热双金属 PPT课件

热双金属在低压电器的设计应用及常见问题分析,佛山精密电工合金有限公司2008.03,ISO9001/ISO14001,1,0,热双金属的定义,受热,复合,三层复合,受热,ISO9001/ISO14001,热双金属是由两种或两种以上不同膨胀系数的金属或合金沿整个接触面牢固复合在一起组成的，具有随温度变化而发生形状变化的复合功能材料。,1,1,热双金属的组元合金,ISO9001/ISO14001,高膨胀层（HES）膨胀系数较高的一层组元合金低膨胀层（LES）膨胀系数较低的一层组元合金中间层（MID)夹在主动层和被动层之间材料,1,2,热双金属的主动层合金,热双金属的主动层合金要求膨胀系数大，熔点高，复合性好，弹性模量与被动层合金相差不大。可作为主动层材料的合金很多，有铁镍铬、铁锰镍、锰铜镍、纯镍、纯铁、黄铜、青铜及不锈钢等。常用的主动层合金一般包括Mn72Cu18Ni10、Ni22Cr3、Ni20Mn6、Ni18Cr11、Ni19Cr2和Ni25Cr8等高膨胀合金。,ISO9001/ISO14001,1,3,热双金属的主动层合金,膨胀系数特性,主动层合金的膨胀系数随温度变化关系图,ISO9001/ISO14001,1,4,热双金属的被动层合金,热双金属的被动层合金一般都是膨胀系数很低的镍铁合金。在1896年科学家Guillaume发明了因瓦合金，在室温下，其膨胀系数非常低，仅约1.210-6/，为热双金属的开发打下了基础。常用的被动层合金一般包括Ni36Fe、Ni39Fe、Ni40Fe、Ni42Fe、Ni45Fe和Ni50Fe等低膨胀合金或定膨胀合金。,ISO9001/ISO14001,1,5,热双金属的被动层合金,因瓦合金（INVAR),镍的含量对铁镍合金的膨胀系数影响很大,ISO9001/ISO14001,1,6,热双金属的被动层合金,膨胀系数特性,因瓦合金的膨胀系数随温度变化很大定膨胀合金的膨胀系数基本不变,ISO9001/ISO14001,1,7,热双金属的中间层合金,为了得到不同电阻率的热双金属，通常在主、被动层之间加入电阻率很低的金属材料，这些材料一般包括纯镍、纯铜（紫铜、无氧铜）和锆铜等，主要控制热双金属的电阻率。,ISO9001/ISO14001,1,8,热双金属的分类,ISO9001/ISO14001,按使用温度特性分：,高温型如FPA223-70、FPA206-70、FPA258-70、FPA206-9等中温型如FPA721-110、FPA223-80、FPA206-78等,1,9,热双金属的分类,ISO9001/ISO14001,按热敏感特性分：,高敏感型(温曲率在30106/以上）如：FPA721系列中敏感型(温曲率在1530106/范围）如：FPA206系列、FPA223系列等低敏感型(温曲率在15106/以下）如：FPA982-2、FPA25860等,1,10,热双金属的分类,ISO9001/ISO14001,按电阻特性分：,电阻型高灵敏721电阻系列如：FPA7215、FPA7218中灵敏223电阻系列如：FPA22325、FPA22335中灵敏206电阻系列如：FPA20611、FPA2069非电阻型如：FPA20678、FPA22380等,1,11,热双金属的牌号,目前对热双金属的牌号并没有一个统一的编号规则，各国和各生产厂家都有自己的牌号编制方法。,美国ASTMB388：2006热双金属带材牌号,TM1、TM2、TM36,热双金属代号ThermostatMetal,流水号,ISO9001/ISO14001,1,12,热双金属的牌号,TB20110,热双金属代号ThermostatBimetal,比弯曲的整数值(10-6/）,电阻率整数值(cm),ISO9001/ISO14001,德国DIN1715：83热双金属牌号示例：,1,13,热双金属的牌号,FPA721-110,佛山精密热双金属的代号,主动层代号,电阻率整数值(cm),ISO9001/ISO14001,佛山精密电工合金有限公司（FEPAC)热双金属牌号示例：,1,14,热双金属的标记,ISO9001/ISO14001,公司牌号及蚀印标记示例：,1,15,热双金属的标记,ISO9001/ISO14001,公司牌号及蚀印标记示例：,带有公司标记,没有公司标记,1,16,热双金属的性能指标,ISO9001/ISO14001,1,17,热双金属的性能指标,ISO9001/ISO14001,由于热双金属组元合金的膨胀系数与温度变化的关系并不呈线性变化，热双金属的弯曲位移随着温度的升高并不呈线性增加，但在一定温度范围内，热双金属的实际位移与用温曲率指标算出的位移相比，变化不超过5，在这个范围内热双金属的弯曲变化基本上是线性的，我们称这个温度范围为线性温度范围。,1.线性温度范围,1,18,热双金属的性能指标,线性温度范围示意图,ISO9001/ISO14001,1,19,热双金属的性能指标,2.可用温度范围,ISO9001/ISO14001,该温度范围比线性温度范围大一些，在该温度范围内，自由变形的热双金属不发生残余变形。在超出线性温度范围的允许使用温度范围内，由于热双金属组元材料膨胀系数发生较大的变化，热双金属的热敏感性降低，但仍然可以使用。该温度一般低于材料的居里温度，由于达到居里温度时，材料的结构发生变化，性能也产生变化。,1,20,热双金属的性能指标,3.最高使用温度,ISO9001/ISO14001,热双金属发生再结晶的温度。在超过该温度使用时，热双金属组元合金的晶粒将发生再结晶转变，并开始软化，热双金属将不能正常使用。,1,21,热双金属的性能指标,4.热敏感性指标,ISO9001/ISO14001,热双金属的热敏感性能有三种表示方法：,温曲率比弯曲弯曲常数,1,22,热双金属的性能指标,温曲率（F，FlexivityorSpecificCurvature）,ISO9001/ISO14001,温曲率（F）是单位厚度的热双金属片，每变化单位温度时其纵向中心线的曲率变化。当热双金属片的厚度大于等于0.3mm时，温曲率的测量方法采用简支梁法。小于0.3mm时采用平螺旋法测量。温曲率是热双金属的一个关键指标。,1,23,热双金属的性能指标,简支梁法测量温曲率的测量示意图,ISO9001/ISO14001,1,24,热双金属的性能指标,温曲率（F）计算公式：,ISO9001/ISO14001,试样厚度，单位为毫米（mm）；D1、D2温度为T1和T2时的试样两支点间中点位置的垂直位移，单位为毫米（mm）；L试样测量长度(两支点间的长度)，单位为毫米（mm）；T1、T2测量初始、终了温度，单位为摄氏度（）；,1,25,热双金属的性能指标,比弯曲(K，SpecificDeflection),ISO9001/ISO14001,比弯曲(K)是一端固定的单位厚度和单位长度的热双金属片，当温度变化1时，其自由端的挠度变化。比弯曲采用悬臂梁法测量。,1,26,热双金属的性能指标,比弯曲测量示意图,ISO9001/ISO14001,1,27,热双金属的性能指标,比弯曲(K)计算公式：,ISO9001/ISO14001,试样厚度，单位为毫米（mm）；f1温度为T1时的挠度，单位为毫米（mm）；L试样测量长度，单位为毫米（mm）；T1、T2测量初始、终了温度，单位为摄氏度（）；f测量温度为T2和T1时试样的挠度差，单位为毫米（mm）,1,28,热双金属的性能指标,温曲率和比弯曲的差异,ISO9001/ISO14001,由于比弯曲在测量时一端固定，其测量过程受其固定端的夹持力和夹持方式影响，测量数据的重复性和复现性不是很好，而温曲率采用几乎无约束的测量方式，其测量的重复性和复现性（GR&R)都比较好。目前大部分国家的标准和行业标准及公司标准都采用温曲率指标作为热双金属的热敏感性考核指标，以比弯曲作为参考指标。,1,29,热双金属的性能指标,5.电阻率,ISO9001/ISO14001,电阻率是热双金属的一个重要指标，当热双金属不直接通电加热时，电阻率的影响较小。但是当热双金属直接通电加热时，电阻率是一个非常重要的指标，发热量与电阻率成正比，这将直接影响热双金属的动作特性，也影响到可通电流的大小。电阻率是选择电流等级的一个重要指标。,1,30,热双金属的性能指标,6.弹性模量,ISO9001/ISO14001,弹性模量是指在热双金属弹性极限内，其应力与相应的应变之比。热双金属一个重要指标之一，在计算热双金属的热力时需要用到弹性模量。弹性模量由材料的成份和变形量所确定。,1,31,热双金属的性能指标,7.最大负荷应力,ISO9001/ISO14001,最大负荷应力是指热双金属在使用时，不产生残余变形和永久变形的最大负荷应力。在室温到200范围内大部分热双金属材料的最大负荷应力约为200N/mm2。热双金属的最大负荷应力随温度的升高而降低，在使用时需要引起注意。,1,32,热双金属的性能指标,8.其它指标,ISO9001/ISO14001,硬度比热热导率密度,1,33,热双金属的应用,设计一个热双金属元件，需考虑以下因素：1、元件承受的电流等级；2、工作温度；3、元件将经受的最高温度；4、位移或力的要求，或两者的结合；5、空间限制；6、工作条件等。,ISO9001/ISO14001,1,34,热双金属的应用,热双金属牌号和规格的确定,ISO9001/ISO14001,1.根据使用温度确定热双金属的温度类型中温型、高温型2.根据动作空间、动作位移、电流等级、脱扣力等因素通过计算确定热双金属的牌号、规格和形状。高灵敏型、中灵敏型、低灵敏型3.根据计算的结果进行装机验证确认。,1,35,热双金属的应用,根据使用温度选择热双金属类型,ISO9001/ISO14001,使用温度是热双金属动作的温度范围。使用温度和使用温度上限最好在热双金属的线性温度范围内，以保证热双金属元件动作的线性。当使用温度超过了热双金属的可用（有效）温度范围时，热双金属元件将产生残余变形，导致工作特性发生变化。,1,36,热双金属的应用,高温型的热双金属牌号,ISO9001/ISO14001,1,37,热双金属的应用,热双金属牌号和规格的确定,ISO9001/ISO14001,2.根据动作空间、动作位移、电流等级、脱扣力等因素通过计算确定热双金属的牌号、规格和形状。,高灵敏型中灵敏型低灵敏型,直条形螺旋形异形,低电阻（大安培）中电阻（中安培）高电阻（小安培）,1,38,热双金属的应用,计算位移和热力，确定牌号和规格,ISO9001/ISO14001,直条元件位移,K温曲率（106/）L长度（mm）t厚度（mm)T温升（）,1,39,热双金属的应用,计算位移和热力，确定牌号和规格,ISO9001/ISO14001,直条元件热力,K温曲率（106/）L长度（mm）t厚度（mm)T温升（）E弹性模量(N/mm2)w宽度（mm),1,40,热双金属的应用,相同条件下不同牌号的计算示例：,ISO9001/ISO14001,尺寸规格：1.0840mm温升T：50,在相同条件下，高灵敏的FPA721-110比中灵敏的FPA206-78的位移多37，热力增加26。在使用中可调整的空间更大。,1,41,热双金属的应用,热双金属片温升的估算,ISO9001/ISO14001,当不考虑热损失时，热双金属的温升可以通过下式进行估算,I：电流R：电阻t：时间,m：质量c：比热,对不同电流等级的使用场合，可以选用不同电阻率的材料，使温升保持不变,1,42,热双金属的应用,热双金属元件的成型,ISO9001/ISO14001,热双金属元件一般采用冲压成型，部分在下料后还需要进行折弯成型。冲压成型时应该避免使切口边缘产生严重塌边变形并留下毛刺。当切口边缘产生塌边变形和毛刺（相当于形成了加强筋）时，将会降低热双金属的热变形量。,1,43,热双金属的应用,热双金属元件的成型,ISO9001/ISO14001,佛山精密加工的元件示例,精度要求高的元件，需要设计精确的模具，并与带材的状态相配合,1,44,热双金属的应用,热双金属元件的成型,ISO9001/ISO14001,当元件的宽度大于长度的20时，由于元件在受热时产生的横向弯曲也将会降低热双金属的热变形量，在设计时需要考虑这方面的影响。,1,45,热双金属的应用,热双金属元件的成型,ISO9001/ISO14001,热双金属材料的性能在冷轧加工过程存在方向性，材料的温曲率在平行于轧制方向比垂直于轧制方向大12，材料的允许弯曲应力在垂直于轧制方向只有平行于轧制方向的大约90。为了保证热双金属材料使用性能的一致性，不同轧制方向冲压的元件一般不要同时混用。,1,46,热双金属的应用,热双金属元件的成型,ISO9001/ISO14001,在加工成型过程中需要进行折弯成型时尽量垂直于轧制方向，以便获得更高的强度，同时尽量避免小半径的折弯，弯曲半径应大于材料厚度的1.5倍。由于高敏感热双金属材料的主动层材料是高锰材料，该材料比较脆，在折弯选择时，尽量把较脆的材料弯在里面，以避免在折弯过程产生开裂。当主动层材料必须在折弯的外面时，可以通过适当降低冷变形量来降低材料的硬度，以减少折弯时开裂。,1,47,热双金属的应用,热双金属元件的安装,ISO9001/ISO14001,热双金属元件的安装一般采用焊接和铆接两种方式。在断路器中当额定电流小于63A时，热双金属一般采用焊接的方式进行固定，当额定电流大于80A时，热双金属一般采用铆接的方式进行固定。在焊接和铆接过程将产生较大的应力，应力释放时将对热双金属元件的动作特性产生影响。,1,48,热双金属的应用,热双金属元件的稳定化处理,ISO9001/ISO14001,热双金属在生产过程中产生较大的残余应力。在元件进行冲压成型和铆接、焊接固定过程中，也会产生残余应力。残余应力在没有得到外来能量供给的情况下，将会逐渐地进行重新分布和部分释放，这将影响到热双金属材料性能的稳定性，最终影响到电器性能的稳定性，使电器的特性随时间产生漂移的现象，甚至失效。,1,49,热双金属的应用,热双金属元件的稳定化处理,ISO9001/ISO14001,通过稳定化热处理，可以使部分残余应力得到释放，并使其均匀化，从而减少残余应力对电器性能产生的影响。热双金属元件的稳定化热处理温度应比实际使用的最高工作温度至少要高50以上，但不能高于热双金属材料的上限使用温度，超过上限使用温度将会使材料的机械性能恶化。,1,50,热双金属的应用,热双金属元件的稳定化处理,ISO9001/ISO14001,稳定化热处理一般在电炉中进行，如果对表面要求较高，可以在真空炉或在保护气氛下进行热处理。在使用电炉进行热处理时，应选用温度场均匀的炉子进行，并有合理的装炉量，以保证热双金属元件在炉内受热均匀，使元件之间获得一致的热处理效果。,1,51,热双金属的应用,热双金属元件的稳定化处理,ISO9001/ISO14001,对于控制精度要求较高使用场合，建议对元件进行23次循环稳定化热处理，以更好的消除残余应力对电器性能稳定性的影响。对于断路器，稳定化处理也有以通过对已经安装好的热双金属组件通电的形式进行。用几倍工作电流短时反复几次通电，也可以达到消除残余应力的目的。,1,52,热双金属的应用,热双金属元件的防护,ISO9001/ISO14001,由于热双金属材料的组元材料成份不同，具有不同的电位，当存在电解质时将产生电化学腐蚀。当热双金属元件暴露于潮湿空气或腐蚀性气氛（如二氧化硫、海风、盐雾、酸雾等）时，将会产生腐蚀生锈。热双金属材料在存放过程，应采取适当的措施进行防护，打开包装后应尽快使用，暂时用不完时应包装完好，以免产生生锈腐蚀的问题。,1,53,热双金属的应用,热双金属元件的防护,ISO9001/ISO14001,在热双金属元件加工和使用过程，应尽量避免直接用手接触热双金属材料，由于手汗含有盐份等腐蚀性介质，用手直接接触元件时，将会使元件生锈。为避免生锈的情况，可以对热双金属元件进行镀锡、镀镍或涂防锈油等防护处理，如果条件合适，也可以选用由不锈钢复合而成的热双金属，但这种热双金属的温曲率比较低。,1,54,常见的问题,焊接问题,ISO9001/ISO14001,在热双金属材料中，高灵敏的FPA721系列产品焊接比较困难，比中灵敏的FPA206系列和FPA223系列都要难焊接。,焊接不良,焊接好,1,55,常见的问题,焊接不良的金相图片,ISO9001/ISO14001,1,56,常见的问题,焊接问题,ISO9001/ISO14001,主动层材料Mn72Cu18Ni10，含锰量高，容易氧化，熔点低，只有960左右。中间层材料Cu的熔点1083，散热很快。被动层Ni36材料熔点1450左右。三层产品熔点相差悬殊，同时锰元素容易氧化和挥发，导致焊接比较困难。,1,57,常见的问题,解决焊接问题的方法,ISO9001/ISO14001,更换焊接设备如采用直流逆变焊机等调整焊接工艺参数如电流、压力、行程等调整焊接电极材料如采用钨或钼电极等调整焊接电极形状改变电流密度,1,58,常见的问题,生锈的问题,ISO9001/ISO14001,虽然热双金属含有Ni、Cr等提高耐腐蚀能力的元素，但主、被动层电位差不一样，导致容易产生电化学腐蚀生锈，目前还难以杜绝，只能采取措施进行预防。,生锈图片,1,59,常见的问题,生锈的预防,ISO9001/ISO14001,避免与电解质接触（这是基本）包括潮气、海风、盐雾、酸雾、手汗等加防锈油寻找适合热双金属用的防锈油采用表面镀层如镀锌、镀锡、镀镍等采用防锈包装如采用气相防锈纸等,1,60,常见的问题,一致性的问题,ISO9001/ISO14001,开关的一致性问题是一个系统性的问题，影响因素很多,位移D热力F,热双金属片,脱扣机构,脱扣力P（反作用力）,产生脱扣动作的条件：1.位移D大于间隙S2.热力F大于脱扣力P,S,1,61,常见的问题,影响一致性的因素,ISO9001/ISO14001,双金属片选型不合适双金属片产生位移D不一致脱扣机构与双金属片的间隙S不一致双金属片产生的热力F不一致脱扣机构的脱扣力P不一致,1,62,常见的问题,双金属片选型不合适（牌号和规格）,ISO9001/ISO14001,双金属片选型不合适，导致位移D和热力F处于临界状态，安全余量不足,FPA721-110,FPA206-78,同规格,位移D37热力F26,结果,1.0534,0.8534,同牌号,位移D25热力F64,结果,1,63,常见的问题,影响双金属片位移D一致性的因素,ISO9001/ISO14001,双金属片温升（T）（电流、电阻、散热）双金属片的温曲率（K）双金属片动作的有效长度（L）（焊接、铆接、装配）双金属片的厚度（t）焊接、铆接的影响残余应力的影响