Níquel

UNIVERSIDAD DE MÁLAGA Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales Departamento de Ingeniería Civil, de Materiales y Fabricación

Tecnología de Materiales

TRABAJO DE LA ASIGNATURA

NÍQUEL

Autores: Grupo 3 Sara Victoria Hidalgo González Adán López Hernández Lina Montesinos Barrios Sonia Nebro Rosas

21 de Mayo de 2015.

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Índice

ÍNDICE 1. Introducción. ........................................................................................... 5 1.1.

Historia............................................................................................................... 5

1.2.

Consumo mundial. ............................................................................................. 6

2. Procesos de extracción y obtención. ....................................................... 8 2.1.

Proceso pirometalúrgico. ................................................................................... 8

2.2.

Proceso hidrometalúrgico. ................................................................................. 9

2.3.

Técnicas de refino. ........................................................................................... 12

3. Características principales. ................................................................... 13 4. Usos principales. ................................................................................... 17 5. Aplicaciones y nuevas tendencias......................................................... 20 5.1.

Aplicaciones. .................................................................................................... 20

5.2.

Depósitos y cotización del níquel. ................................................................... 22

5.3.

Nuevas tendencias. ........................................................................................... 24

6. Bibliografía. .......................................................................................... 27

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1.

Introducción

Introducción.

El níquel es un elemento bastante abundante, ya que constituye cerca del 0.008% de la corteza terrestre y un 0.01% de las rocas ígneas, su fórmula empírica es Ni que proviene del nombre del mismo material. Es material de color plateado con muy buena conductividad térmica y eléctrica, es muy dúctil y maleable, lo que facilita mucho sus usos, ya que se puede laminar, pulir y forjar fácilmente, su densidad es muy alta, en el orden del hierro y tiene una gran dureza y puntos de fusión y ebullición. Gracias a su aspecto y resistencia a la corrosión se usa mucho en aleaciones, junto al hierro, para proporcionar tenacidad, resistencia a la corrosión y un mejor aspecto a la pieza.

1.1. Historia. Aunque el níquel fue descubierto en 1751, su uso se remonta aproximadamente al siglo IV a.C., generalmente junto con el cobre, el cual aparece con frecuencia en los minerales de este metal. Algunos de estos usos son: en bronces originarios de la actual Siria cuyo contenido es superior al 2%; una serie de monedas bactrias del antiguo imperio persa arrojaron una composición del 15,58% de cobre y 20,94% de níquel con algunas impurezas; algunos manuscritos chinos sugieren que el “cobre blanco” se utilizaba en Oriente hacia 1700 al 1400 a.C.. Aunque la facilidad de confundir las menas de níquel con las de plata induce a pensar que en realidad el uso del níquel fue posterior. El níquel fue descubierto en 1751 en Suecia por Axel FredrikCronstedt, de la palabra alemana "kupfernickel", nombre puesto por los mineros y que significaba "el diablo del cobre" (falso cobre), ya que se encontraba en menas muy parecidas a las del cobre; pero, de las cuales era casi imposible extraer metal alguno y esto les ocasionaba muchos problemas. Después de descubrirlo, para abreviar su nombre, se le llamó níquel. Hasta el siglo XIX, el níquel no se consideró un nuevo metal, si no que se consideraban el cobalto y el níquel como mismo elemento. Lo que hizo Alex F. Cronstedt fue calentar un mineral verde, llamado kupfernickel, junto con carbón vegetal y obtuvo un metal que era atraído por un imán, al igual que el hierro y el cobalto. Mientras el hierro producía compuestos pardos y el cobalto azules, este metal producía compuestos que eran verdes. Se observó que por acción del aire producía una tierra verde, tal como el cobre. Con “ácido vitriólico”, generaba un compuesto verde, pero no daba las reacciones del cobre, con bórax, ácido nítrico o álcalis. Tampoco podría ser cobalto, pues no se ajustaba a su comportamiento. Así es como surge el níquel de Cronstedt. Este descubrimiento fue enseguida contestado fuera de Suecia y Alemania. Los químicos franceses, Sage en “Elementos de Mineralogía” de 1772 y Monnet en el “Tratado de la disolución de metales” de 1775, manifiestan que el cobalto y el níquel son el mismo elemento. Sólo las investigaciones efectuadas por los químicos de comienzos del siglo XIX lo confirmarán como nuevo metal. Grupo 3

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Introducción

1.2. Consumo mundial. Hoy en día, la producción de níquel mundial procede principalmente de Rusia, Canadá, Nueva Caledonia, Australia, Brasil, Indonesia, Las Filipinas y Cuba. La producción del níquel a nivel mundial es de alrededor de 1500,000 toneladas anuales de las cuales 40% se originan de depósitos lateríticos y la tasa de crecimiento es de 4%. En la Figura 1 puede observarse un gráfico de los principales productores de níquel a escala mundial, entre el año 2009 y 2010, dónde podemos observar que los mayores productores son Rusia e Indonesia.

FIGURA 1. PRODUCCIÓN DE NÍQUEL.

La primera potencia que más níquel consume es China, alcanzando un 50% de la producción total, debido a su continua urbanización, obligándole a tener una gran demanda de metales, entre los que se encuentra el níquel. Por lo general, el níquel se vende para ser usado, en primera instancia, como metal refinado o ferroníquel. Como podemos observar en la Figura 2 aproximadamente 63% de la producción de níquel que se consume en el Mundo Occidental es usado para la fabricación de acero inoxidable. Otro 12% es destinado a la producción de súperaleaciones o aleaciones no-ferrosas. Ambas familias de aleaciones son ampliamente usadas debido a su alta resistencia a la corrosión. La industria aeroespacial es el primer consumidor de súper-aleaciones basadas en níquel. Los álabes de turbina, discos y otras piezas críticas de los motores jet son fabricadas con súper-aleaciones. También se usan las súper- aleaciones basadas en níquel para la fabricación de turbinas de combustión de uso terrestre, tales como los encontrados en las estaciones de generación eléctrica. El resto es utilizado para la fabricación de chapas, aleaciones bajas en acero, etc.

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Introducción

FIGURA 2. PRINCIPALES USOS DEL NÍQUEL.

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2.

Procesos de extracción y obtención

Procesos de extracción y obtención.

En la metalurgia extractiva del níquel hemos de distinguir entre los procesos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos. Las técnicas de refino incluyen ambos procesos, además de técnicas electrolíticas y vapometalúrgicas. La pirometalurgia calienta el mineral o concentrado, de manera que el producto final está enriquecido en níquel, mientras que los otros componentes se eliminan como escoria o escapan como volátiles, en este proceso el producto necesita un tratamiento posterior ya que el porcentaje y la calidad del níquel no es muy buena, necesitando un refino. El objetivo de la hidrometalurgia es la separación del metal del mineral, este proceso implica el calentamiento del mineral y un líquido lixiviante, de tal forma que los metales deseados pasen a la disolución, una vez conseguida la disolución del mineral se lleva a cabo la obtención de este mediante electrólisis. Un líquido lixiviante es un líquido capaz de separar el metal del resto del mineral, para mejorar este proceso es necesario trabajar a elevadas temperaturas y presiones. De la disolución resultante se obtiene el níquel mediante precipitación o extracción. La extracción del níquel de minerales sulfurados y oxigenados generalmente se lleva a cabo con una técnica y un equipo que es común al usado con otros tipos de minerales: así, en procesos pirometalúrgicos intervienen tostadores (multipisos, de lecho fundido, sinterización o rotatorios), fundidores (altos hornos, de reverbero, eléctricos o de flash) y convertidores soplados lateralmente o por la parte superior; por otra parte, en los procesos hidrometalúrgicos intervienen recipientes de lixiviación, tanques de mezclado, centrifugadores, filtros de gran capacidad… La actual elección del proceso a partir del cual se obtiene el níquel depende de la composición de las materias primas, así como el coste del agua, combustible, energía eléctrica y de la integración posible con otras plantas. A continuación se expondrá una explicación más detallada sobre los procesos de obtención del níquel.

2.1. Proceso pirometalúrgico. En la metalurgia de los sulfuros de níquel se utilizan normalmente tres unidades de proceso. Inicialmente el concentrado se calienta hasta 750ºC en un tostador para liberar parte del azufre como dióxido de azufre y convertir parte del sulfuro de hierro en óxido de hierro. La cantidad de azufre liberado es variable y normalmente se lleva a cabo hasta eliminar la mitad del contenido. En presencia con un adecuado fundente silíceo se funde el calcinado procedente del tostador a temperatura de 1230º. En estas condiciones se elimina la mayor parte del

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Procesos de extracción y obtención

azufre y los óxidos de hierros formados en el tostador que se combinan con el fundente para formar la escoria, mientras que el cobre y el níquel quedan como sulfuros fundidos. En la tercera y última etapa, conversión, una mezcla de la mata del horno y fundente silíceo es insuflada con aire para eliminar el sulfuro de hierro remanente. La mata, una vez insuflada, es una mezcla de níquel cobre y azufre con pequeñas cantidades de hierro, cobalto, oxígeno y selenio, que asimismo contiene pequeñas cantidades de metales preciosos presentes en el mineral. Es esencial que la oxidación y formación de escorias se lleven por etapas perfectamente controladas. Pues si la oxidación se pasa puede ocurrir que además del hierro se oxide parte del níquel y forme parte de la escoria, originando pérdidas. En la Figura 3 se puede observar un esquema de todo el proceso.

2.2. Proceso hidrometalúrgico. Los procesos hidrometalúrgicos para tratar concentrados en de base de sulfato y base de cloruro. Por ambas vías se consigue solubilizar el níquel y recuperarlo de la disolución. Los procesos de base de sulfato se basan en la lixividación sulfúrica atmosférica o a presión y por cloruración en medio ácido. Este proceso es poco aplicado. El proceso que más se usa es el de lixividación amoniacal a presión, llamado proceso Sherritt-Gordon, a 85ºC y 10 atm de presión en solución de sulfato de amonio se solubiliza el níquel, cobalto y cobre mientras que el hierro queda insoluble. La solución se somete a ebullición eliminándose el amoniaco. Una vez filtrada la solución se calienta hasta 200ºC en una atmósfera oxidante. La solución clarificada se reduce en un reactor a 200ºC con hidrógeno para precipitar el níquel en polvo. En estas condiciones precipita el 80-90% del níquel, lo que evita que se contamine el cobalto, el cual también se extrae con solventes orgánicos. En la Figura 4 se puede apreciar un esquema de todo el proceso de hidrometalurgia.

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Procesos de extracción y obtención

FIGURA 3. ESQUEMA DEL PROCESO PIROMETALÚRGICO.

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Procesos de extracción y obtención

FIGURA 4. ESQUEMA DEL PROCESO HIDROMETALÚRGICO.

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Procesos de extracción y obtención

2.3. Técnicas de refino. El objeto de los procesos de refino no es sólo eliminar la mayor o menor parte de las impurezas, sino también recuperar aquellas que puedan ser comercializadas económicamente. Entre los productores de níquel, la prácticas del refino varía considerablemente, y entre los factores que influyen en el mismo, el más importante es la disponibilidad de energía más económico. Las impurezas más perjudiciales para el níquel o sus aleaciones son aquellas que modifican considerablemente sus propiedades mecánicas. Podemos encontrarnos dos formas para refinar el níquel, que es mediante electrólisis o el proceso Mond. Se ha de tener en cuenta que un refino electrolítico puede englobar una etapa de lixiviación, por tanto es muy fácil de usar en el proceso de hidrometalurgia. La electrólisis, en la figura 5 se muestra un esquema simplificado del proceso de electrólisis, es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la electricidad. Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergidos en la disolución. Cada electrodo atrae a los iones de carga opuesta. Así, los iones negativos, o aniones son atraídos y se desplazan hacia el ánodo (electrodo positivo), mientras que los iones positivos, o cationes, son atraídos y se desplazan hacia el cátodo (electrodo negativo). En los electrodos se produce una transferencia de electrones entre éstos y los iones, produciéndose nuevas sustancias. Los iones negativos o aniones ceden electrones al cátodo (+) y los iones positivos o cationes toman electrones del ánodo (-).

FIGURA 5. PROCESO DE ELECTRÓLISIS.

El proceso Mond se trata de una reacción química entre el níquel a una temperatura de 60º con monóxido de carbono gas, para formar un gas carente de color, el tetracarboniloníquel. Dicho compuesto es altamente tóxico, y al calentarse por encima de los 200ºC, el equilibrio anterior se desplaza en dirección contraria, depositándose níquel metálico con una pureza de alrededor de 99.95%. Grupo 3

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Características principales

3. Características principales. Los metales de transición, también llamados elementos de transición es el grupo al que pertenece el níquel. En este grupo de elementos químicos donde se ubica el níquel, se encuentran aquellos situados en la parte central de la tabla periódica, concretamente en el bloque d. Entre las características que tiene el níquel, así como las del resto de metales de transición se encuentra la de incluir en su configuración electrónica el orbital d, parcialmente lleno de electrones. Propiedades de este tipo de metales son su elevada dureza, el tener puntos de ebullición y fusión elevados y ser buenos conductores de la electricidad y el calor. El símbolo químico del níquel es Ni, siendo su número atómico el 28 (grupo 10, periodo 4). Así, definimos al níquel como un metal de transición de aspecto lustroso metálico, de color blanco plateado con un ligero toque dorado, aunque cuando está finamente dividido es de color negro, pudiendo presentar un intenso brillo. El estado de este elemento en su forma natural es sólido. El sistema de cristalización del Níquel es cúbico centrado en las caras (fcc), careciendo durante todo el rango de temperaturas en estado sólido de variedades alotrópicas. Esta característica elimina un posible dimensionamiento del material a una dilatación/contracción por el cambio de sistema. De este modo, establecemos que el níquel se presenta con una densa red cristalina cúbica (beta-níquel) o, excepcionalmente, con una configuración hexagonal menos estable (alfa-níquel). En la naturaleza, el níquel en su forma más pura es en realidad una mezcla de 5 isótopos diferentes, no obstante, se conocen otros 9 isótopos de níquel más; es sólo moderadamente radiactivo. Los 5 isótopos estables del níquel son 58 Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni y 64Ni. El níquel es un material dúctil, por lo que tiene una prolongada zona plástica. Esta propiedad es importante ya que el estiramiento en forma de láminas e hilos se basa en las propiedades plásticas de deformación del material, es decir, es muy maleable, por lo que se puede laminar, pulir y forjar fácilmente.

FIGURA 6. DIFERENCIA ENTRE MATERIAL FRÁGIL Y MATERIAL DÚCTIL.

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Características principales

En el caso del 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 y no romper inmediatamente como un material frágil (como una cerámica), así podemos estirarlo en planchas o en hilos con mayor o menor dificultad según condicionantes de temperatura, tratamientos térmicos, y elementos aleados en él. Otros factores a tener en cuenta son la capacidad de estricción entre 50% y 75%, y el alargamiento entre 40% y 65%. La resiliencia es la energía que es capaz de absorber el material, mientras está en la zona elástica (15 kg/mm2), en el caso del níquel como material dúctil tiene la capacidad de absorber una buena cantidad de energía antes de que deformaciones y esfuerzos no tengan una dependencia lineal.

FIGURA 7. RESILIENCIA DEL NÍQUEL EN COMPARACIÓN CON OTROS MATERIALES.

En la zona elástica, alargamientos y tensiones son proporcionales según una constante E (módulo de Young = 21.000 kg/mm2), la cual varía sustancialmente según la temperatura. La dureza, que es la resistencia que ejerce el material a ser rayado, no es elevada en el níquel ya que es rayado sin excesiva dificultad, en la escala Mohs tiene un 4 sobre 10 (110 HB en estado puro), la cual varía bastante según la aleación y los elementos aleantes. Un elemento muy perjudicial para el níquel es el azufre puesto que hace que sus propiedades mecánicas de dureza se ven reducidas, por ello se somete a un proceso de desulfuración. Es un metal altamente denso, como el hierro, el iridio y el osmio, con una densidad de 8908 kg/m3. En lo relacionado con las propiedades físicas el níquel es un material conductor, del calor (90,7 W·m-1K-1) y de la electricidad (14,3·106 m-1Ω-1), aunque lejos de los más conductores como cobre y plata, los cuales tienen cerca de 4.5 veces más poder de conducción eléctrico. En lo referente a dilatación térmica está en torno a 13.10-6 °C-1, la cual no es muy elevada, pero sí hay que tenerla en cuenta en la fabricación de piezas de gran longitud, como vías de tren, ya que tiene una gran importancia este coeficiente. Grupo 3

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Características principales

Debido a su elevado punto de fusión el níquel se comporta bien a altas temperaturas, siendo estable sin aparecer el fenómeno de fluencia. Otro tipo de propiedades son las de carácter magnético, capacidad que tienen para crear campos magnéticos, debido a la existencia de electrones desapareados en los metales de transición provocando un ordenamiento tridimensional. A estos materiales se les llama ferromagnéticos (se pegan a los imanes), los cuales tienen permeabilidades muy superiores a la del vacío (µ0=4π.10-7T.m/A) varios órdenes de magnitud superiores, y por lo tanto atraen el campo magnético hacia el interior, evitando que el flujo magnético se disperse por el aire, siendo muy útiles en circuitos magnéticos. En el caso del níquel puro, la temperatura de Curie 633K (360°C), es el cambio de ferromagnético a amagnético, es decir, pierde todas sus propiedades magnéticas al superar dicha temperatura, mientras que cuanto más lo enfriemos mejor conductor se vuelve y mejor son sus propiedades magnéticas, siendo ferromagnético a temperatura ambiente. El níquel metálico no es muy activo químicamente. Reacciona con el cloro, oxígeno y azufre. Muchos compuestos de níquel son de color verde y son solubles en agua. Además, es soluble en ácido nítrico diluido, y se convierte en pasivo (no reactivo) en ácido nítrico concentrado. No reacciona con los álcalis. Resiste la corrosión alcalina y no se inflama en trozos grandes, pero los alambres muy finos pueden incendiarse. Está por encima del hidrógeno en la serie electroquímica; se disuelve con lentitud en ácidos diluidos liberando hidrógeno. En forma metálica es un agente reductor fuerte. El níquel tiene resistencia a la corrosión y a la oxidación, reaccionando con dificultad en medios agresivos; no sufre el llamado efecto "galleo" el cual sí padece el cobre, por ejemplo. Su estado de oxidación más normal es +2. Puede presentar otros, se han observado estados de oxidación 0, +1 y +3 en complejos, pero son muy poco característicos. Es aleado con hierro para proporcionar tenacidad y resistencia a la corrosión. Cabe señalar que su buena resistencia a la corrosión también es apreciable en ambientes acuosos y marinos, aunque cuando trabajamos en atmósferas sulfúricas el níquel se degrada formando un eutéctico SNi-Ni. El níquel es dispositivo en sus compuestos, pero también puede existir en los estados de oxidación 0, 1+, 3+, 4+, como ya se comentó anteriormente. Además de los compuestos simples o sales, el níquel forma una variedad de compuestos de coordinación o complejos. La mayor parte de los compuestos de níquel son verdes o azules a causa de la hidratación o de la unión de otros ligados al metal. El ion níquel presente en soluciones acuosas de compuestos simples es a su vez un complejo, el [Ni(H2O)6]2+.

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Características principales

A continuación, se presenta una tabla donde se recogen las principales características del níquel, a modo de resumen:

Características del Níquel Símbolo químico

Ni

Número atómico

28

Grupo

10

Periodo

4

Bloque

d

Aspecto

lustroso metálico - plateado

Densidad

8908 kg/m3

Volumen atómico

6.59 cm3/mol

Radio medio

135 pm

Radio atómico

149 pm

Radio covalente

121 pm

Radio de van der Waals

163 pm

Energía de ionización

737 kJ/mol

Configuración electrónica

[Ar]3d84s2

Límite de rotura

47kg/mm2

Estados de oxidación

+3, +2, 0

Óxido

levemente básico

Estructura cristalina

cúbica centrada en las caras

Estado

sólido

Módulo de Young

2.1 GPa

Coeficiente de Poisson

0.31

Punto de fusión

1728 K (1455°C)

Punto de ebullición

3003K (2730°C)

Calor de fusión

17.47 kJ/mol

Presión de vapor

237 Pa a 1726K

Electronegatividad

1.91

Afinidad electrónica

112 kJ/mol

Calor específico

440 J/(K·kg)

Conductividad eléctrica

14,3 × 106S/m

Conductividad térmica

90.7 W/(K·m)

Resistividad eléctrica

0.078Ωmm2/m

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Usos principales

4. Usos principales. Según las características del níquel, estos son sus principales usos. Resistencia a la corrosión. Debido a su propiedad anticorrosiva se usa como un revestimiento especial aplicado al acero común para darle características "inoxidables". Aceros comunes, e incluso otros metales, son a menudo cubiertos o “bañados” con este metal blanco para proteger sus superficies o darles otras características superficiales. El recubrimiento se realiza generalmente mediante electro deposición, que es un proceso electroquímico de chapado donde los cationes metálicos contenidos en una solución acuosa se depositan en una capa sobre un objeto conductor. El niquelado es otra técnica empleada para recubrir otros metales. El níquel se suele emplear más a menudo con objetos de acero. Un recubrimiento duradero se consigue mediante un primer revestimiento con una gruesa capa de cobre, como capa intermedia para mejorar adherencia del acero y el níquel. A continuación, una capa más delgada de níquel. En general le da un aspecto brillante y lo hace altamente resistente a la suciedad y a la oxidación. Mientras que estos baños tienen sus propias ventajas y son muy utilizados, el peligro radica en que la capa puede ser dañada o deteriorarse de algún modo, lo que anularía su efecto protector. La apariencia del acero inoxidable puede, sin embargo, variar y dependerá de la manera en que esté fabricado y de su acabado superficial. Ofrecen resistencia a la corrosión en medios neutros y de reducción al igual que en atmósferas de oxidación lo cual hace que en el medio de oxidación se permita la formación pasiva de una capa de óxido. Está capa de óxido ayuda al material a tener excelente resistencia en ambientes cáusticos. La resistencia del níquel a la corrosión en agua destilada y natural es excelente. Destacan los aceros inoxidables austeníticos, el níquel es esencial puesto que al ser un metal gammágeno estabiliza la austenita le confiere la propiedad de dureza, fabricabilidad, resistencia a la corrosión atmosférica y resistencia a muchos compuestos orgánicos e inorgánicos. Alta conductividad eléctrica - Resistencia a altas temperaturas. Son capaces de fundamentalmente transportar corriente eléctrica con baja pérdida, tienen una estructura con muchos electrones con vínculos débiles, y esto permite su movimiento.

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Usos principales

La aleación níquel-titanio presenta el fenómeno de efecto térmico de memoria (metales) y se usa en robótica, también se utilizan en Baterías o Pilas Recargables NiCd Como recubrimiento. La estructura es resistente al calor con unos límites de grano fuertes, presentando punto de fusión entre 2615° - 2635° F aproximadamente. Las piezas sometidas a altas temperaturas de trabajo y una atmósfera corrosiva (como en la región de alta presión de la turbina de motores a reacción) se recubren con diversos tipos de revestimiento. Principalmente dos tipos de proceso de recubrimiento se aplican: proceso de cementación en paquete y el recubrimiento en fase gaseosa, ambos son un tipo de deposición química de vapor. Aplicaciones típicas son en el sector aeroespacial, de turbinas de gas industrial y la industria de turbinas marinas, por ejemplo, alabes para las secciones calientes de los motores a reacción, y válvulas bi-metálicos de motor para su uso en motores diéseles y aplicaciones de automoción. Muy dúctil y maleable. Por lo que se puede laminar, pulir y forjar fácilmente por lo que se utiliza en piezas de automóviles, como ejes, cigüeñales, engranajes, llaves y varillas, en repuestos de maquinaria y en placas para blindajes. Ferromagnetismo a temperatura ambiental. Su principal uso según esta característica se presenta en la fabricación de imanes Álnico, compuesto por aleación formada principalmente de cobalto, aluminio y níquel, pueden ser magnetizados para producir campos magnéticos intensos y son ampliamente utilizados en aplicaciones industriales y de consumo donde se necesitan fuertes imanes permanentes; como en los motores eléctricos, las pastillas de guitarra eléctrica, micrófonos, sensores, altavoces, y los imanes de herradura. Las propiedades magnéticas de níquel en realidad hacen que sea un material muy importante para fabricar discos duros de ordenador. Capacidad de formar aleaciones. Su gran utilidad reside en su excelente capacidad para formar aleaciones, utilizándose en la elaboración de toda clase de aleaciones resistentes a la corrosión y productos de acero inoxidable. Se utiliza en aleaciones duras, maleables y resistentes a la corrosión, en niquelados y plateados, para monedas, catalizadores, instrumental químico y equipos de laboratorio, en pilas termoeléctricas, acumuladores de níquelcadmio y sustancias magnéticas.

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Usos principales

Los compuestos más importantes son: -

El tetracarbonilo de níquel es sumamente venenoso y forma mezclas explosivas con el aire. A partir de él se obtiene níquel de máxima pureza.

-

El óxido de níquel polvo gris-verdoso insoluble en agua; se emplea para dar tonalidad gris al vidrio y para fabricar catalizadores de níquel que se usan en procesos de hidrogenación.

-

El cloruro de níquel se utiliza como colorante de la cerámica, para la fabricación de catalizadores en hidrogenaciones para obtención de margarinas y grasas sólidas a partir de aceites líquidos, y para el niquelado galvánico.

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Aplicaciones y nuevas tendencias

Aplicaciones y nuevas tendencias.

5.1. Aplicaciones. Dentro de sus aplicaciones, el 65% es usado para la fabricación del acero inoxidable austenítico y el 12% para superaleaciones de níquel. El otro 23% se usa para otras aleaciones, baterías recargables, catálisis, acuñación de monedas, recubrimientos metálicos y fundiciones. Tiene especial importancia su uso en aleaciones cuando interesa controlar la dilatación, conferir propiedades metálicas especiales, propiedades magnéticas específicas o disminuir la conductividad eléctrica. El níquel finalmente dividido absorbe 17 veces su volumen de hidrógeno y se usa como catalizador en muchos procesos, incluyendo los de hidrogenación de petróleos.

5.1.1. Acero inoxidable. Sin lugar a dudas la mayor aplicación es para el uso de acero inoxidable, también conocidos como austeníticos, con hasta un 7% de contenido de Ni en ellos. Son los que tienen mayor aceptabilidad en el mercado. Comenzó con su uso para cuchillos y menaje de cocina, y llegó hasta muebles, ascensores o vagones de metro.

5.1.2. Superaleaciones de níquel. Su característica principal es la alta resistencia a la corrosión, a altas temperaturas, a la termofluencia y a las vibraciones. Se fabrican fundiendo una pieza de níquel añadiendo cromo (protege de la corrosión) un poco de titanio (incrementa dureza) y otra pequeña cantidad de aluminio. Tienen como característica la resistencia a tracción y a oxidación a altas temperaturas. Se usa para el campo de la aeronáutica. Estas superaleaciones se dividen en tres grupos: -

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Nimonic: níquel + titanio. Destaca el Nimonic 80 por ser el primero en aparecer y caracterizada por el endurecimiento por precipitación. También el Nimonic 90 con muy pequeñas cantidades de hierro y cobalto, usada para motores de reacción, por tener buenas características para ello. Página 20

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Aplicaciones y nuevas tendencias

-

Inconel: 76% Ni, 16% Cr y 8%Fe. Combina resistencia a corrosión, a altas temperaturas y a fatiga térmica sin volverse frágil. Usada para escapes, hornos y motores de avión y tubos de protección.

-

Hastelloy: Ni+Mb+Cr+Carbón. De los pocos que soportan la corrosión a gas húmedo, hipoclorito y dióxido de cloro. Uso en evaporadores, transporte de ácidos, reactores y accesorios de la industria química.

5.1.3. Otros usos. Principalmente se usa como protector y revestido ornamental de metales que son susceptibles de corrosión (Fe, aluminio y acero). Aporta dureza y resistencia a corrosión. A continuación nombramos varios tipos de níquel junto al uso que se suele dar a cada uno de ellos: -

Cuproníquel se usa también para acuñación de monedas, aunque también se usa el níquel puro.

-

Alnico: aleación usada para imanes

-

Ni-metal: apantallar campos magnéticos, ya que tienen alta permeabilidad magnética.

-

Aleación Ni-Cobre (Monel), es muy resistente a la corrosión, así, se usa en motores marino y en la industria química.

-

Ni-Ti (nitinol-55) presenta el efecto térmico de memoria y se usa en robótica, o tienen superplasticidad. Se usa para músculos robóticos, pues se contrae con el calor y produce un movimiento térmico 100 veces mayor que otros.

-

Níquel Raney, es un catalizador de la hidrogenación de aceites vegetales.

-

Acero de níquel, se usa para piezas de automóviles, como cigüeñales, engranajes, válvulas, rodamientos, etc.

-

Ni-Cd, níquel cadmio para baterías

-

Invar

-

Plata alemana

-

Crisoles de los laboratorios químicos

Otros campos de la industria en los que se usa el níquel son: - Blanqueamiento: Se usa también para blanquear a otros metales, ya que es un metal blanco, mate y suave al tacto, dándole a otros metales una apariencia plateada con poco porcentaje en masa. - Joyería: También se usa en joyería aunque no se recomienda su uso ya que es cancerígeno y es altamente tóxico, siendo vetado en numerosos estados. Hay aleaciones Grupo 3

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Aplicaciones y nuevas tendencias

en las que no es peligroso usarlo, con un aproximadamente 13% en masa, ya que es aleado con acero inoxidable y estos aceros no son peligrosos porque son inertes químicamente y no reaccionan. Pero...cuidado porque los recubrimientos de níquel típicos de las bisuterías de fantasía pueden ser muy peligrosos y altamente tóxicos, generando alergia o infección. - Criogenia: Elementos de precisión para la criogenia (técnica para enfriar un material a la temperatura de ebullición del nitrógeno o incluso más bajas). - Industria dental: También se recomienda para piezas de la industria dental, por su alta flexibilidad.

5.2. Depósitos y cotización del níquel. Los mayores depósitos de níquel se encuentran en Canadá y se han descubierto ricos yacimientos en el norte de Quebec en 1957. Le siguen en importancia como productores de níquel, Cuba, Puerto Rico, la antigua Unión Soviética (URSS), China y Australia. La producción mundial minera de níquel alcanzó en 1991 unas 923.000 Tm. Los actuales precios del Níquel están a punto de volver no rentable la producción y exportación de este metal. Su rentabilidad ha caído más del 300 por ciento. Así lo demuestra su cotización actual, la cual mostramos a continuación. Mostramos la actualizada a día 22 de abril de 2015.

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Aplicaciones y nuevas tendencias

FIGURA 8. COTIZACIÓN DEL NÍQUEL, 22 ABRIL 2015.

Y su variación durante el mes de abril:

FIGURA 9. VARIACIÓN DE LA COTIZACIÓN DEL NÍQUEL, ABRIL 2015.

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5.3.

Aplicaciones y nuevas tendencias

Nuevas tendencias.

Algunas de las aplicaciones prometedoras son: Industria automovilística: El uso de acero de níquel para las baterías de coches híbridos y eléctricos, con lo que el níquel aporta su granito de arena a la protección del medio ambiente. Además, el níquel es usado para la fabricación de los tanques de combustible automovilísticos, siendo impermeable a los gases y evitando la emisión de gases tipo invernadero al medio ambiente. Baterías: A la batería de Ni-Fe, después de más de un siglo de su descubrimiento, se le ha querido dar una nueva vida, una tecnología de baterías recargables a las que se le ha querido dar una mayor velocidad de carga y descarga, como añadido a su durabilidad natural, que se ha logrado aumentar hasta 1.000 veces más. Los especialistas de Stanford han creado baterías de níquel-hierro ultrarrápidas, que se pueden cargar completamente en aproximadamente dos minutos y se descargan en menos de 30 segundos. Para su mejora se ha usado grafeno y nanotubos de carbono. Esta técnica produjo una unión química fuerte entre las partículas de metal y los nanotubos de carbono, que tuvo un efecto trascendental en el incremento del rendimiento de las baterías. El objetivo de los investigadores es desarrollar una batería más grande, que pueda ser utilizada para la red eléctrica, el transporte público o los coches eléctricos. Hasta ahora no se puede llegar al abastecimiento independiente de ellas para coches eléctricos por ejemplo, pero puede usarse con la combinación de batería de litio-ion. La pila de combustible de electrolito de polímero PEFC, un invento revolucionario. La pila está compuesta por un polímero conductor de hidróxido de iones, polisulfona de amonio cuaternario, un electrolito alcalino, además de cromo, níquel y plata. Permiten conversión de energía de una reacción química en energía eléctrica. Tiene alta eficiencia y poca contaminación, resistencia a gases, arranque rápido y proporcionan altas densidades de corriente. Se usan cuando tenemos el hidrógeno puro como combustible. Batería de Níquel-sodio (empresa GE): Produce un nuevo tipo de batería que usa sodio y níquel. GE afirma que la tecnología, que es más duradera y carga más rápido que las baterías de plomo y ácido, harán que la generación de electricidad fuera de la red eléctrica general sea más eficiente, y ayudará a las eléctricas integrar electricidad proveniente de una amplia variedad de fuentes, incluyendo algunas intermitentes como la energía eólica y la solar.

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“El coste de la electricidad va a bajar porque la batería de GE dará a las plantas eléctricas la posibilidad de usar una multitud de tecnologías distintas al mismo tiempo”, explicó el director general de GE, Jeffrey Immelt a un grupo de periodistas en la inauguración de la planta. Sin embargo, sus primeras aplicaciones serán un poco menos ambiciosas. El primer cliente de GE es una empresa sudafricana, Megatron Federal, que usará las baterías para suministrar energía a las antenas para móviles en Nigeria que suelen recibir su energía de generadores diésel. Emparejar los generadores con las nuevas baterías hará que éstos funcionen de una forma mucho más eficiente. “Ahorras un 53 por ciento en combustible, un 45 por ciento en mantenimiento y aproximadamente un 60 por ciento en repuestos para el generador”, afirma Brandon Harcus, gerente de la división de telecomunicaciones para Megatron Federal. “Para nuestra instalación en Nigeria el ahorro es sustancial, aproximadamente 1,3 millones de dólares (aproximadamente un millón de euros) en 20 años por cada antena. Se usa mucho menos combustible y se produce mucho menos dióxido de carbono”. Para esta aplicación la batería tiene dos ventajas principales respecto a las baterías de plomo y ácido que suelen servir de apoyo a los generadores. Se recarga más rápido, unas dos horas comparadas con las 10 horas que tardan las baterías de plomo y ácido. Y, al contrario que muchas otras baterías, la batería de GE no requiere aire acondicionado, lo que sirve para reducir el consumo de combustible en la instalación. Además de este uso como fuente de energía para las antenas para móviles, las baterías también podrían usarse para almacenar electricidad de las turbinas eólicas y los paneles solares y así equilibrar las fluctuaciones en el suministro que se dan en estas fuentes de energía. GE afirma que también se pueden usar en microrredes, pequeñas redes eléctricas, que suelen ser del tamaño de un pueblo o una base militar y están diseñadas para operar independientemente de la red eléctrica general y proporcionar electricidad con la misma calidad que la de la red general. Las baterías son más caras por kilovatio hora que las baterías de plomo y ácido pero se espera que duren más, especialmente en aplicaciones en las que las baterías se descargan completamente con regularidad, algo que deteriora las baterías de plomo y ácido. En algunas aplicaciones las baterías de plomo y ácido duran tan solo seis meses. Diseñadas para descargarse completamente al menos 3.500 veces, las baterías de sodio y níquel de GE podrían durar una década de cargas y descargas completas diarias. La tecnología básica de la batería, denominada sodio haluro metálico surgió en Sudáfrica hace décadas y se desarrolló para usar en aplicaciones de transporte en la década de 1980 después de la crisis del petróleo. Hubo un momento en el que se usó para hacer funcionar un Mercedes de prueba. Pero la tecnología quedó un poco relegada cuando los precios del crudo cayeron y decayó el interés por buscar alternativas a los coches movidos por petróleo. GE adquirió la tecnología en 2007 y sus laboratorios de investigación la mejoraron mediante un análisis concienzudo de los materiales y “afinando mucho” el diseño, afirma Sandos Hollo, director de tecnología para GE Energy Storage. La clave de la tecnología es un material electrolítico cerámico que separa los electrodos. Durante la carga, iones de cloro se liberan del cloruro de sodio y se combinan con el níquel para producir cloruro de níquel. Los iones de sodio que quedan se trasladan por el electrolito hasta una reserva. Cuando la batería genera energía, los iones se vuelven a mover por el electrodo y la acción se revierte. El proceso tiene lugar a unos 300 ºC dentro de un contenedor aislado. Grupo 3

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Níquel químico con composite (níquel químico y níquel PTFE): En el caso de níquel químico con composite incorpora partículas ocluidas en una proporción del 20-25% en volumen en sus depósitos uniformemente distribuida en toda la matriz de níquel. Las partículas confieren al depósito propiedades específicas en función del composite elegido. Tipos de composite: PTFE, carburo de silicio, diamante y nitruro de boro. El níquel PTFE es el más utilizado por sus propiedades lubricantes y antiadherentes mientras que el composite de carburo de silicio y diamante se utiliza para mejorar la resistencia al desgaste. En composite de nitruro de boro codepositado en una matriz de níquel de bajo a medio contenido en fósforo, las partículas de nitruro de boro puede soportar hasta 3.000 °C (teniendo en cuenta que el punto de fusión de la matriz de níquel es de 890 °C). La versatilidad de este tipo de recubrimientos ofrecen un abanico de posibilidades a problemas técnicos específicos, la deposición uniforme de espesores 0,15-300 µ sobre cualquier sustrato y geometría aseguran que este recubrimiento tenga una demanda creciente.

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Bibliografía

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