碟片元件用熱雙金屬材料國產(chǎn)化的研究

孫華民

摘 要：熱雙金屬是一種應(yīng)用非常廣泛的復(fù)合材料，熱雙金屬碟片主要用于溫度控制和過載保護等場合，長期以來，高精度的碟片用雙金屬材料主要依靠進口，為了供應(yīng)鏈安全和降低成本，本文對國產(chǎn)熱雙金屬材料進行了研究，通過一致性試驗和壽命試驗，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)熱雙金屬的質(zhì)量達到或超過了進口同類產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：熱雙金屬;碟片;研究

中圖分類號：TM503 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）02-0066-02

0 引言

熱雙金屬是由二層或二層以上具有不同熱膨脹系數(shù)的金屬或合金所組成的一種復(fù)合材料，當(dāng)溫度變化時，其曲率半徑發(fā)生相應(yīng)的變化，自動地將熱能轉(zhuǎn)變成機械能。由于其結(jié)構(gòu)簡單、動作可靠、價格低廉，因此廣泛應(yīng)用于與各種溫度有關(guān)的控制器、保護器、以及溫度指示和溫度補償?shù)妊b置中，由于貿(mào)易摩擦及保證供應(yīng)鏈安全，有必要對雙金屬材料國產(chǎn)化，但熱雙金屬材料是關(guān)鍵材料，國產(chǎn)化之前必須進行相關(guān)試驗。

1 熱雙金屬的工作原理及分類

1.1熱雙金屬的結(jié)構(gòu)及工作原理

熱雙金屬一般由二層或二層以上的組元層構(gòu)成。組元層材料可以分為主動層、被動層和中間層。其中線膨脹系數(shù)較大的組元層稱為主動層，線膨脹系數(shù)較小的組元層稱為被動層。中間層又稱為分流層，它位于主動層與被動層之間，用來調(diào)節(jié)熱雙金屬材料的電阻率。主動層材料一般為Ni22Cr3Fe等合金，被動層一般為FeNi36等合金。如果把它們復(fù)合在一起，當(dāng)溫度升高時，由于它們的膨脹系數(shù)不同，主動層在熱應(yīng)力作用下被壓縮，被動層被拉伸，熱應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩，使熱雙金屬片彎曲。

1.2分類

熱雙金屬一般按照它的使用特性，適用范圍及使用條件可大致分為以下幾類：

（1）通用型：這類熱雙金屬有較大的比彎曲值和機械強度，適用于一般性用途，如SUMSION140-80，SUMSION155-78等。

（2）高溫型：這類熱雙金屬線性溫度范圍寬，高溫強度大，抗氧化性良好，可使用在400℃以上的溫度，如SUMSIONl00-70，SUMSION57-78。

（3）高敏感型：這類熱雙金屬有最高的比彎曲值，適用于生產(chǎn)溫度精度較高的碟片及儀表，如SUMSION208-110等。

（4）電阻型：這類熱雙金屬通過夾入分流層組成三金屬，用于系列化的熱繼電器和低壓斷路器等產(chǎn)品。

（5）耐腐蝕型：這類熱雙金屬對水溫氣及腐蝕介質(zhì)有一定抗銹能力，以及耐煙霧和氧化腐蝕。

2 熱雙金屬的性能

2.1 熱彎曲性能

熱雙金屬的熱彎曲性能有溫曲率和比彎曲，它們是用來衡量熱雙金屬溫度敏感性的物理量。

2.2使用溫度范圍

使用溫度范圍是選擇熱雙金屬時需要首先考慮的參數(shù)之一。它一般分為線性溫度范圍和允許使用溫度范圍。

（1）線性溫度范圍：熱雙金屬在這個溫度范圍內(nèi)，彎曲隨溫度線性變化。工程上線性溫度范圍的定義為：在該溫度范圍內(nèi)，熱雙金屬的實際撓度同用比彎曲標(biāo)準(zhǔn)值算出的撓度相比，偏離不超過5%。

（2）允許使用溫度范圍：溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)力達到熱雙金屬材料彈性極限時的溫度范圍即為允許使用溫度范圍。

2.3電阻值

如果熱雙金屬的動作是由于電流直接從熱雙金屬上通過時所產(chǎn)生的焦耳熱及復(fù)合加熱，電阻率ρ便是設(shè)計時必需的參數(shù)。熱雙金屬電阻率由下面公式計算得出：

t/ρ=t1/ p1+ t2/p2+t3/p3

式中：ρ、t—熱雙金屬的電阻率和厚度;p1、t1—主動層的電阻率和厚度。

p2、t2—中間層的電阻率和厚度;p3、t3—被動層的電阻率和厚度。

熱雙金屬生產(chǎn)廠通常采用改變中間層厚度的方法改變熱雙金屬的電阻率，從而使電阻型熱雙金屬系列化，以滿足用戶產(chǎn)品系列化的要求。

2.4 彈性模量

彈性模量是計算熱雙金屬元件的推力、轉(zhuǎn)矩和內(nèi)應(yīng)力時所需要的重要參數(shù)，金屬材料的彈性模量分為拉伸和彎彈性模量，而熱雙金屬生產(chǎn)廠所給的彈性模量值一般為彎曲彈性模量。為了使熱雙金屬有足夠的強度和彈性，熱雙金屬一般經(jīng)過20%～50%的變形后，以冷軋狀態(tài)交貨。

2.5最大負(fù)荷應(yīng)力

最大負(fù)荷應(yīng)力是指熱雙金屬元件在使用時，不產(chǎn)生殘余永久變形的最大應(yīng)力值。它由三部分構(gòu)成：即溫度變化所產(chǎn)生的熱應(yīng)力，外加負(fù)荷所產(chǎn)生的機械應(yīng)力和材料元件制造過程中的殘余應(yīng)力。機械應(yīng)力和熱應(yīng)力值可以計算，但殘余應(yīng)力只能估計。因此，在使用前還需進行一些試驗以保證安全。

此外，熱雙金屬還有硬度、比熱及密度等物理性能，這些性能在電器的設(shè)計中都十分重要。

3 國產(chǎn)與進口碟形元件用熱雙金屬材料的比較

3.1碟形元件的工作原理及動作曲線

像KSD溫控器及冰箱壓縮機過熱過載保護等電器控制裝置中，有一個微凹入的碟形熱雙金屬元件，我們習(xí)慣稱之為碟形元件。圖1表示為自由狀態(tài)下碟形元件的工作過程圖。其中Tm=。

ho―溫度為To時，碟片中心的高度;hs―瞬動時，碟片中心的高度;To―初始溫度;TOS―動作溫度;TUS―回復(fù)溫度。

當(dāng)溫度由To開始升高時，碟片的機械能也隨之增加，當(dāng)溫度升高到臨界值Tos時，碟片突然翻轉(zhuǎn)。隨后溫度下降，當(dāng)溫度下降到臨界值Tus時，碟片又翻回到原來的位置。?

3.2碟形元件用雙金屬材料B1的性能

用于生產(chǎn)碟片元件的熱雙金屬材料品種繁多，但壓縮機保護器常用的雙金屬材料只有B1（SUMSION140-80），表1為國產(chǎn)SUMSION140-80與美國產(chǎn)B1性能比較。熱雙金屬特性參數(shù)，如表1所示。

經(jīng)過比較，國產(chǎn)材料的特性參數(shù)與美國的基本一致。

3.3 一致性

一致性是評估材料質(zhì)量好壞的一個重要指標(biāo)，一致性檢測在奧地利伍博公司生產(chǎn)的雙金屬片自動成型機上進行，該設(shè)備具有碟片成型、碟片溫度檢測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析功能。

圖2為國產(chǎn)材料生產(chǎn)的碟片的斷開溫度和復(fù)位溫度的折線圖。圖3為美國產(chǎn)材料生產(chǎn)的碟片的斷開溫度與復(fù)位溫度散點圖。

由圖2和圖3可知，國產(chǎn)材料的良品率為98.3%，美國材料的良品率為96.9%，即國產(chǎn)材料稍優(yōu)于美國材料。

3.4 壽命

雙金屬碟片壽命指碟片反復(fù)動作后破裂之前動作的次數(shù)，它也是評估材料好壞的一個重復(fù)指標(biāo)，表2是本次試驗結(jié)果。

由表2可知，國產(chǎn)雙金屬材料生產(chǎn)的碟片壽命與美國材料生產(chǎn)的碟片一樣均能滿足壽命要求。

4 結(jié)論

國產(chǎn)雙金屬材料在質(zhì)量上完全能滿足熱保護器的技術(shù)要求，加上其高的性價比和保證供應(yīng)鏈安全，引入國產(chǎn)材料勢在必行。

參考文獻

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