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Cuproníquel

Serie L - Aleaciones cobre - níquel

Tubos GEWA para intercambiadores de calor

Introducción a las aleaciones cobre - níquel

Las aleaciones cobre – níquel, conocidas también como cuproníqueles, contienen entre un 4 y un 50% en peso de níquel. Las aleaciones cobre – níquel con aplicaciones tecnológicas contienen habitualmente entre un 5 y un 30% en peso. Los materiales con contenidos en Níquel superiores al 50% se consideran aleaciones de níquel. A partir de aleaciones binarias de éste sistema se producen sobretodo monedas. Para otros campos de aplicación, por ejemplo tubos para condensadores, se añaden hierro y manganeso, con lo cual se mejora la resistencia a la corrosión y la erosión, y se incrementa la resistencia y la temperatura de recristalización.

Una aleación cobre – níquel compleja, con aproximadamente un 9% en peso de níquel y un 2% en peso de estaño, demuestra mejoras en las propiedades mecánicas y excelente resistencia a la relajación de tensiones. Este material se emplea en la fabricación de muelles y resortes.

A través de adiciones de elementos de aleación concretos en concentraciones pequeñas se llegan a mejorar características como la soldabilidad. La adición de cromo lleva a aleaciones endurecidas en caliente, con propiedades interesantes con aplicaciones en campos tecnológicos muy específicos.

Diagrama de fases

Diagrama de estado para el sistema binário Cu-Ni (Hansen y Anderko, 1958)
Vista grande Diagrama de estado para el sistema binário Cu-Ni (Hansen y Anderko, 1958)
Diagrama de estado para el sistema binário Cu-Ni (Hansen y Anderko, 1958)

Los elementos cobre y níquel son totalmente miscibles tanto en estado sólido como en estado líquido, es decir, aleaciones hechas a partir de ambos componentes estarán compuestas, independientemente de la composición, de una única fase cristalina, en este caso una fase α cúbica centrada a las caras (Imagen izquierda)

Al enfriar las aleaciones de cobre – níquel del estado de masa fundida, el equilibrio de concentraciones a través de difusión entre los primeros cristales formados y el resto de la mezcla líquida es muy lento. Por lo tanto en la estructura se forman cristales con proporciones diferentes de cobre y níquel. Las primeras zonas cristalinas solidificadas, más cristalinas, son más ricas en níquel. La diferencia de concentraciones solo se puede homogeneizar mediante deformación en caliente o bien un recocido largo a alta temperatura.

Límite de fase del cristal α en el diagrama de estado (esquina correspondiente
Vista grande Límite de fase del cristal α en el diagrama de estado (esquina correspondiente al cobre) del sistema ternario Cu-Ni-Sn (Eash y Upthegrove, 1933)
Límite de fase del cristal α en el diagrama de estado (esquina correspondiente

De las aleaciones complejas conocidas destacamos el sistema Cu – Ni – Sn. El diagrama de fases (Imagen derecha) nos muestra una solubilidad limitada del estaño en aleaciones cobre – níquel. Para contenidos en estaño más elevados la solubilidad depende de la temperatura.

Aplicaciones

Aleaciones cobre - níquel de Wieland
Vista grande Aleaciones cobre - níquel de Wieland

La tabla superior nos permite visualizar las aleaciones cobre – níquel en el catálogo de Wieland.

Las aleaciones técnicas cobre – níquel más usuales con y sin hierro o manganeso de describen en la norma DIN 17664. De este grupo de materiales se obtienen las aleaciones Wieland-Werke con un contenido en 10 y 30% en peso de níquel, mayormente tubería lisa o aletada para intercambiadores de calor. La aleación CuNi9Sn2 se usa para hacer banda para resortes.

L10 – Este material para tubería es el más utilizado del grupo de aleaciones cobre – níquel es inmune a la fisuración por la corrosión por tensión y generalmente tiene una buena resistencia a la corrosión a el agua salobre o la de mar. Estas propiedades se aprovechan para los condensadores donde el condensado pudiera contener amoniaco. Sin embargo, impurezas específicas tales como sulfuros pueden poner en peligro el material.

L30 – Este material se diferencia del L10 en su contenido más elevado en níquel que le da una mejor resistencia a corrosión, sobretodo a erosión. Por lo tanto se recomienda su uso en aplicaciones con elevados caudales o corrientes turbulentas. Sin embargo, es sensible a los sedimentos y depósitos, que pueden provocar picaduras, por lo que se debe incrementar la circulación de agua para evitarlo. EL L30 se usa en forma de tubo en intercambiadores de calor en la industria naviera, o para la desalinización de agua salada en plantas de procesado de agua de mar así como tubos para refrigeración mediante aire o aceite.

L49 – La aleación L49, de naturaleza muy dura, no deformable en caliente, con un contenido en cobre del 89% en peso, se perfila como un material para muelles debido a sus buenas propiedades mecánicas, como un elevado límite a flexión, baja relajación, elevada resistencia a flexión y buena resistencia a la formación de "pátina". Las cintas hechas a partir de esta aleación son usadas como precursores para relés, lengüetas de soldadura, conectores para placa base y carcasas para componentes encapsulables en metal.

Propiedades mecánicas

Vista grande Propiedades de resistencia de la aleación Cu-Ni en dependencia del contenido en níquel (estado blando)

La resistencia de las aleaciones cobre – níquel monofásicas se incrementa a medida que aumenta el contenido en níquel. Las adiciones de Hierro, Manganeso y Estaño también contribuyen en ese incremento.

Vista grande Endurecimiento del L49

A través de la deformación plástica se aumentan el límite de cedencia al 0,2%, la resistencia a fractura y la dureza, mientras que la elongación y estricción se ven reducidas. En la imagen derecha se puede observar el endurecimiento para la aleación L49, típica de las aleaciones cobre – níquel. El caso del L10 seria un endurecimiento menor y para el L30 es algo superior.

El reblandecimiento después de una deformación en frío del 60% y un tratamiento de recocido de una hora se ve en las dos imágenes inferiores. La recristalización tiene lugar en el rango de temperaturas entre 500 y 600ºC. Estas temperaturas son relativamente altas para aleaciones de cobre. Todavía se debe considerar, si el hierro puede bloquear este reblandecimiento, debido a que tiende a la formación de precipitados. Para el L49 y su comportamiento de dureza conocido a 400ºC se emplea un tratamiento de envejecimiento para contrarrestarlo. El CuNi10Fe1Mn no exhibe este comportamiento.

Vista grande Comportamiento de reblandecimiento del L10 tras una deformación en frío del 60% y un tratamiento de recocido(1 h)
Vista grande Comportamiento de reblandecimiento del L49 tras una deformación en frío del 60% y un tratamiento de recocido(1 h)

Propiedades físicas

Un efecto muy notable en este grupo de aleaciones es el esclarecimiento del tono del cobre al incrementar la proporción de níquel de la aleación hasta obtener un color blanco por encima del 15% en peso de níquel. El módulo de elasticidad se incrementa de forma lineal entre los valores 127 GPa para el cobre puro hasta los 220 GPa para el níquel puro.

Para intercambiadores de calor de aleaciones cobre – níquel la conductividad térmica es importante. El elevado valor alcanzado por el cobre se ve disminuido de forma progresiva con la adición de níquel hasta un valor mínimo aproximadamente a un valor de concentraciones medio.

La resistencia eléctrica específica del cobre y del níquel se incrementa al alear los dos metales, de forma que aleaciones con un elevado contenido en níquel pueden usarse como materiales resistivos.

Las propiedades físicas no cambian de forma significativa con pequeñas adiciones de otros elementos. Para la producción de intercambiadores de calor, el sector mayoritario donde se destinan los materiales L10 y L30, estos cambios son irrelevantes.

Con adición de más de un 41,5% en peso de níquel las aleaciones cobre – níquel pasan a ser ferromagnéticas. Las aleaciones técnicas Cu – Ni más comunes son paramagnéticas.

Propiedades químicas

Las aleaciones cobre – níquel con adiciones de hierro y manganeso se pueden encontrar en los materiales más resistentes a la corrosión debido a sus buenas propiedades químicas y electroquímicas.

Bajo condiciones oxidantes se pasiva la superficie, lo que aporta una protección adicional contra la corrosión en medio acuoso, sobretodo en corrientes de agua salada fría y caliente. Debido a su elevado potencial electroquímico, las aleaciones cobre – níquel no se ven atacadas normalmente cuando se combinan con otros materiales. Ya se ha mencionado anteriormente su resistencia contra la fisuración por corrosión bajo tensión . Solamente se ven amenazadas a bajas velocidades de flujo del refrigerante, dado que se pueden formar depósitos que pueden ser iniciadores de corrosiones por picadura . La incorporación de hierro favorece una capa protectora delgada y mejora aun más la resistencia a corrosión.

Precios actuales de metal

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