El cuproníquel o cobre-níquel (CuNi) es una aleación de cobre que contiene níquel y elementos de refuerzo, como hierro y manganeso . El contenido de cobre varía típicamente del 60 al 90 por ciento. ( Monel es una aleación de níquel-cobre que contiene un mínimo de 52 por ciento de níquel).
A pesar de su alto contenido de cobre, el cuproníquel es de color plateado. El cuproníquel es altamente resistente a la corrosión por agua salada y , por lo tanto, se utiliza para tuberías, intercambiadores de calor y condensadores en sistemas de agua de mar , así como para hardware marino. A veces se utiliza para hélices , ejes de hélices y cascos de embarcaciones de alta calidad . Otros usos incluyen equipos militares e industrias químicas, petroquímicas y eléctricas. [1]
Otro uso moderno común del cuproníquel son las monedas de color plateado . Para este uso, la aleación típica tiene una relación de cobre a níquel de 3: 1, con cantidades muy pequeñas de manganeso. En el pasado, las verdaderas monedas de plata se degradaban con cuproníquel.
Nombre
Aparte de cuproníquel y de cobre-níquel , varios otros términos se han utilizado para describir el material: los nombres comerciales Alpaka o alpacca , Argentan Minargent , el domicilio Francés término blanc cuivre , y la romanized Cantonés término Paktong ,白銅(el francés y términos Cantonés ambos que significa "cobre blanco"); El cuproníquel también se conoce ocasionalmente como plata de hotel , plata alemana (en español, "plata alemana"), plata alemana y plata china . [2]
Aplicaciones
Ingeniería Marina
Las aleaciones de cuproníquel se utilizan para aplicaciones marinas [3] debido a su resistencia a la corrosión del agua de mar , su buena capacidad de fabricación y su eficacia para reducir los niveles de macrofouling . Las aleaciones que varían en composición desde 90% Cu-10% Ni hasta 70% Cu-30% Ni se especifican comúnmente en tubos de intercambiadores de calor o condensadores en una amplia variedad de aplicaciones marinas. [4]
Las aplicaciones marinas importantes del cuproníquel incluyen:
- Construcción y reparación naval : cascos de embarcaciones y barcos, refrigeración por agua de mar, achique y lastre, sistemas sanitarios, extinción de incendios, gas inerte, enfriadores hidráulicos y neumáticos. [5] [6]
- Plantas desaladoras : calentadores de salmuera, rechazo y recuperación de calor, y en tubería del evaporador. [7]
- Plataformas y embarcaciones de procesamiento y procesamiento de petróleo y gas en alta mar y FPSO : sistemas y revestimientos de zonas de salpicadura. [8]
- Generación de energía : condensadores de turbinas de vapor, enfriadores de aceite, sistemas auxiliares de enfriamiento y precalentadores de alta presión en centrales nucleares y de combustibles fósiles. [9]
- Componentes del sistema de agua de mar: tubos de condensador e intercambiador de calor, placas de tubos, tuberías, sistemas de alta presión, accesorios, bombas y cajas de agua. [10] [11]
Moneda
El uso exitoso del cuproníquel en la acuñación se debe a su resistencia a la corrosión , conductividad eléctrica , durabilidad, maleabilidad , bajo riesgo de alergia , facilidad de estampado , propiedades antimicrobianas y reciclabilidad . [12]
En Europa, Suiza fue pionera en la acuñación de billones de níquel en 1850, con la adición de plata. En 1968, Suiza adoptó la proporción de cobre a níquel de 75:25, mucho más barata, que se utilizaba en Bélgica , Estados Unidos y Alemania. De 1947 a 2012, todas las monedas de "plata" en el Reino Unido se hicieron con cuproníquel, pero a partir de 2012, las dos denominaciones de cuproníquel más pequeñas fueron reemplazadas por monedas de acero niqueladas de menor costo.
En parte debido al acaparamiento de plata durante la Guerra Civil, la Casa de la Moneda de los Estados Unidos usó por primera vez cuproníquel para la circulación de monedas en piezas de tres centavos a partir de 1865, y luego para monedas de cinco centavos a partir de 1866. Antes de estas fechas, ambas denominaciones habían sido fabricado solo en plata en los Estados Unidos. El cuproníquel es el revestimiento a ambos lados de los medios dólares estadounidenses (50 centavos) desde 1971, y todas las monedas de 25 centavos (25 centavos) y las monedas de diez centavos (10 centavos) se fabricaron después de 1964. Actualmente, algunas monedas circulantes, como el níquel Jefferson de los Estados Unidos (5 ¢), [13] el franco suizo y los 500 y 100 won de Corea del Sur están hechos de cuproníquel sólido (proporción 75:25). [14]
Otro uso
Los cables de termopar de un solo núcleo utilizan un par de conductores de termopar de un solo conductor, como hierro- constantan , cobre constantan o níquel-cromo / níquel-aluminio. Estos tienen el elemento calefactor de constantan o aleación de níquel-cromo dentro de una cubierta de cobre, cuproníquel o acero inoxidable. [15]
El cuproníquel se utiliza en aplicaciones criogénicas . Su combinación de buena retención de ductilidad y conductividad térmica a temperaturas muy bajas es ventajosa para equipos de procesamiento y almacenamiento a baja temperatura, así como para intercambiadores de calor en plantas criogénicas. [16] [17] [18]
A principios del siglo XX, los cascos de bala se fabricaban comúnmente con este material. Pronto fue reemplazado por metal dorado para reducir las incrustaciones de metal en el orificio .
Actualmente, el cuproníquel y la alpaca siguen siendo el material básico de la cubertería plateada. Se usa comúnmente para equipos mecánicos y eléctricos, equipos médicos, cremalleras, artículos de joyería y tanto para cuerdas para instrumentos de la familia del violín como para trastes de guitarra. Fender Musical Instruments utilizó imanes "CuNiFe" en su pastilla " Wide Range Humbucker " para varias guitarras Telecaster y Starcaster durante la década de 1970. [ cita requerida ]
Para cerraduras de cilindro y sistemas de bloqueo de alta calidad, los núcleos de los cilindros están hechos de cuproníquel resistente al desgaste.
El cuproníquel se ha utilizado como alternativa a las líneas de freno de acero tradicionales, ya que no se oxida. Dado que el cuproníquel es mucho más blando que el acero, se dobla y se ensancha más fácilmente, y la misma propiedad le permite formar un mejor sello con los componentes hidráulicos.
Propiedades
El cuproníquel carece de color cobre debido a la alta electronegatividad del níquel, lo que provoca la pérdida de un electrón en la capa d del cobre (dejando 9 electrones en la capa d frente a los 10 electrones típicos del cobre puro).
Las propiedades importantes de las aleaciones de cuproníquel incluyen resistencia a la corrosión , resistencia inherente al macrofouling , buena resistencia a la tracción , excelente ductilidad cuando se recocen , conductividad térmica y características de expansión adecuadas para intercambiadores de calor y condensadores , buena conductividad térmica y ductilidad a temperaturas criogénicas y propiedades antimicrobianas de superficie táctil beneficiosas . [19]
Aleación | Densidad g / cm 3 | Conductividad térmica W / (m · K) | TEC μm / (m · K) | Resistividad eléctrica μOhm · mm | Módulo de elasticidad GPa | Límite de rendimiento MPa | Resistencia a la tracción MPa |
---|---|---|---|---|---|---|---|
90-10 | 8,9 | 40 | 17 | 19 | 135 | 105 | 275 |
70-30 | 8,95 | 29 | dieciséis | 34 | 152 | 125 | 360 |
66–30–2–2 | 8,86 | 25 | 15,5 | 50 | 156 | 170 | 435 |
Las aleaciones son:
Aleación UNS No. | Nombre común | Especificación europea | Ni | Fe | Minnesota | Cu |
---|---|---|---|---|---|---|
C70600 | 90-10 | CuNi 10 Fe | 9-11 | 1–1,8 | 1 | Equilibrio |
C71500 | 70-30 | CuNi 30 Fe | 29–33 | 0,4-1,0 | 1 | Equilibrio |
C71640 | 66–30–2–2 | 29–32 | 1,7–2,3 | 1,5-2,5 | Equilibrio |
- Estos valores pueden variar en otros estándares.
Las diferencias sutiles en la resistencia a la corrosión y la fuerza determinan qué aleación se selecciona. Al descender de la mesa, aumenta el caudal máximo permitido en la tubería, al igual que la resistencia a la tracción.
En agua de mar, las aleaciones tienen excelentes tasas de corrosión que permanecen bajas siempre que no se exceda la velocidad máxima de flujo de diseño . Esta velocidad depende de la geometría y el diámetro de la tubería. Tienen una alta resistencia a la corrosión por grietas , el agrietamiento por corrosión bajo tensión y la fragilización por hidrógeno que pueden ser problemáticos para otros sistemas de aleación. El cobre-níquel forma naturalmente una capa superficial protectora delgada durante las primeras semanas de exposición al agua de mar y esto proporciona su resistencia continua. Además, tienen una alta resistencia inherente a las incrustaciones biológicas a la adhesión de macrofoulers (por ejemplo, pastos marinos y moluscos ) que viven en el agua de mar. Para utilizar esta propiedad en todo su potencial, la aleación debe estar libre de los efectos de, o estar aislada de, cualquier forma de protección catódica .
Sin embargo, las aleaciones de Cu-Ni pueden mostrar altas tasas de corrosión en agua de mar contaminada o estancada cuando hay sulfuros o amoníaco . Por lo tanto, es importante evitar la exposición a tales condiciones, particularmente durante la puesta en servicio y el reacondicionamiento mientras maduran las películas de la superficie. La dosificación de sulfato ferroso a los sistemas de agua de mar puede proporcionar una resistencia mejorada.
Como el cobre y el níquel se alean entre sí fácilmente y tienen estructuras simples, las aleaciones son dúctiles y fáciles de fabricar. La resistencia y dureza de cada aleación individual aumenta con el trabajo en frío ; no se endurecen mediante tratamiento térmico . La unión de 90–10 (C70600) y 70–30 (C71500) es posible mediante soldadura o soldadura fuerte . Ambos son soldables mediante la mayoría de técnicas, aunque no se recomiendan los métodos autógenos (soldadura sin consumibles de soldadura) u oxiacetileno . Los consumibles de soldadura 70-30 en lugar de 90-10 se prefieren normalmente para ambas aleaciones y no se requiere tratamiento térmico posterior a la soldadura. También se pueden soldar directamente al acero, siempre que se utilice un consumible de soldadura de níquel-cobre al 65% para evitar los efectos de dilución del hierro. La aleación C71640 tiende a usarse como tubería sin costura y se expande en lugar de soldarse en la placa del tubo. La soldadura fuerte requiere aleaciones adecuadas para soldadura fuerte a base de plata. Sin embargo, se debe tener mucho cuidado para asegurar que no haya tensiones en el Cu-Ni que se está soldando con plata, ya que cualquier tensión puede causar una penetración intergranular del material de soldadura y un agrietamiento por tensión severo (ver imagen). Por tanto, es necesario el recocido completo de cualquier esfuerzo mecánico potencial.
Las aplicaciones de las aleaciones de Cu-Ni han resistido la prueba del tiempo, ya que todavía se utilizan ampliamente y van desde tuberías de sistemas de agua de mar, condensadores e intercambiadores de calor en embarcaciones navales, transporte comercial, desalinización instantánea de múltiples etapas y centrales eléctricas. También se han utilizado como revestimiento de zonas de salpicaduras en estructuras costa afuera y revestimiento protector en cascos de embarcaciones, así como para los propios cascos sólidos.
Fabricación
Debido a su ductilidad , las aleaciones de cuproníquel se pueden fabricar fácilmente en una amplia variedad de formas de productos [21] y accesorios. Los tubos de cuproníquel se pueden expandir fácilmente en placas de tubos para la fabricación de intercambiadores de calor de carcasa y tubos .
Se encuentran disponibles detalles de los procedimientos de fabricación, incluido el manejo general, corte y mecanizado, conformado, tratamiento térmico, preparación para soldadura, preparaciones de soldadura, soldadura por puntos, consumibles de soldadura, procesos de soldadura, pintura, propiedades mecánicas de las soldaduras y doblado de tubos y tuberías. [22]
Estándares
Existen normas ASTM , EN e ISO para pedir formas forjadas y fundidas de cuproníquel. [23]
Los termopares y resistencias cuya resistencia es estable a los cambios de temperatura contienen aleación de constantano , que consiste en 55% de cobre y 45% de níquel.
Historia
historia china
Las aleaciones de cuproníquel eran conocidas como "cobre blanco" por los chinos desde aproximadamente el siglo III a. C. Algunas armas fabricadas durante el período de los Reinos Combatientes se fabricaron con aleaciones de Cu-Ni. [24] La teoría de los orígenes chinos del cuproníquel bactriano fue sugerida en 1868 por Flight, quien descubrió que las monedas consideradas las monedas de cuproníquel más antiguas descubiertas hasta ahora eran de una aleación muy similar al paktong chino . [25]
El autor y erudito, Ho Wei, describió con precisión el proceso de fabricación de cuproníquel alrededor del año 1095 d.C. Se describió que la aleación de paktong se fabrica mediante la adición de pequeñas píldoras de mineral yunnan natural a un baño de cobre fundido. Cuando se formó una costra de escoria , se añadió salitre , se agitó la aleación y se fundió inmediatamente el lingote . El zinc se menciona como ingrediente, pero no hay detalles sobre cuándo se agregó. El mineral utilizado se señala como disponible únicamente en Yunnan , según la historia:
"San Mao Chun estuvo en Tanyang durante un año de hambruna cuando muchas personas murieron, así que tomando ciertos químicos, Ying los proyectó sobre la plata, convirtiéndola en oro, y también transmutó el hierro en plata, permitiendo así salvar la vida de muchos [ mediante la compra de grano a través de esta plata y oro falsos] A partir de entonces, todos aquellos que prepararon polvos químicos calentando y transmutando cobre por proyección llamaron a sus métodos "técnicas de Tanyang". [25]
La literatura tardía de Ming y Qing tiene muy poca información sobre paktong . Sin embargo, se menciona por primera vez específicamente por su nombre en el Thien Kung Khai Wu de alrededor de 1637:
"Cuando se mezcla lu kan shih (carbonato de zinc, calamina ) o wo chhein (zinc metal) y se combina con chih thung (cobre), se obtiene 'bronce amarillo' (latón ordinario). Cuando se calienta phi shang y otras sustancias de arsénico con eso, uno obtiene 'bronce blanco' o cobre blanco: pai thong . Cuando se mezclan alumbre y nitro y otros productos químicos, se obtiene ching thung : bronce verde ". [25]
Ko Hung declaró en 300 d. C.: "El cobre de Tanyang se creó arrojando un elixir mercúrico en el cobre de Tanyang y se formará oro calentado". Sin embargo, el Pha Phu Tsu y el Shen I Ching describían una estatua en las provincias occidentales como de plata, estaño, plomo y cobre Tanyang, que parecía oro y podía forjarse para enchapar e incrustar vasijas y espadas. [25]
Joseph Needham y col. argumentan que el cuproníquel era al menos conocido como una aleación única por los chinos durante el reinado de Liu An en el 120 a. C. en Yunnan. Además, el estado de Tien de Yunnan fue fundado en 334 a. C. como una colonia de los Chu. Lo más probable es que el paktong moderno fuera desconocido para los chinos de la época, pero la aleación de cuproníquel de mineral de Yunnan que se encuentra en la naturaleza era probablemente un valioso producto de comercio interno. [25]
Moneda greco-bactriana
En 1868, W. Flight descubrió una moneda grecobactriana compuesta por un 20% de níquel que databa de 180 a 170 a. C. con el busto de Euthydemus II en el anverso. Alrededor del 170 a. C. se acuñaron monedas de una aleación similar con bustos de sus hermanos menores, Pantaleon y Agathocles . La composición de las monedas se verificó posteriormente mediante el método tradicional húmedo y la espectrometría de fluorescencia de rayos X. [25] Cunningham en 1873 propuso la "teoría del níquel bactriano", que sugería que las monedas debían ser el resultado del comercio terrestre desde China a través de la India hasta Grecia. La teoría de Cunningham fue apoyada por académicos como WW Tarn, Sir John Marshall y J. Newton Friend, pero fue criticada por ER Caley y S. van R. Cammann. [25]
En 1973, Cheng y Schwitter en sus nuevos análisis sugirieron que las aleaciones bactrianas (cobre, plomo, hierro, níquel y cobalto) eran muy similares al paktong chino , y de nueve depósitos de níquel asiáticos conocidos, solo los de China podían proporcionar lo mismo. Composiciones químicas. [25] Cammann criticó el artículo de Cheng y Schwitter, argumentando que el declive de la moneda cuproníquel no debería haber coincidido con la apertura de la Ruta de la Seda. Si la teoría del níquel bactriano fuera cierta, según Cammann, la Ruta de la Seda habría aumentado el suministro de cuproníquel. Sin embargo, el fin del cuproníquel greco-bactriano podría atribuirse a otros factores como el fin de la Casa de Eutidemo. [25]
historia europea
La aleación parece haber sido redescubierta por Occidente durante experimentos de alquimia . En particular, Andreas Libavius , en su Alchemia de 1597, menciona un álbum de aes de cobre blanqueado en la superficie por mercurio o plata. Pero en De Natura Metallorum in Singalarum Part 1, publicado en 1599, el mismo término se aplicó al "estaño" de las Indias Orientales (hoy Indonesia y Filipinas ) y se le dio el nombre español, tintinaso . [25]
Richard Watson de Cambridge parece ser el primero en descubrir que el cuproníquel era una aleación de tres metales. Al intentar redescubrir el secreto del cobre blanco, Watson criticó la Historia de China de Jean-Baptiste Du Halde (1688) por confundir el término paktong '. Señaló que los chinos de su época no lo formaban como una aleación sino más bien mineral sin procesar fácilmente disponible fundido :
"... surgió de una vasta serie de experimentos hechos en Pekín- que ocurrió naturalmente como un mineral extraído en la región, el cobre más extraordinario es pe-tong o cobre blanco: es blanco cuando se extrae de la mina e incluso más blanco por dentro que por fuera. Parece, por una gran cantidad de experimentos hechos en Pekín, que su color no se debe a ninguna mezcla; por el contrario, todas las mezclas disminuyen su belleza, ya que, cuando se maneja correctamente, se ve exactamente como la plata y si no hubiera necesidad de mezclar un poco de tutenag o tal metal para ablandarlo, sería mucho más extraordinario ya que este tipo de cobre no se encuentra en ninguna parte sino en China y solo en la provincia de Yunnan ". No obstante lo que se dice aquí, de que el color del cobre no se debe a ninguna mezcla, es seguro que el cobre blanco chino que nos trajeron es un metal mixto [sic: mixto]; de modo que el mineral del que se extrajo debe consistir en diversas sustancias metálicas; y de tal mineral que se hizo el oricalco natural, si alguna vez existió. " [25]
Durante el pico de la importación europea de cobre blanco chino de 1750 a 1800, se prestó mayor atención al descubrimiento de sus componentes. Peat y Cookson descubrieron que "los más oscuros demostraron contener un 7,7% de níquel y los más claros se dice que no se pueden distinguir de la plata con una resonancia característica de campana cuando se golpea y una resistencia considerable a la corrosión, un 11,1%".
Otro ensayo de Andrew Fyfe estimó el contenido de níquel en 31,6%. Las conjeturas terminaron cuando James Dinwiddie, de la embajada de Macartney, trajo en 1793, con un riesgo personal considerable (el contrabando de mineral de paktong era un crimen capital por parte del emperador chino), parte del mineral con el que estaba hecho el paktong . [26] Cupronickel llegó a ser ampliamente comprendido, según lo publicado por E. Thomason, en 1823, en una presentación, luego rechazada por no ser un conocimiento nuevo, a la Royal Society of Arts .
Los esfuerzos en Europa para duplicar exactamente el paktong chino fracasaron debido a una falta general de mineral complejo de cobalto-níquel-arsénico que se requiere de forma natural. Sin embargo, el distrito de Schneeberg en Alemania , donde el famoso Blaufarbenwerke fabricaba azul de cobalto y otros pigmentos, solo contenía los minerales complejos de cobalto-níquel-arsénico necesarios en Europa.
Al mismo tiempo, la prusiana Verein zur Beförderung des Gewerbefleißes (Sociedad para la mejora de la diligencia empresarial / laboriosidad ) ofreció un premio por el dominio del proceso. Como era de esperar, el Dr. EA Geitner y JR von Gersdoff de Schneeberg ganaron el premio y lanzaron su marca "German silver" con los nombres comerciales Argentan y Neusilber (nueva plata). [26]
En 1829, Percival Norton Johnston convenció al Dr. Geitner para que estableciera una fundición en Bow Common detrás del Regents 'Park Canal en Londres, y obtuvo lingotes de níquel-plata con una composición de 18% Ni, 55% Cu y 27% Zn. [26] Entre 1829 y 1833, Percival Norton Johnson fue la primera persona en refinar cuproníquel en las Islas Británicas. Se convirtió en un hombre rico, produciendo más de 16,5 toneladas por año. La aleación se convirtió principalmente en cubiertos por la firma de Birmingham William Hutton y se vendió con el nombre comercial "argentino".
Los competidores más serios de Johnsons, Charles Askin y Brok Evans, bajo el brillante químico Dr. EW Benson, idearon métodos muy mejorados de suspensión de cobalto y níquel y comercializaron su propia marca de níquel-plata, llamada "British Plate". [26]
En la década de 1920, se desarrolló un grado de cobre-níquel 70-30 para condensadores navales. Poco después, se introdujo una aleación de 2% de manganeso y 2% de hierro ahora conocida como aleación C71640 para una central eléctrica del Reino Unido que necesitaba una mejor resistencia a la erosión debido a los niveles de arena arrastrada en el agua de mar. Una aleación 90-10 estuvo disponible por primera vez en la década de 1950, inicialmente para tuberías de agua de mar, y ahora es la aleación más utilizada.
Ver también
- Latón (cobre aleado con zinc )
- Bronce (cobre aleado con estaño )
- Aleaciones de cobre en acuicultura
Referencias
- ^ Sakiewicz P., Nowosielski R., Babilas R. Aspectos de producción de la deformación en caliente no homogénea en la aleación CuNi25 fundida, Indian Journal of Engineering & Materials Sciences, vol. 22, agosto de 2015, págs. 389-398
- ^ Deutsches Kupfer-Institut (Hrsg.): Kupfer-Nickel-Zink-Legierungen . Berlín 1980.
- ^ Aplicaciones marinas para aleaciones de cobre y níquel http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/#non_marine
- ^ Kobelco: Tubos de aleación de cobre para intercambiador de calor; Shinko Metal Products, Japón; http://www.shinkometal.co.jp/catalog/copperalloy-en-sc.pdf Archivado el 29 de octubre de 2013 en Wayback Machine
- ^ Aleaciones de cobre-níquel en barcos y cascos de barcos http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/hulls/
- ^ Aleaciones de cobre y níquel en la construcción y reparación naval http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/shipbuilding_and_repair/
- ^ Aleaciones de cobre y níquel en plantas desaladoras http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/desalination_plants/
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- ^ Aleaciones de cobre y níquel en la generación de energía http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/power_generation/
- ^ Aleaciones de cobre-níquel en el diseño de sistemas de agua de mar http://www.copper.org/applications/marine/cuni/applications/seawater_system_design/
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- ^ Cobre-níquel en acuñación
- ^ "La casa de la moneda de Estados Unidos: especificaciones de monedas" . Consultado el 11 de junio de 2008 .
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- ^ Propiedades de las aleaciones de cobre y níquel http://www.copper.org/applications/marine/cuni/properties/
- ^ Propiedades físicas del cobre-níquel
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enlaces externos
- Aleaciones de cobre-níquel
- Aleaciones de cobre-níquel: propiedades, procesamiento, aplicaciones (Fuente: Instituto Alemán del Cobre (DKI))]
- Aleaciones de cobre-níquel para resistencia a la corrosión del agua de mar y antiincrustantes: una revisión del estado del arte (CA Powell y HT Michels; Corrosion 2000, NACE March 2000 (NACE))