Термобиметаллическими материалами называются материалы, состоящие из двух или более слоев металлов или сплавов с различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР), разность которых обеспечивает их упругую деформацию при изменении температуры.
Слой металла или сплава (компонент термобиметалла) с большим ТКЛР называют активным, с меньшим – пассивным. Между активным и пассивным слоями может находиться промежуточный слой. Слои термобиметалла прочно соединены друг с другом по всей поверхности соприкосновения (обычно сваркой) и, таким образом, представляют собой единое целое.
На различии в ТКЛР слоев термобиметалла, обусловливающем его способность к деформации при изменении температуры, основаны принцип действия и практическое применение термобиметаллических элементов.
Действие этих элементов происходит по следующему механизму. При исходной температуре элемент (в виде полосы, ленты, диска) имеет плоскую форму. В процессе нагрева он деформируется (изгибается) за счет неравномерного распределения внутренних напряжений в его сечениях, вызванного различием в ТКЛР его слоев. Изгиб происходит таким образом, что при нагреве слой с большим ТКЛР (испытывающий напряжения сжатия) находится с выпуклой стороны, а слой с меньшим ТКЛР (испытывающий напряжения растяжения) – с вогнутой стороны. При охлаждении элемент изгибается в противоположном направлении.
Важно отметить, что термобиметаллические элементы могут фиксировать не только изменение температуры окружающей среды, но и все изменения состояния, процессов, параметров, связанные с вышеуказанным изменением температуры. Поэтому термобиметаллы могут выполнять функции измерительных, компенсационных, регулирующих или защитных устройств.
Выбор материала компонентов термобиметалла определяется, в первую очередь, его служебным назначением. Основными требованиями, предъявляемыми к термобиметаллу с учетом его функциональных особенностей, являются: высокая (или заданная) температурная чувствительность, выражаемая значительной (или заданной) величиной удельного изгиба термобиметалла при изменении его температуры; линейная зависимость деформации от температуры; отсутствие механического гистерезиса, т.е. отсутствие гистерезиса деформации при изменении температуры (термобиметалл не должен иметь остаточную деформацию, т.е. после прекращения действия на него температуры он должен возвращаться в свое первоначальное положение); стабильность размеров и свойств во времени.
Высокая температурная чувствительность термобиметалла обеспечивается сочетанием компонентов, значительно отличающихся друг от друга по ТКЛР. Линейная зависимость деформации от температуры и отсутствие гистерезиса этой деформации достигаются в основном за счет применения для компонентов термобиметалла материалов с высокими упругими свойствами, сохраняющимися во всем диапазоне рабочих температур. Высокие упругие свойства компонентов термобиметалла обеспечивают высокую точность работы, высокие работоспособность и надежность термобиметаллических элементов.
Для изготовления термобиметаллов наиболее часто используются сплавы системы Fe–Ni. Никель оказывает большое влияние на физические свойства железа, резко изменяя его электропроводность, теплопроводность и ТКЛР. Для изготовления пассивных компонентов применяют сплавы указанной системы с большим содержанием Ni (до 50 %), для изготовления активных компонентов – с малым содержанием Ni (20–25 %). Следует отметить, что значение ТКЛР для этих сплавов может существенно изменяться при введении в них легирующих добавок.
Изменяя в процессе производства составы сплавов активной и пассивной составляющих, соотношение их толщин в термобиметаллическом образце, а также вводя промежуточный слой той или иной толщины, можно в значительных пределах управлять термочувствительностью производимых термобиметаллов.
Термобиметаллические элементы составляют основу конструкции различных устройств, в том числе тепловые реле, электропредохранители, автоматы защиты электросетей и т.п. Основными составными частями термобиметаллических элементов являются термобиметаллическая пластина и источник ее подогрева (рис. 1). Возможны следующие способы подогрева пластины: I – непосредственный (пропусканием электрического тока), II – косвенный (с помощью внешнего электронагревателя) и III – комбинированный (объединяет первый и второй способы).
Рис. 1. Термобиметаллическая пластина с источником подогрева (а) и способы подогрева пластины (б): 1, 2 – термоактивные материалы; 3 – нагревательный элемент
На рис. 2 схематично показаны различные конструктивные варианты тепловых реле.
Термобиметаллическая пластина 1 (рис. 2, а) при нагреве изгибается в направлении усилия Р1 и, воздействуя на штифт 3, перемещает подвижный пружинный контакт 2 до размыкания с неподвижным контактом 4. После охлаждения пластины реле возвращается в исходное положение. Данное устройство имеет малое быстродействие. Этого недостатка лишена конструкция, представленная на рис. 2, б.
Рис. 2. Схемы тепловых реле: 1 – биметаллическая пластина; 2, 4 – подвижный и неподвижный контакты; 3 – штифт; 5, 6 – пружины
Термобиметаллическая пластина 1 служит защелкой, удерживающей контакты 2 и 4 в замкнутом состоянии. При нагреве пластина изгибается и освобождает контакты, которые размыкаются под действием пружины 5. Возврат пластины в исходное состояние осуществляется вручную. Еще большее быстродействие достигается в конструкции, показанной на рис. 2, в. Пластинчатая пружина 6 удерживает контакты реле в замкнутом состоянии до тех пор, пока усилие Р1, развиваемое пластиной при ее нагреве, не становится больше усилия Р2, развиваемого пружиной. При этом
пластина скачком выгибается и размыкает контакты реле. Возврат системы в исходное состояние происходит автоматически после остывания пластины. Разновидностью подобной конструкции является устройство, представленное на рис. 2, г. Здесь одновременно происходят скачкообразные перемещения пластины и контактов. Система имеет самовозврат.