DE1110193B - Bimetal element - Google Patents
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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.Bimetallic element The invention relates to a bimetallic element, the opposite Oxidation and high temperatures is resistant and made up of two surfaces with each other connected lamellae consists of iron alloys, one of which is a high one and the other has a low coefficient of thermal expansion.
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. There are already numerous embodiments of bimetallic sheet or -spring elements became known. These bimetal sheets or springs consist of two lamellas or strips that are firmly connected to one another over a large area and have different coefficients of thermal expansion, so that the bimetallic sheet or the bimetal spring bends or bends when the temperature changes.
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. The size of the bend or curvature of a bimetal sheet depends on its sensitivity, which is given by the relationship V = 3/2 (a2-a1), in the V the Villarceau coefficient, a2 and a1 the expansion coefficient of the Bimetal components with the large and small dimension mean.
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. Due to the bimetal effect, the bimetal element can be deformed achieve and exert a force when temperature changes of the element occur; These effects are used, among other things, in display, control, safety or protection devices exploited.
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. The technical requirements lead to increasingly higher demands to such bimetallic elements and thus pose new tasks. One demands today of bimetal elements that they are used at relatively high temperatures can; a displacement proportional to the temperature changes in the entire area of the working temperatures (in this case the characteristic curve of the »deflection« a straight line as a function of temperature); withstand corrosive atmosphere can; allow the manufacture of different parts or shapes, d. H. one have sufficient deformability, in particular are bendable or foldable, and retain sufficient mechanical strength despite such deformations; as well as are stable and stable in both physical and chemical terms.
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. In the case of the known bimetal elements, the temperature working range is generally due to upper limit temperatures of the order of 400 limited to 5000 C; from the known elements do not satisfy all of the above-mentioned requirements. The present invention solves the problem of creating a bimetal element that the range of use of the bimetallic elements expanded in the sense of the requirements mentioned.
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. One must be aware of the fact that knowing the properties two alloys, which should together form a bimetal element, alone not is sufficient to the quality or behavior of one of these alloys to assess the manufactured bimetal element. To ensure that it works properly To achieve the bimetallic element, it is essential that the between the two lamellae of the bimetallic element which are connected to one another at high temperature forming connecting or transition zone, the composition of which is a mixture of the Material of the lamellas represents both mechanical and expansion properties that meet expectations or requirements.
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. So it initially appears possible to use a bimetallic element that can be used well to be obtained if one uses iron or as a material with a low coefficient of expansion soft steel is used and a well-known iron alloy as a material with high thermal expansion used with 18o Cr and 80 / oNi. However, this combination does not work because when welding of these two materials between the ferritic and the austenitic material a martensitic intermediate or transition layer which is unstable and brittle. Only through tests and trials could be found that this disadvantage in the bimetal element that the object of the present invention can be avoided.
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. The bimetal element according to the invention is resistant to oxidation and high temperatures; it also has a deflection proportional to the temperature. The element can be used up to temperatures of 650 ° C; it consists of one Iron alloy containing mainly chromium and copper with a low coefficient of thermal expansion, containing 18 to 25 0 / G Cr and 0.3 to 2.5 ° Cu and with another alloy high thermal expansion, consisting essentially of iron, nickel and chromium and contains 40 to 50 ° / e Ni and 17 to 289 / Cr. In addition, the alloy. whose thermal expansion is small, a maximum of 0.80 / o C, 1 <) / o Si, 1% Ni and 1.50 / o Mn and the alloy with a high expansion coefficient maximum 0.50 / o C, 1, SOloMn and contain 0.5 to 3% Si.
In beiden Legierungen können weiterhin die üblichen Mengen von Verunreinigungen enthalten sein. Both alloys can still contain the usual amounts of impurities be included.
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. In the drawing there are some diagrams that explain the invention in more detail shown; Fig. 1 shows the thermal expansion of the two alloys described, 2 shows the change in the deflection or curvature of one of the two mentioned Alloys produced bimetal element as a function of the plotted on the abscissa Temperature; the deflection shown is the deflection in mm at the free end of a bimetallic spring clamped on one side, 100 mm long and 1 mm thick.
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. The bimetal element according to the present invention fulfills all of them The strict requirements compiled above: The deflections are in all Temperatures up to 650 C proportional to the temperature.
Das Bimetallelement hat die folgenden physikalisch-mechanischen Eigenschaften. The bimetal element has the following physical-mechanical properties.
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.Sensitivity: Villarceau coefficient V = 7.10-6 (which corresponds to a specific Deflection of 0.035 corresponds) Electrical resistance: Approximate, 85 S. cm2 / cm modulus of elasticity: at 205 ° C 19500 19 500 kg / mm2 at 1005 ° C. 19,000 kg / mm2 at 200 C .. .... 18400 kg / mm2 at 300 C ........... 17 800 kg / mm2 at 400 ° C ...... 17 100 kg / mm2 at 500 C ... ..... 16 500 kg / mm2 at 6000 C .... 12 100 kg / mm2 Mechanical Properties: After annealing for 1.2 hours at 6500 C and cooling in the air, elastic limit . 73 kg / mmo tensile strength. ..... 85 kg / mm elongation at break. ...... 9 Oio To Annealing for 1/2 hour at 7000 C and cooling in the air elastic limit. 60 kg / mm2 tensile strength. ..... 75 kg / mm2 elongation at break. 14 ° / o permissible exposure of the bimetal element annealed at 6500 C for 1/2 hour at ambient temperature for about 25 kg / mm2 at 3000. . about 10 kg / mm 'at 5000 ° C. about 1.5 kg / mm2 at 6000 C. about 0.7 kg / mm2 So you can determine the temperature working range of the bimetal element expand up to a temperature of 6500 C if the bimetal element does not have any forces must exercise; the element can be used up to 6000 C if it is noticeable mechanical Should exert forces.
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. In practice, various bimetal elements have been used so far, whose highest working temperature is given as 5000 C; these elements will be however, never used up to this temperature because of the expansion of certain alloys with low thermal expansion (which are used in such elements), such as. B. the expansion of the iron-nickel alloy known as "Invar" with 3601a Ni, increases very sharply above the Curie point, so that above this temperature point the sensitivity drops so far that the bimetal element is practically no longer is usable.
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. When the bimetal element according to the present invention Sensitivity or the Villarceau coefficient is also only relatively small, so this new element has one especially in the higher temperature range very favorable deflection, since its sensitivity is up to the upper limit of the working range (600 to 6500 C) constant, i.e. H. its deflection perfectly proportional to the temperature, remain.
Die Werkstoffe, aus denen das neue Bimetallelement besteht, sind wärmefeste Legierungen, die gegen Oxydation und schwefelhaltige Atmosphäre beständig sind. The materials that make up the new bimetal element are heat-resistant alloys that are resistant to oxidation and sulphurous atmospheres are.
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. After annealing for at least half an hour at 650 or 7000 C, the materials are physically and chemically completely stabilized and the mechanical properties of the element are as good as or better than the properties of the bimetal elements after heat treatment in the absence of air be used at low temperatures. In particular, the ductility is sufficient, to bimetallic sheets or springs in a desired, also quite complex way deform without surface cracks or cracks.
Die geschilderten Eigenschaften des erfindungsgemäßen Bimetallelementes erweisen sich in bestimmten Verwendungsfällen als besonders wertvoll. The described properties of the bimetal element according to the invention prove to be particularly valuable in certain applications.
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. One such example of use is production mentioned by curved bimetal discs in the form of spherical caps, which suddenly move turn upside down or "turn over" when their temperature is relatively high and certain Value reached. It is known that with such curved disks the movement of the vertex of the spherical cap compared to its starting position after one with hysteresis connected cycle is done like it illustrates the example in Figure 3; 3 shows the movement of the apex of a bimetallic spherical cap as a function of temperature in millimeters again. If the type of bimetal element, the thickness and the diameter of the disc are selected, it is sufficient to adjust the depth of the curvature in such a way that that the tension equilibrium in the two interconnected metal lamellas or the sudden turning of the spherical cap when heating or cooling each is at the desired temperatures. Using known bimetal sheets it is not possible to produce disc-like, curved parts that only start with a relatively high temperature and a sufficient temperature gap between the respective »transition temperatures« during heating and cooling, because their range of use is limited to temperatures of the order of 5000 C. is the internal stress caused by a simple tempering at relatively low temperatures can not be eliminated, their high sensitivity an excessive deformation depth conditional.
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. The bimetal element according to the invention that is subjected to annealing is free from these disadvantages. Its opposite the well-known bimetal elements low Villarceau coefficient becomes an advantageous property here.
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. Another example that the bimetal element according to the invention A significant technical advantage is the regulation of gas appliances of any kind in which the bimetal elements are exposed to the direct action of a flame are exposed, which usually leads to the rapid destruction of the elements.
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. If you want to manufacture the new bimetallic elements with the said Properties can also use all alloys, their compositions lie within the specified limits, it proves to be advantageous to choose the following compositions: For the iron alloy with a small expansion coefficient 20 to 250/6 Cr and 0.3 to 20/0 Cu, for the iron alloy with a high expansion coefficient 43 to 48 ovo Ni and 20 to 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:
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DES65918A Pending DE1110193B (en) | 1958-12-04 | 1959-11-20 | Bimetal element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE1110193B (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2613954A1 (en) * | 1976-04-01 | 1977-10-13 | Rau Fa G | THERMOBIMETAL WITH HIGH APPLICATION LIMITS AS WELL AS MANUFACTURING PROCESS FOR IT |
| DE3017044A1 (en) * | 1980-05-03 | 1981-11-12 | G. Rau GmbH & Co, 7530 Pforzheim | THERMAL BIMETAL WITH A HIGH APPLICATION LIMIT AND PRODUCTION METHOD |
-
1959
- 1959-11-20 DE DES65918A patent/DE1110193B/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2613954A1 (en) * | 1976-04-01 | 1977-10-13 | Rau Fa G | THERMOBIMETAL WITH HIGH APPLICATION LIMITS AS WELL AS MANUFACTURING PROCESS FOR IT |
| DE3017044A1 (en) * | 1980-05-03 | 1981-11-12 | G. Rau GmbH & Co, 7530 Pforzheim | THERMAL BIMETAL WITH A HIGH APPLICATION LIMIT AND PRODUCTION METHOD |
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