DE3608563A1 - Verfahren zur verringerung der waermeleitfaehigkeit von werkstuecken aus austenitischem stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung der Wärmeleitfähigkeit von Werkstücken aus austenitischem Stahl.

In der Tieftemperaturtechnik wird von bestimmten Kon­ struktionsteilen eine geringe Wärmeleitung gefordert, um den Wärmetransport zwischen Komponenten, die sich auf verschiedenen Temperaturniveaus befinden, zu minimieren. Beispiele dafür sind Abstützelemente oder zur Beschickung und Entnahme notwendige Rohrverbindungen zwischen dem Innen- und Außenbehälter von Kryobehältern.

Die am häufigsten verwendeten Werkstoffe für derartige Konstruktionselemente, die statische oder dynamische Lasten übertragen und in vielen Fällen auch vakuumdicht sein müssen, sind die austenitischen Chrom-Nickelstähle, weil sie verglichen mit anderen metallischen Werkstoffen eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und auch bei tiefen Temperaturen ausreichende Zähigkeit besitzen. Um den Wärmeeinfall durch diese Elemente so weit wie mög­ lich zu reduzieren, müssen die kräfteübertragenden Quer­ schnitte klein gehalten werden. Dies ist bei Komponenten aus austenitischem Stahl wegen der geringen Festigkeit des Materials nur sehr begrenzt möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verringerung der Wärmeleitfähigkeit von Werkstücken aus austenitischem Stahl zu schaffen, insbesondere für zum Einsatz in der Tieftemperaturtechnik vorgesehene Werkstücke.

Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 berück­ sichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungs­ gemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die plastische Verformung von Werkstücken aus austenitischem Stahl unterhalb ihrer Martensitumwandlungstemperatur unter Verwendung tiefsiedender verflüssigter Gase ist aus der DE-OS 14 52 533 und der DE-PS 26 54 702 an sich bekannt. Bei den bekannten Verfahren dienen diese Maß­ nahmen jedoch dazu, bestimmte mechanische Festigkeits­ werte wie Zugfestigkeit und Zähigkeit zu erhöhen. Ein Einfluß dieser Maßnahmen auf die Wärmeleitfähigkeit war bisher nicht bekannt.

Der Wärmetransport in Metallen erfolgt durch Leitungs­ elektronen, deren Bewegung durch Wechselwirkung mit Phononen (Gitterschwingungen) und mit Gitterfehlern behindert wird. Da der thermische Widerstand durch Elek­ tronen-Phononen-Wechselwirkung mit sinkender Temperatur abnimmt, wird der Wärmetransport bei tiefen Temperaturen im wesentlichen durch die Dichte und Art vorhandener Git­ terfehler bestimmt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Zahl der Gitterfehler im Werkstück erhöht. Durch eine geeignete mechanische Verformung läßt sich dies bei vielen Werkstoffen erreichen. Im besonderen Maße dafür geeignet sind jedoch die austenitischen Cr-Ni-Stähle, so­ fern sie unterhalb ihrer Martensitumwandlungstemperatur plastisch verformt werden. Bei dieser Behandlung erhöht sich nicht nur, dem Grad der plastischen Verformung ent­ sprechend, die Versetzungsdichte und die durch Versetzungs­ reaktionen gebildete Zahl von Leerstellen und Zwischen­ gitteratomen. Durch die teilweise Umwandlung des austeni­ tischen Ausgangsmaterials in die Martensitphase entsteht zusätzlich eine Vielzahl weiterer Strukturfehler, die den thermischen Widerstand weiter erhöhen.

Von besonderem Vorteil ist weiterhin, daß das Ausgangs­ material bei dieser Behandlung durch die Verformung unter­ halb seiner Martensitbildungstemperatur zusätzlich über­ durchschnittlich stark verfestigt wird, so daß entsprech­ end behandelte Komponenten sehr viel höhere Kräfte über­ tragen können oder im Vergleich zu herkömmlichen Konstruk­ tionen mit geringeren Querschnitten auskommen, was den effiktiven Wärmestrom durch derartige Komponenten weiter verringert.

Die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt das nachfolgende Beispiel.

Ein austenitisches Rohr aus der Stahlqualität Nr. 14 301 mit einer Ausgangshärte von 153 HV1 wurde durch Innen­ druckbeaufschlagung in einem Flüssigstickstoffbad um 10,6% plastisch verformt. Dabei stieg die Härte auf 310 HV1 an. Die mittlere Wärmeleitfähigkeit des Materials im Tempera­ turbereich zwischen 288 K und 77 K nahm durch die Behand­ lung von 17 W/mK auf 7 W/mK ab.

Claims (2)

1. Verfahren zur Verringerung der Wärmeleitfähigkeit von Werkstücken aus austenitischem Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke unterhalb ihrer Martensitumwandlungs­ temperatur plastisch verformt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformung in einem Bad aus flüssigem Stick­ stoff durchgeführt wird.