Organe bimétallique. La présente invention se rapporte à un or gane bimétallique du genre de ceux qui sont employés ordinairement dans des dispositifs de commande thermiques, des indicateurs et des dispositifs ayant des buts semblables;
elle a pour but l'obtention d'un bimétal ther- mostatique présentant un coefficient de dé formation élevé et pouvant être utilisé sur une grande échelle de températures sans va riation appréciable de son efficacité tout en présentant également des caractéri6tiques physiques qui le rendent propre à l'usage auquel il est destiné et pouvant être fabriqué sans difficulté par les méthodes habituelles.
L'organe bimétallique selon l'invention consiste en une paire d'éléments ayant des coefficients de dilatation différents, fixés -en semble face à face: de n'importe quelle ma nière appropriée, par exemple par soudure. L'élément à coefficient de dilatation le plus faible a une composition dans laquelle le fer prédomine, telle que, par exemple, de l'acier au nickel contenant de<B>3 5</B> % à 42 % environ de nickel ou un alliage fer-chrome contenant de 12 % à 25 % environ de chrome.
L'élément à. coefficient de dilatation le plus élevé est un acier contenant du carbone à raison de 0,5 % à 1 % et au moins trois constituants d'alliage, dont le nickel et le manganèse, la quantité totale de ces constituants étant com prise entre 17 % et 25 %.
Le troisième constituant d'alliage peut être le chrome ou le molybdène. Il peut conte nir quatre constituants d'alliage, par exem ple du nickel, du manganèse, du chrome et du molybdène.
Dans la fabrication des organes bimétal liques du genre de celui auquel se rapporte la présente invention, on emploie d'habitude comme élément à coefficient de dilatation le plus élevé un acier austénitique à faible te neur en carbone et des constituants d'alliage en quantités relativement grandes, .de sorte que l'acier reste stable aux conditions ordi naires d'emploi. Ainsi un acier à faible te neur en carbone employé actuellement pour l'élément à coefficient de :dilatation le plus élevé d'un bimétal thermostatique contient une quantité totale de nickel, chrome et man ganèse représentant à peu près<B>30%</B> de l'a cier.
Un tel acier peut être facilement tra vaillé et soudé, mais son coefficient de dila tation n'est. pas aussi grand qu'il est désirable pour certains usages.
L'expérience a montré qu'un élément à coefficient de dilatation élevé approprié à des usages thermostatiques et ayant un coeffi cient de dilatation plus élevé que celui de l'acier susmentionné peut être réalisé en em ployant une teneur totale moindre de cons tituants d'alliage et que, de plus, si les cons tituants d'alliage se trouvent dans des pro portions différentes de celles employées jus qu'ici, l'acier est stable et présente des carac téristiques physiques satisfaisantes.
L'élément à coefficient de dilatation le plus élevé peut être un acier contenant de faibles quantités de, silicium et de cobalt; il peut, par exemple, contenir du nickel à rai son 1 5 % à 2? % , du chrome de 2 % à. 8 %, du manganèse de<B>M 'Il</B> à 5 % et du carbone de <B>0.5%</B> à 7. % avec du silicium et du cobalt n'excédant pas 0,2 % et respectivement 0,1 %.
Le choix des quantités particulières des divers constituants de l'allia.ge, dans les pro partions susmentionnées, dépend de nom breuses considérations avant trait aux effets de ces constituants sur les caractéristiques physique du produit final. Le nickel et le manganèse, par exemple, sont des facteurs importa.uts pour amener le fer à. un état sta ble et le maintenir dans cet état, le manga nèse étant le plus efficace pour arriver à ce résultat; mais, lorsqu'il est employé en trop grandes quantités, il donne au produit final des ca.raetètes physiques indésirables. Le chrome avec le nickel a également pour effet de stabiliser le fer et, en outre, il augmente la résistance de l'alliage à. la corrosion.
Une te neur élevée en carbone, c'est-à-dire comprise dans les proportions spécifiées, permet d'em ployer de plus petites quantités totales de nickel, de chrome et de manganèse sans perte de stabilité. De même, si on augmente la pro portion île l'un quelconque des quatre consti tuants, nickel. chrome, manganèse ou car- bore, on peut utiliser de plus petites quantités des autres constituants.
Ces considérations montrent que l'on ne recommande pas que chacun des constituants d'alliage figure, dans le nouveau matériau, en quantité approchant soit des limites supé rieures, soit des limites inférieures susmen tionnées, mais que, par exemple, si un élé ment doit présenter du nickel en quantité voisine de la limite inférieure spécifiée pour ce constituant, les quantités de chrome et de manganèse présentes seraient dans les parties supérieures de leurs proportions. Si, dans ce cas, on désire une résistance à la corrosion, on peut employer une plus grande proportion de chrome et une proportion plus faible de man ganèse, alors due,
si la. résistance à la. corro sion n'est pas importante, on peut réduire la. proportion de chrome et augmenter celle du manganèse. La résistance à la corrosion de l'élément d'un Bimétal à coefficient de dila tation le plus élevé n'est pas toujours impor tante, toutefois., si l'élément à coefficient de dilatation le plus faible consiste en du fer et du nickel seulement, la résistanee à la. corro sion de cet élément. sera, ordinairement moin dre que celle de l'élément à coefficient. de di latation le plus élevé et déterminera la résis tance du Bimétal pris dans son ensemble.
Quelques compositions du métal à plus grand coefficient de dilatation de l'organe bi métallique selon l'invention sont données, à titre d'exemples, les pourcentages étant ap proximativement les suivants dans chaque cas:
EMI0002.0021
<I>Exemple <SEP> 1:</I>
<tb> \Tickel <SEP> 18 <SEP> % <SEP> à <SEP> 20 <SEP> ?;
<tb> Chrome <SEP> ? <SEP> % <SEP> à <SEP> 3 <SEP> <B>101</B>
<tb> Manganèse <SEP> 0,5 <SEP> % <SEP> à <SEP> 3
<tb> Carbone <SEP> <B>0.5%</B> <SEP> à <SEP> 0,8 <SEP> %
<tb> ?e <SEP> solde <SEP> étant <SEP> du <SEP> fer.
EMI0002.0022
<I>Exenaple <SEP> II:</I>
<tb> Nickel <SEP> 19 <SEP> % <SEP> à <SEP> <B>M75%</B>
<tb> Chrome <SEP> 'f <SEP> % <SEP> < 1 <SEP> ?,5 <SEP> ?;
<tb> Manganèse <SEP> 0,90 <SEP> % <SEP> à <SEP> 1.0 <SEP> ';
<tb> Carbone <SEP> 0,5 <SEP> % <SEP> à <SEP> 0,6
<tb> le <SEP> solde <SEP> étant <SEP> du <SEP> fer.
EMI0003.0001
<I>Exemple <SEP> III:</I>
<tb> Nickel <SEP> <B>19,5%</B>
<tb> Chrome <SEP> 2,5
<tb> Manganèse <SEP> 1 <SEP> %
<tb> Carbone <SEP> <B>0,5%</B>
<tb> le <SEP> solde <SEP> étant <SEP> du <SEP> fer. Chacune des combinaisons données ci dessus comprend de petites quantités de sili cium et de cobalt n'excédant de préférence pas 0,2 % et respectivement 0,1 %.
Dans chacun des alliages faits selon l'in vention, on peut employer du molybdène pour remplacer une partie du nickel, du manganèse ou du chrome. Lorsqu'on emploie du molyb- dène pour remplacer le chrome, en tout ou en partie, il faudra plus de nickel ou de manganèse pour obtenir un alliage stable.
L'emploi de molybdène augmente la résis tance de l'élément à des températures élevées au-dessus de 400 C.
Un élément de la nouvelle composition à coefficient de dilatation élevé est caractérisé par son coefficient de dilatation thermique élevé et est efficace pour les températures allant de - 27 C environ à plus de<B>705.'</B> C. Ainsi, un alliage selon l'exemple III a un coefficient de dilatation thermique d'environ 18,9 X 10-6 à la température ordinaire, ce coefficient augmentant à<B>19,8</B> X 10-6 à la température d'environ 315 C.
Un acier, qui a été employé jusqu'ici comme élément à coefficient de dilatation élevé et qui contient environ 12 % de nickel, -environ 18 % de chrome et de petites quantités d'autres élé ments se trouvant habituellement dans l'acier, a un coefficient de dilatation thermique d'en viron 17,1 X <B>10---6</B> à la température ordinaire, ce coefficient augmentant à environ 18 X 10-6 à la température d'environ 315 C.
Puisque le nouvel alliage contient une teneur en carbone relativement élevée, il est plus difficile à. travailler et à souder que les aciers à, faible teneur en carbone, mais ces difficultés ne sont pas importantes et la fa brication d'éléments thermostatiques avec cet alliage n'en est pas gênée.
Bimetallic organ. The present invention relates to a bimetallic organ of the kind which are ordinarily employed in thermal control devices, indicators and devices having similar purposes;
its aim is to obtain a thermostatic bimetal exhibiting a high deformation coefficient and which can be used over a large temperature scale without appreciable variation in its effectiveness while also exhibiting physical characteristics which make it suitable for use. the use for which it is intended and which can be manufactured without difficulty by the usual methods.
The bimetallic member according to the invention consists of a pair of elements having different expansion coefficients, fixed -apparently face to face: in any suitable manner, for example by welding. The element with the lowest coefficient of expansion has a composition in which iron predominates, such as, for example, nickel steel containing from about <B> 3 5 </B>% to 42% nickel or an iron-chromium alloy containing about 12% to 25% chromium.
The element to. the highest coefficient of expansion is a steel containing carbon at a rate of 0.5% to 1% and at least three alloying constituents, including nickel and manganese, the total quantity of these constituents being between 17% and 25%.
The third alloying component can be chromium or molybdenum. It may contain four alloy constituents, for example nickel, manganese, chromium and molybdenum.
In the manufacture of bimetallic members of the kind to which the present invention relates, usually employed as the element having the highest coefficient of expansion, austenitic steel of low carbon content and alloying constituents in relatively quantities. large, so that the steel remains stable under ordinary conditions of use. Thus a low carbon steel currently used for the element with the highest expansion coefficient of a thermostatic bimetal contains a total quantity of nickel, chromium and man ganese representing approximately <B> 30% </ B> to have it.
Such steel can be easily worked and welded, but its coefficient of expansion is not. not as large as is desirable for some uses.
Experience has shown that a high coefficient of expansion element suitable for thermostatic uses and having a higher coefficient of expansion than that of the aforementioned steel can be achieved by employing a lower total content of constituents of alloy and that, moreover, if the alloying constituents are in proportions different from those employed heretofore, the steel is stable and exhibits satisfactory physical characteristics.
The element with the highest coefficient of expansion can be a steel containing small amounts of silicon and cobalt; it may, for example, contain nickel at range 1 5% to 2? %, from 2% chromium to. 8%, manganese of <B> M 'Il </B> at 5% and carbon of <B> 0.5% </B> at 7.% with silicon and cobalt not exceeding 0.2% and 0.1% respectively.
The choice of the particular amounts of the various constituents of the alloy, in the above-mentioned proportions, depends on many considerations before dealing with the effects of these constituents on the physical characteristics of the final product. Nickel and manganese, for example, are important factors in bringing iron to. a stable state and maintain it in that state, manganese being the most effective in achieving this result; but, when used in too large amounts, it gives the final product undesirable physical characteristics. Chromium along with nickel also has the effect of stabilizing iron and, moreover, it increases the strength of the alloy to. corrosion.
A high carbon content, that is to say within the specified proportions, allows the use of smaller total amounts of nickel, chromium and manganese without loss of stability. Likewise, if we increase the proportion of any of the four constituents, nickel. chromium, manganese or carbon, smaller amounts of the other components can be used.
These considerations show that it is not recommended that each of the alloying constituents appear in the new material in an amount approaching either the upper limits or the lower limits mentioned above, but that, for example, if an element must have nickel in an amount close to the lower limit specified for this constituent, the amounts of chromium and manganese present would be in the upper parts of their proportions. If, in this case, corrosion resistance is desired, a higher proportion of chromium and a lower proportion of manganese can be used, then due,
if the. resistance to. corrosion is not important, we can reduce the. proportion of chromium and increase that of manganese. The corrosion resistance of the element of a higher coefficient of expansion bimetal is not always important, however, if the element with the lower coefficient of expansion is iron and nickel. only, resistance to. corro sion of this element. will usually be less than that of the coefficient element. of the highest expansion and will determine the resistance of the bimetal taken as a whole.
Some compositions of the metal with a greater coefficient of expansion of the bi-metallic member according to the invention are given, by way of examples, the percentages being approximately the following in each case:
EMI0002.0021
<I> Example <SEP> 1: </I>
<tb> \ Tickel <SEP> 18 <SEP>% <SEP> to <SEP> 20 <SEP>?;
<tb> Chrome <SEP>? <SEP>% <SEP> to <SEP> 3 <SEP> <B> 101 </B>
<tb> Manganese <SEP> 0.5 <SEP>% <SEP> to <SEP> 3
<tb> Carbon <SEP> <B> 0.5% </B> <SEP> to <SEP> 0.8 <SEP>%
<tb>? e <SEP> balance <SEP> being <SEP> of the <SEP> iron.
EMI0002.0022
<I> Exenaple <SEP> II: </I>
<tb> Nickel <SEP> 19 <SEP>% <SEP> to <SEP> <B> M75% </B>
<tb> Chrome <SEP> 'f <SEP>% <SEP> <1 <SEP>?, 5 <SEP>?;
<tb> Manganese <SEP> 0.90 <SEP>% <SEP> to <SEP> 1.0 <SEP> ';
<tb> Carbon <SEP> 0.5 <SEP>% <SEP> to <SEP> 0.6
<tb> the <SEP> balance <SEP> being <SEP> of the <SEP> iron.
EMI0003.0001
<I> Example <SEP> III: </I>
<tb> Nickel <SEP> <B> 19.5% </B>
<tb> Chrome <SEP> 2.5
<tb> Manganese <SEP> 1 <SEP>%
<tb> Carbon <SEP> <B> 0.5% </B>
<tb> the <SEP> balance <SEP> being <SEP> of the <SEP> iron. Each of the combinations given above comprises small amounts of silicon and cobalt preferably not exceeding 0.2% and 0.1% respectively.
In each of the alloys made according to the invention, molybdenum can be used to replace part of the nickel, manganese or chromium. When molybdenum is used to replace chromium, in whole or in part, more nickel or manganese will be required to obtain a stable alloy.
The use of molybdenum increases the resistance of the element to high temperatures above 400 C.
An element of the new composition with a high coefficient of expansion is characterized by its high coefficient of thermal expansion and is effective for temperatures ranging from about -27 ° C to over <B> 705. '</B> C. Thus, a alloy according to Example III has a coefficient of thermal expansion of about 18.9 X 10-6 at ordinary temperature, this coefficient increasing to <B> 19.8 </B> X 10-6 at the temperature of about 315 C.
A steel which has heretofore been used as a high coefficient of expansion element and which contains about 12% nickel, about 18% chromium and small amounts of other elements usually found in steel, has a coefficient of thermal expansion of about 17.1 X <B> 10 --- 6 </B> at room temperature, this coefficient increasing to about 18 X 10-6 at a temperature of about 315 C.
Since the new alloy contains a relatively high carbon content, it is more difficult to. work and weld only low carbon steels, but these difficulties are not great and the manufacture of thermostatic elements with this alloy is not hampered.