El cuproníquel o cobre-níquel (CuNi) es una aleación de cobre con níquel , generalmente junto con pequeñas cantidades de otros elementos agregados para mayor resistencia, como hierro y manganeso . El contenido de cobre suele variar entre el 60 y el 90 por ciento. ( Monel es una aleación de níquel y cobre que contiene un mínimo de 52 por ciento de níquel).
A pesar de su alto contenido en cobre, el cuproníquel tiene un color plateado. El cuproníquel es muy resistente a la corrosión por agua salada y, por 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 hélice y cascos de embarcaciones de alta calidad . Otros usos incluyen equipos militares e industrias químicas, petroquímicas y eléctricas. [1]
Otro uso común del cuproníquel en el siglo XX fueron las monedas de color plateado . 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 por ejemplo las monedas de la libra esterlina a partir de 1947 se les reemplazaba el contenido.
Además de cuproníquel y cobre-níquel , se han utilizado varios 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 (los términos francés y cantonés ambos que significa "cobre blanco"); El cuproníquel también se conoce ocasionalmente como plata de hotel , plata alemana , plata alemana y plata china . [2]
Las aleaciones de cuproníquel se utilizan para aplicaciones marinas [3] 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 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 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 billetes de billón a base de 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% cobre, 25% níquel, sin plata ni zinc adicionales), [14] [15] y Alemania emitió 5 y 10 pfennig en la misma proporción de 75:25 desde 1873/1874 (hasta 1915/1916). [16] En 1879, Suiza, para las monedas de 5 y 10 Rappen, también adoptó la relación cobre-níquel más barata de 75:25 [17] [18] que entonces se utilizaba en Bélgica, Estados Unidos y Alemania. De 1947 a 2012, todas las monedas de "plata" en el Reino Unido se fabricaron con cuproníquel (pero a partir de 2012, las dos denominaciones de cuproníquel más pequeñas del Reino Unido fueron reemplazadas por monedas de acero niquelado de menor costo). Además, cuando los precios de la plata subieron en las décadas de 1960 y 1970, algunos otros países europeos reemplazaron las denominaciones de plata restantes por cuproníquel, por ejemplo, las monedas de 1/2 a (en la foto) de 5 francos suizos a partir de 1968 [19] y las de 5 marcos alemanes de 1975 a 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 durante la Guerra Civil, la Casa de la Moneda de los Estados Unidos utilizó por primera vez cuproníquel para la circulación de monedas en monedas 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 únicamente en plata en los Estados Unidos. El cuproníquel es el revestimiento de ambos lados de los medios dólares estadounidenses (50 ¢) desde 1971, y de todas las monedas de veinticinco centavos (25 ¢) y de diez centavos (10 ¢) fabricadas después de 1964. Actualmente, algunas monedas en circulación, como la moneda de níquel de Jefferson de los Estados Unidos (5¢), [20] el franco suizo y los 500 y 100 wones surcoreanos están hechos de cuproníquel macizo (proporción 75:25). [21]
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. [22]
El cuproníquel se utiliza en aplicaciones criogénicas . Conserva 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 específicos. 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. [23] [24] [25] También existen aplicaciones específicas; 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 . [26]
A partir de principios del siglo XX, las chaquetas de bala se fabricaban habitualmente 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 utiliza comúnmente 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 necesaria ]
Para cerraduras de cilindro y sistemas de cierre de alta calidad , los núcleos de los cilindros se fabrican de cuproníquel resistente al desgaste.
El cuproníquel se ha utilizado como alternativa a las tradicionales líneas de frenos hidráulicos de acero (los tubos que contienen el líquido de frenos ), 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.
El cuproníquel carece de color cobrizo 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 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 propiedades antimicrobianas beneficiosas de la superficie táctil . [27]
Sutiles diferencias en resistencia a la corrosión y resistencia determinan qué aleación se selecciona. Al descender en la tabla, el caudal máximo permitido en las tuberías aumenta, al igual que la resistencia a la tracción.
En agua de mar, las aleaciones tienen excelentes velocidades de corrosión que permanecen bajas siempre que no se exceda la velocidad de flujo máxima de diseño. Esta velocidad depende de la geometría y del 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 pueden resultar problemáticas para otros sistemas de aleaciones. 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 al adherirse por macroincrustaciones (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 cualquier forma de protección catódica o aislada de ella .
Sin embargo, las aleaciones 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 las películas superficiales están madurando. 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 fácilmente entre sí y tienen estructuras simples, las aleaciones son dúctiles y se fabrican fácilmente. La resistencia y dureza de cada aleación individual aumentan mediante 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 . 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 con 65 % de níquel y cobre para evitar los efectos de la dilución del hierro. La aleación C71640 tiende a usarse como tubo sin costura y expandida en lugar de soldada en la placa del tubo. La soldadura fuerte requiere aleaciones apropiadas a base de plata. Sin embargo, se debe tener mucho cuidado para garantizar que no haya tensiones en el Cu-Ni que se suelda con plata, ya que cualquier tensión puede provocar una penetración intergranular del material de soldadura y un agrietamiento por tensión severo (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 van 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 embarcaciones, así como para cascos sólidos.
Debido a su ductilidad , las aleaciones de cuproníquel se pueden fabricar fácilmente en una amplia variedad de formas de productos [30] y accesorios. Los tubos de cuproníquel se pueden expandir fácilmente para formar 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 para soldadura, soldadura por puntos, consumibles de soldadura, procesos de soldadura, pintura, propiedades mecánicas de las soldaduras y doblado de tubos y tuberías. [31]
Existen normas ASTM , EN e ISO para pedir formas forjadas y fundidas de cuproníquel. [32]
Los termopares y resistencias cuya resistencia es estable frente a los cambios de temperatura contienen una aleación de constante , que consta de 55% de cobre y 45% de níquel.
Las aleaciones de cuproníquel eran conocidas por los chinos como "cobre blanco" aproximadamente desde el siglo III a.C. Algunas armas fabricadas durante el período de los Reinos Combatientes se fabricaron con aleaciones de Cu-Ni. [33] La teoría del origen chino del cuproníquel bactriano fue sugerida en 1868 por Flight, quien descubrió que las monedas consideradas las más antiguas de cuproníquel descubiertas hasta ahora eran de una aleación muy similar al paktong chino . [34]
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 elaboraba añadiendo pequeñas pastillas de mineral de Yunnan natural a un baño de cobre fundido. Cuando se formó una costra de escoria , se añadió salitre , se agitó la aleación e inmediatamente se fundió el lingote . Se menciona el zinc como ingrediente, pero no hay detalles sobre cuándo se añadió. El mineral utilizado se indica como disponible únicamente en Yunnan , según la historia:
"San Mao Chun estuvo en Tanyang durante un año de hambruna cuando muchas personas murieron, por lo que tomando ciertos químicos, Ying los proyectó sobre plata, convirtiéndola en oro, y también transmutó el hierro en plata, permitiendo así salvar las vidas de muchos [ mediante la compra de grano a través de esta plata y oro falsos] A partir de entonces, todos aquellos que preparaban polvos químicos calentando y transmutando cobre por proyección llamaron a sus métodos "técnicas Tanyang" [34] .
La literatura tardía de Ming y Qing tiene muy poca información sobre el paktong . Sin embargo, se menciona por primera vez específicamente por su nombre en el Thien Kung Khai Wu de alrededor de 1637:
"Cuando lu kan shih (carbonato de zinc, calamina ) o wo chhein (metal de zinc) se mezcla y combina con chih thung (cobre), se obtiene 'bronce amarillo' (latón ordinario). Cuando se calienta phi shang y otras sustancias con arsénico con Al hacerlo, se obtiene 'bronce blanco' o cobre blanco: pai thong . Cuando se mezclan alumbre , salitre y otros productos químicos, se obtiene ching thung : bronce verde". [34]
Ko Hung declaró en el año 300 d.C.: "El cobre de Tanyang se creó arrojando un elixir de mercurio al cobre de Tanyang y se formará oro calentado". Sin embargo, Pha Phu Tsu y Shen I Ching describen 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. [34]
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 el 120 a. C. en Yunnan. Además, el estado de Tien en Yunnan fue fundado en el 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 del mineral natural de Yunnan era probablemente un valioso producto de comercio interno. [34]
En 1868, W. Flight descubrió una moneda grecobactriana compuesta por un 20% de níquel y 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, la composición de las monedas se verificó mediante el método tradicional húmedo y espectrometría de fluorescencia de rayos X. [34] Cunningham en 1873 propuso la "teoría del níquel bactriano", que sugería que las monedas deben haber sido el resultado del comercio terrestre desde China a través de la India hasta Grecia. La teoría de Cunningham fue apoyada por estudiosos como WW Tarn, Sir John Marshall y J. Newton Friend, pero fue criticada por ER Caley y S. van R. Cammann. [34]
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, sólo los de China podían proporcionar el mismo. composiciones químicas. [34] Cammann criticó el artículo de Cheng y Schwitter, argumentando que la caída de la moneda cuproníquel no debería haber coincidido con la apertura de la Ruta de la Seda. Si la teoría bactriana del níquel fuera cierta, según Cammann, la Ruta de la Seda habría aumentado el suministro de cuproníquel. Sin embargo, el fin de la moneda de cuproníquel grecobactriano podría atribuirse a otros factores como el fin de la Casa de Eutidemo. [34]
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 con superficie blanqueada por 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, tintinaso . [34]
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. Señaló que los chinos de su época no lo formaban como una aleación sino más bien Mineral fundido, fácilmente disponible y sin procesar:
"...de una amplia serie de experimentos realizados en Pekín se desprende que se produce naturalmente como un mineral extraído en la región, el cobre más extraordinario es el pe-tong o cobre blanco: es blanco cuando se extrae de la mina e incluso Más blanco por dentro que por fuera. Según un gran número de experimentos realizados en Pekín, parece que su color no se debe a ninguna mezcla; por el contrario, todas las mezclas disminuyen su belleza, porque, cuando se maneja correctamente, parece exactamente plata. y si no fuera necesario mezclar un poco de tutenag o un metal similar para ablandarlo, sería mucho más extraordinario ya que este tipo de cobre sólo se encuentra en 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 seguro que el cobre blanco chino, tal como nos lo trajeron, es un metal mixto; de modo que el mineral del que se extrajo debe estar compuesto por diversas sustancias metálicas; y de tal mineral que se hizo el oricalco natural, si alguna vez existió." [34]
Durante el pico de importación europea de cobre blanco chino entre 1750 y 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 decía que el más claro era indistinguible de la plata con una resonancia característica en forma de campana cuando se golpeaba y una considerable resistencia 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 de regreso 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 con el que se elaboraba el paktong . [35] El cuproníquel llegó a ser ampliamente comprendido, según lo publicado por E. Thomason, en 1823, en una presentación, posteriormente 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 del mineral natural complejo de cobalto, níquel y arsénico necesario. Sin embargo, el distrito alemán de Schneeberg , donde la famosa Blaufarbenwerke fabricaba azul cobalto y otros pigmentos, era el único que contenía los minerales complejos de cobalto, níquel y arsénico necesarios en Europa.
Al mismo tiempo, la Verein zur Beförderung des Gewerbefleißes (Sociedad para la mejora de la diligencia empresarial) de Prusia 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 " Plata alemana " bajo los nombres comerciales Argentan y Neusilber (plata nueva). [35]
En 1829, Percival Norton Johnston convenció al Dr. Geitner para que estableciera una fundición en Bow Common, detrás del canal Regents' Park en Londres, y obtuvo lingotes de alpaca con una composición de 18% Ni, 55% Cu y 27% Zn. [35]
Entre 1829 y 1833, Percival Norton Johnson fue la primera persona en refinar cuproníquel en las Islas Británicas. Se convirtió en un hombre rico y producía más de 16,5 toneladas al año. La aleación fue fabricada principalmente para cubiertos por la empresa de Birmingham William Hutton y vendida bajo el nombre comercial "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 alpaca, llamada "British Plate". [35]
En la década de 1920, se desarrolló una calidad de cobre y 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.