Acero criogénico: propiedades y aplicaciones clave

El acero criogénico es una categoría especializada de acero, diseñada para mantener sus propiedades mecánicas a temperaturas extremadamente bajas, típicamente inferiores a -196 °C (-321 °F). Este grado de acero se clasifica principalmente como acero de aleación y suele contener cantidades significativas de níquel y cromo, lo que mejora su tenacidad y ductilidad en entornos criogénicos. Sus propiedades únicas lo hacen esencial para aplicaciones en industrias como la producción de gas natural licuado (GNL), la industria aeroespacial y la criogenia.

Descripción general completa

Los aceros criogénicos están diseñados para resistir los desafíos de los entornos de baja temperatura. Los principales elementos de aleación de estos aceros incluyen níquel, que mejora la tenacidad y la ductilidad, y cromo, que mejora la resistencia a la corrosión. También se pueden añadir molibdeno y vanadio para mejorar la resistencia y la dureza.

Las características más significativas del acero criogénico incluyen:

• Alta tenacidad : mantiene la resistencia al impacto a bajas temperaturas, evitando la fractura frágil.
• Ductilidad : Permite la deformación sin fallas, lo que es crucial durante la fabricación y el servicio.
• Resistencia a la corrosión : esencial para aplicaciones expuestas a entornos hostiles, incluidos fluidos criogénicos.

Ventajas :
- Excelente rendimiento en aplicaciones de baja temperatura.
- Alta relación resistencia-peso, lo que lo hace adecuado para aplicaciones aeroespaciales y estructurales.
- Buena soldabilidad, lo que permite métodos de fabricación versátiles.

Limitaciones :
- Mayor coste respecto a los aceros estándar debido a los elementos de aleación.
- Potencial de maquinabilidad reducida, requiriendo herramientas y técnicas especializadas.

Históricamente, los aceros criogénicos han desempeñado un papel vital en el desarrollo de tecnologías que requieren el almacenamiento y transporte de gases licuados, contribuyendo significativamente a los avances en los sectores energético y aeroespacial.

Nombres alternativos, estándares y equivalentes

Organización estándar	Designación/Grado	País/Región de origen	Notas/Observaciones
UNS	S30400	EE.UU	Equivalente más cercano al AISI 304, con pequeñas diferencias de composición.
ASTM	A350 LF2	EE.UU	Adecuado para servicio a baja temperatura, a menudo utilizado en tuberías.
ES	1.4301	Europa	Equivalente a AISI 304; buenas propiedades criogénicas.
JIS	SUS304	Japón	Similar al AISI 304; ampliamente utilizado en aplicaciones criogénicas.
GB	0Cr18Ni9	Porcelana	Equivalente a AISI 304; utilizado en diversas aplicaciones de baja temperatura.

Las diferencias entre estos grados suelen residir en sus composiciones y propiedades mecánicas específicas, lo que puede afectar su rendimiento en condiciones criogénicas. Por ejemplo, si bien el S30400 y el 1.4301 suelen considerarse equivalentes, ligeras variaciones en el contenido de níquel pueden influir en la tenacidad a temperaturas criogénicas.

Propiedades clave

Composición química

Elemento (Símbolo y Nombre)	Rango porcentual (%)
C (Carbono)	0,03 - 0,08
Mn (manganeso)	1.00 - 2.00
Si (silicio)	0,50 - 1,00
Ni (níquel)	8.00 - 10.50
Cr (cromo)	18.00 - 20.00
Mo (molibdeno)	0,10 - 0,50
V (vanadio)	0,05 - 0,15

El níquel es crucial para mejorar la tenacidad y la ductilidad a bajas temperaturas, mientras que el cromo contribuye a la resistencia a la corrosión. El molibdeno y el vanadio pueden mejorar la resistencia y la dureza, lo que hace que el acero sea adecuado para aplicaciones exigentes.

Propiedades mecánicas

Propiedad	Condición/Temperamento	Temperatura de prueba	Valor/rango típico (métrico)	Valor/rango típico (imperial)	Norma de referencia para el método de prueba
Resistencia a la tracción	Recocido	Temperatura ambiente	520 - 700 MPa	75 - 102 ksi	ASTM E8
Límite elástico (0,2 % de compensación)	Recocido	Temperatura ambiente	250 - 450 MPa	36 - 65 ksi	ASTM E8
Alargamiento	Recocido	Temperatura ambiente	40 - 50%	40 - 50%	ASTM E8
Dureza (Rockwell B)	Recocido	Temperatura ambiente	80 - 95 HRB	80 - 95 HRB	ASTM E18
Resistencia al impacto	Charpy con muesca en V	-196°C	30 - 50 J	22 - 37 pies-lbf	ASTM E23

La combinación de alta resistencia a la tracción y al rendimiento, junto con una excelente elongación, hace que el acero criogénico sea adecuado para aplicaciones que requieren integridad estructural bajo carga mecánica. Su resistencia al impacto a temperaturas criogénicas es particularmente notable, lo que garantiza seguridad y fiabilidad en condiciones extremas.

Propiedades físicas

Propiedad	Condición/Temperatura	Valor (métrico)	Valor (Imperial)
Densidad	Temperatura ambiente	7,93 g/cm³	0,286 lb/pulgada³
Punto de fusión	-	1400 - 1450 °C	2552 - 2642 °F
Conductividad térmica	Temperatura ambiente	16 W/m·K	92 BTU·pulgada/(hora·pie²·°F)
Capacidad calorífica específica	Temperatura ambiente	500 J/kg·K	0,119 BTU/lb·°F
Resistividad eléctrica	Temperatura ambiente	0,72 µΩ·m	0,0000013 Ω·pulgada

La densidad del acero criogénico contribuye a las consideraciones de peso en las aplicaciones, mientras que su conductividad térmica y capacidad calorífica específica son críticas para la gestión térmica en sistemas criogénicos.

Resistencia a la corrosión

Agente corrosivo	Concentración (%)	Temperatura (°C/°F)	Clasificación de resistencia	Notas
cloruros	3-5%	20°C/68°F	Justo	Riesgo de corrosión por picaduras.
Ácido sulfúrico	10%	25 °C/77 °F	Pobre	No se recomienda para exposición prolongada.
Ácido nítrico	5%	25 °C/77 °F	Bien	Generalmente resistente.
Agua de mar	-	25 °C/77 °F	Bien	Adecuado para aplicaciones marinas.

El acero criogénico presenta una resistencia variable a diferentes agentes corrosivos. Es particularmente susceptible a la corrosión por picaduras en entornos con cloruros, lo cual puede ser un factor crítico en aplicaciones marinas. En comparación con los aceros inoxidables estándar, los aceros criogénicos suelen ofrecer mayor tenacidad, pero pueden presentar limitaciones en entornos ácidos específicos.

Resistencia al calor

Propiedad/Límite	Temperatura (°C)	Temperatura (°F)	Observaciones
Temperatura máxima de servicio continuo	-196°C	-321°F	Adecuado para aplicaciones criogénicas.
Temperatura máxima de servicio intermitente	-150°C	-238°F	Puede soportar exposición a corto plazo.
Temperatura de escala	600°C	1112°F	Comienza a perder propiedades por encima de esta temperatura.
Consideraciones sobre la resistencia a la fluencia	400°C	752°F	La resistencia a la fluencia comienza a disminuir.

A temperaturas elevadas, el acero criogénico mantiene su integridad hasta cierto límite, más allá del cual puede experimentar descamación y pérdida de propiedades mecánicas. Por ello, es fundamental considerar las temperaturas de operación en el diseño y la aplicación.

Propiedades de fabricación

Soldabilidad

Proceso de soldadura	Metal de relleno recomendado (clasificación AWS)	Gas/fundente de protección típico	Notas
MIG	ER308L	Argón + 2-5% CO2	Bueno para secciones delgadas.
TIG	ER308L	Argón	Preferido para soldadura de precisión.
SMAW	E308L	-	Adecuado para aplicaciones de campo.

El acero criogénico generalmente se puede soldar mediante procesos estándar como MIG y TIG. Puede requerirse un tratamiento térmico previo y posterior a la soldadura para mitigar el riesgo de agrietamiento. El uso de metales de aporte adecuados es crucial para mantener la integridad de la unión soldada.

Maquinabilidad

Parámetros de mecanizado	Acero criogénico	AISI 1212	Notas/Consejos
Índice de maquinabilidad relativa	60%	100%	Requiere velocidades más lentas y herramientas especiales.
Velocidad de corte típica (torneado)	30 metros por minuto	60 metros por minuto	Utilice herramientas de carburo para obtener mejores resultados.

La maquinabilidad del acero criogénico es menor que la de los aceros más convencionales, lo que requiere una selección cuidadosa de herramientas de corte y velocidades para lograr resultados óptimos.

Formabilidad

El acero criogénico presenta una conformabilidad moderada, con un buen rendimiento tanto en procesos de conformado en frío como en caliente. Sin embargo, se debe tener cuidado para evitar un endurecimiento excesivo por acritud, que puede provocar grietas durante una deformación severa. Se deben respetar los radios de curvatura recomendados, asegurando que el material no exceda sus límites.

Tratamiento térmico

Proceso de tratamiento	Rango de temperatura (°C/°F)	Tiempo típico de remojo	Método de enfriamiento	Propósito principal / Resultado esperado
Recocido	800 - 900 °C / 1472 - 1652 °F	1 - 2 horas	Aire o agua	Aliviar tensiones, mejorar la ductilidad.
Temple	950 - 1050 °C / 1742 - 1922 °F	30 minutos	Aceite o agua	Aumenta la dureza y la resistencia.
Templado	400 - 600 °C / 752 - 1112 °F	1 hora	Aire	Reduce la fragilidad, mejora la tenacidad.

Los procesos de tratamiento térmico influyen significativamente en la microestructura del acero criogénico, mejorando sus propiedades mecánicas. El recocido facilita la liberación de tensiones, mientras que el temple y el revenido optimizan la dureza y la tenacidad.

Aplicaciones típicas y usos finales

Industria/Sector	Ejemplo de aplicación específica	Propiedades clave del acero utilizadas en esta aplicación	Motivo de la selección (breve)
Aeroespacial	Tanques de combustible criogénico	Alta tenacidad, rendimiento a baja temperatura.	Esencial para la seguridad y confiabilidad.
Producción de GNL	Tanques de almacenamiento y transporte	Resistencia a la corrosión, integridad estructural	Crítico para el manejo de gases licuados.
criogenia	imanes superconductores	Estabilidad a baja temperatura, ductilidad.	Necesario para un funcionamiento eficiente.

Otras aplicaciones incluyen:

• Tuberías para transporte de fluidos criogénicos.
• Recipientes a presión en aplicaciones de gases industriales.
• Componentes en tecnologías de exploración espacial.

El acero criogénico se elige para estas aplicaciones debido a su capacidad de mantener las propiedades mecánicas y la integridad estructural en condiciones extremas, garantizando la seguridad y el rendimiento.

Consideraciones importantes, criterios de selección y más información

Característica/Propiedad	Acero criogénico	AISI 304	AISI 316	Breve nota de pros y contras o compensación
Propiedad mecánica clave	Alta tenacidad	Moderado	Alto	El acero criogénico destaca en bajas temperaturas.
Aspecto clave de la corrosión	Regular en cloruros	Bien	Excelente	AISI 316 es mejor para ambientes corrosivos.
Soldabilidad	Bien	Excelente	Bien	El acero criogénico requiere técnicas de soldadura cuidadosas.
Maquinabilidad	Moderado	Alto	Moderado	Más desafiante que los grados estándar.
Formabilidad	Moderado	Alto	Moderado	Requiere una manipulación cuidadosa para evitar el agrietamiento.
Costo relativo aproximado	Más alto	Moderado	Más alto	El costo refleja aplicaciones especializadas.
Disponibilidad típica	Limitado	Ampliamente disponible	Ampliamente disponible	La disponibilidad puede afectar los cronogramas del proyecto.

Al seleccionar acero criogénico, se deben considerar la rentabilidad, la disponibilidad y los requisitos específicos de la aplicación. Si bien puede ser más caro que los aceros estándar, su rendimiento en aplicaciones críticas justifica la inversión. Además, sus propiedades magnéticas lo hacen adecuado para aplicaciones específicas en criogenia y aeroespacial.

En resumen, el acero criogénico es un material vital para las industrias que requieren un rendimiento fiable a bajas temperaturas. Sus propiedades únicas, si bien presentan algunos desafíos en cuanto a fabricación y coste, ofrecen importantes ventajas en seguridad y funcionalidad para aplicaciones especializadas.