DE1110193B

DE1110193B - Bimetallelement

Info

Publication number: DE1110193B
Application number: DES65918A
Authority: DE
Inventors: Andre Gaston Cherreau; Andre Rene Michel Girard; Guy Lucien Robert Maingault
Original assignee: Societe Metallurgique dImphy SA
Current assignee: Societe Metallurgique dImphy SA
Priority date: 1958-12-04
Filing date: 1959-11-20
Publication date: 1961-07-06

Description

Bimetallelement Die Erfindung betrifft ein Bimetallelement, das gegenüber Oxydation und hohen Temperaturen beständig ist und aus zwei flächenhaft miteinander verbundenen Lamellen von Eisenlegierungen besteht, von denen die eine einen hohen und die andere einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist.
Es sind bereits zahlreiche Ausführungsformen von Bimetallblech- oder -federelementen bekanntgeworden. Diese Bimetallbleche oder -federn bestehen aus zwei Lamellen oder Streifen, die flächenhaft fest miteinander verbunden sind und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, so daß sich das Bimetallblech bzw. die Bimetallfeder bei Temperaturänderungen biegt oder krümmt.
Die Größe der Biegung oder Krümmung eines Bimetallbleches hängt von seiner Empfindlichkeit ab, die durch die Beziehung V = 3/2 (a2-a1) gegeben ist, in der V den Villarceau-Koeffizienten, a2 und a1 die Ausdehnungskoeffizienten der Bimetallbestandteile mit der großen und der kleinen Ausdehnung bedeuten.
Auf Grund des Bimetalleffektes kann man eine Verformung des Bimetallelementes erzielen und eine Kraft ausüben, wenn Temperaturänderungen des Elementes auftreten; diese Wirkungen werden unter anderem in Anzeige-, Regel-, Sicherheits- oder Schutzeinrichtungen ausgenutzt.
Die technischen Bedürfnisse führen zu zunehmend höheren Ansprüchen an derartige Bimetallelemente und stellen damit neue Aufgaben. Man verlangt heute von Bimetallelementen, daß sie bei verhältnismäßig hohen Temperaturen benutzt werden können; eine den Temperaturänderungen proportionale Auslenkung in dem gesamten Bereich der Arbeitstemperaturen haben (in diesem Fall ist die Kennlinie der »Auslenkung« als Funktion der Temperatur eine Gerade); korrodierend wirkender Atmosphäre widerstehen können; die Herstellung unterschiedlicher Teile oder Formen gestatten, d. h. eine ausreichende Verformbarkeit besitzen, insbesondere bieg- oder faltbar sind, und trotz derartiger Verformungen eine genügende mechanische Festigkeit behalten; sowohl in physikalischer als auch in chemischer Hinsicht stabil und beständig sind.
Bei den bekannten Bimetallelementen ist im allgemeinen der Temperatur-Arbeitsbereich durch obere Grenztemperaturen in der Größenordnung von 400 bis 5000 C begrenzt; von den bekannten Elementen genügt keines sämtlichen vorstehend erwähnten Forderungen. Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, ein Bimetallelement zu schaffen, das den Verwendungsbereich der Bimetallelemente im Sinne der genannten Forderungen erweitert.
Man muß sich darüber klar sein, daß die Kenntnis der Eigenschaften zweier Legierungen, die zusammen ein Bimetallelement bilden sollen, allein nicht ausreichend ist, um die Qualität oder das Verhalten eines aus diesen Legierungen hergestellten Bimetallelementes zu beurteilen. Um eine einwandfreie Wirkungsweise des Bimetallelementes zu erzielen, ist unbedingt notwendig, daß die sich zwischen den bei hoher Temperatur miteinander verbundenen beiden Lamellen des Bimetallelementes bildende Verbindungs- oder Übergangszone, deren Zusammensetzung eine Mischung des Materials der Lamellen darstellt, sowohl mechanische als auch Ausdehnungseigenschaften hat, die den Erwartungen oder Anforderungen entsprechen.
So erscheint es zunächst möglich, ein gut verwendbares Bimetallelement zu erhalten, wenn man als Material mit geringem Ausdehnungskoeffizienten Eisen oder weichen Stahl benutzt und als Material großer Wärmedehnung eine bekannte Eisenlegierung mit 18o Cr und 80/oNi verwendet. Diese Zusammenstellung bewährt sich jedoch nicht, da beim Verschweißen dieser beiden Werkstoffe zwischen dem ferritischen und dem austenitischen Material eine martensitische Zwischen- oder Obergangsschicht gebildet wird, die unstabil und brüchig ist. Nur durch Prüfungen und Versuche konnte gefunden werden, daß dieser Nachteil bei dem Bimetallelement, das den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, vermieden werden kann.
Das erfindungsgemäße Bimetallelement ist beständig gegenüber Oxydation und hohen Temperaturen; es hat überdies eine der Temperatur proportionale Auslenkung. Das Element ist bis zu Temperaturen von 650° C verwendbar; es besteht aus einer im wesentlichen Chrom und Kupfer enthaltenden Eisenlegierung mit kleinem Wärmeausdehnungskoeffizienten, die 18 bis 25 0/G Cr und 0,3 bis 2,5o Cu enthält und mit einer anderen Legierung hoher Wärmeausdehnung verbunden ist, die im wesentlichen aus Eisen, Nickel und Chrom besteht und 40 bis 50°/e Ni sowie 17 bis 289/ Cr enthält. Außerdem kann die Legierung. deren Wärmeausdehnung klein ist, maximal 0,80/o C, 1<)/o Si, 1 °/o Ni sowie 1,50/o Mn und die Legierung mit hohem Ausdehnungskoeffizienten maximal 0,50/o C, 1,SOloMn und 0,5 bis 3% Si enthalten.
In beiden Legierungen können weiterhin die üblichen Mengen von Verunreinigungen enthalten sein.
In der Zeichnung sind einige die Erfindung näher erläuternde Schaubilder dargestellt; es zeigt Fig. 1 die Temperaturdehnung der beidenbeschriebenen Legierungen, Fig. 2 die Änderung der Auslenkung bzw. Krümmung eines aus den beiden genannten Legierungen hergestellten Bimetallelementes als Funktion der auf der Abszisse aufgetragenen Temperatur; die dargestellte Auslenkung ist der Ausschlag in mm am freien Ende einer einseitig eingespannten Bimetallfeder von 100 mm Länge und 1 mm Stärke.
Das Bimetallelement gemäß der vorliegenden Erfindung erfüllt alle vorstehend zusammengestellten strengen Forderungen: Die Auslenkungen sind bei sämtlichen Temperaturen bis zu 650 C proportional zur Temperatur.
Das Bimetallelement hat die folgenden physikalisch-mechanischen Eigenschaften.
Empfindlichkeit: Villarceau-Koeffizient V = 7.10-6 (was einer spezifischen Auslenkung von 0,035 entspricht) Elektrischer Widerstand: Annäherungsweise, 85 S cm2/cm Elastizitätsmodul: bei 205C 19500 19 500 kg/mm2 bei 1005 C . 19 000 kg/mm2 bei 200 C .. .... 18400 kg/mm2 bei 300 C ........... 17 800 kg/mm2 bei 400° C ...... 17 100 kg/mm2 bei 500 C ... ..... 16 500 kg/mm2 bei 6000 C .... 12100 kg/mm2 Mechanische Eigenschaften: Nach l!2stündigem Glühen bei 6500 C und Abkühlen an der Luft Elastizitätsgrenze . 73 kg/mmo Zerreißfestigkeit . ..... 85 kg/mme Bruchdehnung . ...... 9 Oio Nach l/2stündigem Glühen bei 7000 C und Abkühlung an der Luft Elastizitätsgrenze . 60 kg/mm2 Zerreißfestigkeit . ..... 75 kg/mm2 Bruchdehnung . 14 °/o Zulässige Beanspruchung des 1/2 Stunde bei 6500 C geglühten Bimetallelementes bei Umgebungstemperatur etwa 25 kg/mm2 bei 3000 . . etwa 10 kg/mm' bei 5000 C . etwa 1,5 kg/mm2 bei 6000 C . etwa 0,7 kg/mm2 Man kann also den Temperatur-Arbeitsbereich des Bimetallelementes bis zu einer Temperatur von 6500 C ausdehnen, wenn das Bimetallelement keine Kräfte ausüben muß; das Element läßt sich bis zu 6000 C benutzen, wenn es merkbare mechanische Kräfte ausüben soll.
In der Praxis wurden bisher verschiedene Bimetallelemente verwendet, deren höchste Arbeitstemperatur mit 5000 C angegeben ist; diese Elemente werden jedoch niemals bis zu dieser Temperatur benutzt, da die Ausdehnung bestimmter Legierungen mit geringer Wärmedehnung (die bei solchen Elementen Verwendung finden), wie z. B. die Ausdehnung der als »Invar« bekannten Eisen-Nickel-Legierung mit 3601a Ni, sich oberhalb des Curiepunktes sehr stark erhöht, so daß oberhalb dieses Temperaturpunktes die Empfindlichkeit so weit absinkt, daß das Bimetallelement praktisch nicht mehr verwendbar ist.
Wenn bei dem Bimetallelement gemäß der vorliegenden Erfindung die Empfindlichkeit oder der Villarceau-Koeffizient auch nur verhältnismäßig klein ist, so hat dieses neue Element doch eine vor allem in dem höheren Temperaturbereich sehr günstige Auslenkung, da seine Empfindlichkeit bis zur oberen Grenze des Arbeitsbereiches (600 bis 6500 C) konstant, d. h. seine Auslenkung einwandfrei proportional zur Temperatur, bleibt.
Die Werkstoffe, aus denen das neue Bimetallelement besteht, sind wärmefeste Legierungen, die gegen Oxydation und schwefelhaltige Atmosphäre beständig sind.
Nach dem Ausglühen während wenigstens einer halben Stunde bei 650 oder 7000 C sind die Werkstoffe physikalisch-chemisch vollkommen stabilisiert und die mechanischen Eigenschaften des Elementes sind genauso gut wie oder besser als die Eigenschaften der Bimetallelemente, die nach einer Wärmebehandlung unter Luftabschluß bei niedrigen Temperaturen verwendet werden. Insbesondere ist die Dehnbarkeit ausreichend, um Bimetallbleche oder -federn in gewünschter, auch recht verwickelter Weise zu verformen, ohne das Oberflächensprünge oder -risse auftreten.
Die geschilderten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Bimetallelementes erweisen sich in bestimmten Verwendungsfällen als besonders wertvoll.
Als ein derartiges Verwendungsbeispiel sei zunächst die Herstellung von gewölbten Bimetallscheiben in Form von Kugelkalotten erwähnt, die sich plötzlich umstülpen oder »umschlagen«, wenn ihre Temperatur einen verhältnismäßig hohen, bestimmten Wert erreicht. Es ist bekannt, daß bei derartigen gewölbten Scheiben die Bewegung des Scheitels der Kugelkalotte gegenüber seiner Ausgangslage nach einem mit Hysteresis verbundenen Zyklus erfolgt, wie es das Beispiel in Fig. 3 veranschaulicht; die Fig. 3 gibt als Funktion der Temperatur die Bewegung des Scheitels einer Bimetallkugelkalotte in Millimeter wieder. Wenn die Art des Bimetallelementes, die Dicke und der Durchmesser der Scheibe gewählt sind, genügt es, die Tiefe der Wölbung derart einzustellen, daß das Spannungsgleichgewicht in den beiden miteinander verbundenen Metallamellen bzw. das plötzliche Umschlagen der Kugelkalotte beim Erwärmen oder beim Abkühlen jeweils bei den gewünschten Temperaturen liegt. Unter Verwendung bekannter Bimetallbleche ist es nicht möglich, scheibenartige, gewölbte Teile herzustellen, die erst bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur umschlagen und einen genügenden Temperaturabstand zwischen den jeweiligen »Umschlagtemperaturen« beim Erwärmen und beim Abkühlen aufweisen, weil ihr Verwendungsbereich auf Temperaturen in der Größenordnung von 5000 C begrenzt ist, die inneren Spannungen durch ein einfaches Anlassen bei relativ niedrigen Temperaturen nicht beseitigt werden können, ihre hohe Empfindlichkeit eine zu große Verformungstiefe bedingt.
Das erfindungsgemäße Bimetallelement, das einer Ausglühung unterworfen werden kann, ist von diesen Nachteilen frei. Sein gegenüber den bekannten Bimetallelementen geringer Villarceau-Koeffizient wird hier zu einer vorteilhaften Eigenschaft.
Ein anderes Beispiel dafür, daß das erfindungsgemäße Bimetallelement einen erheblichen technischen Vorteil erbringt, ist die Regelung von Gasgeräten jeder Art, bei denen die Bimetallelemente der unmittelbaren Einwirkung einer Flamme ausgesetzt sind, die meist zur raschen Zerstörung der Elemente führt.
Wenn man zum Herstellen der neuen Bimetallelemente mit den genannten Eigenschaften auch sämtliche Legierungen verwenden kann, deren Zusammensetzungen innerhalb der angegebenen Grenzen liegen, so erweist es sich doch als vorteilhaft, die folgenden Zusammensetzungen zu wählen: Für die Eisenlegierung mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten 20 bis 250/6 Cr und 0,3 bis 20/0 Cu, für die Eisenlegierung mit hohem Ausdehnungskoeffizienten 43 bis 48 ovo Ni und 20 bis 260/6 Cr.
Innerhalb dieser Grenzen sind die folgenden Ausführungsbeispiele besonders günstig, in denen I jeweils die Legierung mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten und II die Legierung mit hohem Ausdehnungskoeffizienten bezeichnen:

C Si Mn Ni Cr Cu

% % % % % %

Beispiel 1

1 ...0,25 0,40 0 40 Z 0,40 21,5 1,2

II ... #0?10 2 1,2 46,5 23

Beispiel 2

I ... 0,101 0,20 0,30 l /0,401 25 0,4

II... #0,10 1,7 0,8 46 21

Bei diesen Versuchs ausführungen wurden die Bimetallelemente während wenigstens einer halben Stunde bei einer Temperatur zwischen 650 bis 7000 C geglüht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Bimetallelement, das gegenüber Oxydation und hohen Temperaturen beständig ist und aus zwei flächenhaft miteinander verbundenen Lamellen von Eisenlegierungen besteht, von denen die eine einen hohen und die andere einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der Lamelle mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten 18 bis 25 °/o Chrom und 0,3 bis 2,5°/e Kupfer und die der Lamelle mit hohem Ausdehnungskoeffizienten 40 bis 500/6 Nickel und 17 bis 280/0 Chrom enthält.
2. Bimetallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der Lamelle mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten maximal 0,8 °/o Kohlenstoff, 10/o Silicium, 10/(h Nickel und 1,50/0 Mangan enthält.
3. Bimetallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der Lamelle mit hohem Ausdehnungskoeffizienten maximal 0,50/0 Kohlenstoff, 1,50/0 Mangan und 0,5 bis 3 0/o Silicium enthält.
4. Bimetallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens t/2 Stunde lang einer Glühbehandlung bei 650 bis 7000 C unterworfen ist.
5. Bimetallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der Lamelle mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten 20 bis 25°/o Chrom und 0,3 bis 20/6 Kupfer und die der Lamelle mit hohem Ausdehnungskoeffizienten 43 bis 480/0 Nickel und 20 bis 260/0 Chrom enthält.
6. Bimetallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der Lamelle mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten 0,250/0 Kohlenstoff, 0,400/0 Silicium, 0,400/0 Mangan, maximal 0,400/0 Nickel, 21,5% Chrom und 1,2 ovo Kupfer, die Legierung der Lamelle mit hohem Ausdehnungskoeffizienten maximal 0,10% Kohlenstoff, 20/6 Silicium, 1,20/0 Mangan, 46,50/0 Nickel und 23 0/o Chrom enthält, und daß das Element während wenigstens einer halben Stunde bei einer Temperatur von 650 bis 7000 C geglüht ist.
7. Bimetallelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung der Lamelle mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten 0,100/o Kohlenstoff, 0,200/6 Silicium, 0,300/0 Mangan, maximal 0,400/0 Nickel, 250/0 Chrom und 0,40/0 Kupfer, die der Lamelle mit hohem Ausdehnungskoeffizienten maximal 0,100/o Kohlenstoff, 1,70/6 Silicium, 0,80/0 Mangan, 460/0 Nickel und 210/6 Chrom enthält und daß das Element während wenigstens einer halben Stunde bei einer Temperatur von 650 bis 7000 C geglüht ist.