DE2159823A1 - Thermostatisches Mehrschichtmaterial - Google Patents

Description

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HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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. 30.11.1971

U.S.Ser.No. 100,006

Texas Instruments Incorporated, Dallas, Texas,

U.S.A.

Thermostatisches Mehrschichtmaterial

Die Erfindung bezieht sich auf ein thermostatisches Mehr Schichtmaterial mit einer ersten Außenschicht aus einem Material mit einem relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer zweiten Außenschicht aus einem Material mit einem relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die beide mindestens mittelbar fest miteinander verbunden sind und beide einen verhältnismäßig hohen Anteil an verhältnismäßig teuren Bestandteilen, insbesondere Nickel und/oder Kupfer, haben.

Viele weit verbreitete thermostatische Mehrschichtmaterialien weisen einen Bimetallaufbau auf, bei dem zwei Schichten einer metallischen Legierung in geeigneter Weise miteinander verbunden sind, wobei eine Schicht einen relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und die andere Schicht einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Durch richtige Wahl der Merkmale der Schichten kann ein Therraostatmaterial geschaffen werden, das den gewünschten spezifischen Widerstand und die gewünschten Biegemerkmale aufweist und ferner noch andere günstige Eigenschaften hat, die mit dem endgültigen Gebrauch des Mehrschichtmaterials zusammenhängen. Bei bestimmten Anwendungen ist beispielsweise ein sehr hoher spezifischer Widerstand erforderlich, und zwar von der Größenordnung von 1,04 bis 1,21 Milliohm-cm (625 bis 726 ohms circular mil per foot), während eine Flexibilität von der Größenordnung von ungefähr

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111 χ 10"⁷ bis 122 χ ΙΟ"⁷ cm je cm pro °C (200 χ 10~⁷ bis 220 χ 10~* inch per inch per degree Fahrenheit) bei einem Temperaturbereich von hundert und mehr ⁰C erwünscht ist. Um diese Merkmale zu erreichen, sind die beiden das Bimetall bildenden Schichten üblicherweise aus Materialien hergestellt, die verhältnismäßig teuer und in manchen Fällen auch schwierig zu beschaffen sind. Bei bestimmten Anwendungen kann, obgleich die vorher erwähnte spezielle Flexibilität erwünscht ist, ein erheblich niedrigerer spezifischer. Widerstand von der Größenordnung ,zwischen ungefähr 0,50 bis. 0,54 Milliohm-cm (300 bis 325 ohms circular mil per foot) befriedigend sein. Damit kann eine erhebliche Kostenersparnis dadurch eintreten, daß Teile der verhältnismäßig teueren und schwer erhältlichen

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Metallegierungen, wie sie"^aer Bildung von Bimetall-Thermostat-Material verwendet werden, durch weniger teuere Ferrolegierungen ersetzt werden, so daß nun ein Mehrschichtmaterial mit der erforderlichen Flexibilität erzielt wird und ferner auch die anderen erwünschten Eigenschaften vorhanden sind, wobei der wesentlich herabgesetzte spezifische Widerstand die Verwendbarkeit und Brauchbarkeit für bestimmte Anwendungen nicht berührt. Im Hinblick auf den erhöhten Mangel und die zugehörigen Kostenerhöhungen bei bestimmten Materialien, beispielsweise Nickel und Kupfer, wie sie in typischer Weisß als Bestandteile in vielen Thermostatmetallen verwendet werden, ergibt sich die Notwendigkeit, diese Materialien in einem denkbar möglichen Umfang durch andere, ohne weiteres verfügbare Materialien zu ersetzen, die wesentlich billiger sind, eine Entwicklung, die gerade in den letzten Jahren große Wichtigkeit erlangt hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein thermostatisches Mehrschichtmaterial zu schaffen, das die gewünschten Eigenschaf ten in Bezug auf Flexibilität, spezifischen

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Widerstand, Korrosionswiderstand, Festigkeit usw. hat und bei dem die Verwendung bestimmter Materialien auf ein Minimum herabgesetzt wird. Diese Aufgabe wird bei dem eingangs erwähnten Mehrschichtmaterial dadurch erzielt, dass zwischen den beiden Aussenschichten eine Mittelschicht aus einer Eisenlegierung angeordnet ist, die mit den beiden Aussenschichten zur Bildung eines dreischichtigen thermostatischen Materials fest verbunden ist. Damit ist ein Material geschaffen, das neben einer langen Lebensdauer in seinen Herstellungskosten billig ist. Die erste äussere Schicht einer metallischen Legierung ist vorteilhaft nach Gewicht aus einem Material mit ungefähr 71 bis 76 % Mangan, 9 bis 19 % Kupfer und 9 bis 17 % Nickel, während die zweite Aussenschicht eine metallische Legierung aus einem Material ist, das allgemein als Invar bezeichnet wird und das nach Gewicht ungefähr 35 1/2 bis 36 1/2 % Nickel und im übrigen Eisen aufr weist. Die ersten und zweiten Aussenschichten sind vorteilhaft metallurgisch mit den gegenüberliegenden Flächen der Zwischenschicht verbunden. Die verschiedenen Schichten des Mehrschichtmaterials wirken miteinander derart zusammen, dass ein äusserst wirtschaftliches Mehrschichtthermostatmaterial mit spezifischen Widerstandsmerkmalen geschaffen ist, das für verschiedene Anwendungen geeignet ist und das die erforderlichen Biegsamkeitsmerkmale aufweist. Ferner hat es einen brauchbaren Biegungstemperaturbereich, eine konstruktive Festigkeit und die Fähigkeit, auch hohen Temperaturen standzuhalten. Ein solches Material kann ohne weiteres im Vergleich zu den bisher vorhandenen Thermostatmaterialien gesetzt werden, die wesentlich teuerer sind.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält. Die Zeichnung zeigt eine perspektivische Ansicht eines thermostatischen Mehrschichtmaterials nach der Erfindung.

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In der Zeichnung ist das Streifenstück eines thermostatischen Mehrschichtmaterials als Ganzes mit 10 bezeichnet. Das Mehrschichtmaterial 10 hat eine erste Aussenschicht 12 einer vorbestimmten metallischen Legierung mit einem verhältnismässig hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, ferner eine zweite Aussenschicht 14 einer anderen metallischen Legierung mit einem relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine Zwischenschicht 16 einer vorbestimmten Ferrolegierung. Die beiden Ausschenschichten 12 und 14 sind metallurgisch, vorzugsweise in fester Phase mit den gegenüberliegenden Flächen der Zwischenschicht 16 verbunden, wobei der Verbund zwischen den verschiedenen Metallschichten sich im wesentlichen über die ganzen zusammenhängenden Flächen der Materialschichten erstreckt. Vorzugsweise sind die metallischen Schichten in fester Phase in der Weise miteinander verbunden, wie es beispielsweise in den USA-Patentschriften 2 691 815 und 2 753 623 beschrieben ist. Gegebenenfalls können jedoch auch andere Verbundverfahren für den metallurgischen Verbund der Schichten verwendet werden. Das dargestellte Mehrschicht-Thermostatmaterial 10 kann als ein integrales, einstückiges Bauteil betrachtet werden, das sich bei Temperaturänderungen entsprechend abbiegt, wie dies allgemein bekannt ist.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Aussenschicht des Mehrschichtmaterials vorzugsweise aus einer vorbestimmten metallischen Legierung, die nach Gewicht ungefähr 71 bis 76 % Mangan, 9 bis 19 % Kupfer und 9 bis 17 % Nickel enthält. Die zweite Aussenschicht 14 ist vorzugsweise aus einer zweiten vorbestimmten metallischen Legierung mit einem wesentlich niedrigeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die erste Aussenschicht 12 und besteht vorzugsweise aus einem Material, das allgemein unter der Bezeichnung Invar bekannt ist, das nach

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Gewicht ungefähr 35,5 % bis 36,5 % Nickel und im übrigen Eisen enthält. Gemäss der Erfindung ist, um Kosten zu sparen und die Verwendung von relativ teueren Materialien herabzusetzen, die Zwischenschicht 16 vorgesehen, die damit einen Teil des Volumens des Mehrschichtmaterials IO ersetzt, der sonst durch die ersten und zweiten Aussenschichten 12 und 14 eingenommen würde, wobei diese Zwischenschicht vorzugsweise aus einer ohne weiteres verfügbaren, billigen Ferro-Legierung ist. Die Verwendung von relativ teueren, schwieriger erhältlichen Materialien kann damit erheblich reduziert werden. Dabei kann eine grosse Zahl von Ferrolegierungen Verwendung finden, um diese Zwischenschicht 16 zu bilden und in ähnlicher Weise kann auch die Stärke der Zwischenschicht relativ zur Stärke des gesamten Mehrschichtmaterials sich erheblich ändern, im wesentlichen im Zusammenhang mit den gewünschten Eigenschaften, nämlich dem spezifischen Widerstand^der Flexibilität usw. des Mehrschichtmaterials, das seinerseits so gebildet wird, wie dies eine bestimmte Anwendung erfordert. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, dass verschiedene niedergekohlte Stähle, rostfreie Stähle ^usw. für die Zwischenschicht 16 geeignet sind. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Zwischenschicht aus einem niedergekohlten Stahl, der handelsüblich als SAE (Society of Automotive Engineers) Nr. 1006 bezeichnet wird. Dieser Stahl hat nach Gewicht ungefähr 0,08 % max. Kohlenstoff, 0,25 bis 0,45 % max. Mangan, 0,04 % max. Phosphor und 0,05 % max. Schwefel. Es wurde festgestellt, dass durch Verwendung eines solchen Materials die Zwischenschicht 16 in ihrer Stärke innerhalb eines Bereiches zwischen ungefähr 10 und 30% der gesamten Stärke des Mehrschichtmaterials geändert werden kann, wobei die ersten und zweiten Aussenschichten 12 und 14 aus den ersten und zweiten metallischen Legierungen, wie oben beschrieben, bestehen. Diese sind relativ zueinander im wesentlichen von gleicher Stärke und ergeben die übrige

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Stärke des Mehrschichtmaterials. Diese Ausführungsform des thermostatischen Mehrschichtmaterials kann einen spezifischen Widerstand in dem Bereich zwischen ungefähr 0,50 bis 0,54 Milliohm-cm (300 bis 325 ohms circular mil per foot) haben, während die Flexiblität des Mehrschichtmaterials zwischen ungefähr 111 χ 10"*⁷ bis 122 χ 10~⁷ cm je cm pro ° C (200 χ 10~⁷ bis 220 χ 10 inch per inch per degree Fahrenheit) schwanken kann. Das sich so ergebende MehrSchichtmaterial gemäss der Erfindung ist damit wesentlich wirtschaftlicher und ergibt eine ähnliche Flexibilität wie die üblichen Bimetallmaterialien einschliesslich Materialien, deren Bestandteile verhältnismässig selten und teuer sind. Obgleich die üblichen Bimetall-Thermostat-Materialien einen spezifischen Widerstand haben, der ungefähr zweimal so gross wie der Widerstand des Mehrschicht-Thermostat-Materials gemäss der Erfindung ist, so ist doch in vielen Fällen der verhältnismässig höhere spezifische Widerstand nicht erforderlich. Damit ist ein wesentlicher Vorteil durch beträchtliche Kosten- und Materialersparnisse vorhanden, die sich dadurch ergeben, dass die Verwendung der teueren Materialien auf ein Minimum herabgesetzt wird, d.h. Materialien für die ersten und zweiten Aussenschichten 12 und 14, die durch ein Volumenteil ersetzt sind, das sonst durch diese Materialien eingenommen wird und das nun von einer weniger teueren Ferro-Legierung, beispielsweise SAE Nr. 1006 niedergekohltem Stahl eingenommen wird. Wie bereits erwähnt, kann die Zwischenschicht 16 durch eine grosse Anzahl von Ferro-Legierungen gebildet sein, die im Vergleich zu den ersten und zweiten Aussenschichten sehr billig sind und die den spezifischen Widerstand und die Flexibilitätsmerkmale des Mehrschichtmaterials nicht so beeinflussen, dass das so gebildete Mehrschichtmaterial nun für den gewünschten Endverbrauch nicht geeignet wäre.

Gemäss einem bereits erprobten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die ersten und zweiten Aussenschichten 12 und 14

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und ferner auch die Zwischenschicht 16 aus den oben erwähnten Legierungen, wobei die Stärke der Zwischenschicht ungefähr 14,5 % der gesamten Stärke des Mehrschichtmaterials betrug. Die erste Aussenschicht hat eine Stärke von ungefähr 45,5 % der gesamten Stärke des Mehrschichtmaterials, und die zweite Aussenschicht 14 hat eine Stärke von ungefähr 40 % der gesamten Stärke des MehrSchichtmaterials. In diesem Beispiel war der spezifische Widerstand ungefähr 0,50 Milliohm-cm (300 ohms circular-mil per foot) und die Flexibilität ungefähr 118 χ 10 cm je cm pro ⁰C (206 χ 10 inch per inch per degree Fahrenheit) in einem Temperaturbereich zwischen ungefähr 10° C bis 93° C. Ein solches Material war äusserst billig im Vergleich zu den vorerwähnten üblichen Bimetallmaterialien und hatte trotzdem geeignete Merkmale für die praktische Anwendung. Es wurde ferner festgestellt, dass ein solches Material mit Erfolg in Stärken hergestellt werden kann, die zwischen ungefähr 0,076 mm und 3,175 mm schwanken, wobei die erforderliche Flexibilität und die spezifischen Widerstandsmerkmale wie oben beschrieben beibehalten wurden. In diesem Beispiel war der Wärmeausdehnungskoeffizient des ersten Materials für die erste Aussenschicht 12 wie oben beschrieben relativ hoch, vorzugsweise ungefähr 83 χ 10 cm je cm pro ⁰C (15 χ 10 inch per inch per degree Fahrenheit), während der Wärmeausdehnungskoeffizient des zweiten Materials für die zweite Aussenschicht 14 relativ niedrig war, vorzugsweise 3,9 χ 10 je cm pro ⁰C (0,7 χ 10*" inch per degree Fahrenheit) war. Damit war zwischen den Wärmeausdehnungskoeffizienten der ersten und zweiten Schichten 12 und 14 ein Unterschied von ungefähr einer Grössenordnung vorhanden, und es ergab sich ein Thermostatmaterial, das die Temperaturansprecheigenschaften hat, wie sie für eine wirkungsvolle Ablenkung und Biegung über einen verhältnismässig grossen Temperaturbereich erwünscht ist. Diese Materialien können ferner ohne weiteres miteinander durch ent-

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sprechende Walzverfahren ο.dgl. fest verbunden werden, wodurch zugleich eine genaue Steuerung der gesamten Schichtdicke des sich ergebenden MehrSchichtmaterials erfolgen kann. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass zwar das Mehrschichtmaterial· in Gesamtstärken zwischen 0,076 bis 3,175 mm als geeigneter Bereich für die meisten Thermostatanwendungen verfügbar ist, doch können auch andere Stärken ohne weiteres vorgesehen sein. Das bevorzugte thermostatische Mehrschichtmaterial, wie es oben beschrieben wurde, kann daher dadurch charakterisiert werden, dass es günstige Eigenschaften in Bezug auf FlexibäLität und spezifischen -Widerstand, leichte Bearbeitbarkeit, niedrigere Kosten und einen minimalen Anteil an relativ seltenen und/oder teueren Materialien hat.

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Claims (7)

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1. Therraostatisches Mehrschichtmaterial mit einer ersten Außenschicht aus einem Material mit einem relativ hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer zweiten Außenschicht aus einem Material mit einem relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die beide mindestens mittelbar fest miteinander verbunden sind und beide einen verhältnismäßig hohen Anteil an verhältnismäßig teuren Bestandteilen, insbesondere Nickel und/oder Kupfer, haben, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Außenschich-

' ten (12, 14) eine Mittelschicht (16) aus einer Eisenlegierung angeordnet ist, die mit den beiden Außenschichten (12, 14) zur Bildung eines dreischichtigen thermostatischen Materials (10) fest verbunden ist.

2. MehrSchichtmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien der drei Schichten (12, 14, 16) und ihre Stärken so gewählt sind, daß der spezifische Widerstand ungefähr 0,50 bis 0,54 Milliohm-cm (300 bis 325

ohms circular-mil per foot) und die Flexibilität ungefähr 111 χ 10~⁷ bis 122 χ 10~⁷ cm je cm pro ° C

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(.200 χ 10- bis 220 χ 10 inch per inch per degree Fahrenheit) beträgt.

3. Mehschichtmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stärkeanteil der Zwischenschicht (16) 10 - 30 % der Gesamtdicke beträgt.

4. MehrSchichtmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Bezug auf die Gesamtdicke die Stärke der Zwischenschicht (16) ungefähr 14,5 %, die Stärke der ersten Außenschicht (12) ungefähr 45,5 % und die Stärke der zweiten Außenschicht (14) ungefähr 40,0 % beträgt.

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5. Mehrschichtmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (12, 14, 16)

in fester Phase miteinander verbunden sind.

6. Mehrschichtmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Außenschicht (12)
nach Gewicht 71 bis 76 % Mangan, 9 - 19 % Kupfer und

9 bis 17 % Nickel und ferner die zweite Außenschicht (14)
nach Gewicht ungefähr 35,5 bis 36,5 % Nickel und im übrigen Eisen enthält.

7. Mehrschichtmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die . Zwischenschicht (16) nach
Gewicht 0,8 % Kohlenstoff max., 0,25 bis 0,40 % Mangan,
0,040 % Phosphor max., 0,050 % Schwefel max. und im übrigen Eisen enthält.

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