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" ORGANE DE CONTROLE"
L'invention se rapporte à des éléments de thermostats formes dtalliages à coefficient de dilatation élevé. Elle se rapporte plus particulièrement à des alliages ayant une ténacité et une limite d'élasticité élevées, combinées avec un coefficient de dilatation linéaire élevé, et à des pièces métalliques pour thermostat, particulièrement bimétalliques dont les éléments à @ dilatation élevée sont les alliages de manganèse, de nickel et de cuivre divulgués ci-dessous.
Les alliages ou métaux pour thermostats objets de Itinven- tion sont constitués de manganèse, nickel et cuivre.
L'invention sera expliquee partiellement par référence aux dessins ci-annexés, savoir :
La figure I est un diagramme ternaire comportant un certain nombre de courbes démonstratives des caractéristiques de dilatation
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linéaire des alliages, et
La figure 2 est un diagramme semblable indiquant certaines zones.
Dans la figure I, le demandeur a. indiqué les coefficients de dilatation au ;noyen de lignes correspondant à des valeurs constantes des dits coefficients, tracés sur un diagramme ter- naire représentant le système à 3 éléments, manganèse, nickel et cuivre. Bien que les alliages de manganèse, de nickel et de cuivre indiques ici soient très utiles en ce qui concerne l' objet de la présente invention sans traitement thermique, ceux figures sur le diagramme ont ete prépares par trempe à partir de 900 C et écrouissage subséquent. Les coefficients de dila- tation des alliages une fois trempés et travaillés à froid ne sont pa,s affectés par un traitement thermique subséquent.
Dans le tableau suivante le demandeur indique les coefficients liné- aires de dilatation de quelques alliages caractéristiques, à l'état trempé et travail à froid et aussi après vieillissement, à 450 C. Dans ce cas particulier les mesures furent faites entre la température ordinaire et 100 C.
COEFFICIENT DE DILATION LINEAIRE EN
EMI2.1
10- yun4
EMI2.2
<tb> COMPOSITION <SEP> Trempes <SEP> et <SEP> Trempes <SEP> à <SEP> Vieillis <SEP> à
<tb>
<tb> Mn <SEP> Ni <SEP> Cu <SEP> travailles <SEP> partir <SEP> de <SEP> 4500
<tb>
<tb> à <SEP> froid <SEP> 9000
<tb>
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r'5 20 5 04,7 26,5 N5,5 75 5 20 336 m5 22,5 25 10 65 Ibb8 19.1 16,4 20 20 60 14,9 17,5 1512 70 30 0 22,5 22,6 I,O 90 5 5 14,5 33,1 15, ex 72 10 18 26,I 2813 21,5
En plus du coefficient de dilatation linéaire élevé carac- térisé par les valeurs indiquées ci-dessus, le demandeur a trouvé que ces alliages possèdent dtautres propriétés précieuses qui les
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rendent utiles pour la fabrication d'objets où des 6Gat'ficie:
ats de dilatation élevés sont nécessaires, comme indiqué par le tableau , certains alliages objets de l'invention peuvent être durcis par
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traitement thermique. L'importance de ce durcissement et le traitement thermique choisi pour le déterminer différent suivant les gammes de composition.
Dans la figure 2, le demandeur a indiqué plusieurs gammes de composition, qui ont été désignées par des surfaces entourées d'un traita indiquées par les lettres A, B et C. Dans la gamme de compositions correspondant à la zone A, le demandeur a trouvé qu'un traitement convenable pour obtenir une résistance et une limite d'élasticité élevées consiste à chauffer ' à une température d'environ 900 C, à tremper et ensuite vieillir à environ 450 C.
Un ou plusieurs stades de travail à froid peuvent être introduits entre la trempe et le vieillissement, comme résultat de se trai- tement thermique, l'on peut donner aux dits alliages une ténacité variant dtenviron I05 à 140 kgs/mm2 et une limite d'élasticité correspondant à environ 75% de la ténacité. L'on peut même obte- nir des ténacités plus élevées, mais la limite d'élasticité, en règle générale, se rapproche alors de la valeur limite corres- pondant à la limite supérieure de la ténacité.
Dans la plage de composition B, un traitement -thermique convenable consiste à tremper les alliages à partir d'environ 900 C et à les vieillir ensuite à une température de 700 C.
Dans ces conditions, ces alliages présentent une dureté considé- rablement accrue.
Dans la plage de composition 0, un traitement thermique convenable consiste à tremper les alliages à partir dtenviron 900 0 et à les vieillir ensuite à une température de 600 0. Avec ce traitement des dits alliages, 1?on peut obtenir des ténacités d'environ 84 Kgs/mm2. Le demandeur a trouvé que les alliages objets de l'invention possèdent une résistance électrique élevée, et que celle-ci peut être considérablement augmentée par trempe à partir d'une température de 900 0,
L'alliage trempé peut être travaillé à froid sans affecter fâcheusement sa résistivité;
Le demandeur a trouvé qu'il y a un
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:parallélisme approché entre la résistance élec trique et le coefficient de dilatation linéaire des alliages objets de l'in- vention, il a trouvé, par exemple que des alliages ayant une
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resistivite comprise entre 170 et 200.10- orohmscsn3 presen- tent un 'ooefIloient de dilatation lineaire de:passant 20.10-6crn/ cm/degré C, et que des alliages ayant une résistivité inférieure a 150-10"Ô ohms/om3, ont un coefficient de dilatation d'environ 15-Ip'yo/cr/der 0.
Le demandeur a trouvé qu'un vieillissement à 450 0 afiecte fâcheusement la résistivité électrique dans les alliages à l'intérieur de la plage de composition indiquée par la zône A dans la figure 2, tandis que, dans la zone B de la figure 2, la résistivité est fortement accrue par traitement thermique. Le traitement convenable pour proauire des résistivites très éle- vées dans les alliages à l'intérieur de la zone B, consiste en
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une trempe à partir de 9000Q, suivie d'un réchauffage à 700 0 pendant plusieurs heures, on peut obtenir, par ce traitement des résistivites atteignait jusqu'à 20Q0-IQI ohms.
Le demandeur a trouvé que les alliages de manganèse, de nickel et de cuivre ont des coefficients de température rela-
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tivew6nt bas en ce qui concerne la résistivité. Je coefficient étant spécialement bas dans les alliages ayant des coefficients
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<<e dilatation linéaire ci.'environ 15-10 cm/cm/degré c. et dans ceux o,. ledit coefficient dépasse 20-Ip=' onycm/¯ewé C
Tous ces alliages ont un module d'élasticité relativement élevé, beaucoup d'entre eux ont un module d'élasticité dépassant
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14.000 Kgs fOTce/cü2. Ces alliages possèdent également une ré- Gistance élevée à la fatigue.
Ces propriétés diverses combinées avec des coefficients élevés de dilatation linéaire rendent les alliages objets de l'invention particulièrement utiles pour la fabrication de rubans bimétalliques pour le contrôle des tem- pératures. Il est important que de tels rubans presentent non seulement un coefficient de dilatation linéaire élevé, mais aussi
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une limite et un module dtélasticité élevés. Un décrément d'amor- tissement élevé est précieux également pour des matériaux des- tinés à cet usage puisqu'il peut ainsi éviter le rebondissement des contacts électriques qui est fréquemment provoqué par Item- ploi'de tels rubans.
Un coefficient de résistivité élevé, combiné avec un coef- ficient de dilatation élevé est très utile dans certains types d'appareils électriques où il est avantageux d'utiliser la dila- tation dtun organe chauffé par le passage d'un courant électrique.
Les propriétés de ces alliages les rendent très précieux dans de nombreux types d'organes de contrôle de température et élec- triques dans les diverses industries où de tels organes de con- trôle sont utilisés, titre d'emple, l'on peut se référer aux rubans bimé talliques sensibles aux variations de température. Un type habi- tuel de ruban est celui consistant en un élément à faible dila- tation, formé d'un alliage à haute teneur en nickel tel que l'Invar combiné avec un élément à forte dilatation tel que le laiton, le cuivre ou certains alliages de nickel, de chrome et de fer.
En employant un tel alliage de nickel à haute teneur tel que l'Invar /64% de fer, 36% de nickel/, ayant un faible coefficient de dilatation linéaire et un des alliages objets de l'invention ayant un coefficient de dilatation linéaire voisin de ou supérieur à 25-10-6 cm/cm/degré C le demandeur peut obtenir environ un déplacement double, pour une variation de un degré, de celui obtenu avec le ruban habituel. Le demandeur peut aussi utiJ.iser un acier ardinaire en combinaison avec les alliages à forte dilatation objets de l'invention, et obtenir des avantages considérables.
Le composant à faible dilatation, bien que le plus convena- blement choisi soit l'Invar, ou tout autre alliage fer/nickel, à fort pourcentage de ce dernier, de l'ordre de 36% ou plus, peut être n'importe quel métal ou alliage, dont des exemples dé-
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monstratifs sont exposés dans les brevets de Reginald S.Dean n 947065 et 1.991.438 déposés aux Etats-Unis. Les alliages du demandeur peuvent être obtenus avec un module d'elasticité supé- rieur à 14.000 Kgs/mm2, chiffre sensiblement dans la gamme des aciers. En produisant les rubans bi-métalliques, l'on peut les souder, les fondre, les braser ou les traiter d'autre manière con- forme aux pratiques usuelles.
Bien que le demandeur ait mentionne, à titre indicatif des ruba.ns métalliques, il est entendu que de tels rubans ou organes peuvent comprendre plus de 2 lames, ou que le dispositif répon- dant à la température peut prendre la forme de dispositifs me- sadiques connus, tels qu'un barreau à l'intérieur d'un tube,
Un autre type d'organe de commande sera celui ou la dila- tation d'une pièce simple, par exemple une barre est utilisée en vue d'une commande compte tenu de la grande résistivité pou- vant être obtenue avec les alliages objets de l'invention, l'cr- gane de commande peut transporter un courant électrique,
et être utilisé dans un circuitou l'augmentation de température par la résista.nce de cet organe produit une dilatation linéaire telle qu'elle ouvre un jeu de contacts et coupe le courant. Dans un tel dispositif, l'organe est sensible directement au courant qui le parcourt. D'autres installations caractéristiques, de ce type général peuvent être utilisées. Il est bien entendu que la présente invention est largement applicable aux mécanismes thermostatiques ou les alliages de manganèse, de nickel et de cuivre formant l'élément à dilatation élevée de la partie à dila- tation différentielle de tels mécanismes, qui utilise une àiffé- rence dans la dilatation thermique de deux ou plusieurs matières.
La composition des alliages utilises conformement à la pré- sente invention pour lesquels les proprietés discutées ci-dessus peuvent être obtenues résulte clairement de la discussion seule aussi bien que des diagrammes. Les multiples proprietés que lion peut obtenir doivent évidemment être considérées dans la construc..
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tion dtun élément de contrôle. Les diagrammes montrent qu'une proportion minima de 10% de manganèse est nécessaire, mais que dans certains cas, elle paut atteindre jusqu'à 97% du total.
La proportion de cuivre peut varier, de même, considéra- blement, mais celle de nigkel ne doit pas dépasser 70% du total.
Un groupe d'alliages satisfaisants comprend ceux contenant de 3% à 26% de nickel, de 2% à 25% de cuivre et de 67% à 80% de manganèse, le total des dits métaux étant pratiquement de 100%.
Une autre plage de propriétes excellentes comprend les alliages renfermant de 8% à 20% de nickel, de 7% à 19% de cuivre, le complément étant à peu près en totalité du manganèse, spéciale- ment du manganèse électrolytique de pureté élevée. Un groupe d' alliages particulièrement satisfaisants comprend ceux contenant d'environ 70% à 75% de manganèse, d'environ 8% à environ 15% de nickel, et d'environ I5% à 20% de cuivre. Un alliage spécia- lement précieux est un alliage d'environ 72% de manganèse, en- viron 10% de nickel et environ 18% de cuivre, particulièrement lorsqu'il est préparé à partir de métaux très purs, de préférence ceux produits électrolytiquement.
Du manganèse électrolytique à 99%, ou mieux du degré de pure- té 99,9% est particulièrement satisfaisant dans la préparation des alliages à haute dilatation employés conformément à ltinven- tion.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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"SUPERVISORY BODY"
The invention relates to elements of thermostats in the form of high coefficient of expansion alloys. It relates more particularly to alloys having a high toughness and a high elastic limit, combined with a high coefficient of linear expansion, and to metal parts for thermostats, particularly bimetallic whose elements with high expansion are manganese alloys. , nickel and copper disclosed below.
The alloys or metals for thermostats that are the subject of the invention consist of manganese, nickel and copper.
The invention will be partially explained with reference to the accompanying drawings, namely:
Figure I is a ternary diagram comprising a number of curves demonstrating the expansion characteristics
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linear alloys, and
Figure 2 is a similar diagram showing some areas.
In Figure I, the applicant a. indicated the coefficients of expansion in the nucleus of lines corresponding to constant values of said coefficients, plotted on a terminal diagram representing the system with 3 elements, manganese, nickel and copper. Although the alloys of manganese, nickel and copper shown here are very useful for the purpose of the present invention without heat treatment, those shown in the diagram were prepared by quenching from 900 C and subsequent hardening. . The expansion coefficients of alloys once hardened and cold worked are not affected by subsequent heat treatment.
In the following table the applicant indicates the linear expansion coefficients of some characteristic alloys, in the quenched and cold working state and also after aging, at 450 C. In this particular case the measurements were made between room temperature and 100 C.
LINEAR DILATION COEFFICIENT IN
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<tb> COMPOSITION <SEP> Quench <SEP> and <SEP> Quench <SEP> to <SEP> Aged <SEP> to
<tb>
<tb> Mn <SEP> Ni <SEP> Cu <SEP> work <SEP> from <SEP> from <SEP> 4500
<tb>
<tb> to <SEP> cold <SEP> 9000
<tb>
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r'5 20 5 04.7 26.5 N5.5 75 5 20 336 m5 22.5 25 10 65 Ibb8 19.1 16.4 20 20 60 14.9 17.5 1512 70 30 0 22.5 22.6 I , O 90 5 5 14.5 33.1 15, ex 72 10 18 26, I 2813 21.5
In addition to the high coefficient of linear expansion charac- terized by the values indicated above, the applicant has found that these alloys possess other valuable properties which make them.
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make it useful for the manufacture of objects where 6Gat'jets:
ats of high expansion are necessary, as indicated by the table, certain alloys objects of the invention can be hardened by
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heat treatment. The extent of this hardening and the heat treatment chosen to determine it differ according to the ranges of composition.
In Figure 2, the applicant has indicated several ranges of composition, which have been designated by surfaces surrounded by a trait indicated by the letters A, B and C. In the range of compositions corresponding to zone A, the applicant has Found that a suitable treatment to achieve high strength and yield strength is to heat to a temperature of about 900 C, quench and then age at about 450 C.
One or more cold working stages can be introduced between quenching and aging, as a result of heat treatment, said alloys can be given a toughness varying from about 10 5 to 140 kgs / mm2 and a limit of elasticity corresponding to about 75% of the toughness. Even higher toughness can be achieved, but the yield strength, as a rule, then approaches the limit value corresponding to the upper toughness limit.
In the composition range B, a suitable heat treatment is to quench the alloys from about 900 C and then age them at a temperature of 700 C.
Under these conditions, these alloys exhibit considerably increased hardness.
In the composition range 0, a suitable heat treatment is to quench the alloys from about 900 0 and then age them at a temperature of 600 0. With this treatment of said alloys, toughness of about 84 Kgs / mm2. The applicant has found that the alloys which are the subject of the invention have a high electrical resistance, and that this can be considerably increased by quenching from a temperature of 900 0,
The hardened alloy can be cold worked without adversely affecting its resistivity;
The applicant has found that there is a
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: approximate parallelism between the electrical resistance and the coefficient of linear expansion of the alloys which are the subject of the invention, he found, for example, that alloys having a
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resistivity between 170 and 200.10- orohmscsn3 exhibit a linear expansion coefficient of: passing 20.10-6crn / cm / degree C, and that alloys having a resistivity lower than 150-10 "Ô ohms / om3, have a coefficient dilation of about 15-Ip'yo / cr / der 0.
The Applicant has found that aging at 450 0 adversely affects the electrical resistivity in alloys within the composition range indicated by area A in Figure 2, while in area B of Figure 2, the resistivity is greatly increased by heat treatment. The suitable treatment for producing very high resistivities in the alloys within zone B consists of
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quenching from 9000Q, followed by reheating at 700 0 for several hours, it is possible to obtain, by this treatment, resistivities reaching up to 20Q0-IQI ohms.
The applicant has found that the alloys of manganese, nickel and copper have relative temperature coefficients.
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tivew6nt low with regard to resistivity. I coefficient being especially low in alloys having coefficients
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<< e linear expansion ci. about 15-10 cm / cm / degree c. and in those o ,. said coefficient exceeds 20-Ip = 'onycm / ¯ewé C
All of these alloys have a relatively high modulus of elasticity, many of them have a modulus of elasticity exceeding
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14,000 Kgs fOTce / cü2. These alloys also have a high resistance to fatigue.
These various properties combined with high coefficients of linear expansion make the alloys which are the subject of the invention particularly useful for the manufacture of bimetallic tapes for controlling temperatures. It is important that such tapes exhibit not only a high coefficient of linear expansion, but also
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high limit and modulus of elasticity. A high damping decrement is valuable also for materials intended for this purpose since it can thus avoid the bounce of electrical contacts which is frequently caused by the use of such tapes.
A high coefficient of resistivity combined with a high coefficient of expansion is very useful in certain types of electrical apparatus where it is advantageous to use the expansion of a heated member by the passage of an electric current.
The properties of these alloys make them very valuable in many types of temperature and electrical controllers in the various industries where such controllers are used, by way of example, reference may be made to bimetallic tapes sensitive to temperature variations. A common type of ribbon is that consisting of a low expansion element, formed from a high nickel alloy such as Invar combined with a high expansion element such as brass, copper or certain. alloys of nickel, chromium and iron.
By using such a high-content nickel alloy such as Invar / 64% iron, 36% nickel /, having a low coefficient of linear expansion and one of the alloys which are the subject of the invention having a similar coefficient of linear expansion of or greater than 25-10-6 cm / cm / degree C the applicant can obtain about a double displacement, for a variation of one degree, of that obtained with the usual tape. The applicant can also use an ardinary steel in combination with the high expansion alloys which are the subject of the invention, and obtain considerable advantages.
The low expansion component, although the most suitably chosen is Invar, or any other iron / nickel alloy, with a high percentage thereof, of the order of 36% or more, can be any metal or alloy, examples of which
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monstratives are disclosed in Reginald S. Dean Patents Nos. 947065 and 1,991,438 filed in the United States. Applicant's alloys can be obtained with a modulus of elasticity greater than 14,000 Kgs / mm 2, a figure substantially in the range of steels. In producing the bi-metallic tapes, they can be welded, melted, brazed or otherwise processed in accordance with usual practice.
Although the applicant has mentioned, as an indication of metal tapes, it is understood that such tapes or members can comprise more than 2 blades, or that the device responding to the temperature can take the form of measuring devices. known sadists, such as a bar inside a tube,
Another type of control member will be that in which the expansion of a simple part, for example a bar is used for control, taking into account the high resistivity that can be obtained with the alloys which are the subject of the invention. Invention, the control device can carry an electric current,
and be used in a circuit where the increase in temperature by the resistance of this member produces a linear expansion such that it opens a set of contacts and cuts the current. In such a device, the organ is directly sensitive to the current flowing through it. Other characteristic installations of this general type can be used. It is understood that the present invention is widely applicable to thermostatic mechanisms or the alloys of manganese, nickel and copper forming the high expansion element of the differential expansion part of such mechanisms, which uses an alternative. in the thermal expansion of two or more materials.
The composition of the alloys used in accordance with the present invention for which the properties discussed above can be obtained clearly results from discussion alone as well as from the diagrams. The multiple properties that lion can obtain must obviously be considered in the construction.
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tion of a control element. The diagrams show that a minimum proportion of 10% manganese is necessary, but that in some cases it can reach up to 97% of the total.
The proportion of copper can also vary considerably, but that of nigkel should not exceed 70% of the total.
A group of satisfactory alloys includes those containing 3% to 26% nickel, 2% to 25% copper and 67% to 80% manganese, the total of said metals being almost 100%.
Another range of excellent properties includes alloys containing 8% to 20% nickel, 7% to 19% copper, the balance being almost all manganese, especially electrolytic manganese of high purity. A particularly satisfactory group of alloys include those containing from about 70% to 75% manganese, from about 8% to about 15% nickel, and from about 15% to 20% copper. A particularly valuable alloy is an alloy of about 72% manganese, about 10% nickel and about 18% copper, particularly when prepared from very pure metals, preferably those produced electrolytically.
99% electrolytic manganese, or more preferably 99.9% purity, is particularly satisfactory in the preparation of the high expansion alloys employed in accordance with the invention.
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