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Eiskalt – Dem Magnetfeld
widerstehen
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Abb. 1: Probe nach Tieftemperatur-Zugversuch.
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Bei extremer Kälte dem
Magnetfeld widerstehen
Hochfester Stahl mit sehr geringer Magnetisierbarkeit
bei extrem tiefen Temperaturen
Michael Blüm, Sebastian Weber
Die Befestigungen starker Magnete im Elektronenspeicherring BESSY II in Berlin bestehen heute aus Titanlegierungen. Ihre Festigkeit ist extrem hoch und ihre Wechselwirkung
mit Magnetfeldern ist auch bei tiefen Temperaturen gering – leider sind sie aber auch sehr
teuer. Bochumer Forscher machten sich gemeinsam mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin,
dem BESSY-Betreiber, auf die Suche nach günstigeren Werkstoffen mit vergleichbaren Eigenschaften.
Eigentlich klingt die Aufgabe ganz einfach: einen preisgünstigen Werkstoff zu
finden, der sich für die Herstellung von
Befestigungen starker Magnete in „Undulatoren“ eignen (Abb. 2a), wie sie u.a.
im Synchrotron-Speicherring BESSY II
des Helmholtz-Zentrums Berlin im Einsatz sind. Einfach ist das aber ganz und gar
nicht, denn im Undulator herrschen besondere Bedingungen. Das Wort „Undulator“ leitet sich vom englischen Verb „to undulate“ ab: „sich wellenförmig bewegen“.
Gemeint sind Elektronen im SynchrotronSpeicherring, die einen Undulator passieren und durch ihn auf eine wellenförmige
Bahn gelenkt werden, um auf diese Weise
Abb. 2a: Undulator im Bessy II des Helmholtz Zentrum Berlin.
Synchrotron-Strahlung zu erzeugen. Vorstellen kann man sich einen Undulator als
eine Aneinanderreihung von starken Magneten, die abwechselnd in Nord-Süd-Ausrichtung angeordnet sind (Abb. 2b). Zwei
solcher Magnetreihen liegen übereinander und können hydraulisch gegeneinander verstellt werden. Aufgrund der Stärke des Magnetfeldes wirken enorme Kräfte von mehreren Tonnen auf die gesamte
Konstruktion und anteilig natürlich auch
auf jeden einzelnen Magneten und dessen
Befestigungen. Diese Kräfte müssen vom
Befestigungssystem, in diesem Fall einer
Verschraubung mit Fixierelementen, aufgenommen werden.
Abb. 2b: Magnetreihen des Undulators, befestigt mit Schrauben und Klammern.
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Abb. 3: Michael Blüm bei der Kühlung der Prüfmaschine mit flüssigem Stickstoff.
Die Anforderungen an die mechanische
Festigkeit des gesuchten Werkstoffs für die
Befestigungsbauteile sind also sehr hoch.
Da Undulatoren hochpräzise elektromagnetische Bauteile sind, stören alle magnetischen Felder, die durch die verwendeten
Konstruktionswerkstoffe erzeugt werden,
erheblich. Der gesuchte Werkstoff muss
also zusätzlich zu seiner Festigkeit möglichst wenig durch Magnetfelder beeinflussbar sein und darf nicht selbst noch zu ihnen
beitragen. Der geforderte Wert der magnetischen Beeinflussbarkeit, der sog. Suszeptibilität (englisch susceptible = beeinflussbar), liegt bei maximal 0,004, was sehr niedrig ist: Den Wert 0 besitzt nur das Vakuum.
Darüber hinaus muss noch die geplante
Betriebstemperatur der Undulatoren berücksichtigt werden, welche künftig bei
sehr tiefen Temperaturen von -196°C (Kühlung mit flüssigem Stickstoff) bis -269°C
(Kühlung mit flüssigem Helium) betrieben
werden sollen, um die Brillanz der damit
erzeugten Strahlung zu erhöhen. Der gesuchte Werkstoff muss den Ansprüchen
also auch bei solchen extrem tiefen Temperaturen genügen.
Bisher wurden für die Herstellung solcher Befestigungen Titanlegierungen verwendet, da sie hohe Festigkeit mit einer
niedrigen magnetischen Suszeptibilität
verbinden – leider aber auch mit sehr hohen Kosten. Diese sollten im Rahmen des
Kooperationsprojektes durch einen kostengünstigeren Alternativwerkstoff gesenkt werden.
Die Suche begann bei einem Werkstoff,
der einem im Alltag ständig begegnet: „Edelstahl Rostfrei“. Balkongeländer, Fassadenbekleidungen, Kochtöpfe, Besteck und Einrichtungsgegenstände von Küchen sind
daraus gefertigt, um nur einige Beispiele
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Abb. 4: Schematische Darstellung der Ausrichtung der magnetischen Momente bei Ferromagnetismus (links),
Paramagnetismus (Mitte) und Antiferromagnetismus (rechts).
zu nennen. Doch ein Stahl ist nicht gleich
dem anderen: An der Discounter-Mikrowelle in Edelstahloptik bleiben Notizzettel mit Magnet hängen, vom hochwertigen
Kühlschrank im gleichen Design fallen sie
ab. Warum ist das so?
Die Ursache liegt in dem unterschiedlichen Gefüge der Stähle, welches mit der
Zusammensetzung der Legierung zusammenhängt. Dahingehend lassen sich die
Stähle in vier Gruppen unterteilen: die ferritischen, die austenitischen, die martensitischen und die Duplex-Stähle. Die ersten beiden sind im Alltag am häufigsten
anzutreffen. Sie unterscheiden sich in ihrem inneren Aufbau. Genauso wie zum
Beispiel Salz aus Kristallen besteht, besitzen auch Metalle einen kristallinen Aufbau. Die Struktur von ferritischen Stählen
ist „kubisch raumzentriert“, die von austenitischen „kubisch flächenzentriert“. Beide Gittersysteme bestehen in ihren kleinsten Einheiten aus acht Eckatomen, welche
einen Würfel bilden. Im kubisch flächenzentrierten Gitter ist auf jeder der sechs
äußeren Würfelflächen ein weiteres Atom
platziert. Das kubisch raumzentrierte Gitter hingegen besitzt zusätzlich zu den Eckatomen nur ein weiteres Atom, welches
sich im inneren Mittelpunkt des Würfels
befindet. Mit der unterschiedlichen Kristallstruktur sowie mit der Temperatur hängen bei Eisenbasiswerkstoffen wiederum
unterschiedliche magnetische Eigenschaften zusammen.
Magnetisierbarkeit ist eine Reaktion des
Werkstoffs im magnetischen Feld. Stähle reagieren im Wesentlichen auf drei Arten: ferromagnetisch, paramagnetisch oder
antiferromagnetisch. Grund für das unterschiedliche Verhalten ist die Ausrichtung
der magnetischen Spins. Im Falle des Ferromagnetismus (Abb. 4 links) liegen in
kleinen Kristallbereichen parallel ausgerichtete Momente vor, welche jeweils durch
sog. Blochwände begrenzt werden. Da diese Kristallbereiche, auch Weiß´sche Bezirke genannt, zunächst regellos orientiert
vorliegen, ist kein äußerliches Magnetfeld
wahrnehmbar. Sobald aber von außen ein
Magnetfeld angelegt wird, werden plötzlich
die Blochwände so verschoben, dass die Bezirke vergrößert werden, welche in einem
günstigen Winkel zum äußeren Feld liegen. Abschließend erfolgt eine Drehung
der magnetischen Momente in diesen günstig orientierten Weiß´schen Bezirken in
Richtung des äußeren Magnetfeldes. Dies
führt zu einer starken Magnetisierung des
Materials. Sie äußert sich dadurch, dass das
Material von Magneten angezogen wird
und zum Teil selbst nach Ausschalten des
Feldes magnetisch bleibt. Dieser Zustand
liegt allerdings nur in einem bestimmten
Temperaturbereich vor:
Besitzt das Material eine so genannte
Curie-Temperatur, so weist der Werkstoff
oberhalb davon ein paramagnetisches Verhalten auf (Abb. 4 Mitte). Das heißt, dass
die atomaren magnetischen Momente re-
gellos orientiert und voneinander unabhängig sind. Wird nun ein äußeres Magnetfeld angelegt, so wird diese regellose
Orientierung beeinflusst – nach Abschalten des Magnetfeldes kehrt aber sofort der
vollständig ungeordnete Zustand zurück.
Ein paramagnetischer Werkstoff ist meist
nur wenig empfindlich für ein äußeres
Magnetfeld. Die magnetische Suszeptibilität, also die magnetische „Beeinflussbarkeit“, ist bei paramagnetischen Stählen mit
Werten knapp über null bei Raumtemperatur sehr klein. Die meisten austenitischen
Stähle sind bei Raumtemperatur paramagnetisch. Das erklärt den Effekt des nicht
haftenden Magneten am Kühlschrank, da
dessen schwaches permanentes Magnetfeld keine Magnetisierung der Wand aus
austenitischem rostfreiem Edelstahl hervorruft. Preisgünstigere, ferritische korrosionsbeständige Stähle haben eine höhere
Suszeptibilität – daher haftet der Magnet
an der Mikrowelle.
Im Falle bestimmter austenitischer
Stähle, welche bei Raumtemperatur paramagnetisch sind, liegt unterhalb der sog.
Néel-Temperatur Antiferromagnetismus
vor. Dabei sind die magnetischen Momente
der Atome gegenläufig angeordnet (Abb. 4
rechts). Dies führt dazu, dass sie sich gegenseitig aufheben, was bedeutet, dass diese Materialien nicht magnetisierbar sind
und eine nochmals geringere magnetische
Suszeptibilität im Vergleich zum paramagnetischen Zustand aufweisen. Die Néel-
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500 μm
Abb. 5: Veränderung des Gefüges mit steigender Kaltverfestigung (50-fache Vergrößerung). Makroskopisch
ist deutlich die sich ändernde Textur des Materials erkennbar: Umformgrad = 0 (links), Umformgrad = 0,11
(Mitte) und Umformgrad = 0,21 (rechts).
Temperatur lässt sich unter anderem mittels empirischer Formeln anhand der Legierungszusammensetzung berechnen.
Für unsere Anwendung im Undulator
kommen aus der großen Menge an Eisenlegierungen bzw. Stählen aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften nur solche mit austenitischer Kristallstruktur in
Frage – also solche, an denen ein Kühlschrankmagnet nicht hängenbleiben würde. Bei Raumtemperatur ist diese Anforderung leicht zu erfüllen. Sie trifft schon für
vergleichsweise niedrig legierte 18-10 Austenite (Eisen, 18% Chrom, 10% Nickel)
zu, welche sich im lösungsgeglühten Zustand befinden. Solche Stähle werden zum
Beispiel für die Herstellung von hochwertigem Essbesteck genutzt.
Aber die Anforderungen in der direkten
Konkurrenz zu einer Titanlegierung sind
höher: Zum einen weist die Titanlegierung
bei Raumtemperatur eine extrem hohe Festigkeit auf. Sie liegt bei 800 bis 850 Megapascal (MPa), das heißt, ein Draht mit
einer Querschnittsfläche von 1 mm² aus
diesem Material könnte eine 80 bis 85 kg
schwere Person tragen. Die Festigkeit des
18-10 Austenits liegt dagegen nur bei 220250 MPa. Zum anderen behält die Titanlegierung ihre niedrige magnetische Suszeptibilität auch bei sehr tiefen Temperaturen
bei. Kann ein Stahl damit konkurrieren?
Die Lösung für die Festigkeit lautet „Kaltverfestigung“. Sie bezeichnet einen Effekt,
der aus dem Alltag bekannt ist: Verbiegt
man zum Beispiel einen Kleiderbügel und
versucht anschließend, ihn an derselben
Stelle wieder gerade zu biegen, dann ist der
Widerstand dort erheblich höher. Das Metall hat sich an der Biegestelle verfestigt.
Ursache ist die lokal erhöhte Versetzungsdichte. Versetzungen sind eindimensionale
Gitterdefekte, die bei der plastischen Verformung von Metallen entstehen. Sie verzerren in ihrer direkten Umgebung das
Kristallgitter und führen so zu Spannungsfeldern. Da für eine plastische Verformung
eine Vielzahl von Versetzungen pro Kristall
nötig ist, nimmt lokal die Menge der Versetzungen pro Kristall zu, und somit auch
die Gitterverzerrungen und Spannungsfelder (s. Abb. 5 und 6).
Man kann diese Kaltverfestigung gezielt
nutzen, um die Festigkeit eines Metalls
zu erhöhen. Je nach Werkstück kann man
das Metall zum Beispiel walzen oder in die
Länge ziehen. Das funktioniert prinzipiell
auch mit unserem 18-10 Austenit. Allerdings kann es bei der Umformung ebenso wie auch bei einer Abkühlung passieren,
dass sich Teile des Kristallgitters im Stahl
von der kubisch flächenzentrierten in die
kubisch raumzentrierte Form wandeln –
aus der austenitischen wird teilweise eine
ferritische. Dadurch verändern sich wieder
die magnetischen Eigenschaften ungünstig, und machen den Werkstoff untauglich
für den Undulator.
Wir müssen uns also vom 18-10 Austenit verabschieden und statt dessen spezi-
500 μm
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50 μm
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Abb. 6: Veränderung des Gefüges mit steigender Kaltverfestigung (500-fache Vergrößerung). Die schwarzen
Pünktchen sind Verunreinigungen im Material. Es ist zu erkennen, wie mit steigendem Umformgrad die
einzelnen Körner zunehmend verformt werden und sich dabei Verformungszwillingslinien ausbilden: Umformgrad = 0 (links), Umformgrad = 0,11 (Mitte) und Umformgrad = 0,21 (rechts).
elle, nicht-magnetisierbare austenitische
Stähle verwenden, deren Legierungszusammensetzung sicherstellt, dass auch
bei Verformungen und bei tiefsten Temperaturen keine Änderung der Kristallstruktur auftritt.
Aus dieser Gruppe der nicht-magnetisierbaren Stähle haben wir einen Stahl
ausgewählt, der mit 21 Masse-% Chrom,
16 Masse-% Nickel, 5 Masse-% Mangan, 3
Masse-% Molybdän und 0,3 Masse-% Stickstoff legiert ist. Er besitzt gemäß DIN EN
10027 die Werkstoffnummer 1.3964. Mit
2000
mehr als 45% Legierungselementen ist das
Material vergleichsweise hoch legiert. Im
lösungsgeglühten Zustand, das heißt nach
einer Erwärmung auf 1100°C und anschließendem Abschrecken, hat dieser Stahl bereits eine hohe Festigkeit von 430 MPa.
Der Vergleich mit dem Wert der Titanlegierung von 800 bis 850 MPa zeigt: Das
reicht noch nicht!
Die Kaltverfestigung verschafft dem
Stahl aber die notwendige Festigkeit: Ihr
Wert wird dadurch mehr als verdoppelt auf
950 MPa bei Raumtemperatur (s. Abb. 7).
20°C
-196°C
Zugfestigkeit [MPa]
1500
1000
500
0
0 0,110,21
Umformgrad
Abb. 7: Streckgrenze des Stahls Nr. 1.3964 bei Raumtemperatur und -196°C nach Lösungsglühen
und Kaltverfestigung.
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Eine Zugprüfung bei -196°C (77K), einer
möglichen Arbeitstemperatur des Undulators, zeigt, dass die Festigkeit bei Kälte
nochmals ansteigt und für den kaltverfestigten Zustand einen Wert von 1800 MPa
erreicht. Sowohl bei Raumtemperatur als
auch bei -196°C erreicht der kaltverfestigte
Stahl somit das Festigkeitsniveau der Titanlegierung, welche im Tieftemperaturbereich (-196°C) bei ca. 1500 MPa liegt.
Um auch das magnetische Verhalten zu
prüfen – starke Abkühlung oder plastische
Verformung könnten ja negative Einflüs-
se darauf ausüben – haben wir Proben des
Werkstoffs daraufhin genau vermessen.
Wir konnten zeigen, dass selbst bei einem
hohen Umformungsgrad die Magnetisierbarkeit unter dem geforderten Maximalwert bleibt (Abb. 8).
Auch die geplanten Arbeitstemperaturen
des Undulators ändern das magnetische
Verhalten des Stahls nicht wesentlich. Das
Material verhält sich bis zu einer Temperatur von -210°C (Néel-Temperatur) paramagnetisch, darunter antiferromagnetisch.
Für die Anwendung in Undulatoren ist
0,08
magnetiche Suszeptibilität []
0,06
1.4301
0,04
0,02
Grenzwert
0 0,110,21
Umformgrad
Abb. 8: Magnetische Suszeptibilität des Stahls Nr. 1.3964 ohne Kaltverfestigung (0), nach moderater
Verformung (0,11) und nach einer hohen Verformung (0,21). Alle Proben erreichen Werte unter 0,004 und
entsprechen somit den Anforderungen an den Werkstoff für Undulator-Bauteile. Zum Vergleich eine
Messung an einem 18-10 Austeniten (1.4301).
dies ein positives Ergebnis: Die geplanten
Anwendungstemperaturen liegen zwischen -196°C und -269°C und somit entweder im Bereich des paramagnetischen
oder des antiferromagnetischen Zustandes
dieses Stahles.
Die Anforderungen an die magnetischen
Eigenschaften sind also immer erfüllt, und
auch die Festigkeit ist durch die Kaltverfestigung im Vergleich zur bisher verwendeten Titanlegierung konkurrenzfähig. Für
die Fertigung von Schrauben aus dem kaltverfestigten Stahl DIN EN 1.3964 würde
sich das kalte Vorrecken von Stäben anbieten, während für Halteklammern und ähnliche Bauteile eher kaltgewalzte Bleche in
Frage kommen.
Die Kosten für die Befestigungsbauteile
aus Stahl betragen nur ein Drittel derer von
vergleichbaren Titanbauteilen. Dies zeigt
das große Einsparungspotential, das in der
Verwendung von austenitischen Stählen
im Undulatorbau steckt.
Die Arbeiten sind entstanden im Rahmen einer Kooperation des Lehrstuhls
Werkstofftechnik (Prof. W. Theisen) und
des Lehrgebietes Werkstoffanalytik (Prof.
A.R. Kaysser-Pyzalla) der Ruhr-Universität Bochum mit dem Helmholtz-Zentrum
Berlin für Materialien und Energie (Dr. J.
Bahrdt, Dr. S. Weber). Wir danken Daniel
Hüggenberg für die Durchführung der beschriebenen Versuche im Rahmen seiner
Studienarbeit am Lehrstuhl Werkstofftechnik der Ruhr-Universität.
Dr.-Ing. Sebastian Weber, HelmholtzZentrum Berlin für Materialien und Energie
Michael Blüm, Lehrstuhl Werkstofftechnik,
Institut für Werkstoffe der RUB