Die Geschichte des Cryogenic Tuning

Woher kommt die Methode der Tiefkühlbehandlung von Metallen und Stählen oder Cryo Treatment bzw. „Wer hat’s erfunden?“

Kälte Behandlungen oder Wärmebehandlungen unter 0°C gibt es schon seit einiger Zeit.

Es gibt Anekdoden von Schweizer Uhrmacher die neu gefertigte Teile im Schnee begruben. Und es ist weithin bekannt, dass Firmen Gussteile „altern“ lassen indem sie diese Teile über den Winter im Freien gelagert haben.

Die Firma „Pierce Arrow“ (1901-1938) war dafür bekannt, dies mit ihren Motorblöcken zu tun. Auch gibt es Indy Car-Autobauer die behaupten, dass schon ihre Väter Gussteile in einer ähnlichen Weise altern lassen, bevor sie diese in Rennwagen verwenden. In einer ähnlichen Weise hat der Begründer der „kontrollierten thermischen Verarbeitung“, Rennfahrer Jim Birks herausgefunden, dass Motoren welche lange auf Schrottplätzen gelegen haben, im direkten Vergleich mit nagelneu hergestellten Motorblöcken die besseren Rennmotoren waren. Das war der Anlass für ihn, nach Möglichkeiten der Kältenutzung zu suchen, um Metalle haltbarer zu machen. Er sammelte die bereits existierenden Erfahrungen, welche ihn dazu bewegten Untersuchungen zur „Kontrolliert thermischen Behandlung“ zu starten.

Andere Formen der Kältebehandlung von Metallen gab es vor dem Jahr 1930. Die damalige Firma Junkers nutzte Kältebehandlungsverfahren für Komponenten ihrer „JUMO Flugzeugmotoren“. Diese Informationen stammen von einem Bekannten der mit einem ehemaligen Junkers Ingenieur mit Namen Adolph Luerker zusammenarbeitete. Herr Luerker wanderte nach dem Krieg in die USA aus, wo er in Kalifornien für die „MC Culloch-Saw-Company“ (Kettensägenfirma) arbeitete. Er schlug vor, dass sie den Prozess für Kettensägen anwenden sollten, was dann auch mit Erfolg geschah. Was genau das angewandte Verfahren beinhaltete wurde geheim gehalten – was sicherlich den Raum für Spekulationen eröffnet. Andererseits kann man sagen, dass der damalige Wettbewerb nicht in der Lage war bessere Kettensägeblätter herzustellen. Das war in der Mitte der 50er Jahre.

Die Kälte-Behandlung hatte in den USA vermutlich ihren Ursprung am „Watertown-Arsenal“ der US Army, während des zweiten Weltkrieges. Das „Watertown-Arsenal“ wurde damals von Clarence Zener geleitet. (Das „Watertown-Arsenal“ war mehr als nur ein Arsenal im herkömmlichen Sinne, sondern vielmehr ein Forschungs- und Industriekomplex, welcher der Rüstung der US Army diente.) Die Methode der Kältebehandlung wurde an diesem Ort weiterentwickelt. Hierfür wurden Stahlschnittwerkzeuge für kurze Zeit in flüssigen Stickstoff getaucht, entnommen, langsam aufgewärmt und in der Produktion eingesetzt. Gelegentlich sind Werkzeuge, resultierend aus dem Temperaturschock, gerissen oder zerbrochen – Grund war die blitzartige Abkühlung (nicht zu vergleichen mit dem von uns angewendeten Verfahren). Die Werkzeuge jedoch, die dieses schnelle Abkühlen überstanden, zeigten eine drastische Erhöhung der Standzeit.

Andere Quellen schreiben die aktuellen Tiefkühl-Anwendungen als einen Ausfluss der NASA Weltraumforschung zu. Werkzeuge die im Außeneinsatz im Weltall waren, wiesen deutlich höhere Lebensdauer aus, was man augenscheinlich auf die tiefen Temperaturen im All zurückführte. Jedoch konnten diese Quellen bis dato nicht verifiziert werden.

Einige Leute griffen immer wieder das Thema der Kältebehandlung in den frühen 70iger Jahren auf. Am bemerkenswertesten und am hartnäckigsten waren die Ausführungen von Dr. Randall F. Barron von der Technischen Universität Louisiana. Dr. Barron hat mehrfach zu Forschungsarbeiten seiner Studien über das Thema geschrieben. Diese Schriften werden von führenden Kältebehandlungsfirmen immer wieder zitiert.

Das englischsprachige „Machinery’s Handbook“ beschreibt den Gebrauch von Trockeneis seit 1981. Dieser Artikel spricht von der Anwendung von Temperaturen von – 102 F (-80°C).

Ein anderer früherer Pionier in der Industrie war Dr. Hugh E. Trucks. Dr. Trucks war Konstrukteur bei der Dynamics Korporation und später Berater. Er schrieb einige Artikel zum  Thema Kältebehandlung, vornehmlich für die englischsprachige Zeitschrift „Die Casting Engineer“ (Der Druckguss-Ingenieur).

Ein dritter Pionier ist Ed Busch der die Cryo Tech Inc. gegründet hat. Er war eine der treibenden Kräfte den Kältebehandlungsprozess bis -80°C für die Industrie nutzbar zu machen und darüber hinaus die Industrie von den Vorzügen der Methode zu überzeugen. Zu erwähnen bleibt, dass Cryo Tech einige von Dr. Barron’s Studien finanzierte.

Fazit: Es ist nicht nachvollziehbar woher die Behandlung von Werkstoffen mit tiefen Temperaturen stammt oder wer es erfunden hat, auch sind die angewandten Verfahren recht unterschiedlich. So werden die heute gängigen Tiefkühlverfahren mit flüssigen Stickstoff und in seltenen, weil sehr kostspieligen, flüssigen Helium durchgeführt. Bei weniger professionellen Anwendungen wird Trockeneis und Alkohol verwand, wobei die Temperatursteuerung sehr unpräzise ist.

Warum wurde das Tiefkühlverfahren/Kältebehandlung nicht schon früher entdeckt bzw. ist heute noch so unbekannt?

1. Zunächst musste eine Möglichkeit gefunden werden um intensive Kälte erzeugen zu können. Es liegt auf der Hand, dass der Tiefkühl-Prozess nicht einmal auf experimenteller Basis möglich war, bis zu dem Zeitpunkt als es möglich wurde künstlich Temperaturen zu erzielen, die beträchtlich kälter waren als es das Erdklima zuließ. Erinnern Sie sich, dass die Menschheit sehr lange Zeit nicht in der Lage war Kälte herzustellen. Bis 1845 waren keine Kühlgeräte vorhanden und die ersten Geräte waren nur fähig Eis herzustellen. Die Entdeckung durch Cailletet 1877, dass Gas bei rascher Ausdehnung kühlen kann und die Entdeckung von Pictet zur Methode der Kaskadenkühlung führten Sir James Dewar’s bei seinen Forschungen zur Erfindung der „Dewarflaschen“, in welchen Luft verflüssigt und gespeichert werden konnte. Erst 1895, mit der fast gleichzeitigen Erfindung der industriellen Luftverflüssigungsprozesse in Großbritannien, Deutschland und der USA war es möglich flüssige Gase in der für technologische Prozesse notwendigen Menge zu produzieren. Allerdings dauerte es bis Mitte der 30iger Jahre bis man in der Lage war flüssigen Sauerstoff auch in ökonomisch vertretbaren größeren Mengen herzustellen. Für lange Zeit wurde der flüssige Stickstoff, welcher als Nebenprodukt bei der Produktion von flüssigen Sauerstoff anfiel, einfach in die Atmosphäre abgelassen.

2. Sodann musste Mittel gefunden werden um die Temperatur steuern zu können, so dass Prozesse reproduzierbar und nachvollziehbar sind.Es musste erst eine Art und Weise gefunden werden, wie man die Temperatur langsam und in gezielter sowie kontrollierter Form absenken kann. Das war anfangs sehr teuer und aufwendig. Die Erfindung der mikroprozessorgesteuerten Temperaturüberwachung ermöglichte es wiederholbare Resultate in der kälteerzeugenden Verarbeitung zu erzielen. Neben der langsamen Absenkung der Temperatur ist auch das langsame Anheben der Temperaturen aus der Kälte auf Normaltemperatur von entscheidender Bedeutung für den Prozeß.

3. Außerdem musste erst einmal von Technikern realisiert werden, dass Veränderungen sogar bei extrem kalten Temperaturen eintreten können und nicht dem Verlauf der Zeit zugeschrieben werden oder sogar nur Zufallsprodukte sind. Ein Punkt der die Weiterentwicklung des Tiefkühlprozesses hinderte war die Denkweise, dass sich das Material im tiefgekühlten Zustand nicht ändern würde. Schließlich liegt seit Jahrhunderten das Hauptaugenmerk bei der Wärmebehandlung und Härteverfahren von Stahl und Metallen auf der „Hitze“. Außerdem geht man traditionell davon aus, dass Kälte nur dazu neigt chemische Reaktionen zu hemmen und auf keinen Fall sie zu fördern. Man wusste einfach nicht, dass sich der Anteil Austenit in Martensit umwandelt, wenn kalte Temperaturen darauf einwirken. Wie bereits oben beschrieben war es für viele Firmen nicht unüblich Gussteile für ein Jahr (eine Saison) vor der maschinellen Bearbeitung (um sie setzen oder „altern“ zu lassen) ins Freie zu stellen. Die Änderung die dabei eingetreten war, hatte man der Zeit zugeschrieben und nicht der Temperatur. Höchstwahrscheinlich war der Grund für die Auslagerung ins Freie die fehlende Lagermöglichkeit in den Hallen. Hierzu ein kleiner Ausflug in ein anderes Themengebiet der Supraleitung: Supraleitfähigkeit von Metallen wird durch Kälte verursacht. Das heißt im Werkstoff ändert sich in der Nähe des absoluten Nullpunktes etwas, so dass sich das Verhalten von Metall und Keramik in einen Ausmaß ändert, wie in es in „normalen“ Temperaturbereichen nicht beobachtbar ist. – Die Quantenphysik hat zu diesen Phänomen schon Erklärungsansätze. Dies würde an dieser Stelle jedoch zu weit führen, den die Supraleitfähigkeit sei nur als Beispiel angeführt, dass man auch Jenseits der 0°C-Grenze denken sollte.

4. Die Veränderungen mussten geprüft und nachgewiesen werden. Diesbezüglich musste man Mittel zur Prüfung (z.B. Elektronenmikroskop) und Verfahren (Experimentaufbau) haben, um Veränderungen der Kältebehandlung zuzuschreiben und Zufallsbefunde auszuschließen. Eine weitere Sache musste geschehen um Leute in die Richtung „Kälteveränderungen“ denken zu lassen. Die Änderungen mussten nachweisbar sein. Selbst bis in die 1940iger Jahre war es noch nicht exakt genug möglich die Änderungen anzuzeigen, die durch Tiefkühlen erzielt wurden. Die Messprozesse waren noch nicht gut genug gesteuert, um mit Sicherheit sagen zu können, dass die Veränderungen ein Resultat der Kälte waren. Ein Stanzwerkzeug konnte leicht die doppelte Standzeit halten, aber das wurde den Effekten wie Grundaufbau und Schnittgeometrie zugeordnet. Die Gegebenheit, dass es zwischen dem Einen und dem anderen Werkzeug große Unterschiede geben kann, werden mehr oder weniger den Herstellungs- und Fertigungsunterschieden zugeschrieben…