Cuproníquel

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Aleación de cobre que contiene níquel
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 de 60 a 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 muy 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 usa para las hélices, los ejes de las hélices y los cascos de los barcos de alta calidad. Otros usos incluyen equipo militar e industrias química, petroquímica y eléctrica.

Otro uso común del cuproníquel en el siglo XX fueron las monedas plateadas. Para este uso, la aleación típica tiene una proporción de cobre a níquel de 3:1, con cantidades muy pequeñas de manganeso.

En el pasado, las monedas de plata auténtica se degradaban con cuproníquel, como las monedas de libra esterlina a partir de 1947, cuyo contenido se reemplazó.

Nombre

Además de cuproníquel y cobre-níquel, se han utilizado otros términos para describir el material: los nombres comerciales Alpaka o Alpacca, Argentan Minargent, el término francés registrado cuivre blanc y el término cantonés romanizado Paktong, 白銅 (el término francés y cantonés ambos términos significan "cobre blanco"); el cuproníquel también se conoce ocasionalmente como hotel silver, plata alemana (en español, "plata alemana"), plata alemana, y plata china.

Aplicaciones

Ingeniería marina

Las aleaciones de cuproníquel se utilizan para aplicaciones marinas debido a su resistencia a la corrosión del agua de mar, su buena fabricabilidad y su eficacia para reducir los niveles de macroincrustaciones. Las aleaciones que varían en composición desde 90 % Cu–10 % Ni hasta 70 % Cu–30 % Ni se especifican comúnmente en intercambiadores de calor o tubos condensadores en una amplia variedad de aplicaciones marinas.

Las aplicaciones marinas importantes para el cuproníquel incluyen:

  • Construcción naval y reparación: cascos de barcos y barcos, enfriamiento de agua de mar, achique y balasto, sanitarios, lucha contra incendios, gas inerte, sistemas de refrigeración hidráulicos y neumáticos.
  • Plantas desalización: calentadores de salmuera, rechazo al calor y recuperación, y en tubería de evaporador.
  • Plataformas de petróleo y gas desbordados y buques de procesamiento y FPSO: sistemas y vainas de zonas de salpicaduras.
  • Generación de energía: condensadores de turbina de vapor, refrigeradores de aceite, sistemas auxiliares de refrigeración y precalentadores de alta presión en centrales nucleares y fósiles de combustible.
  • Componentes del sistema de agua de mar: tubos de condensador y intercambiador de calor, láminas de tubo, tuberías, sistemas de alta presión, accesorios, bombas y cajas de agua.

Acuñación

Cinco francos suizos
Cinco rupias indias, conmemorando la OIT.

El uso exitoso del cuproníquel en la acuñación se debe a su resistencia a la corrosión, conductividad eléctrica, durabilidad, maleabilidad, bajo riesgo de alergias, facilidad de estampado, propiedades antimicrobianas y reciclabilidad.

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 usaba en Bélgica, Estados Unidos y Alemania. De 1947 a 2012, todo "plata" Las monedas en el Reino Unido se hicieron con cuproníquel, pero a partir de 2012, las dos denominaciones más pequeñas de cuproníquel fueron reemplazadas por monedas de acero niquelado de menor costo.

En parte debido al acaparamiento de plata durante la Guerra Civil, la Casa de la Moneda de los Estados Unidos utilizó por primera vez cuproníquel para la circulación de monedas en piezas de tres centavos a partir de 1865, y luego para piezas de cinco centavos a partir de 1866. Antes de estas fechas, ambos las denominaciones se habían hecho solo en plata en los Estados Unidos. El cuproníquel es el revestimiento a ambos lados de los medios dólares estadounidenses (50 ¢) desde 1971, y todas las monedas de veinticinco centavos (25 centavos) y diez centavos (10 centavos) fabricadas después de 1964. Actualmente, algunas monedas en circulación, como el níquel Jefferson de los Estados Unidos (5¢), el franco suizo y los wones de 500 y 100 de Corea del Sur están hechos de cuproníquel sólido (proporción 75:25).

Otro uso

Una unión de termopar se forma a partir de un par de conductores de termopar como hierro-constantán, cobre-constantán o níquel-cromo/níquel-aluminio. La unión puede estar protegida dentro de una cubierta de cobre, cuproníquel o acero inoxidable.

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.

A principios del siglo XX, los chalecos antibalas 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 para 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. Los instrumentos musicales Fender utilizaron "CuNiFe" imanes en su "Wide Range Humbucker" pastilla para varias guitarras Telecaster y Starcaster durante la década de 1970.

Para cerraduras de cilindro y sistemas de cierre de alta calidad, los núcleos de cilindro 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 en comparación con el cobre puro). 10 electrones típicos).

Las propiedades importantes de las aleaciones de cuproníquel incluyen resistencia a la corrosión, resistencia inherente a la macroincrustación, 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 un toque antimicrobiano beneficioso propiedades de la superficie.

Propiedades de algunas aleaciones Cu–Ni
Aleación Densidad
g/cm3
Conductividad térmica
W/(m·K)
TEC
μm/(m·K)
Resistencia eléctrica
μOhm·cm
Modulo elástico
GPa
Fuerza de rendimiento
MPa
Fuerza de tracción
MPa
90 a 10 8.9 40 17 19 135 105 275
70 a 30 8.95 29 16 34 152 125 360
66–30–2–2 8.86 25 15,5 50 156 170 435

Las aleaciones son:

Composiciones estándar del UNS* de aleaciones forzadas (en porcentaje). Máximo o rango.
Aleación UNS No. Nombre común European spec Ni Fe Mn Cu
C70600 90 a 10 CuNi10Fe 9 a 11 1–1,8 1 Saldo
C71500 70 a 30 CuNi30Fe 29 a 33 0.4–1.0 1 Saldo
C71640 66–30–2–2 29 a 32 1.7–2.3 1,5–2.5 Saldo
  • Estos valores pueden variar en otras normas

Diferencias sutiles en la resistencia a la corrosión y la fuerza determinan qué aleación se selecciona. Al descender en la tabla, aumenta el caudal máximo permitido en la tubería, al igual que la resistencia a la tracción.

En agua de mar, las aleaciones tienen excelentes índices de corrosión que se mantienen bajos siempre que no se exceda la velocidad de flujo máxima 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 fina capa superficial protectora durante las primeras semanas de exposición al agua de mar y esto proporciona su resistencia continua. Además, tienen una alta resistencia inherente a la bioincrustación a la adhesión de macroincrustantes (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 o 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 presentes. 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.

Caída en 90-10 Cu–Ni placa metálica debido a las tensiones durante el brazamiento de plata

Como el cobre y el níquel se alean entre sí fácilmente y tienen estructuras simples, las aleaciones son dúctiles y se fabrican fácilmente. La resistencia y la dureza de cada aleación individual aumentan con el trabajo en frío; no se endurecen por tratamiento térmico. La unión de 90–10 (C70600) y 70–30 (C71500) es posible mediante soldadura o soldadura fuerte. Ambos son soldables por la mayoría de las técnicas, aunque no se recomiendan los métodos autógenos (soldadura sin consumibles de soldadura) u oxiacetileno. Normalmente se prefieren los consumibles de soldadura 70–30 en lugar de 90–10 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 soldarla en la placa del tubo. La soldadura fuerte requiere aleaciones de soldadura fuerte a base de plata apropiadas. Sin embargo, se debe tener mucho cuidado para asegurarse de que no haya tensiones en el Cu–Ni que se suelda con plata, ya que cualquier tensión puede causar la penetración intergranular del material de soldadura fuerte y un agrietamiento severo por tensión (ver imagen). Por lo tanto, es necesario un recocido completo de cualquier tensión mecánica potencial.

Las aplicaciones de las aleaciones de Cu-Ni han resistido la prueba del tiempo, ya que todavía se usan ampliamente y van desde tuberías de sistemas de agua de mar, condensadores e intercambiadores de calor en buques de guerra, transporte marítimo comercial, desalinización instantánea de varias etapas y centrales eléctricas. También se han utilizado como revestimiento de zonas de salpicadura en estructuras en alta mar y revestimiento protector en cascos de barcos, así como para cascos sólidos.

Fabricación

Debido a su ductilidad, las aleaciones de cuproníquel se pueden fabricar fácilmente en una amplia variedad de formas y accesorios de productos. Los tubos de cuproníquel se pueden expandir fácilmente en láminas de tubos para la fabricación de intercambiadores de calor de carcasa y tubos.

Los detalles de los procedimientos de fabricación, incluidos el manejo general, el corte y el mecanizado, la formación, el tratamiento térmico, la preparación para la soldadura, los preparativos para la soldadura, la soldadura por puntos, los consumibles para la soldadura, los procesos de soldadura, la pintura, las propiedades mecánicas de las soldaduras y el doblado de tubos y tuberías son disponible.

Estándares

Existen normas ASTM, EN e ISO para hacer pedidos de formas forjadas y fundidas de cuproníquel.

Los termopares y las resistencias cuya resistencia es estable a través de los cambios de temperatura contienen aleación de constantán, que consiste en un 55 % de cobre y un 45 % de níquel.

Historia

Historia de China

Las aleaciones de cuproníquel se conocían como "cobre blanco" a los chinos desde aproximadamente el siglo III a. Algunas armas fabricadas durante el período de los Reinos Combatientes se fabricaron con aleaciones de Cu-Ni. 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.

El autor y erudito, Ho Wei, describió con precisión el proceso de elaboración del cuproníquel alrededor del año 1095 d.C. La aleación paktong se describió como hecha agregando pequeñas pastillas de mineral yunnan natural a un baño de cobre fundido. Cuando se formaba una costra de escoria, se añadía salitre, se agitaba la aleación y se colaba 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 hambre cuando murieron muchas personas, así que tomando ciertos químicos, Ying los proyectó en plata, convirtiéndolo en oro, y también transmutó hierro en plata, permitiendo así que la vida de muchos se salvara [al comprar grano a través de esta plata y oro falsos] Después de todo aquellos que prepararon polvos químicos por calentar y transmutar cobre por proyección llamaron sus métodos "técnicas de Titanang".

La literatura de los últimos 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 circa 1637:

"Cuando lu kan shih (carbonato de zinc, calamina) o wo chhein (cinc metal) se mezcla y se combina con chih thung (cobre), uno consigue ' bronce amarillo' (latón ordinario). Cuando phi shang y otras sustancias arsénicas se calientan con ella, se obtiene ' bronce blanco' o cobre blanco: pai thong. Cuando el alum y niter y otros productos químicos se mezclan uno consigue ching thung: bronce verde."

Ko Hung declaró en el año 300 d. C.: "El cobre de Tanyang se creó arrojando un elixir de mercurio en el cobre de Tanyang y se formará oro calentado." Sin embargo, el Pha Phu Tsu y el Shen I Ching describen una estatua en las provincias occidentales como de plata, estaño, plomo y cobre Tanyang, que parecía oro, y podría forjarse para enchapar e incrustar vasijas y espadas.

Joseph Needham et al. argumentan que el cuproníquel era al menos conocido como una aleación única por los chinos durante el reinado de Liu An en 120 a. C. en Yunnan. Además, el estado yunnaés de Tien fue fundado en 334 a. C. como colonia de Chu. Lo más probable es que los chinos de la época desconocieran el paktong moderno, pero la aleación de cuproníquel del mineral natural de Yunnan era probablemente un valioso producto de comercio interno.

Acuñación greco-bactriana

En 1868, W. Flight descubrió una moneda grecobactriana con un 20 % de níquel que databa del 180 al 170 a. C. con el busto de Eutidemo II en el anverso. Alrededor del año 170 a. C. se acuñaron monedas de una aleación similar con bustos de sus hermanos menores, Pantaleón y Agatocles. Posteriormente se verificó la composición de las monedas mediante el método húmedo tradicional y espectrometría de fluorescencia de rayos X. Cunningham en 1873 propuso la "teoría del níquel bactriano" lo que sugirió que las monedas deben haber sido el resultado del comercio terrestre desde China a través de India a Grecia. La teoría de Cunningham fue apoyada por académicos como W. W. Tarn, Sir John Marshall y J. Newton Friend, pero fue criticada por E. R. Caley y S. van R. Cammann.

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 asiáticos conocidos depósitos, solo los de China podrían proporcionar composiciones químicas idénticas. Cammann criticó el artículo de Cheng y Schwitter, argumentando que la caída de la moneda de 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 de la moneda de cuproníquel grecobactriana podría atribuirse a otros factores, como el fin de la Casa de Eutidemo.

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 cobre blanqueado superficialmente por mercurio o plata. Pero en De Natura Metallorum en Singalarum Parte 1, publicado en 1599, se aplicó el mismo término a "tin" de las Indias Orientales (actual Indonesia y Filipinas) y recibe el nombre español, tintinaso.

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 (1688) de Jean-Baptiste Du Halde por confundir el término paktong'. los chinos de su época no lo formaron como una aleación, sino que fundieron el mineral sin procesar fácilmente disponible:

"...aparece de una vasta serie de experimentos realizados en Pekín- que ocurrió naturalmente como un mineral minedo en la región, el cobre más extraordinario es pe-tong o cobre blanco: es blanco cuando se excava de la mina y aún más blanco dentro que sin. Parece, por un gran número de experimentos realizados en Peking, que su color no se debe a ninguna mezcla; por el contrario, todas las mezclas disminuyen su belleza, porque, cuando se administra correctamente se parece exactamente a la plata y si no hubiera necesidad de mezclar un poco de tutenag o tal metal para suavizarla, sería mucho más extraordinario ya que este tipo de cobre no se encuentra en China y que sólo en la Provincia de Yunnan". A pesar de lo que se dice aquí, del color del cobre que no se debe a ninguna mezcla, es cierto que el cobre blanco chino que nos trajo, es un mixto [sic: mixto] metal; de modo que el mineral del que se extrajo debe consistir en diversas sustancias metálicas; y de tal mineral que el natural orichalcum si existiera alguna vez, se hizo."

Durante el pico de importación europea de cobre blanco chino de 1750 a 1800, se prestó mayor atención al descubrimiento de sus constituyentes. Peat y Cookson descubrieron que "el más oscuro resultó contener un 7,7 % de níquel y se dijo que el más claro era indistinguible de la plata con una resonancia característica similar a una campana cuando se golpeaba y una resistencia considerable a la corrosión, 11,1 %".

Otro ensayo realizado por Andrew Fyfe estimó el contenido de níquel en un 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 del que se extrajo el paktong. fue hecho. El cuproníquel se hizo ampliamente conocido, 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 la falta general del mineral complejo de cobalto-níquel-arsénico necesario de origen natural. Sin embargo, el distrito Schneeberg de Alemania, donde el famoso Blaufarbenwerke fabricaba azul cobalto y otros pigmentos, solo contenía los minerales complejos de cobalto-níquel-arsénico necesarios en Europa.

Al mismo tiempo, la Verein zur Beförderung des Gewerbefleißes (Sociedad para la Mejora de la Diligencia Empresarial/Industriosidad) de Prusia ofreció un premio por el dominio del proceso. Como era de esperar, el Dr. E.A. Geitner y J.R. von Gersdoff de Schneeberg ganaron el premio y lanzaron su "plata alemana" bajo los nombres comerciales Argentan y Neusilber (plata nueva).

En 1829, Percival Norton Johnston persuadió al Dr. Geitner para que estableciera una fundición en Bow Common detrás de Regents' Park Canal en Londres, y obtuvo lingotes de alpaca con la composición 18% Ni, 55% Cu y 27% Zn.

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 al año. La aleación se convirtió principalmente en cuchillería por la empresa de Birmingham William Hutton y se vendió con el nombre comercial "Argentine".

Johnson's' Los competidores más serios, 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'.

En la década de 1920, se desarrolló un grado de cobre-níquel de 70 a 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.

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