Metalli e materiali per basse temperature ed applicazioni criogeniche
Molti settori richiedono materiali in grado di resistere al freddo estremo. Non facciamo riferimento solamente alle installazioni in regioni polari, che facilmente raggiungono i -40 °C. Temperature ben minori sono raggiunte spesso anche dalle attrezzature e dagli impianti in settori come la petrolchimica, la refrigerazione, e l’industria:
- -42 °C: propano liquido (industria, energia)
- -78 °C: anidride carbonica solida (agricoltura, industria)
- -162 °C: metano liquido (energia)
- -183 °C: ossigeno liquido (industria, medicina)
- -196 °C: azoto liquido (industria)
- -253 °C: idrogeno liquido (industria, energia)
- -270 °C: elio liquido (industria)
Alcuni materiali, duttili a temperatura ambiente, perdono bruscamente la propria duttilità al superamento di una certa soglia. I comuni acciai da costruzione, gli acciai inossidabili ferritici o martensitici (serie 400), ma anche ferro, cromo e tungsteno, diventano fragili già a temperature relativamente poco al di sotto dello zero. Metalli come rame, argento, oro, alluminio e nichel invece rimangono duttili anche a bassissime temperature. A questi elementi si aggiungono gli acciai austenitici.
Le differenti proprietà di questi materiali alle basse temperature dipendono da vari fattori, come la struttura cristallina, le dimensioni dei grani, la propensione ad assorbire elementi contaminanti dall’atmosfera, dai trattamenti termici, dall’inclusione di scorie, e dalle lavorazioni come fusione, saldatura, asportazione di truciolo, deformazione.
Materiali adatti all’uso fino a -45 °C
Questa prima soglia è importante poiché, oltre ad essere tipicamente il limite inferiore delle temperature naturalmente raggiunte sul pianeta, è anche la temperatura a cui si svolgono alcune lavorazioni industriali e alcuni processi chimici. Purtroppo, i comuni acciai da costruzione non sono più utilizzabili già a questo livello, sia per le loro caratteristiche intrinseche, sia perché non vengono solitamente effettuati test di durezza e resistenza alle basse temperature. Alcune acciaierie comunque dispongono di acciai al carbonio speciali per queste applicazioni. Si tratta principalmente di acciai bassolegati temprati e rinvenuti.
Quasi tutte le leghe di alluminio possono essere utilizzate a temperature fino a -45 °C, tranne le serie come la 7075-T6 e 7178-T6, e le leghe di titanio 13V-11Cr-3Al oppure 8Mn. Le leghe di rame e di nichel possono essere generalmente tutte utilizzate a queste temperature. Gli inox PH, ovvero gli acciai inossidabili indurenti per precipitazione non sono adatti a temperature al di sotto dei -20 °C, perché presentano infragilimento e cricche.
Materiali adatti all’uso fino a -75 °C
Alcuni acciai possono essere utilizzati a queste temperature, come gli acciai bassolegati, temprati e rinvenuti oppure gli acciai ferritici al nichel. La maggior parte degli acciai a basso tenore di carbonio (0,20-0,35%) martensitici possono essere utilizzate con sufficiente affidabilità. Molte di queste leghe contengono manganese, nichel, cromo, molibdeno e vanadio, e alcune zirconio e boro.
Materiali adatti all’uso fino a -100 °C
Acciai al 3,5% di nichel con basso tenore di carbonio sono spesso utilizzati in serbatoi di stoccaggio di gas liquidi a temperature fino a -100 °C. Anche molte leghe di alluminio, nichel, e titanio sono adatte a queste temperature. L’alluminio 7076-T6 può essere usato anche fino a -128 °C, ma non per applicazioni critiche.
Materiali adatti all’uso fino a -196 °C
Gli acciai inossidabili austenitici della serie 300 sono tutti adatti a lavorare fino a questo range di temperature. Anche gli acciai maraging con contenuti di nichel tra 20% e 25% e aggiunta di cobalto, molibdeno, titanio, alluminio, e niobio. Gli acciai maraging hanno ottime caratteristiche di malleabilità, tenacità e durezza, e vanno induriti ad una temperatura di soli 400 °C.
Molte leghe di alluminio, come il 2024-T6, 7039-T6 e 5456-H343 hanno un’eccellente resistenza alla frattura a -196 °C; anche il 2014-T6 ma con l’eccezione delle saldature. Altre leghe resistenti a temperature anche più basse sono la serie 5000 all’alluminio-magnesio, la 2219-T87 e la 6061-T6.
I materiali a base di nichel sono quasi tutte resistenti ai -196 °C. Le leghe di titanio come 5Al-2.5Sn-Ti, 6A1-4V-Ti e 8Al-2Cb-1Ta-TiY sono inoltre adatte, ma vanno mantenute libere da impurità come ossigeno, azoto, carbonio e ferro poiché causano infragilimento.
Materiali adatti all’uso a temperature inferiori a -196 °C
Queste temperature bassissime sono oggetto di molto interesse da parte dell’industria, poiché corrispondono alla temperatura alla quale liquefanno l’elio (-270 °C) e soprattutto l’idrogeno (-253 °C), promettente elemento per l’accumulo di energia e per i progetti di fusione nucleare.
Tra gli acciai, solo gli inossidabili austenitici altolegati sono adatti a queste temperature, come i 304 e 310. Se sono previste saldature, si raccomanda l’uso delle varianti a basso tenore di carbonio. Queste leghe contengono generalmente tra il 18% e il 21% di cromo e tra il 9% e il 14% di nichel.
Le leghe di alluminio utilizzabili alle temperature in gioco sono tipicamente nelle serie 2000 e 5000, oppure la lega 6061-T6. In particolare, le saldature su 2219-T87 hanno dimostrato un’eccellente resistenza alle fratture, mentre 5052-H38 e 5083-1138 hanno un’elevata resistenza alle cricche. Stesso dicasi per Monel, K-Monel, nichel elettroformato, nichel indurito per dispersione di torio, e leghe di nichel come Inconel X, Inconel 718, René 41, e Hastelloy B. A queste temperature le leghe di titanio utilizzabili sono solo le Ti45A e 5Al-2.5Sn-Ti, sia come metallo base che saldato.
Le leghe di rame sono generalmente utilizzabili anche a contatto con l’idrogeno e l’elio liquidi, come l’ottone 70-30, rame-berillio, bronzi al ferro-silicio e all’alluminio. Le leghe di magnesio, al contrario, tendono a diventare fragili ma possono essere utilizzate in applicazioni poco sollecitate con una progettazione attenta.
Tabella riassuntiva
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Fonte:
A. Hurlich, Low temperature metals (General Dynamics/Astronautics, San Diego – California)
https://www.bnl.gov/magnets/staff/gupta/summer1968/0311.pdf