碟片元件用热双金属材料国产化的研究

孙华民

摘 要：热双金属是一种应用非常广泛的复合材料，热双金属碟片主要用于温度控制和过载保护等场合，长期以来，高精度的碟片用双金属材料主要依靠进口，为了供应链安全和降低成本，本文对国产热双金属材料进行了研究，通过一致性试验和寿命试验，发现国产热双金属的质量达到或超过了进口同类产品。

关键词：热双金属;碟片;研究

中图分类号：TM503 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）02-0066-02

0 引言

热双金属是由二层或二层以上具有不同热膨胀系数的金属或合金所组成的一种复合材料，当温度变化时，其曲率半径发生相应的变化，自动地将热能转变成机械能。由于其结构简单、动作可靠、价格低廉，因此广泛应用于与各种温度有关的控制器、保护器、以及温度指示和温度补偿等装置中，由于贸易摩擦及保证供应链安全，有必要对双金属材料国产化，但热双金属材料是关键材料，国产化之前必须进行相关试验。

1 热双金属的工作原理及分类

1.1热双金属的结构及工作原理

热双金属一般由二层或二层以上的组元层构成。组元层材料可以分为主动层、被动层和中间层。其中线膨胀系数较大的组元层称为主动层，线膨胀系数较小的组元层称为被动层。中间层又称为分流层，它位于主动层与被动层之间，用来调节热双金属材料的电阻率。主动层材料一般为Ni22Cr3Fe等合金，被动层一般为FeNi36等合金。如果把它们复合在一起，当温度升高时，由于它们的膨胀系数不同，主动层在热应力作用下被压缩，被动层被拉伸，热应力产生的弯矩，使热双金属片弯曲。

1.2分类

热双金属一般按照它的使用特性，适用范围及使用条件可大致分为以下几类：

（1）通用型：这类热双金属有较大的比弯曲值和机械强度，适用于一般性用途，如SUMSION140-80，SUMSION155-78等。

（2）高温型：这类热双金属线性温度范围宽，高温强度大，抗氧化性良好，可使用在400℃以上的温度，如SUMSIONl00-70，SUMSION57-78。

（3）高敏感型：这类热双金属有最高的比弯曲值，适用于生产温度精度较高的碟片及仪表，如SUMSION208-110等。

（4）电阻型：这类热双金属通过夹入分流层组成三金属，用于系列化的热继电器和低压断路器等产品。

（5）耐腐蚀型：这类热双金属对水温气及腐蚀介质有一定抗锈能力，以及耐烟雾和氧化腐蚀。

2 热双金属的性能

2.1 热弯曲性能

热双金属的热弯曲性能有温曲率和比弯曲，它们是用来衡量热双金属温度敏感性的物理量。

2.2使用溫度范围

使用温度范围是选择热双金属时需要首先考虑的参数之一。它一般分为线性温度范围和允许使用温度范围。

（1）线性温度范围：热双金属在这个温度范围内，弯曲随温度线性变化。工程上线性温度范围的定义为：在该温度范围内，热双金属的实际挠度同用比弯曲标准值算出的挠度相比，偏离不超过5%。

（2）允许使用温度范围：温度变化所产生的应力达到热双金属材料弹性极限时的温度范围即为允许使用温度范围。

2.3电阻值

如果热双金属的动作是由于电流直接从热双金属上通过时所产生的焦耳热及复合加热，电阻率ρ便是设计时必需的参数。热双金属电阻率由下面公式计算得出：

t/ρ=t1/ p1+ t2/p2+t3/p3

式中：ρ、t—热双金属的电阻率和厚度;p1、t1—主动层的电阻率和厚度。

p2、t2—中间层的电阻率和厚度;p3、t3—被动层的电阻率和厚度。

热双金属生产厂通常采用改变中间层厚度的方法改变热双金属的电阻率，从而使电阻型热双金属系列化，以满足用户产品系列化的要求。

2.4 弹性模量

弹性模量是计算热双金属元件的推力、转矩和内应力时所需要的重要参数，金属材料的弹性模量分为拉伸和弯弹性模量，而热双金属生产厂所给的弹性模量值一般为弯曲弹性模量。为了使热双金属有足够的强度和弹性，热双金属一般经过20%～50%的变形后，以冷轧状态交货。

2.5最大负荷应力

最大负荷应力是指热双金属元件在使用时，不产生残余永久变形的最大应力值。它由三部分构成：即温度变化所产生的热应力，外加负荷所产生的机械应力和材料元件制造过程中的残余应力。机械应力和热应力值可以计算，但残余应力只能估计。因此，在使用前还需进行一些试验以保证安全。

此外，热双金属还有硬度、比热及密度等物理性能，这些性能在电器的设计中都十分重要。

3 国产与进口碟形元件用热双金属材料的比较

3.1碟形元件的工作原理及动作曲线

像KSD温控器及冰箱压缩机过热过载保护等电器控制装置中，有一个微凹入的碟形热双金属元件，我们习惯称之为碟形元件。图1表示为自由状态下碟形元件的工作过程图。其中Tm=。

ho―温度为To时，碟片中心的高度;hs―瞬动时，碟片中心的高度;To―初始温度;TOS―动作温度;TUS―回复温度。

当温度由To开始升高时，碟片的机械能也随之增加，当温度升高到临界值Tos时，碟片突然翻转。随后温度下降，当温度下降到临界值Tus时，碟片又翻回到原来的位置。 

3.2碟形元件用双金属材料B1的性能

用于生产碟片元件的热双金属材料品种繁多，但压缩机保护器常用的双金属材料只有B1（SUMSION140-80），表1为国产SUMSION140-80与美国产B1性能比较。热双金属特性参数，如表1所示。

经过比较，国产材料的特性参数与美国的基本一致。

3.3 一致性

一致性是评估材料质量好坏的一个重要指标，一致性检测在奥地利伍博公司生产的双金属片自动成型机上进行，该设备具有碟片成型、碟片温度检测、数据统计及分析功能。

图2为国产材料生产的碟片的断开温度和复位温度的折线图。图3为美国产材料生产的碟片的断开温度与复位温度散点图。

由图2和图3可知，国产材料的良品率为98.3%，美国材料的良品率为96.9%，即国产材料稍优于美国材料。

3.4 寿命

双金属碟片寿命指碟片反复动作后破裂之前动作的次数，它也是评估材料好坏的一个重复指标，表2是本次试验结果。

由表2可知，国产双金属材料生产的碟片寿命与美国材料生产的碟片一样均能满足寿命要求。

4 结论

国产双金属材料在质量上完全能满足热保护器的技术要求，加上其高的性价比和保证供应链安全，引入国产材料势在必行。

参考文献

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