Bimetallelement
Die Erfindung bezieht sich auf ein Bimetallelement, insbesondere für Thermoregler.
Wenn ein Bimetallstreifen Temperatur änderungen ausgesetzt wird, biegt er sich infolge der untersehiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der ihn zusammensetzenden Metalle. Ein derartiger Bimetallstreifen wird gewöhnlich zur Steuerung verschiedener Vorrichtungen benotigt, z. B. f r die thermo- statische Steuerung des Offnens und Schlie ssens elektrischer Kreise. Man hat eine ganze Reihe von Metallen und Legierungen für Bimetall-Thermoregler vorgeschlagen, indessen beschränkt sich ihre Verwendungsmöglichkeit auf verhältnismässig tiefe Temperaturen, und ausserdem meist auf enge Temperaturbereiche.
Diese Einsehränkungen der Anwendnngs- moglichkeiten beruhen auf einer Reihe von Faktoren, z. B. der geringen Oxydationsbeständigkeit der Metalle bei hohen Temperaturen, ferner dem Absinken der Festigkeit infolge des sich ständig wiederholenden Erhitzens und Kühlens sowie den unregel- mässigen Veränderungen der Ausdehnungskoeffizienten und andern Einflüssen.
Die Erfindung zielt auf ein Bimetallelement ab, welches bei Temperaturen einerseits bis zu 1100 C, anderseits auch bei verhältnismässig geringen Temperaturen, wie etwa 150 C, zufriedenstellend a. rbeitet, insbesondere zielt die Erfindung auf ein hitzebe- ständiges Bimetallelement ab, welches innerhalb des Temperaturbereiches von 150 bis 1100 C eine gleichbleibende und starke Ablenkung aufweist und lange Zeit arbeiten kann, ohne durch die Beanspruchung und Temperatureinwirkung eine dauernde Deformation zu erleiden.
Es wurde gefunden, da. man ein Bimetallelement mit ausserordentlich guten Eigenschaften erhält, wenn die Schicht mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten aus. einer Legierung besteht, die mindestens ein Metall der Eisengruppe und 10-26"/o Chrom enthält, und die Schieht mit niedrigerem Wärmeausdehnungskoeffizienten aus einer Legierung besteht, die Platin und 10-30 /o anderes Metall der Platingruppe, wie Rho dium und Palladium, enthält. Zum Beispiel hat eine Legierung aus Platin mit 10 bis 30 % Rhodium einen mittleren Ausdehnungskoeffi- zienten von etwa 27 X 10-6 cm/cm LÏnge/¯ C im Bereich von 149 bis 1093 C.
Wenn die Ausdehmmgskoeffizienten dieser Legierung gegen die zugehörigen Temperaturen aufgetragen werden, erhält man eine a. ngenähert gerade Linie, und wenn auch der Ausdeh- nungskoeffizient mit steigender Temperatur zunehmen kann, ist diese Zunahme nur gering im Vergleich mit andern Metallen und Legierungen, ausserdem weisen die Aus- dehnungskurven der gemäss der Erfindung verwendeten Legierungen geringer Ausdeh nung im Vergleich mit denen anderer Metalle keine scharfe Kriimmung auf.
Diese Eigenschaft einer geringen, linearen und annähernd konstanten Ausdehnung ist für die Bimetallkomponente geringer Aus- dehnung sehr vorteilhaft, weil sie die Verwendung des Bimetallelementes für Thermoregler über einen weiten Temperaturbereich erlaubt. Wenn es z. B. erwünscht ist, einen elektrisehen Stromkreis bei etwa 1040 C zu öffnen und ihn darauf bei etwa 200 C zu schliessen, muss sich das Bimetallelement um einen merklichen Betrag von Íffnungs- zu Schliessstellung räumlich verÏndern, damit der Schaltvorgang scharf bei den gewünschten Temperaturen erfolgt.
Wenn das Bimetallelement eine Komponente mit einem verhältnismässig geringen Ausdehnungskoeffizienten hat, wofür gemäss, der Erfindung Platinlegierungen vorgesehen sind, wird es eine merkliche Abbiegung erleiden, wodurch die gewünschten Temperaturpunkte selbst dann scharf eingestellt werden können, wenn die Grenzwerte weit voneinander entfernt sind. Da ferner die Änderungen der Aus dehnungskoeffizienten der hier f r die Kom ponenten geringer Ausdehnung verwendeten Legierungen mit der Temperatur annähernd konsta. nt sind, die Ausdehnungskoeffizienten also eine lineare Funktion der Temperatur sind, erfolgt die Abbiegung des Bimetallelementes über den gesamten Messbereieh gleichmässig, und zwar auch dann, wenn innerhalb des Arbeitsbereiches starke Abbiegungen erfolgen.
Es wurde gefunden, dass ein Bimetallelement bei Erhöhung des Rhodiumgehaltes einer für die Komponente geringer Aus- dehnung verwendeten Platinlegierung über etwa 30 /o keine konstante Abbiegung mehr hat. Anderseits zeigen sich, wenn der Rho diumgehalt lmter 10 /o liegt, bei erhöhten Temperaturen Anzeichen von Desintegration.
Die optimalen Mengen f r die Zwecke der vorliegenden Erfindung liegen bei etwa 80 I/o Platin und 20% Rhodium
Die bisher f r die Igomponente geringer Ausdehnung eines Thermoreglers verwendeten Metalle und Legierungen eignen sich nicht für den hier angestrebten Messbereich. Die Metalle und Legierungen, welche sich f r verhältnismässig geringe Temperaturen eignen, werden bei der Erwärmung auf etwa. 583 C weich und verlieren ihre Festigkeit und Elastizität, wodu. rch sie der stark aus dehnungsfähigen Komponente gegenüber kei- nen Widerstand mehr bieten und der zusammengesetzte Streifen oder Stab infolgedessen keine Abbiegung erfährt.
Wenn anderseits die Komponente geringer Ausdehnung aus andern hitzebeständigen Legierungen besteht, zeigt sich, dass ihre Ausdehnungskoeffizienten unterhalb etwa 371 C praktisch den gleichen Wert haben wie die Komponente mit der stärkeren Ausdehnung, so. dass der zusammengesetzte Streifen keine Abbiegung zeigt.
Die stark ausdehnungsfähige Schicht des Bimetallelementes gemäss der Erfindung besteht aus einer Legierung, welche mindestens ein Metall der Eisengruppe (Eisen, Nickel, Kobalt) und 10-26 /o Chrom enthält, in welcher Legierung kleine Mengen von andern Be sta. ndteilen, die in solchen Legierungen üblich und später erwähnt sind, nicht ausgeschlossen sind. Solche Legierungen können bei Temperaturen bis zu 1200 C oxydationsbeständig sein und sind bereits zur Herstellung der stark ausdehnungsfähigen Komponente von Bimetallelementen verwendet worden.
Die genannte Legierung mit hohen Wärme- ausdehnungskoeffizienten besitzt normalerweise einen mittleren Ausdehnungskoeffizien- ten im Bereich von 149 bis 1093 C von über 32 X 10-6 cm/cm/ C, wobei der bevorzugte Wert etwa 41 X 10-6 em/cm/ C beträgt. Obgleich manche Sorten aus dieser Gruppe von Legierungen bei verhältnismässig niedrigen Temperaturen, wie etwa 150 C, ziemlich geringe Ausdehnungswerte haben, steigen diese bis zu etwa 200 C schnell an.
Bei weiterer Erhöhung der Temperatur zeigt sich dann nur noch eine sehr geringe Zunahme der Ausdehnung, so dass diese Legierung nach an fänglicher schroffer Steigerung der Aus- dehnung bei geringen Temperaturen eine lineare Temperaturabhängigkeit der Aus clehnung zeigen. Wenn derartige Legierungen mit der Komponente geringer Ausdehnung gemäss der Erfindung verbunden werden, or- hält man ein Bimetallelement, welches in einem weiten Messbereich eine praktisch konstante und starke Abbiegung aufweist.
Eine andere wertvolle Eigenschaft der Legierungen mit höherem Wärmeausdehnungskoeffizienten ist ihr hoher Schmelzpunkt. Dadurch behalten sie bei den hier möglichen Temperaturen ihre HÏrte und Elastizität bei.
Bei der Herstellung eines Bimetallelemen- tes. der hier beschriebenen Art empfiehlt es sich, eine verhältnismässig dicke Stange oder Streifen auf die gewünschte Endstärke aus zuwalzen. Dieses Auswalzen kann erfolgen, bevor die beiden Komponenten zum Bimetall verbunden werden, was beispielsweise durch Verschmelzen oder durch Hartl¯ten mit einem temperaturbeständigen Hartlot erfolgen kann, oder erst nach dieser Verbindung. Die Kom ponente hoher Ausdehnung soll deshalb zweck- mässig aus einem Werkstoff bestehen, welcher geschmiedet werden kann, so dass die Verfor- mung also kein Schmelzen und neues Giessen erfordert.
Zu den hitzebeständigen Legierungen, welche sich als Komponente hoher Ausdeh- nung f r die erfindungsgemässen Bimetallelemente eignen und die oben erwähnten Eigenschaften haben, gehören die unter den Markenbezeichnungen Inconel und Nichrom¯ bekannten Speziallegierungen. Man bann auch eine Legierung von 16 /o Chrom, 25% Nickel und 6 /o Molybdän verwenden oder eine solehe mit 25 I/o Chrom, 21"/o Nickel und 2 /o Silizium. Diese Legierungen können z. B.
Titan, Niob, Mangan, Kohlenstoff oder (ausser Chrom) wenigstens ein weiteres Element der Gruppe VIa des periodischen Systems (also Molybdän und/oder Wolfram) oder wenigstens ein Element mit der Atomnummer von 14 bis 16 (Si, P, S) in einer Menge bis zu 5% insgesamt enthalten. Eine Legierung aus etwa 80 /o Nickel und 20 /o Chrom hat sich als besonders geeignet heraus- gestellt.
Der Niekelgehalt derartiger Legie- ru. ngen liegt beispielsweise zwischen 9 und 80 /o, der Chromgehalt kann bis zu 10 /o, im allgemeinen nieht unter 13 /;, und bis zu 26 /; gehen. Ire den vorstehend f r die Kom- ponente hoher Ausdehnung vorgesehlagenen Legierungen mit einem Gehalt von Chrom und Nickel kann Nickel ganz oder teilweise durch Kobalt ersetzt werden.
Wenn eine hitzebeständige Legierung wie oben beschrieben mit einer Platinlegierung verbunden wird, erhält man ein Bimetallelement, welches eine genügende mechanische Festigkeit hat, um sich gleichmässig zwischen den mögliehen Extremwerten der Temperatur zu biegen. Die Komponenten behalten ihre hohe Elastizität und erfahren selbst nach langem und wiederholtem Erhitzen und Küh- len keine bleibende Deformation. Ferner kann die Abbiegung der Bimeballelemente gemäss der Erfindung in linearer Abhängigkeit von der Temperatur erfolgen, wodureh sich ihre Verwendnng zur Temperaturkontrolle auch dann noch erlaubt, wenn die Regelung in einem sehr engen Temperaturbereich erfolgen muss.
Die Bimetallelemente sind zweckmässi- gerweise oxydationsbestÏndig, was andernfalls die Arbeitsweise des Bimetallelementes naehteilig beeinflussen w rde.
In der vorstehenden Beschreibung sind Beispiele angeführt,welchedenFachmann in die Lage versetzen, Bimetallstreifen gemäss der Erfindung herzustellen. Die Erfindung beschränkt sich indessen nicht auf die hier gegebenenBeispiele,sonderndierelativen Anteile der verschiedenen Bestandteile, die Art der Legierungszusätze zu den Hau. ptmetal- len und die Art und Weise, in welcher die Schichten miteinander verbunden werden, kann variieren, natürlich immer vorausgesetzt, dass das Endprodukt ein Bimetallelement dar- stellt, welches die erfindungsgemässen Eigen- schaften besitzt. Zum Beispiel kann man der Platinlegierung kleine Mengen von Nickel oder Chrom zusetzen.
Ferner ka. nn das Bimetallelement aus einer Mehrzahl von Schich- ten bestehen, welche Aussensehichten aus den hier beschriebenen Legierungen haben,