte al campo magnetico applicato (H).



Figura 17: ciclo di isteresi magnetica per un materiale ferromagnetico

Di notevole importanza nell’osservazione della curva precedente sono tre punti:



  • P (saturazione)  il massimo valore di B raggiungibile dal materiale

  • A o Br (induzione magnetica residua )  B residuo all’applicazione di un campo magnetico nullo in fase di demagnetizzazione

  • F o Hc (campo magnetico coercitivo)  il campo magnetico demagnetizzante da applicare per ottenere un induzione nulla

Inoltre per i magneti permanenti una misura di efficienza è rappresentata dal valore massimo del prodotto B  H (BHmax) che rappresenta la densità di energia magnetica per un dato volume di materiale.

L’importanza del cobalto in questo settore oltre al fatto di avere un’elevata temperatura di Curie (di conservare cioè le caratteristiche ferromagnetiche anche ad alta temperature) risiede nella sua capacità di aumentare la magnetizzazione di saturazione se aggiunto ad esempio al ferro:


Materiale

Temperatura

di Curie (°C)

Induzione Magnetica

A saturazione (T)

Fe

770

2.15

Ni

358

0.62

Co

1121

1.8

65 Fe-35 Co

900

2.43

Ma cosa accade all’interno di un materiale ferromagnetico???

Gli elettroni in moto attorno al nucleo di un atomo costituiscono dei dipoli magnetici. Gli atomi perciò possono o no possedere un dipolo magnetico a seconda della loro simmetria o dell’orientazione relativa delle loro orbite elettroniche. Per effetto di interazioni mutue i momenti magnetici di atomi vicini si allineano creando i cosiddetti “domini magnetici”. In assenza di condizioni di magnetizzazione i domini si trovano orientati in maniera casuale, ma in presenza di un campo magnetico esterno i domini cambiano orientazione, finché a saturazione sono tutti orientati parallelamente al campo.

Questo effetto però esiste ancorché si rimane al di sotto della temperatura di Curie, in quanto a temperature superiori l’agitazione termica prevale e distrugge completamente l’allineamento magnetico.

Il campo coercitivo è associabile alla anisotropia delle proprietà magnetiche dei domini che presentano infatti delle direzioni di “più facile magnetizzazione”. Ciò può essere dovuto a vari fattori (ad esempio un dominio di forma allungata si magnetizza più facilmente lungo il suo asse che perpendicolarmente ad esso e conserva la magnetizzazione meglio di uno di forma circolare) .

I primi magneti permanenti ad essere impiegati sono stati gli acciai martensitici in cui l’elevato valore di Hc era conseguenza della deformazione interna dovuta alla trasformazione di fase. L’aggiunta di elementi in lega quali cromo o tungsteno in percentuali variabili tra il 3 e il 6 % consentiva di raggiungere valori di BHmax pari a 1.6-2.4 kJ/m3.

Solo negli anni ’40 l’intuizione di affiancare come agente alligante il cobalto ha permesso a scapito di una diminuzione di Br un netto aumento del BHmax. Infatti seguono i dati inerenti a questa serie di leghe


Composizione

BHmax

Co

Cr

W

Mo

C

(kJ/m3)




3

9

-

1.5

1

2.8

9

9

-

1.5

1

4

15

9

-

1.5

1

4.9

35

5

4

-

0.9

7.6

La loro caratteristica vincente che ha fatto sì che si imponessero sul mercato fino agli anni ’50 è stata la loro facile lavorabilità prima dei trattamenti termici per l’indurimento (che devono essere molto accurati per assicurare una buona dispersione carburica ed evitare decarburizzazione superficiale che potrebbe mettere in corto il circuito magnetico).

Infatti generalmente i trattamenti termici sono 3 : il primo consiste nel portare a 750°C e raffreddare in aria per solubilizzare tutti i carburi presenti, dopodiché in maniera rapida si sale fino a 950°C e poi si tempra in olio per sviluppare la struttura martensitica e si conclude con un trattamento di stabilizzazione a 100-250°C. Il caso degli accia martensitici è alquanto atipico tra i materiali magnetici :quasi tutte le leghe per queste applicazioni possono essere utilizzate unicamente “as cast”.

Infatti le leghe ferrose della serie Alnico (dai nomi degli alliganti presenti in maniera più netta ) pur avendo valori di Hc molto più alti (50 kA/m contro 10 degli acciai martensitici) presentano un elevata fragilità che le rende inadatte alla lavorazione meccanica.

Ma un contributo determinante all’affermazione delle Alnico è stata la scoperta che imponendo un forte campo magnetico nella fase di raffreddamento del trattamento di solubilizzazione, le proprietà magnetiche ne risultavano decisamente migliorate in direzione parallela al campo applicato.

L’intensità del campo magnetico deve essere superiore a 80 kA/m, per evitare fenomeni di auto-demagnetizzazione. Si raggiungono valori di Br di circa 0.9 Bsat. Perciò le curve di demagnetizzazione ne risultano “più squadrate” :





a)



b)


Figura 18 :confronto tra curve di demagnetizzazione per: a)Alnico isotrope, b)Alnico anisotrope “field treated”

Da risultati sperimentali è inoltre emerso che la direzione cristallografica di più facile magnetizzazione risulta la <100>: controllando perciò i gradienti termici si riesce a sviluppare una crescita colonnare dei grani lungo questa direzione. In pratica si agisce colando il fuso in uno stampo freddo le cui pareti laterali sono state preriscaldate.

In questo modo la solidificazione nuclea sulle facce fredde per poi accrescersi in direzione voluta .


Tipo di lega


Composizione

BHmax

Ni

Co

Al

Cu

Altro

(kJ/m3)

Alnico isotrope


24–30

0

12-14

0-3

Ti 0-1

10

21-28

3-5

11-13

2-4

Ti 0-1

11-12

16-20

12-14

9-11

3-6

Ti 0-1

13-14

18-21

17-20

8-10

2-4

Ti 4-8

14-16

Alnico anisotrope

“field treated”



12-15

23-25

7.8-8.5

2-4

Ti 0.5

40-44

14-16

32-36

7-8

4

Ti 4-6

40-45

Alnico “colonnari”

13-15

24-25

7.8-8.5

2-4

Nb 0-1

56-64

14-16

32-36

7-8

4

Ti 4-6, Nb 0-1

60-75

Abbiamo gia parlato della fragilità di queste leghe e del fatto che per questo motivo è molto difficile creare forme complesse. Una valida eccezione ce la possono fornire le tecniche che utilizzano polveri (soprattutto per oggetti di piccole dimensioni). Le polveri appunto (particelle ovoidali di circa 0.02 m) si ottengono per elettrolisi di una soluzione di sali di Fe e Co a contatto con un catodo di Hg (in questo modo la dimensione della particella approssima quella del dominio). A questo punto vengono allineate secondo un campo magnetico applicato e quindi compattate perché assumano la forma voluta.

Ma i risultati più sorprendenti sono stati raggiunti a seguito della messa a punto di materiali di composizione RECo5, dove l’acronimo RE sta per Rare Earth (elementi con numero atomico tra 58 e 71 oppure 90 e 103 conosciuti anche come metalli di transizione o “terre rare”). Con questi materiali si raggiungono in assoluto i valori più elevati di Hc (oltre 600 kA/m), e ciò si deve alla presenza di composti intermetallici a struttura esagonale aventi la <0001> come direzione di facile magnetizzazione. Anche in questo caso si utilizzano “single domain particles” che devono però essere processate in atmosfera protetta data l’altissima reattività degli elementi RE, ed analogamente a quanto detto in precedenza le polveri vengono compattate dopo l’allineamento determinato da un campo magnetico esterno. Si procede quindi alla sinterizzazione che avviene con aggiunta di una fase della stessa lega a basso punto di fusione che funge da legante per le particelle.


Materiale

BHmax (kJ/m3)

SmCo5

140

PrCo5

150

Sm0.5Pr0.5Co5

176

Mischmetal Co5

64

Il costo di questi materiali è molto elevato in quanto la disponibilità separata degli elementi che li compongono è veramente bassa. Ad ogni modo un’alternativa interessante è rappresentata dal Mischmetal (mix di elementi RE) che è sicuramente meno performante (come si vede dai dati in tabella) ma che a fronte di un dimezzamento dei valori di proprietà magnetiche evidenzia un costo di circa 1/20.

I campi di applicazione dei magneti permanenti spaziano dai microfoni ai ricevitori telefonici, ai più disparati strumenti di misura elettrici, fino ai microscopi elettronici in cui il magnete viene utilizzato per il controllo e focalizzazione del fascio di raggi.





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