1 背景概述

5J18热双金属片是一种镍铬合金，广泛用于制造热敏电阻和温敏开关等元件。这种合金双金属片在使用过程中失效，可能的原因有很多，其中一种常见的原因是碳化反应。
    合金在高温条件下工作时，可能会发生碳化反应，即合金中的镍、铬等金属元素与碳形成稳定的化合物，这些化合物通常在微观层面沉淀在晶体内部，导致材料性能下降，影响其稳定性。

5J18热双金属片广泛应用于温度继电器，并且是其核心关键部件。5J18热双金属片在使用工程中的老化以及失效会造成温度继电器精度受到影响，是一个值得研究的前沿课题。

2 碳化原理

碳化的原理主要基于化学的氧化还原反应。在大多数情况下，碳化反应需要足够的氧气参与，因为碳本身并不具有足够的活性来直接与其它元素发生反应。从化学角度来看，碳化反应通常是金属或合金与碳之间的离子或共价键的形成。这种反应会改变合金的化学性质和结构，通常会导致合金的硬度和耐磨性增加，因此碳化通常被用来改善合金的机械性能。从材料学的角度来看，碳化反应可以改变合金的微观结构，形成碳化物的分布，从而影响合金的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性能。金属碳化是指金属表面出现碳化物的沉积，这可能会导致一下一些问题：

1. 电阻增加： 碳化会在金属或合金接触面之间形成一层绝缘物质，增加电阻，导致电流传输不畅或中断。

2. 接触不良： 碳化的存在会使金属接触面积减小，从而影响电气连接的稳定性。

3. 火花放电： 高电阻肯导致在接通或断开电路时产生火花放电，增加火灾风险。

4. 故障或损坏： 碳化会加速金属或合金接触面的磨损和腐蚀，缩短使用寿命。

3 5J18热双金属片碳化问题研究

故障温度继电器拆下来的热双金属片外观可见明显锈蚀，热双金属片中间部位，与传动陶瓷杆接触部位锈蚀明显，图1为热双金属片中间部位锈蚀，图2为热双金属片周边部位锈蚀。

图1热双金属片中间部位锈蚀

图2热双金属片周边部位锈蚀

由于锈蚀有可能是含碳量高造成的。经能谱分析，热双金属片表面锈蚀部位碳元素含量照全新热双金属片明显增加，氧元素含量也有所增加。能量谱分析如下所示，图3为热双金属片中间锈蚀部位元素含量，图4为热双金属片周边锈蚀部位元素含量。

图3锈蚀热双金属片中间锈蚀部位元素含量

图4锈蚀热双金属片周边锈蚀部位元素含量

全新热双金属片中间与周边元素含量如图5和图6所示。

图5全新热双金属片中间部位元素含量

图6全新热双金属片周边部位元素含量

进一步探究热双金属片内部含碳量，将热双金属片延直径线切割，按照下图所示,纵向6个切片，主动层、被动层分别在表面、中间、内部进行能谱分析。

图7热双金属片截面能谱分析示意图

表3 热双金属片含碳量情况

通过截面能谱分析可知，主动层、被动层截面内部位置含碳量同步增加。碳在5J18热双金属片中与金属元素形成各种碳化物。由于碳化物的存在，使得5J18热双金属片的拉伸塑性和冲击韧性受到损失。针对5J18热双金属片这类合金，碳化物的尺寸、含量、形态和分布等严重影响合金的力学性能。因此要想同时提高持久寿命、拉伸塑性和冲击韧性，碳化物形态成为关键。

4 5J18热双金属片故障机理分析

5J18热双金属片由两种不同膨胀系数的合金组成，分别为3Ni24Cr2（主动层）和Ni36（被动层）。这两种合金强度不同，其中3Ni24Cr2强度为92kg/mm2，而Ni36强度为70 kg/mm2。在轧制过程中，这种强度差有助于保持两层的分离，从而保持其不同的膨胀系数。从微观视角来讲，金属的热膨胀与其晶格结构有关。金属晶格是由原子构成的网络结构，原子间的距离非常接近。随着温度的升高，金属晶格内部的原子运动加剧。由于原子的运动，如果其他晶格内的原子运动到该晶格内，可能导致该晶格内的原子数量增加，从而导致晶格内部原子之间的距离减少；如果该晶格内的原子运动到其他晶格，将导致该晶格内的原子数量减少，从而导致晶格内部原子之间的距离增加。微观视角内晶格内部原子之间距离的增加或减少，对应宏观视角热双金属片形变量偏大或偏小。

5J18合金是一种镍铬合金，广泛用于制造热敏电阻和温敏开关等元件。这种合金双金属片在使用过程中性能退化可能的原因有很多，其中一种常见的原因是碳化反应。合金在正常条件下工作时，碳化反应会缓慢发生，即合金中的镍、铬等金属元素与碳形成稳定的化合物，这些化合物通常在微观层面沉淀在晶体内部，导致材料性能下降，影响其稳定性。恶劣工作环境下，如直升机瞬态起降导致温度瞬态变化，会加速碳化反应。

碳化锈蚀对热双金属片的比弯曲、弹性模量等主要物理性能会有一定影响。比弯曲是双金属片的主要质量指标，是决定热双金属片灵敏度和可靠性的主要依据。比弯曲定义为单位厚度的平直热双金属试样每变化单位温度所产生曲率变化的一般，用下式计算：

                      (1)

其中为热双金属试样厚度，和分别为热双金属试样平直和弯曲时的温度，为热双金属试样弯曲时的曲率半径。

弹性模量也是考核热双金属片性能的重要指标。从宏观角度来说，弹性模量是衡量物体抵抗弹性形变能力大小的尺度；从微观角度说，则是原子、分子或离子之间键合强度的反应。弹性模量可视为衡量材料产生形变难易程度的指标，其值越大，使材料发生一定弹性形变的应力也越大，即材料刚度越大，亦即在一定应力作用下，发生弹性形变越小。弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位变形所需要的应力。它是反映材料抵抗弹性变形能力的指标，相当于普通弹簧的刚度。对弹性体施加一个整体的压强P，这个压强为体积应力，弹性体的体积减少量-dV除以原来的体积V成为体积形变。体积应力除以体积应变就等于体积模量

                         (2)

6 5J18热双金属片表面防锈措施

热双金属片是一种热敏材料, 由于其热敏特性稳定可靠, 使用简便等优点, 广泛用于低压电器、电机及温度控制装置中。但热双金属元件在贮存或使用过程中容易锈蚀,不但有碍外观, 且对性能带来一定的影响。

近年来在金属的表面防锈方面出现一个新的动向。即用铬离子同一些有机物发生作用, 在金属表面上生成一层带有铬离子的防锈层。国外在这方面作了较多的研究, 并取得了一定进展。其原理是以CrO₃为主要成份,在金属表面形成一种高分子防锈层。这种有机防锈层具有耐温抗冲击, 耐磨等特性。

采用CrO₃防锈溶液对5J18热双金属片进行防锈处理，可以明显提高其防锈性能。该工艺简单，操作安全,是一种简便、有效的防锈处理技术。该溶液及处理工艺对其他金属材料亦有一定的防锈效果。但使用后的CrO₃废液处理，需予以重视，以免污染环境。

7结论

5J18热双金属片碳化会造成电阻增大、接触不良、火花放电、故障和损坏等问题。本文对5J18热双金属片进行能谱分析，深入研究了5J18热双金属片碳化原理，并提出了5J18热双金属片表面防锈措施，对未来5J18热双金属片的工艺生产提升具备一定的指导意义。

参考文献

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[2]徐鸿蒙,黄海鸿.等离子重熔注射法制备碳化钨增强金属基复合涂层[J].表面工程与再制造,2021,21(Z1):49.