环保型温度保险丝用易熔合金的研制

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环保型温度保险丝用易熔合金的研制
作为电子设备和电路的一种必要的安全保护元件,温度保险丝已被广泛用于各种家电产品、办公设备、通讯器材、视听设备中。不同于电流保险丝的是,温度保险丝是在电器工作电流正常状态下,当设备或电路的环境温度升高到某一异常值时,保险丝中的易熔合金就立即熔断,将电路切断,起到保护设备和电路的作用,因而更具有消防和报警的功能。NTC热敏电阻
温度保险丝的核心是易熔合金,传统的易熔合金是以Sn、Pb、Bi、Cd等金属组成的三元或四元合金,通过调整金属的组成,获得不同熔点的合金丝。人们已经掌握Pb-Sn-Bi和Pb-Sn-Cd三元相图[1],根据相图,很容易制得熔点从65°C至300°C的易熔合金,从而生产用于不同环境和应用场合的温度保险丝[2]。
随着科学发展和社会的进步,对电子产品的环保性能已经提出了明确的要求和指标[3],有绿色认证标志的电子产品已越来越多地成为市场和用户青睐的对象。在电子市场,没有通过环保认证的电子元器件,正在逐渐被淘汰。上述温度保险丝中所使用的易熔合金均含有易挥发的Pb、Cd等有害金属元素,虽然各项使用指标均符合规范,但往往由于环保认证不合格,而不会被用户采用。
因此,研究开发不含Pb、Cd等有害金属元素的易熔合金,成为温度保险丝生产厂商亟待解决的技术问题。

1 试验方法
1.1 配方设计与材料选择
目前,系统的Sn-B-iIn三元相图尚未见报道,本文以文献[1]介绍的Sn-In二元相图和Sn-Pb-Bi三元相图为基础。结合文献[2]的实践,制定以Sn-In二元共晶点为基本组成,按一定比例以Bi代In,通过定量变换Bi的引入量来调控合金熔点的基本试验方案。设计5组试样如下:由文献查得In-Sn二元合金的共晶点为In52Sn48(w,%),共晶温度为120e,以Bi取代In,5组试样Bi的质量分数分别为15%、20%、25%、30%、35%,试样编号依次为1、2、3、4、5。
为避免杂质对试验结果的干扰,防止有害元素的引入,试验所用3种金属原材料纯度均为99.99%(质量分数)。
1.2 工艺设备与合金制备
试验用工艺设备与批量生产一致,采用精度为1/10000的分析天平称取配料,按熔点由低至高将金属投入不锈钢容器中,用15kVA高频加热电炉在隔离空气状态下将金属熔融,熔融温度控制在350正负1°C。合金熔液充分搅拌后浇铸成直径为20mm的合金锭。冷却后在25t油压机下挤成直径为0.8mm的合金丝备用。
1.3 测试方法
采用XD-XF型X射线双谱分析仪进行能谱分析。根据文献[5],采用EDTA络合滴定法测定易熔合金中Bi、Sn和In的含量。采用XWT型差热分析仪测量合金的熔点,绘制液相线、固相线。采用动作温度有效范围、可塑性、可焊性、焊接强度、抗折性5组定量指标综合测评工艺适应性。

2 试验结果
2.1 合金组成
以1#试样为例,其X射线分析能谱图见图1。图中In、Sn、Bi3种金属特征谱线相当明显,其它几组试样X射线衍射结果与此类似。以传统的易熔合金(Pb48Bi39Sn9Cd4)为对照试样,其能谱图见图2,其中,Cd、Pb的谱线十分明显。


2.2 组成-温度关系

表1列出了5个试样组成与熔点的对应关系。可见,5组试样熔点在90~110°C之间。
2.3 工艺适应性
工艺适应性评测结果列于表2。从表2可知,5组试样工艺适应性整体评测只有4组合格,5号试样因合金丝易折断导致产品合格率低,整体评测不合格。


5组试样与对照试样的电子显微照片分别列于图3。比较图3所列各试样微观形貌,可知,本次试验5组样品整体晶相结构更为细密,但随着Bi的增加,析出层或颗粒状态也相对增加,这可能预示随着Bi的过量引入,合金丝硬度和脆性增加,容易在加工中被折断,导致工艺适应性降低(如5号试样工艺适应性总体评测不合格)。

3 分析
从表1和表2看出,以Sn-In二元相图为基础引入Bi代In的方案,可在一定范围内调控易熔合金的熔点,从而获得生产环保型温度保险丝的易熔合金材料。当Bi的引入量达到35%时,试样的工艺适应性变差。这可能是因为Bi的过量引入使合金相存在更多的析出层或颗粒状态,使合金丝硬度增加,变脆。

4 结论
以In-Sn二元共晶点为基础,通过引入Bi代In,可在一定范围内获得组成与温度对应的易熔合金,性能满足环保型温度保险丝的要求。