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Aceros CriogenicosGrupo3

Universidad Nacional de ColombiaManuel Alejandro Rojas, Daniel Esteban Reyes, Joan Camilo Poveda

abstract— The expression ”cryogenic process” is used todescribe the use of liquid nitrogen or solid carbon dioxide forcooling material at a temperature of -120 ◦ C or less.

At this temperature, plastics, rubbers and other materialsbecome brittle and some metals change their characteristics.Industry process capitalizes on this phenomenon would be muchmore complex or even impossible to room temperature.

The use of cryogenic applications in industrial processesincreases capacity, reduces costs and protects the environment.

Resumen— Se usa la expresion ”proceso criogenico” paradescribir el uso de nitrogeno lıquido o dioxido de carbono solidopara enfriar materiales a una temperatura de -120oC o menor.

A esa temperatura, plasticos, cauchos y otros materiales setornan fragiles y algunos metales cambian sus caracterısticas. Laindustria capitaliza este fenomeno en procesos que serıan muchomas complejos o, incluso, imposibles a temperatura ambiente.

La utilizacion de aplicaciones criogenicas en procesos industri-ales incrementa la capacidad, reduce costos y preserva el medioambiente.

Palabras Claves—Temperatura crıtica, aceros, servicioscriogenicos.

I. INTRODUCCION

Las propiedades mecanicas como la tenacidad o la re-sistencia al impacto resultan muy sensibles a las temperaturasbajas, habiendo sido muy normal hasta hace poco que muchasestructuras de acero hayan sido puestas en servicio a bajastemperaturas se encontraran con un alto grado de fragilizacion.Este fenomeno empezo a mostrarse de forma patente du-rante los anos cuarenta del siglo pasado, coincidiendo conla segunda guerra mundial, cuando comenzaron a producirsegrandes buques de acero soldado los cuales llegaban, enalgunos casos, a seccionarse en dos partes por efecto defenomenos de fragilizacion en su casco de acero. La perdidade ductilidad, o fragilizacion del acero, en estas construc-ciones resultaba, ademas, promocionada por la continuidadestructural que proporciona la soldadura, debido a que estetipo de union contribuıa a que las grietas producidas en laszonas fragiles, con alta concentracion de esfuerzos, pudiesenavanzar de forma continua por toda la estructura llegando aproducirse la rotura catastrofica. Tambien que los materiales,generalmente, eran ensayados con todo rigor a temperaturaambiente y, sin embargo, esos 15 o 20 grados de diferenciaentre la temperatura de ensayo y la de servicio eran muchasveces la causa de la catastrofe.

En la actualidad ya no seria compresible que se pudiese dareste tipo de situaciones, pues a pesar de lo que se ha avanzado

en el campo de la mecanica de la fractura, los procesos defragilizacion y propagacion de la fractura , y que aun siguesiendo menos conocida la influencia tan fuerte que tiene latemperatura como variable termodinamica en escalas tan bajas, los codigos de diseno que se aplican hoy en dıa a estasestructuras , requieren que tanto los materiales bases comolas soldaduras sean ensayadas como mınimo a la temperaturamınima de servicio , o si no algunos grados por debajo paraevitar estos tipos de situaciones.

II. MARCO TEORICO

La propiedad mas crıtica de los aceros para aplicacionescriogenicas es su tenacidad. El comportamiento mecanico deun material depende fuertemente de la temperatura y losmateriales de microestructura ferrıticos presentan un cambioen su comportamiento mecanico cuando son expuestos a bajastemperaturas; esto se manifiesta por una reduccion en latenacidad o la resistencia al impacto del acero, caracterizadapor un cambio de un comportamiento ductil a fragil cuandola temperatura decrece por debajo de la temperatura critica detransicion. Esta temperatura no se puede apreciar en todos losmateriales dependiendo de su estructura cristalina; para el casode los aceros. Dicha temperatura se presenta en los aceros demicroestructura ferrıticos mientras que no se aprecia en los demicroestructura austenıticos.

El uso de los aceros para servicios criogenicos comienzandesde los 0oC hasta -270oC, estas temperaturas criogenicascausan que muchas aleaciones estructurales se transformen enfragiles, lo que es una condicion inaceptable en muchas aplica-ciones estructurales. Por esta razon las estructuras construidaspara ser utilizadas con fines estructurales son fabricadas conaleaciones que mantengan alguna ductilidad a estas temperat-uras de servicio.[1]

Un incremento en la resistencia a la traccion y a la fluencia abajas temperaturas es muy caracterıstico de los metales en gen-eral. El Cobre, Nıquel, Aluminio y las aleaciones austenıticasmantienen gran parte o toda su ductilidad y tenacidad a bajastemperaturas sin importar el incremento del esfuerzo.

A. Factores que afectan la tenacidad al impacto de los aceroscriogenicos

Los principales factores que afectan la temperatura detransicion y la cantidad de energıa absorbida en el impacto

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en los aceros, como contribuye los elementos de aleacionque comunmente se emplea en la fabricacion de aceros alcomportamiento mecanico, ası como los elementos residualesque pueden resultar beneficiosos como perjudiciales.

1) Efecto del contenido de carbono: Es el elemento quetiene mas influencia en el comportamiento del acero; al aumen-tar el porcentaje de carbono, mejora la resistencia mecanica,la Templabilidad y disminuye la ductilidad En los acerosde microestructura ferrıticos, el carbono afecta la energıa deimpacto; es sabido que a medida que el contenido del carbonose incrementa, la energıa de impacto baja debido a la mayorformacion de perlita y la temperatura de transicion incrementacomo se observa en la figura 1.

Fig. 1: Efecto del contenido de carbono en la tenacidad delacero.

2) Efecto del contenido de fosforo: El fosforo tiene unefecto similar (reduccion de la energıa de fractura de laregion de comportamiento ductil) de ademas de aumentar altemperatura de transicion en torno a 7◦C por cada 0.01% defosforo. El fosforo tambien contribuye de forma muy acusadaa potenciar la fragilidad del revenido en algunos aceros debaja aleacion.

3) Efecto del contenido de azufre: Los efectos del azufreen los valores de tenacidad de los aceros esta directamenterelacionado con el proceso de desoxidacion que le haya sidoaplicada. Un contenido que no sobrepasa las 40 milesimastiene un efecto inapreciable en la tenacidad de los aceros efer-vescentes, semicalmados y calmados al silicio. Sin embargo,en los aceros doblemente calmados, cualquier reduccion delcontenido en azufre se traduce en un incremento apreciable dela energıa absorbida en la zona ductil, con efectos inapreciableen la zona fragil y temperatura de transicion. Al aumentar elcontenido de azufre aumenta igualmente la fraccion de lasinclusiones MnS, que facilitan el mecanismo de la fracturaductil.

Fig. 2: Efecto del contenido de azufre en la tenacidad delacero.

4) Efecto del contenido de silicio: Empleado en cantidadescomprendidas entres 0.15% y 0.30% como desoxidanteactua de forma positiva bajando la temperatura de transiciony elevando la energıa absorbida. En comparacion con losefervescentes y semicalmados, los aceros calmados al silicioson mucho mas limpios y poseen una textura de grano ferriticomuy uniforme. Aunque estos efectos pueden ser imputablesmas a los procesos de desoxidacion que al propio silicio. Latemperatura de transicion sube a partir de contenidos de 0.06%

5) Efecto del contenido de nitrogeno: Este elemento porsi solo actua de forma negativa, descendiendo los valoresde tenacidad y elevando la temperatura de transicion. Sinembargo, la mayorıa de los aceros nitrogenados estandesoxidados con silicio y aluminio combinandose amboscon el nitrogeno. El nitruro de aluminio que se forma en aldesoxidacion sirve ademas, para estabilizar el grano fino ypor tanto mejorar los valores de tenacidad de estos aceros.

6) Efecto del contenido de aluminio: El efecto del aluminioen la tenacidad de los aceros de contenido medio en carbonose presenta cuando los contenidos superan el necesario parala formacion de nitruros de aluminio 0.075%, los valores detenacidad disminuyen segun se muestra en la figura 3.

Fig. 3: Variacion de la energıa de impacto para diferentescantidades de Aluminio.

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7) Efecto del contenido de manganeso: El manganesopuede bajar sustancialmente la temperatura de transicion delos aceros de bajo contenido en carbono, mientras que suefecto puede ser menos beneficioso en los aceros de mayorcontenido de carbono. El aumento de manganeso en un aceronormalizado de contenido de carbono de medio, produce unabajada en la temperatura de transicion que posiblemente seaasignado a que el manganeso adicional reduce el espaciadoentre placas de la perlita. En aceros al manganeso, bonificadoy revenidos, el efecto resulta contrario. El manganeso, ademaspuede hacer al acero susceptible a la fragilizacion por revenidoy puede causar tambien durante el enfriamiento por normal-izado la formacion de la fragil microestructura bainita superioren lugar de la perlita fina. En aceros con bajo %C mejora latenacidad hasta un 2%Mn.

Fig. 4: Variacion de la energıa de impacto para diferentescantidades de Manganeso.

8) Efecto del contenido de nıquel: El nıquel mejora latenacidad del acero a bajas temperaturas, reduciendo la tem-peratura de transicion, desapareciendo la temperatura de tran-sicion ductil-fragil como se observa en la figura 5.

Fig. 5: Variacion de la energıa de impacto para diferentescantidades de nıquel.

Ademas de afectar las propiedades mecanicas del acero,

el nıquel impacta la transformacion de la microestructuraaustenita a productos tıpicos de baja temperatura, de mi-croestructura ferrita, bainita y martensita. El nıquel no solodemora la transformacion de la microestructura austenita, sinoque aumenta la templabilidad del acero.

La Figura 6, muestra la curva de enfriamiento continuo(CCT), y el efecto de la adicion de 9% de nıquel quemejora la templabilidad, dado que reduce la velocidad crıticade enfriamiento, durante los tratamientos termicos para pro-ducir la microestructura martensita. Se observa tambien queel nıquel reduce las temperaturas, de inicio y final, de latransformacion de la microestructura martensita, pudiendo deesta manera obtener microestructura austenita retenida despuesdel enfriamiento, lo que contribuye a mejorar la tenacidad deestos aceros criogenicos.

Fig. 6: Curva CCC.

9) Efecto del contenido de cromo: Eleva ligeramente latemperatura de transicion. En los aceros cuyos contenidos encromo superar los 0.9% resulta muy difıcil desarrollar lasmicroestructuras y las propiedades mecanicas de los aceros alcarbono no aleados; por lo tanto, los valores de tenacidad noson comparables. Las adiciones de cromo son generalmentepara elevar la templabilidad y poder obtener microestructuramartensitica de mayor energıa de impacto en zona ductil.Los aceros al cromo de contenido medio de carbono son, sinembargo susceptibles de fragilizacion cuando se templan paraproducir microestructura martensitica y luego son sometidosa un revenido entre 375 y 575 oC.

10) Efecto del contenido de molibdeno: En contenidosalrededor del 0.4%, su comportamiento, aumenta latemplabilidad y eleva ligeramente la temperatura detransicion, es similar al cromo. En contenidos del 0.5% al1%, el molibdeno reduce la susceptibilidad a la fragilizacionpor revenido, si bien su efecto beneficioso solo es eficaz enperiodos de revenido cortos dentro del mencionado rango.Este fenomeno se asocia a que el molibdeno no elimina lafragilizacion del revenido, sino que la retrasa como ha sidodemostrado en experimentos mediante revenidos largos.

11) Efecto del contenido de boro: La adicion de boroes beneficiosa para el aumento de la tenacidad sin bajarla resistencia en los grados de aceros bajos en carbono.

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Sin embargo esta propiedad solo es aplicable en acerosbonificados, pues en los aceros normalizados, o en estadobruto de laminacion, este elemento produce efectos contrarios.

12) Efecto del contenido de cobre: En los aceros queno han sido sometidos a procesos de endurecimiento porprecipitacion, la adicion de cobre puede mejorar ligeramentela tenacidad a baja temperatura. Por el contrario, en losaceros aleados con cobre y sometidos a tratamiento deenvejecimiento, el efecto de este elemento se consideraperjudicial en lo relativo a la tenacidad.

13) Efecto de los elementos intersticiales: El efecto delos elementos intersticiales, como son el carbono, oxıgeno,nitrogeno e hidrogeno, tienden a bajar la tenacidad de losaceros, como queda evidenciado en la figura 7. La presenciadel oxıgeno esta normalmente determinada por el procesode desoxidacion que sea aplicable, resultando que los acerosefervescentes poseen una temperatura de transicion mas altaque los calmados.

Fig. 7: Variacion de la energıa de impacto por efecto de loselementos intersticiales.

El hidrogeno tambien reduce la tenacidad de los acerosligeramente, si bien este efecto negativo resulta mas patenteen condiciones de aplicacion de cargas bien estaticas o muylentas.

14) Efecto del tamano del grano: La temperatura de tran-sicion de los aceros ferrıticos-perlıticos disminuye linealmentecon la inversa de la raız cuadrada del tamano de granocomo se observa en la figura 8, siendo este uno de losmedios mas efectivos para obtener aceros de alta tenacidad abaja temperatura (aceros microaleados) dado que, ademas, aldisminuir su tamano de grano, se incrementa su limite elasticoy resistencia mecanica. Una microestructura de tamano degrano pequeno presenta muchas juntas de grano que actuan

como barreras a la progresion de la grieta de un mecanismode rotura fragil.

Fig. 8: Efecto del tamano de grano de microestructura ferriticoen la temperatura de transicion de un acero 0.11% C.

Cuando un acero se calienta por encima de la temperaturaAc1(723◦C), el grano va creciendo de forma continua conel tiempo y la temperatura; cuanto mas alta es esta, mayorcrecimiento pues su cinetica obedece a una ley exponencial.Las propiedades mecanicas como resistencia, tenacidad yductilidad de los materiales de grano grueso, no son solamenteperjudiciales por el tamano de este, sino que a este efectohay, ademas que anadirle el fenomeno de precipitacion en elborde del grano. Normalmente los efectos de crecimiento degrano por permanencia del material a altas temperaturas, si noha llegado a situacion de fusion incipientes, son posibles deneutralizar regenerando el grano fino mediante un tratamientode normalizado.

15) Efecto de la microestructura: Las propiedadesmecanicas, la tenacidad tiene una dependencia muy acusadarespecto a la microestructura pues aunque la influencia masdirecta la produce la composicion quımica, esta siempre semanifiesta a traves de la microestructura.Entre las diferentes microestructuras que se pueden encontraren los aceros, es la ferrita la que presenta una temperatura detransicion mas alta seguida de la perlita, y la bainita superior;finalmente, son la martensita revenida, y la bainita inferior losdos microconstituyentes que mejor comportamiento producenen este sentido, segun se observa en al figura 9.

Fig. 9: Efecto de la microestructura sobre la tenacidad.

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El tratamiento termico de temple y revenido que da lugara una microestructura de martensita revenida, es la que laspartıculas de cementita se disponen de forma fina y dispersada lugar a los productos mas tenaces.

III. PREPARACION O TRATAMIENTO CRIOGENICO

El tratamiento criogenico consiste en la exposicion de losmateriales a temperaturas muy bajas cercanas al punto deebullicion del nitrogeno, -196◦C, el descenso y el posteriorcalentamiento hasta temperatura ambiente debe ser muylento y controlado para evitar la aparicion de tensiones en elmaterial que puedan generar grietas o fisuras.Este tratamiento produce un incremento de la dureza entre 2y 5 puntos Rockwell C, transforma la austenita en martensitay tambien produce la precicpitacion de nano carburossobre los lımites de grano. Una ventaja adicional es que elproceso criogenico reduce las segregaciones (concentracioneslocalicazadas de aleantes) ya que promueve el transportede aleantes del acero homogenizando contenido de lapieza; ademas, globuliza los carburos, lo que aumenta latenacidad del material. Estos dos ultimos efectos dan unamayor resistencia y durabilidad a los materiales tratados atemperaturas criogenicas.El tratamiento criogenoco tiene dos modalidades: eltratamiento seco y el tratamiento humedo. En el primero laspiezas estan en contacto con nitrogeno gaseoso durante todoel proceso, mientras que en el segundo las piezas llegas a latemperatura de sostenimiento pueden estar en contacto con elnitrogeno lıquido.

IV. CLASIFICACION DE LOS ACEROS PARA USOSCRIOGENICOS SEGUN EL PORCENTAJE DE NIQUEL EN SU

COMPOSICION

• El acero al 2,25% de nıquel es utilizado para tanques,recipientes a presion, tuberıas para propano licuado ypara otras aplicaciones con una temperatura mınima detrabajo de -60oC.

• El acero al 3,5% nıquel puede tener aplicaciones hastala temperatura del etileno liquido (-103oC) por lo quees utilizado en todos aquellos elementos que tienencontacto con gas licuado, tales como propano, anhıdridocarbonico, acetileno, etano y etileno, y en las plantasproductoras de plastico. Sus excelentes propiedades abajas temperaturas lo hacen ideal en tanques para eltransporte de etileno lıquido.

• Los aceros 9% nıquel brindan una atractiva combi-nacion de propiedades a un precio moderado.(3) Suexcelente tenacidad se debe a una estructura de granosfinos de nıquel-ferrita desprovista de redes de carburosfragilizantes que son convertidos en formas estables deaustenita en la solucion durante un temple a 570oC. Este

temple es particularmente importante debido a las bajastemperaturas de transformacion ferrita austenita.Por sus excelentes propiedades y su bajo costo el acero9% nıquel esta siendo empleado en las industrias a nivelmundial, como ejemplo se pueden nombrar los tanquesde almacenamiento de oxıgeno liquido en los EstadosUnidos que llegan a tener un diametro de 15m y 17.5m dealtura con una capacidad de 500.000 galones; en Franciaeste acero es utilizado para la construccion de barcos quetransportan metano liquido

V. APLICACIONES CRIOGENICAS

Aunque estos procesos han sido claves para fabricar piezaasy componentes de gran resistencia para los autos de carreras,en los que se requieren materiales con propiedades mecanicasexigentes, su uso no se limita a piezas atomovilısticas, tambiense utilizar para mejorar las propiedades de partes aeronatuticasy aeroespaciales, materiales quirurgicos, herramientas paracortes, entre otros. No solo el acero saca provecho delas bondades de los tratamientos en frıo, metales como elaluminio y sus aleaciones, cobre y laton, bronce y titanioy superaleaciones e nıquel, ademas de alguno materialesceramicos y plasticos, tambien se pueden modificar condichos procesos.Entre los usos mas diversos esta su aplicacion en instrumentosmusicales, en donde mejora la tonalidad, la mejora en laspropiedades conductivas de cables electricos, mejora,incluso la durabilidad de cuchillas de afeitar. Aplicacionesarmamentısticas, por ejemplo, canones, rifles o revolveres; yen el deporte para mejorar las propiedades en los palos degold y las cuchillas de los patines de hielo.[2]

A. Aplicaciones de los tratamientos criogenicos

• Reciclado de Neumaticos: La utilizacion de neumaticosrepresenta un problema creciente. Si no se produce uncorrecto desecho, la goma sintetica del neumatico dana elmedio ambiente. Ademas, aun cuando se desfragmenteno desmenucen a temperatura ambiente, tienen un costoelevado de mantenimiento y un proceso con alto gasto deenergıa. En cambio, con cryo-aplicaciones -la tecnologıamas eficaz y favorable para el medio ambiente en elproceso de neumaticos- la goma y los componentesmetalicos pueden ser reciclados. El elevado grado deseparacion de los componentes, reduce la necesidad dematerias primas nuevas y el impacto de los procesos deproduccion sobre el entorno.Cabe destacar que el reciclado criogenico puede afectarpositivamente a la industria en los paıses sin recursosinternos de hierro o petroleo.

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Fig. 10: Reciclado de neumaticos.

• Reciclado de latas de pinturas: No hay algo parecido auna lata de pintura vacıa. Sin embargo, estos tarros decompleja reposicion, pueden ser facilmente reciclados,haciendo posible su reutilizacion.El proceso criogenico solidifica la pintura residuallıquida hasta que esta se vuelve fragil como un vidrio,permitiendo el reciclado de la hojalata. Respecto a lapintura, simplemente se quema sin ningun impactomedioambiental significativo. Esta tecnica resultatambien eficaz para los aceites, pegamentos y otrosproductos similares.

• Cryo-rebabado de goma: en la fabricacion de productosde goma moldeados mecanicamente (o-rings, sellos,etc.), los excedentes de caucho que se escurren entrelas dos partes del molde pueden ser removidos usandotecnologıa de gases. Mediante la aplicacion de nitrogenolıquido se congelan los restos de caucho, quedandoduros y quebradizos, de forma tal que pueden serremovidos con facilidad. Este proceso tiene variosbeneficios, entre ellos: mejora en la calidad del acabadodel producto, mayor productividad con respecto altradicional rebabado manual o mecanico y disminucionde los costos de operacion.

• Molienda criogenica: por medio del congelamiento connitrogeno lıquido, el proceso criogenico permite re-ducir materiales elasticos y termo-sensibles a pequenaspartıculas en forma economica, a la vez que controlala acumulacion de calor en los equipos de molienda.La importancia de este metodo reside en la capacidadde controlar la uniformidad, el tamano y forma de laspartıculas.La molienda criogenica puede aplicarse, entre otros, enla produccion de polımeros, colorantes concentrados enpolvo y reciclaje de goma y plastico.

• Servicios industriales: Donde se requiera frıo, elnitrogeno lıquido, el dioxido de carbono lıquido y el hieloseco, son indispensables.Las ventajas son evidentes: alta eficiencia criogenica, bajainversion, flexibilidad, confiabilidad de abastecimiento yrapida disponibilidad.

VI. CONCLUSIONES

• Debido a la necesidad de conseguir herramientas ycomponentes metalicos que se comporten mejoresantes los implacables y exigentes factores industriales,investigaciones recientes en el campo de los tratamientostermicos apuntan al empleo del frıo como un caminopara conseguir estructuras con mejores caracterısticas dedureza y resistencia mecanica.

• Actualmente, el sector utiliza los procesos a temperaturasbajo cero para aumentar la resistencia a la fatiga, reducirfragilidad y las tensiones internas de los aceros y susaleaciones con el frin de prolongas la vida util de laspiezas en servicio.

REFERENCIAS

[1] SIEWERT T.A. and McCOWAN C.N., National Institute of Standards andTechnology. Welding for Cryogenic Service, ASM Handbook, Welding,Brazing and Soldering, ASM, Vol. 6, USA.

[2] http://centrodeartigos.com/articulos-noticias-consejos/article-127448.html[3] SIEWERT T.A. and McCOWAN C.N., National Institute of Standards

and Technology. ASM Handbook, Properties and Selection: Irons, Steels,and High Performance Alloys, ASM Vol. 1, USA.