El cuproníquel o cuproníquel-cobre (CuNi) es una aleación de cobre con níquel , generalmente junto con pequeñas cantidades de otros elementos agregados para darle resistencia, como hierro y manganeso . El contenido de cobre varía típicamente entre el 60 y el 90 por ciento. ( El monel es una aleación de níquel-cobre que contiene un mínimo del 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 , por lo que 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 las hélices , ejes de hélice y cascos de barcos de alta calidad . Otros usos incluyen equipos militares e industrias químicas, petroquímicas y eléctricas. [1]
En uso decorativo es común una aleación de cuproníquel llamada alpaca , aunque contiene zinc adicional pero no plata.
Otro uso común del cuproníquel en el siglo XX fue la fabricación de monedas de color plata . 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 de 1947 en adelante, a las que se les reemplazó su contenido.
Además de cuproníquel y cuproníquel , se han utilizado otros términos para describir el material: los nombres comerciales Alpaka o Alpacca , Argentan Minargent , el término francés registrado cuivre blanc , plata china , y el término cantonés romanizado Paktong , 白銅 (los términos francés y cantonés significan "cobre blanco").
Las aleaciones de cuproníquel que contienen zinc se denominan alpaca , también conocida como plata de hotel , plata alemana o plata alemana . [2 ]
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 macroincrustaciones . Las aleaciones con una composición que va desde el 90 % Cu–10 % Ni hasta el 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:
El uso exitoso del cuproníquel en la acuñación de monedas se debe a su resistencia a la corrosión , conductividad eléctrica , durabilidad, maleabilidad , bajo riesgo de alergia , facilidad de estampación , propiedades antimicrobianas y reciclabilidad . [12]
En Europa, Suiza fue pionera en la acuñación de monedas de billón basadas en cuproníquel en 1850, con la adición de plata y zinc, para monedas de 5, 10 y 20 Rappen. [13] A partir de 1860/1861, Bélgica emitió 5, 10 y 20 céntimos en cuproníquel puro (75 % de cobre, 25 % de níquel, sin plata ni zinc adicionales), [14] [15] y Alemania emitió 5 y 10 Pfennig en la misma proporción 75:25 desde 1873/1874 (hasta 1915/1916). [16] En 1879, Suiza, para las monedas de 5 y 10 Rappen, también adoptó esa proporción cobre-níquel más barata de 75:25 [17] [18] que se usaba entonces en Bélgica, Estados Unidos y Alemania. Desde 1947 hasta 2012, todas las monedas de "plata" del Reino Unido se fabricaron con cuproníquel (pero a partir de 2012, las dos denominaciones más pequeñas de cuproníquel del Reino Unido fueron reemplazadas por monedas de acero niquelado de menor costo). Además, cuando los precios de la plata aumentaron en los años 1960 y 1970, también algunos otros países europeos reemplazaron las denominaciones de plata restantes por cuproníquel, por ejemplo, las monedas de 1/2 a 5 francos suizos (en la imagen) a partir de 1968 [19] y las de 5 marcos alemanes entre 1975 y 2001. Desde 1999, el cuproníquel también se utiliza para el segmento interior de la moneda de 1 euro y el segmento exterior de la moneda de 2 euros .
En parte debido al acaparamiento de plata en la Guerra Civil, la Casa de la Moneda de los Estados Unidos utilizó por primera vez cuproníquel para las monedas en circulación en piezas de tres centavos a partir de 1865, y luego para las de cinco centavos a partir de 1866. Antes de estas fechas, ambas denominaciones se habían hecho solo en plata en los Estados Unidos. El cuproníquel es el revestimiento de ambos lados de las monedas de medio dólar (50¢) de los Estados Unidos desde 1971, y de todas las monedas de veinticinco centavos (25¢) y diez centavos (10¢) hechas después de 1964. Actualmente, algunas monedas en circulación, como la moneda de cinco centavos de Jefferson de los Estados Unidos (5¢), [20] el franco suizo y las monedas de 500 y 100 won de Corea del Sur están hechas de cuproníquel sólido (relación 75:25). [21]
Los cuproníqueles de alpaca se utilizan ampliamente como sustituto de la plata en vajillas y otros artículos decorativos para el hogar. La alpaca también se utiliza como base para el enchapado de plata , donde el producto se conoce como alpaca electrochapada o EPNS. [22]
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 funda de cobre, cuproníquel o acero inoxidable. [23]
El cuproníquel se utiliza en aplicaciones criogénicas . Mantiene una alta ductilidad y conductividad térmica a temperaturas muy bajas. Mientras que otros metales como el acero o el aluminio se romperían y se volverían térmicamente inertes, el inusual rendimiento térmico y mecánico del cuproníquel a estas bajas temperaturas facilita una serie de usos especializados. La maquinaria que debe realizar muchos ciclos de trabajo a temperaturas continuamente bajas y los intercambiadores de calor en plantas criogénicas son los principales destinos industriales del cuproníquel en aplicaciones criogénicas. [24] [25] [26] También existen aplicaciones especializadas; por ejemplo, la alta conductividad térmica de la aleación a bajas temperaturas ha hecho que el cuproníquel sea omnipresente en las operaciones de marcado por congelación . [27]
A principios del siglo XX, las camisas de las balas se hacían comúnmente con este material. Pronto se reemplazó por metal dorado para reducir la acumulación de suciedad en el cañón .
En la actualidad, el cuproníquel y la alpaca siguen siendo los materiales básicos para la cubertería plateada. Se utilizan habitualmente para equipos mecánicos y eléctricos, equipos médicos, cremalleras, artículos de joyería y tanto para cuerdas de 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 cierre de alta calidad , los núcleos de cilindro están fabricados de cuproníquel resistente al desgaste.
El cuproníquel se ha utilizado como alternativa a las líneas de freno hidráulicas de acero tradicionales (las tuberías que contienen el líquido de frenos ), ya que no se oxida. Como el cuproníquel es mucho más blando que el acero, se dobla y se ensancha con mayor facilidad, y la misma propiedad le permite formar un mejor sello con los componentes hidráulicos.
El cuproníquel carece de color cobre debido a la alta electronegatividad del níquel, lo que provoca una 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 a la macroincrustación , buena resistencia a la tracción , excelente ductilidad cuando se recoce , conductividad térmica y características de expansión adecuadas para intercambiadores de calor y condensadores , buena conductividad térmica y ductilidad a temperaturas criogénicas y propiedades beneficiosas de superficie táctil antimicrobiana . [28]
Las 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 las tuberías, al igual que la resistencia a la tracción.
En el agua de mar, las aleaciones tienen excelentes índices de corrosión que se mantienen bajos 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 , al agrietamiento por corrosión bajo tensión y a la fragilización por hidrógeno que puede ser problemática para otros sistemas de aleación. Los cobre-níqueles forman naturalmente una fina capa protectora superficial 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 de, o aislada de, cualquier forma de protección catódica .
Sin embargo, las aleaciones de Cu-Ni pueden mostrar tasas altas 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, en particular durante la puesta en servicio y el reacondicionamiento mientras las películas superficiales están madurando. La dosificación de sulfato ferroso en 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 con el tratamiento térmico . La unión de 90-10 (C70600) y 70-30 (C71500) es posible tanto mediante soldadura como mediante soldadura fuerte . Ambos son soldables mediante la mayoría de las 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 normalmente se prefieren para ambas aleaciones y no se requiere un 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 de soldadura fuerte a base de plata adecuadas. Sin embargo, se debe tener mucho cuidado para garantizar que no haya tensiones en el Cu-Ni que se va a soldar con plata, ya que cualquier tensión puede provocar una penetración intergranular del material de soldadura y un agrietamiento por tensión grave (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 utilizan ampliamente y abarcan desde tuberías de sistemas de agua de mar, condensadores e intercambiadores de calor en buques de guerra, transporte marítimo comercial, desalinización instantánea de múltiples etapas y centrales eléctricas. También se han utilizado como revestimiento de zonas de salpicaduras en estructuras marinas y revestimiento protector en cascos de barcos, así como para los propios cascos sólidos.
Debido a su ductilidad , las aleaciones de cuproníquel se pueden fabricar fácilmente en una amplia variedad de formas de productos [32] y accesorios. Los tubos de cuproníquel se pueden expandir fácilmente en láminas de tubos para la fabricación de intercambiadores de calor de carcasa y tubos .
Se encuentran disponibles detalles de los procedimientos de fabricación, incluyendo manipulación general, corte y mecanizado, formación, tratamiento térmico, preparación para soldadura, preparaciones para soldadura, soldadura por puntos, consumibles para soldadura, procesos de soldadura, pintura, propiedades mecánicas de las soldaduras y doblado de tubos y caños. [33]
Existen normas ASTM , EN e ISO para solicitar formas forjadas y fundidas de cuproníquel. [34]
Los termopares y resistencias cuya resistencia es estable a través de los cambios de temperatura contienen una aleación de constantán , que consta de 55% de cobre y 45% de níquel.
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 hicieron con aleaciones de Cu-Ni. [35] 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 el momento eran de una aleación muy similar al paktong chino . [36]
El autor y erudito Ho Wei describió con precisión el proceso de fabricación del cuproníquel en torno al año 1095 d. C. Se describió que la aleación paktong se fabricaba añadiendo pequeñas pastillas de mineral de Yunnan natural a un baño de cobre fundido. Cuando se formaba una costra de escoria , se añadía salitre , se removía la aleación y se fundía inmediatamente el lingote . Se menciona el zinc como ingrediente, pero no hay detalles sobre cuándo se añadió. Se señala que el mineral utilizado solo se consigue en Yunnan , según la historia:
"San Mao Chun estuvo en Tanyang durante un año de hambruna en el que murió mucha gente, así que Ying tomó ciertos productos químicos y los proyectó sobre plata, convirtiéndola en oro, y también transmutó el hierro en plata, lo que permitió salvar la vida de muchos [comprando grano a través de esta plata y oro falsos]. A partir de entonces, todos los que prepararon polvos químicos calentando y transmutando el cobre por proyección llamaron a sus métodos "técnicas de Tanyang". [36]
La literatura de las dinastías Ming y Qing contiene muy poca información sobre el paktong . Sin embargo, se lo 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 cinc, calamina ) o wo chhein (zinc metálico) y se combina con chih thung (cobre), se obtiene ‘bronce amarillo’ (latón común). Cuando se calienta phi shang y otras sustancias arsénicas con él, se obtiene ‘bronce blanco’ o cobre blanco: pai thong . Cuando se mezclan alumbre , nitro y otros productos químicos, se obtiene ching thung : bronce verde”. [36]
Ko Hung afirmó en el año 300 d. C.: "El cobre Tanyang se creó arrojando un elixir de mercurio sobre cobre Tanyang y calentándolo; de este modo se formará oro". Sin embargo, el Pha Phu Tsu y el Shen I Ching describen una estatua en las provincias occidentales como hecha de plata, estaño, plomo y cobre Tanyang, que parecía oro y podía forjarse para enchapar e incrustar vasijas y espadas. [36]
Joseph Needham et al. sostienen que el cuproníquel era conocido al menos como una aleación única por los chinos durante el reinado de Liu An en el año 120 a. C. en Yunnan. Además, el estado de Yunnan de Tien fue fundado en el año 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 produce naturalmente era probablemente un producto valioso para el comercio interno. [36]
En 1868, W. Flight descubrió una moneda grecobactriana compuesta por un 20% de níquel que databa de entre 180 y 170 a. C. con el busto de Eutidemo II en el anverso. Alrededor de 170 a. C. se acuñaron monedas de una aleación similar con bustos de sus hermanos menores, Pantaleón y Agatocles . La composición de las monedas se verificó más tarde utilizando el método húmedo tradicional y la espectrometría de fluorescencia de rayos X. [36] En 1873, Cunningham propuso la "teoría del níquel bactriano", que sugería que las monedas debían haber sido 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. [36]
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 composiciones químicas idénticas. [36] Cammann criticó el artículo de Cheng y Schwitter, argumentando que el declive 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 la oferta de cuproníquel. Sin embargo, el final de la moneda de cuproníquel grecobactriana podría atribuirse a otros factores como el final de la Casa de Eutidemo . [36]
Parece que Occidente redescubrió esta aleación durante experimentos alquímicos . En particular, Andreas Libavius , en su Alchemia de 1597, menciona un cobre blanqueado superficialmente con mercurio o plata. Pero en De Natura Metallorum in Singalarum Part 1, publicado en 1599, se aplicó el mismo término al "estaño" de las Indias Orientales (las actuales Indonesia y Filipinas ) y se le dio el nombre español de tintinaso . [36]
Richard Watson, de Cambridge, parece haber sido el primero en descubrir que el cuproníquel era una aleación de tres metales. En un intento por redescubrir el secreto del cobre blanco, Watson criticó la Historia de China (1688) de Jean-Baptiste Du Halde por confundir el término "paktong". Señaló que los chinos de su época no lo formaban como aleación, sino que fundían el mineral sin procesar que estaba disponible con facilidad:
"... según una vasta serie de experimentos realizados en Pekín, el cobre más extraordinario es el pe-tong o cobre blanco, que es blanco cuando se extrae de la mina y aún más blanco por dentro que por fuera. Según una gran cantidad de experimentos realizados en Pekín, su color no se debe a ninguna mezcla; por el contrario, todas las mezclas disminuyen su belleza, pues, cuando se maneja correctamente, parece exactamente como la plata y, si no fuera necesario mezclar un poco de tutenag o algún otro metal para ablandarlo, sería mucho más extraordinario, ya que este tipo de cobre no se encuentra en ningún otro lugar que no sea China y sólo en la provincia de Yunnan". A pesar de lo que aquí se dice, de que el color del cobre no se debe a ninguna mezcla, es cierto que el cobre blanco chino que nos ha llegado es un metal mixto, de modo que el mineral del que se extrajo debe estar compuesto de varias sustancias metálicas; y de tal mineral que se hizo el oricalco natural , si alguna vez existió." [36]
Durante el auge de las importaciones europeas de cobre blanco chino, entre 1750 y 1800, se prestó mayor atención al descubrimiento de sus componentes. Peat y Cookson descubrieron que "el cobre más oscuro contenía un 7,7 % de níquel y el más claro, al parecer, era indistinguible de la plata, con una resonancia característica similar a una campana cuando se golpeaba 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 delito capital por parte del emperador chino), parte del mineral del que se fabricaba el paktong . [37] El cuproníquel llegó a ser ampliamente comprendido, como publicó E. Thomason, en 1823, en una presentación, posteriormente rechazada por no ser un conocimiento nuevo, a la Royal Society of Arts .
Los intentos de reproducir exactamente el paktong chino fracasaron en Europa debido a la falta de minerales naturales complejos de cobalto, níquel y arsénico. Sin embargo, el distrito de Schneeberg , en Alemania , donde la famosa Blaufarbenwerke fabricaba azul de cobalto y otros pigmentos, era el único que poseía los minerales complejos de cobalto, níquel y arsénico necesarios en Europa.
Al mismo tiempo, la Asociación Prusiana para la Mejora de la Diligencia Empresarial (Verein zur Beförderung des Gewerbefleißes) ofreció un premio por el dominio del proceso. No fue de extrañar que el premio lo ganaran el Dr. EA Geitner y JR von Gersdoff de Schneeberg y lanzaran su marca de " plata alemana " bajo los nombres comerciales Argentan y Neusilber (plata nueva). [37]
En 1829, Percival Norton Johnston convenció al Dr. Geitner para que estableciera una fundición en Bow Common, detrás del canal de Regents' Park en Londres, y obtuvo lingotes de níquel-plata con una composición de 18% de Ni, 55% de Cu y 27% de Zn. [37]
Entre 1829 y 1833, Percival Norton Johnson fue la primera persona que refinó el cuproníquel en las Islas Británicas. Se convirtió en un hombre rico, llegando a producir más de 16,5 toneladas al año. La aleación se utilizaba principalmente para fabricar cuchillería en la firma William Hutton de Birmingham y se vendía bajo el nombre comercial de "Argentine".
Los competidores más serios de Johnson, Charles Askin y Brok Evans, bajo la dirección del 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". [37]
Después de la unificación de Alemania, la acuñación de monedas de cuproníquel fue introducida por la Ley de Acuñación Alemana , y la demanda repentina de níquel por decenas de millones de monedas de 5 [38] y 10 [39] pfennig acuñadas entre 1873 y 1876 causó tal conmoción en el mercado previamente tranquilo que el precio se triplicó, lo que llevó a una expansión significativa de la oferta. [40]
En la década de 1920, se desarrolló una aleación de cobre y níquel de 70-30 para condensadores navales. Poco después, se introdujo una aleación de 2% de manganeso y 2% de hierro, conocida actualmente 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 de 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.