熱雙金屬在電器產(chǎn)品中的設計應用

天水二一三電器有限公司 李曉麗

前言

熱雙金屬材料廣泛應用于電氣工業(yè)中的熱繼電器和斷路器，儀表工業(yè)中的氣象儀表和電流計等，家用電器方面的電熨斗、電灶、電冰箱和空調(diào)裝置等，是當代工業(yè)不可缺少的一種材料，由于低壓電器工業(yè)使用這種材料已相當普遍，因此，作者結(jié)合工作中總結(jié)的經(jīng)驗，介紹熱雙金屬在電器產(chǎn)品中的應用及生產(chǎn)成型時應注意的事項。

一、熱雙金屬簡介

熱雙金屬是一種復合金屬, 一般用兩層或多層具有不同膨脹系數(shù)的金屬或合金沿整個接觸面牢固復合在一起組成條片或薄板形狀。具有隨溫度變化發(fā)生形狀變化的特性。

目前，生產(chǎn)熱雙金屬的廠家所用的生產(chǎn)熱雙金屬的原材料大部分都是相同的，基本都是由鐵質(zhì)和銅質(zhì)合金為主要成分，再加入鎳錳等金屬元素來改變它自身的膨脹系數(shù)，產(chǎn)生高膨脹側(cè)和低膨脹側(cè)合金，再復合組成。有時為了改變材料的電阻率，會加入中間的合金。高膨脹側(cè)和低膨脹側(cè)的合金成分配比不同，厚度不同，加上中間層金屬的調(diào)節(jié)，可得到近百種比彎曲不同的熱雙金屬材料。

高膨脹側(cè)，主要成分有：鎳鉻合金，鎳錳合金，銅鋅合金。

如：Mn72Ni10Cu18,Ni22Cr3,Ni20Mn6等。

低膨脹側(cè)，主要成分有：鎳合金，鉻合金。如：Ni36,Ni45,Crl7等。中間側(cè)，主要成分有: 純銅，純鎳，低碳鋼。

二、熱雙金屬的原理

熱雙金屬制造有各種工藝,其中用得最普遍的是熱軋復合與冷軋復合兩種,這兩種工藝采用的都是組元固相復合原理。因各層永久性地結(jié)合在一起,當受到溫度變化時,將使材料的曲率改變。此曲率隨溫度而變化(溫曲率)是各種熱雙金屬的基本性能。

如圖1所示，兩層成分不同的金屬事先被緊密地結(jié)合在一起形成雙金屬材料,假設A為高膨脹側(cè)，B為低膨脹側(cè)，A、B長度相同，則當溫度升高時,高膨脹側(cè)A和低膨脹側(cè)B都將隨溫度發(fā)生熱脹冷縮的變化。但高膨脹側(cè)伸長的長度更大，兩層金屬發(fā)生的形變不等長，在結(jié)合面應力的作用下，發(fā)生彎曲，使直條元件彎曲成弧形，弧形外側(cè)為高膨脹面。如圖2所示。弧形外層長度比內(nèi)層長，彎曲方向上產(chǎn)生彎曲位移（撓度），當受到阻力時便生成推力，從而使熱能轉(zhuǎn)換為機械能。

三 熱雙金屬的主要性能和參數(shù)

a)比彎曲

比彎曲K是表示溫度變化1℃時，一端加緊厚度d=1mm，自由運動長度L=100mm的熱雙金屬條片，自由端的撓度值f，見圖3。它是衡量熱雙金屬對溫度變化靈敏程度的一個重要參量。比彎曲采用懸臂梁法測量。

b)溫曲率

溫曲率F是單位厚度的熱雙金屬片，每變化單位溫度時其縱向中心線的曲率變化。當熱雙金屬的厚度大于等于0.3mm時，溫曲率的測量法采用簡支梁法，小于0.3mm采用螺旋法測量。

圖 3 一端固定雙金屬元件彎曲

c)線性溫度范圍

熱雙金屬的線性溫度范圍是指按比彎曲標準值與標稱厚度的計算撓度（位移）與實際撓度（位移）的誤差不大于土5%的溫度范圍,可用平均比彎曲Km來計算熱彎曲。在這個范圍內(nèi)熱雙金屬的彎曲變化基本上是線性的。在線性溫度范圍內(nèi)，熱雙金屬具有最大的熱敏感性能。

d)常用溫度范圍

常用溫度范圍就是指平均比彎曲尚未發(fā)出根本變化的溫度范圍,直至最高工作溫度之前,熱雙金屬不會遇到任何危險。但必須根據(jù)擴大溫度范圍用的已經(jīng)發(fā)生變化的比彎曲值計算撓度。

e)允許使用溫度范圍

允許使用溫度是指熱雙金屬材料處于還未發(fā)生殘余變形臨界狀態(tài)時的溫度。這個定義既適用于低溫,也適用于高溫。允許使用溫度極限決定于熱雙金屬品種、尺寸和電器對它提出的動作精度要求。允許使用范圍內(nèi)，材料的熱敏性能有所降低。

f)比電阻(ρ)

在電器產(chǎn)品中,一般是電流直接通過熱雙金屬元件而產(chǎn)生焦耳熱,使本身溫度升高而發(fā)生彎曲變形,因此對熱雙金屬材料來說,比電阻值是選擇電流等級的一個重要指標。

圖 1 雙金屬元件

圖 2 雙金屬元件自由彎曲

g)彈性模量(E )

彈性模量E是計算熱雙金屬元件產(chǎn)生的推力、力矩和內(nèi)應力時所需的參量。這個參數(shù)是用來衡量彎曲一種材料所需作用力。彈性模量越大,所需作用力也越大,多數(shù)熱雙金屬的彈性模量隨著溫度升高能保持相對恒定,故其低膨脹一側(cè)的模量將相應增大,而高膨脹一側(cè)的模量則相應減小。彈性模量由材料的成分和變形量所確定

h)其他性能

硬度,屈服應力,導熱率、比熱和耐腐蝕性能等都是熱雙金屬經(jīng)常需要參考的主要技術(shù)性能。

四、熱雙金屬的分類及特點

根據(jù)熱雙金屬應用目的的不同,對主要技術(shù)性能的選擇也就有不同的要求。例如用于溫度測量溫度控制的熱雙金屬要求比彎曲有較大的允許使用溫度范圍。使用在高原環(huán)境下的熱雙金屬,需要有較大的高溫強度和良好的抗氧化性能。應用于電氣回路中作為保護裝置的熱雙金屬,需要有一定的比電阻值。因此,熱雙金屬一般按照它的使用特性,適用范圍及條件可大致分成以下幾類:

五、熱雙金屬的應用

設計一個熱雙金屬元件，應考慮以下因素：

(1)元件承受的電流等級；

(2)工作溫度范圍；

(3)元件將經(jīng)受的最高溫度；

(4)位移和力的要求，或兩者的結(jié)合；

(5)空間限制；

(6)工作條件；

1 熱雙金屬牌號和規(guī)格的確定

a）根據(jù)使用溫度，確定熱雙金屬的溫度類型：高溫型 、中溫型。

b）根據(jù)動作空間、動作位移、電流等級、脫扣力等因素通過計算確定熱雙金屬牌號、規(guī)格、形狀。

高靈敏型 低電阻（大安培） 直條型

中靈敏型 中電阻（中安培） 螺旋形

低靈敏型 高電阻（小安培） 異形

c）根據(jù)計算的結(jié)果裝機確認。

⑴ 根據(jù)使用溫度選擇熱雙金屬類型

表2 尺寸規(guī)格：L=45mm b=10mm d=1mm 溫升：△T=50℃

使用溫度是熱雙金屬動作的溫度范圍。使用溫度和使用溫度上限最好在熱雙金屬的線性溫度范圍內(nèi)，這時雙金屬片具有恒定的和最大的靈敏度，可以保證熱雙金屬元件的動作線性。當使用溫度超過了熱雙金屬的可用（有效）溫度范圍時，熱雙金屬元件將產(chǎn)生殘余變形，導致工作特性發(fā)生變化。

⑵ 計算位移和力，確定牌號和規(guī)格

先約定雙金屬片的溫曲率為F，彈性模量為E，長度L，寬度b，厚度d，彎曲位移S，熱力F，溫升差值△T

選則相同規(guī)格，不同牌號的雙金屬片，計算位移S和熱力F。

相同規(guī)格：45×10×1mm ，不同牌號：5J20110和5J1580雙金屬片

計算示例如表2，可以看出相同條件下，高靈敏的熱雙金屬比中靈敏的位移多37%，熱力增加24%，在使用中調(diào)整的空間更大。

⑶熱雙金屬片溫升的估算

熱雙金屬片的溫升，由試驗所得的溫升方程式為：

τ:主片溫升 τω:主片穩(wěn)定溫升 t：加熱時間 T：時間常數(shù)

時間常數(shù)的計算：

時間常數(shù)，熱繼電器的動作時間主要與動作常數(shù)有關(guān)，時間常數(shù)是反映熱慣性大小的參數(shù)，其值越大則主片溫度上升的速度越慢，動作時間越長。

直接加熱型： T=cm/μA

復式加熱型：T=Σcimi/ΣμiAi

c:比熱 m:質(zhì)量 μ表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) A表面散熱面積 i材料序號

六、熱雙金屬元件成型時應注意的事項

1 沖剪、折彎和固定

（1）熱雙金屬應沿著縱向（即片材軋制方向）落料。橫向落料其熱敏性要降低1-3%，承受彎曲負荷的能力也比沿縱向落料的元件約低10%。

（2）沖裁后的元件，其邊緣應無毛刺，否則會降低熱敏感度。對于蝶形元件，毛刺嚴重時會喪失動作性能。

（3）熱雙金屬折彎時應避免過小的彎曲半徑，否則元件的彎曲表面會出現(xiàn)裂紋，在進行折彎時盡量垂直于軋制方向，以便獲得更高的強度如果對彎曲(折)性能有高要求，則可以提高材料的穩(wěn)定化處理溫度，或在沖制前就進行穩(wěn)定處理來改善彎折性能。但其機械強度和熱敏感性能，承受負荷和高溫的能力有所下降。

（4）熱雙金屬元件二次加工(部件或組件裝配)時．可采用鉚接和焊接等方式固定。如元件的動作精度要求較高，宜采用焊接固定。熱雙金屬焊性的好壞與表面狀態(tài)有關(guān)，焊接前必須清除其表面的氧化膜或油漬等污物。

（5）雖然熱雙金屬含有鎳、鉻合金等提高耐腐蝕能力的元素，但主、被動層電位差不一樣，導致容易產(chǎn)生電化學腐蝕。為防止腐蝕，可采用在雙金屬元件表面涂適合的防銹油或在其表面鍍鎳、鍍鋅等，經(jīng)此電鍍后元件表面較硬，有利于高溫下的表面保護，耐蝕性能也較好，但是電阻值會有所變化，熱敏感性能也要降低，鍍層越厚，降低越多。

2、熱雙金屬元件的穩(wěn)定化處理

熱雙金屬在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生較大的殘余應力，在元件進行沖壓成型和鉚接、焊接固定過程中，也會產(chǎn)生殘余應力。殘余應力在沒有得到外來能量供給的情況下，將會逐漸地進行重新分布和部分釋放，這將影響到熱雙金屬的穩(wěn)定性，最終影響到電氣性能的穩(wěn)定性，使電器的性能隨時間產(chǎn)生漂移的現(xiàn)象，甚至失效。因此通過穩(wěn)定處理，可使殘余應力得到釋放，并使其均勻化，從而減少殘余應力對電氣性能產(chǎn)生的影響。

（1）熱穩(wěn)定處理：熱穩(wěn)定處理最好在真空或保護氣氛狀態(tài)進行，這樣能避免元件表面氧化，提高表面質(zhì)量。通過使用χ衍射儀對雙金屬元件應力分布測定，見圖4，證實增加穩(wěn)定處理次數(shù)，就可使元件內(nèi)應力大大降低。

根據(jù)熱穩(wěn)定處理后元件內(nèi)應力分布，可確認熱穩(wěn)定處理的時間和溫度。通過殘余應力對產(chǎn)品性能穩(wěn)定性的對比實驗，雙金片牌號為5J1578，比彎曲K值：K=15.3×10-6/℃，外形尺寸，長：L=45mm 寬：b=10 mm 厚：δ=1.0mm，設備為氮氣氣氛保護爐，推薦以下熱處理參數(shù)，見圖5。不同牌號的雙金屬片，材料成分不同，允許使用溫度范圍不同，線性溫度范圍不同，因此熱穩(wěn)定處理的時間和溫度也應不同。另外同一牌號的雙金屬片，外形不同，熱穩(wěn)定處理的時間和溫度也應不同，視不同情況具體試驗并加以總結(jié)。

圖4 元件內(nèi)應力分布

表2 5J1578的電老化參數(shù)

圖5 熱穩(wěn)定處理

（2）通電發(fā)熱穩(wěn)定處理

熱穩(wěn)定處理，消除殘余應力和改變內(nèi)應力分布狀態(tài)效果很好，但圖5顯示，處理時間較長，效率低。根據(jù)雙金屬片的熱效應，通電使其發(fā)熱，然后冷卻，反復幾次，使殘余應力釋放，通過使用χ衍射儀對雙金屬元件應力分布測定，效果也比較明顯。根據(jù)多次的試驗數(shù)據(jù)，總結(jié)并推薦熱繼電器系列產(chǎn)品所使用雙金片牌號為5J1578的電老化參數(shù)見表2。