DE19506850A1

DE19506850A1 - Thermobiegeelement

Info

Publication number: DE19506850A1
Application number: DE1995106850
Authority: DE
Inventors: Hans Prof Dr Warlimont; Helmut Dr Hermann
Original assignee: Institut fuer Festkoerper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Institut fuer Festkoerper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 1995-03-01
Filing date: 1995-03-01
Publication date: 1996-09-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermobiegeelement in Form eines metallischen Verbundwerkstoffs, dessen Verbundkomponenten aus Metallen oder Metallegierungen mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungsverhalten bestehen, so daß bei Temperaturänderungen eine Durchbiegung oder Auslenkung des Biegeelements erfolgt.

Derartige Thermobiegeelemente sind beispielweise anwendbar in Temperaturmeßgräten und für Temperaturregler, für temperaturge steuerte Schalter und Ventile, als elektrische Sicherungen und in elektrischen Meßgeräten.

Es sind bereits Thermobigeelemente bekannt. Hierbei handelt es sich um Bimetallelemente, die prinzipiell aus zwei fest mitein ander verbundenen Metall- oder Metallegierungsschichten beste hen, die etwa gleich dick sind und einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Die eine der Schichten besitzt dabei als sogenannte aktive Komponente einen großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, während die andere, einen kleinen Ausdehnungskoeffizienten aufweisende Schicht die passive Komponente darstellt. Bekannt sind beispielweise Bimetallelemente, bei denen als aktive Komponente eine FeMn- Legierung und als passive Komponente eine FeNi-Legierung(Invar) eingesetzt ist (DE-OS 28 07 854).

Die für die große Zahl unterschiedlicher Anwendungsfälle benö tigten Bimetallvarianten werden nach dem Stand der Technik über wiegend durch Auswahl unterschiedlicher Metalle und Metallegie rungen für die Schichten realisiert. Dies bedeutet für die Praxis eine große Vielfalt von Verbundkomponenten und daraus re sultierend erhebliche technische und wirtschaftlichen Probleme sowie Schwierigkeiten bei der Schrottverwertung und in der Lagerhaltung.

In manchen Fällen werden die bekannten Bimetallelemente noch mit Zusatzschichten versehen, um beispielweise die Leitfähigkeit des Bimetallelements zu erhöhen (US-PS 4 050 906). Derartige Zusatz schichten ergeben zusätzliche Probleme durch Schrottverunreini gungen, wenn sie aus Metallen bestehen, die nicht in den Bime tallkomponenten enthalten sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Thermobiegeelemente in Form metallischer Verbundwerkstoffe, deren Verbundkomponenten aus Metallen oder Metallegierungen mit unterschiedlichem thermi schen Ausdehnungsverhalten bestehen, so zu gestalten, daß mit einer minimalen Anzahl unterschiedlicher Metall- oder Metalle gierungen eine kontinuierliche Vielfalt anwendungsbezogener Funktionseigenschaften der Thermobiegeelemente (Durchbiegung, Auslenkung, Temperaturabhängigkeit, Kraftwirkung usw.) reali siert werden kann.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei Thermobiegeelementen zwei oder mehr als zwei Verbundkomponenten mit unterschiedlicher Geometrie miteinander verbunden sind, wo bei die gewünschten Funktionseigenschaften des Thermobiege elements durch gezielt gewählte Metalle oder Metallegierungen mit gezielt gewählter unterschiedlicher Geometrie der Verbund komponenten eingestellt werden.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der aus Verbundkomponenten unterschiedlicher Geometrie bestehende Ver bundwerkstoff als Schichtverbund mit zueinander unterschiedlich dicken Metall- oder Metallegierungsschichten ausgeführt. Vorzugsweise besteht der Schichtverbund aus nur zwei unterschiedlich dicken Metall- oder Metallegierungsschichten, wobei das Verhältnis s der Dicke der aktiven Komponente zur Dicke der passiven Komponente mit unterhalb 0,85 oder oberhalb 1,15 gewählt ist.

Die gewünschten Funktionseigenschaften können auch unter Einbeziehung einer gezielt gewählten Reihenfolge der Schichten des Schichtverbundes eingestellt sein.

Der Schichtverbund kann Zusatzschichten enthalten, insbesondere solche, welche die elektrische Leitfähigkeit und/oder die Korro sionsbeständigkeit des Verbundwerkstoffes erhöhen.

Vorzugsweise enthalten die Zusatzschichten Werkstoffe, die auch in den Verbundkomponenten als Hauptlegierungsbestandteile vor handen sind. Zweckmäßigerweise bestehen die Zusatzschichten aus reinem Eisen, reinem Nickel, reinem Kobalt oder Legierungen die ser Elemente.

Die Zusatzschichten können zueinander und/oder zu den anderen Schichten des Schichtverbundes gleiche oder unterschiedliche Ab messungen besitzen.

Mit den erfindungsgemäßen Thermobiegeelementen werden gegenüber den bekannten Bimetallelementen wesentliche Vorteile erreicht.

So ist es besonders vorteilhaft, daß mit einer minimalen Anzahl unterschiedlicher Metall- oder Metallegierungen eine kontinu ierliche Vielfalt anwendungsbezogener Funktionseigenschaften der Thermobiegeelemente (Durchbiegung, Auslenkung, Temperaturabhän gigkeit, Kraftwirkung usw.) realisiert werden kann. Mit der hierdurch möglichen Reduzierung der Sortenvielfalt werden die Wirtschaftlichkeit erhöht und die technischen Probleme der Schrottverwertung reduziert.

Durch die Verwendung von Zusatzschichten, die vorzugsweise nur solche Werkstoffe enthalten, welche auch in den Verbundkomponen ten als Hauptlegierungsbestandteil vorhanden sind, lassen sich die technischen Probleme der Schrottverwertung zusätzlich ver ringern.

Von besonderem Vorteil ist auch, daß mit der erfindungsgemäßen Gestaltung der Thermobiegeelemente die Möglichkeit eröffnet ist, mittels rechnerischer Modellierung und Simulation die für den jeweiligen Anwendungsfall erforderlichen Eigenschaften des Thermobiegeelements theoretisch durch die geeignete Kombination und Anzahl von zu verwendenden Verbundkomponenten, ihrer Reihen folge im Schichtverbund und ihrer Dicke vorauszubestimmen.

Nachfolgend ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Das Beispiel betrifft eine Gruppe von Thermobimetallen, bei der lediglich 2 Ausgangslegierungen eingesetzt sind. Als aktive Kom ponente ist FeNi20Mn6 mit einem mittleren linearen Ausdehnungs koeffizienten α=20×10^-6 K^-1 und einem spezifischen elektrischen Widerstand ρ=80 µΩcm verwendet. Die passive Komponente besteht aus FeNi39 mit α=3,5×10^-6 K^-1 und ρ=78 µΩcm.

Mit diesen beiden Komponenten ist auf dem Wege eines gezielt gewählten Verhältnisses s der Dicke s_a der aktiven Komponente zur Dicke s_p der passiven Komponente die in der nachstehenden Liste angegebene Gruppe von Thermobimetallen realisiert worden, deren spezifische thermische Krümmung k in einem Bereich von 24,4×10^-6K^-1 bis 19,6×10^-6K^-1 liegt und die mittels Computersimu lation nach Vorgabe der gewünschten Parameterwerte ermittelt wurde.

k(10^-6 K^-1)
s(s_a/s_p)
24,4
0,787
24,4	1,270
24,0	0,703
24,0	1,422
22,0	0,500
22,0	2,000
21,0	0,440
21,0	2,275
19,6	0,373
19,6	2,678

Demgegenüber wären nach dem Stand der Technik zur Realisierung einer Thermobimetallgruppe, die einen ähnlichen k-Bereich ab deckt, 8 oder mehr verschiedene Ausgangslegierungen erforder lich.

Beispiel 2

Dieses Beispiel betrifft eine Gruppe von Thermobimetallen, die durch eine spezifische thermische Krümmung k im Bereich von 37,0× 10^-6K^-1 bis 28,5×10^-6K^-1 charakterisiert ist. Für die Realisierung dieser Gruppe sind ebenfalls nur 2 Ausgangslegierungen eingesetzt. Als aktive Komponente ist Mn72Cu18Ni10 mit einem mittleren linearen Ausdehnungskoeffizien ten α=26,53x10^-6 K^-1 und einem spezifischem elektrischen Wider stand ρ=171 µΩcm verwendet. Die passive Komponente besteht aus FeNi39 mit α=1,5×10^-6 K^-1 und ρ=78 µΩcm.

Mit diesen beiden Komponenten ist auf dem Wege eines gezielt ge wählten Verhältnisses s der Dicke s_a der aktiven Komponente zur Dicke s_p der passiven Komponente die in der nachstehenden Liste angegebene Gruppe von Thermobimetallen realisiert worden, die mittels Computersimulation nach Vorgabe der gewünschten Parame terwerte ermittelt wurde.

k(10^-6 K^-1)
s(s_a/s_p)
37,0
0,793
37,0	1,261
36,5	0,719
36,5	1,390
36,9	0,775
36,9	1,290
35,0	0,590
35,0	1,700
28,5	0,342
28,5	2,921
28,0	0,330
28,0	3,027
26,9	0,306
26,9	3,270
26,4	0,295
26,4	3,387
25,1	0,270
25,1	3,706

Demgegenüber wären nach dem Stand der Technik zur Realisierung einer Thermobimetallgruppe, die einen ähnlichen k-Bereich ab deckt, 9 oder mehr verschiedene Ausgangslegierungen erforder lich.

Claims

1. Thermobiegeelement in Form eines metallischen Verbundwerk stoffs, dessen Verbundkomponenten aus Metallen oder Metallegie rungen mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungsverhalten bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr als zwei Verbundkomponenten mit unterschiedlicher Geometrie miteinander verbunden sind, wobei die gewünschten Funktionseigenschaften des Thermobiegeelements durch gezielt gewählte Metalle oder Metalle gierungen mit gezielt gewählter unterschiedlicher Geometrie der Verbundkomponenten eingestellt werden.

2. Thermobiegeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus Verbundkomponenten unterschiedlicher Geometrie be stehende Verbundwerkstoff als Schichtverbund mit zueinander unterschiedlich dicken Metall- oder Metallegierungsschichten ausgeführt ist.

3. Thermobiegeelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtverbund aus zwei unterschiedlich dicken Metall- oder Metallegierungsschichten besteht, wobei das Verhältnis s der Dicke der aktiven Komponente zur Dicke der passiven Komponente unterhalb 0,85 oder oberhalb 1,15 gewählt ist.

4. Thermobiegeelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschten Funktionseigenschaften unter Einbeziehung einer gezielt gewählten Reihenfolge der Schichten des Schicht verbundes eingestellt sind.

5. Thermobiegeelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtverbund Zusatzschichten enthält, insbesondere solche, welche die elektrische Leitfähigkeit und/oder die Korro sionsbeständigkeit des Verbundwerkstoffes erhöhen.

6. Thermobiegeelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstoffe für die Zusatzschichten vorzugsweise die in den Verbundkomponenten vorhandenen Hauptlegierungsbestandteile enthalten.

7. Thermobiegeelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzschichten aus reinem Eisen, reinem Nickel, reinem Kobalt oder Legierungen dieser Elemente bestehen.

8. Thermobiegeelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzschichten zueinander und/oder zu den anderen Schichten des Schichtverbundes gleiche oder unterschiedliche Ab messungen besitzen.