DE1673180A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von gebundenem Kohlenstoff in Metallen - Google Patents

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21 ο Juni 1967

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11, üharles II street, London, SV/1, England

Für diese Aniufc 1 aim^ v/ird die Priorität aus der britischen j''ana Hr₀ 28239/66 vom 23_O Juni 1966 beansprucht,

/erfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von gebundenem Kohlenstoff in Metallen

tiackground der Erfixidung

Die Erfinduii;/ bezieht sich auf die Bestimmung von gelöstem Kohlenstoff in Metallen»

B3 iat rxlL'i<MU'-iiiL bekannt, daii viele iäetalle, beispielsweise Stuhle, einen Kleinen, aber aehr bedeutsamen und wichtigen

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Anteil an Kohlenstoff enthalten. Es hat sich als möglich herausgestellt, eine elektrochemische Zelle herzustellen, um die Aktivität dieses Kohlenstoffs zu messen und so die Konzentration von Kohlenstoff zu "bestimmen, der vorhanden ist, und es besteht kein Zweifel, daß für Kohlenstoff in Stühlen ein relativ schnelles Verfahren zum Analysieren notwendig ist» Jedocii bedingten aLtere Vorschläge einen Betrieb bei Temperaturen über 1 6ÜÜ° G, oei welcher Temperatur Stahl geschmolzen wird«,

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, das nicht unter diesem Nachteil leidet.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß umfaßt ein Verfahren zum kessen des kohlenstoff gehalts eines Metalls den Aufbau folgender Zelle: kohlenstoff enthaltendes Metall/Salzelektrolyt/Graphit; und Messen der elektromotorischen Kraft bei einer bekannten Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls, wobei der Elektrolyt Kohlenstoff in einem ionisierten Zustand enthält und ein bekanntes Kohlenstoffpotential relativ zum ü-raphit aufweist.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Messen des Kohlenstoffgehalts eines Metalls geschaffen, die aich zusammensetzt aus einem Tiegel, aus einer festen G-raphit-

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elektrode im Tiegel, aus Mitteln zum Halten einer zweiten festen, aus dem betreffenden Ketal! hergestellten Elektrode im Tiegel, aus einem Salz-Elektrolyten innerhalb des Tiegels und in Berührung mit den beiden KLektroden, wobei der elektrolyt Kohlenstoff in einem ionisierten Zustand enthält und ein uekanntes Konlenstoffpotential relativ zum Graphit aufweist, sowie aus kittein sum Liesaen der Potentialdifferenz zwischen den lilektroden bei einer bekannten Temperatur *

Selbstverständlioh kann die eine oder die andere der Elektroden den Tiegel bilden«

jjer Ausgang der Zelle nach der vorliegenden Erfindung ist durch folgende Formel gegeben:

dabei ist: Έ die elektromotorische Kraft, R die G-askonstante,
T die absolute Temperatur, F das Paradaysche Äquivalent,

ζ die Wertigkeit der Kohlenstoffionen im Elektrolyten,

a die Aktivität des Kohlenstoffs im Metall relativ zum Graphit«

BAD ORIGfNAL

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Es ist offensichtlich, daß die Kohlenatoffaktivität in der Probe in bekannter Weise zu deren Kohlenstoffkonzentration in Beziehung steht.

Es ist ferner offensichtlich, daß der Ausgang der Zelle von der Temperatur abhängt, und daher kann es erwünscht sein, mit einem geschmolzenen Eietrolyten zu arbeiten, aber dies ist nicht unbedingt erforderlich. Jedoch gewährleistet die Verwendung eines geschmolzenen Elektrolyten einen guten elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden und dem Elektrolyten·

Theoretisch ist Galciumkarbid ein geeigneter Elektrolyt, aber da es bei 2 300° 0 schmilzt, ist ein Lösungsmittel erforderlich. Für Stähle ist Calciumchlorid ein geeignetes !lösungsmittel, und die Verwendung einer Lösung von 10 Molprozent Caiciumkarbid in Calciumchlorid gestattet die Messung des Kohlenstoffgehalts von Stahl oberhalb etwa 0,02 Gewichtsprozent bei etwa 1 200° 0·

Es ist zweckmäßig, sehr reines Calciumchlorid zu verwenden, welches in einer Atmosphäre aus einem reinen inerten Gas bei einer Temperatur geschmolzen und getrocknet wird, welche höher als diejenige ist, bei welcher es verwendet wird. Das Calciumkarbid wird zweckmäßig präpariert, indem man reines Calcium mit Graphit in einer inerten Gasatmosphäre reagieren läßt.

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Es ist wichtig, dal3 irgendwelcher freier Kohlenstoff im Elektrolyten, ob nun ursprünglich im üalciumkarbid vorhanden oder von der Graphitelektro.de her abgeleitet, nicht in Berührung mit der ketallprobe kommt, mit welcher er reagieren könnte· i>urch die Zellenkonstruktion sollte dies, wenn eben möglich, vermieden werden.

Man sollte auch berücksichtigen, daß die vorliegende Erfindung nur bei Metall/lCohlenstoff-Systemen verwendet werden kann, in welchen das Kohlenstoffpotential größer als das im Elektrolyten ist. Geeignete Systeme sind: Eisen/Kohlenstoff» Kickel/Kohlenstoff, Magnesium/Kohlenstoff oder I/atrium/lCohlenstoff, um nur einige zu nennen. Jedoch ist es in jedem i'all erforderlich, einen passenden Elektrolyten vorzusehen.

Kurzbeschreioung der Zeichnung

Eine Ausführun^sforin einer Zelle zur praktischen Anwendung der Erfindung wird nunmehr anhand der si'e beispielsweise wiedergebenden Zeichnung, die einen sohematischen Schnitt zeigt, näher beschrieben.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Nach der Zeichnung weist die eigentliche Zelle einen Nickel-

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Tiegel 1 auf, der durch ein !Filter 2, welches mit Paß-Sitz /close fit/ in Nuten oder Schlitzen im Tiegelboden und den Wänden sitzt, in zwei Kammern unterteilt ist₀ Das "filter 2 weist mehrere Schichten aus Nickelgaze von 77 Mikron /77 micron nickel gauz^-e/ auf, welche in einem entsprechenden Nj.ckelrahmen gehalten werden.

Der Tiegel 1 wird auf einer Grundplatte 3 gehalten, die von einem Rohr 4 getragen wird, wobei dieses Rohr auch ein Thermoelement 5 (Pt/Pt 13$ Rh) enthält. Der Tiegel 1 befindet sich in einem Inconel-Rohr /Inconel tube/ 6, und das Rohr 6 ist an seinem unteren Teilstück (nicht dargestellt) am Rohr 4- abgedichtet. Das Rohr 6 ist innerhalb einer Quarz.-ofenröhre 7 angeordnet, welche wiederum von Ofenwindungen bzw., -wicklungen 8 umgeben ist. An seinem oberen Ende ist das Rohr 6 mittels eines Kragen-Bauteils bzw» einer Muffe oder Manschette 9 an einer Tragplatte 10 befestigt.

Ein oberes Rohr 11 ist ebenfalls vorgesehen und weist einen Kragen 12,'an seinem unteren Ende auf, der in den Kragen eingreift, wobei dieses Rohr 11 mit einem Gasentnahmerohr versehen ist und mittels einer Deokplatte 14 und eines O-Rings 15 abgedichtet ist, so daß die ZeIlen-Anordnung durch das Rohr 13 hinduroh evakuiert werden kann.

BADOFUGtNAt

Ein Pyrophyllit-Haltebauteil 16 hat einen Flansch 17, welcher in einer Nut oder Hohlkehle zwischen den beiden Kragen-Bauteilen 9 und 12 lokalisiert ist· An seinem unxeren Ende ist dieser Haltebauteil 16 weggeschnitten, um den Elektrolyten daran zu nindern, eine Brücke zwischen einer Graphitelektrode 18 und einer unbekannten Stahlelektrode 19 bzw. einer Elektrode aus zu untersuchendem Stahl zu bilden, die beide vom Haltebauteil 16 gehalten werden. J)ie Graphitelektrode 18 befindet sich in einer lanzen Bohrung im Haltebauteil 16, und ihr unteres Ende ist im Rohr 11 lokalisiert. Die Stahlelektrode 19 ist relativ kurz, und ihr oberes Ende befindet sich i η einer kleinen Aussparung 20· Diese Aussparung 20 enthält auch noch ein zweites Thermoelement 21, (Pt/Pt 135b Rh),. dessen Adern durch eine Bohrung 22 im Haltebauteil 16 hindurch nach oben und durch den O-Ring 15 hindurch nach außen führen» Platinadern 23 von den beiden Elektroden her führen ebenfalls durch den O-Ring 15 hindurch nach außen und werden nach einem Schydngzungen-^lektrizutätsmesser /vibratingreed elektrometer/ geleitet, welcher eine innere Impedanz bzw· einen Eigenwiderstand in der Grö'ßencrdnung von 10 Ohm hat«

Die !Temperatur des Ofens wird durch ein Thermoelement 24· ge«· regelt, welches zwischen dem Inconel-Hohr 6 und dem Quarzrohr 7 angeordnet ist· Die ütermoelemente 5 und 21 werden dazu verwendet, die Temperatur· der Zelle zu meseen,

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Bei einem Versuch., bei welchem die oben beschriebene Vorrichtung verwendet wurde, wurden folgende Ergebnisse erzielt:

Temperatur 0C	EiViK m.v.	Kohlenstoff- Aktivität
907 845 795	81 52 40	0,452 0,584 0,650

Berechnungen zeigen, daß diese Kohlenstoff-Aktivitäten Kohlenstoffgehalten im=Bereich von 0,6 bis 0,7 Gewichtsprozent entsprechen. Die chemische Analyse ließ erkennen, daß die Probe von Stahl, die verwendet wurde, 0,73 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthielt·

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im Patentanspruch 1 uinrissenen Ausführung sf or m und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen — oder in Kombination — in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind·

Pat entansprüche

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ORIGINAL

Claims (6)

1· Verfahren zuia Itessen des Kohlenstoff genalt es eines
Ketalls, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeile aus Kohlenstoff enthaltendem Met all/lialz--Elektrolyt/Graphit hergestellt wird
und uie elektromotorisohe Kraft bei einer bekannten Temperatur unternalb des oomaelzpunktes des Metalls gemessen wird, wobei der Elektrolyt Kohlenstoff in einem ionisierten Zuatand aufweist und ein bekanntes Kohlenstoff potential relativ zum G-raphit hat.

2ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ke9sung bei einer solchen Temperatur durchgeführt wird,
da!-] dor oalz-^lektrolyt geschmolzen ist»

3. /erfahr .η nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dna der JaIz--"lentrolyt Calciumcarbid in Lösung in Oalciumchlox'id ist»

BAD ORIGINAL

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4. Vorrichtung zum elektrischen Messen des Kohlenst of f genalt s eines Metalls, die einen Tiegel mit einer festen Graphitelektrode in diesem Tiegel auf weist, gelcennze lehnet durch Mittel zum iiali.en einer zweiten festen Elektrode, die aus dem besagten Metall "besteht, im Tiegel, durch einen Salz-Elektrolyten im Tiegel und in lierührung mit den "beiden Elektroden, wobei dieser elektrolyt Kohlenstoff in einem ionisierten Zustand enthält und ein bekanntes Kohlenstoff-Potential reläiv zum G-raphit hat, und durch Mittel zum Messen der Potentialdifferenz zwischen den Elektroden Dei einer bekannten Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls.

5o Vorrichtung nach .Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dui die eine Elektrode den Tiegel bildet»

6 ο Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, daiB die Vorrichtung einen Schirm oder eine Abschirmung aufweist, um Granhitteilchen daran zu hindern, die Metallelektrode zu erreichen«

7* Vorrichtung nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gukcimizelohnet, daß sie eine üeizeinrichtung aufweist, um den Elektrolyten im Tiegel zu schmelzen.

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