DE1127091B - Use of gold-palladium alloys as negative legs of thermocouples - Google Patents

Use of gold-palladium alloys as negative legs of thermocouples

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    • C22C5/02Alloys based on gold
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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.Using gold-palladium alloys as the negative legs of Thermocouples Thermocouples are combinations of two different Precious metals or precious metal alloys or of two base metals or base metal alloys used. Examples of precious metal thermocouples are the thermocouples from physical pure platinum and platinum-10% rhodium, from an alloy gold-40% palladium (Au Pd 40) and platinum-10% iridium (Pt Ir 10), from platinum-6% rhodium (Pt Rh 6) and Platinum-30% rhodium (Pt Rh 30); for base metal thermocouples the pairs made of iron-constantan, Nickel-chromium-nickel or tungsten-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.The most important parameter for a thermocouple is its thermal voltage depending on the temperature. The thermal voltage is measured for comparison purposes the different metals or alloys against one and the same pure metal, e.g. B. physically pure platinum. The alloys are labeled thermoelectrically through the thermo-stress-temperature curves of the thermocouples with which they are physically pure platinum, keeping the cold solder joint at 0 ° C. Table 1 gives for a number of commercially available thermal wires, the thermal voltage values for temperatures from 100 to 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.Fig. 1 shows the thermo-stress-temperature curves drawn afterwards for some alloys Of the precious metals, silver, gold and the platinum alloys are thermoelectric positive to platinum; the gold alloy AuPd40, on the other hand, is negative. An alloy is called thermoelectrically positive if the positive thermal current is in the hot solder joint flows from the platinum to the alloy.

Von den Unedelmetallen sind Eisen, Wolfram, Rhenium und Ni Cr 10 positiv, Nickel und Konstantan negativ gegen Platin.Of the base metals, iron, tungsten, rhenium and Ni Cr 10 are positive, Nickel and constantan negative against platinum.

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.The thermocouples commonly used in practice are produced by combining two suitable individual legs according to Table 1 and Fig. 1; z. B. the combination Pt / PtRh10 according to LeChatelier, the combination Ni Cr 10 / Ni, Fe / Const. or Pt Ir 10 / Au Pd 40. From the table you can calculate which thermal voltage the thermocouples obtained in this way deliver at different temperatures. Table 1 Serial No. pair 0 to 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 const./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 It is required of a thermocouple that for a given temperature it supplies a thermoelectric voltage that is unchanged over time, that this is not too small, that the thermoelectric force at this temperature is not too small and that the two legs are not thermoelectrically changed by scaling, evaporation or absorption of foreign substances from the environment. For temperatures above 500 ° C, precious metal thermocouples are preferred in many cases because of their immutability and chemical resistance. For a long time, only the combinations of platinum and the platinum alloys in Table 1 have been used. But they have an uncomfortably small thermal power of only 5 to 15 µV / ° C at 500 ° C; accordingly, the temperature with platinum thermocouples cannot be measured as accurately as with certain base metal thermocouples, whose thermal force is 40 to 60 µV / ° C (e.g. 42 µV / ° C for Ni Cr / Ni). Attempts have been made to improve the precious metal thermocouples by using Au Pd 40 as the negative leg. It is true that thermoelectric voltage and thermoelectric power are increased as a result; but the alloy AuPd40 undergoes an internal transformation at 400 to 500 ° C, which affects its thermal stress; this alloy gives thermal stress values that vary over time. A reliable temperature measurement is therefore not possible. For precious metal thermocouples with z. B. 500 ° C is missing a leg with enough negative thermal voltage compared to platinum.

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.It has now been found that a gold-palladium-nickel alloy (Au PdNi) with 55 to 71% gold, 24 to 40% palladium and 0.5 to 7% nickel as negative Legs of thermocouples are excellently suited. Your thermoelectric voltage against Platinum is big enough and immutable. It is surprising that few % a nickel in Au Pd alloys suppress the conversion that the thermoelectric Use of Au Pd40 alloys impaired. The thermopower of the invention Alloys is between 30 and 60 µV / º C, so it is big enough and, on top of that, not too strongly temperature dependent, and the corrosion and scaling resistance of the alloys is excellent up to about 800 ° C.

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.Fig. 2 shows the area of the alloys according to the invention hatched in the three-substance system. The curves are also plotted there, from which the thermal voltage of a thermocouple made from an alloy according to the invention and pure platinum for a temperature difference of 1 ° C can be taken. In addition, the alloys according to the invention are moderately hard and very ductile. So they can easily be made as thin wires, wide foils or in the form of tubes. Table 2 gives some examples of alloys according to the invention. The thermal stress-temperature curve of Examples 4 and 7 is entered in Fig. 1. It is known that gold-palladium-iron alloys (Au PdFe) with 4 to 18% iron can be converted into a state of exceptionally high specific electrical resistance after suitable heat treatment and that with nickel instead of iron only one state , namely that of the low specific resistance, consists «. Up to 10% nickel can be added to those AuPdFe alloys without losing the ability to increase the resistance through heat treatment. However, it is not known about the thermal voltage of such alloys and about their suitability for thermocouples with high thermal power.

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.It is also known to achieve the necessary constancy of the electrical properties of thermocouples binary precious metal alloys, such as z. B. palladium-gold to add at least a third precious metal. So became z. B. proposed to use an alloy as the negative thermocouple leg, which consists of gold, palladium and at least one other platinum metal, e.g. B. 60% gold; 35% palladium and 5% platinum. This alloy gives together with platinum as the positive counter leg a negative thermal force of about 40 µV at about 1200 ° C, i.e. H. about 33 µV / ° C. The thermal power of the alloys according to the invention on the other hand is significantly above this value on average, e.g. B. arises at an alloy of 70% gold, 25% palladium, comparable to the previous example and 5% nickel a value of 55 µV / ° C.

Claims (3)

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. PATENT CLAIMS: 1. Use of gold-palladium alloys 24 to 40% palladium, 0.5 to 7% nickel, the remainder 55 to 71% gold, as the material for making the negative leg of thermocouples. 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. 2. Use of gold-palladium alloys the composition mentioned in claim 1, consisting of 25 to 33% palladium, 1.5 to 6.5% nickel, the remainder 64 to 70.5% gold, for the purpose mentioned in claim 1. 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. 2 780 543.3. Use of gold-palladium alloys of those mentioned in claim 1 or 2 Composition as a material for the production of the negative leg of a thermocouple, its positive counter leg made of physically pure platinum or a precious metal alloy exists, which behaves thermoelectrically positively to physically pure platinum. Documents considered: German Patent No. 448 474; U.S. Patent No. 2,780,543.
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