DE4444944A1

DE4444944A1 - Apparatur zur quantitativen thermogravimetrischen Charakterisierung der Korrosionsbeständigkeit von Werkstoffen in unterschiedlichen Atmosphären bei Temperaturen bis deutlich oberhalb von 1500 DEG C

Info

Publication number: DE4444944A1
Application number: DE19944444944
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Ing Schuetze; Klaus Dipl Ing Bundschuh
Original assignee: Dechema Deutsche Gesellschaft fur Chemisches Apparatewesen Chemische Technik und Biotechnologie Ev 60486 Frankfurt De; Dechema Deutsche Gesellschaft fuer Chemisches Apparatewesen eV
Current assignee: Dechema Gesellschaft fur Chemische Technik und Bi
Priority date: 1994-12-16
Filing date: 1994-12-16
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2014-12-17
Also published as: DE4444944C2

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Apparatur, die es erlaubt, das Korrosionsver halten von Werkstoffen in unterschiedlichen Gasatmosphären sogar bei Tempera turen von 1500°C und deutlich darüber in Form der Massenänderungskinetik quan titativ zu charakterisieren. Grundsätzlich sind Apparaturen zur Verfolgung der Korrosionskinetik über Massenänderungen der Proben in Form von Thermowaagen bekannt.

Nachteil dieser Apparaturen ist, daß sie bei sehr hohen Temperaturen der gleichen oder einer ähnlichen Korrosion im Probenraum unterliegen wie die Probe selbst, so daß auch Massenänderungen am Wägegestänge auftreten und somit die Ergebnisse verfälscht werden. Des weiteren ist in diesen Apparaturen die Kinetik der Abdampfung flüchtiger Korrosionsprodukte von der Probenoberfläche dann nicht eindeutig meßbar, wenn gleichzeitig Prozesse der Massenzunahme an der Probe durch Bildung nichtflüchtiger Korrosionsprodukte überlagert sind. Beide Nachteile treten für viele Hochtemperaturwerkstoffe insbesondere bei Temperaturen von ca. 1500°C und darüber auf, so daß bisherige Apparaturen keine zuverlässigen Meßergebnisse liefern können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand darin, diese Nachteile zu überwinden und mit Hilfe einer kommerziellen Mikrowaage eine aussagekräftige Messung der Korrosionskinetik zu ermöglichen. Weiterhin sollte die Möglichkeit geschaffen werden, die Kinetik von Abdampfvorgängen an der Probe quantitativ zu erfassen. Die Lösung der Aufgabe geschieht mit den Merkmalen aus den kenn zeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 bis 7. Der erste Grundgedanke der Er findung besteht darin, daß in unterschiedlichen Wägeschritten die korrosions bedingte Massenänderung des Wägegestänges einerseits zusammen mit der Probe und andererseits ohne Probe gemessen wird (Betriebsmodus A der Apparatur, vgl. Abb. 1). Durch Substraktion dieser beiden Meßwerte voneinander kann die ei gentliche Massenänderung an der Probe erhalten werden.

Zu diesem Vorgang dient ein Probenlift, der durch einen Hubmechanismus die Probe vom Wägegestänge ab hebt, so daß eine Messung der Massenänderung des Wägegestänges allein möglich ist. Das Wägegestänge (5) ist zweckmäßigerweise in Form eines Keramikrohrs gestaltet, das nach unten bis zur Mikrowaage (21) durchläuft und dort auswech selbar eingesteckt ist. Die Probe liegt beim Wägevorgang auf diesem Rohr auf und wird für den Wägevorgang "Wägegestänge ohne Probe" von einem konzentri schen Keramikrohr mit größerem Durchmesser als das Wägegestänge und über den entsprechenden Antrieb (16, 18, 19) um einige Millimeter nach oben gehoben, so daß sie nicht mehr auf dem Wägegestänge aufliegt. Beide Wägevorgänge werden während des Versuches periodisch wiederholt, wobei jeweils eine Erfassung der Daten erfolgt die auf einem Rechner abgespeichert werden. Die Wägeperioden können je nach gewünschter zeitlicher Auflösung eingestellt werden. Der Hub mechanismus besteht aus einer Hohlspindel (in 18), auf die der Probenlift (6) auswechselbar aufgesteckt ist. Im Inneren läuft berührungslos der Wägestempel (5). Die Spindel wird durch ein Nut-Feder-System an der Verdrehung gehindert, so daß durch den Antrieb einer Mutter (18), die die Spindel umgibt, eine Hub bewegung resultiert. Die Mutter ist auf einem Stirnrad (16) befestigt, das durch ein Zahnrad (16) mit dem Elektromotor (19) verbunden ist.

Um mit verschiedenen Gasatmosphären arbeiten zu können, sind sowohl die Reak tionskammer (9) als auch der Waagenraum (22) gasdicht abgeschlossen. Die Ab dichtung der Reaktionskammer erfolgt durch das Flanschsystem (13, 14), in dem das aus dem Ofenraum kommende innere Schutzrohr (15) gasdicht befestigt ist. Ein Kühlsystem (11) wird installiert, damit Dichtringe (12) aus organischen Werkstoffen verwendet werden können und um den Wärmeeintrag aus dem Ofenbe reich in die empfindliche Mikrowaage (21) zu unterdrücken. Der Waagenraum (22) ist ebenfalls gasdicht ausgeführt und steht über das innere Schutzrohr (15) mit dem eigentlichen Reaktionsraum (9) in Verbindung. Der Waagenraum wird über die Gaszu- und -abführungen (17, 23) mit Inertgas gespült, damit keine Reak tionsgase aus dem Probenbereich in den Waagenraum eindringen können.

Der zweite Grundgedanke bezieht sich auf die Messung der Kinetik der Abdampfung flüchtiger Korrosionsprodukte, wobei durch geringfügigen Umbau prinzipiell die gleiche Apparatur verwendet werden kann (Betriebsmodus B, vgl. Abb. 2). Aus diesem Grund sind sowohl das Wägegestänge (5) als auch der Probenlift (6) in Abb. 1 austauschbar ausgeführt. Anstelle des Probenlifts werden in diesem Fall eine Stange bzw. ein Rohr (6) mit Probenhalter (24) eingesetzt sowie anstelle des ursprünglichen Wägegestänges (5) ein modifiziertes Wägegestänge (5) mit Kondensationsplatte (25). Die Kondensationsplatte sollte in ihrer Höhe einen möglichst großen Bereich des Ofenraums abdecken. Da diese Kondensationsplatte unterhalb der Probe in einem kälteren Bereich angebracht ist, können sich die flüchtigen Korrosionsprodukte darauf niederschlagen. Somit wird über die Mikro waage (21) und das Wägegestänge (5) die Massenänderung an der Kondensations platte (25) gemessen, die auf die Kondensationsfläche bezogen die Kinetik der Kondensation pro Flächeneinheit wiedergibt. Da die Oberflächen des Reaktions gefäßes (9) sowie der Gestänge- bzw. Rohrteile (5, 7, 10, 27) in der Apparatur bekannt sind, kann von der flächenbezogenen Massenzunahme durch Kondensation an der Kondensationsplatte (25) auf die Gesamtmenge an kondensierter Phase in der Apparatur zurückgeschlossen werden. Somit ist eine quantitative Erfassung der Abdampfkinetik an der Probe möglich. Nach dem Versuch kann die Kondensa tionsplatte (25) für Analysen entnommen werden, so daß auch die Zusammenset zung der Kondensationsprodukte bzw. der abgedampften Korrosionsprodukte fest gestellt werden kann.

Wie in Abb. 3 gezeigt, kann auch eine eigene Apparatur nur für die Messung der Menge an abgedampften und kondensierten Korrosionsprodukten gebaut werden. Diese arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie die universelle Ausführung der beschriebenen Thermowaage im Betriebsmodus B.

Die Steuerung des Probenlifts beim Vorgang der Massenänderungsmessung der Pro be sowie sämtliche Erfassungen der Massenänderungen über die Mikrowaage erfol gen zweckmäßigerweise mit Hilfe eines Laborrechners. Dieser liefert in Verbin dung mit geeigneter Software die gewünschten Massenänderungs-Zeit-Kurven für kinetische Betrachtungen der Korrosionsprozesse.

Bezugszeichenliste

1 Heizelemente
2 Ofen (verfahrbar)
3 Ofengestell
4 Probe
5 Modus A: Probenhalterung und Wägestempel
5 Modus B: Wägestempel
6 Modus A: Probenlift
6 Modus B: Probenhalterung
7 Thermoelement
8 Gasabfuhr
9 Äußeres Schutzrohr (gasdicht)
10 Gaszufuhr
11 Flanschkühlung
12 Dichtung
13 Obererflansch
14 Unteres Flanschsystem
15 Inneres Schutzrohr
16*) Antrieb
17 Auslaß der Schutzgasspülung
18*) Hebevorrichtung (Spindel)
19*) Elektromotor
20 Gestell
21 Waage
22 Gasdichte Schutzkammer
23 Einlaß der Schutzgasspülung
24 nur Modus A: erweiterte Probenhalterung
25 nur Modus B: Kondensationsplättchen

*) nur im Betriebsmodus A in Gebrauch

Claims

1. Apparatur zur thermogravimetrischen Charakterisierung der Korrosionsbestän digkeit von Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer kom merziellen Mikrowaage (21) die Massenänderungsmessungen auch bei Tempera turen von 1500°C und deutlich darüber durchgeführt werden können, wobei der Einfluß einer Meßergebnisverfälschung durch korrosiven Angriff auf die Probenhalterung und das Wägegestänge durch eine 2-Stufenwägung ausgeschal tet werden kann, indem durch einen Hebemechanismus (18) die Probe (4) vom auswechselbaren Wägegestänge (5) abgehoben werden kann, so daß einerseits eine Wägung der Probe zusammen mit dem Wägegestänge sowie andererseits eine Wägung nur des Wägegestänges ohne Probe möglich ist, wodurch nach Substraktion der beiden Wägeergebnisse voneinander das tatsächliche Proben gewicht ohne störende Korrosionseinflüsse an der Wägeeinrichtung gemessen werden kann.

2. Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre im Inneren des Ofens durch ein gasdichtes äußeres Schutzrohr (9) und Gaszu leitungen (8, 10) beliebig eingestellt werden kann, wobei ein Flanschsystem (13, 14) das Öffnen der Probenkammer zum Probenwechsel ermöglicht und der Waagenraum ebenfalls von einer gasdichten Schutzkammer (22) umschlossen ist, die mit dem Reaktionsraum im Ofen durch ein dünnes gasdichtes Rohr (15) verbunden ist und mit Inertgas gespült wird, um ein Eindringen der korrosiven Gase aus dem Reaktionsraum in den Waagenraum zu verhindern.

3. Apparatur nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenan hebung durch einen Probenlift (6) erfolgt, der auswechselbar auf eine senk recht geführte Spindel (in 18) gesteckt ist, welche durch Drehung einer festgelagerten Mutter (18) nach oben bzw. unten bewegt wird, die durch einen Elektromotor (19) und eine mechanische Übertragung (16) z. B. in Form von Zahnrädern angetrieben wird.

4. Apparatur nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Lösen der Flanschverbindungen (13, 14) über einen Flaschenzugmechanismus sowohl der Ofen als auch das Reaktionsgefäß nach oben angehoben werden können, um den Zugang zum Probenraum zu ermöglichen.

5. Apparatur nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Flanschsystems, an dem auch die Gaseinleitung (10) und die Gasauslei tung (8) aus dem Reaktionsgefäß erfolgt, durch eine Wasserkühlung (11) der Wärmefluß aus der Reaktionskammer zu den empfindlichen Waagen- und An triebsteilen im unteren Bereich der Apparatur unterdrückt wird.

6. Apparatur nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Apparatur durch Umrüstung anstelle des bisher beschriebenen Betriebsmodus A auch in einem Betriebsmodus B gefahren werden kann, bei dem anstelle des Wägestem pels (5 in Abb. 1) zur Wägung der Probe (4 in Abb. 1) eine Stange (5 in Abb. 2) aufgesetzt wird, auf der eine Kondensationsplatte (25 in Abb. 2) angebracht ist, auf der sich Zersetzungsprodukte bzw. abdampfende Korro sionsprodukte von der Probe niederschlagen können, wobei die Probe (4 in Abb. 2) auf einer Stange (24 in Abb. 2) sitzt, die anstelle des auswech selbaren Probenlifts (6 in Abb. 1) eingesetzt wird, wobei es diese Modifi zierung der Apparatur zuläßt, die Kinetik der Abdampfreaktion an der Probe thermogravimetrisch zu erfassen, indem rechnerisch von der Massenzunahme an der Kondensationsplatte über Berücksichtigung der gesamten Oberfläche innerhalb der Apparatur im Kondensationsbereich auf den Gesamtmassenver lust an der Probe extrapoliert werden kann.

7. Apparatur nach Anspruch 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung der Abdampfkinetik über Kondensationsmessungen eine eigene Appara tur nach den in Anspruch 6 beschriebenen Prinzipien aufgebaut wird (vgl. Abb. 3).