El níquel es un metal de transición de color blanquecino que posee una gran ductilidad y maleabilidad, por lo que se trabaja con bastante facilidad. Como todos los metales, se caracteriza por ser un buen conductor del calor y de la electricidad, pero además, como el hierro y el cobalto, presenta carácter ferromagnético a temperatura ambiente. Es decir, sus átomos poseen momento magnético no nulo en ausencia de campos magnéticos, por lo que a menudo esta propiedad tiene aplicaciones importantes.
El níquel es relativamente abundante en la corteza terrestre. Se extrae por procesos convencionales de tostación de sulfuros a partir de sus menas minerales. Con este método no se obtiene níquel de mucha pureza, pero es suficiente para muchas aplicaciones en las que se combina con el hierro. No obstante, se puede obtener níquel de alta pureza gracias al método de Mond, partiendo de óxido de níquel que se transforma en níquel metálico con impurezas a partir de gas de síntesis para posteriormente producir un complejo de níquel con monóxido de carbono que elimina todas las impurezas y del que se puede recuperar el níquel metálico de alta pureza. El proceso se puede expresar mediante estas tres reacciones químicas:
NiO + H2 ⟶ Ni + H2O [4.8]
Ni + 4 CO ⟶ Ni(CO)4 [4.9]
Ni(CO)4 ⟶ Ni + 4 CO [4.10]
El níquel puro no se emplea en la mayoría de las aplicaciones, a excepción de cuando se fabrica en un polvo dividido muy finamente, lo que se conoce como níquel Raney, que se usa como catalizador en síntesis orgánica. En concreto, se desarrolló como catalizador de reacciones de hidrogenación de grasas vegetales para la producción de margarinas. En cambio, sí hay muchas aplicaciones que cuentan con el níquel como metal de aleación, tanto como elemento mayoritario como en pequeñas proporciones. Participando como elemento minoritario ya vimos que, aparte del cromo, el níquel era uno de los principales metales de aleación de los aceros inoxidables. Este uso representa con diferencia el mayor consumo de la producción de níquel.
En este grupo podría destacarse a las aleaciones denominadas álnico, que se usan para fabricar imanes permanentes aprovechando el carácter ferromagnético del hierro, el cobalto y el níquel. Tal y como indica su nombre, se trata de aleaciones férreas que además contienen aluminio, níquel y cobalto, siendo uno de estos dos elementos el que se encuentra en mayor proporción por detrás del hierro. También dentro de las aleaciones férreas encontramos otros ejemplos notables como el invar (64% hierro y 34% níquel) y el elinvar (originalmente 52% de hierro, 36% de níquel y 12% de cromo), desarrolladas por el suizo C. E. Guillaume hace más de cien años y que se caracterizan, respectivamente, por un coeficiente de dilatación térmica especialmente bajo y por un módulo de Young prácticamente constante con la temperatura[1].
Cuando el níquel es el elemento mayoritario también podemos encontrar muchas aleaciones representativas. Monel es el nombre genérico de unas aleaciones de níquel y cobre, en proporción aproximada de 2:1 en peso, que se caracterizan por ser extremadamente resistentes a la corrosión y tener una buena conductividad térmica y una alta resistencia a los impactos, por lo que se usan mucho en los intercambiadores de calor. El permalloy (80% de níquel y 20% de hierro) es una aleación magnética con una permeabilidad muy alta, especialmente adecuada para los núcleos magnéticos de muchos dispositivos eléctricos y electrónicos. Otras aplicaciones del níquel incluyen su uso como material en baterías recargables, su aplicación en joyería, aunque está cada vez más en desuso, y en la acuñación de monedas.
Aparte de las aplicaciones que ya hemos comentado, hay una que es especialmente relevante en el caso del níquel, relacionada con las altas temperaturas. Ya hemos visto que para las aleaciones invar y elinvar el principal atractivo es que las propiedades de la aleación se mantienen a temperaturas más elevadas de lo normal, y además hemos dicho que otras aleaciones que contienen níquel son muy resistentes tanto a la oxidación como a la corrosión (lo cual no siempre ocurre, como hemos señalado en el caso del aluminio, que es muy resistente a la oxidación pero muy vulnerable a la corrosión). Estas aleaciones, o más bien superlaciones, han encontrado importantes aplicaciones en la industria aeroespacial moderna. Se denomina genéricamente superaleación a aquella que, además de presentar unas buenas propiedades mecánicas en general y ser resistente a la oxidación y la corrosión, es capaz de soportar altas temperaturas de trabajo sin perder esas propiedades excelentes.
En concreto, cuando un material se encuentra a una temperatura relativamente alta con respecto a su punto de fusión, tiene cierta tendencia a deformarse lenta y espontáneamente incluso en ausencia de cargas externas, siendo posible alcanzar el régimen plástico e incluso llegar a la rotura. A este fenómeno se le conoce como fluencia y en determinadas aplicaciones es la causa principal de fallo en servicio de una pieza. Se trata de aplicaciones en las que los materiales trabajan a temperaturas elevadas, ya que no es un fenómeno que se observe a temperatura ambiente en la mayoría de los metales, cuyos puntos de fusión están por encima de los 1000 oC. Sin embargo, cuando las temperaturas de trabajo están por encima de la mitad del punto de fusión, sí es un efecto que hay que tener muy en cuenta. Hay que destacar también que se da un fenómeno equivalente cuando el material está sometido a una tensión estática prolongada en el tiempo con independencia de la temperatura de trabajo. Como vemos en la figura 2.12 el proceso de fluencia hasta la rotura consta de tres etapas bien definidas en las que la deformación en función del tiempo crece de tres formas cualitativamente distintas, tal como se indica. Este fenómeno ha sido estudiado en profundidad y cada uno de los regímenes se corresponde con un mecanismo distinto de deformación en el que las dislocaciones y las fronteras de grano juegan un papel fundamental[3].
Como hemos visto, el níquel es un metal idóneo para las aplicaciones a alta temperatura, ya que tiene unas propiedades térmicas muy estables. Pese a que su punto de fusión (1455 oC) es menor que el de los metales refractarios, sus buenas propiedades mecánicas se mantienen a temperaturas de trabajo de hasta 1000 oC. El ejemplo más típico de trabajo a alta temperatura en el que controlar la fluencia es fundamental es el de los álabes de una turbina de avión, ya que, al estar contenidos en un tambor de forma muy ajustada, cualquier deformación en los álabes puede tener consecuencias nefastas para el funcionamiento. Se ha demostrado que las superaleaciones de níquel formadas mayoritariamente por este metal y cantidades menores de aluminio o titanio son las más adecuadas. A partir de la década de 1970, cuando los ingenieros ya habían determinado las composiciones óptimas de estas superaleaciones, centraron sus esfuerzos en el procesado de las mismas para mejorar aún más sus propiedades.
Actualmente se sabe que los álabes y piezas de las turbinas hechos de un solo cristal (un monocristal) son las más adecuadas para evitar la fluencia. Este hecho es una notable excepción en la ciencia de materiales, ya que casi todas las propiedades mecánicas se ven mejoradas cuanto más pequeño es el tamaño medio de grano de las piezas, que normalmente son de naturaleza policristalina. Sorprendentemente, en la fluencia ocurre lo contrario, tal y como se indica en la figura 2.13, donde se muestran tres piezas junto con sus correspondientes microestructuras y sus curvas de fluencia aproximadas. Vemos que el comportamiento mecánico en lo que respecta a la fluencia es mucho mejor en la pieza monocristalina que en la policristalina, siendo la que se procesa en granos aciculares paralelos un caso intermedio en cuanto a rendimiento.
[1] Cabe mencionar que Guillaume recibió el premio Nobel de Física en 1920 por el desarrollo de estas aleaciones con un coeficiente de dilatación térmico excepcionalmente bajo.
[2] La gráfica con la curva general de fluencia se ha tomado de L. E. Murr. Handbook of Materials Structures, Properties, Processing and Performance. Springer (2014). El esquema con la influencia de temperatura y tensión, de W. D. Callister Jr. Materials Science and Engineering: An introduction. 7ª ed. John Wiley & Sons (2007).
[3] Para una descripción más detallada pueden consultarte textos específicos de propiedades mecánicas como el capítulo 11 en J. Rösler et al. Mechanical Behaviour of Engineering Materials. Springer (2007).
[4] Figura adaptada de H. Dong. AIP Conf. Proc. 1045 (2008) 51. https://doi.org/10.1063/1.2991350.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/ .
