CN1062820A - 电热毯用低电阻白铜线材及其加工方法 - Google Patents

Abstract

一种电热毯用低电阻白铜线材料及其加工方法， 其成分为4—10％(重量)镍，5—15％(重量)锌，其余 为铜，该线材经350—450℃退火。可得到电阻率为 0.14—0.17欧姆·毫米²/米的发热材料。该材料用 于70—100瓦的电热毯可在额定的电阻值下，增加 电热线的长度及使绕制线圈具有适当的节距，从而保 证在额定功率和一定作用力下经受25000次以上的 弯曲不断裂从而提高使用寿命。该材料具有良好的 强度和韧性、较高的抗氧化性，对人体无影响，使用安 全可靠，且成本低廉。

Description

本发明涉及电热用电阻材料，特别是供电热毯用的低电阻的白铜线材以及它的加工方法。

目前，已有许多的家庭购置或应用电热毯，为此电热毯的质量，包括加热保温性能和耐用程度一直为消费者所关心的。就电热毯本身来说，其中加热元件，即电阻丝是一个关键部件，它的选材和加工方法直接影响到电热毯的上述性能和寿命。纵观现在市场上能买到的电热毯，它们都选用Ni₈₀Cr₂₀或BMn40-1.5（康铜）材料的线材做电阻加热元件。从电热毯设计使用要求来看，为提供足够的发热量、良好的保温，使用安全和较长的使用寿命，规定了电热毯具有电负载0.3w/cm²，并在施加2.5牛顿力条件下来回弯曲25000次不损坏，因而，常用电热毯的电热线都采用0.2mm左右线径的线材，以绕线形式绕制在φ0.8mm和涤纶线芯上，外面再包一层PVC塑料，最后制成φ2.4mm左右的电热条。这样，对于100瓦的电热毯，电热条长约27米，总电阻要求达到484欧姆左右。但是电热线的电阻与线材的载面积成反比，与电阻率成正比。根据以上所述的Ni₈₀Cr₂₀或BMn40-1.5的电阻率都比较高，为保证绕制成电阻条的电阻线材的一定长度和电阻值，线材的截面积不能再减小了，而且都经不住或不符合2.5牛顿力条件下弯曲25000次不损坏试验的要求。另外，这些材料因含有大量的镍价值上比较昂贵，因此，产品的成本也较高，此外，在使用或Ni₈₀Cr₂₀或Fe-Cr-Al材料制成的电热丝的情况下还常产生磁效应，发出嗡嗡声并对人体生物磁场产生干扰，影响正常使用。

本发明的目的是为了克服常规电热毯使用的电阻线材的上述缺点，而提供一种新的低电阻白铜线材及其加工方法，以获得具有电阻低，机械性能好，磁性少，绕制圈数适当而弯折性能好的电阻发热线材，满足电热毯产品的设计和使用要求。

根据上述目的本发明的电热毯用低电阻白铜线材包括铜、锌和镍，而其组成如下，4-10%（重量）镍，5-15%（重量）锌，其余为铜。而且在形成线材以后经350℃-450℃温度范围内的退火，最好在380℃-400℃下退火。这样得到的电阻线材的电阻率为0.14-0.17欧姆·毫米²/米的低电阻线材。由于电阻率低，所以在截面积不变（φ0.2mm左右）或稍加减小的情况下，可适当增加长度，以较高的圈数绕制到涤纶线芯上并在外覆以PVC塑料做成电热条，可保持足够的加热温度和经受25000次上以的弯曲试验而不断裂，大大提高使用寿命。

由于本发明应用CnZn为主的合金成分，大大减少了镍的用量，可使成本大幅度降低，具有发热高、均匀，保温性能好，并具有足够的强度和韧性、高的抗氧化性，对人体无影响、安全可靠经久耐用，同时产品的成本也可降低。

图1是Cn-Zn-Ni的三元状态图;图2是退火温度与Cn-Zn-Ni电阻材料的强度，延伸率及电阻率的关系图;

图3是冷加工的加工率与Cu-Zn-Ni电阻材料的强度，延伸率及电阻率的关系图;

图4是本发明的加热温度与电阻温度系数的关系图。

实施例

用9.20%（重量）的镍，13.49%（重量）的锌，余为铜组成成分经熔炼和铸造成低电阻白铜线坯，经拉伸后形成线材直径为φ0.152mm，在400℃，有保护气氛下作光亮退火，保温时间为2小时。这样得到的电阻发热材料，经机械性能试验，其抗拉强度σ_b＝432牛顿力/毫米²，延伸率δ＝18%。物理性能测试电阻率ρ＝0.162欧姆·毫米²/米。弯曲寿命试验在电负荷0.3瓦/厘米²，2.5牛顿力条件下来回31000次不破断。

本发明的熔炼是采用传统的中低频电炉。在熔炼后用水冷石墨结晶器水平连续铸造并卷绕成中φ12mm线坯。在成品光亮退火前，一般经冷拉伸-退火-再拉伸-刨皮0.3-0.5mm-退火-酸洗→冷拉伸（或再退火）。各道拉伸工序的拉伸率约50-85%，退火温度500℃-650℃。

本发明的铜镍锌合金线材是在BZn15-20锌白铜基础上的再研究并作重大改进而成。锌白铜是一种白铜结构材料和白铜精密电阻材料。该材料可以作电电热毯发热元件，但是关键的电阻系数ρ太高，只能作为小功率（50-60W）单人用电热毯材料，所以合金成分设计的焦点集中在研制一个新的合金具有较低的电阻系数ρ，以适应大功率（70-100W）双人电热毯的需要。

根据传统的金属物理的能带理论认为，金属及合金的导电性取决于有效自由电子多少和晶体结构畸变程度。我们知道，铜是一价金属（面心立方晶格），有效自由电子数较多，导电性最好。锌是二价金属，密排六方晶格，虽然有一、二能带的重迭，但有效电子数少，导电性能较差。经研究镍是过渡族金属，由于有未填满内层d能带的存在，当加入铜、锌后，就会有一部分自由电子跑到内层电子层中，从而使铜镍锌合金的有效自由电子数减少，导致合金的电导率下降，电阻升高。此外，能带理论也认为，有效自由电子在金属中运动是以波动形式传播的。因而电阻产生的原因就是阻碍电子被传播的各种因素，当铜、镍、锌组成合金时，一般锌、镍的加入较多导致铜的晶格产生畸变，离子的周期场发生了破坏，使电子波在合金中传播时发生了散射现象，导致了铜镍锌合金比纯铜的电阻率增加。为了达到理想的电阻率，必须控制锌、镍加入量。经过试验铜中加入4-10%Ni和5-15%Zn最好铜中添加镍8-10%，锌10-15%。该合金电阻率明显下降完全符合制造双人电热毯要求。

同时，同Cu-Zn-Ni三元状态图知（图1）该成分正好处在左下角的α固熔体的单相区域，该组织是稳定的，在使用过程中不发生相变，使电阻率相对稳定。另外，电热毯使用环境并不十分恶劣，且温度仅在130℃以下，所以现有成分材料的高温抗氧化性能已基本满足，可不加Al、Cr、Si等多种元素，使合金简化，成本降低，加工难度减小。

前面已经讲过合金的电阻率大小取决于Ni、Zn含量的多少，但是影响电阻率的还有众多的工艺因素。例：变形程度、热处理制度、晶粒形貌等。所以一般来说很多材料随变形程度的增加，其电阻上升。随着温度增加，其电阻应下降。但是，新研制的新的低电阻白铜线却具有特殊的反常现象。分别叙述如下：

1.退火温度对合金性能的影响

举例来说，我们把经过冷加工率达85%的φ1.1mm新研制的合金线，在不同温度下退火，然后测量强度σ_b、延伸率δ、电阻率ρ。我们发现σ_b、δ随温度的升高而下降，300-400℃区间发生机械性能突变。这一现象说明σ_b、δ变化符合一般规律，只要在适当控制退火温度，便能控制电热毯线所要达到有足够的强度和高的延伸率的机械性能。但ρ出现反常，呈S形曲线变化，如图2所示。产生这种现象的原因是铜中添加了过渡族元素镍组成固溶体，具有一种称之为“K状态”的缘故，其本质是随着退火温度的升高，有效自由电子在未填满的d层能带逐步随填充数增加，使有效自由电子逐步减少，从而出现电导率下降，而电阻率上升。“K状态”导致电阻率反常的解释还有不均匀固溶体和短程有序两种观点，这里不作评述。值得注意的是在300-400℃都出现了ρ下降的现象，我们认为这是材料再结晶软化的突变引起的，根据测试σ_b下降、δ上升这是最有力的证明。材料的回复再结晶，使晶格畸变消失，使ρ下降的因素在此温度范围内成为主要矛盾，从总体上反映出ρ下降。在400℃以后随着材料再结晶完成。“K状态”的反常作用使ρ继续呈上升趋势，只是上升趋势略小。这是由于高温退火时离子运动加剧，导致有效自由电子运动受阻，镍d能带层填入自由电子减少之故。所以总体来说ρ出现了S形反常现象。因此，必须在适当温度范围内进行成品热处理，这样才能保证材料的电阻率稳定在要求的范围内并与机械性能达到最佳的匹配。

2.冷加工率对合金性能的影响

我们把退火软化的φ2.8mm低电阻白铜线坯径23-85%不同变形量之后，测量σ_b、δ、ρ，发现σ_b、δ变化符合一般规律，但ρ的变化也出现反常，而且也呈S形。查阅镍铬、康铜、锰铜等具有“K状态”的精密电阻合金也没有出现过这种现象。图4为加工率与ρ、σ_b、δ关系曲线。如前所述，“K状态”使ρ反常，但是冷加工可以破坏“K状态”，在冷加工初期（30%加工率），这种作用尤其强烈，远远超过了冷加工带来的晶格畸变引起ρ上升的作用，表现为ρ急剧下降。但是随着冷加工量的增加（50%加工率），这种由于冷加工起晶格点阵畸变使ρ上升的作用却又占指导地位，表现为ρ上升。

值得注意的是康铜、镍铬等具有“K状态”的精密电阻合金却没有出现这种现象。为什么在含有锌元素的Cu-Ni-Zn合金中却出现了呢？我们只有从锌的密排六方晶格结构来理解。经过退火的合金材料经再结晶状态为等轴晶粒，合金中的锌的晶格排列为任意取向，随冷加工率增加，晶粒逐渐伸长，锌晶格长轴逐渐趋向一致，这一过程晶格畸变引起ρ上升的作用大大超过“K状态”破坏ρ下降的作用。总的作用现现为ρ上升这一反常现象。一般材料ρ随加工率增加而上升是正常现象，但在具有“K状态”特征的合金中却反常。随着加工率的继续增大，晶粒越拉越长，锌密排六方晶格的长轴基本上趋于一致，有效自由电子运动明显地产生了方向性，其结果必然是ρ呈下降趋势。另外一方面“K状态”的破坏同样也有ρ下降的作用，所以从总体来讲加工率与电阻率呈现了S形曲线。

3.电阻温度数α与加热温度的关系

我们将经过85%冷加工率的φ1.1mm线材在室温至300℃范围内测量电阻温度系数α的数据，结果发现新研制的低电阻白铜线其电阻与温度呈正相关，并具有良好的线性关系，如图4。

作为电热毯的发热元件这一特性是极为有利的。也就是说电热毯温度上升了，由于电阻丝本身电阻值上升，在电压不变的情况下，其电流必然下降，使发热减小，避免过热引起电热毯的燃烧。

Claims (4)

1、一种电热毯用低电阻白铜线材，包括铜，锌和镍，其特征在于该白铜线材由下列成分组成：

4-10%(重量)镍，

5-15%(重量)锌，

其余为铜。

2、根据权利要求1所述的白铜线材，其特征在于其中最佳8-10%（重量）的镍，10-15%（重量）锌，余为铜。

3、根据权利要求1和2所述白铜线材的加工方法，其特征在于在拉制成品以后在350-450℃温度范围内进行退火。

4、根据权利要求3所述的白线材的加工方法，其特征在于所述的退火温度最佳在380-400℃。

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