熱雙金屬在電器產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

天水二一三電器有限公司 李曉麗

前言

熱雙金屬材料廣泛應(yīng)用于電氣工業(yè)中的熱繼電器和斷路器，儀表工業(yè)中的氣象儀表和電流計(jì)等，家用電器方面的電熨斗、電灶、電冰箱和空調(diào)裝置等，是當(dāng)代工業(yè)不可缺少的一種材料，由于低壓電器工業(yè)使用這種材料已相當(dāng)普遍，因此，作者結(jié)合工作中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)，介紹熱雙金屬在電器產(chǎn)品中的應(yīng)用及生產(chǎn)成型時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。

一、熱雙金屬簡(jiǎn)介

熱雙金屬是一種復(fù)合金屬, 一般用兩層或多層具有不同膨脹系數(shù)的金屬或合金沿整個(gè)接觸面牢固復(fù)合在一起組成條片或薄板形狀。具有隨溫度變化發(fā)生形狀變化的特性。

目前，生產(chǎn)熱雙金屬的廠家所用的生產(chǎn)熱雙金屬的原材料大部分都是相同的，基本都是由鐵質(zhì)和銅質(zhì)合金為主要成分，再加入鎳錳等金屬元素來(lái)改變它自身的膨脹系數(shù)，產(chǎn)生高膨脹側(cè)和低膨脹側(cè)合金，再?gòu)?fù)合組成。有時(shí)為了改變材料的電阻率，會(huì)加入中間的合金。高膨脹側(cè)和低膨脹側(cè)的合金成分配比不同，厚度不同，加上中間層金屬的調(diào)節(jié)，可得到近百種比彎曲不同的熱雙金屬材料。

高膨脹側(cè)，主要成分有：鎳鉻合金，鎳錳合金，銅鋅合金。

如：Mn72Ni10Cu18,Ni22Cr3,Ni20Mn6等。

低膨脹側(cè)，主要成分有：鎳合金，鉻合金。如：Ni36,Ni45,Crl7等。中間側(cè)，主要成分有: 純銅，純鎳，低碳鋼。

二、熱雙金屬的原理

熱雙金屬制造有各種工藝,其中用得最普遍的是熱軋復(fù)合與冷軋復(fù)合兩種,這兩種工藝采用的都是組元固相復(fù)合原理。因各層永久性地結(jié)合在一起,當(dāng)受到溫度變化時(shí),將使材料的曲率改變。此曲率隨溫度而變化(溫曲率)是各種熱雙金屬的基本性能。

如圖1所示，兩層成分不同的金屬事先被緊密地結(jié)合在一起形成雙金屬材料,假設(shè)A為高膨脹側(cè)，B為低膨脹側(cè)，A、B長(zhǎng)度相同，則當(dāng)溫度升高時(shí),高膨脹側(cè)A和低膨脹側(cè)B都將隨溫度發(fā)生熱脹冷縮的變化。但高膨脹側(cè)伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度更大，兩層金屬發(fā)生的形變不等長(zhǎng)，在結(jié)合面應(yīng)力的作用下，發(fā)生彎曲，使直條元件彎曲成弧形，弧形外側(cè)為高膨脹面。如圖2所示?；⌒瓮鈱娱L(zhǎng)度比內(nèi)層長(zhǎng)，彎曲方向上產(chǎn)生彎曲位移（撓度），當(dāng)受到阻力時(shí)便生成推力，從而使熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

三 熱雙金屬的主要性能和參數(shù)

a)比彎曲

比彎曲K是表示溫度變化1℃時(shí)，一端加緊厚度d=1mm，自由運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度L=100mm的熱雙金屬條片，自由端的撓度值f，見(jiàn)圖3。它是衡量熱雙金屬對(duì)溫度變化靈敏程度的一個(gè)重要參量。比彎曲采用懸臂梁法測(cè)量。

b)溫曲率

溫曲率F是單位厚度的熱雙金屬片，每變化單位溫度時(shí)其縱向中心線的曲率變化。當(dāng)熱雙金屬的厚度大于等于0.3mm時(shí)，溫曲率的測(cè)量法采用簡(jiǎn)支梁法，小于0.3mm采用螺旋法測(cè)量。

圖 3 一端固定雙金屬元件彎曲

c)線性溫度范圍

熱雙金屬的線性溫度范圍是指按比彎曲標(biāo)準(zhǔn)值與標(biāo)稱厚度的計(jì)算撓度（位移）與實(shí)際撓度（位移）的誤差不大于土5%的溫度范圍,可用平均比彎曲Km來(lái)計(jì)算熱彎曲。在這個(gè)范圍內(nèi)熱雙金屬的彎曲變化基本上是線性的。在線性溫度范圍內(nèi)，熱雙金屬具有最大的熱敏感性能。

d)常用溫度范圍

常用溫度范圍就是指平均比彎曲尚未發(fā)出根本變化的溫度范圍,直至最高工作溫度之前,熱雙金屬不會(huì)遇到任何危險(xiǎn)。但必須根據(jù)擴(kuò)大溫度范圍用的已經(jīng)發(fā)生變化的比彎曲值計(jì)算撓度。

e)允許使用溫度范圍

允許使用溫度是指熱雙金屬材料處于還未發(fā)生殘余變形臨界狀態(tài)時(shí)的溫度。這個(gè)定義既適用于低溫,也適用于高溫。允許使用溫度極限決定于熱雙金屬品種、尺寸和電器對(duì)它提出的動(dòng)作精度要求。允許使用范圍內(nèi)，材料的熱敏性能有所降低。

f)比電阻(ρ)

在電器產(chǎn)品中,一般是電流直接通過(guò)熱雙金屬元件而產(chǎn)生焦耳熱,使本身溫度升高而發(fā)生彎曲變形,因此對(duì)熱雙金屬材料來(lái)說(shuō),比電阻值是選擇電流等級(jí)的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖 1 雙金屬元件

圖 2 雙金屬元件自由彎曲

g)彈性模量(E )

彈性模量E是計(jì)算熱雙金屬元件產(chǎn)生的推力、力矩和內(nèi)應(yīng)力時(shí)所需的參量。這個(gè)參數(shù)是用來(lái)衡量彎曲一種材料所需作用力。彈性模量越大,所需作用力也越大,多數(shù)熱雙金屬的彈性模量隨著溫度升高能保持相對(duì)恒定,故其低膨脹一側(cè)的模量將相應(yīng)增大,而高膨脹一側(cè)的模量則相應(yīng)減小。彈性模量由材料的成分和變形量所確定

h)其他性能

硬度,屈服應(yīng)力,導(dǎo)熱率、比熱和耐腐蝕性能等都是熱雙金屬經(jīng)常需要參考的主要技術(shù)性能。

四、熱雙金屬的分類(lèi)及特點(diǎn)

根據(jù)熱雙金屬應(yīng)用目的的不同,對(duì)主要技術(shù)性能的選擇也就有不同的要求。例如用于溫度測(cè)量溫度控制的熱雙金屬要求比彎曲有較大的允許使用溫度范圍。使用在高原環(huán)境下的熱雙金屬,需要有較大的高溫強(qiáng)度和良好的抗氧化性能。應(yīng)用于電氣回路中作為保護(hù)裝置的熱雙金屬,需要有一定的比電阻值。因此,熱雙金屬一般按照它的使用特性,適用范圍及條件可大致分成以下幾類(lèi):

五、熱雙金屬的應(yīng)用

設(shè)計(jì)一個(gè)熱雙金屬元件，應(yīng)考慮以下因素：

(1)元件承受的電流等級(jí)；

(2)工作溫度范圍；

(3)元件將經(jīng)受的最高溫度；

(4)位移和力的要求，或兩者的結(jié)合；

(5)空間限制；

(6)工作條件；

1 熱雙金屬牌號(hào)和規(guī)格的確定

a）根據(jù)使用溫度，確定熱雙金屬的溫度類(lèi)型：高溫型 、中溫型。

b）根據(jù)動(dòng)作空間、動(dòng)作位移、電流等級(jí)、脫扣力等因素通過(guò)計(jì)算確定熱雙金屬牌號(hào)、規(guī)格、形狀。

高靈敏型 低電阻（大安培） 直條型

中靈敏型 中電阻（中安培） 螺旋形

低靈敏型 高電阻（小安培） 異形

c）根據(jù)計(jì)算的結(jié)果裝機(jī)確認(rèn)。

⑴ 根據(jù)使用溫度選擇熱雙金屬類(lèi)型

表2 尺寸規(guī)格：L=45mm b=10mm d=1mm 溫升：△T=50℃

使用溫度是熱雙金屬動(dòng)作的溫度范圍。使用溫度和使用溫度上限最好在熱雙金屬的線性溫度范圍內(nèi)，這時(shí)雙金屬片具有恒定的和最大的靈敏度，可以保證熱雙金屬元件的動(dòng)作線性。當(dāng)使用溫度超過(guò)了熱雙金屬的可用（有效）溫度范圍時(shí)，熱雙金屬元件將產(chǎn)生殘余變形，導(dǎo)致工作特性發(fā)生變化。

⑵ 計(jì)算位移和力，確定牌號(hào)和規(guī)格

先約定雙金屬片的溫曲率為F，彈性模量為E，長(zhǎng)度L，寬度b，厚度d，彎曲位移S，熱力F，溫升差值△T

選則相同規(guī)格，不同牌號(hào)的雙金屬片，計(jì)算位移S和熱力F。

相同規(guī)格：45×10×1mm ，不同牌號(hào)：5J20110和5J1580雙金屬片

計(jì)算示例如表2，可以看出相同條件下，高靈敏的熱雙金屬比中靈敏的位移多37%，熱力增加24%，在使用中調(diào)整的空間更大。

⑶熱雙金屬片溫升的估算

熱雙金屬片的溫升，由試驗(yàn)所得的溫升方程式為：

τ:主片溫升 τω:主片穩(wěn)定溫升 t：加熱時(shí)間 T：時(shí)間常數(shù)

時(shí)間常數(shù)的計(jì)算：

時(shí)間常數(shù)，熱繼電器的動(dòng)作時(shí)間主要與動(dòng)作常數(shù)有關(guān)，時(shí)間常數(shù)是反映熱慣性大小的參數(shù)，其值越大則主片溫度上升的速度越慢，動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)。

直接加熱型： T=cm/μA

復(fù)式加熱型：T=Σcimi/ΣμiAi

c:比熱 m:質(zhì)量 μ表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) A表面散熱面積 i材料序號(hào)

六、熱雙金屬元件成型時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)

1 沖剪、折彎和固定

（1）熱雙金屬應(yīng)沿著縱向（即片材軋制方向）落料。橫向落料其熱敏性要降低1-3%，承受彎曲負(fù)荷的能力也比沿縱向落料的元件約低10%。

（2）沖裁后的元件，其邊緣應(yīng)無(wú)毛刺，否則會(huì)降低熱敏感度。對(duì)于蝶形元件，毛刺嚴(yán)重時(shí)會(huì)喪失動(dòng)作性能。

（3）熱雙金屬折彎時(shí)應(yīng)避免過(guò)小的彎曲半徑，否則元件的彎曲表面會(huì)出現(xiàn)裂紋，在進(jìn)行折彎時(shí)盡量垂直于軋制方向，以便獲得更高的強(qiáng)度如果對(duì)彎曲(折)性能有高要求，則可以提高材料的穩(wěn)定化處理溫度，或在沖制前就進(jìn)行穩(wěn)定處理來(lái)改善彎折性能。但其機(jī)械強(qiáng)度和熱敏感性能，承受負(fù)荷和高溫的能力有所下降。

（4）熱雙金屬元件二次加工(部件或組件裝配)時(shí)．可采用鉚接和焊接等方式固定。如元件的動(dòng)作精度要求較高，宜采用焊接固定。熱雙金屬焊性的好壞與表面狀態(tài)有關(guān)，焊接前必須清除其表面的氧化膜或油漬等污物。

（5）雖然熱雙金屬含有鎳、鉻合金等提高耐腐蝕能力的元素，但主、被動(dòng)層電位差不一樣，導(dǎo)致容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。為防止腐蝕，可采用在雙金屬元件表面涂適合的防銹油或在其表面鍍鎳、鍍鋅等，經(jīng)此電鍍后元件表面較硬，有利于高溫下的表面保護(hù)，耐蝕性能也較好，但是電阻值會(huì)有所變化，熱敏感性能也要降低，鍍層越厚，降低越多。

2、熱雙金屬元件的穩(wěn)定化處理

熱雙金屬在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，在元件進(jìn)行沖壓成型和鉚接、焊接固定過(guò)程中，也會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力在沒(méi)有得到外來(lái)能量供給的情況下，將會(huì)逐漸地進(jìn)行重新分布和部分釋放，這將影響到熱雙金屬的穩(wěn)定性，最終影響到電氣性能的穩(wěn)定性，使電器的性能隨時(shí)間產(chǎn)生漂移的現(xiàn)象，甚至失效。因此通過(guò)穩(wěn)定處理，可使殘余應(yīng)力得到釋放，并使其均勻化，從而減少殘余應(yīng)力對(duì)電氣性能產(chǎn)生的影響。

（1）熱穩(wěn)定處理：熱穩(wěn)定處理最好在真空或保護(hù)氣氛狀態(tài)進(jìn)行，這樣能避免元件表面氧化，提高表面質(zhì)量。通過(guò)使用χ衍射儀對(duì)雙金屬元件應(yīng)力分布測(cè)定，見(jiàn)圖4，證實(shí)增加穩(wěn)定處理次數(shù)，就可使元件內(nèi)應(yīng)力大大降低。

根據(jù)熱穩(wěn)定處理后元件內(nèi)應(yīng)力分布，可確認(rèn)熱穩(wěn)定處理的時(shí)間和溫度。通過(guò)殘余應(yīng)力對(duì)產(chǎn)品性能穩(wěn)定性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，雙金片牌號(hào)為5J1578，比彎曲K值：K=15.3×10-6/℃，外形尺寸，長(zhǎng)：L=45mm 寬：b=10 mm 厚：δ=1.0mm，設(shè)備為氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)爐，推薦以下熱處理參數(shù)，見(jiàn)圖5。不同牌號(hào)的雙金屬片，材料成分不同，允許使用溫度范圍不同，線性溫度范圍不同，因此熱穩(wěn)定處理的時(shí)間和溫度也應(yīng)不同。另外同一牌號(hào)的雙金屬片，外形不同，熱穩(wěn)定處理的時(shí)間和溫度也應(yīng)不同，視不同情況具體試驗(yàn)并加以總結(jié)。

圖4 元件內(nèi)應(yīng)力分布

表2 5J1578的電老化參數(shù)

圖5 熱穩(wěn)定處理

（2）通電發(fā)熱穩(wěn)定處理

熱穩(wěn)定處理，消除殘余應(yīng)力和改變內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)效果很好，但圖5顯示，處理時(shí)間較長(zhǎng)，效率低。根據(jù)雙金屬片的熱效應(yīng)，通電使其發(fā)熱，然后冷卻，反復(fù)幾次，使殘余應(yīng)力釋放，通過(guò)使用χ衍射儀對(duì)雙金屬元件應(yīng)力分布測(cè)定，效果也比較明顯。根據(jù)多次的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)并推薦熱繼電器系列產(chǎn)品所使用雙金片牌號(hào)為5J1578的電老化參數(shù)見(jiàn)表2。