Термобиметаллы — материалы с заданной температурной чувствительностью

Слои термобиметаллических материалов (ТБМ) спаиваются между собой по всей плоскости соприкосновения. Компоненты с большим значением ТКЛР называют активным слоем, с меньшим — пассивным. При нагревании за счет разного удлинения слоев термобиметаллы изгибаются, что позволяет применять их в качестве чувствительных элементов измерительных приборов и компонентов защиты в автоматических выключателях, предохранителях и реле.

Для достижения наибольшего изгибающего эффекта в диапазоне рабочих температур применяют пары материалов с максимальной разницей температурных коэффициентов. За счет этого ТБМ изгибается по дуге окружности, вызывая при этом высокое внутреннее напряжение, для снятия которого при производстве термобиметаллы подвергают отжигу в восстановительной атмосфере.

‍

Составляющие термобиметаллических материалов

Прецизионные стали для изготовления ТМБ выбирают в соответствии с назначением и требованиями, предъявляемыми к изготовляемым элементам. Преимущественно используют железоникелевые сплавы с добавлением различных легирующих материалов.

В качестве активного слоя широко применяются сплавы на основе железа (Fe), никеля (Ni) и хрома (Cr), в том числе стали марок 19НХ, 20НГ, 24НХ, 27М, 28НХТЮ и 75ГНД.

Основная марка стали, используемая для пассивного слоя термобиметаллов — 36Н (инвар), но при температуре выше точки Кюри она утрачивает свои свойства. Поэтому для элементов, температурный диапазон которых превышает 200°С, выбирают сплавы с содержанием никеля выше 40-42%, в том числе стали марок 42Н, 45НХ, 45НХТЮ, 46Н, 50Н и 52НТЮ.

‍

Физико-механические характеристики ТБМ

Основное свойство термобиметаллов — температурная чувствительность — способность изгибаться по дуге окружности при повышении рабочей температуры. Этот параметр напрямую зависит от разности ТКЛР сплавов, входящих в состав термобиметаллического материала. Термочувствительность характеризуется изменением кривизны материала при повышении или понижении температуры на 1°К. Также для ТБМ важны предельная температура нагрева, удельное электросопротивление, прочностные и упругие свойства.  

В соответствии с физико-механическим характеристиками термобиметаллы делятся на шесть групп:

1. Со средней и низкой термочувствительностью — обладают невысоким электросопротивлением и коррозионной стойкостью, повышенной упругостью, низким или средним значением удельного изгиба (УИ).
2. С повышенной температурной чувствительностью — имеют высокое значение удельного изгиба и модуля упругости.
3. Высокочувствительные — характеризуются большой величиной УИ, повышенными показателями удельного электросопротивления.
4. С высоким удельным электрическим сопротивлением (УЭС) — отличаются низкой термочувствительностью и невысоким значением модуля упругости. Удельное электросопротивление составляет 1,3…1,5 мкОм·м.
5. С низким УЭС — представляют собой трехслойные термобиметаллические материалы с промежуточным слоем из меди или никеля.
6. ТБМ специального назначения — обладают наибольшей величиной удельного изгиба среди всех видов термобиметаллов.

Все типы термобиметаллических материалов характеризуются линейной зависимостью деформации от температуры, а также отсутствием механического гистерезиса: после прекращения температурного воздействия металл возвращается к своему исходному состоянию.

‍

Производство термобиметаллов

ТБМ выпускают в виде холоднокатаных лент и полос шириной от 10 до 250 мм с толщиной от 0,1 до 2,5 мм. Допустимые отклонения составляют от 0,015 мм (для полос толщиной 0,1-0,2 мм) до 0,12 мм (при толщине 2,0-2,5 мм) и нормируются ГОСТом 503-71. Длина полос и обрезков допускается от 200 до 1 300 мм, для рулонных материалов этот параметр не регламентируется.