Сортамент и свойства термобиметаллов

Сортамент и свойства термобиметаллов.

Химический состав и свойства сплавов-составляющих

Характеристики термобиметаллов определяются физико-механическими свойствами составляющих компонентов и соотношением их толщин. Составляющие должны иметь резко отличающиеся ТКЛР, стабильность фазового состава сплавов в процессе деформации, при рабочих температурах, при длительном хранении, а также возможно близкие механические свойства. В зависимости от назначения и требований к их изготовлению и обработке для составляющих термобиметаллов используются различные материалы (табл. 232).

Химический состав сплавов-составляющих термобиметаллов, %

Наиболее полно удовлетворяют всем этим требованиям сплавы системы Fe—Ni с различными легирующими добавками.

Для пассивной составляющей в настоящее время используется в основном сплав 36Н (инвар), ТКЛР которого при 0°С равен 1·10–6 1/°С. Однако при нагреве выше точки Кюри аномалия инвара исчезает, и для работы термобиметалла при температурах выше 200°С используют сплавы с 42 или 50% Ni, имеющие более высокую точку магнитного превращения.

Для активной составляющей применяют сплавы Fe—Ni—Сr, латуни, а также сплав на основе марганца, стабилизированный присадками никеля и меди (табл. 233).

Физико-механические свойства сплавов составляющих термобиметаллов

Основные физико-механические свойства термобиметаллов

Важнейшими характеристиками термобиметаллов являются чувствительность, удельное электросопротивление, рекомендуемая и предельная температура службы, теплопроводность, прочностные и упругие свойства.

Чувствительность — основное свойство термобиметалла, характеризующее его деформацию в зависимости от изменения температуры. Она определяется величиной удельного изгиба (А) или коэффициентом чувствительности (М) и обусловлена в основном разностью ТКЛР активного и пассивного слоев.

Удельный изгиб устанавливает связь между степенью нагрева образца и его деформацией (стрелой прогиба). Исходя из теории упругости, перемещение свободного конца консольно-зажатой пластины термобиметалла выражается формулой

Перемещение свободного конца консольно-зажатой пластины термобиметалла

Постоянная А называется удельным изгибом и характеризует перемещение свободного конца пластины термобиметалла длиной 100 мм и толщиной 1 мм при нагреве на 1°С. Как видно из формулы (8):

Sortament termobimetallov 4

При различных толщинах и величинах модулей упругости составляющих термобиметалла выражение (8) принимает вид:

Sortament termobimetallov 5

Причем чувствительность термобиметалла будет максимальной при соблюдении условия

Sortament termobimetallov 6

Коэффициент чувствительности устанавливает связь между степенью нагрева и углом раскрутки спирального образца. Максимальная чувствительность, соответствующая оптимальному соотношению толщин активного и пассивного слоев, может быть выражена:

Sortament termobimetallov 7

Из расчета момента вращения биметаллической архимедовой спирали можно определить угол раскрутки спирали по уравнению

Sortament termobimetallov 8

Коэффициент чувствительности выражается формулой

Sortament termobimetallov 9

Из уравнений (13) и (14) видно, что

Sortament termobimetallov 10

Коэффициент чувствительности и удельный изгиб связаны соотношением

Sortament termobimetallov 11

Однако на практике это равенство точно не соблюдается и расхождение экспериментальных данных с теоретическими может достигать 10% из-за внутренних напряжений в термобиметаллах. Чувствительность термобиметалла может изменяться в различных температурных интервалах и ее величину обычно указывают для определенного диапазона температур.

Рекомендуемый температурный интервал службы представляет собой в большинстве случаев интервал наибольшей термоактивности и его устанавливают, исходя из кривой температура–деформация термобиметалла.

Предельная температура нагрева — максимальная температура, кратковременный нагрев до которой с последующим охлаждением не приводит к заметной остаточной деформации. Для некоторых марок термобиметаллов верхний предел рекомендуемого температурного интервала службы совпадает с предельной температурой нагрева (при длительной эксплуатации могут возникнуть остаточные деформации).

Удельное электросопротивление термобиметалла с учетом заданного соотношения слоев определяется по формуле

Удельное электросопротивление термобиметалла

где K = h1/h2.

В практике используют обычно соотношение

Sortament termobimetallov 13

Электросопротивление термобиметалла почти линейно зависит от температуры:

Электросопротивление термобиметалла

Прочностные и упругие свойства термобиметаллов достигаются нагартовкой при холодной прокатке, так как почти все используемые для их изготовления марки сплавов не упрочняются в результате фазовых превращений. Обычно степень деформации (нагартовки) термобиметаллов составляет 40—60%. Для большинства термобиметаллов:

Sortament termobimetallov 15

Благодаря высоким упругим свойствам термобиметаллы в рабочем интервале температур сохраняют линейную зависимость деформации от температуры при отсутствии механического гистерезиса и имеют модуль упругости в пределах 12000—18000 кгс/мм2.

По уровню основных свойств термобиметаллы условно делятся на пять групп (табл. 234).

Условная характеристика основных свойств термобиметаллов (ГОСТ 10533—63)

В соответствии с этой классификацией марки термобиметаллов, выпускаемые по ГОСТ 10533—63, обозначаются следующим образом: условный индекс ТБ и четырехзначное число, первые две цифры в котором соответствуют величине удельного изгиба, умноженного на 100, третья указывает номер группы — уровня удельного электросопротивления, последняя цифра указывает номер группы, определяющей максимальное значение рекомендуемой температуры службы. Например, для термобиметалла марки ТБ 1423 две первые цифры указывают номинальную величину удельного изгиба, умноженную на 100 (0,14х100=14), третья цифра — номинальная величина удельного электросопротивления, приблизительно равная 0,81 Ом·мм2/м, находится в пределах группы 2 (см. табл. 234), четвертая цифра означает, что максимальная температура, согласно рекомендуемому интервалу службы (от –50 до +200°С), находится в пределах группы 3 (см. табл. 234).

Все марки термобиметаллов, выпускаемые по ГОСТ 10533—63, имеют также условные обозначения одно-двузначными цифрами. Эти обозначения соответствуют принятой ранее маркировке. Например, термобиметалл марки ТБ 1423 ранее обозначался ТБЗ. Эта маркировка для термобиметаллов указывается в скобках.

Марки термобиметаллов, выпускаемые по техническим условиям, не классифицируются в соответствии с табл. 234, и обозначения их не отражают уровня их характеристик.

Существующие термобиметаллы (до 20 марок) охватывают широкий диапазон значений физико-механических свойств (табл. 235 и 236 рис. 430—432).

Нормируемые свойства термобиметаллов

Дополнительные характеристики термобиметаллов

Дополнительные характеристики термобиметаллов

Дополнительные характеристики термобиметаллов

Дополнительные характеристики термобиметаллов

Зависимость чувствительности термобиметаллов от температуры

Зависимость чувствительности термобиметаллов от температуры

Изгиб термобиметаллов в зависимости от температуры

Удельное электросопротивление термобиметаллов в зависимости от температуры

Сортамент

Термобиметаллы выпускаются в виде холоднокатаных лент и полос толщиной от 0,1 до 2,5 мм. Длина лент, поставляемых в рулонах, не нормируется; длины отрезков и полос могут быть от 200 до 1300 мм.

Толщина лент соответствует ГОСТ 503—71 с допусками по повышенному классу точности (табл. 237).

Толщина и допуски по толщине полос термобиметаллов, мм

Ширина лент и полос обычно находится в пределах от 10 до 250 мм с допускаемыми отклонениями для обрезной ленты ±0,5 мм, для полос ±1,0 мм. Продольная кривизна лент и полос допускается только односторонней с радиусом кривизны не менее 250 мм для толщины 0,4 мм и выше и не менее 200 мм для толщины 0,2—0,4 мм.

Радиус поперечной кривизны ленты и полосы должен быть не менее 200 мм для толщины 0,4 мм и выше и не менее 150 мм для толщины 0,2—0,4 мм.

Для лент толщиной менее 0,2 мм продольная и поперечная кривизна не нормируется.

Стабилизирующая термическая обработка

Термобиметаллы поставляются в нагартованном состоянии с неоднородным распределением напряжений. В процессе работы термоэлемента при повышенных температурах происходит релаксация упругих напряжений. Это приводит к уменьшению чувствительности термобиметалла (примерно на 3—4%), а иногда и к появлению остаточных деформаций. Стабилизирующая термическая обработка термобиметаллических изделий устраняет или снижает внутренние напряжения. Уже в первые минуты после начала термообработки величина удельного изгиба резко уменьшается и это тем больше, чем выше температура термообработки; с течением времени уменьшение удельного изгиба замедляется. Уменьшение удельного изгиба в интервале температур термической обработки 300—400°С связывается с изменением ТКЛР пассивной составляющей, для активной составляющей ТКЛР практически не изменяется вплоть до температуры рекристаллизации.

Наряду с уменьшением величины удельного изгиба после термической обработки может возникнуть остаточный прогиб. Для каждой толщины термобиметалла существует определенная температура, при нагреве выше которой появляется остаточная деформация. Чем меньше толщина, тем ниже эта предельная температура. Остаточный прогиб увеличивается также с увеличением ширины термобиметалла. Эти явления связаны с увеличением напряжений в зоне соединений, составляющих при увеличении температуры. Особенно резко это проявляется в случае применения высокочувствительных термобиметаллов. Рекомендуемая температура стабилизирующей термической обработки должна быть выше рабочей температуры термоэлемента на 50—100°С, а время выдержки 1—3 ч.

Для термобиметаллов ТБ0921 и ТБ0621 с составляющими из дисперсионно-твердеющих сплавов рекомендуется проводить термическую обработку при 630°С с выдержкой не менее 3 ч. Скорость нагрева и охлаждения термобиметаллов не регламентируется, однако предпочтительнее охлаждение проводить на спокойном воздухе или в контейнере на воздухе. Для предохранения поверхности металла от окисления рекомендуется стабилизирующую термическую обработку проводить в вакуумных печах или печах с защитной атмосферой. Для лучшей стабилизации изделий желательно проводить несколько повторных циклов термической обработки (троекратно и более).

Стабилизирующая термическая обработка термобиметаллических элементов обычно проводится по рекомендациям ГОСТ 10533—63, но, учитывая особенности формы, размеров и условий службы термобиметалла, в каждом конкретном случае эти режимы должны уточняться экспериментальным путем. Если термоэлемент после термической обработки претерпевает повторное изменение формы или подвергается механическим воздействиям, целесообразно провести повторную термическую обработку.

В ряде случаев после проведения стабилизирующей термической обработки изделия из термобиметалла подвергают дополнительным операциям, связанным с установкой оснастки аппаратуры. В этом случае практикуется проведение термотренировки изделия непосредственно в аппаратуре или узлах при температурах службы термобиметалла (причем температурный интервал назначается таким же, как он задан техническими условиями на аппаратуру с термобиметаллом). Операция термотренировки проводится циклично. По окончании термотренировки производится окончательная тарировка прибора.

Стабилизирующая термическая обработка для элементов с прямым нагревом может проводиться непосредственно в приборах при пропускании электрического тока, большего по величине, чем при нормальной работе.

 

Принятые обозначения и пересчетные значения для ряда единиц измерения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Принятые обозначения

Пересчетные значения для ряда единиц измерения