ALEACIONES DE NÍQUEL
Glosario
1. INTRODUCCIÓN
A lo largo del trabajo vamos a exponer las propiedades del níquel con carácter general, y también en particular para la industria. Refiriéndonos al estudio con carácter general veremos cuál es la macroestructura y microestructura del níquel solo y formando parte de una aleación, propiedades mecánicas de las aleaciones y las mejoras posibles para las aleaciones.
Con carácter particular para la industria veremos las diferentes aleaciones del níquel y sus aplicaciones, dónde se aplican, su frecuencia y si hay otros materiales que puedan sustituirlos porque son más baratos.
Comenzamos definiendo con rasgos generales sus propiedades. El níquel es un elemento químico de número atómico 28 y su símbolo es Ni, situado en el grupo 10 de la tabla periódica de los elementos 1 2. En la siguiente tabla se aportan más datos sobre el material:
Estado ordinario
Sólido
Densidad
8908 kg/m^3
Punto de fusión y ebullición
1728 K y 2730 K
Color
Blanco plateado
Masa atómica
58,69 UMA
Estructura cristalina
FCC
Dureza Brinell
90
Esfuerzo último en tensión
45 MPa
Módulo de elasticidad
207 GPa
% de elongación a corte
30%
Esfuerzo de fluencia en tensión
59 MPa
El níquel además es un elemento metálico, versátil, altamente resistente a la corrosión y a altas temperaturas, se puede alear con muchos metales. Tiene unas propiedades térmicas, eléctricas, y magnetostrictivas muy buenas y su resistencia es similar a la del hierro.
2. Aleaciones de Níquel
Existe una amplia variedad de aleaciones con níquel que son muy utilizadas en la ingeniería. Podemos dividir estás aleaciones según si son trabajadas en una fase o si son trabajadas en varias fases (polifases) pero en primer lugar vamos a ver las aleaciones más importantes de níquel
Níquel y cobre
La aleación de níquel-cobre forma un sistema de solubilidad total. La estructura FCC de ambos metales asegura una buena tenacidad y ductilidad. La resistencia a la corrosión de los dos elementos combinados es superior a la de los elementos individualmente. Vamos a mostrar ahora una gráfica Cu-Ni dependiendo del porcentaje de Níquel y la temperatura
Vemos como a medida que aumenta el tanto por ciento en níquel aumenta también la temperatura de líquidus y solidus.
Ahora mostramos una gráfica de cómo va cambiando la resistencia de la aleación según cambia el contenido en cobre de la misma
Dentro de este tipo de aleaciones podemos también distinguir 2 tipos de aleaciones a su vez según el porcentaje de cada uno de ellos:
Aleaciones níquel -cobre con hasta un 50% Ni , también conocidas como Cuproníquel
Aleaciones níquel-cobre con más de un 50% Ni , este material se llama Monel
CUPRONIQUEL
El cuproníquel (cobre-níquel) es una aleación de cobre, níquel (Cu + Ni) y elementos sólidos, tales como hierro y manganeso. Este metal pesado no ferroso, no se corroe en agua de mar, con buenas propiedades mecánicas y ductilidad. Existen distintas variantes de esta aleación, siendo las más típicas las 90,10 y las 70/30. A estas aleaciones se les añade pequeñas cantidades de hierro y manganeso, para mejorar la resistencia al flujo de agua de mar y a la erosión debida a la arena transportada en el agua. La aleación 70/30 presenta las mismas características que la 90/10, pero además ofrece una excelente resistencia a la corrosión a altas velocidades de agua de mar y en mayores rangos de temperatura.
Sus principales características son:
Excelente resistencia al ataque por erosión y choque de agua de mar en movimiento
Excelente resistencia a la fractura por corrosión bajo tensión y corrosión por fatiga.
Buena resistencia a picaduras en agua de mar inmóvil.
Muy buenas propiedades para trabajo en frío.
Buena soldabilidad.
Virtualmente inmune a bio-incrustaciones marinas.
Composición química
MONEL
Monel es el nombre que se le da o se le asigna a las aleaciones comerciales con razones níquel-cobre de aproximadamente 2:1 de peso. El monel es más duro que el cobre y extremadamente resistente a la corrosión y posee una elevada resistencia al impacto. Las aleaciones del Monel resisten a la corrosión en un mayor rango de ambientes. Posee mayor resistencia que el níquel al ácido sulfúrico, salmuera y agua. Es utilizado en campos como farmacéutico, marino, energético, eléctrico, de lavandería, equipo de fabricación de papel.
Características del monel
La aleación en general se compone de dos terceras partes de níquel y una de cobre.
Buena resistencia a la corrosión en presencia de ácidos, álcalis, aguas salobres y productos alimenticios.
Se utiliza extendidamente en la industria química farmacéutica, marina y textil.
Presenta dos problemas básicos de las aleaciones monofásicas:
Deficiente maquinabilidad
Necesidad de deformar en frío para mejorar la resistencia mecánica
Soluciones
Para mejorar la maquinabilidad se agrega azufre.
Para mejorar la resistencia mecánica se agrega un metal que produzca envejecimiento por precipitación.
En este caso agrego aluminio en pequeño porcentajes.
Se obtiene una resistencia mayor cuando se deforma en frío previamente a la realización del tratamiento de precipitación.
Tipos de monel según los componentes adicionales que tengan
Monel R Con contenido de azufre que ayuda a mejorar la maquinabilidad.
Monel K Con 3% de Aluminio que hace una aleación templada por envejecimiento. Se utiliza en flechas para bombas marinas, resortes, instrumentos para avión, cojinetes de bolas y herramientas de seguridad.
Monel H y S Con 3 y 4 % de silicio respectivamente, se utiliza en asientos para válvula, camisas para bombas e impulsores.
Níquel y hierro
Una gran cantidad de Níquel es usado en aleación, aceros inoxidables y moldes de hierros. El Níquel es agregado a las aleaciones de aceros férricos para incrementar la dureza, para modificar las características de la ferrita y mejorar así la fuerza, la dureza, y la ductilidad del acero. En aceros inoxidables austeníticos, el contenido de Níquel esta entre el 7-35% en peso. El rol primario es estabilizar la estructura dúctil de la Austenita y proporcionar en conjunto con el Cromo, buena resistencia a la corrosión. El níquel es agregado a los arrabios para mejorar su fuerza y dureza.
Muchas aleaciones de Níquel-Hierro tienen características de uso magnético, y se usan en un rango muy amplio de aparatos electrónicos y en el campo de las telecomunicaciones. Algunas aleaciones de Níquel-Hierro tienen propiedades magnéticamente flexibles y tiene atractivas propiedades de alta permeabilidad inicial, alta magnetización máxima, baja magnetización residual y baja fuerza coactiva. Estas características son sensibles a la aleación y a la precipitación. La importancia de las aleaciones magnéticas dúctiles están basadas en la composición en peso de 78% de Níquel - 22% de Hierro, 65% de Níquel – 35% de Hierro, y 50% de Níquel – 50% de Hierro, los cuales incluyen un pequeño porcentaje en peso de Molibdeno, Cobre o Cromo.
La mayoría de los magnetos permanentes son hechos de aleaciones magnéticas duras de Níquel e Hierro que son caracterizadas por elevados valores de la magnetización residual y de la fuerza coactiva.
Algunas aleaciones de Níquel-Hierro tienen coeficientes de baja expansión térmica dentro de cierto rango de temperatura. Este comportamiento resulta del balance entre la expansión térmica normal y la contracción causada por la magnetostricción (La magnetostricción es una característica de los materiales ferromagnéticos que los hace cambiar su forma cuando están sujetos a un campo magnético). Estas aleaciones, ejemplo, aleaciones de Níquel-Hierro que contienen 36% en peso, 42% en peso o 50% en peso de Níquel, y una aleación de 29% de Níquel-17 % de Cobalto-54% de Hierro, son usadas para empalmar vidrio a metal, equipos meteorológicos, termostatos y termómetros, diseño de estructuras criogénicas y muchas otras aplicaciones eléctricas y de ingeniería.
Otras propiedades irregulares de algunas aleaciones de Níquel-Hierro, las cuales son llamadas aleaciones de modulo constantes, es un coeficiente termoelastico positivo que ocurre en aleaciones que contienen entre 27-43% en peso de Níquel. El modulo elástico en estas aleaciones aumenta con la temperatura. Usualmente, y con el agregado de Cromo, Molibdeno, Titanio o Aluminio, las aleaciones de modulo constante son usadas en balanzas de precisión, aparatos de medición y mecanismos oscilantes
La aleación de níquel y hierro se puede clasificar a su vez:
Aceros forjados (de 0.5 a 9% Ni).
Aceros de aleación colados (de 0.5 a 9% Ni).
Hierros colados de aleación (de 1 a 6 y de 14 a 36% Ni).
Aleaciones magnéticas (de 20 a 90% Ni).
Aleaciones no magnéticas (10 a 20% Ni).
Aceros revestidos de acero inoxidable (de 5 a 49% Ni).
Superaleaciones a base de hierro (de 0.2 a 9% Ni).
Aleaciones de dilatación térmica controlada.
De bajo coeficiente (de 36 a 50% Ni). Estas aleaciones tienen bajo coeficiente de:
Dilatación térmica, que pertenece virtualmente a una temperatura menor que la de Curie.
De dilatación seleccionada (de 22 a 50% Ni). Estas aleaciones son denominadas como Nilo 42, Ni-Span- C 902, y una serie de Incoloy.
Hierro Níquel y Cromo
Las aleaciones de hierro níquel y cromo son muy importantes en la industria ya que la gran mayoría de hornos de tratamiento térmico usan aleaciones de este tipo , debido a que las aleaciones de hierro-cromo no poseen demasiada resistencia a las altas temperaturas al ser usadas. Algunas aleaciones de hierro-cromo son susceptibles a la fragilización. No se usan las aleaciones con base de cobalto porque son muy caras.
Si incrementamos el carbono en su contenido, puede mejorar la resistencia.
Dependiendo de la cantidad de níquel que haya en la aleación podemos distinguir entre:
Aleaciones resistentes al calor (de 40 a 85% Ni).
Aleaciones de resistencia eléctrica controlada (de 35 a 60% Ni).
Superaleaciones a base de hierro (de 0.2 a 9% Ni).
Superaleaciones a base de hierro (de 9 a 26% Ni).
Aceros inoxidables (de 2 a 25% Ni).
Aceros martensíticos de alto níquel (18% Ni)
Níquel y Cromo
El Níquel y el Cromo forman una solución sólida que contiene poco Cromo, por debajo del 30% en peso. El Cromo es agregado al Níquel para realzar su fuerza, resistencia a la corrosión, oxidación, resistencia a la corrosión caliente y resistividad eléctrica. La combinación de estas propiedades resulta en las aleaciones tipo Nicrom usadas como elementos de calefacción eléctricos. A si mismo estas aleaciones también proporcionan la base de otras aleaciones y bastidores que pueden soportar la corrosión caliente en azufre y en ambientes oxidativos, incluyendo aquellos que contienen pentoxido de vanadio que son subproductos de la combustión del petróleo en plantas de combustible fósil, motores de los aviones. Las aleaciones de Níquel-Cromo contienen un agregado de aproximadamente 4% en peso de Aluminio y un poco menos del 1% en peso de Itrio. Sin este agregado las aleaciones de tipo Nicrom no proporcionarían una resistencia a la corrosión caliente o a la oxidación caliente a través de la formación de una superficie de óxido. El aluminio proporciona la formación superficial de Al2O3 y el itrio u otras adiciones mejora la adherencia de la protección del óxido a los substratos del níquel-cromo-aluminio.
Propiedades de las aleaciones níquel-cobre
Composición básica de estas aleaciones 80% ni , 20% Cr.
Mantiene sus propiedades mecánicas hasta los 500ºC.
Presenta buena resistencia a la corrosión hasta temperaturas del orden de los 1000ºC.
Características mecánicas
Se forman precipitados de segunda fase durante tratamiento de solubilización.
La primera de las aleaciones derivadas del Nicrom, se denomina Nimonic 75.
Los principales elementos de aleación de estas aleaciones son: Ti y Al.
Durante el tratamiento de solubilización, la única fase estable es la fase y, a partir de los 750ºC (temperatura de solubilización), Comienza la aparición de precipitado y' (Ni3TiAl).
Las aleaciones de la familia Ni-Cr, presentan buena resistencia a alta temperatura (Creep).
Este tipo de aleación es buena porque:
Reducen la velocidad de difusión controlando el mecanismo de trepado de dislocaciones (climb).
Endurecimiento por solución.
Aumento de la energía de falla de apilamiento.
Como dijimos al principio del apartado vamos a dividir las aleaciones según estén trabajadas en una o varias fases, vamos a exponer algunos casos y las características de los mismos
Aleaciones trabajadas en una fase:
ALEACIÓN
Monel 400
Inconel 600
Composición
66%Ni, 32%Cu
78% Ni, 15%
Cr, 7%Fe
Condición
Recocido
Trabajo en frío
Recocido
Trabajo en frío
Resistencia a la tracción (Ib/pulg^2*10^-3)
72
120
100
150
Resistencia a la fluencia (Ib/pulg^2*10^-3)
35
110
50
125
Elongación porcentual
42
8
35
15
dureza
110 BHN
241BHN
170 BHN
290 BHN
Uso típico
Piezas resistentes a la corrosión
Piezas resistentes a la corrosión
Aleaciones trabajadas polifásicas:
ALEACIÓN
Duraniquel 301
MONELK 500
Composición
66%Ni, 32%Cu
78% Ni, 15%
Cr, 7%Fe
Condición
Recocido
Trabajo en frío
Recocido
Trabajo en frío
Resistencia a la tracción (Ib/pulg^2*10^-3)
105
200
97
185
Resistencia a la fluencia (Ib/pulg^2*10^-3)
42
180
52
158
Elongación porcentual
40 BNH
8BNH
35BNH
158
dureza
90RB
40Rc
85Rb
34 Rc
Uso típico
Piezas resistentes a la corrosión
y de alta resistencia
Piezas resistentes a la corrosión
Y de alta resistencia