Metales y materiales para bajas temperaturas y aplicaciones criogénicas
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:
- -42 °C: propano líquido (industria, energía)
- -78 °C: dióxido de carbono sólido (agricultura, industria)
- -162 °C: metano líquido (energía)
- -183 °C: oxígeno líquido (industria, medicina)
- -196 °C: nitrógeno líquido (industria)
- -253 °C: hidrógeno líquido (industria, energía)
- -270 °C: helio líquido (industria)
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.
Materiales adecuados para el uso hasta -45 °C
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.
Materiales adecuados para el uso hasta -75 °C
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.
Materiales adecuados para el uso hasta -100 °C
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.
Materiales adecuados para el uso hasta -196 °C
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.
Materiales adecuados para el uso a temperaturas por debajo de -196 °C
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.
Tabla recapitulativa
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Fuente:
A. Hurlich, Low temperature metals (General Dynamics/Astronautics, San Diego – California)
https://www.bnl.gov/magnets/staff/gupta/summer1968/0311.pdf