Cuproníquel - Cupronickel

Cuproníquel ou cobre-níquel (CuNi) é uma liga de cobre que contém níquel e elementos de fortalecimento, como ferro e manganês . O teor de cobre normalmente varia de 60 a 90 por cento. ( Monel é uma liga de níquel-cobre que contém um mínimo de 52 por cento de níquel.)

Apesar de seu alto teor de cobre, o cuproníquel é de cor prata. Cuproníquel é altamente resistente à corrosão por água salgada e, portanto, é usado para tubulações, trocadores de calor e condensadores em sistemas de água do mar , bem como para equipamentos marinhos. Às vezes é usado para hélices , eixos de hélice e cascos de barcos de alta qualidade . Outros usos incluem equipamentos militares e indústrias químicas, petroquímicas e elétricas.

Outro uso moderno comum de cuproníquel são moedas de cor prata . Para este uso, a liga típica tem uma relação cobre / níquel de 3: 1, com quantidades muito pequenas de manganês. No passado, as verdadeiras moedas de prata eram degradadas com cuproníquel.

Nome

Além de cuproníquel e cobre-níquel , vários outros termos foram usados ​​para descrever o material: os nomes comerciais Alpaka ou Alpacca , Argentan Minargent , o termo francês registrado cuivre blanc e o termo cantonês romanizado Paktong , 白銅 (os termos francês e cantonês ambos significando "cobre branco"); cuproníquel também é ocasionalmente referido como prata de hotel , plata alemana ( espanhol para "prata alemã"), prata alemã e prata chinesa .

Formulários

Engenharia Naval

As ligas de cuproníquel são usadas para aplicações marítimas devido à sua resistência à corrosão da água do mar , boa capacidade de fabricação e sua eficácia na redução dos níveis de macrofouling . Ligas com composição variando de 90% Cu – 10% Ni a 70% Cu – 30% Ni são comumente especificadas em tubos de trocador de calor ou condensador em uma ampla variedade de aplicações marítimas.

As aplicações marítimas importantes para cuproníquel incluem:

• Construção e reparação naval : cascos de barcos e navios, resfriamento de água do mar, esgoto e lastro, sistemas sanitários, combate a incêndio, gás inerte, chiller hidráulico e pneumático.
• Instalações de dessalinização : aquecedores de salmoura, rejeição e recuperação de calor e na tubulação do evaporador.
• Plataformas offshore de petróleo e gás e navios de processamento e FPSO : sistemas e bainhas de splash zone.
• Geração de energia : condensadores de turbina a vapor, resfriadores de óleo, sistemas auxiliares de resfriamento e pré-aquecedores de alta pressão em usinas nucleares e de combustíveis fósseis.
• Componentes do sistema de água do mar: tubos de condensador e trocador de calor, planilhas de tubos, tubulações, sistemas de alta pressão, conexões, bombas e caixas de água.

Cunhagem

Cinco francos suíços

Cinco rúpias indianas, em homenagem à OIT .

O sucesso do uso do cuproníquel na cunhagem deve-se à sua resistência à corrosão , condutividade elétrica , durabilidade, maleabilidade , baixo risco de alergia , facilidade de estampagem , propriedades antimicrobianas e reciclabilidade .

Na Europa, a Suíça foi pioneira na cunhagem de bilhões de níquel em 1850, com a adição da prata. Em 1968, a Suíça adotou a relação cobre / níquel de 75:25, muito mais barata do que a usada na Bélgica , Estados Unidos e Alemanha. De 1947 a 2012, toda a cunhagem de "prata" no Reino Unido foi feita de cuproníquel, mas de 2012 em diante as duas menores denominações de cuproníquel foram substituídas por moedas de aço niquelado de baixo custo.

Em parte devido ao acúmulo de prata na Guerra Civil, a Casa da Moeda dos Estados Unidos usou pela primeira vez cuproníquel para a circulação de moedas em moedas de três centavos a partir de 1865, e depois para moedas de cinco centavos a partir de 1866. Antes dessas datas, ambas as denominações eram feito apenas em prata nos Estados Unidos. Cuproníquel é o revestimento de ambos os lados de meio dólar dos Estados Unidos (50 ¢) desde 1971, e todos os trimestres (25 ¢) e dez centavos (10 ¢) feitos depois de 1964. Atualmente, algumas moedas em circulação, como o níquel Jefferson dos Estados Unidos (5 ¢), o franco suíço e os sul-coreanos de 500 e 100 won são feitos de cuproníquel sólido (proporção de 75:25).

Outro uso

Uma junção de termopar é formada por um par de condutores de termopar, como ferro- constantan , cobre-constantan ou níquel-cromo / níquel-alumínio. A junção pode ser protegida por uma bainha de cobre, cuproníquel ou aço inoxidável.

Cuproníquel é usado em aplicações criogênicas . Sua combinação de boa retenção de ductilidade e condutividade térmica em temperaturas muito baixas é vantajosa para equipamentos de processamento e armazenamento em baixa temperatura, bem como para trocadores de calor em plantas criogênicas.

Começando por volta da virada do século 20, as jaquetas- bala eram comumente feitas desse material. Ele foi logo substituído por metal dourado para reduzir a incrustação de metal no orifício .

Atualmente, o cuproníquel e a níquel-prata continuam sendo o material básico para os talheres folheados a prata. É comumente usado para equipamentos mecânicos e elétricos, equipamentos médicos, zíperes, joias e tanto para cordas de instrumentos da família do violino, quanto para trastes de violão. A Fender Musical Instruments usou ímãs "CuNiFe" em seu captador "Wide Range Humbucker " para várias guitarras Telecaster e Starcaster durante os anos 1970.

Para fechaduras de cilindro e sistemas de bloqueio de alta qualidade, os núcleos dos cilindros são feitos de cuproníquel resistente ao desgaste.

O cuproníquel tem sido utilizado como alternativa às tradicionais linhas de freio de aço, pois não enferruja. Como o cuproníquel é muito mais macio do que o aço, ele se curva e se alarga com mais facilidade e a mesma propriedade permite que ele forme uma melhor vedação com componentes hidráulicos.

Propriedades

O cuproníquel carece de uma cor de cobre devido à alta eletronegatividade do níquel, que causa a perda de um elétron na camada d do cobre (deixando 9 elétrons na camada d contra os 10 elétrons típicos do cobre puro).

Propriedades importantes das ligas de cuproníquel incluem resistência à corrosão , resistência inerente à macrofouling , boa resistência à tração , excelente ductilidade quando recozida , condutividade térmica e características de expansão adequadas para trocadores de calor e condensadores , boa condutividade térmica e ductilidade em temperaturas criogênicas e propriedades de superfície de toque antimicrobiana benéficas .

As ligas são:

• Esses valores podem variar em outros padrões

Diferenças sutis na resistência à corrosão e força determinam qual liga é selecionada. Descendo a mesa, a taxa de fluxo máxima permitida na tubulação aumenta, assim como a resistência à tração.

Na água do mar, as ligas têm excelentes taxas de corrosão, que permanecem baixas, desde que a velocidade máxima de fluxo projetada não seja excedida. Essa velocidade depende da geometria e do diâmetro do tubo. Eles têm alta resistência à corrosão em frestas , corrosão sob tensão e fragilização por hidrogênio, que pode ser problemática para outros sistemas de liga. O cobre-níquel naturalmente forma uma fina camada de superfície protetora durante as primeiras semanas de exposição à água do mar e isso fornece sua resistência contínua. Além disso, eles têm uma alta resistência inerente à bioincrustação à fixação por macrocontas (por exemplo, ervas marinhas e moluscos ) que vivem na água do mar. Para usar essa propriedade em todo o seu potencial, a liga precisa estar livre dos efeitos de, ou isolada de, qualquer forma de proteção catódica .

No entanto, as ligas de Cu-Ni podem apresentar altas taxas de corrosão em água do mar poluída ou estagnada quando sulfetos ou amônia estão presentes. É importante, portanto, evitar a exposição a tais condições, particularmente durante o comissionamento e recondicionamento enquanto os filmes de superfície estão amadurecendo. A dosagem de sulfato ferroso para sistemas de água do mar pode fornecer resistência aprimorada.

Rachadura na placa de metal 90-10 Cu-Ni devido a tensões durante a brasagem de prata

Como o cobre e o níquel se ligam facilmente e têm estruturas simples, as ligas são dúcteis e prontamente fabricadas. A resistência e a dureza de cada liga individual são aumentadas pelo trabalho a frio ; eles não são endurecidos por tratamento térmico . A união de 90–10 (C70600) e 70–30 (C71500) é possível por soldagem ou brasagem . Ambos são soldáveis ​​pela maioria das técnicas, embora os métodos autógenos (soldagem sem consumíveis de soldagem) ou oxiacetileno não sejam recomendados. Os consumíveis de soldagem 70–30 em vez de 90–10 são normalmente preferidos para ambas as ligas e nenhum tratamento térmico pós-soldagem é necessário. Eles também podem ser soldados diretamente ao aço, desde que um consumível de solda de níquel-cobre de 65% seja usado para evitar os efeitos de diluição do ferro. A liga C71640 tende a ser usada como tubulação sem costura e expandida em vez de soldada na placa do tubo. A brasagem requer ligas de brasagem à base de prata apropriadas. No entanto, muito cuidado deve ser tomado para garantir que não haja tensões no Cu-Ni sendo brasado com prata, uma vez que qualquer tensão pode causar penetração intergranular do material de brasagem e severas rachaduras por tensão (ver imagem). Assim, o recozimento completo de qualquer tensão mecânica potencial é necessário.

Aplicações para ligas de Cu-Ni têm resistido ao teste do tempo, pois ainda são amplamente utilizadas e variam de tubulação de sistema de água do mar, condensadores e trocadores de calor em embarcações navais, navegação comercial, dessalinização flash de múltiplos estágios e estações de energia. Eles também têm sido usados ​​como revestimento de zona de respingo em estruturas offshore e revestimento de proteção em cascos de barcos, bem como para cascos sólidos.

Fabricação

Devido à sua ductilidade , as ligas de cuproníquel podem ser prontamente fabricadas em uma ampla variedade de formas de produtos e acessórios. Tubos de cuproníquel podem ser facilmente expandidos em folhas de tubo para a fabricação de trocadores de calor de casco e tubo .

Detalhes dos procedimentos de fabricação, incluindo manuseio geral, corte e usinagem, conformação, tratamento térmico, preparação para soldagem, preparações de soldagem, soldagem por pontos, consumíveis de soldagem, processos de soldagem, paintina, propriedades mecânicas de soldas e flexão de tubos e canos estão disponíveis.

Padrões

As normas ASTM , EN e ISO existem para solicitar formas forjadas e fundidas de cuproníquel.

Termopares e resistores cuja resistência é estável em mudanças de temperatura contêm Constantan de liga , que consiste em 55% de cobre e 45% de níquel.

História

história chinesa

As ligas de cuproníquel eram conhecidas como "cobre branco" pelos chineses desde o século III aC. Algumas armas feitas durante o período dos Reinos Combatentes foram feitas com ligas de Cu-Ni. A teoria das origens chinesas do cuproníquel bactriano foi sugerida em 1868 por Flight, que descobriu que as moedas consideradas as moedas de cuproníquel mais antigas já descobertas eram de uma liga muito semelhante ao paktong chinês .

O autor e estudioso Ho Wei descreveu com precisão o processo de fabricação do cuproníquel por volta de 1095 DC. A liga de paktong foi descrita como sendo feita pela adição de pequenas pílulas de minério de yunnan que ocorre naturalmente em um banho de cobre fundido. Quando se formou uma crosta de escória , adicionou-se salitre , a liga foi mexida e o lingote foi imediatamente fundido . O zinco é mencionado como ingrediente, mas não há detalhes sobre quando foi adicionado. O minério usado é considerado disponível exclusivamente em Yunnan , de acordo com a história:

"San Mao Chun estava em Tanyang durante um ano de fome, quando muitas pessoas morreram, então, tomando certos produtos químicos, Ying os projetou na prata, transformando-a em ouro, e também transmutou o ferro em prata - permitindo assim que a vida de muitos fosse salva [ através da compra de grãos por meio dessa prata e ouro falsos] Depois disso, todos aqueles que prepararam pós químicos aquecendo e transmutando cobre por projeção chamaram seus métodos de "técnicas de Tanyang".

A literatura Ming e Qing tardia tem muito pouca informação sobre o paktong . No entanto, é mencionado pela primeira vez especificamente pelo nome no Thien Kung Khai Wu de cerca de 1637:

"Quando lu kan shih (carbonato de zinco, calamina ) ou wo chhein (zinco metálico) é misturado e combinado com chih thung (cobre), obtém-se 'bronze amarelo' (latão comum). Quando phi shang e outras substâncias de arsênico são aquecidos com nele, obtém-se 'bronze branco' ou cobre branco: pai thong . Quando alume e nitro e outros produtos químicos são misturados, obtém-se ching thung : bronze verde. "

Ko Hung declarou em 300 DC: "O cobre Tanyang foi criado jogando um elixir mercúrico no cobre Tanyang e o ouro aquecido será formado." No entanto, o Pha Phu Tsu e o Shen I Ching descrevem uma estátua nas províncias ocidentais como sendo de prata, estanho, chumbo e cobre Tanyang - que parecia ouro e podia ser forjada para forrar e embutir vasos e espadas.

Joseph Needham et al. argumentam que o cuproníquel era pelo menos conhecido como uma liga única pelos chineses durante o reinado de Liu An em 120 aC em Yunnan. Além disso, o Estado Yunnanese de Tien foi fundado em 334 aC como uma colônia do Chu. Muito provavelmente, o paktong moderno era desconhecido para os chineses da época - mas a liga de cuproníquel de minério de Yunnan, de ocorrência natural, era provavelmente uma valiosa mercadoria de comércio interno.

Cunhagem greco-bactriana

Em 1868, W. Flight descobriu uma moeda greco-bactriana composta por 20% de níquel que datava de 180 a 170 aC com o busto de Eutidemo II no anverso. Moedas de liga semelhante com bustos de seus irmãos mais novos, Pantaleão e Agátocles , foram cunhadas por volta de 170 aC. A composição das moedas foi posteriormente verificada usando o método tradicional úmido e espectrometria de fluorescência de raios-X. Cunningham em 1873 propôs a "teoria do níquel bactriano", que sugeria que as moedas deviam ser o resultado do comércio terrestre da China através da Índia para a Grécia. A teoria de Cunningham foi apoiada por estudiosos como WW Tarn, Sir John Marshall e J. Newton Friend, mas foi criticada por ER Caley e S. van R. Cammann.

Em 1973, Cheng e Schwitter em suas novas análises sugeriram que as ligas bactrianas (cobre, chumbo, ferro, níquel e cobalto) eram muito semelhantes ao paktong chinês , e de nove depósitos de níquel asiáticos conhecidos, apenas aqueles na China poderiam fornecer os idênticos composições químicas. Cammann criticou o artigo de Cheng e Schwitter, argumentando que o declínio da moeda do cuproníquel não deveria ter coincidido com a abertura da Rota da Seda. Se a teoria do níquel bactriano fosse verdadeira, de acordo com Cammann, a Rota da Seda teria aumentado a oferta de cuproníquel. No entanto, o fim da moeda greco-bactriana do cuproníquel pode ser atribuído a outros fatores, como o fim da Casa de Eutidemo.

História européia

A liga parece ter sido redescoberta pelo Ocidente durante experimentos de alquimia . Notavelmente, Andreas Libavius , em sua Alchemia de 1597, menciona um álbum de aes de cobre branqueado por mercúrio ou prata. Mas no De Natura Metallorum in Singalarum Parte 1, publicado em 1599, o mesmo termo foi aplicado a "estanho" das Índias Orientais (atual Indonésia e Filipinas ) e recebeu o nome espanhol, tintinaso .

Richard Watson, de Cambridge, parece ser o primeiro a descobrir que o cuproníquel era uma liga de três metais. Na tentativa de redescobrir o segredo do cobre branco, Watson criticou a História da China de Jean-Baptiste Du Halde (1688) como confundindo o termo paktong '. Ele observou que os chineses de sua época não o formaram como uma liga, mas sim minério fundido prontamente disponível não processado:

"... surgiu a partir de uma vasta série de experimentos feitos em Pequim - que ocorreu naturalmente como um minério extraído na região, o cobre mais extraordinário é pe-tong ou cobre branco: é branco quando retirado da mina e até mais branco por dentro do que por fora. Parece, por um grande número de experimentos feitos em Pequim, que sua cor não se deve a nenhuma mistura; pelo contrário, todas as misturas diminuem sua beleza, pois, quando bem administrada, parece exatamente como a prata e se não houvesse necessidade de misturar um pouco de tutenag ou outro metal para amolecê-lo, seria muito mais extraordinário já que esse tipo de cobre não é encontrado em nenhum outro lugar a não ser na China e apenas na província de Yunnan ". Não obstante o que aqui se diga, da cor do cobre não ser devida a mistura, é certo que o cobre branco chinês que nos foi trazido é um metal misto [sic: misto]; de modo que o minério do qual foi extraído deve consistir de várias substâncias metálicas; e de tal minério que o orichalcum natural se alguma vez existiu, foi feito. "

Durante o pico da importação européia de cobre branco chinês de 1750 a 1800, foi dada maior atenção à descoberta de seus constituintes. Peat e Cookson descobriram que "o mais escuro provou conter 7,7% de níquel e o mais claro disse ser indistinguível da prata com uma ressonância semelhante à de um sino característico quando atingido e considerável resistência à corrosão, 11,1%".

Outro teste de Andrew Fyfe estimou o conteúdo de níquel em 31,6%. As suposições terminaram quando James Dinwiddie da Embaixada de Macartney trouxe de volta, em 1793, correndo um risco pessoal considerável (contrabando de minério de paktong era um crime capital pelo imperador chinês), parte do minério com o qual o paktong era feito. O cuproníquel tornou-se amplamente conhecido, conforme publicado por E. Thomason, em 1823, em uma submissão, posteriormente rejeitada por não ser um conhecimento novo, à Royal Society of Arts .

Os esforços na Europa para duplicar exatamente o paktong chinês falharam devido à falta geral do complexo de cobalto-níquel-arsênico de minério de ocorrência natural. No entanto, o distrito de Schneeberg na Alemanha , onde o famoso Blaufarbenwerke fazia azul cobalto e outros pigmentos, continha apenas os minérios complexos de cobalto-níquel-arsênico necessários na Europa.

Ao mesmo tempo, a Prussiana Verein zur Beförderung des Gewerbefleißes (Sociedade para a Melhoria da Diligência / Esforço nos Negócios) ofereceu um prêmio pelo domínio do processo. Sem surpresa, o Dr. EA Geitner e JR von Gersdoff de Schneeberg ganharam o prêmio e lançaram sua marca "prata alemã" sob os nomes comerciais Argentan e Neusilber (prata nova).

Em 1829, Percival Norton Johnston persuadiu o Dr. Geitner a estabelecer uma fundição em Bow Common, atrás do Regents 'Park Canal, em Londres, e obteve lingotes de níquel-prata com a composição 18% Ni, 55% Cu e 27% Zn. Entre 1829 e 1833, Percival Norton Johnson foi a primeira pessoa a refinar o cuproníquel nas Ilhas Britânicas. Ele se tornou um homem rico, produzindo mais de 16,5 toneladas por ano. A liga foi transformada principalmente em talheres pela firma de Birmingham William Hutton e vendida sob o nome comercial "Argentine".

Os concorrentes mais sérios da Johnsons, Charles Askin e Brok Evans, sob o comando do brilhante químico Dr. EW Benson, desenvolveram métodos muito aprimorados de suspensão de cobalto e níquel e comercializaram sua própria marca de níquel-prata, chamada "British Plate".

Na década de 1920, um grau de cobre-níquel 70-30 foi desenvolvido para condensadores navais. Logo depois, uma liga de 2% de manganês e 2% de ferro, agora conhecida como liga C71640, foi introduzida em uma usina elétrica do Reino Unido que precisava de melhor resistência à erosão devido aos níveis de areia arrastada na água do mar. Uma liga 90-10 foi disponibilizada pela primeira vez na década de 1950, inicialmente para tubulação de água do mar, e agora é a liga mais amplamente usada.

Veja também

• Latão (liga de cobre com zinco )
• Bronze (liga de cobre com estanho )
• Ligas de cobre na aquicultura

Referências

links externos

• Ligas de Cobre-Níquel
• Cobre-Níquel-Ligas: Propriedades, Processamento, Aplicações (Fonte: Instituto Alemão de Cobre (DKI))]
• Ligas de cobre-níquel para resistência à corrosão da água do mar e anti-incrustação - uma revisão do estado da arte (CA Powell e HT Michels; Corrosion 2000, NACE março de 2000 (NACE))