Термобиметалл

Термобиметалл (также биметалл, термобиметаллическая пластина) — это композиционный материал, состоящий из двух или более слоёв металлов или сплавов с различными коэффициентами термического линейного расширения (КТР), соединённых по всей поверхности неразъёмным способом (обычно сваркой под давлением или прокаткой). Основным свойством термобиметалла является способность изгибаться при изменении температуры, что обусловлено разницей в удлинении слоёв. Данное свойство широко используется в устройствах автоматики, тепловой защиты и регулирования температуры.

История

Идея использования разницы теплового расширения металлов для создания движущей силы известна с XVIII века. Первые практические устройства, такие как биметаллические маятники в часах (для компенсации температурной погрешности), появились в середине XVIII века. Однако промышленное производство термобиметалла как конструкционного материала началось в конце XIX — начале XX века с развитием электротехники и потребностью в надёжных терморегуляторах.

Значительный вклад в разработку технологии внесли немецкие и американские металлурги. В 1920—1930-х годах были разработаны стандартные составы слоёв, обеспечивающие стабильные характеристики при различных температурах. В СССР производство термобиметалла было освоено в 1930-х годах на заводах цветной металлургии, в частности на Кольчугинском заводе по обработке цветных металлов (Владимирская область).

Устройство и принцип действия

Термобиметалл представляет собой слоистую структуру, в которой выделяют два основных слоя:

• Активный слой — изготавливается из металла или сплава с высоким КТР (например, латунь, медь, аустенитная нержавеющая сталь, сплавы на основе никеля и марганца). При нагреве этот слой стремится удлиниться сильнее.
• Пассивный слой — изготавливается из металла или сплава с низким КТР (например, инвар — сплав железа с 36% никеля, обладающий минимальным тепловым расширением в определённом диапазоне температур). Этот слой при нагреве удлиняется значительно меньше.

Слои жёстко соединены по всей площади. При нагреве активный слой расширяется больше, чем пассивный, что приводит к возникновению механических напряжений на границе раздела. Поскольку слои не могут скользить друг относительно друга, вся пластина изгибается в сторону пассивного слоя (с меньшим расширением). При охлаждении происходит обратный процесс — пластина изгибается в сторону активного слоя.

Характеристики

Ключевой характеристикой термобиметалла является удельный прогиб (или чувствительность) — величина изгиба пластины стандартных размеров (обычно длиной 100 мм и толщиной 1 мм) при изменении температуры на 1 °C. Измеряется в миллиметрах на градус Цельсия (мм/°C). Другие важные параметры:

• Температурный диапазон работы — от -60 °C до +500 °C (для специальных марок до +600 °C).
• Удельное электрическое сопротивление — важно для устройств, работающих с прямым нагревом электрическим током.
• Максимально допустимая температура — температура, при которой материал не теряет упругих свойств и не происходит необратимая деформация (отпуск).
• Коррозионная стойкость — определяется материалами слоёв и условиями эксплуатации.

Классификация

Термобиметаллы классифицируются по нескольким признакам:

По температурному диапазону

• Низкотемпературные (до +200 °C) — используются в бытовых терморегуляторах, тепловых реле.
• Среднетемпературные (от +200 °C до +400 °C) — наиболее распространённая группа для промышленной автоматики.
• Высокотемпературные (свыше +400 °C) — применяются в энергетике, металлургии, авиастроении.

По конструкции

• Плоские пластины — простейшая форма, используются в термореле и термостатах.
• Спиральные (биметаллические спирали) — для термометров, указателей температуры.
• Дисковые (тарельчатые) — для быстродействующих тепловых реле с эффектом «защёлкивания» (переключения).
• Профильные — изготавливаются методом штамповки для специфических применений.

По способу нагрева

• С внешним нагревом — нагреваются от окружающей среды или нагреваемого объекта.
• С прямым нагревом — нагреваются проходящим электрическим током (используются в тепловых реле защиты электродвигателей).

Применение

Термобиметалл является одним из основных материалов для создания термочувствительных элементов в различных отраслях техники.

Терморегуляторы и термостаты

Наиболее массовое применение. Биметаллическая пластина замыкает или размыкает электрические контакты при достижении заданной температуры. Используются в:

• Бытовой технике: утюги, электрочайники, обогреватели, духовые шкафы, холодильники (терморегуляторы).
• Промышленности: термостаты для печей, сушильных шкафов, систем отопления.

Тепловые реле защиты

Применяются для защиты электродвигателей, трансформаторов и других электроустановок от перегрузок по току. Ток, проходя через биметаллическую пластину, нагревает её. При превышении допустимого тока пластина изгибается и размыкает цепь управления, отключая оборудование. Такие реле широко распространены в магнитных пускателях и автоматических выключателях.

Термометры и указатели температуры

Биметаллическая спираль или пластина механически связана со стрелкой указателя. Изгиб пластины пропорционален температуре, что позволяет измерять её в диапазоне от -60 °C до +500 °C. Такие термометры используются в автомобилях (указатели температуры охлаждающей жидкости, масла), в системах отопления и вентиляции, а также в промышленных контрольно-измерительных приборах.

Автоматические выключатели

В модульных автоматических выключателях (например, в бытовых электрощитах) термобиметалл используется как элемент тепловой защиты от перегрузок. При длительном протекании тока, превышающего номинальный, биметаллическая пластина нагревается, изгибается и воздействует на механизм расцепления, отключая цепь.

Другие применения

• Автомобильная промышленность: термостаты системы охлаждения двигателя, термоклапаны.
• Авиация и космонавтика: датчики температуры, элементы систем пожаротушения.
• Медицина: терморегуляторы для инкубаторов, стерилизаторов.
• Энергетика: защита трансформаторов, генераторов, высоковольтных линий.

Производство в России

В Российской Федерации производство термобиметалла сосредоточено на нескольких предприятиях цветной металлургии. Крупнейшим производителем является Кольчугинский завод по обработке цветных металлов имени С. Орджоникидзе (Владимирская область). Завод выпускает широкую номенклатуру термобиметаллических лент и пластин различных марок, соответствующих ГОСТ 10533-86 «Термобиметаллы. Марки». Также производство осуществляется на Московском заводе по обработке цветных металлов (МЗОЦМ) и некоторых других предприятиях.

Критика и ограничения

Основными недостатками термобиметалла являются:

• Инерционность — реакция на изменение температуры не мгновенна, а зависит от теплопроводности материала и массы пластины. Для быстродействующих устройств требуются тонкие пластины.
• Гистерезис — разница между температурой срабатывания и возврата в исходное положение. Может составлять несколько градусов, что ограничивает точность регулирования.
• Ограниченный диапазон рабочих температур — выше 500-600 °C происходит потеря упругих свойств и необратимая деформация.
• Чувствительность к коррозии — в агрессивных средах требуется защита или использование специальных коррозионно-стойких марок.

Интересные факты

• Термобиметалл используется в некоторых моделях часов для компенсации температурной погрешности хода маятника.
• В старых моделях утюгов биметаллическая пластина служила единственным элементом терморегулятора, обеспечивая поддержание заданной температуры подошвы.
• В космической технике термобиметалл применяется в устройствах, работающих в условиях вакуума и экстремальных температур.

Источники

1. ГОСТ 10533-86 «Термобиметаллы. Марки». — М.: Издательство стандартов, 1986.
2. Справочник по электротехническим материалам / Под ред. Ю. В. Корицкого. — М.: Энергоатомиздат, 1987. — Т. 2.
3. Материаловедение в электротехнике: учебное пособие / В. И. Кессельман, В. А. Попов. — М.: Высшая школа, 1990.
4. Техническая документация ООО «Кольчугинский завод по обработке цветных металлов». — Кольчугино, 2020.