بیمتال چیست ؟

بی متال به جسمی گفته می شود که از دو فلز مجزا تشکیل شده است که توسط یک فرآیند متالورژیکی به یکدیگر متصل شده اند. برخلاف آلیاژها که مخلوطی از دو یا چند فلز هستند، دو فلزات از لایه‌هایی از فلزات مختلف تشکیل شده‌اند که ویژگی‌های فردی خود را حفظ می‌کنند. بیمتال را می توان محصولات دو فلزی یا مواد دو جزئی نیز نامید.

بیمتال ها با دو ناحیه فلزی متمایز از فلزات اصلی مشخص می شوند که به صورت مکانیکی و الکتریکی به عنوان یک واحد عمل می کنند. مزیت بیمتال توانایی استفاده کامل از بهترین کیفیت هر فلز در یک محصول واحد است. به عنوان مثال، بیمتال ها می توانند استحکام یک فلز را با مقاومت خوردگی فلز دیگر یا رسانایی یک فلز با مقرون به صرفه بودن فلز دیگر ترکیب کنند.

بی متال ها به طور گسترده در صنایع و کاربردهای مختلف مانند هادی های الکتریکی، کنتاکت های الکتریکی، ترموستات ها، دماسنج ها، وسایل حفاظتی، ساعت ها، سکه ها، قوطی ها، تیغه ها و غیره استفاده می شوند. در این مقاله، اصل کار، ترکیبات رایج و کاربردهای اصلی بی متال ها را بررسی خواهیم کرد.

بی متال ها چگونه کار می کنند؟

اصل کار بی متال زیمنس بر این واقعیت استوار است که فلزات مختلف دارای ضرایب انبساط حرارتی خطی (αL) متفاوتی هستند، به این معنی که هنگام گرم شدن یا سرد شدن با سرعت های متفاوتی منبسط یا منقبض می شوند. ضریب انبساط حرارتی خطی به عنوان تغییر کسری طول در هر درجه تغییر دما تعریف می شود.

جایی که،

l طول اولیه جسم است،

Δl تغییر طول است،

Δt تغییر دما است،

واحد αL بر درجه سانتیگراد است.

یک بی متال از دو نوار از دو فلز مختلف با ضرایب مختلف انبساط حرارتی خطی تشکیل شده است که در طول به یکدیگر جوش داده شده اند. یک بی متال در دمای معمولی در شکل زیر نشان داده شده است.

هنگام گرم شدن، انبساط در طول هر بی متال متفاوت است. این امر باعث خم شدن عنصر بی متال و تشکیل آرک می شود به گونه ای که فلز با ضریب انبساط حرارتی خطی بالاتر در سمت بیرونی آرک و فلز با ضریب انبساط حرارتی خطی کمتر در قسمت داخلی آرک قرار گیرد. سمت آرک همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

هنگامی که سرد می شود، عنصر دو فلزی خم می شود و آرک تشکیل می دهد به گونه ای که فلز با ضریب انبساط حرارتی خطی کمتر در سمت بیرونی آرک و فلز با ضریب انبساط حرارتی خطی بالاتر در سمت داخلی قوس قرار گیرد. آرک همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

از پدیده فوق می توان برای تولید دستگاهی مفید برای تشخیص و اندازه گیری تغییرات دما استفاده کرد.

چند ترکیب رایج برای ساخت بی متال ها چیست؟

بسیاری از ترکیبات فلزات با ضرایب مختلف انبساط حرارتی خطی را می توان برای تشکیل دو فلز استفاده کرد. برخی از ترکیبات رایج برای ساخت نوارهای دو فلزی در زیر ذکر شده است:

• آهن (آL بالا) و نیکل (آL کم)
• برنج (بالا αL) و فولاد (آL کم)
• مس (آL بالا) و آهن (آL کم)
• کنستانتان (آL بالا) و اینوار (αL کم)

برخی از کاربردهای عمده بیمتال چیست؟

بی متال ها در زمینه های مختلف کاربرد فراوانی دارند. بعضی از این ها در پایین لیست شده اند:

ترموستات ها

بی متال ها برای ساخت ترموستات برای کلیدزنی خودکار مدارها برای کنترل دمای برخی از وسایل مانند بخاری برقی، اتو برقی، یخچال، اجاق برقی و … بسیار مفید هستند. در برخی مدارها جریان عبوری از خود ترموستات برای کارکرد آن گرما تولید می کند. .

یک ترموستات بیمتال معمولی برای این عملیات در شکل زیر نشان داده شده است:

در عملکرد به عنوان یک ترموستات، یک سر بی متال ثابت و به منبع تغذیه متصل می شود. انتهای دیگر برای حرکت آزاد است. یک کنتاکت الکتریکی به انتهای آزاد بی متال متصل است که با انبساط و خمش حرکت می کند.

در دمای معمولی، این کنتاکت متحرک با یک کنتاکت ثابت تماس پیدا می کند، همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است. هنگامی که گرم می شود، این نوار دو فلزی خم می شود و از کنتاکت ثابت جدا می شود، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. این یک مدار بسته به طراحی آن باز یا بسته می شود.

هنگامی که دوباره به دمای معمولی خنک می شود، بی متال به شکل اولیه خود باز می گردد و بسته به طراحی آن مداری را می بندد یا باز می کند.

نمونه ای از این نوع ترموستات ترموستاتی است که در اتو برقی استفاده می شود.

در شکل بالا، بی متال یک نوار مستقیم است. با این حال، می توان آن را به شکل یک سیم پیچ (همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است) ساخت تا طول و حساسیت آن افزایش یابد.

دماسنج

بی متال را می توان در دماسنج های نوع نشان دهنده مستقیم استفاده کرد. در دماسنج ها از بیمتال به صورت سیم پیچی استفاده می شود.

نوع معمولی دماسنج با استفاده از بی متال به شکل سیم پیچ در شکل زیر نشان داده شده است:

یک سر این سیم پیچ به محفظه دستگاه و سر دیگر آن به اشاره گر متصل است.

هنگامی که گرم می شود، انتهای آزاد سیم پیچ حرکت می کند که منجر به انحراف نشانگر روی ترازو می شود.

ترازو از نظر دما کالیبره می شود. به طوری که انحراف نشانگر به طور مستقیم دمای روی ترازو را نشان می دهد.

وسایل حفاظتی

رله های مبتنی بر ترموستات بیمتال برای تشخیص جریان اضافه در دستگاه های الکتریکی به منظور محافظت از آنها در برابر آسیب استفاده می شود. جریانی که از یک مدار یا دستگاه عبور می کند از یک سیم پیچ گرمایشی عبور می کند که یک بیمتال را گرم می کند.

به دلیل گرم شدن، نوار بیمتال خم می شود و یک مدار قطع را به کار می اندازد تا مدار الکتریکی یا دستگاه را از منبع تغذیه قطع کند.

نمونه ای از این نوع وسایل حفاظتی مدار شکن می باشد.

ساعت ها

سیستم های ساعت مکانیکی نسبت به تغییرات دما بسیار حساس هستند که منجر به خطا در عملکرد آنها می شود. با استفاده از بی متال می توان خطا را تا حد قابل توجهی جبران کرد.

یک نوع ساعت معمولی با استفاده از یک بیمتال در شکل زیر نشان داده شده است:

چرخ تعادل که سرعت حرکت را تنظیم می کند دارای لبه ای از دو فلز با ضرایب مختلف انبساط حرارتی خطی است. هنگام گرم شدن، لبه کمی به سمت داخل خم می شود و قطر آن کاهش می یابد و سرعت آن افزایش می یابد. هنگامی که لبه سرد می شود، کمی به سمت بیرون خم می شود و قطر آن افزایش یافته و سرعت آن کاهش می یابد. این تغییرات کشسانی فنر به دلیل تغییرات دما را جبران می کند.

سکه

برای کاهش هزینه‌ها و جلوگیری از ذوب کردن آنها برای ارزش فلز، سکه‌ها اغلب از فلز ارزان‌قیمتی تشکیل شده‌اند که با فلز گران‌تری پوشانده شده‌اند. به عنوان مثال، پنی ایالات متحده از 95٪ مس به 95٪ روی تغییر کرد، با روکش مس نازک برای حفظ ظاهر خود. این باعث می شود که آن یک نوع شی سه فلزی باشد که دارای سه لایه از فلزات مختلف است. نمونه دیگر یک سکه بی متال است که دارای دو قسمت مجزا از فلزات مختلف است. به عنوان مثال، سکه دو دلاری کانادا دارای یک حلقه بیرونی از فولاد نیکل اندود و یک هسته داخلی از برنز آلومینیومی است.

قوطی ها

قوطی های حلبی از فولاد پوشیده شده با قلع تشکیل شده است. قلع با تشکیل یک لایه اکسید روی سطح از خوردگی جلوگیری می کند. این آن را به نوع دیگری از شی سه فلزی تبدیل می کند که دارای سه لایه از فلزات مختلف است. نوع دیگر قوطی آلومینیومی است که دارای بدنه آلومینیومی و درب آلیاژ آلومینیومی با زبانه کششی است. این کار باز کردن آن را بدون استفاده از درب قوطی آسان‌تر می‌کند، اما به دلیل ترکیبی از فلزات، بازیافت آن را سخت‌تر می‌کند.

تیغه ها

تیغه های اره نواری و اره های رفت و برگشتی اغلب با ساختار دو فلزی ساخته می شوند. دندانه ها که از فولاد پرسرعت ساخته شده اند (با روش های مختلف مانند جوشکاری با پرتو الکترونی یا جوشکاری با پرتو لیزر) به پایه فولادی پر کربن نرم تر متصل می شوند. چنین ساختاری تیغه هایی با ترکیب بهتری از سرعت و دوام برش نسبت به تیغه های غیر بی متال ایجاد می کند زیرا مزایا و معایب هر یک از فلزات در بهترین مکان ها اعمال می شود: دندان ها سخت تر (و در نتیجه برش بهتر) و همچنین بیشتر شکننده؛ در همین حال، ناحیه بدن باند نرم‌تر است (که باعث ضعیف‌تر شدن دندان‌ها می‌شود)، اما همچنین شکننده‌تر است، و بنابراین در برابر ترک خوردن و شکستن مقاوم‌تر است (که در ناحیه بدن مطلوب است).

نتیجه

بی متال ها (bimetal siemens) محصولات همه کاره و مفیدی هستند که می توانند بهترین کیفیت هر فلز را در یک محصول واحد ترکیب کنند. آنها می توانند تغییرات دما، کنترل مدارها و دستگاه ها را شناسایی و اندازه گیری کنند، فلزات و سایر مواد را برش دهند، خطاهای سیستم های مکانیکی را جبران کنند، هزینه ها را کاهش دهند و از خوردگی جلوگیری کنند و غیره. بی متال ها نمونه هایی از این هستند که چگونه متالورژی می تواند راه حل های نوآورانه ای برای صنایع و کاربردهای مختلف ایجاد کند.