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— Tutorial Nº 109 —

Propiedades del Níquel y sus Aleaciones

Índice de contenidos:

1- Introducción

1.1- Generalidades

1.2- Principales usos del Níquel

1.3- Características atómicas del Níquel

1.4- Propiedades Físicas y Químicas del Níquel

1.5- Propiedades Mecánicas del Níquel

2- Aleaciones de Níquel

2.1- Clasificación de las aleaciones de Níquel

2.2- Superaleaciones Base Níquel

2.2.1- Generalidades

2.2.2- Monel® (Ni, Cu)

2.2.3- Inconel® (Ni, Cr, Fe)

2.2.4- Incoloy® (Ni, Fe, Cr)

2.2.5- Hastelloy® (Ni, Mo, Fe, Cr)

3- Tablas de composición y propiedades de aleaciones de Níquel más importantes


DESARROLLO DEL CONTENIDO


1- Introducción

1.1- Generalidades

El níquel (Ni) es un metal brillante plateado-blanco y con un ligero matiz dorado, que se encuentra con una abundancia en la corteza terrestre del 0,008%. Es un material dúctil y maleable por lo que se puede laminar, pulir y forjar fácilmente. El níquel presenta una aceptable resistencia al calor fundiendo a la temperatura de 1455 ºC, y posee propiedades magnéticas a temperatura ambiental, aunque menores a las del hierro. Su peso especifico es de 8,9 gr/cm3.

Níquel

El níquel, además de ser un material versátil, es un buen conductor de la electricidad y del calor, resistente a la corrosión y a las altas temperaturas. Debido a sus excelentes propiedades anticorrosivas y de resistencia al calor, el níquel es un material ampliamente empleado en la industria, sobretodo en la industria química y de alimentos. Además, el níquel tiene muchos usos domésticos, como son la fabricación de recipientes de cocina, utensilios de casa y herramientas en general. Es por tanto, un metal de gran demanda y esencial para la industria y la vida cotidiana.

El níquel tiene la propiedad de poder alearse con muchos metales. Sobre todo es de gran importancia en las aleaciones con hierro, con objeto de obtener un acero con mayor tenacidad y resistencia a la corrosión. Así, por ejemplo, el níquel es un elemento de aleación importante que se añade al hierro para la obtención de los aceros inoxidables austeníticos. También, y debido a su gran resistencia a las altas temperaturas, el níquel se usa como material de aleación en las denominadas superaleaciones, con objeto de conseguir nuevos materiales metálicos que mantienen sus propiedades químicas y mecánicas a temperaturas de hasta 1100 ºC.

Pero además, el níquel es un mineral que se encuentra presente en pequeñas cantidades en nuestro organismo y que es vital para el desarrollo de la vida, aunque sea en pequeñas cantidades.

Los alimentos en su estado natural contienen pequeñas cantidades de níquel. En pequeñas dosis, el níquel es un aliado de la salud ya que sirve para combatir enfermedades, como la cirrosis hepática, la diabetes, la falta de calcio, la hipertensión arterial, los trastornos del sistema nervioso, entre otros. Recientes investigaciones estiman las necesidades de níquel de nuestro organismo alrededor de 35 µg/día.

Para la obtención del níquel metálico se parte de ciertos minerales que se extraen directamente de la naturaleza, como la niquelina (o incolita, también llamado pirita roja) que es un mineral compuesto de arseniuro de níquel (NiAs) y que contiene un 43,9% de níquel y el 56,1% de arsénico; también se obtiene de la pentlandita (Fe3S4.CuFeS2.NiS); de la pirrotita (SNi); aunque el principal mineral empleado para la obtención de níquel es la garnierita (SiO4H2(Ni,Mg)), también llamado mineral verde de níquel.

 

1.2- Principales usos del Níquel

Como se ha dicho, actualmente el níquel es un material fundamental para la industria y de gran demanda, que hace que sus costes de adquisición sean de los más caros de entre los metales.

En términos generales, el 65% del níquel obtenido en el mundo se emplea en fabricar acero inoxidable austenítico, un 12% en la fabricación de superaleaciones de níquel y el 23% restante en baterías recargables, catálisis, acuñación de moneda, recubrimientos metálicos y como elemento para la fabricación de fundiciones.

De manera particular, se pueden citar algunos de los muchos usos de este metal:

Sus propiedades magnéticas hacen que el níquel sea un material muy importante para fabricar los discos duros de ordenador, imanes, las baterías recargables e incluso para fabricar las cuerdas de las guitarras eléctricas.

Como se ha dicho, el níquel se emplea como elemento de aleación del hierro para fabricar el acero inoxidable. El acero inoxidable, como se sabe, tiene numerosas aplicaciones: se emplea en utensilios de cocina, cubiertos, herramientas, instrumentos quirúrgicos, o en la industria, para la fabricación de tanques de almacenamiento, conducciones y tuberías, componentes de automóviles, joyas y relojes, etc.

Además de para fabricar aceros inoxidables, el níquel se emplea para otras aleaciones duras y tenaces que soportan el desgaste y las altas temperaturas, y que son empleadas para la construcción de los motores de los aviones, válvulas, cableado (niquelado), acuñación de monedas, muchos procesos químico y de alimentos, vasijas, acumuladores.

Debido a su relativamente alta conductividad térmica y su buena resistencia a la corrosión, es usado en la fabricación de intercambiadores de calor.

En las plantas desalinizadoras de agua se usan tuberías fabricadas de aleaciones de níquel y cobre.

El níquel es empleado en los procesos para el cromado del hierro: primero se recubre el metal con cobre, después con níquel y finalmente con cobre de nuevo.

El MONEL, que son aleaciones de níquel-cobre en proporción aproximadamente 2:1 de razón en peso, es extremadamente resistente a la corrosión y posee una elevada resistencia al impacto, utilizándose en motores marinos e industria química.

El níquel se utiliza para fabricar pilas alcalinas como parte de los electrodos, mientras que los hidróxidos de níquel se emplean en las baterías de níquel-cadmio.

Debido a su resistencia a la corrosión, es usado para mantener la pureza en el procesamiento de comidas y fibra sintética. Es muy resistente a varias reducciones químicas y a los álcalis cáusticos.

El níquel es un componente de aleación empleado como termo-elementos y en la fabricación de material eléctrico.

Otras aplicaciones del níquel es en la industria química que se utiliza normalmente como un catalizador para reacciones de hidrogenación. También el níquel se utiliza en un proceso conocido como ensayo de fuego. Este proceso ayuda a identificar los tipos de compuestos en un mineral, metal o aleación. El níquel es capaz de recoger todos los elementos del grupo del platino en este proceso. También recoge parcialmente oro. Como curiosidad, el níquel añadido al vidrio le confiere a éste un color verde.

 

1.3- Características atómicas del Níquel

El Níquel, cuyo símbolo químico es Ni, forma parte de los llamados metales de transición, también llamados elementos de transición, encuadrado en el Grupo 10 y Período 4 de la tabla periódica de los elementos, situados en la parte central de la tabla periódica, concretamente en el bloque d. Se conocen 5 isótopos estables del níquel:  58Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni y 64Ni.

El níquel en la tabla periódica

Entre las características del níquel, así como del resto de metales de transición, se encuentra la de incluir en su configuración electrónica el orbital d, parcialmente lleno de electrones. En concreto, la configuración electrónica del níquel es [Ar]4s23d8. El número atómico del níquel es 28 y tiene una masa atómica de 58,6934 u.

El estado del níquel en su forma natural es sólido (ferromagnético). Al igual que el resto de los metales de transición, el níquel presenta una aceptable dureza (90 HB), tiene puntos de ebullición y fusión elevados y es un buen conductor de la electricidad y del calor. El punto de fusión del níquel es de 1728 Kelvin (1455º Celsius o grados centígrados). El punto de ebullición del níquel es de 3003 Kelvin (2730º Celsius o grados centígrados).

Otras propiedades atómicas del níquel son las siguientes:

Número atómico:  28

Masa atómica:  58,6934 u

Número de protones/electrones:  28

Número de neutrones (Isótopo 59-Ni):  31

Estructura electrónica:  [Ar]4s23d8

Número de electrones por nivel de energía:  2, 8, 16, 2

Radio medio:  135 pm (picómetros; 1 pm = 1·10-12 m.)

Radio atómico o radio de Bohr:  149 pm

Radio covalente:  121 pm

Radio de Van der Waals:  163 pm

Valencia:  2, 3

Estado de oxidación:  +3, +2, 0

Electronegatividad:  1,91

1ª Energía de ionización:  737,1 kJ/mol

2ª Energía de ionización:  1753 kJ/mol

3ª Energía de ionización:  3395 kJ/mol

4ª Energía de ionización:  5300 kJ/mol

 

1.4- Propiedades Físicas y Químicas del Níquel

El sistema de cristalización del Níquel es cúbico centrado en las caras (fcc) y durante todo el rango de temperaturas en estado sólido carece de variedades alotrópicas. Su coeficiente de dilatación térmica es bajo (13·10-6 ºC-1), que ayuda a utilizar níquel para la fabricación de materiales que deban poseer unos índices de dilatación térmica bastante bajos.

El Níquel tiene como estados de oxidación +3, +2, y 0 (levemente básico). Como se ha dicho, tiene unas propiedades de resistencia a la corrosión en ambientes acuosos y marinos muy elevadas, por lo que su uso es muy frecuente en la fabricación de recubrimientos de materiales para medios hostiles, como cascos de barcos. No obstante, cuando se trabaja en atmósferas sulfúricas el níquel se degrada formando un eutéctico SNi-Ni.

Debido a su elevado punto de fusión, el níquel se comporta bien a altas temperaturas, siendo estable sin que aparezca el fenómeno de fluencia. También a altas temperaturas su comportamiento ante la oxidación es muy bueno, y por eso es un material clave en los recubrimientos de otros metales para su protección.

El níquel es un material conductor del calor (90,7 W·m-1·K-1) y también de la electricidad (14,3·106 S/m), aunque lejos de los materiales más conductores, donde cobre y plata tienen cerca de 4,5 veces más poder de conducción eléctrica que el níquel.

Otra de las propiedades del níquel es su carácter magnético. Esta capacidad que tiene el níquel para crear campos magnéticos es debido a la existencia de electrones desapareados, característico en los metales de transición, que provocan un ordenamiento tridimensional. A estos materiales se les llama ferromagnéticos (se pegan a los imanes) y tienen permeabilidades muy superiores a la del vacío (permeabilidad del vacío, conocida también como constante magnética, µ0 = 4π·10-7 N·A-2). La permeabilidad magnética del níquel es de varios órdenes de magnitud superior a la permeabilidad del vacío, y por lo tanto atrae el campo magnético hacia el interior del material, evitando que el flujo magnético se disperse por el aire, lo cual resulta de mucha utilidad en la fabricación de circuitos magnéticos.

Existen aleaciones de níquel con grandes propiedades magnéticas como el Alnico, que se usa para la fabricación de imanes permanentes. Como curiosidad, el núcleo de la Tierra está formado principalmente por hierro y níquel, dos materiales que tienen grandes propiedades magnéticas, haciendo que la Tierra se comporte como un gigantesco imán.

A continuación se incluyen, a modo de resumen, los valores de las principales propiedades físicas y químicas del Níquel:

Densidad:  8908 kg/m3 (a 20 ºC)

Estructura cristalina:  cúbica centrada en las caras (fcc)

Estado en condiciones normales:  sólido (ferromagnético)

Punto de fusión:  1728 Kelvin (1455 ºC)

Punto de ebullición:  3003 Kelvin (2730 ºC)

Calor de fusión:  17,47 kJ/mol

Calor de vaporización:  371,8 kJ/mol

Presión de vapor:  237 Pa, para una temperatura de 1726 K

Electronegatividad:  1,91

Calor específico:  440 J/(K·kg)

Conductividad eléctrica:  14,3·106 S/m

Conductividad térmica:  90,7 W/(K·m)

Coeficiente de Dilatación Térmica:  13·10-6 ºC-1

Esfuerzo Último en Tensión:  470 MPa

Módulo Elástico:  207 GPa

Módulo de Cizalladura o de Elasticidad Transversal:  76 GPa

% de Elongación en el corte:  30%

Dureza Mohs:  5,0

Dureza Brinell:  90 HB

Velocidad de propagación del sonido:  4970 m/s (a 20 ºC)

Número de Registro CAS:  7440-02-0

Asimismo, adjunto se incluye la Ficha Internacional de Seguridad Química del Níquel, información elaborada por el Comité Internacional de Expertos del IPCS (International Programme on Chemical Safety):

››  Ficha Internacional de Seguridad Química del Níquel

 

1.5- Propiedades Mecánicas del Níquel

El Níquel, en general, tiene buenas propiedades mecánicas. Además, su gran capacidad para formar aleaciones con otros muchos materiales, permite obtener nuevos materiales y aleaciones que mejoran sus propiedades de dureza, resistencia al desgaste, tenacidad, etc.

Ductilidad del níquel

El níquel es un material dúctil, por lo tanto, presenta una prolongada zona con un comportamiento plástico.

Como se sabe, en la zona de comportamiento elástico, alargamientos y tensiones son proporcionales según la constante del Módulo Elástico. Para el níquel, el Módulo Elástico, o Módulo de Young = 21.000 kg/mm2, aunque este valor varía sustancialmente según la temperatura.

La resiliencia, que es la capacidad de un material de absorber energía elástica cuando es deformado y de cederla cuando se deja de aplicar la carga, para el caso del níquel (15 kg/mm2), mientras se encuentra trabajando en la zona elástica. El níquel, al ser un material dúctil, tiene la capacidad de absorber una buena cantidad de energía antes de que deformaciones y esfuerzos no tengan una dependencia lineal.

El níquel, como se ha dicho, tiene una prolongada zona plástica al ser un material dúctil. Esta propiedad es muy importante para que el níquel sea un material que pueda ser sometido a procesos de fabricación mediante el estiramiento en forma de láminas e hilos, dadas las propiedades plásticas de deformación del material.

Asimismo, el níquel tiene buenas propiedades de tenacidad (Límite de Rotura: 47 kg/mm2), que es la capacidad de absorber energía en la zona plástica (tras superar el límite de fluencia) y seguir deformándose sin romper inmediatamente como si fuese un material frágil.

Así, por tanto, el níquel puede ser estirado en planchas o en hilos, con mayor o menor dificultad según condicionantes de temperatura, tratamientos térmicos, y la presencia o no de determinados elementos de aleación.

Diagramas de rotura de materiales frágiles y dúctiles

Un elemento muy perjudicial para el níquel es el azufre (S), como ya se ha comentando antes. La presencia de azufre hace que las propiedades mecánicas de dureza del níquel o sus aleaciones se vean reducidas. Es por ello, que en determinadas condiciones sea necesaria someter a las aleaciones de níquel a un proceso de desulfuración.

La dureza, que es la resistencia que presenta un material a ser rayado, no es muy elevada en el caso del níquel, ya que éste puede ser rayado sin excesiva dificultad. En la escala Mohs tiene un 5 sobre 10 (110 HB en estado puro), aunque estos valores varían bastante según la aleación de níquel que se trate y de los elementos de aleación presentes.

Otros factores a tener en cuenta son la capacidad de estricción, entre 50% y 75%, y el alargamiento a la rotura, entre 30% y 65%.

Por último, se debe mencionar la enorme importancia de la temperatura en las propiedades de la mayoría de las aleaciones de níquel donde, en general, un incremento en la temperatura supone una reducción de los límites de resistencia. No obstante, existen ciertas aleaciones de níquel llamadas termoelásticas, las cuales ofrecen unos valores altos de los coeficientes de elasticidad, incluso a altas temperaturas.

2- Aleaciones de Níquel

2.1- Clasificación de las aleaciones de Níquel

Con las aleaciones de níquel se busca mejorar ciertas propiedades específicas del níquel que más interesen, según la aplicación o uso que se vaya a realizar. Las aleaciones de níquel son aleaciones NO ferrosas, con matriz en níquel, y que con carácter general ofrecen una excepcional resistencia a la corrosión y a las altas temperaturas.

El níquel y sus aleaciones se pueden clasificar en los siguientes grupos:

Níquel

Níquel y cobre

Níquel y hierro

Níquel, hierro y cromo

Níquel, cromo, molibdeno y hierro

Aleaciones pulvimetalúrgicas.

A continuación, se va a estudiar las principales propiedades y características de cada uno de los grupos de aleaciones anteriores.

- Níquel:

Dependiendo del grado de pureza que se encuentra el níquel, este tipo de aleación se pueden clasificar en:

Ánodos (grado de pureza 99,3% Ni)

Electrolíticos (grado de pureza 99,56% Ni)

Níquel forjado comercialmente puro (de 99,6 a 99,97% de pureza Ni)

Níquel carbonilo en polvo y comprimidos (99,95% Ni).

Dentro de este tipo de aleaciones se encuentra el Permaníquel y el Duraníquel. La buena resistencia a la corrosión del níquel hace que este tipo de aleaciones sea particularmente útil para conservar la pureza de los productos en el manejo de alimentos, en la fabricación de fibras sintéticas, así como en aplicaciones estructurales.

Otras características de estas aleaciones son sus propiedades magnéticas, su gran conductividad térmicas y eléctrica, su bajo contenido de gas, y su baja presión de vapor.

- Níquel y cobre:

Este tipo de aleaciones, dependiendo de su contenido de níquel se pueden clasificar a su vez en los siguientes grupos:

Aleaciones de níquel y cobre

Aleaciones de bajo contenido de níquel (2 a 13% Ni)

Cuproníqueles (de 10 a 30% Ni)

Aleaciones para monedas (25% Ni)

Aleaciones de resistencia eléctrica controlada (45% Ni)

Aleaciones no magnéticas (hasta 60% Ni).

Dentro de este tipo se encuentran las aleaciones de alto contenido en níquel (más de 50% Ni), que se denominan comercialmente Monel, que son aleaciones con razones en peso de níquel-cobre de aproximadamente 2:1.

El monel es más duro que el cobre por sí sólo. De hecho, este tipo de aleaciones se caracterizan por tener una elevada resistencia mecánica, buena predisposición a la soldabilidad, excelente resistencia a la corrosión, y una tenacidad en un amplio intervalo de temperatura, lo que le confiere una elevada resistencia al impacto.

El monel ofrece una mayor resistencia a la corrosión que el níquel por sí sólo en un mayor rango de ambientes. De hecho resiste muy bien al agua de mar o salobre, al ácido sulfúrico o a la salmuera.

La conductividad térmica del monel, aunque es menor que la del níquel, es significativamente mayor que la de aleaciones de níquel que contiene cantidades de cromo o hierro. De hecho, y debido a su buena conductividad térmica y resistencia a la corrosión, el monel se utiliza frecuentemente en la fabricación de intercambiadores de calor.

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