Cryogene temperaturen, invloed op metaal en enkele toepassingen
Zodra vloeibare lucht, vloeibare waterstof en vloeibaar helium beschikbaar kwamen rond de eeuwwisseling werd de aandacht gericht op de effecten die de temperaturen van deze produkten hadden op de eigenschappen van materialen. Zo ontstonden de gangbare demonstratieexperimenten zoals het bevriezen van holle rubberbal in vloeibare lucht die dan in scherven viel als geprobeerd werd er mee te stuiteren of het maken van een veer van een stukje looddraad en het maken van een luidklok van een klokvormig stuk lood dat bij kamertemperatuur doffe klanken geeft maar na onderdompeling in vloeibaar lucht heldere tonen teweegbrengt.
Door: P.M. Congleton
(artikel gepubliceerd in Roestvast Staal nummer 1, 1993- artikel 73)
Sterkte van materialen
De bepaling van de sterkte van materialen bij ergogene temperaturen is van vitaal belang om te kunnen komen tot een veilig ontwerp van cryogene apparaten, omdat lage temperaturen een uitgesproken invloed hebben op de fysische eigenschappen van vele materialen en in veel gevallen een rampzalige mate van brosheid veroorzaken. Afbeelding 1 toont een opstelling voor het uitvoeren van een trekproef bij zeer lage temperatuur. Afbeelding 2 laat enkele resultaten zien van trekproeven als functie van de temperatuur. In het algemeen geldt dat materialen met een ruimtelijk gecentreerd kubisch kristalrooster een uitgesproken toename te zien geven van de rekgrens (en een overeenkomstig verlies aan vervormbaarheid) bij dalende temperatuur. Zulke metalen, waartoe ijzer, molybdeen en wolfraam behoren zijn dus feitelijk ongeschikt voor de constructie van apparaten voor gebruik bij lage temperaturen.
Aan de andere kant vertonen metalen met een vlakkengecentreerd kubisch kristalrooster een lichte toename van hun rekgrens en ze behouden hun vervormbaarheid tot temperaturen die kunnen dalen tot 77 K. De metalen in deze laatste categorie, waartoe vele austenitisch roestvast-staaltypen behoren alsmede aluminium en aluminiumlegeringen, nikkel en koper, zijn geschikt voor het bouwen van apparaten voor toepassing bij lage temperaturen. Vervormbaarheid alleen is geen geschikte richtlijn voor de bruikbaarheid van materialen. De kerfslagtaaiheid moet ook in ogenschouw worden genomen. Zo bleken sommige typen koolstofstaal rekwaarden te bezitten van wel15% bij trekproeven bij -160°C, maar ze waren zo bros als glas bij kerfslagproeven. Daar staan sommige hoogvaste roestvast-staaltypen tegenover met niet meer dan zo'n 2% rek, maar met uitstekende taaiheid bij kerfslagproeven. Austenitisch roestvast staal, koperlegeringen, aluminiumlegeringen alsmede titaanlegeringen worden het meest gebruikt voor de vervaardiging van cryogene vaten en transportinstallaties. 
Afbeelding 1. Apparaat voor het uitvoeren van trekproeven bij cryogene temperaturen.
Afbeelding 2. Rekgrenswaarden van verscheidene constructiematerialen.
(1) 2024- T 4 aluminium (2) berylliumkoper (3) K-Monel® (4) titaan (5) AIS! 304 (6) koolstofstaal C1020 (7) 9% Ni-staal (8) Teflon® (9) Invar 36®.
Thermische eigenschappen
Voor het ontwerpen van cryogene apparaten zijn er drie hoofdtypen van vaste stof, waarvan de warmtegeleidbaarheidswaarden van belang zijn: zuivere metalen, legeringen en diëlektrische materialen (zoals keramiek). Afbeelding 3 toont enkele typische waarden. Opvallend is dat er soms maximumwaarden optreden tussen 50 en 20 K. In dit temperatuursgebied bezitten zuivere metalen een warmtegeleidbaarheid die 100 keer hoger is dan die van hun legeringen. De legeringen zelf verschillen onderling met een factor 10. Diëlektrische stoffen met een ongeordende structuur zoals glas en kunststoffen zijn zeer slechte warmtegeleiders, terwijl in contrast hiermee kristallijne diëlektrische stoffen als diamant en saffier zeer goede warmtegeleiders zijn. De soortelijke warmte, de hoeveelheid warmte die nodig is om een volume-eenheid materiaal een graad in temperatuur te doen stijgen, neemt toe bij stijgende temperatuur. Dit houdt in dat bij zeer lage temperaturen slechts zeer kleine hoeveelheden warmte nodig zijn om de temperatuur van een voorwerp te laten stijgen.
Afbeelding 3. Warmtegeleidbaarheid van materialen bij lage temperaturen.
(1) 2024- T4 aluminium (2) berylliumkoper (3) K-Monel® (4) titaan (5) AISI 304 (6) koolstofstaal Cl 020 (7) zuiver koper (8) Teflon®.
Geleiding van elektrische stroom
Als de temperatuur van een metaal wordt verlaagd, neemt de elektrische weerstand af. Bij cryogene temperaturen is de weerstand van koper zo laag geworden dat een draad No. 40 een stroom van 4 ampère kan geleiden zonder schade; dit is tweemaal de doorsmeltwaarde van zo'n draad bij kamertemperatuur. De elektrische weerstand van legeringen is gewoonlijk hoger dan die van hun samenstellende elementen bij kamertemperatuur. Dit effect wordt geaccentueerd bij cryogene temperaturen omdat de terugval in weerstand van legeringen bij dalende temperatuur laag is in vergelijking met de corresponderende daling bij zuivere metalen. Elektrische isolatoren worden gewoonlijk zelfs effectiever bij cryogene temperaturen; dit kan mede worden veroorzaakt door het feit dat oppervlaktevochtfilms minder geleidend worden.
Opslag van koude stoffen
Houders van cryogene vloeistoffen bestonden ooit uit bolvormige of cilindrische dubbelwandige vaten van het type van de oorspronkelijke dewar-fles. Ze waren breekbaar, groot en moeilijk te transporteren. Sindsdien zijn er grote vorderingen geboekt bij het opslaan en transporteren van cryogene vloeistoffen. Verbeterde isolatie heeft geresulteerd in duurzame compacte houders die door de lucht kunnen worden getransporteerd of die kunnen worden ontworpen voor vervoer over de weg of per spoor en waarbij een minimum aan verlies kan worden gegarandeerd van koude vloeistoffen, zelfs bij langdurige opslag.
Afbeelding 4. Dewar-op-truck transport oude stijl.
Dewars
Vroege metalen houders voor vloeibare lucht, zuurstof en stikstof waren gebouwd volgens het dewar-principe. Ze bestonden uit een bolvormige vloeistofhouder in een mantel, met een lange nauwe hals, welke laatste was gemaakt van een materiaal met een gering warmtegeleidingsvermogen. Verdamping via de hals verlaagde de warmtegeleidbaarheid onder in de hals. De hals deed zowel dienst als steun voor de dewar en als vulopening. Bij het nemen van de volgende stap omlaag in temperatuur naar het gebied van vloeibaar waterstof-heliumneon, dan vereist een effectieve dewarconstructie het gebruik van een meerwandig vat. De heliumhouder bijvoorbeeld is omringd door een vacuümvat en daaromheen een dubbelwandig vat dat een afscherming bevat in de vorm van vloeibare stikstof. Net zoals poeder-vacuüm isolatie simpelere en compactere houders voor stikstof en zuurstof mogelijk maakte, zo maakt superisolatie verbeterde waterstofhouders mogelijk.
Wegvervoer
De eerste cryogene eenheden voor vervoer over de weg waren grote cilindervormigedewars op vrachtauto's gemonteerd, zoals te zien op afbeelding 4. De toenemende vraag naar cryogene gassen leidde tot de ontwikkeling van een speciale vorm van wegvervoer. Een dergelijke vorm van vervoer is schematisch weergegeven op afbeelding 5. Vloeistof uit de tank op de truck wordt in druk verhoogd door een roterende pomp, die door de motor van de truck wordt aangedreven, en wordt dan verdampt door uitwisseling van warmte van het koelwater van de truckmotor. Dergelijke vervoerseenheden kunnen ook worden gebruikt voor de aflevering van cryogene vloeistoffen in de vloeibare toestand. Op deze wijze worden vloeibare zuurstof, stikstof, argon, helium en waterstof vervoerd.
Afbeelding 5. Truck voor transport van vloeibare zuurstof of stikstof (getoond tijdens lossen).
Cryoforming
Het cryoforming-proces is ontwikkeld door Boeing. Het wordt toegepast voor de bewerking van hardbare dunne roestvast-staalplaat. De verspaande, vervormde of gelaste onderdelen die van zulk staal zijn gemaakt bevatten restspanningen die de neiging hebben om het onderdeel krom te doen trekken waardoor de maatvoering afwijkt van de gewenste eindafmetingen. Het verwijderen van dergelijke ongewenste vervorming begint met een aanvankelijke zachtgloeiing bij 940°C. Dit verhitten veroorzaakt gewoonlijk verdere tijdelijke vervorming. Maar dan wordt het werkstuk gekoeld tot 90°C als het in een mal wordt gedrukt die de exacte vorm heeft van het voltooide onderdeel. Werkstuk en mal worden dan geleidelijk gekoeld tot -73 à -79°C in een oplossing van droog ijs en trichloorethyleen of in een droge koude kamer. Als het werkstuk uit de mal wordt verwijderd, heeft het niet langer de neiging om krom te trekken. Behalve dat het voldoet aan de vereiste maten kan het nu een verouderingsharding ondergaan zonder dat het moet worden ingekleurd om kromtrekken tegen te gaan. Met dit proces kunnen golven met meervoudige stralen worden aangebracht met zeer nauwe ontwerptoleranties.
Zerolling
Volgens experimentele gegevens die voor het eerst zijn gepubliceerd rond 1950 resulteert het bewerken van roestvast staal bij temperaturen onder nul in een forse toename van de treksterkte. Als zulk 'zerolled' roestvast staal wordt verhit tot temperaturen tot 425°C vindt er additionele versteviging plaats. Dit effect treedt met name op de voorgrond bij roestvast staal van het type AISI 347. Hoewel austenitisch roestvast staal dat 100 uur op -196°C wordt gehouden geen verandering ondergaat in mechanische eigenschappen bij kamertemperatuur, veroorzaakt mechanische bewerking van dergelijk staal bij zulke lage temperaturen een veel hogere mate van deformatieharding die gepaard gaat met een corresponderende toename van treksterkte, rekgrens en hardheid, vergeleken met staal dat is bewerkt bij kamertemperatuur. Bij een gegeven treksterkte is zerolied materiaal
ductieler. Verder wordt een gewenste treksterkte bereikt door een veellagere walsreductie dan het geval is bij kamertemperatuur.
Invar 36 is een gedeponeerd handelsmerk van Telcon Metals Ltd.
Monel is een gedeponeerd handelsmerk van de Inca family of alloys.
Teflon is een gedeponeerd handelsmerk van DuPont.