High-purity metal-carbon eutectic systems as thermometric fixed points in the range from 1000 K to 3500 K

Des systèmes eutectiques métal-carbone de grande pureté comme points fixes de température dans l’intervalle 1000-3500 K

¹ National Metrology Institute of Japan (NMIJ), AIST, Tsukuba, Japan
² National Institute for Materials Science (NIMS), Tsukuba, Japan

Abstract

A survey will be given of metal-carbon (M-C) and metal carbide-carbon (MC-C) systems presently in development for applications in thermometry in the range from 1000 K to about 3500 K. The advantages of these systems as fixed points at high temperatures as compared to systems relying on pure metals will be elucidated. Purification of the components making up the M-C or MC-C systems is a prerequisite to their implementation as reference fixed points in thermometry, requiring a high level of reproducibility of the eutectic temperature. To set an example a study on the effect of impurities on the eutectic transition of Fe-C is included in the survey. Experimentally obtained melting curves are compared with the curves calculated on the basis of a thermodynamic model, which includes the impurities in question as components. The calculations of the melting curves are based upon: (1) the Equilibrium solidification model and (2) the Scheil-Gulliver solidification model, which handle the effects of the impurities on the transition process in such a way that they may be assumed to set lower and upper boundaries to the associated melting ranges, respectively. We will conclude pointing out fields of common interest to materials science and thermometry within the realm of ultra-pure materials.

Résumé

Cet article présente l’état d’avancement de recherches portant sur l’étude de systèmes binaires métal-carbone (M-C) et carbure métallique-carbone (MC-C) pour des applications en thermométrie dans un intervalle compris entre 1000 K et 3500 K environ. Les avantages apportés par de tels systèmes, utilisés comme points fixes à haute température, comparés aux systèmes constitués uniquement de métaux purs, sont discutés. En effet, la purification des composants constituant ces systèmes binaires est un pré requis à leur implémentation comme points fixes de référence en thermométrie, ce domaine exigeant un haut niveau de reproductibilité de la température de l’eutectique. Un exemple de l’effet du taux d’impuretés pour la transition eutectique Fe-C est présenté. Des courbes de fusion expérimentales sont comparées avec les courbes obtenues à partir de modèles thermodynamiques qui tiennent compte du taux d’impuretés dans leurs équations. Les courbes de fusion théoriques ont été calculées à partir (1) du modèle de solidification à l’équilibre et (2) du modèle de solidification de Scheil-Gulliver. Ceux-ci attestent de la prise en compte de l’effet des impuretés en définissant deux plages de fusion, minimale pour le premier modèle, maximale pour le second, et entre lesquels devrait se situer la plage de fusion expérimentale. Nous concluons en soulignant l’intérêt commun suscité par les matériaux ultra purs pour le domaine de la science des matériaux et de la thermométrie.