Tehnologia de Fabricare a Elementelor Termobimetalice

1. Introducere

Lamela bimetalică este formată din două straturi de metal intim unite pe toată suprafaţa de contact, prin sudură sau lipire. Cele două metale au coeficienţi de dilatare diferiţi. La încălzire una din componente se dilată mai puternic ca cealaltă, termobimetalul se încovoaie la încălzire cu atât mai mult, cu cât mai mare este diferenţa dintre coeficienţii de dilatare ai ambelor componente. Componenta cu coeficient mai mic reprezintă componenta pasivă, iar cea cu coeficient de dilatare mai mare reprezintă componenta activă, aliajele din fier-nichel, cu propietăţile lor specifice, stau la baza realizării termobimetalelor. Invarul (aliaj Fe-Ni cu 36%Ni), având coeficientul de dilatare minim se foloseşte în calitate de componentă pasivă, iar aliajele cuprului cu zinc, staniu cu nichel, care au coeficienţi de dilatare mari se folosesc drept componente active.

2. Mod de funcționare a elementelor termobimetalice

În figura 1 sunt prezentate doua metale cu coeficienți de dilatare termică diferiti, inainte si dupa incalzire. Materialul A are coeficient de dilatare termica mare, iar materialul B are coficient de dilatre termica mic. Cu linie punctata este indicat cu cât se dilată fiecare material dupa încalzire. Se observă ca materialul cu coeficient de dilatare termică mai mare se alungeste mult mai mult decat cel cu coeficient de dilatare termica mai mic.

Fig. 1. Materiale inainte si dupa incalzire, nelipite intre ele.

În figura 2 sunt prezentate doua metale cu coeficienți de dilatare termică diferiti, dupa incalzire, dar de aceasta data materialele sunt unite intim intre ele prin lipire sau sudură.

Fig. 2. Materiale înainte si dupa incalzire, lipite între ele.

Dupa cum se observa in figura 2, doua materiale cu coeficient de dilatare termica diferit, lipite intim intre ele, când sunt incalzite se curbeaza spre materialul pasiv, obtinandu-se o transformare a energiei termice in energie mecanica.[1] Prin urmare, lamela bimetalică are proprietatea de a-şi schimba forma în mod automat, funţie de valoarea temperaturii materialului lamelei; parametrul de intrare este temperatura şi parametrul de ieşire curbarea lamelei. Faţă de alte dispozitive bazate pe dilatare, bimetalul are avantajul că săgeata care se obţine la capătul liber al lamelei este cu mult mai mare decât cea obţinută prin simpla dilatare termică. În esenţă la nivelul bimetalului se obţine cea mai simplă transformare de energie termică în energie mecanică, cu multiple aplicaţii în tehnică.[11]

3. Invarul

Componenta cu coeficient mai mic reprezintă componenta pasivă, aceasta este fabricata dintr-un material care sa aiba coeficient de dilatare termica cat mai mic, In general este folosit invarul. Invarul este un aliaj de fier (~64%) şi nichel (~36%), cu unele adaosuri de carbon şi crom. Notaţia sa în conformitate cu standardele internaţionale este FeNi36. El a fost inventat în anul 1896 de către fizicianul elveţian Charles Edouard Guillaume, care a şi primit premiul Nobel pentru fizică în 1920 pentru cercetările sale asupra aliajelor fier-nichel. Datorită coeficientului de dilatare termică foarte redus cca. 10-1 K-1, el este utilizat pentru realizarea de instrumente de precizie pentru ceasornicărie, topografie, aparate şi etaloane de măsură etc. In figura 3 se prezinta variaţia coeficientului de dilatare termică în funcţie de conţinutul de nichel în sistemul de aliaje fier-nichel.[9]