Биметалл это: Что такое биметаллы и их основные свойства

Биметалл | это… Что такое Биметалл?

Бимета́лл — композиционный материал, состоящий из двух или более различных металлических слоев металлов или их сплавов. Термобиметаллические материалы относятся к группе прецизионных материалов.^[1] Биметалл применяется для чеканки монет, при этом используются различные специальные сплавы.^[2].

Применение

Биметаллы применяются во многих отраслях промышленности: коррозионностойкий биметалл используется для изготовления корпусов нефтехимического и атомноэнергетического оборудования; антифрикционные биметаллы — при изготовлении подшипников скольжения; биметаллы с особыми свойствами — при изготовлении узлов ракетно-космической техники. ^[3].

Антикоррозионное покрытие

Дешёвый металл (обыкновенная сталь) покрывается слоем (с одной или с обеих сторон) более коррозионно-стойкого (и дорогого) металла. Используется коррозионностойкая сталь, титан, латунь, серебро, медь, никель, алюминий и др.

Применяется для изготовления химических сосудов и аппаратов, кухонной утвари, дешёвых плакированных монет.

Недостаток биметалла при таком использовании — как правило, наличие незащищённого края (среза) у биметаллического изделия (торец у проволоки, гурт у монеты). Ржаветь биметалл начинает именно оттуда (электрохимическая коррозия).

Термочувствительный элемент

Основная статья: Биметаллическая пластина

См. также: Термобиметаллы

Из-за разницы в коэффициентах теплового расширения (КТР) металлов при нагреве пластина из биметалл изгибается в сторону металла с меньшим КТР.

Высокочастотные проводники

Вследствие скин-эффекта плотность переменного тока падает к середине проводника. Поэтому в ряде случаев бывает целесообразно заменять центральную часть проводника более дешёвым (и более прочным) металлом с худшими электрическими характеристиками (биметаллическая проволока медь-железо, медь снаружи).

Антифрикционное покрытие

Покрытие или вкладыши, покрытые баббитом применяются в подшипниках скольжения для уменьшения трения.

Изготовление

Основная статья: Плакирование

• одновременная прокатка
  • в случае биметаллической проволоки — волочением трубы со вложенным внутрь стержнем из другого металла.
• одновременное прессование
• Налив расплава одного металла на другой, более тугоплавкий
• погружение в расплав
• гальванический способ
• Газотермическое напыление
• наплавка
  • электрическим нагревом
  • плазменным нагревом
• сварка взрывом

Примечания

1. ↑ ГОСТ 10994-74 «Сплавы прецизионные. Марки.»
2. ↑ Биметаллические монеты
3. ↑ Лысак В. И., Кузьмин С. В. Сварка взрывом. — М.: Машиностроение — 1, 2005. — 543 с. — 500 экз. — ISBN 5-94275-220-6

См. также

• Металлургия
• Прецизионные сплавы
• Сварка

Ссылки

• Биметалл в БСЭ

Биметаллы

Биметалл – это металлический композиционный материал, состоящий из двух и более разнородных металлов или сплавов.

Цель создания биметаллов — получение материалов с новыми свойствами или же улучшение существующих свойств. В первую очередь это изменение свойств поверхности.
Изменить свойства поверхности можно по-разному. Например, используют разнообразные методы поверхностного упрочнения – поверхностную закалку, ХТО, ППД. О них написано в разделе «О лабораторных работах».
Иногда удобнее или выгоднее создавать биметаллы. Их изготавливают сразу из двух и более металлов (сплавов). Схема биметаллического материала показана на рис.1. Здесь монометалл – это обычный кусок металла$ двухслойный биметалл изготавливают из двух разнородных металлов; трехслойный в принципе может изготавливаться из двух или из трех металлов (сплавов), смотря по необходимости.

Рисунок 1. Схема биметаллических материалов.

Биметаллы получают пластической деформацией, литьем, нанесением различного рода покрытий, наплавкой и т.д. Макроструктура биметаллического материала из сталей 45 и 40Х показана на рис. 2. .
Образец сформирован методом поперечно-клиновой прокатки; сталь 45 – внутри, сталь 40Х – по кромке. Микроструктура показана на рис. 3. При хорошем контакте сплавов линия соединения не содержит дефектов (рис.3а), а в некоторых случаях практически и не заметна (рис.3б). При большом увеличении (рис. 4 а) видно, что структура одной стали плавно переходит в структуру другой. При нарушении технологии возможны несплошности, надрывы и пр. (рис. 4 б).

Рисунок 2. Макроструктура стального биметалла «сталь 45 – сталь 40Х»

Рисунок 3 . Микроструктура стальных биметаллических материалов в месте соединения

Рисунок 4. Зона соединения 2 сталей: а – качественное соединение, б – соединение с дефектами

Различают коррозионностойкие и износостойкие биметаллы.
Распространенным способом создания коррозионностойкого биметалла является плакирование. Плакирование — это совместная пластическая деформация своеобразного «сэндвича» – металла-основы и двух листов плакирующих металлов. Их складывают вместе и подвергают горячему деформированию, после которого биметалл представляет собой единое целое. Это трехслойный биметалл, показанный схематично на рис.1. Например, такой биметалл формируется после операции плакирования сплава Д16. Сам сплав Д16 не является коррозионно-стойким, его надо как-то защищать от коррозии. Поэтому дюралюминий плакируют чистым алюминием.

Способом создания коррозионностойких биметаллических материалов является и нанесение покрытий. Например, гальванических, имеющих достаточно большую толщину. На рис.5 показано покрытие хрома на стали 3. После травления выявляется структура стали; хром является коррозионно-стойким материалом и реактив для стали его структуру не выявляет. Покрытие имеет твердость больше, чем сталь – на рис.5 а видны отпечатки индентора микротвердомера, сделанные при одной и той же нагрузке; они гораздо больше для стали, чем для хрома. Такой биметалл относится также и к износостойким, поскольку износостойкость хрома существенно выше износостойкости стали.

Рисунок 5. Покрытие хрома на стали 3: а – без травления, б – после травления.

Для повышения износостойкости используется также наплавка одного металла на другой. На рис.6 показан биметаллический материал «сталь 65Г+хромистый чугун». Место соединения материалов хорошо видно как по макро-, так и по микроструктуре. Теплоотвод при охлаждении такого образца происходит очень быстро «на массу» вглубь материала. Поэтому в чугуне формируется мартенсит.
Кроме наплавки чугуном возможно упрочнять поверхность наплавкой различных порошков. На рис. 7 показана структура поверхностных слоев при наплавке порошков Fe-Cr и Fe-Ti на сталь 45. Самый верхний слой (1) –наплавочный материал. Далее видна полоса переходной структуры (2), ниже располагается материал основы (3). Самая высокая твердость у наплавленного слоя (рис.8). При переходе к материалу основы (сталь 45) твердость снижается.

Рисунок 6 . Биметалл сталь 65Г+чугун (10%Cr): а – макроструктура, б – микроструктура

Рисунок 7. Структура наплавленных слоев на стали 45: а – Fe-Cr, б – Fe-Ti

Рисунок 8. Изменение микротвердости упрочненного слоя; наплавка порошка Fe-B

Биметалл: определение, свойства и применение

Во многих бытовых, коммерческих и промышленных процессах используются термостатические биметаллы для электрических или механических приводов. Их можно найти во многих переключателях управления, таких как ранние термостаты, часы, автоматические выключатели и электрические приборы.

Что такое биметалл?

Биметаллический или термостатический металл представляет собой лист или полосу из двух или более композиционных материалов с различными коэффициентами линейного теплового расширения, соединенных клепкой, пайкой или сваркой. Материал с большим коэффициентом теплового расширения (КТР) считается активным компонентом, а с меньшим КТР — пассивным компонентом. Активный компонент обычно имеет сплавы, содержащие железо, марганец, никель или хром в различных количествах. В то время как с пассивной стороны часто выбирают инвар, железо-никелевый сплав, содержащий 36% никеля. Некоторые биметаллы включают третий слой меди или никеля между активной и пассивной сторонами для увеличения теплопроводности и уменьшения удельного электрического сопротивления материала [1, 2].

Свойства биметалла

Биметаллы работают со склонностью металлов расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. Результирующее изменение кривизны или изгиба в ответ на изменение температуры является фундаментальным свойством всех термостатических биметаллов. По сути, изменение температуры преобразуется в механическое перемещение. Поведение биметаллов предсказуемо и повторяемо. Компоненты, используемые для биметаллов, выбираются по их температурным характеристикам, а также по их теплопроводности, стабильности, прочности, обрабатываемости и электрическим свойствам.

Гибкость

Основной характеристикой биметалла является гибкость, также известная как удельная кривизна. Это важное свойство биметаллов определяется изменением кривизны вдоль его продольной оси. Это выражается как [3]:

, где,

F = гибкость (° F ^-1 ) (SI: ° C ^-1 )*

R2, R1 = Радис. активная и пассивная стороны соответственно (дюймы) (СИ: мм)

T            = толщина полосы (дюймы) (СИ: мм)

T2, T1      = температуры (°F) (СИ: °C) стандартная система. Это не стандартный блок. Аналогично следует по всему тексту, если не указано иное. См. Обозначение ASTM B106 .

А для простой балки:

где,

L          = расстояние между опорными точками (дюймы) (СИ: мм)

B          = перемещение (дюймы) (СИ: мм)

Получено с Ref. 3

Радиус кривизны  

Кроме того, приведенное ниже уравнение показывает изгиб или радиус кривизны биметаллической полосы. Здесь мы можем увидеть факторы, влияющие на изгиб биметалла и его взаимосвязь [3]:

где,

ρ          = радиус кривизны полосы (дюймы) (СИ: мм) 1 )

α2            = коэффициент расширения второй полосы (°F ^-1 ) (SI: °C ^-1 )

T0, T1    = температуры (°F) (SI: °C)

E

2 = модуль упругости для первой полосы (psi) (SI: Па)

E2        = модуль упругости второй полосы (psi) (SI: Па)

t1, t2        = толщина каждого компонента (дюймы) (СИ: мм)

t           = толщина склеиваемой полосы (дюймы) (СИ: мм)

Это уравнение показывает, что термостатический изгиб биметалла прямо пропорционален изменению температуры составных полос и разнице в КТР и обратно пропорционален толщине объединенных полос. На радиус кривизны также влияет соотношение толщины и соотношение модулей упругости двух полос.

Удельное электрическое сопротивление и теплопроводность

Для применений, где тепло генерируется при прохождении электрического тока через биметалл, важно знать удельное электрическое сопротивление и теплопроводность как параметры изменения температуры. Это верно для многих биметаллов, которые используются в качестве автоматических выключателей. Для резистора приведенное ниже уравнение показывает, как можно получить повышение температуры [3]:

Где,

ΔT = повышение температуры (° C)

I = ток (a)

ε = электрическое сопротивление (µω)

θ = время (s)

c = удельная теплоемкость (J/ g ° C), оцененный в 0,502 для всех биметаллов

d = плотность (г/см ³ )

W = ширина (мм)

T = общая толщина (мм)

с помощью удобного конверта факторов аналогичную формулу можно вывести в английских единицах.

Применение биметалла

Индикация температуры

Биметаллы используются для индикации температуры, как в спиральных или винтовых стрелочных термометрах. Такие термометры помогают измерять температуру в офисах, холодильниках и даже на крыльях самолетов. Биметаллы этого типа обычно имеют толщину от 0,005 дюйма (0,127 мм) до 0,015 дюйма (0,381 мм), а катушка крепится к шкале указателя, поскольку она создает достаточный крутящий момент для свободного перемещения указателя. Температурный диапазон, охватываемый биметаллами, составляет примерно от -50°F до 1000°F (от -46°C до 538°C). Угловая скорость отклонения обычно составляет 2,5-3° на градус Фаренгейта [4].

Контроль температуры

Биметаллы используются в качестве средства контроля температуры, например, в комнатных термостатах. В таких устройствах биметаллическая пластина содержит токопроводящую точку контакта, которая связана с сопряженной статической точкой контакта. Это позволяет осуществлять автоматическое переключение цепей для управления нагревом и охлаждением электрических устройств по мере того, как лопатка выгибается при достижении определенной температуры [4].

Трубные соединения

Для криогенных, немагнитных и ядерных применений, где необходимо надежное переключение свойств металлов, используются биметаллические муфты, обеспечивающие прямое соединение и переход для труб и трубок с различными коэффициентами теплового расширения. Эти фитинги могут также использоваться в других приложениях для теплопередачи [4].

Управление функциями

Путем подачи тепла на биметалл или так называемого вспомогательного нагрева можно управлять работой устройства, содержащего биметалл. Примерами таких устройств являются автоматические выключатели и устройства задержки времени. Относительными функциями, такими как ток и время, можно управлять, установив биметаллическую деталь в качестве активного элемента в устройстве [4].

[1] (2018) Биметаллы. Электрика4U. Получено с: https://www.electrical4u.com/bimetals/

[2] (2008) Справочник по термостатическим биметаллам KANTHAL. Получено с: https://www.ibt.co.il/uploaded_files/documents/Kanthal_Thermostatic_Bimetal_U3743.pdf

[3] (n.d.) Руководство дизайнера термостатического биметалла. Решения для инженерных материалов. Получено с: https://www.emsclad.com/fileadmin/Data/Divisions/EMS/Header/Bimetal_Desingers_Guide. pdf

[4] (1942) Ховард, Э. Р. Термостатический биметалл. Техника и наука, 5 (4). стр. 16-24.

Термобиметаллы – материалостойкость

металлические композиты, которые изменяют свою форму в зависимости от температуры

Введение
обычно в форме листа или полосы, состоящей из двух или более материалов любой подходящей природы, металлических или иных, которые в силу различных коэффициентов расширения компонентов имеют тенденцию изменять свою кривизну при изменении температуры». [1]
Таким образом, биметаллы представляют собой слоистые металлические композиты, наиболее распространенные в виде полос или листов, которые состоят как минимум из двух прочно связанных компонентов с разной степенью теплового расширения.

Поскольку при нагревании один слой расширяется больше, чем другой, плоская полоса вынуждена изгибаться в одну сторону и в противоположную сторону при охлаждении ниже начальной температуры. Чем больше разница в тепловом расширении, тем больше результирующее механическое смещение.

Институт
Кафедра CAAD, ETH Zürich

Автор
Мануэль Кретцер

Share This

История
Биметаллическое свойство широко используется в ряде механических и электрических устройств, например переключатели включения/выключения в ранних термостатах. Самая старая сохранившаяся биметаллическая полоса была создана часовщиком Джоном Харрисоном в середине 18 века. Харрисон, который, следовательно, считается изобретателем биметаллов, сделал это для одного из своих морских хронометров, чтобы компенсировать колебания пружины баланса, вызванные температурой. Его самые ранние эксперименты состояли из двух отдельных металлических полос, соединенных заклепками, но позже он также изобрел метод прямого наплавления расплавленной латуни на стальную подложку.

Устройство устройства и работа
Различные типы металлов расширяются в разной степени при повышении температуры и наоборот. Когда две металлические полосы с различной степенью теплового расширения соединены вместе, верхняя полоса частично предотвращается от расширения нижней полосой при нагревании. Результирующая сила заставляет соединенные полосы изгибаться. Благодаря этому качеству биметалл также называют термостатическим биметаллом или термобиметаллом, так как его эксплуатационные характеристики напрямую связаны с воздействием тепла. Когда никакие внешние силы не приложены, биметалл принимает форму дуги.

Портрет Джона Харрисона работы Джеймса Кинга, ок. 1766 г.

Небольшой кусок биметалла, закручивающийся вверх при постоянном воздействии тепла.

Обычно выбирают два металла с сильно различающимися коэффициентами теплового расширения. Из двух слоев, неразъемно соединенных вместе заклепками, пайкой или сваркой, активным компонентом считается сторона, имеющая наибольшее тепловое расширение. Обычно он состоит из сплава, содержащего никель, железо, марганец или хром в различных количествах. Сторона с меньшим расширением известна как пассивный компонент, для которого часто выбирают инвар, представляющий собой железоникелевый сплав, содержащий 36% никеля. Некоторые типы биметаллов также включают слой никеля или меди между двумя слоями, чтобы уменьшить удельное электрическое сопротивление материала и увеличить его теплопроводность. [2]

Биметаллическая полоса, состоящая из двух компонентов и подвергающаяся нагреву, изменяет свою кривизну в соответствии с выражением:

R _T : Радиус при температуре T
R ₀ : Радиус при температуре T _{1 0
m = s 1 / s 2 : s 1 and s 2 represent the thicknesses of the component alloys
n = E 1 / E 2 : E 1 and Е 9
α 1 и α 2 : коэффициенты линейного теплового расширения сплава I и II соответственно}

Если толщины слоев компонентов одинаковы, s ₁ = s ₂ , мы получаем m = 1, и если модули упругости также равны, мы получаем n = 1. Вышеприведенное выражение может быть упрощено до:

В США постоянная известна как гибкость, в Европе как удельная кривизна к . Если , мы получаем:

Если полоса плоская, чтобы начать с R ₀ = ∞, формулу можно упростить до:

Изготовление
Компоненты, используемые для изготовления биметаллов, выбираются в первую очередь по их температуре характеристики, а затем прочность, обрабатываемость, стабильность, теплопроводность и электрические свойства, в зависимости от конкретных требований. Как правило, биметаллы можно производить, чтобы они реагировали на изменения температуры в любом заданном диапазоне, выбирая правильные компоненты, в частности компонент с низким коэффициентом расширения. Чаще всего слои сваривают в большой прут, который затем прокатывают на различных станах горячей и холодной прокатки в листы. Дальнейшая обработка происходит по отдельным программам холодной прокатки. В промежутках между различными процессами прокатки листы подвергаются термообработке в печах отжига в контролируемой среде. Последовательность отжига и прокатки влияет на свойства биметалла. Во время окончательного производственного процесса холоднокатаные полосы маркируются в соответствии с их качеством, кромки надрезаются и удаляются заусенцы. Маркировку обычно наносят на активный слой, расположенный на выпуклой стороне нагреваемого биметаллического изделия термостата. Готовые листы нарезают на полосы или полосы толщиной от 0,1 до 3 мм, которые могут быть изготовлены в любой из нескольких форм, но чаще всего в виде колец, рулонов или прямых полос.

Области применения
В некоторых случаях биметаллические полосы используются в плоском виде, в других случаях они свернуты в рулоны для компактности. Большая длина спиральной версии обеспечивает улучшенную чувствительность. Полосы и диски, преобразующие изменение температуры в механическое перемещение, являются наиболее часто используемыми биметаллическими изделиями. Поэтому биметаллы в основном применяются в случаях преобразования изменения температуры в движение и/или силу. Электрическая энергия также может использоваться для запуска эффекта в приложениях, где термостатический биметалл нагревается электрически. И наоборот, движение и сила могут быть преобразованы в электрическую энергию, т.е. в датчике уровня жидкости.

Использование биметалла делится на четыре основные категории, включая индикацию температуры, контроль температуры, ограничение времени и контроль, а также функции безопасности. Индикация температуры наиболее распространена в стрелочных термометрах со спиральной катушкой. В этом приложении единственным требованием нагрузки биметалла является создание достаточного крутящего момента для перемещения указателя.

Контроль температуры можно проиллюстрировать на примере механического термостата, устройства, состоящего из биметаллической пластины, на которой установлен токопроводящий контакт, совмещенный с ответным неподвижным контактом (см. схему справа). Затем биметаллическая пластина перемещает пару контактов в разомкнутую или замкнутую цепь и, таким образом, останавливает или запускает подачу тепла в помещение.

Дорис Ким Сунг: Bloom, 2012

В архитектуре биметаллы были (повторно) открыты сравнительно недавно благодаря их способности автономно двигаться в ответ на изменение температуры. Дорис Ким Сунг, доцент Университета Южной Калифорнии, опирается на это поведение в своих адаптивных инсталляциях, таких как «Цветение», реализованных в 2012 году в галерее «Материалы и приложения» в Лос-Анджелесе. Граненая обшивка здания состоит из 14 000 умных термобиметаллических плиток, каждая из которых отличается от другой, которые скручиваются, когда температура наружного воздуха поднимается выше 70F или когда солнце проникает на поверхность, в результате чего вся установка меняет форму. Сунг считает, что будущие фасады, основанные на этом принципе, могут реагировать на движение солнца и особый климат местности, что сделает требование жалюзи или штор устаревшим. Более того, термобиметаллическая обшивка здания сможет работать даже в тех случаях, когда нет электричества.

Очевидно, что биметаллы имеют множество ограничений в отношении температур, которые они могут выдерживать, и нагрузок, которые они могут выдерживать.