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Die Verwendung von Kupferlegierungen für Gegenstände, die tiefen Temperaturen
ausgesetzt sind Die Erfindung bezieht sich auf Gegenstände oder Vorrichtungen, die
niedrigen Temperaturen, insbesondere solchen Temperaturen ausgesetzt sind, bei denen
Gase, z. B. Sauerstoff, flüssig werden. Während es unpraktisch ist, große Mengen
flüssiger Gase vollständig einzuschließen, können sie in Behältern untergebracht
werden, die mit Sicherheitsventilen oder anderen Vorrichtungen versehen sind, mit
denen die Bildung übermäßiger Drücke vermieden: werden kann.. Verfährt man in der
Weise, so können Gasdrücke von 7 kg pro Quadratzentimeter und mehr in der Vorrichtung
erzielt werden.
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Es bestehen nun beträchtliche Schwierigkeiten bei der Auswahl des
Baustoffes derartiger Behälter. Bisher sind im allgemeinen zwei Baustoffe verwendet
worden, und zwar Stahl und Kupfer. Stahl hat den Nachteil, daß er bei Temperaturen
von unter minus 5o° C oder 2a3° Kelvin außerordentlich brüchig wird. Wenn in einem
solchen Gegenstand bei der Herstellung innere Spannungen entstanden sind und zu
diesen Spannungen andere Spannungen hinzukommen, die aus der Abkühlung des Gegenstandes
auf die Temperatur des flüssigen Sauerstoffes resultieren, so können diese zusätzlichen
Spannungen genügen, um den brüchigen Stahl auseinanderzubrechen. Aus diesem Grunde
ist ein sorgfältiges Ausglühen des Stahles unerläßlich. Aber selbst wenn der Stahl
sorgfältig ausgeglüht ist und alle inneren Spannungen beseitigt sind, so bildet
die außerordentliche Brüchigkeit des Stahles doch eine große Gefahrenquelle, wenn
der Stahl bei niedrigen Temperaturen Stößen und Erschütterungen ausgesetzt wird.
Aus diesem Grunde muß der aus Stahl bestehende Gegenstand besonders unterstützt
werden, um die Gefahr des Auftretens von Stößen und Erschütterungen zu verringern.
Aber auch selbst bei Beobachtung dieser Vorsichtsmaßregel kommen leicht Unfälle
vor.
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Man hat daher auch bereits vorgeschlagen, als Baustoff für Vorrichtungen,
die bei den genannten tiefen Temperaturen benutzt werden sollen, Kupfer zu verwenden.
Kupfer hat den Vorteil, daß es bei Temperaturen flüssiger Gase geschmeidig bleibt.
Kupfer hat aber auch schwerwiegende Nachteile. Es ist praktisch nicht elastisch
und nimmt nach
einer Beanspruchung nicht vollständig wieder die
frühere Form an. Ein aus Kupfer bestehender Behälter streckt sich daher allmählich,
was eine entsprechende Verringerung des Ouerschnittes zur Folge hat. Kupferkessel
oder andere Gegenstände aus Kupfer verformen sich, und ein Bruch kann eintreten,
wenn der Kessel von neuem unter Druck gesetzt wird, den er in neuem Zustande ausgehalten
hätte.
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Eine Legierung nun, die in der Hauptsache aus Kupfer besteht, jedoch
aus Silicium und Mangan: enthält, hat nicht nur die Vorteile von Stahl und Kupfer
ohne deren schädliche Eigenschaften; sondern auch bei niedrigen Temperaturen Eigenschaften,
welche die Legierung für die Verwendung bei niedrigen Temperaturen besonders brauchbar
machen. Eine solche Legierung kann aus 9a,5 bis 96,5 % Kupfer, 3 bis 6,5 % Silicium
und 0,5 bis. 1,5 0i0 Mangan bestehen. Zweckmäßig enthält die Zusammensetzung annähernd
94,5 0/ö Kupfer, 4,5 % Silicium und i % Mangan. Diese Zusammensetzung hat wertvolle
Eigenschaften, welche die Legierung besonders geeignet machen für den Gebrauch bei
niedrigen Temperaturen. Zu diesen Eigenschaften gehören hohe Festigkeit und Geschmeidigkeit.
Sodann läßt sich die Legierung leicht bearbeiten. Sie besitzt eine hohe Widerstandsfähigkeit
gegenüber Stößen; sie hat keine Neigung zum Brüchigwerden. Sie läßt sich ferner
leicht schweißen. Die Schweißnähte besitzen eine große Festigkeit und Widerstandsfähigkeit.
Außerdem weist die Legierung gegenüber von Kupfer eine niedrige Wärmeleitfähigkeit
auf. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Legierung in dem Bereich zwischen den Zimmertemperaturen
und den Temperaturen von flüssiger Luft liegt so nahe bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten
von Kupfer, daß die Legierung in Verbindung mit Kupfer verwendet werden kann, ohne
daß die Gefahr von: großen Ausdehnungsunterschieden bestünde. Die geringe Wärmeleitfähigkeit
der Legierung gegenüber von Kupfer ist sehr häufig eine wichtige Eigenschaft dieser
Legierung; denn sie kann. in manchen Fällen bei der Höhe des Flüssigkeitsverlustes
eine Rolle spielen, der während des Füllvorganges durch Verdampfung eintritt.
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In Versuchen ist das Verhältnis der physikalischen Eigenschaften dieser
Mischung und derjenigen eines für niedrige Temperaturen geeigneten Stahles festgestellt
worden. Dieser Stahl hat die folgende Zusammensetzung: Kohlenstoff 0,404, Mangan
o,68 °(o, Silicium
0,28 0[0, Phosphor o,oz i 0f0, Schwefel 0,03 0/'o und
der Rest in der Hauptsache Eisen. Die verwendete Legierung hat im wesentlichen die
oben angegebene Zusammensetzung. Die Ergebnisse der angestellten Versuche sind in
der folgenden Tabelle zusammengestellt:
Aus dieser Tabelle ergibt sich ein praktisch wertvolles Verhalten der Legierung
bei niedrigen Temperaturen. Obgleich, wie erwartet wurde, die Elastizitätsgrenze
und die äußerste Festigkeitsgrenze sowohl des Stahles als auch der Legierung bei
abnehmenden Temperaturen wachsen, hat sich doch herausgestellt, daß die Geschmeidigkeit
der Legierung bei abnehmenden Temperaturen wächst, anstatt daß die Legierung brüchig
wird, wie es beim Stahl der Fall ist.
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Um die verhältnismäßige Widerstandskraft dieser Legierung gegenüber
Stößen festzustellen, sind Izodstoßversuche unternommen, worden. Bei Zimmertemperaturen
ergab die Legierung einen Izodwert von 8 bis 8,85 mkg, ohne daß Brüche auftraten.
Bei ungefähr minus 183° ergab die Legierung einen Izodwert von 9,68 bis 10,78 mkg,
ebenfalls ohne Brüche. In der gleichen Weise wurde ein für Kesselbleche bestimmter
Stahl mit ungefähr 0,i7 01, Kohlenstoffgehalt untersucht. Bei Zimmertemperaturen
ergab dieser Stahl Izodwerte von 4,84 bis 6,22 mkg. Einzelne der Proben. brachen
vollständig auseinander, während andere nur teilweise zerbrachen. Bei minus 183°
C hatte der Stahl praktisch keine Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen mehr und
zerbrach sehr leicht. Obgleich beachtet werden muß, daß bei einem Izodversuch vollkommen
zuverlässige Werte nur dann erzielt werden, wenn die Proben vollständig auseinanderbrechen,
zeigen doch die obigen Ergebnisse in qualitativer und halb quantitativer Hinsicht
die vergleichsweisen Eigenschaften der
Legierung gegenüber hochwertigem
Stahl in Bezug auf die Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen.
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Alle Teile von Vorrichtungen, die bei sehr tiefen Temperaturen verwendet
werden; könnten aus der obengenannten Legierung her=: gestellt werden. Sie ist besonders
geeignet für Behälter sowie auch für Rohre, Stehbolzen, Kupplungen u. dgl. Da, wie
oben ausgeführt wurde, der Ausdehnungskoeffizient der Legierung nahe bei demjenigen
von Kupfer liegt, kann diese Legierung auch zusammen mit Kupferteilen verwendet
werden.