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ORGANES BIMETALLIQUESo
Les rubans ou lames bi-métalliques qui sont utilises dans de nom- breux appareils à effet thermique, tels que les thermostats, régulateurs, dis- joncteurs, etc... sont essentiellement constitués par l'assemblage de deux al- liages : l'un très dilatable, l'autre peu dilatable. Lorsque les rubans ain- si constitués sont portés à une certaine température, la différence de dilata- tion des alliages utilisés produit une incurvation du ruban d'où résulte l'ef- fet recherché. Cette incurvation peut être exprimée par la valeur d'une "dé- flexion spécifique" soit le déplacement de l'extrémité d'une bilame droite encastrée à une extrémité, ayant une longueur utile de 100 mm et une épais- seur de L mm, pour une élévation de température de 1 C.
On peut également dé- finir les propriétés de la bilame par le coefficient de Villarceau V = ' 3/2 (@2-@1), @1 et @2 étant les coefficients de dilatation des deux élé- ments.
Les éléments très dilatables des bilames connues sont des plus va- riés. C'est ainsi que l'on a successivement utilisé le fer dont le coefficient de dilatation aux températures ordinaires est de l'ordre de 12.10-6; du cuivre dont le coefficient de dilatation est de l'ordre de 18 à 20.10-6 ; du nickel dont le coefficient de dilatation est de l'ordre de 16.10-6;un fer- nickel-chrome à basse teneur titrant environ 23 % de nickel et 2,5 % de chro- me, et dont le coefficient de dilatation est de l'ordre de 20 à 22.10-6; un autre fer-nickel titrant 15 à 20 % de nickel et 5 à 9 % de manganèse, dont le coefficient de dilatation atteint 22 à 23.10-6.
On a même récemment utilisé des alliages spéciaux titrant plus de 70 % de manganèse, le reste étant du nickel et du cuivre en proportions variables, ces alliages ayant l'avantage d'avoir des coefficients de dilatation pouvant atteindre 27.10-6. Mais dans tous les cas l'élément peu dilatable a été recherché dans les alliages binai- res fer-nickel. L'alliage le plus souvent utilisé est évidemment celui dont le coefficient de dilatation est le plus faible. C'est un fer-nickel à 36 % de nickel, connu généralement sous la marque Invar, propriété de la Société
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demanderesse. Cet alliage présente toutefois une anomalie de dilatation cor- respondant à un relèvement extrêmement rapide du coefficient de dilatation à partir de 175 .
Comme les éléments dilatables cités plus haut, ou connus actuellement,et que l'on peut associer à l'Invar, ne possèdent pas d'ano- malie semblable ni au point de vue température, ni au point de vue intensi- té, il en résulte que les bilames jusqu'à présent réalisées avec de l'In- var perdent beaucoup de leur sensibilité au delà de 175 .
Ce fait est illustré par les courbes 1' 2' 3' de la fig.l du des- sin annexé, sur laquelle on a porté en abscisses les températures en degrés centigrades et en ordonnées les déflexions spécifiques en millimètres des bilames. Les trois bilames correspondant à ces courbes 1' 2' 3' comportent comme élément peu dilatable un fer-nickel à 36 % de nickel et comme élément dilatable soit un fer-nickel-chrome à 23 % denickel et 2,5 %-de chrome (cour- be le)., soit un,nickel-manganèse-cuivre à 74 % de manganèse, la % de nickel et 15 % de cuivre (courbe 2'), soit du nickel pur (courbe 3'). On voit que la meilleure de ces trois bilames (celle correspondant à la courbe 2') pré- sente encore une diminution de sensibilité au delà de 200 .
Ces observations de la Société demanderesse l'ont incitée à re- chercher les moyens d'améliorer les bilames, en conservant leur sensibilité à des températures aussi grandes que possible, ce qui est fort important pour de nombreuses applications pratiques et en particulier pour les disjoncteurs électriques.
Les alliages binaires fer-nickel autres que l'Invar possèdent tous une anomalie comparable conduisant à un défaut similaire des bilames.
L'anomalie est rejetée vers les hautes températures au fur et à mesure de l'élévation de la teneur en nickel, mais parallèlement le coefficient de dilatation du fer-nickel s'élève très rapidement, ce qui conduit à une dimi- nution de la sensibilité du ruban bi-métallique dans des proportions consi- dérablesg C'est ainsi qu'il existe dans la pratique des bilames dont la sen- sibilité en fonction de la température suit une loi sensiblement linéaire jusqu'à des températures dépassant 400 ; mais cette sensibilité se trouve diminuée dans des proportions considérables atteignant 50 % par rapport aux bilames à base d'Invar.
Pour ces diverses raisons, la Demanderesse est arrivée à cette conclusion, assez imprévue en l'état actuel de la technique, que l'on devait rejeter l'Invar et les autres alliages.binaires fer-nickel connus pour la constitution de l'élément peu dilatable des bilames et rechercher un métal différent.
La Demanderesse a alors trouvé que certains alliages à plus de deux éléments de base titrant 15 à 25 % de Co,et 20 à 35 % de Ni, (la somme des teneurs en Ni et Co variant entre 35 et 60 %), le reste du fer (sous ré- serve d'une part des impuretés ou éléments habituels dans les métaux de ce genre tels que C, Si, Mn, S, P, etc... et d'autre part des additions intenti- onnelles ou non d'autres éléments dans la mesure où la structure et les prq- priétés de l'alliage en tant qu'elles intéressent l'application visée, ne sont pas modifiées), possèdent un coefficient de dilatation qui, bien que plus élevé que celui de l'Invar est encore très faible et cela dans un domai- ne de température assez élevé;
en particulier lorsque ces alliages possèdent une anomalie dilatométrique, elle se trouve rejetée à une température beaucoup plus élevée que celle de l'anomalie qui existerait dans un fer-nickel de mê- me coefficient de dilatation.
La Demanderesse a trouvé que, de même que celle de la plupart des alliages les plus dilatables (dont on peut faire l'élément dilatable d'une bi- lame) la courbe de dilatation des alliages peu dilatables fer-nickel-cobalt sus-indiqué a jusque vers 400 C une allure linéaire et que la.différence de dilatation entre ces deux çatégories d'alliages est suffisamment proche de la proportionnelle pour.qu'on puisse réaliser, à partir de ces éléments, des bilames possédant jusqu'au delà de 400 C une déflexion variant linéairement en fonction de la température et qui n'etaient pas connues jusqu'ici.
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La présente invention a donc pour objet l'application à la réa- lisation de lames ou organes bi-métalliques des alliages cobalt-nickel-fer de la composition sus-indiquée, ces alliages étant utilisés pour constituer l'élément peu dilatable de l'organe bi-métallique. Elle s'étend en outre aux lames et organes bi-métalliques comprenant un élément peu dilatable cons- titué en l'un desdits alliages Co-Ni-Fe et combiné avec un élément dilatable en l'un quelconque des alliages connus, et de préférence, en un alliage dont la courbe de dilatation présente une allure comparable à celle desdits allia- ges Co-Ni-Fe, jusqu'à des températures de l'ordre au moins de 400 C.
Comme on le sait, la sensibilité de la bilame est maximum lorsque le rapport des épaisseurs des deux constituants est égal à la racine carrée de l'inverse du rapport des modules d'élasticité.
EXEMPLE 1 :
On associe une lame dilatable constituée par un fer-nickel-man- ganèse, titrant 15 % de nickel et 7 % de manganèse, avec une lame peu dilata- ble en un alliage fer-nickel-cobalt à 18% de cobalt et 27 % de nickel. La sen- sibilité d'une telle bilame est rigoureusement linéaire jusqu'au delà de 400 , avec une déflexion spécifique de 0,115 mm par degré centigrade comme le montre la courbe 1 du diagramme annexé. La résistivité de la bilame est de 50 mierohns/ cm/cm2.
EXEMPLE 2 :
On associe une lame fortement dilatable titrant 74% de manganèse, 10% de nickel et 15% de cuivre, à une lame peu dilatable en fer-nickel-cobalt, titrant 18% de cobalt et 27% de nickel. Comme'le montre la courbe 2 du diagram- me, la sensibilité de la bilame obtenue est également linéaire jusqu'au delà de 400 , avec une déflexion spéeifique de 0,170 mm par degré centigrade, ce qui correspond à la sensibilité des meilleures bilames. La résistivité de la bilame est de 70 microhms/cm/cm2.
La comparaison des courbes 1 et 2 de la fig.l correspondant aux deux exemples de réalisation précédents de l'invention avec les courbes 1', 2', 3' relatives à des bilames connues, dont l'élément peu dilatable est en ferro-nickel à 36% de Ni, montre l'amélioration de sensibilité vers les hau- tes températures que l'invention permet d'obtenir.,
Ce fait peut s'expliquer comme suit :
si l'on porte en abscisses les températures et en ordonnées les dilatations linéaires (fig.2 du dessin annexé) on obtient pour divers alliages ou métaux utilisables comme éléments dilatables des courbes sensiblement linéaires telles que la, 2a, 3a, 4a, la courbe la correspondant à l'alliage fer-nickel-manganèse de l'exemple 1 ci- dessus, la courbe 2a à l'alliage manganèse-nickel-cuivre de l'exemple-2, la courbe 3a au nickel pur et la courbe 4a à un fer-nickel-chrome à 23% de ni- ckel et 2,5% de chrome.
Si l'on compare des courbes avec la courbe de dilatation de l'In- var (Fe-Ni à 3,6% de Ni) tracée en l'b sur la fig.2, on voit qu'en raison du coude que présente cette courbe l'b vers 175 , lorsque la température de la bilame augmente, la différence de dilatation des éléments d'une bilame ayant de l'Invar comme élément peu dilatable change d'allure à partir de 175 en- viron et ia sensibilité de la bilame décroît rapidement.
Au contraire la courbe lb de la figure 2, tracée pour l'alliage fer-nickel-cobalt utilisé conformément à l'invention, présente une pente s,en-" siblement constante jusqu'à des températures de l'ordre de 400 C, de sorte que la différence de dilatation avec l'élément dilatable ne cesse de croître jusqu'à ces températures, et la sensibilité suit'une loi régulière.
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Il est bien entendu possible de faire varier la résistivité des bilames conformes à l'invention, soit en intercalant entre les deux éléments de base une feuille d'alliage conducteur, suivant les procédés connus (feuil- ' le de nickel, de fer, de laiton brasure, etc...), soit en utilisant comme élé- ment dilatable un corps très conducteur comme par exemple le cuivre ou le ni-
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ckel, ou en combinant ces deux sortes de moyens.
Dans eet ordre d'idées la Demanderesse a pu réaliser, en,prenant pour l'élément dilatable du nickel pur, des bilames ayant des résistivités de 25 et même 15 microhms/cm/cm2 (courbe 3 du diagramme) et il a été trouvé que l'amélioration apportée par l'invention dans ce cas particulier est peut être encore plus marquée qu'avec les autres éléments dilatables, puisque les bilames connues à Invar et Ni perdaient toute sensibilité au-dessus de 200 (comparer les courbes 3 et 3').
REVENDICATIONS 1. Organe bi-métallique capable de déformation sous l'influence d'une élévation de température et comportant deux parties en métaux diffé- rents,l'un peu dilatable, l'autre très dilatable, caractérisé en ce que le métal peu dilatable est un alliage à base de cobalt-nickel-fer titrant 15 à 25% de cobalt et 20 à 35% de nickel (la somme des teneurs en nickel et co- balt variant entre 35 et 60%, le reste se composant de fer en totalité ou en partie.