DE1558518C2 - Use of a metallic, paramagnetic alloy for the production of components which are suitable for temperature measurement due to a strongly negative temperature coefficient of the elastic modules - Google Patents
Use of a metallic, paramagnetic alloy for the production of components which are suitable for temperature measurement due to a strongly negative temperature coefficient of the elastic modulesInfo
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Description
Es ist eine Reihe von Stoffen bekannt, die einen stark negativen Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls aufweisen. Derartige Stoffe sind unter anderem die niedrigschmelzenden Metalle, wie Kadmium, Zinn und Indium. Weiterhin ist eine Gruppe von anderen Stoffen bekannt, die ebenfalls einen stark negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen, der jedoch nur in einem Δ £-Effekt der Ferromagnetika zusammenhängt.A number of substances are known which have a strongly negative temperature coefficient of the modulus of elasticity. Such substances include low-melting metals such as cadmium, tin and indium. Furthermore, a group of other substances is known which also have a strongly negative temperature coefficient, which, however, is only related to a ΔE effect of the ferromagnetic materials.
Es könnte nun daran gedacht werden, die genannten Stoffe für Bauteile zu verwenden, bei denen ein stark negativer, insbesondere ein konstanter Temperaturkoeffizient der elastischen Modulen benötigt wird. Derartige Bauteile könnten z. B. als Meßfühler für Temperaturmessungen dienen. Einer derartigen Verwendung steht bei den zuerst genannten Stoffen entgegen, daß die mechanischen Eigenschaften völlig unzureichend sind und der Schmelzpunkt sehr niedrig liegt. Bei der zweiten Gruppe ist es sehr nachteilig, daß der stark negative Temperaturkoeffizient nur in einem sehr engen, beschränkten Temperaturbereich vorliegt, so daß eine Verwendung sowohl als Temperaturmeßgerät als auch als schwingfähiges Bauteil, dessen Resonanzfrequenz beispielsweise in irgendeinem Betriebszustand beeinflußt werden soll, ausscheidet. It could now be thought of using the substances mentioned for components in which a strong negative, in particular a constant temperature coefficient of the elastic modules is required. Such components could, for. B. serve as a sensor for temperature measurements. Such a use opposed to the first-mentioned substances that the mechanical properties completely are insufficient and the melting point is very low. In the second group it is very disadvantageous that the strongly negative temperature coefficient only in a very narrow, limited temperature range is present, so that it can be used both as a temperature measuring device and as a vibratory component, whose resonance frequency is to be influenced, for example, in any operating state, is ruled out.
Des weiteren ist es aus der deutschen Auslegeschrift 1 208 501 bekannt, unter Verwendung einer nichtferromagnetischen Mangan-Nickel-Kupfer-Legierung den beim anomalen thermoelastischen Verhalten auftretenden positiven Temperaturkoeffizienten des jE-Moduls für meßtechnische Steuer- und Regelzwecke auszunutzen.It is also known from German Auslegeschrift 1 208 501, using a non-ferromagnetic one Manganese-nickel-copper alloy with abnormal thermoelastic behavior occurring positive temperature coefficients of the jE module for metrological control and regulation purposes to take advantage of.
Demgegenüber ist der Gegenstand der Erfindung auf die Verwendung einer metallischen, ohne jede Spinordnung paramagnetischen Legierung aus Ubergangseiementen der ersten, zweiten und dritten großen Perioden und/oder der Seltenen Erdmetalle und/oder der Actinidenreihe, die bei Raumtemperatur eine atomare magnetische Suszeptibilität χ > 50 · 10~6 emE/gAtom und einen positiven Temperaturkoeffizienten der atomaren magnetischen Suszeptibilität dy In contrast, the subject of the invention is the use of a metallic alloy, paramagnetic without any spin order, of transition elements of the first, second and third major periods and / or the rare earth metals and / or the actinide series, which at room temperature has an atomic magnetic susceptibility χ> 50 · 10 ~ 6 emE / gAtom and a positive temperature coefficient of atomic magnetic susceptibility dy
-^j aufweist, zur Herstellung von Bauelementen, die auf Grund eines konstanten, stark negativen Temperaturkoeffizienten der elastischen Modulen zur Temperaturmessung geeignet sind, gerichtet. - ^ j has, directed towards the production of components which are suitable for temperature measurement due to a constant, strongly negative temperature coefficient of the elastic modules.
Es ist von Vorteil, wenn die-globale Elektronenkonzentration der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung in einem der folgenden Bereiche liegt: 1,5 bis 2,5, 3,3 bis 4,3, 6,9 bis 8,0.It is beneficial if the-global electron concentration the alloy to be used according to the invention lies in one of the following ranges: 1.5 to 2.5, 3.3 to 4.3, 6.9 to 8.0.
Der geforderte Wert der atomaren magnetischen Suszeptibilität, der für Raumtemperatur gilt, kann bekanntlich bei tieferen Temperaturen durch den Meßwert der spezifischen Wärme (Elektronenwärme)The required value of the atomic magnetic susceptibility, which applies to room temperature, can known to be at lower temperatures by the measured value of the specific heat (electron heat)
von mehr als 5 · 10~4—7-7 57^ ersetzt werden. Beidebe replaced by more than 5 · 10 ~ 4 -7-7 57 ^. Both
gAtom CgAtom C
Meßwerte sind ein Maß. für die effektive Zustandsdichte der Elektronen N {EF).. Measured values are a measure. for the effective density of states of the electrons N {E F ) ..
In der Zeichnung sind einige Meßdaten der atomaren Suszeptibilität, der Elektronenwärme und des Temperaturkoeffizienten der Suszeptibilität dargestellt, wodurch es möglich ist, in sehr einfacher Art und WeiseIn the drawing are some measurement data of atomic susceptibility, electron heat and des Temperature coefficient of susceptibility shown, which makes it possible in a very simple way
über die Elektronenkonzentration - die Zusammen-via the electron concentration - the
Setzung der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen zu bestimmen. Es zeigtDetermine settlement of the alloys to be used according to the invention. It shows
Fig. la eine graphische Darstellung der Elektronenwärme, gemessen bei der Temperatur des flüssigen Heliums, in Abhängigkeit von der Elektronenkonzentration -,Fig. La is a graphical representation of the electron heat, measured at the temperature of liquid helium, depending on the electron concentration -,
aa
Fig. Ib eine graphische Darstellung der paramagnetischen atomaren Suszeptibilität bei Raumtemperatur in Abhängigkeit von der Elektronen- Fig. Ib is a graph of the paramagnetic atomic susceptibility at room temperature as a function of the electron
, konzentration-,
a , concentration,
a
Fig. 1 c eine graphische Darstellung des Temperaturkoeffizienten
der paramagnetischen atomaren Suszeptibilität in Abhängigkeit von der Elektronenkonzentration
-,
6s a Fig. 1c is a graphic representation of the temperature coefficient of the paramagnetic atomic susceptibility as a function of the electron concentration -,
6s a
Fig. Id die Bereiche der günstigen --Werte,Fig. Id the ranges of the favorable --values,
Fig 2 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Verwendung.Fig. 2 shows an embodiment of an inventive Use.
Die vorgenannten graphischen Darstellungen der Fig. la bis Id beziehen sich auf die Ubergangselemente und deren Legierungen der ersten bis dritten Periode des periodischen Systems der Elemente.The aforementioned graphical representations in FIGS. 1a to 1d relate to the transition elements and their alloys of the first through third periods of the periodic table of elements.
Unter der vorgenannten Elektronenkonzentration -Below the aforementioned electron concentration -
ist das Verhältnis der mittleren Anzahl von außerhalb abgeschlossener Schalen zu zählender, d. h. der für die Bindung maßgebender Elektronen zu der Anzahl der Atome zu verstehen. Bei einer Legierung aus «-Elementen mit den Gewichtsprozenten gh den Atomgewichten A1 und der Anzahl V1 von Elektronen außerhalb abgeschlossener Schalen (Valenzen) berechnen sich sonst die Atomprozent zuis to be understood as the ratio of the mean number of externally closed shells to be counted, ie the electrons that are decisive for the bond, to the number of atoms. In the case of an alloy of elements with the weight percent g h, the atomic weights A 1 and the number V 1 of electrons outside closed shells (valences), the atomic percent will otherwise be calculated
100 -^100 - ^
" e·
und die Elektronenkonzentration zu " e ·
and the electron concentration increases
fl-ioo^--·fl-ioo ^ - ·
Mittels der als besonders geeignet angegebenenBy means of those indicated as being particularly suitable
Bereiche der Elektronenkonzentration - läßt sichRanges of electron concentration - can
somit in sehr einfacher Weise die Zusammensetzung der erfindungsgemäß verwendbaren Legierungen angeben, die den genannten Bedingungen — Größe der atomaren, paramagnetischen Suszeptibilität bzw. der Elektronenwärme, positiver Temperaturkoeffizient der atomaren Suszeptibilität — genügen und somit einen stark negativen, insbesondere konstanten Temperaturkoeffizienten der elastischen Modulen aufweisen.thus specify in a very simple manner the composition of the alloys which can be used according to the invention, the conditions mentioned - size of the atomic, paramagnetic susceptibility or the Electron heat, positive temperature coefficient of atomic susceptibility - suffice and thus one have strongly negative, in particular constant temperature coefficients of the elastic modules.
Es ist auch möglich, außer der Forderung hinsichtlich eines konstanten, stark negativen Temperaturkoeffizienten der elastischen Modulen auch noch weitere Forderungen, wie gute Bearbeitbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Warmfestigkeit usw. zu berücksichtigen. It is also possible, in addition to the requirement for a constant, strongly negative temperature coefficient the elastic modules also have other requirements, such as good machinability, corrosion resistance, Heat resistance etc. to be taken into account.
Beispiele für derartige Materialien sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben.Examples of such materials are given in the table below.
103 kg/mm2 E.
10 3 kg / mm 2
10-6 CmE X
10 -6 cmE
X AT 1 άχ
X AT
E ' άΤ 1 d £
E 'άΤ
BemerkungenStructure and
Remarks
Für technische Legierungen, welche den Bedingungen hoher Festigkeit und Härte sowie kleiner mechanischer Verluste genügen sollen, werden meistens Verfestigungsprozesse, wie Kaltverformen, Ausscheidungshärten, mehrphasiger Aufbau, Zugabe von Elementen mit chemischer Lösungsverfestigung (auch lösliche Gase) und Phasenumwandlungen entweder einzeln oder kombiniert miteinander, herangezogen. Derartige Verfestigungsmechanismen sind auch bei den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen möglich. "'For technical alloys that meet the requirements of high strength and hardness as well as smaller mechanical losses are usually solidification processes such as cold forming, precipitation hardening, multi-phase structure, addition of elements with chemical solution solidification (also soluble gases) and phase changes either individually or in combination with one another. Such strengthening mechanisms are also present in the alloys to be used according to the invention possible. "'
Bei einer Ausscheidungshärtung z. B. ist es nötig, daß die Löslichkeit im festen Zustand eines oder mehrerer Legierungsbestandteile temperaturabhängigIn a precipitation hardening z. B. it is necessary that the solubility in the solid state of one or several alloy components depending on the temperature
ist. Die Ausscheidungshärtung wird dann durch Lösungsglühen, schnelles Abkühlen und Auslagern bei mäßigen Temperaturen (unter der Gleichgewichtstemperatur oder dem Solvehs) durchgeführt. Ein Beispiel ist die in der Tabelle unter Nr. 2 aufgeführte Titan-Kupfer-Legierung, bei welcher ein Lösungsglühen bei 8000C, schnelles Abkühlen und ein Auslagern bei 500 bis 6000C zu einer Ausscheidung der intermetallischen Titan-Kupfer-Verbindung Ti2Cu in feinster Verteilung führt. Die Ausscheidung wird beschleunigt durch eine Kaltverformung.is. Precipitation hardening is then carried out by solution heat treatment, rapid cooling and aging at moderate temperatures (below the equilibrium temperature or the solvehs). An example is the titanium-copper alloy listed in the table under no. 2, in which a solution heat treatment at 800 ° C., rapid cooling and aging at 500 to 600 ° C. result in the precipitation of the intermetallic titanium-copper compound Ti 2 Cu leads in the finest distribution. Elimination is accelerated by cold deformation.
Bei dem in F i g. 2 der Zeichnung dargestellten Alisführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Verweiidung handelt es sich um ein stimmgabelförmigesIn the case of the FIG. 2 of the drawing shown Alisführungbeispiel for a branching according to the invention it is a tuning fork shaped
Meßinstrument 1, das beispielsweise aus einer der in der Tabelle aufgeführten Legierungen bestehen kann und zur Messung der Temperatur eines Körpers 2 oder der Umgebung benutzt wird. Zu diesem Zweck ist das Meßinstrument 1 mit elektromechanischen Wandlern 3 versehen, bei denen es sich beispielsweise um Piezokristalle handeln kann, die über einen Rückkopplungskreis 4 eine Schwingung aufrechterhalten. Die Frequenzmessung erfolgt dabei in einer Schaltungseinheit 5.Measuring instrument 1, which can for example consist of one of the alloys listed in the table and is used to measure the temperature of a body 2 or the environment. To this end the measuring instrument 1 is provided with electromechanical transducers 3, which are for example can be piezocrystals that maintain an oscillation via a feedback circuit 4. The frequency measurement takes place in a circuit unit 5.
Auf Grund der Tatsache, daß der Elastizitätsmodul des aus einer erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung hergestellten Meßinstrumentes 1 linear mit der Temperatur abnimmt, ist auch die Eigenfrequenz des stimmgabelähnlichen Meßinstrumentes 1 entsprechend temperaturabhängig, so daß die Änderung der Eigenfrequenz zur Messung der Temperatur benutzt werden kann. Die Anzeigegenauigkeit ist von den Eigenschaften und sonstigen Veränderungen der übertragungsglieder völlig unabhängig, so daß die vorliegende Anordnung ein sehr einfaches und überdies sehr genaues Temperaturmeßgerät darstellt, das auch noch bei hohen Temperaturen zuverlässig arbeitet und bei dem die Anzeige an einem von der Meßstelle weit entfernten Ort erfolgen kann. Die Änderung der Frequenz einer solchen Anordnung beträgt etwa 0,50Z00 Pr0 Grad und ist über einen Temperaturbereich von mehreren 1000C weitgehend konstant, d. h., innerhalb eines Bereiches von mehreren 1000C können die Temperaturen mit gleichbleibender Genauigkeit bestimmt werden.Due to the fact that the modulus of elasticity of the measuring instrument 1 made of an alloy to be used according to the invention decreases linearly with temperature, the natural frequency of the tuning fork-like measuring instrument 1 is correspondingly temperature-dependent, so that the change in the natural frequency can be used to measure the temperature. The accuracy of the display is completely independent of the properties and other changes in the transmission elements, so that the present arrangement is a very simple and, moreover, very accurate temperature measuring device which works reliably even at high temperatures and in which the display is at a location far away from the measuring point can be done. The change in the frequency of such an arrangement is about 0.5 0 Z 00 P r0 degrees and is largely constant over a temperature range of several 100 0 C, ie, within a range of several 100 0 C, the temperatures can be determined with constant accuracy.
Die Forderung nach der genannten Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls besteht beispielsweise auch dann, wenn bei gewissen Bauelementen mit steigender Temperatur eine kleinere Steifigkeit oder ein Abfallen der Resonanzfrequenzen von Vorteil sind. Derartige Bauteile kommen insbesondere bei Turbinen, Raketen usw. in Anwendung.The requirement for the mentioned temperature dependency of the modulus of elasticity also exists, for example, when in certain components with increasing temperature, a lower stiffness or a decrease in the resonance frequencies are advantageous are. Such components are used in particular in turbines, rockets, etc.
Bei den im vorstehenden behandelten, erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen wurde unausgesprochen davon ausgegangen, daß es sich um isotrope Stoffe handelt.In the case of the above-discussed alloys to be used in accordance with the invention, it was left unspoken assumed that they are isotropic substances.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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