碟片元件用熱雙金屬材料國產化的研究

孫華民

摘 要：熱雙金屬是一種應用非常廣泛的復合材料，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，為了供應鏈安全和降低成本，本文對國產熱雙金屬材料進行了研究，通過一致性試驗和壽命試驗，發現國產熱雙金屬的質量達到或超過了進口同類產品。

關鍵詞：熱雙金屬;碟片;研究

中圖分類號：TM503 文獻標識碼：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的金屬或合金所組成的一種復合材料，當溫度變化時，其曲率半徑發生相應的變化，自動地將熱能轉變成機械能。由于其結構簡單、動作可靠、價格低廉，因此廣泛應用于與各種溫度有關的控制器、保護器、以及溫度指示和溫度補償等裝置中，由于貿易摩擦及保證供應鏈安全，有必要對雙金屬材料國產化，但熱雙金屬材料是關鍵材料，國產化之前必須進行相關試驗。

1 熱雙金屬的工作原理及分類

1.1熱雙金屬的結構及工作原理

熱雙金屬一般由二層或二層以上的組元層構成。組元層材料可以分為主動層、被動層和中間層。其中線膨脹系數較大的組元層稱為主動層，線膨脹系數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，用來調節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。如果把它們復合在一起，當溫度升高時，由于它們的膨脹系數不同，主動層在熱應力作用下被壓縮，被動層被拉伸，熱應力產生的彎矩，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品。

（5）耐腐蝕型：這類熱雙金屬對水溫氣及腐蝕介質有一定抗銹能力，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，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，熱雙金屬的實際撓度同用比彎曲標準值算出的撓度相比，偏離不超過5%。

（2）允許使用溫度范圍：溫度變化所產生的應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生的焦耳熱及復合加熱，電阻率ρ便是設計時必需的參數。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、轉矩和內應力時所需要的重要參數，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，熱雙金屬一般經過20%～50%的變形后，以冷軋狀態交貨。

2.5最大負荷應力

最大負荷應力是指熱雙金屬元件在使用時，不產生殘余永久變形的最大應力值。它由三部分構成：即溫度變化所產生的熱應力，外加負荷所產生的機械應力和材料元件制造過程中的殘余應力。機械應力和熱應力值可以計算，但殘余應力只能估計。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計中都十分重要。

3 國產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，我們習慣稱之為碟形元件。圖1表示為自由狀態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―回復溫度。

當溫度由To開始升高時，碟片的機械能也隨之增加，當溫度升高到臨界值Tos時，碟片突然翻轉。隨后溫度下降，當溫度下降到臨界值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SUMSION140-80與美國產B1性能比較。熱雙金屬特性參數，如表1所示。

經過比較，國產材料的特性參數與美國的基本一致。

3.3 一致性

一致性是評估材料質量好壞的一個重要指標，一致性檢測在奧地利伍博公司生產的雙金屬片自動成型機上進行，該設備具有碟片成型、碟片溫度檢測、數據統計及分析功能。

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

由圖2和圖3可知，國產材料的良品率為98.3%，美國材料的良品率為96.9%，即國產材料稍優于美國材料。

3.4 壽命

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

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

4 結論

國產雙金屬材料在質量上完全能滿足熱保護器的技術要求，加上其高的性價比和保證供應鏈安全，引入國產材料勢在必行。

參考文獻

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