Muchas industrias requieren materiales que puedan resistir el frío extremo. No sólo nos referimos a instalaciones en regiones polares, que alcanzan fácilmente los -40 °C. Los equipos e instalaciones de sectores como el petroquímico, la refrigeración y la industria suelen alcanzar temperaturas mucho más bajas:
Algunos materiales, dúctiles a temperatura ambiente, pierden abruptamente su ductilidad cuando se supera un determinado límite. Los aceros comunes para la construcción, los aceros inoxidables ferríticos o martensíticos (serie 400), pero también el hierro, el cromo y el tungsteno, se vuelven quebradizos incluso a temperaturas relativamente bajas. Los metales como el cobre, la plata, el oro, el aluminio y el níquel, por otra parte, siguen siendo dúctiles incluso a temperaturas muy bajas. A estos elementos se añaden los aceros austeníticos.
Las diferentes propiedades de estos materiales a bajas temperaturas dependen de varios factores, como la estructura cristalina, el tamaño de los granos, la propensión a absorber contaminantes de la atmósfera, los tratamientos térmicos, la inclusión de escoria, y procesos tales como la fusión, la soldadura, el arranque de viruta y la deformación.
Este primer umbral es importante porque, además de ser típicamente el límite inferior de las temperaturas naturalmente alcanzadas en el planeta, es también la temperatura a la que se producen algunos procesos industriales y algunos procesos químicos.
Desafortunadamente, los aceros de construcción comunes ya no son utilizables a este nivel, ya sea por sus características intrínsecas o porque no suelen ser sometidos a pruebas de dureza y resistencia a bajas temperaturas. Algunas acerías, sin embargo, tienen aceros al carbono especiales para estas aplicaciones. Se trata principalmente de aceros de baja aleación templados y revenidos.
Casi todas las aleaciones de aluminio pueden utilizarse a temperaturas de hasta -45 °C, excepto las series 7075-T6 y 7178-T6, y las aleaciones de titanio 13V-11Cr-3Al o 8Mn. El cobre y las aleaciones de níquel pueden utilizarse generalmente a estas temperaturas. Los aceros inoxidables PH, es decir, los aceros inoxidables de endurecimiento por precipitación, no son adecuados para temperaturas inferiores a -20 °C debido a su fragilidad y fisuras.
Algunos aceros pueden utilizarse a estas temperaturas, como los aceros de baja aleación, los aceros templados y revenidos o los aceros ferríticos al níquel. La mayoría de los aceros martensíticos de bajo contenido en carbono (0,20-0,35%) pueden utilizarse con la suficiente fiabilidad. Muchas de estas aleaciones contienen manganeso, níquel, cromo, molibdeno y vanadio, y algo de circonio y boro.
Los aceros de bajo contenido en carbono y níquel al 3,5% se utilizan a menudo en tanques de almacenamiento de gas líquido a temperaturas de hasta -100°C. Muchas aleaciones de aluminio, níquel y titanio también son adecuadas para estas temperaturas. El aluminio 7076-T6 también se puede utilizar hasta -128 °C, pero no para aplicaciones críticas.
Los aceros inoxidables austeníticos de la serie 300 son todos adecuados para trabajar hasta este rango de temperatura. Los aceros martensíticos con un contenido de níquel entre el 20% y el 25% y la adición de cobalto, molibdeno, titanio, aluminio y niobio también son adecuados. Los aceros martensíticos tienen excelentes características de maleabilidad, tenacidad y dureza, y deben endurecerse a una temperatura de sólo 400 °C.
Muchas aleaciones de aluminio, como las 2024-T6, 7039-T6 y 5456-H343 tienen una excelente resistencia a la fractura a -196 °C; también 2014-T6 pero con la excepción de las soldaduras. Otras aleaciones resistentes a temperaturas aún más bajas son las aleaciones de aluminio y magnesio de la serie 5000, la 2219-T87 y la 6061-T6.
Los materiales a base de níquel son casi todos resistentes a -196 °C. Las aleaciones de titanio como la 5Al-2.5Sn-Ti, 6A1-4V-Ti y 8Al-2Cb-1Ta-TiY también son adecuadas, pero deben mantenerse libres de impurezas como oxígeno, nitrógeno, carbono y hierro, ya que causan fragilidad.
Estas muy bajas temperaturas son de gran interés para la industria, ya que corresponden a la temperatura a la que se licua el helio (-270 °C) y especialmente el hidrógeno (-253 °C), un elemento prometedor para el almacenamiento de energía y los proyectos de fusión nuclear.
De los aceros, sólo los aceros inoxidables austeníticos de alta aleación son adecuados para estas temperaturas, como el 304 y el 310. Si se planifican soldaduras, se recomienda el uso de variantes bajas en carbono. Estas aleaciones contienen generalmente entre 18% y 21% de cromo y entre 9% y 14% de níquel.
Las aleaciones de aluminio que pueden utilizarse a las temperaturas de aplicación se encuentran normalmente en las series 2000 y 5000, o en la aleación 6061-T6. En particular, las soldaduras del 2219-T87 han demostrado una excelente resistencia a las fracturas, mientras que el 5052-H38 y el 5083-1138 tienen una alta resistencia a las grietas. Lo mismo se aplica a Monel, K-Monel, níquel electroformado, níquel endurecido para dispersión de torio y aleaciones de níquel como Inconel X, Inconel 718, René 41 y Hastelloy B. A estas temperaturas, sólo se pueden utilizar aleaciones de titanio Ti45A y 5Al-2.5Sn-Ti, tanto como metal base como soldadas.
Las aleaciones de cobre también se utilizan generalmente en contacto con hidrógeno líquido y helio, como el latón 70-30, el cobre-berilio, el ferrosilicio y los bronces de aluminio. Las aleaciones de magnesio, por otro lado, tienden a volverse quebradizas, pero pueden utilizarse en aplicaciones de baja tensión con un diseño cuidadoso.
Fuente:
A. Hurlich, Low temperature metals (General Dynamics/Astronautics, San Diego – California)
https://www.bnl.gov/magnets/staff/gupta/summer1968/0311.pdf