DE1021171B

DE1021171B - Bimetal, especially for thermoregulators

Info

Publication number: DE1021171B
Application number: DEB19274A
Authority: DE
Inventors: William Larue Perrine; Max Joseph Stumbock
Original assignee: Baker and Co Inc
Current assignee: Baker and Co Inc
Priority date: 1952-02-27
Filing date: 1952-02-27
Publication date: 1957-12-19

Description

Bimetall, insbesondere für Thermoregler Die Erfindung bezieht sich auf wärmeempfindliche Vorrichtungen, bestehend aus hitzebeständigen Bimetallen, insbesondere für Thermoregler, deren Element von niedriger Ausdehnung aus einer Platinlegierung besteht.Bimetal, especially for thermal regulators The invention relates to on heat-sensitive devices, consisting of heat-resistant bimetals, especially for thermoregulators whose element of low expansion consists of a Platinum alloy is made.

Wenn ein Bimetallstreifen Temperaturänderungen ausgesetzt wird, biegt er sich infolge der' unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der zu ihrer Herstellung verwendeten Elemente. Ein: derartiger Bimetallstreifen wird gewöhnlich zur Steuerung verschiedener Vorrichtungen benötigt, z. B. für die thermostatische Steuerung des Öffnens und Schließens elektrischer Kreise. Man hat eine ganze Reihe von. Metallen. und Legierungen für Bimetall-Thermoregler vorgeschlagen, indessen beschränkt sich ihre Verwendungsmöglichkeit auf verhältnismäßig tiefe Tempera.-turen und außerdem meist auf enge Temperaturbereiche. Diese Einschränkungen der Anwendungsmöglichkeiten 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 unregelmäßigen Veränderungen der Ausdehnungskoeffizienten und. anderen unten. zu erörternden Einflüssen:.When a bimetal strip is exposed to temperature changes, it flexes he is due to the 'different coefficients of thermal expansion to their Elements used in manufacture. Such a bimetal strip becomes common needed to control various devices, e.g. B. for the thermostatic Control the opening and closing of electrical circuits. You have quite a number from. Metals. and alloys for bimetal thermoregulators have been proposed, however Their use is limited to relatively low temperatures and also mostly to narrow temperature ranges. These restrictions on the application possibilities are based on a number of factors, e.g. B. the low resistance to oxidation of metals at high temperatures, and also the decrease in strength as a result of the repetitive heating and cooling as well as the irregular changes the expansion coefficient and. other below. Influences to be discussed:

Die Erfindung zielt auf einen Bimetallstreifen ab, welcher als Thermoregler bei Temperaturen einerseits Ibis zu etwa 1093° C, andererseits auch bei verhältnismäßig geringen Temperaturen, wie etwa 149° C, zufriedenstellend arbeitet.. Insbesondere zielt die Erfindung auf ein hitzebeständiges Bimetall ab, welches innerhalb des Temperaturbereichs von 149 bis 1093° C eine gleichbleibende und starke Ablenkung aufweist und lange Zeit arbeiten kann, ohne durch die Beanspruchung und Temperatureinwirkung eine dauernde Verformung zu erleiden. Weitere Vorteile und Zweckangaben der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.The invention aims at a bimetal strip, which as a thermal controller at temperatures on the one hand ibis to about 1093 ° C, on the other hand also at relatively works satisfactorily at low temperatures, such as about 149 ° C .. In particular the invention aims at a heat-resistant bimetal, which is within the Temperature range from 149 to 1093 ° C a constant and strong deflection and can work for a long time without exposure to stress and temperature to suffer permanent deformation. Further advantages and purposes of the invention emerge from the description below.

Es wurde gefunden; daß man, ein Bimetall mit außerordentlich guten Eigenschaften. erhält, wenn man als Element mit geringem Ausdehnungskoeffizienten Legierungen. von Platin und anderen. Metallen der Platingruppe, wie Rhodium und, Palladium und. deren Legierungen:, verwendet. Zum Beispiel hat eine Legierung aus 10 bis 30% Rhodium, Rest Platin einen mittleren Ausdehnungskoeffizienten. von etwa ?7 ₧ 10-6 cm/cm Länge/' C im Bereich von 149 bis 1093° C. Wenn die Ausdehnungskoeffizienten dieser Legierung gegen die Temperaturen, aufgetragen werden, erhält man, eine angenähert gerade Linie, und wenn auch der Ausdehnungskoeffizient mit steigender Temperatur zunehmen kann, ist diese Zunahme nur gering im Vergleich mit anderen, Metallen und Legierungen, außerdem weisen die Ausdehnungskurven der gemäß der Erfindung verwendeten, Legierungen geringer Ausdehnung im Vergleich mit denen anderer Metalle keine scharfe Krümmung auf.It was found; that one, a bimetal with extraordinarily good Properties. obtained if one is an element with a low coefficient of expansion Alloys. of platinum and others. Platinum group metals such as rhodium and, Palladium and. their alloys: used. For example, made an alloy 10 to 30% rhodium, the remainder platinum has a medium expansion coefficient. about ? 7 ₧ 10-6 cm / cm length / 'C in the range of 149-1093 ° C. When the expansion coefficient this alloy against the temperatures to be applied, one obtains an approximate straight line, and albeit the coefficient of expansion with increasing temperature can increase, this increase is only small in comparison with others, metals and Alloys, in addition, the expansion curves of the used according to the invention, Alloys of low expansion compared with those of other metals are not sharp Curvature up.

Diese Eigenschaft einer geringen, linearen und. annähernd konstanten Ausdehnung ist für das Bimetallelement .geringer Ausdehnung sehr vorteilhaft, weil sie die Verwendung des Bimetallstreifens als Thermoregler über einen weiten Temperaturbereich erlaubt. Wenn es z. B. erwünscht ist, einen elektrischen Stromkreis bei etwa 1038° C zu öffnen und ihn darauf bei etwa 204° C zu schließen, muß sich das Bimetall um einen merklichen. Betrag von Öffnungs- zu Schließstellung räumlich verändern, damit der Schaltvorgang scharf bei den. eingestellten Temperaturen erfolgt. Wenn das Bimetall ein Element mit einem verhältnismäßig geringen Ausdehnungskoeffizienten hat, wofür gemäß der Erfindung Platinlegierungen vorgesehen sind, wird es eine merkliche Abbiegung aufweisen, wodurch die gewünschten Temperaturpunkte selbst dann scharf eingestellt werden, können, wenn die Grenzwerte weit voneinander entfernt sind. Da, ferner die Änderungen der Ausdehnungskoeffizienten der hier für das Element geringer Ausdehnung verwendeten. Legierungen mit der Temperatur annähernd konstant sind., die Ausdehnungskoeffizienten also eine lineare Funktion der Temperatur sind, erfolgt die Abbiegung des Bimetalls über den gesamten Meßbereich gleichmäßig, und zwar auch dann, wenn innerhalb des Arbeitsbereiches kurzzeitige starke Abbiegungen erfolgen.This property of a low, linear and. approximately constant Expansion is very advantageous for the bimetallic element they use the bimetal strip as a thermal controller over a wide temperature range permitted. If it z. B. is desired to have an electrical circuit at about 1038 ° To open it and then close it at about 204 ° C, the bimetal has to turn around a noticeable one. Spatially change the amount from the open to the closed position so the switching process is sharp at the. set temperatures takes place. If the bimetal has an element with a relatively low coefficient of expansion, for which purpose if platinum alloys are provided according to the invention, there will be a noticeable deflection have, whereby the desired temperature points are even then in focus when the limit values are far apart. There, also the Changes in the expansion coefficients here for the element of low expansion used. Alloys with the temperature are approximately constant., The coefficients of expansion are therefore a linear function of temperature, the bimetal is bent Evenly over the entire measuring range, even if within the Short sharp turns in the work area.

Es wurde gefunden, daß ein Bimetall bei Erhöhung des Rhodiumgehaltes der für das Element geringer Ausdehnung verwendeten Platinlegierung auf über etwa 300/o keine konstante Abbiegung mehr hat. An.-derers:eits zeigen sich, wenn der Rhodiumgeha.lt unter etwa 10°/o liegt, bei erhöhtenTempera.turen Anzeichen von Desintegration. Für bestimmte Verwendungszwecke kann sogar ein Rhodiumgehalt von 5% noch tragbar sein, für bestimmte andere Verwendungszwecke wiederum kann er bis zu 500/o betragen. Die günstigste Zusammensetzung für die Zwecke der vorliegenden Erfindung liegen bei etwa 80% Platin und 20 0/o Rhodium.It has been found that a bimetal is formed when the rhodium content is increased of the platinum alloy used for the low expansion element to about 300 / o no longer has a constant turn. Other: already show up when the Rhodium content is below about 10%, signs of increased temperatures from Disintegration. For certain purposes, a rhodium content of 5% can still be portable, for certain other purposes it can be up to to be 500 / o. The most favorable composition for the purposes of the present Invention are about 80% platinum and 20% rhodium.

Die bisher für das Element geringer Ausdehnung eines Thermoreglers verwendeten Metalle und Legierungen. eignen sich nicht für den hier angestrebten Meßbereich. Die: Metalle und Legierungen, welche sich für verhältnismäßig geringe Temperaturen eignen, werden bei der Erwärmung auf etwa 583' C weich und verlieren ihre Festigkeit und Elastizität, wodurch sie dem stark ausdehnungsfähigen Element gegenüber keinen Widerstand mehr bieten und der zusammengesetzte Streifen oder Stab infolgedessen keine Abbiegung erfährt. Wenn andererseits das Element geringer Ausdehnung aus hitzebeständigen. Legierungen besteht, zeigt sich, daß deren Ausdehnungskoeffizienten unterhalb etwa 371° C praktisch alle den. gleichen Wert haben, so daß alle Elemente gleiche Ausdehnung aufweisen und der zusammengesetzte Streifen keine Abbiegung zeigt.The previously for the element of low expansion of a thermoregulator metals and alloys used. are not suitable for the one aimed at here Measuring range. Die: Metals and alloys, which are relatively low Temperatures suitable will soften and lose when heated to around 583 ° C their strength and elasticity, which makes them the highly expandable element to no longer offer any resistance and the composite strip or rod as a result, does not experience a turn. On the other hand, if the low expansion element made of heat-resistant. Alloys consists, it is shown that their coefficients of expansion below about 371 ° C practically all of the. have the same value so that all elements have the same extent and the composite strip shows no bend.

Das stark ausdehnungsfähige Element der Bimetalle gemäß der Erfindung wird aus den, hitzebeständigen Legierungen mit verhältnismäßig hohem Chrom-Nickel-Gehalt gebildet. Diese Legierungen sind bei Temperaturen bis zu 1204° C oxydationsbeständig und bereits zur Herstellung des stark ausdehnungsfähigen Elements von thermostatischen Bimetallen verwendet worden.. Verbundmetalle, bestehend aus chromlegierten Unterlagen mit Edelmetallauflagen aus Gold- oder Platinlegierungen und, einer Zwischenschicht, waren an sich bekannt und wurden z. B. für Juwelierarbeiten verwendet, aber niemals für Thermobimetalle, da die besonderen, mit ihnen hier erzielbaren. Wirkungen nicht erkannt wurden.The highly expandable element of the bimetals according to the invention is made from heat-resistant alloys with a relatively high chromium-nickel content educated. These alloys are resistant to oxidation at temperatures up to 1204 ° C and already for the production of the highly expandable element of thermostatic Bimetals have been used .. Composite metals, consisting of chrome-alloyed substrates with precious metal layers made of gold or platinum alloys and, an intermediate layer, were known per se and were z. B. used for jewelry work, but never for thermal bimetals, as the special ones that can be achieved with them here. Effects do not recognized.

Die thermischen Eigenschaften der hitzebeständigen Legierungen machen sie als stark ausdehnungsfähiges Element von. Bimetallen, gemäß der Erfindung besonders geeignet. Die mittleren Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 149 bis 1093° C überschreiten 32 - 10-6 cm/cm/° C, wobei der bevorzugte Wert etwa 41 ₧ 10-0 cm/cm/° C beträgt. Obgleich manche Sorten aus dieser Gruppe von Legierungen bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, wie etwa 149° C, ziemlich geringe Ausdehnungswerte haben, steigen diese bis zu etwa 204° C schnell an. Bei weiterer Erhöhung der Temperatur zeigt sich dann nur noch eine sehr geringe Zunahme der Ausdehnung, so daß diese Legierungen nach anfänglicher schroffer Steigerung der Ausdehnung bei geringen Temperaturen eine lineare Temperaturabhängigkeit der Ausdehnung zeigen. Wenn derartige Legierungen mit dem Element geringer Ausdehnung gemäß der Erfindung verbunden werden, erhält man ein Bimetall, welches in einem weiten Meßbereich eine konstante und starke Abbiegung aufweist.The thermal properties of the refractory alloys make it it as a highly expandable element of. Bimetals, especially according to the invention suitable. The mean expansion coefficients in the range from 149 to 1093 ° C exceed 32-10-6 cm / cm / ° C, the preferred value being about 41 ₧ 10-0 cm / cm / ° C. Although there are some types from this group of alloys relatively low temperatures, such as about 149 ° C, rather low expansion values these rise rapidly up to around 204 ° C. If the temperature rises further Then there is only a very slight increase in the expansion, so that this Alloys after an initial sharp increase in expansion at low temperatures show a linear temperature dependence of the expansion. If such alloys connected to the low expansion element according to the invention a bimetal, which has a constant and strong deflection over a wide measuring range having.

Eine andere wertvolle Eigenschaft dieser wärmebeständigen Legierungen ist ihr hoher Schmelzpunkt. Dadurch behalten sie bei den hier möglichen hohen Temperaturen ihre Härte und Elastizität bei.Another valuable property of these heat-resistant alloys is their high melting point. This keeps them at the high temperatures possible here their hardness and elasticity.

Bei der Herstellung eines thermostatischen Biinetalls der hier beschriebenen Art empfiehlt es sich, eine verhältnismäßig dicke Stange oder Streifen auf die gewünschte Endstärke auszuwalzen. Dieses Auswalzen kann entweder erfolgen, bevor die beiden Elemente zum Bimetall verbunden werden, z. B. durch Schmelzen oder durch Hartlöten mit einem temperaturbeständigen Hartlot oder nach dieser Verbindung. Es ist vorzuziehen als Element hoher Ausdehnung einen Werkstoff zu verwenden, welcher geschmiedet werden kann, als eine Legierung zu verwenden, die durch Gießen in die gewünschte Form gebracht wird. Der Werkstoff muß daher walzbar sein. Spröde Werkstoffe, wie Karbide, kommen nicht in. Betracht.When making a thermostatic biinetal of the one described here It is best to use a relatively thick rod or strip on the desired type Roll out the final thickness. This rolling out can either be done before the two Elements are connected to the bimetal, z. B. by melting or by brazing with a temperature-resistant hard solder or after this connection. It is preferable to use a material that is forged as an element of high expansion can be used as an alloy that is cast into the desired shape will. The material must therefore be rollable. Brittle materials such as carbides come not in consideration.

Zu den hitzebeständigen Legierungen, welche sich als Element hoher Ausdehnung für die erfindungsgemäßen Bimetalle eignen und die obenerwähnten Eigenschaften haben, gehören die bekannten hitzebeständigen Nickel-Chrom- oder Nickel-Chrom-Eisen-Legierungen, die 0 bis 650/o Eisen, 10, vorzugsweise 13 bis 260/o Chrom. Rest 9 bis 800/o Nickel, enthalten. Diese Legierungen können außerdem kleine Mengen Mangan, Molybdän, Wolfram, Titan., Niob, Silizium, Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel und andere hierfür bekannte Elemente und Verbindungen, enthalten, die für hitzebeständige Legierungen verwendet werden und keine Änderungen. der Eigenschaften der Legierungen zu Folge haben. Man kann, z. B. eine Legierung aus Eisen mit 160/o Chrom, 250/o Nickel und 60/o Molybdän oder aus Eisen mit 250/o Chrom, 10/o Nickel und 20/o Silizium verwenden. Eine Legierung aus etwa 800/o Nickel und 200/o Chrom hat sich als besonders geeignet herausgestellt. In den vorstehend für das Element hoher Ausdehnung vorgeschlagenen Legierungen kann Nickel ganz oder teilweise durch Kobalt ersetzt werden.Among the heat-resistant alloys, which are higher than the element Expansion suitable for the bimetals according to the invention and the properties mentioned above include the well-known heat-resistant nickel-chromium or nickel-chromium-iron alloys, the 0 to 650 / o iron, 10, preferably 13 to 260 / o chromium. Balance 9 to 800 / o nickel, contain. These alloys can also contain small amounts of manganese, molybdenum, tungsten, Titan., Niobium, silicon, carbon, phosphorus, sulfur and others known for this Elements and compounds included, used for heat-resistant alloys will be and no changes. the properties of the alloys. Man can e.g. B. an alloy of iron with 160 / o chromium, 250 / o nickel and 60 / o molybdenum or iron with 250 / o chromium, 10 / o nickel and 20 / o silicon. An alloy from about 800 / o nickel and 200 / o chromium has been found to be particularly suitable. In the alloys suggested above for the high expansion element, Nickel can be replaced in whole or in part by cobalt.

Wenn eine wärmebeständige Legierung wie oben beschrieben mit einer Platinlegierung verbunden wird, erhält man ein Bimetall, welches eine genügende mechanische Festigkeit hat, um sich gleichmäßig zwischen den möglichen Grenzwerten der Temperatur zu biegen. Die Elemente behalten ihre hohe Elastizität und erfahren selbst nach langem und wiederholtern Erhitzen und Kühlen keine bleibende Verformung. Ferner erfolgt die Abbiegung der Bimetalle gemäß der Erfindung in linearer Abhängigkeit von der Temperatur, wodurch sich ihre Verwendung zur Temperaturkontrolle auch dann noch erlaubt, wenn die Regelung in einem sehr engen Temperaturbereich erfolgen muß. Die Bimetallelemente sind oxydationsbeständig, was für eine einwandfreie Arbeitsweise des Bimetalls erforderlich ist.When a heat resistant alloy as described above with a Platinum alloy is connected, you get a bimetal, which has a sufficient mechanical strength has to be evenly between the possible limits to bend the temperature. The elements retain their high elasticity and experience no permanent deformation even after long and repeated heating and cooling. Furthermore, the bending of the bimetals according to the invention takes place in a linear relationship on the temperature, which makes its use for temperature control even then still allowed if the regulation has to take place in a very narrow temperature range. The bimetallic elements are resistant to oxidation, what a perfect way of working of the bimetal is required.

In der vorstehenden Beschreibung sind Beispiele angeführt, welche den Fachmann in die Lage versetzen. Bimetallstreifen gemäß der Erfindung herzustellen. Die Erfindung beschränkt sich- indessen nicht auf die hier gegebenen Beispiele, sondern die relativen Anteile der verschiedenen Bestandteile. die Art der Legierungszusätze zu den Hauptmetallen und die Art und Weise, in welcher die Schichten miteinander verbunden werden. kann innerhalb der angegebenen Grenzen variieren, natürlich immer vorausgesetzt, daß das Endprodukt ein: thermostatisches Bimetall darstellt, welches die oben angegebenen. Eigenschaften besitzt. Zum Beispiel kann man der Platinlegierung bis zu 5 0/o Nickel oder Chrom in Mengen bis zu 3% zusetzen. Ferner kann das zusammengesetzte Bimetall aus einer Mehrzahl von Schichten bestehen, welche Außenschichten aus den hier beschriebenen Legierungen haben.In the above description, examples are given which enable the specialist. Manufacture bimetal strips according to the invention. The invention is not limited to the examples given here, but the relative proportions of the various components. the type of alloy additions to the main metals and the way in which the layers interrelate get connected. can vary within the specified limits, of course always provided that the end product is a: thermostatic bimetal, which the ones given above. Possesses properties. For example one can use the platinum alloy add up to 50 / o nickel or chromium in amounts of up to 3%. Furthermore, the compound Bimetal consist of a plurality of layers, which outer layers from the alloys described here.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Bimetal, especially for thermoregulators, thereby characterized that tlie layer with lioliein @ heat resistance coefficient a Nickel-Chroni- or \ Tic @: el-Chrot @ i-Eisen-L @ greedy. «-Which 0 to 65" 'o Iron. 10 to 260 / o chromium, balance 9 to 800 / o nickel, contains, and the layer with a low coefficient of thermal expansion made of a platinum alloy with 10 to 300 / o of another platinum metal, the remainder being platinum. z. Bimetal according to claim 1, characterized in that in the heat-resistant alloy all or part of the nickel has been replaced by cobalt. 3. bimetal according to claim 1, characterized in that the heat-resistant alloy of 800 / o nickel and 200 / o consists of chromium. 4. bimetal according to claim 1 and 2, characterized in that that the heat-resistant alloy also has one or more of the elements molybdenum, Tungsten, titanium, niobium, manganese, silicon, carbon, phosphorus and sulfur in one Contains amount up to about 5% total. 5. bimetal according to claim 1 to 4, characterized characterized in that the platinum alloy consists of 10 to 30, preferably 20% rhodium, Remainder platinum:, consists. 6. bimetal according to claim 1 and 5, characterized in that that the platinum alloy also has up to 5 0 / o nickel or up to. 3 0 / o chrome contains. 7. bimetal according to claim 1 to 5, characterized in that the layer with a high coefficient of expansion in the temperature range from 149 ° to 1093 ° Expansion coefficients of over 32 - 10-s CM / CM / 0 C, preferably of around 41 - has 10-0 cm / cm / ° C. Publications considered: German patent specification No. 703 430.