Propiedades y efecto del níquel sobre el acero
La solubilidad del níquel en hierro γ es ilimitada, mientras que en hierro α alcanza hasta un 10% y se encuentra en equilibrio con la austenita . El níquel aumenta la dureza y la resistencia del acero, y tiene un efecto positivo sobre la resistencia al impacto y la ductilidad, especialmente a bajas temperaturas. Al igual que el cromo , aumenta la templabilidad del acero. El níquel es un elemento formador de austenita, y su efecto sobre la estructura del acero es similar al del manganeso.
Los aceros de baja aleación con un contenido de níquel del 3-5% tienen alta resistencia, dureza y son resistentes a la abrasión. Los aceros con un contenido de níquel del 7-20% (también en combinación con cromo ) son resistentes a la corrosión y a altas temperaturas, agua de mar y ácidos. Es un componente muy común utilizado en acero inoxidable (inox) , acero resistente a los ácidos y aceros resistentes al calor y a la fluencia . Las aleaciones de acero con un contenido de níquel del 20-30% presentan una mayor resistencia eléctrica a medida que aumenta la temperatura. Las aleaciones de níquel —60% de níquel, 15% de Fe y 14% de cromo— se utilizan como resistencias eléctricas y componentes resistentes a los ácidos.
Níquel: datos físicos e historia de su descubrimiento.
Níquel – número atómico 28, masa atómica 58.71, punto de fusión 1452 °C, punto de ebullición 2730 °C, densidad 8,908 g/cm³ (Enciclopedia de Tecnología, Wydawnictwo "Śląsk")
La historia del descubrimiento del níquel, (más o menos) es lo siguiente.
En la Edad Media e incluso posteriormente, los alquimistas creían en la llamada teoría de las signaturas. Esta teoría sostenía que la naturaleza misma marca sus creaciones con firmas para que los humanos pudieran reconocer para qué servía cada creación y con qué propósito. Así, por ejemplo, se decía que el trébol se usaba para curar enfermedades cardíacas porque sus hojas tenían forma de corazón, y así sucesivamente.
Esta teoría también se aplicaba a la metalurgia. Se creía ampliamente que todos los cuerpos, sustancias y minerales de color dorado contenían oro; solo faltaba encontrar un método adecuado para extraerlo. Al buscar oro en la orina, se descubrió fósforo, y al buscar cobre en minerales de color cobre, se descubrió un nuevo metal brillante: el níquel.
El níquel en la antigüedad
En la antigüedad, solo se conocían siete metales en estado puro ( cobre , plata, estaño, plomo, hierro , oro y mercurio). El níquel, como elemento de aleación natural, existía mucho antes de nuestra era. En China, se fundía a partir de minerales de cobre y níquel extraídos en las provincias de Yunnan y Sichuan desde tiempos antiguos, y la aleación resultante se llamaba pack-tong. El pack-tong (paktong o pakfong) era de color plateado claro con un brillo impecable. Era más duro y duradero que la plata. Se utilizaba para elaborar diversos objetos, como joyas, adornos y monedas.
En la antigua Bactria (actual norte de Afganistán), en el siglo II a. C., se acuñaron monedas que, según análisis químicos modernos, contenían aproximadamente un 77,6 % de cobre, un 20 % de níquel, un 1 % de hierro y alrededor de un 1 % de otros elementos. Los meteoritos encontrados por los humanos desde la antigüedad también contienen níquel.
"Kupfernickel" (cobre falso)
En las minas sajonas situadas en la cordillera de Erzgebirge , se encontró un extraño mineral de color cobre. Según la teoría de la signatura mencionada anteriormente, debería contener cobre. Desafortunadamente, a pesar de todos los esfuerzos, no se pudo aislar. Este mineral extremadamente raro fue denominado " Kupfernickel" (falso cobre ). Fue estudiado y examinado minuciosamente por el químico y mineralogista sueco Barón Axel Fredrik Cronstedt (1722-1765).
En 1751, lo redujo a su forma de óxido y luego lo redujo con carbón vegetal al cobre esperado. "Desafortunadamente", para su sorpresa, se formó un metal blanco, que consideró un metal aparte, dándole el nombre de níquel. Este descubrimiento fue confirmado cuatro años después, en 1755, por otro renombrado químico y mineralogista sueco, Torbern Olaf Bergman (1735-1784).
Aplicaciones industriales y desarrollo de la producción de níquel
El níquel, con sus numerosas ventajas e increíbles aplicaciones, se ha convertido en un metal insustituible, pero antes de que esto sucediera, los científicos tuvieron que completar tres tareas:
– conocer las propiedades exactas y encontrar aplicaciones para el nuevo metal
– elegir métodos para obtenerlo en la cantidad adecuada y a bajo precio.
– encontrar lugares donde se encuentra este metal
Geitner, Henniger, Mond
Cuando en Alemania se dominó el método industrial de extracción de níquel en 1825, los hermanos Henniger, e independientemente de ellos, Ernst August Geitner (1783-1852) , produjeron una aleación compuesta por elementos puros (20 % de níquel, 20-25 % de zinc, 55-60 % de cobre), conocida como plata alemana, plata nueva, argent, alpacca y albata. La plata nueva se utilizaba, al igual que el pakfong chino, principalmente para la fabricación de diversas joyas.
En 1840, solo se producían unas 100 toneladas de níquel, y su obtención resultaba muy difícil debido al bajo contenido metálico de los yacimientos explotados. En la década de 4, el químico alemán Ludwig Mond (1839-1909) inventó el método original para obtener níquel a partir de la mata de níquel , al descubrir los llamados carbonilos de níquel. Este compuesto, Ni(CO₄), forma níquel con monóxido de carbono , del cual se puede aislar fácilmente níquel puro.
Cronstedt, Bergman, James Cook, Garnier
Al mismo tiempo que los suecos Cronstedt y Bergman obtenían las primeras muestras de níquel puro, el capitán James Cook (1728-1779) descubrió una nueva isla en el Pacífico Sur, llamada Nueva Caledonia, en 1774. En 1853, pasó a estar bajo control francés, y 12 años después, el francés Garnier descubrió un mineral de níquel de alta ley llamado garnierita, que contenía hasta un 30 % de níquel. Cuando Mond desarrolló el método del carbonilo para obtener níquel, la producción de mineral en Nueva Caledonia ya alcanzaba las 300 toneladas.
En 1856, se descubrieron nuevos yacimientos de mineral de níquel, estimados en millones de toneladas, en minas de cobre de Ontario, Canadá. Para 1900, la producción de níquel en Nueva Caledonia comenzó a superar la de Canadá. Además de la producción de ornamentos y joyería mencionada anteriormente, el níquel encontró una aplicación mucho más amplia: la acuñación de monedas.
Monedas de níquel
Por primera vez en la época moderna, en 1850 se acuñaron monedas de níquel plateado en Suiza (con la adición de plata), y en 1855 se utilizó esta aleación en Bélgica para la acuñación de monedas. cobre y níquel (75% y 25%).
Estados Unidos introdujo nuevas monedas en 1857, Alemania en 1873, y en 1881 Suiza introdujo una moneda acuñada en níquel puro.
Sin embargo, la trayectoria más destacada del níquel comenzó con el reconocimiento de sus ventajas en aplicaciones técnicas. El níquel presenta una resistencia a la tracción increíblemente alta y una ductilidad excepcional. En consecuencia, se ha extendido su uso en numerosos ámbitos de la vida y la tecnología, como la química, la arquitectura y, sobre todo, en la metalurgia como componente de aleación del acero.
Níquel en el acero
En 1819, Michael Faraday (1791-1867) intentó sin éxito utilizar níquel en el acero, y los primeros intentos de obtener aceros aleados con níquel en Alemania en 1823 también fracasaron. No fue hasta 1888 que el francés Marbeau, de la fábrica de armamento Schneider en Le Creusot, introdujo un acero al níquel de resistencia, resistencia a la corrosión y ductilidad sin precedentes, que se utilizó para producir placas de blindaje que fueron las únicas capaces de resistir impactos de balas de acero al cromo.
En 1889, independientemente de la producción de Schneider, el inglés Riley, de Vickers, también introdujo el acero al níquel en la producción. En 1891, Estados Unidos adquirió las patentes de Vickers y Schneider y las utilizó para fabricar placas de blindaje para su armada. Incluso antes de la invención de Marbeau , un tal Samuel Ritchie, de una mina de níquel en Ontario, había propuesto a Krupp la producción de acero al níquel . Esta propuesta fue rechazada, y solo después de que Estados Unidos adquiriera las patentes para la producción de acero al níquel, Krupp se interesó en producir este acero.
Aleaciones de níquel y su importancia
Las aleaciones de níquel constituyen un grupo de materiales distintivo y altamente especializado, diseñado para su uso en condiciones donde el acero —incluso el de alta aleación— ya no es suficiente. Combinan un alto contenido de níquel con adiciones de cromo, molibdeno, hierro, titanio, aluminio, niobio y tungsteno, creando materiales resistentes a la corrosión, la deformación plástica, la oxidación y temperaturas extremadamente altas.
Monel (aprox. 65–70 % Ni, 25–30 % Cu)
El Monel es un grupo de aleaciones de níquel-cobre con muy alta resistencia al agua de mar, la corrosión bajo tensión, los álcalis y los ácidos. Se caracteriza por su buena resistencia en un amplio rango de temperaturas y su resistencia al agrietamiento. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen accesorios marinos, bombas, impulsores, hélices, la industria química, equipos de lixiviación y componentes más resistentes que el cuproníquel a temperaturas elevadas.
Las especies más famosas: Monel 400, Monel K-500 (endurecido por precipitación).
Inconel / Incoloy – superaleaciones de níquel y aleaciones de Ni-Cr-Fe
Estos materiales se encuentran entre los más importantes para su uso en temperaturas muy elevadas (600–1100 °C) y entornos altamente corrosivos. Generalmente contienen entre un 50 % y un 75 % de Ni combinado con Cr, Fe, Mo, Nb, Ti y Al.
Más utilizado:
Inconel 600, 601 – resistencia a la oxidación y a altas temperaturas,
Inconel 625 – alta resistencia a la corrosión y a los cloruros,
Inconel 718 – superaleación de alta resistencia endurecida por precipitación (Nb + Ti),
Incoloy 800/825 – materiales resistentes a la deformación por fluencia y a medios químicos agresivos.
Aplicaciones: energía, petroquímica, hornos industriales, turbinas, instalaciones de combustión y regeneración de gases de escape.
Hastelloy – Aleaciones de Ni-Mo y Ni-Cr-Mo
Las Hastelloy se distinguen por su excepcional resistencia a la corrosión general, corrosión por picaduras y ranuradas. Gracias a las grandes adiciones de molibdeno y cromo, son adecuadas para:
Ácidos calientes (sulfúrico, clorhídrico), medios oxidantes y reductores, procesos químicos de alto riesgo.
Los grados más conocidos: Hastelloy C-276 , Hastelloy C-22, Hastelloy B-2.
Nimónico – aleaciones de níquel con adición de titanio y aluminio
Nimonic es un grupo de aleaciones diseñadas principalmente para su uso en turbinas de gas. Contienen aproximadamente entre un 70 y un 80 % de Ni, con adiciones de Ti y Al, que permiten el endurecimiento por precipitación (γ'). Características:
resistencia muy alta a 700–900°C,
resistencia a la fluencia y a la fatiga térmica.
Se utiliza en la aviación y la energía, entre otros sectores.
Aleación: un grupo de materiales de níquel de alta aleación.
Existen numerosas variedades comerciales de aleaciones de níquel bajo el nombre de "Aleación", por ejemplo:
Aleación 20: altamente resistente a ácidos y cloruros (Ni-Cr-Mo-Cu),
Aleación 59 – Aleación de Ni-Cr-Mo con amplia resistencia química,
Aleación 36 (Invar): una aleación de níquel con un coeficiente de expansión térmica muy bajo.
Aleación 75 / 188 / 230: superaleaciones resistentes a altas temperaturas y a la oxidación.
Udimet y Waspaloy – superaleaciones de níquel
Las superaleaciones de níquel, como Udimet y Waspaloy, se encuentran entre los materiales estructurales más avanzados utilizados en cargas térmicas y mecánicas extremas. Su resistencia se basa en un alto contenido de níquel y en el endurecimiento por precipitación de la fase γ' (Ni₃(Al,Ti)), lo que les permite mantener la estabilidad mecánica a temperaturas en las que el acero y las aleaciones de níquel convencionales dejan de funcionar.
Udimet es un grupo de superaleaciones que contienen una alta proporción de níquel (aproximadamente 60-70%) y adiciones de cromo, cobalto, molibdeno y tungsteno. La presencia de titanio y aluminio permite un endurecimiento por precipitación significativo.
Características distintivas: muy alta resistencia a temperaturas de 700–750 °C, resistencia a la fluencia y cargas a largo plazo, buena estabilidad estructural ante cambios cíclicos de temperatura.
Aplicaciones: componentes de turbinas de gas, toberas, álabes y anillos, componentes de aeronaves que operan en la zona caliente de los motores.
Waspaloy es una superaleación a base de níquel con una excepcional resistencia a la fluencia y una alta estabilidad a largo plazo. Contiene aproximadamente entre un 58 % y un 62 % de níquel, un alto contenido de cromo y adiciones de cobalto, molibdeno, titanio y aluminio.
Propiedades clave: excelente resistencia a la fluencia y resistencia mecánica en el rango de 650–800 °C, resistencia a la deformación bajo cargas prolongadas, estabilidad dimensional ante choques térmicos y entornos agresivos.
Aplicaciones: componentes aeroespaciales y energéticos sometidos a altas cargas, discos y anillos de turbinas, componentes de instalaciones que operan en condiciones térmicas y químicas exigentes.
Cada uno de ellos está diseñado para un problema específico: corrosión, fluencia, estabilidad dimensional o alta temperatura.
Importancia industrial aleaciones de níquel
Gracias a las propiedades del níquel y su capacidad para formar estructuras cristalinas estables incluso a temperaturas extremas, las aleaciones de níquel se utilizan en el sector energético (cámaras de combustión, turbinas, sobrecalentadores), las industrias química y de refinación, la industria naval, la criogenia, la aviación y la cohetería, así como en dispositivos expuestos a la corrosión por cloruros , ácidos y agentes oxidantes. Representan la cúspide de la metalurgia de alta temperatura: donde termina el acero, comienzan las aleaciones de níquel.
Planchar Carbón Cromo Níquel Vanadio Manganeso Silicio molibdeno tungsteno Cobre Titanio Aluminio Kobalt niobio fósforo Azufre Oxígeno nitrógeno Magnesio Zinc Bor