Aleación de Cobre y Níquel: Propiedades, calidades (70/30 - 90/10), aplicaciones

Las aleaciones de cobre-níquel (cuproníquel), en particular las familias 90/10 (Cu-10Ni) y 70/30 (Cu-30Ni), se encuentran entre las mejores opciones para el servicio de agua de mar, tubos de condensadores e intercambiadores de calor, tuberías marinas y revestimientos antiincrustantes, ya que combinan una excelente resistencia a la corrosión uniforme y localizada en agua de mar con una buena fabricabilidad y una resistencia mecánica razonable; El éxito del diseño depende de la selección del grado adecuado (composición + adiciones como Fe/Mn), el cumplimiento de las especificaciones ASTM/EN pertinentes y la aplicación de prácticas correctas de puesta en servicio y soldadura.

1. Resumen técnico rápido y recomendaciones

Cuproníquel son aleaciones a base de cobre con importantes adiciones de níquel (normalmente 10-30 wt% Ni). Las designaciones 90/10 y 70/30 son abreviaturas de aleaciones con aproximadamente 10% y 30% de níquel, respectivamente. El grado 70/30 (UNS C71500/CU-Ni-30) ofrece una mayor resistencia y una resistencia algo mejorada a velocidades más altas; el grado 90/10 (UNS C70600/Cu-Ni-10) ofrece una excelente resistencia a la cavitación/impacto y suele preferirse para tubos y placas de condensadores. Para las tuberías de agua de mar y los intercambiadores de calor, elija la calidad cuyo historial de exposición publicado, capacidad mecánica y tolerancia de fabricación coincidan con las velocidades de funcionamiento, temperaturas y composición química del proyecto. Para el agua de mar agresiva o de alta velocidad, considere el "70/30 modificado" (con pequeñas adiciones de Fe y Mn) que ha demostrado una mejor resistencia a largo plazo.

2. ¿Qué es el cobre-níquel? composición y metalurgia

Aleaciones de cobre-níquel (comúnmente denominadas cuproníquel) son aleaciones de solución sólida en las que el níquel es el principal elemento de aleación del cobre. Composiciones comerciales típicas:

• Cu-10Ni (90/10 cuproníquel): ~88-90% Cu, 9-11% Ni, pequeñas tolerancias Fe/Mn/Pb (familia UNS C70600).
• Cu-30Ni (70/30 cuproníquel): ~70% Cu, 29-33% Ni más Fe y Mn menores (familia UNS C71500).

Pequeñas adiciones intencionadas de hierro (Fe) y manganeso (Mn) -por ejemplo, ~1-2% cada una en el 70/30 modificado- mejoran la resistencia al ataque por impacto y aumentan la resistencia sin sacrificar la resistencia a la corrosión. La microestructura es una solución sólida monofásica cúbica centrada en la cara (FCC) a temperatura ambiente, lo que garantiza una buena ductilidad y trabajabilidad.

3. Calidades comerciales comunes, números UNS y normas

Identificadores comerciales y normas clave que encontrarán los ingenieros:

• UNS C70600 - CuNi 90/10; común para condensadores, intercambiadores de calor y sistemas de achique/salmuera.
• UNS C71500 - CuNi 70/30; común para tuberías de agua de mar, revestimiento de barcos y válvulas.
• Modificado 70/30 - a veces se especifica como CuNi30Mn1Fe (designación EN CW354H) donde las adiciones de Fe y Mn mejoran la resistencia a la erosión/corrosión.

Normas ASTM/ASME y EN pertinentes (ejemplos; cite siempre el número de la última edición en las especificaciones):

• ASTM/ASME B111 (tubos de Cu-Ni sin soldadura), B466 (tubo Cu-Ni soldado), B151 (cobre forjado y aleaciones de cobre: alambrón, barra, etc.). Los organismos nacionales de normalización y las fichas técnicas de los proveedores indicarán las normas de producto adecuadas para tubos, placas, piezas de fundición y piezas forjadas.

4. Propiedades físicas, mecánicas y térmicas

A continuación se indican las propiedades representativas. Utilice siempre las hojas de datos del proveedor o los certificados de ensayo de los materiales para conocer los valores finales de diseño.

• Densidad: ≈ 8,9-8,95 g/cm³ (ligeramente más ligero que la mayoría de los aceros).
• Conductividad eléctrica: inferior a la del cobre puro; 90/10 tiene una conductividad superior a 70/30.
• Conductividad térmicamoderado; adecuado para aplicaciones de intercambiadores de calor aunque menos conductor que el cobre puro.
• Límite elástico (recocido): depende del temple - rangos gruesos: 90/10 recocido ≈ 70-150 MPa, 70/30 recocido ≈ 120-250 MPa; el trabajo en frío aumenta el límite elástico y la resistencia a la tracción.
• Alargamiento: típicamente bueno (20-40% en condiciones recocidas).
• Intervalo de fusión: sin punto de fusión marcado; solidus ≈ 1170-1190 °C, liquidus ≈ 1220-1240 °C según la composición.

(Estos datos son ilustrativos; consulte las hojas de datos autentificadas para conocer los parámetros de cualificación y soldadura).

5. Comportamiento de la corrosión: agua de mar, bioincrustaciones y ataque localizado.

Las aleaciones Cu-Ni superan a muchas aleaciones comunes en agua de mar natural en cuanto a resistencia uniforme a la corrosión a largo plazo y tienen tendencias antiincrustantes naturales (debido a la liberación de trazas de Cu) que reducen el crecimiento marino. Puntos prácticos importantes:

• Tasas iniciales de corrosión elevadas son comunes durante las primeras semanas/meses de exposición y normalmente disminuyen a tasas estacionarias bajas a medida que se forman películas protectoras; este comportamiento de "rodaje" está bien documentado en ensayos de campo. Las velocidades de corrosión estacionarias a largo plazo pueden ser muy bajas (<0,05 mpy en muchas condiciones de agua de mar en calma).
• Efectos de velocidad: a altas velocidades de flujo o donde se produce impacto (chorros, codos afilados, alta turbulencia), la erosión-corrosión puede aumentar los índices de ataque. Las aleaciones 70/30 modificadas (con Fe y Mn) tienen una resistencia superior al ataque por impacto en comparación con el 70/30 normal. Los ingenieros deben limitar las velocidades locales, añadir características de diseño de sacrificio o seleccionar materiales de mayor resistencia para las secciones de alta velocidad.
• Corrosión por picaduras y grietas: Los cuproníquel son generalmente resistentes en el agua de mar típica, pero las bolsas estancadas con poco oxígeno o alta concentración de cloruros pueden aumentar el riesgo. El diseño adecuado del flujo y el acceso para la inspección lo mitigan.
• Bioincrustaciones: La liberación de iones de cobre proporciona cierto control natural de las bioincrustaciones, reduciendo el mantenimiento de las superficies de los intercambiadores de calor en relación con muchos aceros y el titanio en algunas circunstancias. Sin embargo, el rendimiento antiincrustante depende de la aleación, la formación de la película y la ecología local.

6. Fabricación, soldadura y tratamiento térmico

Los cuproníquel son muy trabajables. Recomendaciones prácticas:

• Trabajo en frío y recocido: tanto 90/10 como 70/30 responden al trabajo en frío; los recocidos intermedios restauran la ductilidad. Siga las tablas de revenido del fabricante.
• Soldadura: Se suelen utilizar métodos de soldadura por gas y por arco (GTAW, SMAW, GMAW). Utilizar metales de aportación homologados y controlar el aporte de calor para evitar el agrietamiento en caliente. El precalentamiento suele ser innecesario para las secciones finas; el recocido posterior a la soldadura no suele ser necesario, pero las medidas de alivio de tensiones dependen de la geometría del componente. Utilizar procedimientos cualificados y soldadores certificados para el grado UNS específico.
• Soldadura fuerte y blanda: disponible para piezas finas y trabajos de reparación utilizando fundentes homologados; evite los residuos de fundente en servicio con agua de mar.
• Mecanizado: razonablemente mecanizable; la geometría de la herramienta y las velocidades de corte deben ajustarse al comportamiento de los metales no ferrosos.

Siga siempre la especificación del procedimiento de soldadura (WPS) del fabricante y las notas de fabricación de la norma del producto.

7. Aplicaciones típicas y criterios de selección

Las aleaciones Cu-Ni se eligen cuando se requiere una combinación única de resistencia a la corrosión en ambientes clorados, conductividad térmica y facilidad de fabricación:

• Tuberías marinas (sistemas de agua de mar en buques y plataformas marinas).
• Tuberías del intercambiador de calor y del condensador en centrales eléctricas y equipos refrigerados por agua de mar (90/10 muy utilizado para placas y tubos de condensadores).
• Plantas desalinizadoras y sistemas de refrigeración de aguaLa reducción de la bioincrustación y la larga vida útil reducen los costes del ciclo de vida.
• Componentes de bombas y válvulasEn los casos en que se requiera resistencia al desgaste localizado y resistencia a la corrosión.

¿Por qué elegir cuproníquel en lugar de acero inoxidable o titanio? El coste del ciclo de vida y el historial de servicio son decisivos: el cuproníquel ofrece un rendimiento demostrado a largo plazo en agua de mar de velocidad moderada a un coste de material normalmente inferior al de los aceros inoxidables de alta aleación o el titanio, especialmente si se incluyen los costes de ensuciamiento y mantenimiento. En el diseño deben tenerse en cuenta la velocidad, el contenido de cloruro y la temperatura.

8. Factores de diseño, inspección y vida útil

Consideraciones clave sobre el diseño:

• Límites de velocidad: Mantener las velocidades internas del agua de mar por debajo de los umbrales indicados en las directrices (específicas para cada proyecto; véanse las orientaciones del Instituto del Níquel) para evitar el impacto. Si no puede evitarse una velocidad elevada, aumente el grosor de la pared, añada almohadillas de desgaste de sacrificio o cambie la aleación.
• Procedimientos de puesta en marcha: Una puesta en servicio adecuada (rampa lenta, cloración controlada si se utiliza, eliminación de residuos) reduce los picos de corrosión iniciales. La formación de una película protectora estable suele reducir los índices de corrosión a lo largo de los meses.
• Acoplamiento catódico: El cuproníquel tiene un comportamiento aceptable cuando se acopla a muchos metales, pero hay que comprobar el acoplamiento de metales distintos y las vías de corriente parásita.
• Inspección: Planificar exámenes no destructivos en ubicaciones de alto riesgo (codos, soldaduras, reductores de velocidad) y supervisar los índices de corrosión y bioincrustaciones. Utilice cupones o sondas de monitorización en tramos largos para confirmar el índice.

9. Tabla comparativa: 90/10 vs 70/30 vs 70/30 modificado

Característica	Cu-90/10 (UNS C70600)	Cu-70/30 (UNS C71500)	70/30 modificado (CuNi30Mn1Fe)
Aprox. Ni (wt%)	~10	~30	~29-33
Uso típico	Tubos de condensador, placas de condensador, tubos de intercambiador de calor	Tuberías de agua de mar, revestimientos, válvulas	Tuberías de agua de mar de alta velocidad, codos, accesorios
Resistencia (recocido)	Moderado	Superior a 90/10	Similar a 70/30 (ligeramente superior)
Resistencia a la corrosión/erosión	Bien	Mejor que 90/10 a velocidades moderadas	El mejor de los tres para el pinzamiento
Control de bioincrustaciones	Bien	Bien	Bien
Soldabilidad	Excelente	Excelente	Excelente (seguir WPS)
Ejemplos estándar	ASTM B111, B151	ASTM B111, B171, B466	EN CW354H; común en especificaciones marítimas

(La tabla es un resumen; confírmela siempre con las fichas técnicas del proveedor y las normas del proyecto).

10. Adquisiciones, lista de especificaciones y control de calidad

Al especificar o adquirir componentes de cuproníquel, incluya:

• Número UNS y designación de la aleación (por ejemplo, C70600 o C71500).
• Forma del producto y norma ASTM/EN pertinente (tubo, placa, tubería, fundición).
• Temple o propiedades mecánicas requeridas (tracción, límite elástico, alargamiento).
• Referencias de las especificaciones del procedimiento de soldadura, tipo de metal de aportación y registros de cualificación.
• Inspección y pruebas: Verificación química PMI / OES, certificados de pruebas mecánicas, presión de hidropruebas, END en soldaduras, inspección visual, controles dimensionales.
• Requisitos de acabado superficial y pasivación (en su caso).
• Documentación de entrega: informe de la prueba de molienda (MTR) trazable al número de colada/lote.

Un pedido bien estructurado reduce las sustituciones y la ambigüedad en la producción.

11. Medio ambiente, reciclado y fin de vida útil

Los cuproníquel son muy reciclables; tanto el cobre como el níquel son valiosos y suelen recuperarse al final de su vida útil. A la hora de especificar, prevea el código de la aleación para permitir una clasificación y un reciclado eficaces. En servicio, la liberación de trazas de cobre al medio ambiente suele ser baja, pero en algunas instalaciones hay que tener en cuenta la normativa medioambiental sobre vertidos de cobre.

12. Preguntas frecuentes

Q1. ¿Qué cuproníquel debo elegir para la red de agua de mar de una plataforma en alta mar?
R: Para tuberías de agua de mar con velocidades moderadas, el 70/30 modificado (con adiciones de Fe y Mn) es una opción común en la industria debido a su mayor resistencia al ataque por impacto. Para servicios de baja velocidad, puede ser apropiado el 70/30 o el 90/10 dependiendo de los requisitos mecánicos y de presión. Consulte siempre los perfiles de velocidad del emplazamiento y las directrices del Instituto del Níquel.

Q2. ¿A qué velocidad puede fluir el agua de mar a través de una tubería de cuproníquel antes de que se produzca una erosión grave?
R: No existe un límite universal; las velocidades permitidas dependen de la geometría de la tubería, la presencia de sólidos en suspensión y las turbulencias. Los diseñadores utilizan límites de velocidad conservadores más los márgenes de desgaste/inspección; consulte la guía del Instituto del Níquel para conocer los márgenes de velocidad recomendados y considere la posibilidad de utilizar paredes más gruesas o detalles resistentes a la erosión cuando sea necesario.

Q3. ¿Son susceptibles los cuproníquel a la corrosión por intersticios o a las picaduras?
R: En agua de mar de flujo normal muestran una resistencia excelente; las grietas estancadas o los depósitos con poco oxígeno pueden suponer un riesgo localizado, por lo que hay que evitar las patas muertas y proporcionar un lavado e inspección adecuados.

Q4. ¿Puedo soldar cuproníquel a acero inoxidable?
R: Las uniones de metales diferentes son posibles, pero requieren procedimientos cualificados y metales de aportación o piezas de transición adecuados. Verifique los efectos galvánicos y la compatibilidad mecánica.

Q5. ¿En qué se diferencia el 70/30 modificado del 70/30 estándar?
R: Las pequeñas adiciones de Fe y Mn refuerzan la película protectora y mejoran la resistencia al impacto y la erosión, según la experiencia y los ensayos realizados sobre el terreno.

Q6. ¿Cómo se compara el cuproníquel con el titanio para los condensadores?
R: El titanio tiene una excelente resistencia a la corrosión y suele presentar menos incrustaciones a largo plazo en algunos entornos, pero es bastante más costoso. El cuproníquel ofrece con frecuencia un coste de ciclo de vida inferior para muchas centrales eléctricas y plantas de proceso costeras debido a su equilibrio entre el coste del material, el rendimiento térmico y el control de las incrustaciones. Compare utilizando modelos de coste del ciclo de vida para su emplazamiento.

P7: ¿Existen restricciones sanitarias o medioambientales para el uso del cuproníquel?
R: El uso normal en ingeniería ha sido generalizado; sin embargo, deben comprobarse y cumplirse las normativas de vertido de las obras y las normas medioambientales locales relativas a las concentraciones de cobre.

P8.¿Dónde puedo encontrar datos verificados sobre las propiedades de los materiales para el diseño?
R: Utilice las hojas de datos del fabricante, los informes certificados de ensayo de materiales (MTR), MatWeb o normas reconocidas (ASTM/EN). Para obtener información sobre la corrosión, consulte las directrices técnicas del Instituto del Níquel y las referencias de la industria naval.