DE1127091B - Verwendung von Gold-Palladium-Legierungen als negative Schenkel von Thermoelementen - Google Patents

Description

• Verwendung von Gold-Palladium-Legierungen als negative Schenkel von Thermoelementen Als Thermoelemente werden Kombinationen von je zwei verschiedenen Edelmetallen oder Edelmetalllegierungen oder von je zwei Unedelmetallen oder Unedelmetallegierungen verwendet. Beispiele für Edelmetallthermoelemente sind die Thermopaare aus physikalisch reinem Platin und Platin-10 % Rhodium, aus einer Legierung Gold-40% Palladium (Au Pd 40) und Platin-10 % Iridium (Pt Ir 10), aus Platin-6 % Rhodium (Pt Rh 6) und Platin-30 % Rhodium (Pt Rh 30); für Unedelmetallthermoelemente die Paare aus Eisen-Konstantan, Nickel-Chromnickel oder Wolfram-Rhenium.
• Der wichtigste Kennwert für ein Thermoelement ist seine Thermospannung in Abhängigkeit von der Temperatur. Zu Vergleichszwecken mißt man die Thermospannung der verschiedenen Metalle oder Legierungen gegen ein und dasselbe Reinmetall, z. B. physikalisch reines Platin. Die Legierungen werden thermoelektrisch gekennzeichnet durch die Thermospannungs-Temperatur-Kurven der Thermopaare, die sie mit physikalisch reinem Platin bilden, wobei man die kalte Lötstelle auf 0° C hält. Tabelle 1 gibt für eine Reihe von handelsüblichen Thermodrähten die Thermospannungswerte für Temperaturen von 100 bis 1000° C.
• Abb. 1 stellt für einige Legierungen die danach gezeichneten Thermospannungs-Temperatur-Kurven dar. Von den Edelmetallen sind Silber, Gold und die Platinlegierungen thermoelektrisch positiv gegen Platin; die GoldlegierungAuPd40 dagegen ist negativ. Eine Legierung wird als thermoelektrisch positiv bezeichnet, wenn der positive Thermostrom in der heißen Lötstelle vom Platin zur Legierung fließt.
• Von den Unedelmetallen sind Eisen, Wolfram, Rhenium und Ni Cr 10 positiv, Nickel und Konstantan negativ gegen Platin.
• Durch die Kombination zweier geeigneter Einzelschenkel nach Tabelle 1 und Abb. 1 stellt man die praktisch gebräuchlichen Thermopaare her; z. B. die Kombination Pt/PtRh10 nach LeChatelier, die Kombination Ni Cr 10/Ni, Fe/Konst. oder Pt Ir 10/ Au Pd 40. Aus der Tabelle kann man errechnen, welche Thermospannung die so gewonnenen Thermopaare bei verschiedenen Temperaturen liefern.

  Tabelle 1

  Lfd. Nr. Paar 0 bis

  200° C 200° C 300° C 400° C 500° C 600° C 700° C 800° C 900° C 1000° C

  1 Ag/Pt 0,74 1,76 3,05 4,58 6,36 8,40 - - - -

  2 Au/Pt 0,77 1,84 3,14 4,63 6,30 8,12 10,14 12,31 14,63 17,11

  3 Au Pd40/Pt -3,17 -6,85 -10,89 -15,28 -19,85 -24,46 -29,16 -33,85 -38,44 -42,98

  4 PtRh6/Pt 0,59 1,28 2,01 2,77 3,54 4,32 5,11 5,93 6,75 7,58

  5 Pt Rh 10/Pt 0,643 1,436 2,316 3,251 4,221 5,224 6,260 7,329 8,432 9,570

  6 Pt Rh 30/Pt 0,65 1,44 2,43 3,56 4,79 6,11 7,54 9,09 10,72 12,42

  7 Pt Ir 10/Pt 1,34 2,84 4,42 6,05 7,69 9,35 11,01 12,71 14,39 16,11

  8 Ni/Pt -1,30 -2,17 -2,88 -3,64 -4,43 -5,28 -6,10 -7,08 -7,96 -8,78

  9 Ni Cr/Pt 2,80 5,96 9,33 12,76 16,22 19,63 22,96 26,22 29,40 32,53

  10 Konst./Pt -3,62 -7,63 -11,93 -16,49 -21,24 -26,02 -30,75 - - -

  11 Fe/Pt 1,75 3,32 4,62 5,66 6,60 7,64 8,97 - - -

  12 W/Pt 0,8 2,0 3,8 6,0 8,7 11,8 15,5 19,4 23,8 28,3

  13 Re/Pt 0,2 0,6 1,2 1,9 3,0 4,3 5,7 7,3 9,3 11,4

  Von einem Thermopaar wird verlangt, daß es für eine gegebene Temperatur eine zeitlich unveränderte Thermospannung liefert, daß diese nicht zu klein sei, daß die Thermokraft bei dieser Temperatur nicht zu klein sei und daß die beiden Schenkel nicht durch Zunderung, Verdampfung oder Aufnahme von Fremdstoffen aus der Umgebung thermoelektrisch verändert werden. Für Temperaturen oberhalb 500° C werden Edelmetallthermopaare wegen ihrer Unveränderlichkeit und chemischen Beständigkeit in vielen Fällen bevorzugt angewandt. Man hat lange nur mit den Kombinationen aus Platin und den Platinlegierungen der Tabelle 1 gearbeitet. Sie haben aber eine unbequem kleine Thermokraft von nur 5 bis 15 µV/° C bei 500° C; dementsprechend kann die Temperatur mit Platinthermopaaren nicht so genau gemessen werden wie mit gewissen Unedelmetallthermopaaren, deren Thermokraft 40 bis 60 µ V/° C beträgt (z. B. 42 µ V/° C bei Ni Cr/Ni). Man hat versucht, die Edelmetallthermopaare dadurch zu verbessern, daß man als negativen Schenkel Au Pd 40 verwandte. Zwar werden Thermospannung und Thermokraft dadurch gesteigert; aber die Legierung AuPd40 erleidet bei 400 bis 500°C eine innere Umwandlung, die ihre Thermospannung beeinflußt; diese Legierung gibt Thermospannungswerte, die zeitlich veränderlich sind. Eine verläßliche Temperaturmessung ist damit nicht möglich. Für Edelmetallthermopaare bei z. B. 500° C fehlt also ein Schenkel mit genügend negativer Thermospannung gegenüber Platin.
• Es wurde nun gefunden, daß eine Gold-Palladium-Nickel-Legierung (Au PdNi) mit 55 bis 71% Gold, 24 bis 40 % Palladium und 0,5 bis 7 % o Nickel als negativer Schenkel von Thermopaaren ausgezeichnet geeignet sind. Ihre Thermospannung gegen Platin ist hinreichend groß und unveränderlich. Es ist überraschend, daß wenige % a Nickel in Au Pd-Legierungen die Umwandlung unterdrücken, die die thermoelektrische Verwendung der Au Pd40-Legierungen beeinträchtigt. Die Thermokraft der erfindungsgemäßen Legierungen liegt zwischen 30 und 60 µV/º C, ist also groß genug und obendrein nicht allzu stark temperaturabhängig, und die Korrosions- und Zunderungsbeständigkeit der Legierungen ist bis zu etwa 800° C ausgezeichnet.
• Abb. 2 stellt im Dreistofffsystem den Bereich der erfindungsgemäßen Legierungen schraffiert dar. Ebenso sind dort die Kurven eingetragen, aus denen die Thermospannung eines Thermopaares aus einer erfindungsgemäßen Legierung und Reinplatin für 1º C Temperaturdifferenz entnommen werden kann. Dazu kommt, daß die erfindungsgemäßen Legierungen mäßig hart und sehr duktil sind. Sie können also leicht als dünne Drähte, breite Folien oder in Form von Rohren hergestellt werden. Tabelle 2 gibt einige Beispiele von erfindungsgemäßen Legierungen. Die Thermospannungs-Temperatur-Kurve von Beispiel 4 und 7 ist in Abb. 1 eingetragen. Es ist bekannt, daß Gold-Palladium-Eisen-Legierungen (Au PdFe) mit 4 bis 18 % o Eisen nach geeigneter Wärmebehandlung in einen Zustand des außergewöhnlich hohen spezifischen elektrischen Widerstandes überführt werden können und daß »bei Nickel an Stelle von Eisen nur ein Zustand, nämlich derjenige des niedrigen spezifischen Widerstandes, besteht«. Jenen AuPdFe-Legierungen können noch bis 10% Nickel zugesetzt werden, ohne daß die Fähigkeit, durch Wärmebehandlung den Widerstand zu steigern, verlorengeht. Über die Thermospannung solcher Legierungen und über ihre Eignung zu Thermoelementen hoher Thermokraft ist jedoch nicht bekannt.
• Weiterhin ist bekannt, zur Erzielung der notwendigen Konstanz der elektrischen Eigenschaften von Thermoelementen binären Edelmetallegierungen, wie z. B. Palladium-Gold, mindestens noch ein drittes Edelmetall hinzuzufügen. So wurde z. B. vorgeschlagen, als negativen Thermoelementschenkel eine Legierung zu verwenden, die aus Gold, Palladium und mindestens einem weiteren Platinmetall besteht, z. B. aus 60 % Gold; 35 % Palladium und 5 % o Platin. Diese Legierung ergibt zusammen mit Platin als positivem Gegenschenkel eine negative Thermokraft von etwa 40 µV bei etwa 1200° C, d. h. etwa 33 µV/° C. Die Thermokraft der erfindungsgemäßen Legierungen liegt dagegen im Durchschnitt wesentlich über diesem Wert, z. B. ergibt sich bei einer mit vorstehendem Beispiel vergleichbaren Legierung aus 70 % o Gold, 25 % Palladium und 5% Nickel ein Wert von 55 µV/° C.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verwendung von Gold-Palladium-Legierungen aus 24 bis 40 % o Palladium, 0,5 bis 7 % Nikkel, Rest 55 bis 71% Gold, als Werkstoff zur Herstellung des negativen Schenkels von Thermoelementen.
2. 2. Verwendung von Gold-Palladium-Legierungen der in Anspruch 1 genannten Zusammensetzung, bestehend aus 25 bis 33 % Palladium, 1,5 bis 6,5 % Nickel, Rest 64 bis 70,5 % Gold, für den in Anspruch 1 genannten Zweck.
3. 3. Verwendung von Gold-Palladium-Legierungen der in Anspruch 1 oder 2 genannten Zusammensetzung als Werkstoff zur Herstellung des negativen Schenkels eines Thermoelementes, dessen positiver Gegenschenkel aus physikalisch reinem Platin oder einer Edelmetallegierung besteht, die sich gegen physikalisch reines Platin thermoelektrisch positiv verhält. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 448 474; USA.-Patentschrift Nr. 2 780 543.