Лента для термобиметалла: пары слоёв для термостатов и реле

Когда нужна лента для термобиметалла — биметаллических пластин термостатов, тепловых реле, выключателей по температуре и защитных автоматов, — работает не одна марка, а сваренная пара слоёв с разным тепловым расширением. Пассивный слой из инвара 36Н почти не расширяется при нагреве, активный слой расширяется сильно, и разница коэффициентов заставляет пластину изгибаться. Именно величина этого изгиба, а не прочность, задаёт точку срабатывания контакта.

Почему именно эти марки

Термобиметалл — это не сплав, а сэндвич из двух слоёв, сваренных прокаткой. Всё построено на разнице температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР). У инвара 36Н (36 % никеля в железе) ТКЛР аномально низкий — около 1,2–1,5·10⁻⁶ 1/°C в диапазоне 20–100 °C, то есть при нагреве он почти не удлиняется. Это делает его идеальным пассивным слоем: он держит форму, пока активная сторона тянется.

Активный слой берут с максимально высоким ТКЛР — 18–20·10⁻⁶ 1/°C (сплавы на основе Fe-Ni-Mn и Fe-Ni-Cr). Разница между слоями получается больше десятикратной: активная сторона удлиняется в 12–15 раз сильнее пассивной. Поскольку слои жёстко сварены, свободно удлиняться активная сторона не может — пластина выгибается в сторону пассивного инвара. Чем длиннее пластина и тоньше лента, тем больше прогиб на градус.

Ключевая характеристика — удельный изгиб (термочувствительность): прогиб свободного конца консольной пластины единичной длины и толщины при нагреве на 1 °C. У качественного термобиметалла он лежит в пределах 10–20·10⁻⁶ 1/°C. От него напрямую зависит, при какой температуре пластина замкнёт или разомкнёт контакт: например, для срабатывания при 60–120 °C подбирают длину, толщину и марочную пару так, чтобы получить нужный ход при заданном перепаде.

Отдельно стоит 36НХТЮ — дисперсионно-твердеющий прецизионный сплав. Его применяют, когда термочувствительный элемент должен быть ещё и упругим и не «уставать»: после старения он даёт высокий предел упругости, поэтому из него делают чувствительные упругие элементы термореле, работающие миллионы циклов без потери настройки.

Сравнение кандидатов

Обратите внимание: сам по себе ни инвар, ни активный слой термостатом не работают — эффект даёт только их разница. Поэтому термобиметалл заказывают именно как готовую пару по ГОСТ 10533-86, а не как две отдельные ленты.

Толщина и типоразмеры под задачу

Толщина термобиметаллической ленты задаёт и чувствительность, и усилие на контакте: тонкая пластина 0,1–0,3 мм даёт больший прогиб на градус, но развивает меньшее усилие, поэтому её берут для маломощных сигнальных реле. Для силовых тепловых реле и защитных автоматов, где контакт должен переключаться с усилием, берут 0,4–0,8 мм. Ширина типовая 3–20 мм. Прикинуть длину и массу заготовок под серию удобно через калькулятор массы и метража, а весь диапазон толщин и допусков разобран на странице типоразмеров и допусков.

Состояние поставки

Готовый термобиметалл поставляют в холоднокатаном сваренном состоянии — его гнут и штампуют в форму пластины или спирали, а настройку задают геометрией. Если из ленты делают отдельный упругий чувствительный элемент (36НХТЮ), состояние выбирают под последующее старение: сначала штампуют в мягком, затем стареют для набора упругости. Чем отличаются отожжённая, полунагартованная и нагартованная лента — в разделе состояний поставки.

Частые ошибки при выборе

• Заказывают две отдельные ленты вместо готовой пары. Слои должны быть сварены прокаткой с гарантированной адгезией; кустарно склеить или прижать их нельзя — не будет изгиба.
• Игнорируют направление изгиба. Пластина всегда выгибается в сторону пассивного (инварного) слоя; при монтаже перепутанная ориентация даёт срабатывание «наоборот».
• Считают только ТКЛР, забывая длину и толщину. Точка срабатывания определяется удельным изгибом вместе с геометрией пластины, а не одной маркой.
• Берут слишком тонкую ленту для силового контакта. Тонкая пластина чувствительна, но не развивает усилия — контакт «дребезжит» и подгорает.
• Перегревают выше расчётного диапазона. За линейным участком термочувствительность падает, а после отпуска настройка «уплывает» безвозвратно.

Итого — что заказывать

• Пластина термостата бытового прибора → термобиметалл (пара инвар 36Н + активный слой), сваренная лента, 0,3–0,6 мм, ГОСТ 10533-86.
• Силовое тепловое реле, защитный автомат → термобиметалл, сваренная лента, 0,5–0,8 мм, ГОСТ 10533-86.
• Сигнальное маломощное реле → термобиметалл, 0,1–0,3 мм, ГОСТ 10533-86.
• Упругий чувствительный элемент с высоким ресурсом → 36НХТЮ, после старения, 0,2–0,5 мм, ГОСТ 10994-74.

Что почитать дальше

Если задача смежная — по упругим и прецизионным свойствам, — посмотрите ленту для мембран и сильфонов и ленту для магнитопроводов и реле. Для герметичных выводов термодатчиков в вакуумной технике пригодится лента для спаев стекло-металл. Общий алгоритм подбора — на странице как выбрать ленту.

Справочно: инвар и биметалл в Википедии, тексты ГОСТов — на портале Росстандарта.