CN101794692B - 含稀土元素镧、铈的温度熔丝线材制成的合金型热熔断体 - Google Patents
含稀土元素镧、铈的温度熔丝线材制成的合金型热熔断体 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种含稀土元素镧、铈的温度熔丝线材制成的合金型热熔断体，属合金型热熔断体技术领域。它由镀锡铜丝、密封膏剂、绝缘体、助熔剂和温度熔丝构成，绝缘体为方形或圆筒形，两根镀锡铜丝通过温度熔丝连接，温度熔丝的周围填装有助熔剂，绝缘体开口处的镀锡铜丝周围填装有密封膏剂；温度熔丝由Sn 45.5％、Bi 48.2％、In 6％、Ce 0.2％、La 0.1％的质量百分比的合金成分制成，其工作温度为126℃～130℃。
Description
技术领域：
本发明涉及一种工作温度为126℃～130℃的含稀土元素镧、铈的温度熔丝线材制成的合金型热熔断体，属合金型热熔断体技术领域。
背景技术：
作为在一般户内环境下使用的电器、电子设备及类似的组件中，为防止它们在故障的情况下出现超温，通常使用合金型热熔断体进行保护。该合金型热熔断体的结构为：用给定熔点的合金作为温度熔丝，在该温度熔丝上涂覆助熔剂，再用绝缘体密封该涂覆了助熔剂的温度熔丝。
该合金型热熔断体的工作原理如下所述：
在一般户内环境下使用的电器、电子设备及类似的组件等仪器中安装的合金型热熔断体，当它们在故障的情况下会出现超温，且因该超温会使热熔断体中的温度熔丝熔化。由于已熔化的低熔点合金与已熔化的助熔剂共存时，熔化的低熔点合金向引线导体浸润，因球状化而断裂，使通电回路被断开。因断电使仪器的温度降低，导致已断开的球状化的熔化合金凝固，实现了通电回路的不恢复性切断。由上述工作原理可知，要求电器、电子设备及类似的组件等允许的工作温度应与低熔点合金的断裂温度几乎相等。
从平衡状态图可知，合金中有固相线温度、液相线温度及共晶点。当用共晶点温度给合金加热时，合金会由固相一举变化为液相，但是，在共晶点以外的组成中，合金会从固相→固液共存相→液相的转化。在 固相温度、液相温度之间有一个温度宽度ΔT1，ΔT1将直接决定热熔断体及温度熔丝的工作温度的离散偏移，因此，为减小因ΔT1的存在而出现的热熔断体工作温度的上下浮动，采用固相线、液相线之间的固液共存区域狭窄的小ΔT1的合金组成是该系列产品的要求条件之一。
由于国内外环保意识的高涨及欧盟议会和欧盟理事会《关于在电气电子设备中限制使用某些有害物质指令》的实施，合金型热熔断体的温度熔丝中不能含有Pb、Cd、Hg等有害元素。不含有害元素是低熔点合金型热熔断体和温度熔丝用线材的要求条件之二。
由于合金型热熔断体的温度熔丝自身的内电阻而导致其在正常使用时发热，该发热导致温度熔丝的温度上升为ΔT2，因此，与没有该温度上升时相比，合金型热熔断体实际上的工作温度将降低ΔT2，同时，ΔT2的大小与通过合金型热熔断体中温度熔丝的电流值有关，即Q＝I2RT，不同的仪器在不同的状态下该电流值也不一样。降低热熔断体的电阻率，减小ΔT2是低熔点合金型热熔断体和温度熔丝用线材的要求条件之三。
通常，当合金型热熔断体的实际工作温度接近温度熔丝的熔断温度时，其低熔点温度熔丝的热稳定性变差，耐热老化能力很弱，温度熔丝的表面在高温下会产生一层氧化膜，随着时间的推移，此氧化膜会进一步加厚，当厚度增加到一定程度时，在低熔点合金的表面就会形成一层由氧化膜构成的“框架”，此“框架”会束缚已经熔化的低熔点合金向引线导体浸润并阻止其因球状化而断裂，最终导致热熔断体失去保护作用。因此，提高耐高温老化能力是低熔点合金型热熔断体和温度熔丝用线材的要求条件之四。
合金型热熔断体在AC275V的高电压下使用时，其低熔点合金在熔化后因球状化而断裂。但球状化的速度与效果直接影响断裂结果，当熔 化后的低熔点合金不能在镀锡铜丝的两侧迅速形成球状或只在一侧形成球状时，镀锡铜丝前端的低熔点合金会形成“针状物”，此时，该“针状物”与“避雷针”的功效完全相同，降低了两根镀锡铜丝之间的爬电距离，容易产生电弧。同时，该电弧产生的助熔剂的碳化物、低熔点合金的飞散物及飞散物附着在绝缘体密封物上，将会再次产生更强的电弧，引燃助熔剂，喷射大量的火花，极易产生重大安全隐患。因此，提高安全分断能力是低熔点合金型热熔断体和温度熔丝用线材的要求条件之五。
本发明人此前对In-Sn、Sn-Bi、Sn-Pb等多种成分的合金制作成热熔断体，其使用情况较难同时满足上述五条的要求，较难适应合金型热熔断体的工业化产生。有的温度离散性大，有的不耐高温老化，有的分断能力差。将In-Sn成分的低熔点合金制作成热熔断体后，将其在116℃温度环境下进行高温老化3000小时后，近18％的样品已断裂，同时有5％的样品即使再次将温度升高到145℃时也不会断裂。将Sn-Pb成分的合金制作成热熔断体，在AC275V的电源回路中用1.1倍额定电流做分断电流试验时，近75％的样品会喷射出火花。将Sn-Bi成分的合金制作成热熔断体，因Bi含量多导致脆弱，不适应热熔断体生产的焊接、总装工艺；同时，制成产品后抗振动能力差，机械稳定性差，不能满足一般户内环境下使用的电器、电子设备及类似的组件等仪器在生产过程中的安装工艺及稳定使用要求。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种含有稀土元素镧、铈，AC275V1.1倍额定电流下分断能力强，具有良好的耐热抗老化能力，工作温度在126℃～130℃，环保、低电阻率，可以制作成直径为Φ400μm～Φ800μm的低熔点的温度熔丝线材制成的合金型热熔断体。
本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的：
该含稀土元素镧、铈的温度熔丝线材制成的合金型热熔断体由镀锡铜丝、密封膏剂、绝缘体、助熔剂和温度熔丝构成，绝缘体制成方形或圆筒形，两根镀锡铜丝置于方形绝缘体内或圆筒形绝缘体的中心，两根镀锡铜丝通过温度熔丝连接，温度熔丝的周围填装有助熔剂，绝缘体开口处与镀锡铜丝周围填装有密封膏剂。其特征在于：所述的温度熔丝由下述的质量百分比的合金成分构成：
Sn 45.5％ Bi 48.2％
In 6％ Ce 0.2％
La 0.1％。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
该含稀土元素镧、铈的温度熔丝线材制成的合金型热熔断体，AC275V 1.1倍额定电流下分断能力强，具有良好的耐热抗老化能力，工作温度在126℃～130℃，环保、低电阻率，可以制作成直径为Φ400μm～Φ800μm超细温度熔丝线材，满足了在一般户内环境下使用的电器、电子设备及类似的组件和IEC 60691：2002，IDT对130℃系列热熔断体的要求。
附图说明：
图1为含稀土元素镧、铈的温度熔丝线材制成的方形合金型热熔断体的结构示意图；
图2为含稀土元素镧、铈的温度熔丝线材制成的轴状形合金型热熔断体的结构示意图。
图中：1、镀锡铜丝，2、密封膏剂，3、绝缘体，4、助熔剂，5、温度熔丝。
具体实施方式：
该含稀土元素镧、铈的温度熔丝线材制成的合金型热熔断体由镀锡铜丝1、密封膏剂2、绝缘体3、助熔剂4和温度熔丝5构成，绝缘体3一般制成方形或圆筒形两种；若制成方形，两根镀锡铜丝1置于方形绝缘体3内；若制成圆筒形，两根镀锡铜丝1置于圆筒形绝缘体3的中心位置。两根镀锡铜丝1通过温度熔丝5连接，温度熔丝5的周围填装有助熔剂4，绝缘体3的开口处的镀锡铜丝1的周围填装有密封膏剂2(参见附图1～2)。
附图1是方形辐射状结构的合金型热熔断体，并排的两根镀锡铜丝1的直径为Φ400μm～Φ800μm，镀锡铜丝1的上端部之间用温度熔丝5进行熔接焊接，并用助熔剂4涂覆该温度熔丝5，用一端开口的方形绝缘体3包围该涂覆了助熔剂4的温度熔丝5，再用耐高温的环氧树脂等密封膏剂2密封该方形绝缘体3的开口。
附图2是圆筒形结构的合金型热熔断体，两根直径为Φ400μm～Φ800μm的镀锡铜丝1之间用温度熔丝5进行熔接焊接，并用助熔剂4涂覆该温度熔丝5，在该涂覆了助熔剂4的温度熔丝5的外面套插有导热性和耐热性好的圆筒形绝缘体3，并分别在该圆筒形绝缘体3的两端与镀锡铜丝1之间用耐高温的环氧树脂等密封膏剂2密封该圆筒形绝缘体3的开口。
上述的助熔剂4的熔点比温度熔丝5的熔点低，例如可采用松香60～80质量份、硬脂酸10～20质量份、乙烯-醋酸乙烯共聚物(简称EVA)1～8质量份、癸二酸二正辛脂1～4质量份、丙三醇0～3质量份、活性剂0～8质量份配置而成。其中松香为特级天然松香，活性剂可以使用三乙醇胺等；圆筒形绝缘体3可以采用石英玻璃管、陶瓷管，方形绝缘体 3可以采用耐高温的工程塑料。
该含稀土元素镧、铈的温度熔丝线材制成的合金型热熔断体的关键技术在于：
温度熔丝5的线材所含的稀土元素及合金成分的质量百分比，本发明使用的温度熔丝5是外径为Φ400μm～Φ800μm的线材，也可以采用与该温度熔丝5的线材有相同横截面积的扁丝。该温度熔丝5的线材所含的合金成分的质量百分比为：45.5％的Sn、48.2％的Bi、6％的In、0.2％的Ce和0.1％的La。温度熔丝5的工作温度为126℃～130℃区间内，工作温度的偏差小于4℃。温度熔丝5不含对生物体有害的Pb、Cd、Hg等元素，符合环保要求。当直径大于Φ400μm时可以降低温度熔丝的内电阻，4mm长度的温度熔丝的内电阻为3～5mΩ，并可以防止因焦耳热导致的动作误差。合金中加入了6％的铟，在对原材料成本增加不多的情况下能降低熔点，减小温度熔丝在固相温度、液相温度之间的温度宽度ΔT1，降低温度熔丝的工作温度的离散偏移，且能改善温度熔丝在镀锡铜丝上的润湿性，增加温度熔丝的导热性。同时，加入稀土元素铈、镧，其质量百分比的含量为0.2％的Ce、0.1％的La，提高了成核率，实现了细晶强化，避免了柱状晶区易出现的晶间开裂，消除了温度熔丝熔化时在镀锡铜丝1前端易形成“针状物”的现象，避免了当合金型热熔断体的实际工作温度接近温度熔丝的熔断温度时，在低熔点合金的表面形成一层由氧化膜构成的“框架”，增强了耐腐蚀性和抗氧化性，提高了本温度熔丝的塑性和综合力学性能等。在助熔剂4的协助下，本合金型温度熔丝能够在小于4℃的温度偏差范围内，在AC275V的高电压及1.1倍额定电流的作用下安全分断，满足了在一般户内环境下使用的电器、电子设备及类似的组件和IEC 60691：2002，IDT对130℃系列热熔断体的 要求。
下面通过几个实施例更具体地说明本发明的技术性能，其中，合金型热熔断体的式样形状为方形辐射状结构的合金型热熔断体。
实施例分为三组，每组试样数为50支。
合金成分的质量百分比为：Sn 45.5％、Bi 48.2％、In 6％、Ce 0.2％、La 0.1％的母材的配制方法：
在容积约为500毫升的高纯直形氧化铝坩埚内加入80～100毫升的丙三醇(C3H8O3的含量≥99.0％，分析纯)，在280℃恒温后，按质量百分比为Bi 48.2％、Sn 45.5％、In 6％的要求分别将高纯度金属Bi、Sn、In顺序依次间隔加入已恒温的高纯直形氧化铝坩埚内，同时，间隔时间因加入的高纯度金属的质量及恒温炉的加热功率定，保证已加入的金属全部熔化后才能添加后面的金属。加Sn前将温度设置为250℃，加In前将温度设置为160℃，每次配制的合金总量约为10Kg，添加高纯度金属时，可用直径约8mm的不锈钢棒进行搅拌，待最后添加的In熔化后将温度设置为140℃。另取一个容积约为500毫升的高纯直形氧化铝坩埚，加热待恒温后，冲氩气，将粉末状质量百分比为0.2％的Ce、0.1％的La与已熔融的Bi、Sn、In合金混合，恒温，搅拌，待完全熔融后，将其浇铸成质量为0.3～1.0Kg的小铸锭(铸棒)。
实施例一：
把合金成分的质量百分比为：Sn 45.5％、Bi 48.2％、In 6％、Ce 0.2％、La 0.1％的母材通过挤丝加工成直径为550μm的丝材，挤丝温度为55℃，挤丝压强为10MPa。制作方形辐射状的合金型热熔断体，助熔剂为特级天然的松香71.5质量份、硬脂酸15质量份、乙烯-醋酸乙烯共聚物(简称EVA)5质量份、癸二酸二正辛脂2.5质量份、丙三醇1质量份、三 乙醇胺5质量份。
1、取试样25支，分别通0.008安培的直流电流，在升温速度1℃/分的甘油油槽中浸泡(浸泡深度60～120mm)，测定由于热熔断体熔断而断电的甘油的温度。测定工作温度在128℃±2℃范围内。
2、取试样25支，分别通1.1安培的直流电流，在升温速度1℃/分的甘油油槽中浸泡(浸泡深度60～120mm)，测定由于热熔断体熔断而断电的甘油的温度。测定工作温度在128℃±2℃范围内。
本组试验可以充分保证上述配方的合金型温度熔丝、热熔断体的低电阻性，工作温度在126℃～130℃范围内。
实施例二：
把合金成分的质量百分比为：Sn 45.5％、Bi 48.2％、In 6％、Ce 0.2％、La 0.1％的母材通过甩丝加工成直径为550μm丝材，甩丝温度132℃，甩丝压强0.02MPa，盛熔融合金的容器内添加50～100毫升丙三醇。制作方形辐射状的合金型热熔断体，助熔剂为特级天然松香71.5质量份、硬脂酸15质量份、乙烯-醋酸乙烯共聚物(简称EVA)5质量份、癸二酸二正辛脂2.5质量份、丙三醇1质量份、三乙醇胺5质量份。
1、取试样25支，放在116℃的恒温箱内，不间断高温老化3000小时后。测定工作温度在126℃～130℃范围内。
2、取试样25支，放在121℃的恒温箱内，不间断高温老化3000小时后。测定工作温度在126℃～130℃范围内。
上述两组共50支样品试验结束后，将其放入180℃的恒温箱内30分钟无低熔点合金、助熔剂等溢出物。
本组试验可以充分保证上述配方的合金型温度熔丝、热熔断体的耐高温热稳定性，工作温度在126℃～130℃范围内。
实施例三：
把合金成分的质量百分比为：Sn 45.5％、Bi 48.2％、In 6％、Ce 0.2％、La 0.1％的母材通过挤丝加工成直径为550μm丝材，挤丝温度55℃，挤丝压强10MPa。制作方形辐射状的合金型热熔断体，助溶剂为特级天然松香71.5质量份、硬脂酸15质量份、乙烯-醋酸乙烯共聚物(简称EVA)5质量份、癸二酸二正辛脂2.5质量份、丙三醇1质量份、三乙醇胺5质量份。
1、取试样25支，分别通功率因数为0.60、电压AC275V、电流1.1安培的电流，在升温速度2℃/分的烘箱内升温使其熔断。检验每支试样的方形绝缘盒3、密封剂2均无损伤，无火焰喷出，两根镀锡铜丝1之间的绝缘电阻值大于500V、20MΩ，两根镀锡铜丝1与绝缘体3之间的绝缘电阻值大于500V、20MΩ，耐压AC1500V、1分钟。
2、取试样25支，分别通功率因数为0.95、电压AC275V、电流1.1安培的电流，在升温速度2℃/分的烘箱内升温使其熔断。检验每支试样的方形绝缘盒3、密封剂2均无损伤，无火焰喷出，两根镀锡铜丝1之间的绝缘电阻值大于500V、20MΩ，两根镀锡铜丝1与绝缘体3之间的绝缘电阻值大于500V、20MΩ，耐压AC1500V、1分钟。
本组试验可以充分保证上述配方的合金型温度熔丝、热熔断体的安全分断能力。
比较例
把合金成分为Bi 56％、Sn 40％、Zn4％的母材通过甩丝加工成直径为550μm丝材，甩丝温度132℃，甩丝压强0.02MPa。制作方形辐射状的合金型热熔断体，助溶膏剂为特级天然松香71.5质量份、硬脂酸15质量份、乙烯-醋酸乙烯共聚物(简称EVA)5质量份、癸二酸二正辛脂 2.5质量份、丙三醇1质量份、三乙醇胺5质量份。取该试样25支，分别通0.008安培的直流电流，在升温速度1℃/分的甘油油槽中浸泡(浸泡深度60～120mm)，测定由于热熔断体熔断而断电的甘油的温度，测定工作温度在128℃±2℃范围内；取该试样25支，分别通1.1安培的直流电流，在升温速度1℃/分的甘油油槽中浸泡(浸泡深度60～120mm)，测定由于热熔断体熔断而断电的甘油的温度，测定工作温度在128℃±2℃范围内。说明该试样内电阻较低。但是，取试样25支，放在116℃的恒温箱内，不间断高温老化1200小时后。测定工作温度在128℃～135℃范围内，判定其没有耐高温热稳定性。
根据本发明的上述实施例可知，以Sn、Bi、In、La、Ce为原材料制作的含稀土元素镧、铈的合金型温度熔丝，可以制作成直径为Φ550μm左右极细的线材，用其制作的热熔断体工作温度为126℃～130℃，且环保、电阻率低、AC275V1.1倍额定电流下分断能力强，具有良好的耐热老化能力，满足了在一般户内环境下使用的电器、电子设备及类似的组件和IEC 60691：2002，IDT对130℃系列热熔断体的要求。
Claims (1)
1.一种含稀土元素镧、铈的温度熔丝线材制成的合金型热熔断体，它由镀锡铜丝(1)、密封膏剂(2)、绝缘体(3)、助熔剂(4)和温度熔丝(5)构成，绝缘体(3)制成方形或圆筒形，两根镀锡铜丝(1)置于方形绝缘体(3)内或圆筒形绝缘体(3)的中心，两根镀锡铜丝(1)通过温度熔丝(5)连接，温度熔丝(5)的周围填装有助熔剂(4)，绝缘体(3)开口处的镀锡铜丝(1)周围填装有密封膏剂(2)；其特征在于：所述的温度熔丝(5)由下述的质量百分比的合金成分构成：
Sn 45.5％ Bi 48.2％
In 6％ Ce 0.2％
La 0.1％。
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