Aleaciones de níquel para usos especiales

Aleaciones de níquel para usos especiales

Las aleaciones de níquel tienen una serie de propiedades únicas y pueden utilizarse en diversas aplicaciones especializadas. Las propiedades de las aleaciones que se enumeran aquí están relacionadas con el magnetismo y la forma de los objetos en respuesta a los cambios de temperatura.

Aleaciones de níquel magnéticamente blandas

En términos de propiedades magnéticas, los metales se pueden dividir en cinco categorías:

• Paramagnéticos
• Ferromagnéticos
• Ferrimagnéticos
• Antiferromagnéticos
• Antiferromagnéticos

Las propiedades magnéticas de los metales se ven influidas por la temperatura. De entre todos los metales, solo el hierro, el níquel y el cobalto muestran propiedades ferromagnéticas a temperatura ambiente.

El aumento de la temperatura hace que los ferromagnéticos pierdan su susceptibilidad magnética. Cuando la temperatura alcanza un determinado valor, el material ferromagnético se convierte en paramagnético. Este valor se denomina temperatura de Curie de un metal.

La permeabilidad magnética de los metales ferromagnéticos depende de la intensidad del campo magnético externo. Cuando se elimina dicho campo, los ferromagnéticos siguen mostrando magnetismo residual. Mediante esta fuerza, los imanes permanentes atraen o repelen otros metales o imanes.

Una aleación ferromagnética magnetizada sigue mostrando magnetismo residual, que tiene la misma dirección que el campo. La desmagnetización requiere un campo de orientación opuesta y de una determinada intensidad, denominada coercitividad. Si este campo es más fuerte que dicha intensidad, la aleación se magnetiza en dirección opuesta al campo.

Cada remagnetización implica una disipación irreversible de energía denominada pérdida de energía por histéresis.

Aleaciones de níquel magnéticamente blandas: propiedades

• Alta permeabilidad inicial µ
• Alta permeabilidad relativa máxima
• Permeabilidad constante en temperaturas variables
• Alta magnetostricción de saturación
• Reacción inmediata al cambio del campo magnético
• Baja temperatura de Curie
• Alta resistividad
• Baja pérdida por corrientes parásitas en flujo alterno
• Bucle de histéresis estrecho (bucle de magnetización-desmagnetización)
• Baja pérdida de energía por histéresis

En resumen, las aleaciones magnéticamente blandas son fáciles de magnetizar, desmagnetizar y remagnetizar.

Aleaciones magnéticamente blandas que contienen níquel: aplicaciones

Las aleaciones magnéticamente blandas que contienen níquel se utilizan ampliamente en una variedad de aplicaciones, entre las que se incluyen:

• Transformadores relacionados con el audio
• Amplificadores magnéticos
• Transductores
• Transformadores de impulsos de radar
• Motores síncronos y motores de par
• Bobinas de carga
• Blindajes de radiofrecuencia (blindajes de RF)
• Compensadores de temperatura

El permalloy es una aleación magnéticamente blanda única. Su característica es una forma casi rectangular del bucle de histéresis y dos valores de remanencia.

Metales amorfos magnéticamente blandos

Los metales amorfos (vidrio metálico) se caracterizan por su alta resistencia, baja pérdida por histéresis y capacidad para funcionar a altas frecuencias.

Los metales amorfos magnéticamente blandos que contienen níquel son:

• Metglas 40Fe-40Ni-14P-6B
• Metglas 40Fe-38Ni-4Mo-18B

Aleaciones magnéticamente duras que contienen níquel

Las aleaciones magnéticamente duras se utilizan para producir imanes permanentes que presentan un fuerte magnetismo residual y no son fáciles de desmagnetizar y remagnetizar.

Las aleaciones Alnico se utilizan para fabricar imanes permanentes.

Aleaciones de níquel de baja expansión

La expansión térmica significa que los cuerpos cambian (casi siempre aumentan) su longitud o volumen en respuesta a un aumento de la temperatura. Todas las sustancias están más o menos sujetas a este fenómeno.

El coeficiente de expansión térmica es la expansión relativa (también llamada deformación) de un material dividida por el cambio de temperatura (normalmente 1 K). Se calcula comparando las mediciones exactas antes y después del calentamiento.

Este coeficiente suele variar con la temperatura. Esto significa que la expansión de una barra de metal calentada de 0 a 20 °C es diferente de la expansión de la misma barra calentada de 200 a 220 °C.

El coeficiente de expansión térmica de la mayoría de los metales y aleaciones es relativamente grande y oscila entre 5 y 25 μm/m ⋅ K a temperatura ambiente. Las juntas de dilatación en puentes de carreteras o vías férreas pueden servir como ejemplo para contrarrestar la alta expansión térmica de las aleaciones de hierro y acero.

Aleaciones de níquel de baja expansión: aplicación

Las aplicaciones de las aleaciones de níquel de baja expansión suelen requerir:

• Una expansión térmica muy baja (de 0 a 2 μm/m ⋅ K) en un determinado rango de temperaturas, o
• Una expansión térmica uniforme y predecible en un determinado rango de temperaturas.

Las aleaciones de baja expansión se utilizan, por ejemplo, en:

• Instrumentos geodésicos: varillas y cintas métricas
• Relojes y temporizadores: péndulos de compensación, volantes
• Motores: pistones de motores de combustión interna
• Dispositivos de medición: metales dúplex, tiras bimetálicas
• Sellados de vidrio y metal: tubos electrónicos
• Almacenamiento y transporte de gas natural licuado: válvulas y tuberías
• Industria energética: sistemas superconductores
• Electrónica: marcos de circuitos integrados, elementos de dispositivos de radio, marcos de máscara de televisores
• Dispositivos de medición láser y ópticos: carcasas y elementos estructurales

Aditivos de aleación

Las aleaciones de níquel de baja expansión están compuestas principalmente por níquel y hierro. Con la excepción de la aleación superinvar, que muestra una pequeña expansividad solo en un rango de temperatura muy estrecho, el coeficiente mínimo de expansión térmica se produce en la proporción 64Fe-36Ni (esta aleación se denomina invar). Esta baja expansividad prevalece solo en un determinado rango de temperatura.

El cambio en la cantidad de níquel desplaza este rango de temperatura hacia temperaturas más altas o más bajas, pero para cambiar la cantidad de níquel y mantener el coeficiente bajo, se necesitan ciertas aleaciones. Aunque mantienen bajo el coeficiente de expansión térmica, estas aleaciones lo aumentan ligeramente.

En resumen:

• Aleación pura de hierro y níquel: coeficiente de expansión térmica más bajo en un determinado rango de temperaturas.
• Cromo, manganeso, tungsteno, molibdeno: permiten aumentar el contenido de níquel, lo que desplaza el rango de expansividad mínima hacia temperaturas más altas. Aumentan el coeficiente de expansión térmica en comparación con el invar.
• Cobre, carbón, cobalto: permiten disminuir el contenido de níquel, lo que desplaza el rango de expansividad mínima hacia temperaturas más bajas. Aumentan el coeficiente de expansión térmica en comparación con el invar.

Aleaciones para sellos

Los sellos herméticos directos de dos materiales no elásticos con diferentes factores de expansión térmica no pueden soportar grandes cambios de temperatura. O bien se abre una brecha entre esos materiales, o bien fuerzas importantes dañan uno de ellos.

Por lo tanto, algunas aleaciones se diseñan para tener una expansión térmica correspondiente a otros materiales determinados en un rango de temperatura específico. Por ejemplo: las aleaciones Kovar o las aleaciones para sellado de vidrio se expanden exactamente igual que muchos tipos de vidrio y cerámica. La aleación platinada responde a los cambios de temperatura igual que el platino.

Estas aleaciones permiten la producción de sellos herméticos de metal y vidrio. Estas conexiones son muy sólidas y no requieren juntas tóricas adicionales. En el pasado, los sellos directos de metal y vidrio eran muy comunes en la tecnología de radio, en los tubos electrónicos.

El coeficiente de expansión térmica tan preciso de una aleación viene determinado por la cantidad de níquel y cobalto en la matriz de hierro.

Aleaciones de níquel-titanio con memoria de forma

Algunos metales demuestran la capacidad de volver a una forma o tamaño previamente definidos, según el efecto de memoria de forma.

El efecto de memoria de forma establece que una aleación moldeada a una determinada temperatura y luego remodelada a otra temperatura, volverá a su forma original cuando se vuelva a llevar a la temperatura inicial (de moldeado).

Aplicaciones de las aleaciones con memoria de forma

Las aplicaciones de estas aleaciones se pueden dividir en:

• Dispositivos de accionamiento: termostatos de cafeteras, instrumentos médicos como filtros de coágulos en las venas sanguíneas.
• Dispositivos de recuperación restringida: accesorios para tuberías hidráulicas.
• Dispositivos superelásticos: monturas de gafas, arcos ortodónticos.
• Dispositivos martensíticos: amortiguadores de vibraciones, herramientas para cirugía a corazón abierto, alambres resistentes a la fatiga.

Aleaciones de níquel-titanio con memoria de forma: composición

La base de estas aleaciones es un compuesto intermetálico de níquel y titanio en una proporción más o menos igualitaria. Otros aditivos aleantes de uso común son:

• Exceso de níquel: reduce considerablemente la temperatura de transformación martensítica y aumenta el límite elástico de la austenita.
• Hierro: reduce la temperatura de transformación.
• Cromo: reduce la temperatura de transformación.
• Cobre: disminuye la histéresis y reduce la tensión de deformación de la martensita.