Aplicaciones del cobalto

El cobalto no se encuentra como metal nativo en la Tierra a excepción del que se presenta, en cantidades mínimas, en fases metálicas de los meteoritos. Su contenido geoquímico en las rocas y minerales de la litosfera ha sido establecido en 20 ppm (partes por millón o g/t). Como elemento químico simple el cobalto se integra en las combinaciones que dan lugar a unas setenta especies minerales.

Casi en su totalidad la producción mundial de metal cobalto procede, primariamente, del tratamiento de menas minerales; un pequeño porcentaje de esta producción deriva del reciclado de componentes industriales o productos previamente manufacturados con cobalto. Hay que tener en cuenta, sin embargo, que son excepcionales los depósitos minerales con leyes de interés económico en cobalto, y por ello que la recuperación de este escaso metal suele tener carácter subsidiario respecto a procesos de concentración industrial de otros metales a los que se asocia en la naturaleza, como son el cobre, níquel, cromo, plata, oro, uranio, etc. En consecuencia el cobalto es considerado habitualmente un subproducto o coproducto de los diversos procesos minero-metalúrgicos.

APLICACIONES INDUSTRIALES DEL COBALTO
La mayor demanda mundial de cobalto se genera en el sector industrial dedicado a la fabricación de aleaciones, superaleaciones, carburos cementados y tratamiento de aceros. Según datos referidos al año 2000 Estados Unidos, país a la cabeza en el consumo de cobalto, destinó el 72.26% del mismo a los sectores
mencionados, el 27.12% a industrias de química de base y sectores cerámicos, y el restante 0.72% a otros sectores.

PORCENTAJES DE CONSUMO DE COBALTO POR SECTORES DE APLICACIÓN

EMPLEO DEL METAL COBALTO Y SUS ALEACIONES

A la obtención del cobalto metal se llega tras el tratamiento de menas minerales de cobalto y los consiguientes procesos metalúrgicos de refinado. El metal comercial se obtiene con grados de pureza, o calidades, de 99.30%, 99.65% y 99.80%; también se consiguen productos de pureza superior, como la calidad del 99.9%, de elevado coste y producción limitada, que se destina a fines de investigación y desarrollo.

Por lo que se refiere a las calidades comerciales del metal cobalto, y salvo otras especificaciones por parte del comprador, las formas comunes de presentación son la briqueta, lingote, granalla (granulado sin calibrar), varilla (elementos cilindriformes de 10-12 mm de longitud), cátodos (obtenidos por proceso electrolítico) o el metal en polvo.

El mayor consumo de cobalto refinado se produce en la industria de manufactura de aleaciones y superaleaciones. En líneas generales, las aleaciones con cobalto ofrecen una gama de cualidades físicas muy amplia (en función también de los restantes componentes de la aleación y sus proporciones relativas); por ejemplo, alcanzan muy elevado grado de ductilidad las de Co-Ni-Mn-Ti o, al contrario, muy elevado grado de rigidez las de Co-Cr-Mo-W-Si.

La fusión es un método común en la fabricación de estas aleaciones; no obstante, en la actualidad se obtiene excelentes rendimientos con otros procesos de manufactura como la pulvimetalurgia, que aplica técnicas de prensado a alta presión y en seco, de mezclas de metales en polvo y un posterior calentamiento (sin sobrepasar el punto de fusión de los distintos componentes de la aleación).

Aleaciones no magnéticas de cobalto

La fabricación de aleaciones no magnéticas con base de cobalto absorbe cada año aproximadamente un 50% de la producción minera mundial de cobalto. Son aleaciones adecuadas a condiciones de trabajo extremas ya que reúnen tenacidad, resistencia, dureza e inalterabilidad. Por ello, son de empleo común en aceros resistentes al calor, la corrosión o el desgaste por rozamiento. La gama de sus aplicaciones comprende desde las herramientas de todo tipo, hilos de acero para bandas de resistencia en neumáticos radiales o discos para corte y pulido de metales, hasta usos minoritarios en aleaciones para fabricación de prótesis.

Aleaciones binarias de cobalto con metales no férricos y con hierro

Algunas aleaciones binarias de cobalto con metales no férricos de uso más frecuente son las Co-Ni, Cr - Co, Co-W, Co-Ta, Co-Ti, Co-V, Co-Mo o Co-P. Poseen cualidades de dureza y resistencia, en particular a la oxidación, abrasión y corrosión provocadas por la acción de gases y sales fundidas, o bien al colapso mecánico función del tiempo de uso (proceso denominado fluencia). Las aleaciones del tipo Ni-Co, cuyo contenido en cobalto varía entre el 1% y 18%, son muy utilizadas en manufactura de aceros con revestimientos resistentes y dúctiles, que soportan un pulimento de grano muy fino. Las de Co-W, como la denominada Carboloy del tipo carburo cementado, o las de Co-Cr, como las Stellite patentadas por Elwood Haynes10 en 1899, se emplean en herramientas de mano, discos de sierra, taladros y útiles diversos para la mecanización del hierro, acero y en general materiales de gran dureza.

Las denominadas aleaciones férricas contienen generalmente entre un 12% y un 13% de hierro. Las aleaciones férricas no requieren calentamiento para su mecanización y admiten bien la soldadura. Un contenido abundante de cobalto (incluso superior al 80%) modifica algunas de las propiedades del hierro; el material resultante tolera mayores esfuerzos de tensión y su límite elástico es superior al del hierro sin alear. En otros casos la presencia del cobalto mejora parámetros físicos, como la coercitividad magnética, la conductividad térmica o la conductividad eléctrica (esta última alcanza valores máximos cuando la aleación contiene porcentajes de cobalto entre 10% y 65%).

Durante la manufactura de piezas específicas es posible modular las propiedades de la aleación en función del contenido en cobalto, de modo que las mismas tengan grado de tenacidad variable, en unos u otros sectores o secciones, de modo que se adecua el componente a unas determinadas condiciones finales de trabajo. Es el
caso de útiles para perforación mecánica (coronas o triconos) fabricados con aleaciones de cobalto que presentan en su exterior mayor resistencia al desgaste, rigidez en su sección axial y flexibilidad en la zona intermedia.

Carburos cementados (metal duro)

Las aleaciones del grupo de los carburos cementados contienen carburo de wolframio11, compuesto que confiere al material propiedades de resistencia mecánica, flexibilidad e inalterabilidad, pero también de fragilidad y porosidad. Las propiedades de estas aleaciones se mejoraron con procesos de fabricación que
conseguían fijar la fase carburada a una matriz de partículas metálicas (cobalto, titanio, tántalo, vanadio, niobio, etc.). El resultado es una estructura de gran resistencia mecánica, formada por los granos del componente mayoritario (lo que se denomina la fase mayor) y los restantes componentes minoritarios (fase menor) regularmente distribuidos en los espacios intergranulares. Tal modelo de estructura dificulta los posibles micro-deslizamientos dentro del material; además pueden potenciarse determinadas cualidades de la aleación con posteriores procesados como el de cocción o forja que produce recristalización intergranular de agregados de carburos, el de moldeado que proporciona mayor homogeneidad (envejece la aleación), o el de calentamiento por etapas que facilita las uniones por soldadura.

Las aleaciones de carburo cementado-cobalto se preparan comúnmente con cobalto sinterizado, en un proceso que comprende calentamiento a 1 375 ºC, humidificación y aglutinado con las partículas de carburo de wolframio. La manufactura de carburos cementados implica costes relativamente bajos. Por su resistencia al desgaste, que supera entre 12 y 20 veces la del acero rápido, se emplean en herramientas de metal-duro para mecanizado y corte (taladros, fresas, terrajas, discos de corte, etc.). Otras ventajas se refieren a su punto de fusión, más bajo que el de los carburos de wolframio sin base de cobalto, lo que rentabiliza el coste de la adición de este metal.

Superaleaciones y aleaciones multicomponentes

Las superaleaciones están formadas básicamente por una matriz con níquel o con níquel y otros metales, como el cobalto, y por un porcentaje menor (en torno al 7%) de otros componentes como el cromo, molibdeno, wolframio, carbono, silicio, hierro, etc. Preferentemente se incorpora a tales aleaciones el cobalto en estado alotrópico cph, aunque también se use el fcc.

La aportación principal del cobalto a este tipo de aleaciones es un incremento en la resistencia frente al desgaste y la corrosión a altas temperaturas (superiores a 800ºC). Son por ejemplo de uso frecuente, en la industria aeronáutica, en la fabricación de álabes u otros componentes de turbo-compresores para motores a
reacción, que deben resistir fatiga mecánica y oxidación producida por gases calientes y a presión, o también en la construcción de turbinas de vapor o de gas con similares condiciones de trabajo (aleaciones de denominación comercial X-40, X-45, o aleación 31 Haynes-Stellite).
El cobalto interviene en tipos de aleaciones multicomponentes de aplicación específica. Así, las aleaciones Vitallium (de Co-Cr) por su elasticidad e inalterabilidad se emplean en prótesis dentales, o bien las aleaciones tipo Widia12 o Stellite13 (existen alrededor de veinte tipos de estas últimas, con contenidos entre el 3% y 15% en Co) que reúnen cualidades de resistencia a la corrosión, erosión, abrasión y descamación en la superficie ("galling"). Determinadas aleaciones multicomponentes participan en las actuales pilas o baterías recargables, tal como se describe más adelante. Existe otra modalidad de aleaciones multicomponentes, como son las comercialmente denominadas Kovar A, Fernico, Rodar y Aleaciones magnéticas de cobalto

El desarrollo experimental de aleaciones magnéticas con base de cobalto se remonta a 1920, siendo hoy materiales de uso habitual común. Sus características más destacadas son:• Coercitividad o capacidad magnética permanente más elevada que la de las aleaciones magnéticas basadas en sistemas Cr-W.
• Punto de Curie elevado, por lo que se mantiene su magnetismo inducido incluso a altas temperaturas.
• Resistividad eléctrica inferior a la del hierro, lo que posibilita saturación magnética comparativamente mayor en estas aleaciones.

El gran margen de variación para las distintas composiciones se aprecia en las siguientes cifras: 5% a 35% de cobalto, 1% a 5% de cromo, 2% a 0,5% de molibdeno, 1% de carbono y, eventualmente, hasta un 5% de wolframio y hierro. Su campo de aplicación comprende la fabricación de imanes de alta intensidad de campo y de media-baja intensidad de campo. En la manufactura de los primeros, con alto grado de imantación permanente mantenida a las distintas temperaturas de trabajo (imanes duros), se aplican técnicas de endurecimiento por precipitación o enfriamiento, estructuras ordenadas, trabajo en frío o pulvimetalurgia (imanes de dominio simple).

Pertenecen al grupo de las aleaciones magnéticas las designadas como Alnico, cuyo desarrollo se produjo tras la segunda Guerra Mundial; su nombre designa su composición básica: Al-Ni-Co-Fe (3 – 35 % de Co, 14 -30 % de Ni, 6 – 12 % de Al y Fe residual). También son aleaciones magnéticas otras con bases de Fe-Co-Mo, Co-Pt, Fe-Ni-Cu-Co y Fe-Ni-Co-Mn.

Las aleaciones magnéticas de media-baja intensidad (imanes blandos) tienen la característica de permanencia de un magnetismo remanente mínimo tras cesar el campo eléctrico inductor. Son, por ejemplo, las aleaciones basadas en sistemas Fe-Ni-Co o Fe- Co-V denominadas comercialmente Permendur, Supermendur, Hiperco o Perminvar, de uso especifico en pequeños motores, generadores, transformadores estáticos o cintas magnéticas de grabación de imagen y sonido.

EMPLEO DEL COBALTO EN TECNOLOGÍAS AVANZADAS

No faltan hoy en día fuentes de información sobre usos recientes del cobalto metal de alta pureza u otros productos de cobalto 14. Se señalan a continuación algunas de las aplicaciones relacionadas con sectores tecnológicos o industriales.

Radioisótopo cobalto 60
El isótopo artificial de cobalto más utilizado es el cobalto 60 (Co60), que se obtiene en reactores nucleares mediante un bombardeo de nucleidos estables de Co59 con neutrones de baja energía. El Co60 tiene, por su acción ionizante, un extenso campo de aplicaciones médicas y sanitarias que van desde el diagnóstico y terapéutica de enfermedades oncológicas (cobaltoterapia) a la desinfección de útiles quirúrgicos y residuos o efluentes hospitalarios. Por medio de cámaras de ionización provistas de fuentes radiactivas de Co60 se tratan alimentos perecederos tanto envasados (bolsas de polietileno, latas metálicas) como a granel, a fin de retrasar su degradación. La irradiación con Co60 tiene otras facetas, como la conservación de documentación histórica, objetos artísticos, piezas arqueológicas, etc., ya que son destruidos insectos, mohos, hongos u otros
microorganismos.

La industria de plásticos usa también fuentes de cobalto radiactivo, cuya acción permite reforzar los enlaces moleculares de compuestos polímeros empleados en algunos de sus productos. Los equipos de registro isotópico con fuente de irradiación de Co60 son empleados en la medición de volúmenes, por ejemplo de sólidos granulados, el flujo de líquidos o la determinación de defectos estructurales en tuberías, componentes de motores, piezas de turbinas, etc.

Baterías eléctricas ligeras con cátodo de cobalto

El metal cobalto de alta pureza es uno de los componentes contenidos en algunas de las baterías ligeras de tipo metal-hidruro o similares, cuyo uso es ya generalizado en telefonía, radiofonía, cámaras de vídeo o fotografía.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE BATERÍAS ELÉCTRICAS CON COBALTO

En las baterías fabricadas con esta tecnología el electrodo negativo (ánodo) suele ser de carbón o grafito, figurando el cobalto como componente del electrodo positivo (cátodo), lo que supone un mejor rendimiento eléctrico, comparable al que se consigue en las baterías con base de manganeso (las denominadas de espinelas sintéticas), de níquel o de tierras raras. El cobalto conjuntamente con aditivos químicos contribuye a equilibrar el balance crítico entre la densidad de energía máxima del acumulador y la mayor duración de su capacidad de almacenamiento y vida operativa. Las técnicas demanufactura de este tipo de baterías también hacen posible una tasa elevada de recuperación por reciclado de un componente de precio elevado como el cobalto.

Superaleaciones usadas en los sectores de la aeronáutica e industria aerospacial Diversas aplicaciones de las superaleaciones con cobalto se refieren a la construcción aeronáutica (componentes de fuselajes, motores de explosión o reactores), junto a otros componentes metálicos como níquel, wolframio, niobio, tántalo, etc. Actualmente se abren nuevas perspectivas de uso a este tipo de superaleaciones, así como para ciertas aleaciones cerámicas con cobalto, en el campo tecnológico de fabricación de vehículos aerospaciales o estaciones orbitales.

La aplicación de sales de cobalto en la decoloración del vidrio verde se justifica por su efecto de neutralización del exceso de hierro contenido. Pero en la industria del vidrio se aprovechan generalmente más por su acción colorante: el catión cobalto forma moléculas complejas (CoOx) en la masa de vidrio fundido, influyendo el porcentaje de moléculas respecto a masa total de vidrio sobre la capacidad filtrante que resulta. En el caso del vidrio coloreado común son requeridos unos 280 gr de cobalto por tonelada de vidrio fundido, y se llega hasta 4.5 kg de Co por tonelada de vidrio cuando se obtiene el vidrio de gafas protectoras o de mirillas para trabajos de soldadura y hornos de fundición.

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Las Enzimas para panificación

Las enzimas para panificación se usan para lograr cambios específicos en los procesos, mejorar la vida de anaquel y las propiedades comestibles de los alimentos y bebidas. Las enzimas para panificación han sido desarrolladas especialmente para lograr modificaciones positivas en los componentes de la masa.

A continuación se exponen las principales enzimas usadas en la panificación:

1. Hemicelulasas o pentosanasas: Las hemicelulasas juegan un papel importante como reguladoras de la hidratación de las masas, en su consistencia y en la retrogradación del almidón. En masas con alto contenido de fibra el uso de pentosanasas mejora la estructura de la corteza y aumenta el volumen del pan.

2. Fitasas: durante la fermentación la fitasa endógena del trigo hidroliza el ácido Mico que es un quelante de calcio, hierro y zinc. Normalmente no es adición fitasá pura, pero existen en el mercado mezclas conteniendo esta enzima.

3. Lipasa: cataliza la hidrólisis de los triglicéridos. Algunos preparados comerciales de α-amilasas contienen también actividad lipasa.

4. Lipooxigenasa: su efecto produce un blanqueamiento del pan al oxidar los carotenoides de la harina y mejora las propiedades reológicas de la harina. Habitualmente se obtiene esta actividad por adición de harina de soja o de habas enzimáticamente activas.

5. Glucosa-oxidasa: se emplea para reemplazar agentes oxidantes inorgánicos, no permitidos legalmente.

6. Proteasas: no muy extendida en nuestro país por el tipo de trigos, pero se emplean en la producción de galletas y panes especiales. Son habitualmente de origen fúngico, aunque se emplean también de origen bacteriano.

7. Lactasas: se utiliza en los procesos de panificación que implican la adición de lactosueros o leche en polvo (algunos panes de molde, panes especiales), siendo habitualmente de origen fúngico.

8. Isoamilasas: hidrolizan los enlaces a-1,6 de la amilopectina. Especialmente usada para masas que van a ser sometidas a congelación o refrigeración.

Las princiaples características, beneficio y valor del uso de enzimas para panificación se resumen en la siguiente tabla:

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