Термобиметаллы (термочувствительные материалы)

Термобиметалл (ТБМ) - металлический комбинированный материал, состоящий из двух или нескольких слоев с различными температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР), прочно сваренных по всей поверхности соприкосновения. Составляющая с высоким ТКЛР называется активной, с низким - пассивной.

Основным свойством материалов является термочувствительность, т. е. способность изгибаться при изменении температуры. Термочувствительность ТБМ пропорциональна разности ТКЛР составляющих и характеризуется величиной удельного изгиба (УИ) - изменения кривизны термобиметаллической пластинки единичной толщины при изменении температуры на 1 °К.

Термобиметаллы подразделяются на 6 групп в соответствии со своими физическими и механическими свойствами.

• Высокочувствительные
• С повышенной термочувствительностью
• Со средней и пониженной термочувствительностью
• С низким удельным электросопротивлением (УЭС)
• С высоким удельным электросопротивлением
• Специального назначения

Для материалов первой группы из раздела Классификация характерны большие значения УИ, высокие и повышенные значения УЭС. Активным слоем этих термобиметаллов служат высокомарганцевые сплавы 75ГНД и 70ГНХ, обладающие высокими ТКЛР, удельным электросопротивлением, низким модулем упругости, низкой коррозионной стойкостью. Марка ТБ2013 имеет наибольшую термочувствительность, ТБ1613 - наибольшее УЭС.

Повышенные значения УИ (А=15-12·10-6 К-1) и УЭС, высокий модуль упругости характерны для ТБМ с повышенной термочувствительностью. Активными составляющими этих термобиметаллов являются сплавы 20НГ, 24НХ, 19НХ, 27НМ, пассивными - 36Н. Характеристики марок ТБ1523, ТБ1423, ТБ1323, ТБ1224 линейны до 200 °С.

Третья группа материалов (ТБ1132, ТБ1032 и др.) имеет средние и низкие значения удельного изгиба, средние значения электросопротивления, высокий модуль упругости, среднюю коррозионную стойкость.

Низкое удельное электросопротивление ТБМ четвертой группы (ТБ1353, ТБ1254) обусловлено наличием промежуточного слоя из никеля или меди.

ТБМ пятой группы имеют большие значения электрическое сопротивление (1,3-1,5 мкОм·м). Их термочувствительность ниже, чем у ТБ2013 и ТБ1613, на 20-30%; менее заметно снижается модуль упругости.

Материалы специального назначения имеют хорошие технологические свойства. Удельный изгиб, рассчитанный по величине перемещения в температурном интервале максимальной чувствительности (120-170 °С), превосходит величину удельного изгиба наиболее высокочувствительного термобиметалла ТБ2013 и составляет А = (40-60)·10^-6 К^-1. Недостатками сплавов системы Mn-Cu, применяемых в качестве термочувствительных элементов, являются низкий модуль упругости (80-90 ГПа) и недостаточно большая термостойкость (до 200 °С). Свойства марки ТБ20П: УИ в интервале температур 20-150 °С (5±10)·10^-6 К^-1, в интервале температур 150-200°С (18-20)·10^-6 К^-1, модуль упругости E=110 ГПа.

Описываются в соответствии с типами, приведенными в разделе Классификация.

• ТБ2013, ТБ1613, ТБ1821, ТБ1624. Активным слоем выступают высоко­марганцевые сплавы 75ГНД и 70ГНХ.
• ТБ1523, ТБ1423, ТБ1323, ТБ1224. Активными составляющими являются марки 20НГ, 24НХ, 19НХ, 27НМ, пассивными - 36Н.
• ТБ1132, ТБ1032, ТБ0921, ТБ0831. Активные составляющие - сплавы Fe-Ni с 18-27 % Ni, пассивные - сплавы Fe-Ni с 42-50 % Ni, сохраняющие низкий ТКЛР до температур 330-480 °С.
• К этой группе относятся стандартные марки ТБ1353, ТБ1254, активным слоем которых являются материалы с низким электросопротивлением - латуни Л62 и Л90, и ТБ1243 и ТБ 1253.
• ТБ 150/140, ТБ 120/145, ТБ140/140, ТБ110/150. Изготавливаются на основе марок ТБ2013 и ТБ1613 за счет увеличения толщины активного слоя - высокоомного сплава 75ГНД.
• Материалы на основе систем Mn-Cu, Mn-Ni, Ni-Ti и др.

Применяются для изготовления термокомпенсаторов, чувствительных элементов термометров, терморегуляторов (в том числе работающих до температур 400-450 °С), автоматов защиты электросети, термоэлементов тепловых (также рассчитанных на малые токовые номиналы) и токовых реле, автоматических расцепителей.

Промышленность выпускает термобиметаллы в виде ленты.