CN114889245A - 一种复合金属片及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及涉温控保护器件技术领域，更具体地说，它涉及一种复合金属片及其制备方法和应用。复合金属片，包括依次堆叠设置的主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片，所述主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片的膨胀系数逐级降低；所述主动层金属片的膨胀系数为20‑24，所述过渡金属片的膨胀系数为8‑12，所述被动层金属片的膨胀系数为1‑3。本申请通过上述膨胀系数的复合层结构赋予了复合金属片稳定的变形性能和推力外，还可有效保障双金属片灵敏度，并减少因膨胀系数差值过大对双金属片的安全保护性能的负面影响。

Description

一种复合金属片及其制备方法和应用
技术领域
本申请涉及涉温控保护器件技术领域，更具体地说，它涉及一种复合金属片及其制备方法和应用。
背景技术
复合金属片是指利用复合技术将多种化学、力学性能不同的金属在界面上实现冶金结合而形成的复合材料，可极大程度改善单一金属材料的热膨胀性、强度、断裂韧性、冲击韧性、耐磨损性、电性能、磁性能等诸多性能，因而被广泛应用到防腐、压力容器制造、电建、石化、医药、轻工、汽车等行业，其中以应用最为普遍的双金属复合片为例。
相关技术中的双金属复合片主要是由两片具有不同膨胀系数的金属片固定粘覆而成，当环境温度上升或其本身温度上升时，由于两金属片的膨胀量不同，双金属复合片就会向膨胀量较小的一面弯曲，从而接通触点或触发保护机构动作，达到安全保护的目的。在特殊需要时，可在双金属复合片中间复合过渡铜片层，以减少其调节电路中的电阻。
此外相关技术中的双金属复合片为保障其灵敏度，主动层与被动层的膨胀系数差值普遍较大，高达16-19，以此赋予双层结构优良的灵敏度，其比弯曲(K值)为10*10-6/℃，但上述设计在受热膨胀时，主动层会强力扩张，并对被动层带来很大的压力和负载，从而无法保证稳定的变形性能和推力，继而影响双金属复合片的变形弯曲和安全保护目的。
发明内容
为保障双金属片灵敏度的同时，减少因膨胀系数差值过大对双金属片的安全保护性能的负面影响，本申请提供一种复合金属片及其制备方法和应用，该复合金属片在应用时，可提供稳定的变形性能和推力。
第一方面，本申请提供一种复合金属片，采用如下的技术方案：
一种复合金属片，其特征在于，包括依次堆叠设置的主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片，所述主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片的膨胀系数逐级降低；
所述主动层金属片的膨胀系数为20-24，所述过渡金属片的膨胀系数为8-16，所述被动层金属片的膨胀系数为1-3。
通过采用上述技术方案，由上述膨胀系数逐级降低的主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片制得的复合金属片，其在受热膨胀时，主动层会朝向被动层一侧弯曲并扩张变形，并在过渡层的缓冲作用下，对被动层带施加稳定的推力和变形弯曲，从而接通触点或触发保护机构动作，达到安全保护的目的；
推测其原因可能是由于相比不设置中间层或以铜片为中间层的复合金属片，其显著降低了相邻层结构间的膨胀系数差值，继而减少了受热膨胀时因主动层强力扩张直接作用于被动层所带来的超额压力，从而保证了复合金属片稳定的变形性能和推力，应用于电路防护时，可稳定的接通触点或触发保护机构动作。
优选的，所述主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片的厚度比为1:(0.2-0.5):(0.5-0.8)。
通过采用上述技术方案，上述厚度比的复合金属片，其均具有稳定的变形性能和推力的同时，还具有较强的适用性和灵活性，相比市面上的固定牌号，可通过调节复合金属片的厚度比以获得具有不同比弯曲(K值)和电阻率的金属复合片。
优选的，所述主动层金属片，其化学组成如下：Ni：8-12wt.％；Mn：30-42wt.％；Cr：3.0-6.0wt.％；Cu：10-16wt.％；Ti：0.5-1.2wt.％；余量为Fe和不可避免的杂质。
通过采用上述技术方案，上述化学组成的主动层金属片，膨胀系数为20-24，其在受热膨胀时，可提供稳定的推力，应用于电路防护时，可作用于被动层金属片并接通触点或触发保护机构动作。
优选的，所述被动层金属片，其化学组成如下：Ni：20-36wt.％；Mn：1-2wt.％；Cu：10-16wt.％；Mo：1.8-2.4wt.％；V：0.5-0.8wt.％；余量为Fe和不可避免的杂质。
通过采用上述技术方案，上述化学组成的被动层金属片，膨胀系数为1-3，其在受热膨胀时，可经主动层作用发生弯曲变形并并接通触点或触发保护机构动作，通过与主动层复配具有较高的灵敏度。
优选的，所述过渡层金属片由靠近主动层金属片设置的第一过渡层和靠近被动层金属片设置第二过渡层复合而成。
优选的，所述的第一过渡层与第二过渡层其元素组成分别与相近的主动层金属片或被动层金属片相近；
所述第一过渡层，其化学组成如下：Ni：6-8wt.％；Mn：18-30wt.％；Cr：2.0-3.0wt.％；Cu：16-20wt.％；Ti：0.5-0.8wt.％；余量为Fe和不可避免的杂质；
所述第二过渡层，其化学组成如下：Ni：22-28wt.％；Mn：6-12t.％；Cu：16-20wt.％；Mo：2.4-3.6wt.％；V：1.0-1.5wt.％；余量为Fe和不可避免的杂质。
通过采用上述技术方案，上述化学组成的第一过渡层与第二过渡层，其与主动层金属片和被动层金属片具有较好复配效果的同时，元素组成较为相近，其膨胀系数为8-12，继而在受热膨胀时，主动层可经过渡层的缓冲作用稳定的作用于被动层并接通触点或触发保护机构动作。
第二方面，本申请提供一种复合金属片的制备方法，采用如下的技术方案：
一种复合金属片的制备方法，包括如下制备步骤：
S1、先根据实际需求选定特定元素组成及厚度比的主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片并将其依次堆叠好；
S2、再打磨层结构的接触面，使其表面呈粗糙状，然后喷涂胶粘剂，并向复合金属片施加6-12MPa的压力进行固化，即可制得复合金属片。
通过采用上述技术方案，制备步骤较为简便、易于操作的同时，所得产品性能稳定均一，且各层结构间的粘合效果较好，此外胶黏剂还可与过渡层共同起到一定缓冲作用，以此协同保障了复合金属片的安全保护作用，可稳定接通触点或触发保护机构动作。
第三方面，本申请提供一种复合金属片在在自动化电器元件中的应用，用作空气开关、自动断路器、热继电器、汽车电器、家用电器中的一种，主要起到电路过热保护作用。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请通过上述膨胀系数逐级降低的主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片赋予了复合金属片稳定的变形性能和推力外，还可有效保障双金属片灵敏度，并减少因膨胀系数差值过大对双金属片的安全保护性能的负面影响；
2、本申请通过第一过渡层与第二过渡层的设置，显著降低了相邻层结构间的膨胀系数差值，受热膨胀时过程中不易因主动层强力扩张直接作用于被动层而导致复合金属片无法稳定的发生变形和提供推力；
3、本申请通过调节复合金属片的厚度比，实现了对不同比弯曲(K值)和电阻率的金属复合片的生产，其均具有稳定的变形性能和推力的同时，相比市面上的固定牌号，具有更强的适用性和灵活性；
4、本申请中的制备步骤较为简便、易于操作的同时，所得产品性能稳定均一，均具有优良的变形性能和灵敏度，应用于自动化电器元件中时，可稳定接通触点或触发保护机构动作，起到安全防护作用。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
本申请的各实施例中所用的原料，除胶粘剂KD-855(品牌KEYDAK)采购自东莞市景天胶业有限公司，其他所使用设备及原料均为市售常见原料和型号。
制备例1-5
一种主动层金属片，其各组分及重量百分比如表1所示。
表1制备例1-5中主动层金属片各组分及其重量百分比(wt.％)
Figure BDA0003599825670000041
经检测，制备例1中主动层金属片的膨胀系数为20；制备例2中主动层金属片的膨胀系数为22；制备例3中主动层金属片的膨胀系数为24；制备例4中主动层金属片的膨胀系数为23；制备例5中主动层金属片的膨胀系数为22。
制备例6-10
一种过渡层金属片(第一过渡层)，其各组分及重量百分比如表2所示。
表2制备例6-10中过渡层金属片各组分及其重量百分比(wt.％)
Figure BDA0003599825670000042
Figure BDA0003599825670000051
经检测，制备例6中过渡层金属片的膨胀系数为16；制备例7中过渡层金属片的膨胀系数为15；制备例8过渡层金属片的膨胀系数为12；制备例9中过渡层金属片的膨胀系数为14；制备例10中过渡层金属片的膨胀系数为16。
制备例11-15
一种过渡层金属片(第二过渡层)，其各组分及重量百分比如表3所示。
表3制备例11-15中过渡层金属片各组分及其重量百分比(wt.％)
Figure BDA0003599825670000052
经检测，制备例11中过渡层金属片的膨胀系数为12；制备例12中过渡层金属片的膨胀系数为10；制备例13过渡层金属片的膨胀系数为10；制备例14中过渡层金属片的膨胀系数为8；制备例15中过渡层金属片的膨胀系数为8。
制备例16-20
一种被动层金属片，其各组分及重量百分比如表4所示。
表4制备例16-20中被动层金属片各组分及其重量百分比(wt.％)
Figure BDA0003599825670000061
经检测，制备例16中过渡层金属片的膨胀系数为1；制备例17中过渡层金属片的膨胀系数为1；制备例18过渡层金属片的膨胀系数为2；制备例19中过渡层金属片的膨胀系数为3；制备例20中过渡层金属片的膨胀系数为3。
性能检测试验
分别选取实施例和对比例中制得的复合金属片各三组作为测试对象，然后测试其比弯曲(K值)，所得测试结果取平均值记如下表，具体检测方法和标准参照GB/T 4461-2007《热双金属带材》：
比弯曲(K值)的公式为:
Figure BDA0003599825670000062
上式中：
比弯曲(K值)：单位为每摄氏度(℃-1)；
Δf：测量温度为T1和T2时试样的挠度差(f2-f1)，单位为毫米(mm)；
Δ：试样厚度，单位为毫米(mm)，本申请中为1.0mm；
L：试样测量长度，单位为毫米(mm),本申请中为100mm；
T1：初始温度，单位为摄氏度(℃),本申请中为20℃；
T2：检测温度，单位为摄氏度(℃)，本申请中为80℃。
实施例
实施例1
一种复合金属片，包括依次堆叠设置的主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片，主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片的厚度比为1:0.1:0.3：
其中主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片的膨胀系数逐级降低，分别由制备例1、制备例6、制备例16制得；
并采用如下制备步骤制得：
S1、先根据实际需求选定特定元素组成及厚度比的主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片并将其依次堆叠好；
S2、再打磨层结构的接触面，使其表面呈粗糙状，然后喷涂胶粘剂KD-855，并向复合金属片施加10MPa的压力进行固化，即可制得复合金属片。
实施例2
一种复合金属片，与实施例1的不同之处在于，主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片的厚度比为1:0.2:0.5。
实施例3
一种复合金属片，与实施例1的不同之处在于，主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片的厚度比为1:0.3:0.6。
实施例4
一种复合金属片，与实施例1的不同之处在于，主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片的厚度比为1:0.5:0.8。
实施例5
一种复合金属片，与实施例1的不同之处在于，主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片的厚度比为1:0.5:1.0。
抽取上述实施例1-5中制得的复合金属片，按上述测量步骤和测量标准测试其比弯曲(K值)，测试结果取平均值记入下表。
表：实施例1-5中复合金属片性能测试结果
Figure BDA0003599825670000071
Figure BDA0003599825670000081
从上表中可以看出，实施例1-5中制得复合金属片其均具有优良的变形性能和推力，应用于电路防护时，可稳定的接通触点或触发保护机构动作，其比弯曲(K值)高达14.78-16.82*10-6/℃；
可见由上述膨胀系数逐级降低的主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片制得的复合金属片，其在受热膨胀时，主动层会朝向被动层一侧弯曲并扩张变形，并在过渡层的缓冲作用下，对被动层带施加稳定的推力和变形弯曲，从而接通触点或触发保护机构动作，达到安全保护的目的。
此外，由上表还可知，实施例2-4为优选实施例，其比弯曲(K值)高达16.18-16.82*10-6/℃，可见主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片的优选厚度比为1:(0.2-0.5):(0.5-0.8)；
上述厚度比的复合金属片，其均具有稳定的变形性能和推力的同时，还具有较强的适用性和灵活性，相比市面上的固定牌号，可通过调节复合金属片的厚度比以获得具有不同比弯曲(K值)和电阻率的金属复合片。
综上，本申请所得的复合金属片其均具有优良的变形性能和推力，分析其原因可能是由于上述三层复合结构其显著降低了相邻层结构间的膨胀系数差值，继而减少了受热膨胀时因主动层强力扩张直接作用于被动层所带来的超额压力，从而保证了复合金属片稳定的变形性能和推力。
实施例6-9
一种复合金属片，与实施例1的不同之处在于，所用主动层金属片的使用情况不同，具体对应关系下表所示。
表：实施例6-9中主动层金属片使用情况对照表
Figure BDA0003599825670000082
Figure BDA0003599825670000091
抽取上述实施例6-9中制得的复合金属片，按上述测量步骤和测量标准测试其比弯曲(K值)，测试结果取平均值记入下表。
表：实施例6-9中复合金属片性能测试结果
Figure BDA0003599825670000092
从上表中可以看出，实施例1、6-9中制得复合金属片其均具有优良的变形性能和推力，应用于电路防护时，可稳定的接通触点或触发保护机构动作，其比弯曲(K值)高达14.78-15.62*10-6/℃；
可见上述化学组成的主动层金属片，其在受热膨胀时，均可提供稳定的推力，应用于电路防护时，可作用于被动层金属片并接通触点或触发保护机构动作，其中实施例6-8为优选例。
实施例10-13
一种复合金属片，与实施例1的不同之处在于，所用被动层金属片的使用情况不同，具体对应关系下表所示。
表：实施例10-13中被动层金属片使用情况对照表
Figure BDA0003599825670000093
Figure BDA0003599825670000101
抽取上述实施例10-13中制得的复合金属片，按上述测量步骤和测量标准测试其比弯曲(K值)，测试结果取平均值记入下表。
表：实施例10-13中复合金属片性能测试结果
Figure BDA0003599825670000102
从上表中可以看出，实施例1、10-13中制得复合金属片其均具有优良的变形性能和推力，应用于电路防护时，可稳定的接通触点或触发保护机构动作，其比弯曲(K值)高达14.78-15.26*10-6/℃；
可见上述化学组成的被动层金属片，其在受热膨胀时，可经主动层作用发生弯曲变形并并接通触点或触发保护机构动作，通过与主动层复配具有较高的灵敏度，其中实施例10-12为优选例。
实施例14-18
一种复合金属片，与实施例1的不同之处在于，所用过渡层金属片由第一过渡层和第二过渡层按厚度比1：0.8复合而成，且两者的使用情况不同，具体对应关系下表所示。
表：实施例14-18中过渡层金属片使用情况对照表
Figure BDA0003599825670000103
Figure BDA0003599825670000111
抽取上述实施例14-18中制得的复合金属片，按上述测量步骤和测量标准测试其比弯曲(K值)，测试结果取平均值记入下表。
表：实施例14-18中复合金属片性能测试结果
Figure BDA0003599825670000112
从上表中可以看出，实施例14-18中制得复合金属片其均具有优良的变形性能和推力，应用于电路防护时，可稳定的接通触点或触发保护机构动作，其比弯曲(K值)高达15.82-16.12*10-6/℃；
特别是，实施例15-17为优选实施例，可见上述化学组成的第一过渡层与第二过渡层，其与主动层金属片和被动层金属片具有较好复配效果的同时，由于其元素组成较为相近，继而在受热膨胀时，主动层可经过渡层的缓冲作用稳定的作用于被动层并接通触点或触发保护机构动作。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (8)

1.一种复合金属片，其特征在于，包括依次堆叠设置的主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片，所述主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片的膨胀系数逐级降低；
所述主动层金属片的膨胀系数为20-24，所述过渡金属片的膨胀系数为8-16，所述被动层金属片的膨胀系数为1-3。
2.根据权利要求1所述的复合金属片，其特征在于，所述主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片的厚度比为1:(0.2-0.5):(0.5-0.8)。
3.根据权利要求1所述的复合金属片，其特征在于，所述主动层金属片，其化学组成如下：Ni：8-12wt.%；Mn：30-42wt.%；Cr：3.0-6.0wt.%；Cu：10-16wt.%；Ti：0.5-1.2wt.%；余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的复合金属片，其特征在于，所述被动层金属片，其化学组成如下：Ni：20-36wt.%；Mn：1-2t.%；Cu：10-16wt.%；Mo：1.8-2.4wt.%；V：0.5-0.8wt.%；余量为Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求1所述的复合金属片，其特征在于，所述过渡层金属片由靠近主动层金属片设置的第一过渡层和靠近被动层金属片设置第二过渡层复合而成。
6.根据权利要求5所述的复合金属片，其特征在于，所述的第一过渡层与第二过渡层其元素组成分别与相近的主动层金属片或被动层金属片相近；
所述第一过渡层，其化学组成如下：Ni：6-8wt.%；Mn：18-30wt.%；Cr：2.0-3.0wt.%；Cu：16-20wt.%；Ti：0.5-0.8wt.%；余量为Fe和不可避免的杂质；
所述第二过渡层，其化学组成如下：Ni：22-28wt.%；Mn：6-12t.%；Cu：16-20wt.%；Mo：2.4-3.6wt.%；V：1.0-1.5wt.%；余量为Fe和不可避免的杂质。
7.一种权利要求1-6任一所述复合金属片的制备方法，其特征在于，包括如下制备步骤：
S1、先根据实际需求选定特定元素组成及厚度比的主动层金属片、过渡层金属片和被动层金属片并将其依次堆叠好；
S2、再打磨层结构的接触面，使其表面呈粗糙状，然后喷涂胶粘剂，并向复合金属片施加6-12MPa的压力进行固化，即可制得复合金属片。
8.一种权利要求1-6任一所述复合金属片在自动化电器元件中的应用，用作空气开关、自动断路器、热继电器、汽车电器、家用电器中的一种，主要起到电路过热保护作用。
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