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Perfectionnements aux éléments 1>imétalliques
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Cette invention se rapporte à des riisP0>31tifs.thArmo:Jtatlques et particulièrement à des éléments bimétalliques pour ces dis-
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positifs, comprenant deux alliages coopérante, de préférence
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des alliages de fer, oonveriablement assembles, dont l'un présente un coefficient de dilatation thermique élevé et l'autre un coefficient de àiltàtàtion peu élevé S8iJlbla1.Jle à celui d'un
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alliage de nickel et de fer.
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Il est 'biu connu que le fer pur lorsqu'il est cnau!'fé pansue par un point de transformation à 9000C environ, et lorsqu'on le chaufle davantage il passe par un second point
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de transformation à 1400 C à peu près. La texture du fer en
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dessous de 90000 est communément comme sous la désignation de texture cristalline alpha. ntre 900 C et l40oOC, la texture cristalline du fer pur est connue sous le non d'austénite ou fer gamma et au-dessus de 1400 C la texture cristalline change pour devenir ce qu'on appelle le fer delta.
Lorsqu'il est chauffé, le fer se dilate uniformément jus-
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qu'à 90000 et présente un coefficient de dilatation thermique de 12 x 10 crr. approximativement par degré 0 et entre 900 C et 1400 0, ou entre son premier et son second point de transformation, il se dilate uniformément mais dans une mesure beaucoup plus élevée, le coefficient de dilatation étant ap-
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proximativement de 20 x 10 6enr, par degré 0. Au-dessus de 1400 C le fer pur se dilate dans une mesure moindre que le fer qui possède une texture austenitique.
L'invention consiste essentiellement à employer comme élément à coefficient de dilatation thermique élevé, un allia-
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ge conteiint du fer relativement pur et une quantité notable de manganèse. Uii pareil alliage, lorsqu'il est chauffé, possede à peu près les mêmes caractéristiques de dilatation que In fer ayant une texture cristilline austénitique, sur une -2lle de températures allant de + 150 C a + 500 C. Cet alliage est réversible dans ses caractéristiques theimiques sur cette échelle de températures; c'est-à-iire qu'il suit la même courbe de dilatation pendant le chauffage que pendant le refroidissement.
Entre 100 C et environ 125 C, l'alliage de
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fer et de lUd.Il:;dJ.lèse posséda un coefficient de dilatation thermique qui ne diffère pas sensiblement de celui d'un allia-
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ge de fer et de nickel, mais au-delà de 12500 l'alliage de fer et de manganèse présente un coefficient de dilatation
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thermique beaucoup plus élevé. L'alliage de fer de manganèse lorsqu'il est uni a un alliage qui possède un coefficient de dilatation relativement bas pour former un élément bimétalli- que est d'une grande utilité dans les dispositifs thermostati- ques ainsi qu'il est expliqué ci-dessous.
Suivant la présente invention on peut aussi ajouter du nickel, ou un autre élément constitutif d'alliage produisant le même effet, à l'alliage qui possède un coefficient de di- latation thermique élevé, pour élever la transformation de gamma à delta au-dessus de l'échelle de températures ci-dessus mentionnée. Cornue le manganèse n'est pas aussi coûteux que le nickel il est désirable d'employer le manganèse comme élément prédominant de l'alliage, pour autant que les autres caracté- ristiques de l'alliage le permettent.
On a trouvé qu'avec
10 % de nickel, la caractéristique d'une dilatation élevée que présente l'austenite ou le fer gamma est assurée sur une échelle de températures comprise entre - 100 C; au moins et + 400 C:
L'alliage à coefficient de dilatation thermique élevé, qui contient du fer, du manganèse et du nickel, peut renfer- mer jusqu'a 15 % environ (le manganèse, et des exemples sont donnés ci-dessous d'alliages ayant moins de 8 % et de 8 à
15 d de nickel.
Fig. 1 montre les courbes de dilatation thermique de deux alliages de fer, dont l'un contient du fer et du man- ganese, et d'un élément bimétallique renfermant ces deux alliages.
Fig. 2 montre les caractéristiques de dilatation ther- mique d'un alliage de fer contenant du manganèse et 8 à 15 % @
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ie nickel,et d'un second alliage due fer contenant riu nickel, représentées schél.tique.tprlt par des courbes, ainsi que la différence de dilatation entre ces deux alliages, qui constitue la. mesure de la flexion qui peut être obtenus à une tempéra-
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ture quelconque lorsque ces deux a]liages sont unis pour for- mer une bande bimétallique.
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Fig..5 représente les caractéristiques de 7a dilatation thermique d'un alliage de fer, de nickel et de manganèse, pré-
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sentant moins de 8 4 de nickel,
et celles d'un alliage due fer et de nickel ainsi que la courbe les différences de -Ululation entre ces alliages, et
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li5. 4 représente les caractéristiques de 1 dilatation therihique d'un autre alliage de nickel et d1liu1Hh<:!.uf;se ayant .Ji.OL1S de 6 de nickel et celles d'un alliage do fer et de nickel, ainsi que la courbe des différences de dilatations entre cesalliages.
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Dans les dessins, l'échelle verticale c'e3t-à-dire l'axe des ordonnées représente les dilatations en r.1illihlAs par unité de longueur et 11 iLhelle horizontale ou l'axe des abscisses reljrd.36ute la température en degrés C.
Sur la Fig. 1, la courbe de dilatation désignée par le chiffre 11 représente la caractéristique des dilatations d'un
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alliage contenant du ual;a,lièse, du fer et un pourcentage 1.J.1üi1J.ê
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de carbone. La courbe désignée par le chiffre 12 représente les caractéristiques de la dilatation thermique d'un alliage de nickel et de fer qui forme un élément bimétallique avec l'alliage représente par la courbe 11. La courbe 13 figurée par une ligne en traits interrompus représente la différence des dilatations entre les alliages des courbes 11 et 12, à la quelle la flexion d'un élément bimétallique composé de ces alliages est directement proportionnelle dans des conditions appropriées.
L'alliage représenté par la courbe 11 possède un très haut coefficient de dilatation thermique entre 100 C et 500 C.
Entre 100 C et - 150 C le coefficient de dilatation décroit et se rapproche du coefficient de dilatation de l'alliage repré- senté par la courbe 12. Il est à remarquer qu'entre - 150 C et + 100 0 la différence entre les ordonnées des courbes 11 et 12 est à peu près nulle comme l'indique la courbe 13. De 100 C à 400 C les différences dans la dilatation des alliages 11 et 12 est très marquée et un caractère uniforme. l'élément bimétallique représenté par la courbe 13 conserve une dilatation élastique à une température de 500 C environ.
On peut faire varier la caractéristique thermique (le l'alliage représenté cai la courbe 11 en changeant la teneur en manganèse entre les limites de 15 % et 30 % à peu près et en faisant des additions modérées d'autres éléments constitutifs d'alliages. L'alliage représenté par la courbe 12 peut être un alliage de fer et de nickel, ayant un coefficient de dilatation désiré quelconque, propre à être utilisé conjointement avec l'alliage de manganèse et de fer.
Un élément bimétallique, comprenant un alliage fer-nickel a 45 % et un alliage ferreux contenant 23 % de manganèse et
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1 de carbone montre une grande sensibilité à se modifier à une température comprise entre les températures de 150 C et
400 C environ. filtre 150 C et - 150 C cet élément bimétallique présente une dilatation qui peut être considérée comme nulle en pratique.
Pour cette raison il n'est guère soumis à de grands efforts mécaniques dans cette échelle de températures.
Il est entendu que la teneur en nickel de l'alliage re- présente par la courbe la¯ peut être variée suivant la quantité de manganèse, ou autres éléments constitutifs additionnels, contenue dans l'alliage représenté par la. courbe 11, de maière a pouvoir obtenir un élément bimétallique pour dispositifs thermostatiques, capable d'opérer sur une gamme de températures relativement étendue, a laquelle il doit être considéré comme affecte, et a peu près Insensible à des températures qui ne sont pas comprises dans cette gamme de températures.
Sur la Fig. 2, la courbe 11 représente les caractéristiques de. dilatation thermique d'un alliage ferreux contenant approximativement des parties égalesde manganèse et de nickel en quantités notables. La courbe 12 représente la caractéristi- que des dilatations d'un alliage ferreux à coefficient de dilatation relativement bas, qui contient approximativement 38 % de nickel, et la courbe 13 représente la caractéristique de flexion thermique d'un bimétal composé des alliages représentés par les courbes 11 et 12. Les ordonnées de la courbe 13 sont obtenues en retranchant les ordonnées de la courbe 12 des or- données de la courbe 11.
Il est à remarquer que la courbe de l'alliage caractérisé par la ligne 11 présente une concavité dirigée vers le haut entre - 150 C et - 75 0 approximativement et qu'elle eut à peu
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près rectiligne entre - 750C et + 450 C, la régularité de cette courbe montrant que l'alliage composé de manganèse, de nickel et de fer se dilate à peu près uniformément sur l'échelle des températures de - 75 Cà + 450 C.
La courbe 12 représente approximativement un alliage de fer à 38 % de nickel, coopérant avec l'alliage représenté par la courbe 11 et il y a lieu de remarquer que la caractéristique de dilatation de l'alliée fer-nickel est à peu près uniforme entre - 100 et environ + 250 C.
La caractéristique des dilatations thermiques d'un bimétal formé des alliages représentés par les courbes 11 et 12 est figurée en particulier par la courbe 13. Il y a lieu de remarquer que le bimétal formé de ces alliages présente une flexion à peu près uniforme entre - 75 C et à peu près + 250 C..
A des températures plus élevées que 300 C, le bimétal fléchit dans une mesure moindre qu'entre - 100 0 et 300 C et la courbe se rapproche de l'horizontal, indiquant que la flexion décroît à mesure que la température augmente.
L'échelle des températures pour laquelle la, caractéristi- que du coefficient de flexion thermique est uniforme, entre 0 C et 250 C, peut être étendue à des températures plus élevées que 250 C. Ainsi, un bimétal composé de l'alliage de la courbe 11 et d'un alliage ayant une teneur en nickel plus élevée que l'alliage de la courbe 12 aura, une caractéristique de déviation rectiligne entre - 100 C et une température plus élevée que - 300 C, suivant l'augmentation de la proportion de nickel dans l'alliage correspondant à la courue 12.
Il est désirable que la teneur en manganèse plus deux fois et demie la teneur en nickel ne soit pas inférieure à 30 %. Les quantités de nickel et de manganèse peuvent se trouver en plus grandes quantités pourvu que les caractéristi-
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ques générales de températures de l'alliage représente par la courbe 11 ne s'en écarte pas notablement. Un alliage ferreux,
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lu caractère considéré, contenant 10 /; ;le manganèse et 10 de nickel est particulièrement sensible à des changements 1e te;pérd.tura et possède une caractéristique de dilatation thermi- que uniforme.
On peut varier le degré de dilatation thermique du bilé-m +--il, suivant la Fig. 2, en augmentant ou diminuant la teneur en nickel de l'alliage fer-nickel. On peut également faire varier les caractéristiques de dilatation thermique du bimétal suivant la destination qu'il doit recevoir, en modifiant la teneur en nickel ou la teneur en manganèse ou à la fois la teneur en ni-
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ekPl et en manganèse de l'alliage ier-iii :
kei manganèse et la teneur en nickel de l'alliage fer-nickel.
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nur la 2ir. j 3 la courue 11 représente les caractéristiques de dilatation thermique d'un alliage ferreux à ooefiicient due dilatation élevé contenant du nickel et moins de 8 e, de rl1-1uganèse, et la courbe 1? représente les caractéristiques de diluatation thermique d'un alliage fer-nickel c. 4z ( a. coefficient le dilatation relativement bas. La courbe 13 représente la caractéristique de déviation thermique d'un bande bimétallique composée des alliages représentés par des courbes 11 et 12.
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3ur la Fig. 4, la courbe 14 représente la caractéristique ,de dilatation thermique à'u.i alliage ferreux à coefficient i..: dllatation é1dV J, coutelld.üt du nickel et du rua.nt;S<1.J.e se erl. proportions différentes de celles de l'alliage représenté par la courbe 11. La courbe 15 représente les caractéristiques de dilatation d'un alliage fer-nickel à 42 % et la courbe 16 les caractéristiques d'une bande de bimétal formée en assemblant convenablement entre elles des bandes faites au moyen des alliages représentés par les courbes 14 et 15.
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La dilatation de l'alliage représenté par la courba 11 -le la Fig. 3augmente graduellement de 0 C à approximativement 100 C, mais à partir de 100 C jusqu'à des températures supérieures à 400 C, la dilatation se fait dans une mesure beaucoup plus forte et est approximativement uniforme.
La dilatation de l'alliage représente par la courbe 12 est à peu près uniforme entre 0 C et 300 C mais à des températures dépassant 300 C la dilatât ion augmenta très rapidement.
La courbe 13 représente la dilatation d'un bimétal forme par les alliages 11 et 12 et il est à remarquer qu'entre 0 C et environ 100 C, la dilatation n'en est pas appréciable, mais entre 10000 et 350 C approximativement, la dilatation est presque uniforme et a une allure très rapide. Le coefficient de dilatation entre ces dernières températures est relativement élevé, et il est en réalité plus élevé que le coefficient de dila.tation d'un bimétal compose d'un métal monel et d'un. acier au nickel.
L'alliage correspondant à, la courbe 12 est particulièrement utile pour le contrôle de températures entre 150 C et 350 C. En dessous de 150 C la dilatation n'est pas si grande et pour cette raison, lorsque le dispositif n'est pas en activité, les efforts dans le métal sont considérable- ment réduits, ce qui tend à en augmenter la durée.
Sur la Fig. 4, l'alliage fer-manganèse - nickel représenté par la courbe 14 diffère par le teneur en manganèse-nickel de l'alliage représenté par la courbe 11 de la Fig. 3. Il y a lieu de noter qu'entre 0 C et 2000C la dilatation, de ce métal ne diffère pas sensiblement de celle de l'alliage d'acier à 42 % de nickel. Ceci est particulièrement évident dans la courbe 16, dont la partie comprise entre 0 C et 200 C est à peu près plate et se trouve un peu en dessous de l'axe des
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abscisses correspondant à une dilatation nulle. :En réalité la courbure du bimétal est légèrement inversée entrp ces tempéra- tures.
De 200 C à 400 C, le métal se dilate dans une mesure relativement forte. Son coefficient de dilatation est parti- culièrement élevé entre ces températures.
Le teneur en nickel des alliages représentes par ces cour- bas 11 et 14 peut varier entre des limites de 15% et 40% appro- ximativement et la teneur en manganèse entre les limites de 1 % et 8 % a peu près.
La teneur en nickel des alliages représentes par les courbes 12 et 15 peut varier entre les limites de 38 % et 45 % approximativement.
Un bimétal composé des alliages représentes par les courbes 14 et 15 est particulièrement utile dans la gamme des températures de 200 C a 400 C qui constitue l'échelle pour laquelle il est le plus sensible aux changements de températures.
Lorsque ce bimétal se refroidit en-dessous de 200 C, les coefficients de dilatation des deux métaux sont sensiblement égax, ce qui réduit les efforts entre eux en-dessous de cette température. La teneur en manganèse-nickel de l'alliage à coefficient de dilatation élevé peut être modifiée suivant la gamme -les températures à laquelle un bimétal dont il constitue l'un des éléments coopérants doit être soumis. Cornue la flexion d'un bimétal correspondait à la courbe 13 est très faible à 150 C, les efforts qui sont directement proportionnels à la flexion sont relativement faibles et à peu près nuls en pratique.
Ce phénomène est désirable car il réduit les efforts a des températures relativement élevées et permet d'employer le bimétal à ces températures sans sacrifier la sensibilité.
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Bleu que les courber représentatives de la caractéristi- que de dilatation thermique d'un élément à faible coefficient de dilatation soient désignées comme se rapportant à un alliage ferreux contenant du nickel, l' invention n'est pas limitée à l'emploi de cet alliage, étant donna que d'autres alliages ayant un faible coefficient de dilatation peuvent être utilisés. Toutefois la teneur en nickel de l'alliage mentionné cidessus peut dans certains cas être notablement inférieure à 45 de 1'ensemble de l'alliage.
Un bimétal proféré, suivant les Fig.3 3 et 4, est compo- ôé d'un alliage ferreux contenant 38 % de nickel et 4.6% de manganèse, et d'un alliage ferreux coopérant avec le premier et contenant approximativement 42% de nickel, et ce bimétal est très utile dans la gamme de. températures s'étendant entre 200 C et approximativement 400 C. De 0 C à 200 C ce bimétal possède un coefficient de flexion pratiquement nui.