CN1442868A - 合金型热熔丝和熔丝元件 - Google Patents
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Abstract
提供一种低熔点可熔合金型热熔丝和熔丝元件，其中熔丝元件的合金成分为In37～43％、Sn10～18％，其余为Bi。由此，可以在工作温度65℃～75℃的范围内充分满足环保要求，得到熔丝元件直径大约300μmφ左右的极细化细线，可以抑制自发热，且可保证良好的耐热稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及合金型热熔丝，更具体地，涉及工作温度为65℃～75℃的合金型热熔丝以及构成该合金型热熔丝的由低熔点可熔合金形成的熔丝元件的改进。
背景技术
现有的合金型热熔丝，由于以涂敷有焊剂的低熔点可熔合金片作为熔丝元件，如果安装它的电气装置在异常时发热，产生的热会使低熔点可熔合金片变成液相，该熔融金属与已熔化的焊剂共存，因表面张力成为球状，通过球状化而分离，使装置的通电被断开。
上述低熔点可熔合金所要求的第一要件是，固相线和液相线之间的固液共存区很狭窄。
即，通常，在合金中，存在位于固相线和液相线之间的固液共存区。在该区域中，由于处于在液相中分散有固相粒体的状态，具有象液相那样的性质，所以可以发生上述的球状化分离，从而在液相线温度(称该温度为T)之前的属于固液共存区的温度范围(称为ΔT内)内，低熔点可熔合金片可以球状化分离。另外，使用这样的低熔点可熔合金片的热熔丝，必须在熔丝元件温度在(T-ΔT)～T的温度范围内的条件下工作，如果ΔT小，即如果固液共存区狭窄，热熔丝的工作温度范围的偏差小，热熔丝可以只在严格的设定温度下工作。因此，作为热熔丝的熔丝元件使用的合金要求固液共存区狭窄。
另外，上述低熔点可熔合金要求的第二要件是电阻低。即，如果由于低熔点可熔合金片的电阻因平常时的发热而导致的温度上升为ΔT′，与没有该温度上升时相比，实质上工作温度要低ΔT′。如果ΔT′高，则实际上工作误差就高。因此，作为热熔丝的熔丝元件使用的合金要求电阻率低。
现在，作为工作温度65℃～75℃的合金型热熔丝的熔丝元件，已知有70℃共晶的Bi-Pb-Sn-Cd合金(Bi50％、Pb26.7％、Sn13.3％、Cd10％，％是重量百分比；以下也是这样)，但由于含有对生命系统有害的Pb、Cd、Hg、Tl中的Pb和Cd，不符合现在全球范围内的环保的要求。
另外，近年来的电气和电子装置的小型化也相应地要求合金型热熔丝的小型化。在熔丝元件的极细线(300μm左右)化的过程中，由于Bi含量多导致脆弱，这样的极细线的拉丝是困难的。而且，这样的极细线熔丝元件，其合金成分的较高电阻率和极细线化相结合使得电阻值大大增加，结果上述熔丝元件的自发热造成的工作不良无法避免。
另外，72℃共晶的In-Bi合金(In66.3％、Bi33.7％)也已公知，在53℃～56℃之间发生固相转变，由于该温度与工作温度65℃～75℃的相对关系，该温度是装置平常运转时熔丝元件长期曝露的温度，所以因在熔丝元件内发生固相转变而产生畸变，结果，熔丝元件的电阻值增大，熔丝元件的自发热导致的工作不良成为隐患。
所以，本发明人提出了Bi25～35％，Sn2.5～10％，其余为In的合金成分的熔丝元件(日本特开2001-291459号公报)，作为工作温度为65℃～75℃的范围、不含有害金属、熔丝元件直径极细化到大约300μmφ、较好地抑制自发热、正确地工作的合金型热熔丝。
在该合金型热熔丝中，在借助于上述配合量的In和Bi把熔点设定在70℃附近的同时赋予细线拉丝所必需的适当的延性，通过Sn的配合把固相线温度和液相线温度的范围最终设定在65℃～75℃，同时把电阻率设定为较低。Sn的配合量的下限小于2.5％时，Sn量不足，不能有效地防止上述的固相转变。而如果Sn配合量的上限大于10％，则会出现熔点62℃的In-Bi-Sn共晶组织(In58％、Bi29、Sn13％)，不能得到65℃～75℃的固相线温度和液相线温度的范围。在该组成中，由于相对于电阻率高的Bi，电阻率低的In、Sn的总量多，所以整体的电阻率可以很低，即使是300μmφ那样的极细线也可以容易地实现熔丝元件的低电阻(25～35μΩ.cm)，在工作温度65℃～75℃的低温侧不会发生固相转变，在工作温度65℃～75℃的装置的平常运转时的温度下的熔丝元件的固相转变导致的电阻值变化也可以排除，所以可以把热熔丝的工作温度设定在以70℃为基准±5℃以内的范围中。
但是，在上述熔丝元件的合金的组成中，In为72.5％～55％，占了组成的大半，由于In昂贵，所以价格上升是不能避免的。
在上述热熔丝中，由于装置的热循环，反复加热冷却。在该循环中，如果熔丝元件的热膨胀系数为α，温度上升为Δt，杨氏模量为E，如果在弹性范围内，产生α·Δt·E的热应力，会承受α·Δt的压缩畸变。但是在上述合金成分(Bi25～35％、Sn2.5～10％、其余为In)中，由于In的含量多(55％～72.5％)，弹性极限小，比压缩变形α·Δt小的变形也会在合金组织内的异相界面上产生大的滑移。由于该滑移反复出现，断面积和元件线长变化，熔丝元件自身的电阻值不稳定。即，难以保证耐热稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在熔丝元件的合金成分中采用In-Sn-Bi系，工作温度在65℃～75℃左右的较低温度的范围内，满足环保要求，熔丝元件直径可以细化到300μmφ左右，可以较好地抑制自发热，且可保证良好的耐热稳定性的合金型热熔丝。
根据本发明的第一实施方案的合金型热熔丝，是以低熔点可熔合金作为熔丝元件的热熔丝，其特征在于低熔点可熔合金的合金成分为：In37～43％、Sn10～18％，其余为Bi。
根据本发明的第二实施方案的合金型热熔丝，是以低熔点可熔合金作为熔丝元件的热熔丝，其特征在于低熔点可熔合金的合金成分为：向100重量份的In37～43％、Sn10～18％、其余为Bi中，添加共0.01～3.5重量份的从Ag、Cu、Ni中选择的至少一种。
在上述中，在各原料坯块的制造上和这些原料的熔融搅拌上允许含有不可避免的杂质。
附图说明
图1是根据本发明的合金型热熔丝的一例的示图；
图2是根据本发明的合金型热熔丝的与上述不同的例子的示图；
图3是根据本发明的合金型热熔丝的与上述不同的例子的示图；
图4是根据本发明的合金型热熔丝的与上述不同的例子的示图；
图5是根据本发明的合金型热熔丝的与上述不同的例子的示图。
具体实施方式
根据本发明的合金型热熔丝中，熔丝元件中可以使用外径200μmφ～600μmφ，优选为250μmφ～350μmφ的圆形线，或与该圆形线具有同一断面积的扁平线。
该熔丝元件的合金为In37～43％、Sn10～18％、其余为Bi。优选为In 39～42％、Sn 11-16％、其余Bi。基准组成为In40％、Sn14％、Bi46％，其液相线温度为72℃，固液共存区宽度为3℃。
根据本发明的合金型热熔丝中，在熔丝元件中：
(1)使用不含环保上有害的金属的In-Sn-Bi系；
(2)为了保证针对上述热循环的热稳定性，In的配合重量比50％少；
(3)具有以65℃～75℃作为工作温度的熔点，且为了使上述工作温度范围的偏差充分减小，固液共存区宽度ΔT抑制在至多4℃左右；
(4)可以进行300μmφ左右的细线拉丝；
(5)为了使电阻值充分低，抑制焦耳发热导致的工作误差，熔丝元件的合金成分为In37～43％、Sn10～18％、其余为Bi。
在本发明中，通过以范围37％～43％内的重量比控制In，以上述范围内的重量比混合Sn和Bi，不产生低温固相转变点，可以设定满足65℃～75℃的工作温度的熔点，且可以把固液共存宽度抑制在4℃以内。In量不到37％时，出现熔点为81℃的Bi-In-Sn共晶组织(Bi57.5％、In25.2％、Sn17.3％)。如果In量大于43％，则出现熔点为62℃的Bi-In-Sn共晶组织(In51％、Bi32.5％、Sn16.5％)，得不到所期望的工作温度，且不能把固液共存区宽度抑制在4℃以内。
本发明中，Sn量为10％～18％的理由为，控制Bi量把熔点设置在约70℃附近，且可以向由强度低而延性非常大的In和强度大而脆性非常大的Bi形成的合金赋予可以进行约300μmφ的细线拉丝加工的延性。如果Sn量不到10％，不能把工作温度设定在65℃～75℃，且不能获得上述延性，难以进行上述细线加工。如果Sn量大于18％，由于Bi量减少导致强度低，同时延性过大，对于加工畸变的抵抗力非常小，难以进行上述细线加工。
在第二实施方案中添加0.01～3.5重量份的Ag、Cu、Ni中的至少一种的理由是，可以进一步降低合金的电阻率，更严格地抑制焦耳发热导致的工作误差，基本上不改变工作温度65℃～75℃，进一步减小固液共存区宽度ΔT，更严格地抑制工作温度的偏差，进一步赋予细线加工所必需的强度和延性，并进一步提高加工性等。添加量为0.01～3.5重量份的理由是，如果小于0.01重量份，则不能满足上述效果的实现；如果大于3.5重量份，则熔点变化，不能把工作温度设定在65℃～75℃。
根据本发明的热熔丝的熔丝元件，可以在对合金母材拉丝加工后形成的断面呈圆形的状态下使用，也可在进一步压缩加工成扁平后再使用。
图1示出根据本发明的带状合金型热熔丝，在厚度为100～300μm的塑料基体膜41上用粘合剂或熔接来固定厚100～200μm的带状引线导体1、1，在带状引线导体之间连接直径为250μmφ～500μmφ的熔丝元件2，用焊剂3涂敷该熔丝元件2，用厚100～300μm的塑料封盖膜41通过粘合剂或熔接来对该涂敷了焊剂的熔丝元件进行固定密封。
根据本发明的合金型热熔丝可以以盒型、基板型、树脂浸沾型的方式实施。
图2示出筒状盒型，在一对引线1，1之间连接熔丝元件2，在该熔丝元件2上涂敷焊剂3，在该涂敷了焊剂的熔丝元件上插套耐热性和导热性好的绝缘筒4例如陶瓷筒，在该绝缘筒的每一端与各引线1之间用常温硬化的密封剂5例如环氧树脂密封。
图3示出盒型辐射状，在并排的导体1，1的前端部之间通过熔接接合熔丝元件2，用焊剂3涂敷该熔丝元件2，用一端开口的绝缘盒4例如陶瓷盒包围该涂敷了焊剂的熔丝元件，用环氧树脂等的密封剂5密封该绝缘盒4的开口。
图4示出基板型，在绝缘基板4例如陶瓷基板上通过导电浆料(例如银浆料)的印刷烧结形成一对膜电极1，1，在各电极1上通过熔接等连接引线导体11，在电极1，1之间通过熔接接合熔丝元件2，在熔丝元件2上涂敷焊剂3，用密封剂5例如环氧树脂覆盖该涂敷了焊剂的熔丝元件。
图5示出树脂浸沾型，在并排的导体1，1的前端部之间通过熔接接合熔丝元件2，用焊剂3涂敷该熔丝元件2，通过浸沾树脂液用绝缘密封剂5例如环氧树脂密封该涂敷了焊剂的熔丝元件。
而且，还可以以通电式发热体附着熔丝，例如在基板型的合金型热熔丝的绝缘基板上附设电阻体(膜电阻)，在装置异常时，使电阻体通电发热，由该发生的热把低熔点可熔合金片熔断的附加电阻的基板型熔丝的形式来实施。
上述焊剂中通常使用其熔点比熔丝元件的熔点低的材料，例如可使用松香90～60重量份、硬脂酸10～40重量份、活性剂0～3重量份。此时，松香可使用天然松香、改性松香(例如，添水松香、不均化松香、聚合松香)或它们的精制松香。活性剂可使用二乙胺的盐酸盐或氢溴酸盐。
下面，利用实施例更具体地说明本发明的实施方案，其中，试样形状为基板型，试样个数为50个，通0.1安培的电流，在升温速度1℃/分的油槽中浸泡，测定由于熔断而断电时的油温度。
另外，自发热影响的有无通过用50个试样用通常的额定电流(1～2A)来判断。
而且，熔丝元件的针对热循环的电阻值变化的有无，通过对50个样品，以30分钟加热到50℃、30分钟冷却到-40℃为一个循环的热循环试验进行500次循环后，测量电阻值变化来判断。
实施例1
把合金成分为In40％、Sn14％、Bi46％的母材拉丝加工成直径300μmφ的线。1次模(dies)中的引落率为6.5％，拉丝速度为45m/min，但都没有断线。测定该线的电阻率，为48μΩ.cm。把该线切断成长4mm作为熔丝元件，制作小型的基板型热熔丝。焊剂使用松香80重量份、硬脂酸20重量份、二乙胺的氢溴酸盐1重量份的组成物，覆盖材料使用常温硬化的环氧树脂。
对该实施例的样品测定了工作温度，在72℃±2℃的范围内。另外，用通常的额定电流确认为没有自发热的影响。
而且，认为存在因热循环导致的熔丝元件的问题即电阻值变化。另外，已确认如果在In37～43％、Sn10～18％、其余为Bi的范围内，可以充分保证上述的细线拉丝性、低电阻性、耐热稳定性，使工作温度在70℃±5℃的范围内。实施例2
把合金成分为In38.6％、Sn13.5％、Bi44.5％、Ag3.4％的母材拉丝加工成直径300μmφ的线。1次模中的引落率为6.5％，拉丝速度为45m/min，但都没有断线。测定该线的电阻率，为41μΩ.cm。
把该线切断成长4mm作为熔丝元件，与实施例1同样地制作基板型热熔丝。对该实施例的样品测定了工作温度，在71℃±1℃的范围内。另外，用通常的额定电流确认为没有自发热的影响。
而且认为存在因热循环导致的熔丝元件的问题即电阻值变化。另外，已确认如果在In37～43％、Sn10～18％、其余Bi为100重量份、Ag为0.01～3.5重量份的范围内，可以充分保证上述的细线拉丝性、低电阻性、耐热稳定性，使工作温度在70℃±4℃的范围内。实施例3
把合金成分为In39.7％、Sn13.9％、Bi45.7％、Cu0.7％的母材拉丝加工成直径300μmφ的线。1次模中的引落率为6.5％，拉丝速度为45m/min，但都没有断线。测定该线的电阻率，为42μΩ.cm。
把该线切断成长4mm作为熔丝元件，与实施例1同样地制作基板型热熔丝。对该实施例的样品测定了工作温度，在71℃±1℃的范围内。另外，用通常的额定电流确认为没有自发热的影响。
而且认为存在因热循环导致的熔丝元件的问题即电阻值变化。另外，已确认如果在In37～43％、Sn10～18％、其余Bi为100重量份、Cu为0.01～3.5重量份的范围内，可以充分保证上述的细线拉丝性、低电阻性、耐热稳定性，使工作温度在70℃±4℃的范围内。实施例4
把合金成分为In39.7％、Sn13.9％、Bi45.7％、Ni0.7％的母材拉丝加工成直径300μmφ的线。1次模中的引落率为6.5％，拉丝速度为45m/min，但都没有断线。测定该线的电阻率，为47μΩ.cm。
把该线切断成长4mm作为熔丝元件，与实施例1同样地制作基板型热熔丝。对该实施例的样品测定了工作温度，在71℃±1℃的范围内。另外，用通常的额定电流确认为没有自发热的影响。
而且认为存在因热循环导致的熔丝元件的问题即电阻值变化。另外，已确认如果在In37～43％、Sn10～18％、其余Bi为100重量份、Ni为0.01～3.5重量份的范围内，可以充分保证上述的细线拉丝性、低电阻性、耐热稳定性，使工作温度在71℃±4℃的范围内。实施例5
把合金成分为In38.6％、Sn13.5％、Bi44.5％、Ag2.7％、Cu0.7％的母材拉丝加工成直径300μmφ的线。1次模中的引落率为6.5％，拉丝速度为45m/min，但都没有断线。测定该线的电阻率，为38μΩ.cm。
把该线切断成长4mm作为熔丝元件，与实施例1同样地制作基板型热熔丝。对该实施例的样品测定了工作温度，在70℃±1℃的范围内。另外，用通常的额定电流确认为没有自发热的影响。
而且认为存在因热循环导致的熔丝元件的问题即电阻值变化。另外，已确认如果在In37～43％、Sn10～18％、其余Bi为100重量份、Ag、Cu为0.01～3.5重量份的范围内，可以充分保证上述的细线拉丝性、低电阻性、耐热稳定性，使工作温度在71℃±4℃的范围内。比较例1
使用合金成分为Bi50％、Pb26.7％、Sn13.3％、Cd10％的母材，与实施例同样地进行拉丝成直径300μmφ的试验，断线很多。在此，即使是通过1次模的引落率为5.0％，拉丝率减小，拉丝速度降低到20m/分，以减小加工畸变的拉丝试验，断线也很多，不能加工。
这样，实质上不能通过拉丝进行细线加工，所以用旋转鼓式纺丝法得到直径300μmφ的细线。测定了该细线的电阻率，为61μΩ.cm。
把该细线切断成长4mm作为熔丝元件，与实施例1同样地制作基板型热熔丝，测定工作温度，发现即使熔点(70℃)增大也不能工作的居多数。
其理由推测是，由于用旋转鼓拉丝法，在熔丝元件的表面形成厚的氧化皮的鞘，即使鞘内部的合金熔融，鞘也不熔融，所以不能分离。比较例2
把合金成分为In66.3％、Bi33.7％的母材拉丝加工成直径300μmφ的线。1次模的引落率为6.5％，拉丝速度为45m/分，都没有断线。测定了该线的电阻率，为37μΩ.cm。
把该线切成长4mm作为熔丝元件，与实施例1同样地制作基板型热熔丝。与实施例同样地测定了工作温度，发现从在60℃附近工作的到在74℃附近工作的都有，工作温度有显著的偏差。推测这是由于74℃附近的工作是基于本来的熔断来工作的，而60℃附近的工作则是由于固相转变导致的。比较例3
把合金成分为In63.5％、Sn3.8％、Bi32.7％的母材拉丝加工成直径300μmφ的线。1次模中的引落率为6.5％，拉丝速度为45m/min，但都没有断线。测定该线的电阻率，为32μΩ.cm。
把该线切断成长4mm作为熔丝元件，制作与实施例1相同的小型的基板型热熔丝，测定了工作温度，在71℃±1℃的范围内。另外，用通常的额定电流确认为没有自发热的影响。
但是，在500次热循环的耐热试验中，发生了大的电阻值变化，分解后观察熔丝元件，发现熔丝元件的部分断面积减少，元件线长增加。推测原因是，由于In的含量多，弹性极限小，熔丝元件因热应力而屈服，在合金组织内形成滑移，该滑移反复发生，导致断面积和元件线长度化，从而熔丝元件自身的电阻值变化。
根据本发明，可以提供一种采用对生命系统安全的Bi-In-Sn系低熔点可熔合金母材容易地拉丝加工而成的300μmφ级别的极细线熔丝元件，工作温度为65℃～75℃，可以充分防止自发热导致的工作误差，且由于充分抑制In的添加量而可以保证优良的耐热稳定性的合金型热熔丝。
Claims (8)
1.一种合金型热熔丝，由合金成分含有Bi、Sn、In的熔丝元件构成，其特征在于：该合金成分为In 37～43％、Sn 10～18％、其余为Bi。
2.一种合金型热熔丝，由合金成分含有Bi、Sn、In的熔丝元件构成，其特征在于：该合金成分为在100重量份的In 37～43％、Sn 10～18％、其余为Bi中，添加共0.01～3.5重量份的从Ag、Cu、Ni中选出的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的合金型热熔丝，其特征在于：还含有不可避免的杂质。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的合金型热熔丝，其特征在于：工作温度为65℃～75℃。
5.一种构成合金型热熔丝的熔丝元件，其合金成分含有Bi、Sn、In，其特征在于：该合金成分为In 37～43％、Sn 10～18％、其余为Bi。
6.一种构成合金型热熔丝的熔丝元件，其合金成分含有Bi、Sn、In，该合金成分为在100重量份的In 37～43％、Sn 10～18％、其余为Bi中，添加共0.01～3.5重量份的从Ag、Cu、Ni中选出的至少一种。
7.根据权利要求5或6所述的熔丝元件，其特征在于：还含有不可避免的杂质。
8.根据权利要求5～7中任一项所述的熔丝元件，其特征在于：工作温度为65℃～75℃。
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