DE2613954A1 - Thermobimetall mit hoher anwendungsgrenze sowie herstellungsverfahren hierzu - Google Patents

Thermobimetall mit hoher anwendungsgrenze sowie herstellungsverfahren hierzu

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DE2613954A1 DE19762613954 DE2613954A DE2613954A1 DE 2613954 A1 DE2613954 A1 DE 2613954A1 DE 19762613954 DE19762613954 DE 19762613954 DE 2613954 A DE2613954 A DE 2613954A DE 2613954 A1 DE2613954 A1 DE 2613954A1
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Description

Thermobimetall mit hoher Anwendungsgrenze sowie Herstellungsverfahren hierzu
Die Erfindung betrifft ein Thermobimetall mit hoher Anwendungsgrenze, bei dem mindestens eine metallische Komponente hoher Wärmeausdehnung mit mindestens einer metallischen Komponente geringer Wärmeausdehnung verbunden ist. Außerdem wird ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines solchen Thermobimetalls angegeben.
Thermobimetalle bestehen aus mindestens zwei untrennbar miteinander verbundenen metallischen Komponenten unterschiedlicher Wärmeausdehnung. Aus diesem Dehnungsunterschied resultiert bei Temperaturerhöhung eine Krümmung in einer oder mehreren Ebenen, wobei als Maß für die Krümmung des Thermobimetalls die "spezifische thermische Ausbiegung" angegeben wird. Diese liegt bei bekannten Thermobimetallen etwa zwischen 5 - -25 · 10" /K. Eine wichtige Gebrauchseigenschaft ist die "Anwendungsgrenze" des Thermobimetalls, d.h. die Temperatur, bei welcher die üblicherweise kaltverformten Thermobimetalle zu erweichen beginnen. Mit zunehmender Überschreitung der Anwendungsgrenze wird die Thermobimetallfunktion durch auftretende Formänderungen und zunehmende Erweichung des Materials gestört bzw. irre-
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versibel zerstört. 2b I 3α54
Für viele Anwendungsfälle der Thermobimetalle als preisgünstige Meß- bzw. Regelelemente werden höhere Anwendungsgrenzen als die der handelsüblichen Thermobimetalle verlangt. Nach dem Stande der Technik ist in der deutschen Patentschrift 1 110 193 bereits ein Thermobimetall mit einer Anwendungsgrenze bis zu 600 C beschrieben worden, welches als Komponente hoher Wärmeausdehnung eine Eisen-Nickel-Chrom-Legierung mit 43 - 48 Nickel, 20 - 26 Gew.^ Chrom, Rest Eisen und als Komponente geringer Wärmeausdehnung eine Eisen-Chrom-Kupfer-Legierung mit 20 - 25 Gew.# Chrom und 0,3 - 2,5 Gew.i Kupfer aufweist. Ein solches bekanntes Thermobimetall bietet jedoch gegenüber den handelsüblichen Ausführungen keine wesentlichen Vorteile, weil die höhere Temperaturbeständigkeit mit einer zu geringen spezifischen thermischen Ausbiegung von nur 3,5 · 10"" /K verbunden ist. Außerdem zeigt dieses vorbekannte Thermobimetall eine sehr wesentliche Verringerung der für die Ausnutzung seiner Kraftwirkung zulässigen Biegespannung mit ansteigender Temperatur.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, ein Thermobimetall zu schaffen, welches eine gute spezifische thermische Ausbiegung mit einer hohen, gegebenenfalls im Fertigungsprozeß einstellbaren Anwendungsgrenze sov/ie mit hoher Festigkeit vereinigt. Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Komponente hoher Wärmeausdehnung ein korrosions- und hitzebeständiger austenitischer Chrom-Nickel-Stahl und die Komponente geringer Wärmeausdehnung eine warmaushärtbare Eisen-Nickel-Titan-Legierung ist. Zweckmäßig kann für die Komponente
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hoher Wärmeausdehnung ein Chrom-Nickel-Stahl mit 14-26 Gew.^ Chrom und 6-36 Gew.$ Nickel mit oder ohne weitere Zusätze an Molybdän, Niobium, Titan und Silizium, Rest Eisen einschließlich schmelzbedingter Verunreinigungen gewählt werden. Für die Komponente geringer Wärmeausdehnung wird vorteilhaft eine warm aushärtbare Eisen-Nickel-Titan-Legierung mit 30 - 55 Gew.$ Nickel, 1 - 5 Gew.$ freiem Titan, Rest Eisen einschließlich schmelzbedingter Verunreinigungen oder eine Eisen-Nickel-Kobalt-Titan-Legierung mit 26 - 39 Gew.# Nickel, 3-16 Gew.^ Kobalt, 1 - 5 Gew.$ freiem Titan, Rest Eisen einschließlich schmelzbedingter Verunreinigungen verwendet. Die Komponente geringer Wärmeausdehnung kann gegebenenfalls zweckmäßig v/eitere Zusätze an Chrom, Molybdän, Wolfram, Niobium und Tantal enthalten, und es ist ferner u.U. vorteilhaft den Anteil des freien Titans vollständig oder teilweise durch Aluminium zu ersetzen.
Ein Thermobimetall mit den angegebenen Komponenten v/eist eine guiP spezifische thermische Ausbiegung von 8 - 12 # 10" /K auf. Es erreicht durch Warmaushärtung der Komponente niederer Wärmeausdehnung eine zwischen 600 und 750° C einstellbare Anwendungsgrenze, bei der das Thermobimetall eine gute Festigkeit aufweist.
Ein zweckmäßiges Herstellungsverfahren kann in der Weise ausgeführt werden, daß aus den Komponenten durch Walzplattieren und anschließendes Kaltwalzen, zweckmäßig mit Zwischenglühungen bei 800 - 12000C, ein Halbzeug mit der für Thermobimetalle üblichen Endverformung von 20 - 30$ Kaltwalzgrad hergestellt wird. Aus diesem Halbzeug, welches eine gute Kaltbildsamkeit aufweist, lassen sich Thermobimetallformteile als Streifen, Scheiben oder
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sonstiger dem Anwendungsbereich entsprechender Formgestaltung herstellen. Diese werden zweckmäßig erst in einbaufertigem Zustand hinsichtlich ihrer hohen Festigkeit und Anwendungsgrenze dadurch eingestellt, daß die übliche Alterung des Thermobimetalls vor dem Einbau mit der Warmaushärtung der Komponente geringer Wärmeausdehnung gekoppelt wird. In bekannten Verfahren bewirkt die Alterung der Thermobimetallteile, welche etwa 1-3 Stunden bei Temperaturen im Bereich der Rekristallationstemperatur durchgeführt wird, vor dem Einbau eine Vorwegnahme nicht temperaturproportionaler Formänderungen.
Während die bekannte Warmaushärtung der Komponente geringer Wärmeausdehnung nach dem Stande der Technik optimal in einem Zeitraum von 24 Stunden bei 600° C erfolgt, zeigt sich für die erfindungsgemäße Ausbildung des Thermobimetalls bei üblicher Kaltverformung bereits innerhalb von 1 - 3 Stunden bei Temperaturen von 600 - 750° C eine optimale Warmaushärtung. Sofern der Kaltwalzgrad nach der Endverformung des Halbzeugs auf 50 - 75$ gesteigert werden kann, wie dies für die Herstellung flacher Stanzteile aus Thermobimetall durchführbar ist, reduziert sich bei dem erfindungsgemäßen Thermobimetall die" erforderliche Zeitdauer für die Warmaushärtung auf einen Zeitraum von 10 Minuten bis 2 Stunden in einem Temperaturbereich von 550 bis 750° C.
Besonders wesentlich für die Eigenschaften des Thermobimetalls gemäß der Erfindung ist die Möglichkeit bei gegebenem Kaltwalzgrad durch die Wahl der Alterungs- bzw. Aushärtungswärmebehandlung die Anwendungsgrenze des Thermobimetalls im Temperaturbereich zwischen 600 - 750° C einstellen zu können. Bei den bekannten Thermobimetallen hängt die Anwendungsgrenze bei
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gegebener Materialkombination im wesentlichen nur von der Endverformung und der Zeitdauer der Temperatüreinwirkung beim AlterungsVorgang ab.
Ausführungsbeispiel:
Ein Thermobimetall nach der Erfindung mit einer Komponente hoher Wärmeausdehnung aus Chrom-Nickel-Stahl mit 18 Gew.$ Chrom und 8 Gew.^ Nickel und einer Komponente geringer Wärmeausdehnung der Zusammensetzung 32 Gew.$ Ii, 14,5 Gew.^ Co, 1,6 Gew.^ Ti, Rest Eisen im Schichtdickenverhältnis von 1 : 1 der Komponenten weist als Halbzeug mit 25$ Kaltwalzgrad eine spezifische thermische Ausbiegung von 8,8 . 10"" /K,
2 einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,65SLmm/mm , eine Zugfestigkeit von 890 N/mm , eine Streckgrenze von 750 N/mm , eine Bruchdehnung von öin = ^0 uu& eine zu~ lässige Biegespannung von 250 N/mm bei 20° C auf. Durch Alterung τοη 1 Stunde bei 700° C oder 3 Stunden bei 650° C nimmt die spezifische thermische Ausbiegung auf 9,6 · 10" /K zu. Die bei 20° C bestimmte Zugfestigkeit beträgt 1100 N/mm , die Streckgrenze 900 N/mm , die Bruchdehnung <fiq = 14$ und die zulässige Biegespannung 500 N/mm . Die zulässige Biegespannung nimmt bei 300° C auf 350 N/mm2, bei 500° C auf 200 N/mm2, bei 600° C auf 100 N/mm2 und bei 700° C auf 50 N/mm ab. Zur Einstellung einer stabilen Anwendungsgrenze von = 650 C erfolgt die Alterung und Aushärtung einbaufertiger Thermobimetallteile 3 Stunden bei 650° C und für eine Anwendungsgrenze von 700 - 750° C 1 Stunde bei 700° C.
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In der Zeichnung ist ein Thermobimetallstreifen 1 dargestellt, dessen Komponente hoher Wärmeausdehnung 2 aus einem Chrom-Mckel-Stahl gemäß dem Ausführungsbeispiei besteht, und dessen Komponente geringer Wärmeausdehnung 3 ebenfalls entsprechend dem Ausführungsbeispiel als Eisen-Nickel-Kobalt-Titan-Legierung zusammengesetzt ist.
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Claims (10)

Ansprüche
1. Thermobimetall mit hoher Anwendungsgrenze, bei dem mindestens eine metallische Komponente hoher Wärmeausdehnung mit mindestens einer metallischen Komponente geringer Wärmeausdehnung verbunden ist, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Komponente hoher Wärmeausdehnung ein korrosions- und hitzebeständiger austenitischer Chrom-Hickel-Stahl und die Komponente geringer Wärmeausdehnung eine warmaushärtbare Eisen-Nickel-Kobalt-Titan-Legierung ist.
2. .Thermobimetall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Titananteil in der Komponente geringer V/ärmeausdehnung wenigstens teilweise durch einen Aluminiumanteil ersetzt ist.
3. Thermobimetall nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente hoher V/ärmeausdehnung weitere Zusätze an Molybdän, Niobium und Silizium aufweist.
4. Thermobimetall nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d adurch gekennzeichnet, daß die Komponente geringer V/ärmeausdehnung weitere Zusätze an Chrom, Molybdän, Wolfram, Niobium und Tantal aufweist.
5. Thermobimetall nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d adurch gekennzeichnet, daß die Komponente
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ORIGINAL INSPECTS?
hoher Wärmeausdehnung aus einem austenitischen Chrom-lücke1-Stahl mit 14 - 26 Gew.# Chrom und 6-36 Gew.# Nickel, liest Eisen einschließlich schmelzbedingter Verunreinigungen und die Komponente geringer Wärmeausdehnung aus einer warinaushärtbaren Eisen-Nickel-Kobalt-Titan-Legierung mit 26 55 Gew.?* Nickel, bis zu 16 Gew.?S Kobalt, 1 - 5 Gew.$ freiem Titan, Rest Eisen einschließlich schmelzbedingter Verunreinigungen besteht.
6. Thermobimetall nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Komponente hoher tfärmeausdehnung ein Chrom-Nickel-Stahl mit 18 Gew.^ Chrom und 8 Gew.$ Nickel, Best Eisen und als Komponente mit geringer Wärme a us dehnung eine vrarmaushärtbare Eisen-Nickel-Kobalt-Titan-Legierung mit 34 Gew.^ Nickel, 6 Gew.^ Kobalt, 1,5 Gew.$ freiem Titan, maximal 0,03 Gew.^ Kohlenstoff, Rest Eisen verwendet wird.
7. Thermobimetall nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Komponente hoher Wärmeausdehnung ein Chrom-Nickel-Stahl mit 16 Gew.^ Chrom und 8 Gew.$ Nickel, Rest Eisen und als Komponente mit geringer Wärmeausdehnung eine warmaushärtbare Eisen-Nickel-Kobalt-Titan-Legierung mit 32,5 Gew.7° Nickel, 14,5 Gew.?£ Kobalt, 1,6 Gew.$ freiem Titan, maximal 0,03 Gew.$ Kohlenstoff, Rest Eisen verwendet wird.
8. Verfahren zur Herstellung eines Thermobimetalls nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge-
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kennzeichnet, daß aus den Komponenten durch Walzplattieren und anschließendes Kaltwalzen, gegebenenfalls mit Zwischenglühungen, ein Halbzeug mit einer Endverformung von 20 - 30$ Kaltwalzgrad hergestellt wird, und daß die aus dem Halbzeug gefertigten Thermobimetallformteile in einbaufertigem Zustand einer Wärmebehandlung zur Festlegung der Anwendungsgrenze unterworfen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung zur Festlegung der Anwendungsgrenze zwischen 550 - 750 C innerhalb von 10 Minuten bis 3 Stunden erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung zwischen 650 700° C innerhalb von 1 - 3 Stunden erfolgt.
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