DE112012002864B4

DE112012002864B4 - Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen und Herstellungsverfahren derselben sowie Temperatursicherung, die das Elektrodenmaterial verwendet

Info

Publication number: DE112012002864B4
Application number: DE112012002864.3T
Authority: DE
Inventors: Naoshi Suzaki; Hideo Kumita
Original assignee: Tokuriki Honten Co Ltd; Schott Japan Corp
Current assignee: Tokuriki Honten Co Ltd; Schott Japan Corp
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2032-07-06
Also published as: JP5746344B2; KR20160061441A; US20140253281A1; JPWO2013005801A1; CN103688328A; DE112012002864T5; CN103688328B; WO2013005801A1; KR101701688B1; KR101648645B1; KR20140044897A

Abstract

Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen (40), gekennzeichnet durch eine Struktur, bei der an der Vorder- und Rückseitenfläche eine Schicht (22) mit interner Oxidation ausgebildet ist, die 50 bis 99 Gew.-% Ag und 1 bis 50 Gew.-% Cu enthält, und die im mittleren Abschnitt eine nicht oxidierte Schicht (23) aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen, die in elektronischen Geräten oder elektrischen Haushaltsgeräten installiert sind, um zu verhindern, dass diese Geräte eine anormale Temperatur erreichen, und Herstellungsverfahren derselben sowie eine Temperatursicherung, die das Elektrodenmaterial verwendet.
Allgemeiner Stand der Technik
Die Temperatursicherung, die installiert wird, um das Erreichen einer anormalen Temperatur eines Geräts zu verhindern, unterbricht den Strom, indem ein wärmeempfindliches Pellet durch die Betriebstemperatur schmilzt und eine Druckfeder entlastet, wodurch sich die Druckfeder ausdehnt und bewirkt, dass sich ein von der Druckfeder mit Druck beaufschlagtes Elektrodenmaterial und ein Leiterdraht voneinander trennen, wobei als Elektrodenmaterial hauptsächlich eine Ag-CdO-Legierung benutzt wird. Das Cd in der Ag-CdO-Legierung ist jedoch ein Schadstoff, was seiner Verwendung aus Umweltgründen Einschränkungen auferlegt.
Da das Elektrodenmaterial zudem in Form eines dünnen Blechs benutzt wird und die Kontaktfläche mit dem Leiterdraht über lange Zeit hinweg im leitenden Zustand gehalten wird, kommt es an der Ag-CdO-Legierung zu einem Anschweißen an das Metallgehäuse, wodurch sich das Problem ergibt, dass die Funktion als Temperatursicherung nicht mehr erfüllt werden kann. Um diesem Problem entgegenzuwirken, ist es zwar möglich, bei der Ag-CdO-Legierung den Gehalt an CdO zu erhöhen und so die Schweißbeständigkeit zu erhöhen, doch erhöht sich mit dem gesteigerten Gehalt an CdO auch der Kontaktwiderstand, was einen Temperaturanstieg am Kontaktabschnitt verursacht und die Funktion der Temperatursicherung beeinträchtigt.
In letzter Zeit wird als Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen auch eine Ag-CuO-Legierung benutzt (siehe beispielsweise die japanische Patentoffenlegungsschrift JP H10- 162 704 A und die ungeprüfte japanische Patentschrift JP 4 383 859 B2 ). Aus einer deutschen Offenlegungsschrift DE 19 20 621 A ist weiterhin ein Elektrodenmaterial bekannt, das mehrere Schichten aufweist, wobei eine der Schichten eine Silberlegierung mit einer inneren Oxidation aufweist.
Kurzdarstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung
Als Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen wird heute zumeist eine solche Ag-CuO-Legierung verwendet, wobei allerdings zu Zwecken der Kostensenkung verlangt wird, den CuO-Gehalt zu erhöhen oder das Material dünner auszubilden.
Im Zuge der Erhöhung des CuO-Anteils der Ag-CuO-Legierung nimmt jedoch die Walzverarbeitungsfähigkeit stark ab, und es ist schwierig, bei der Walzverarbeitung nach der internen Oxidation eine Verarbeitung zu einem dünnen Blech durchzuführen. Insbesondere bei Material mit einem Cu-Gehalt von über 20 Gew.-% war es bislang unmöglich, eine Verarbeitung mit einer Profilreduzierungsrate von 50% oder mehr zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Problem zu lösen.
Mittel zum Lösen der Aufgabe
Die vorliegende Erfindung stellt daher ein Elektrodenmaterial mit einer Struktur bereit, wobei auf der Vorder- und der Rückseitenfläche einer Legierung mit interner Oxidation, die 50 bis 99 Gew.-% Ag und 1 bis 50 Gew.-% Cu umfasst, eine Schicht mit interner Oxidation 3 ausgebildet wird, und die im mittleren Abschnitt eine nicht oxidierte Schicht aufweist.
Dabei wird ein Schritt ausgeführt, wobei bei der internen Oxidationsbehandlung Cu, das bereits im Voraus durch Lösen im Ag aufgenommen wurde, an Sauerstoff anbindet, der aus den Materialoberflächenschichten in das Ag eingelagert wird, wodurch es sich als Oxid in der Ag-Matrix ablagert. Das als gelöstes Element vorliegende Cu breitet sich dabei vom mittleren Materialabschnitt zu den Oberflächenschichten hin aus.
Da sich bei diesem Phänomen zwischen den Schichten mit interner Oxidation, die durch das Oxid ausgebildet werden, das von der Materialoberfläche in das Innere abgeschieden wird, und der nicht oxidierten Schicht, bei der es aufgrund des Zeitverlaufs nicht zu einer Abscheidung kommt, eine Konzentrationsdifferenz des Cu ergibt, breitet sich das Cu von der nicht oxidierten Schicht zu den Oberflächenschichten hin aus, um das Konzentrationsgefälle auszugleichen.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich bei der internen Oxidationsbehandlung nur an den Materialoberflächenschichten eine interne Oxidationsstruktur ergibt, wobei die Bedingungen für die interne Oxidation innerhalb von Bedingungen von 1 bis 5 Stunden bei einem Sauerstoffdruck von 1 bis 5 atm bei 600°C bis 750°C in einem internen Oxidationsofen eingestellt werden. Auf diese Weise kann im mittleren Abschnitt des Materials eine Schicht ohne Oxidation ausgebildet werden, also die nicht oxidierte Schicht (1 bis 3).
Das Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen wird bezüglich des Temperatursicherungsmechanismus als dünnes Blechmaterial von 0,1 mm oder weniger benutzt, weshalb das Material nach der internen Oxidation auf 0,1 mm oder weniger gewalzt werden muss.
Aus Kostengründen wird zudem eine Steigerung des Oxidgehalts und eine möglichst geringe Blechdicke verlangt; bei den Herstellungsverfahren des Stands der Technik aber war es unmöglich, wie oben erwähnt, das Material mit seinem Cu-Gehalt von über 20 Gew.-% mit einer Profilreduzierungsrate von 50% zu walzen. Der Grund dafür ist, dass sich die Walzverarbeitungsfähigkeit bei mehr Oxid stark verschlechtert.
Da bei der vorliegende Erfindung zwischen den Schichten mit interner Oxidation die nicht oxidierte Schicht ausgebildet wird, kann auch bei einem Cu-Gehalt von 50 Gew.-% eine Zunahme des Kontaktwiderstands unterdrückt werden; so ist bereits eine Walzverarbeitung mit einer Profilreduzierungsrate von 70% oder mehr gelungen.
Die zugesetzte Menge des Cu wurde deshalb auf 1 bis 50 Gew.-% festgelegt, weil bei einem Cu-Gehalt von unter 1 Gew.-% keine Legierung mit interner Oxidation entsteht, die zur Verwendung als Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen ausreicht, während bei einem Cu-Gehalt von über 50 Gew.-% ein Anstieg des Kontaktwiderstands einen Temperaturanstieg hervorruft, was für ein Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen und eine Temperatursicherung, die das Elektrodenmaterial verwendet, ungeeignet ist.
Vorgesehen ist eine Struktur, bei der auf der Vorder- und der Rückseitenfläche einer Legierung mit interner Oxidation, die 50 bis 99 Gew.-% Ag, 1 bis 50 Gew.-% Cu sowie 0,1 bis 5 Gew.-% von wenigstens einem von Sn und In umfasst, eine Schicht mit interner Oxidation ausgebildet wird, und die im mittleren Abschnitt eine nicht oxidierte Schicht aufweist.
Durch das Zusetzen von Sn und/oder In entsteht ein Oxidkomplex von Cu wie beispielsweise (Cu-Sn) Ox, der eine die Schweißbeständigkeit steigernde Wirkung aufweist.
Der Gehalt von wenigstens einem von Sn und In wurde deshalb auf 0,1 bis 5 Gew.-% festgelegt, weil unter 0,1 Gew.-% keine die Schweißbeständigkeit steigernde Wirkung vorliegt, während bei mehr als 5 Gew.% der Kontaktwiderstand zunimmt.
Vorgesehen ist eine Struktur, bei der auf der Vorder- und der Rückseitenfläche einer Legierung mit interner Oxidation, die 50 bis 99 Gew.-% Ag, 1 bis 50 Gew.-% Cu sowie 0,01 bis 1 Gew.-% von wenigstens einem von Fe, Ni und Co umfasst, eine Schicht mit interner Oxidation ausgebildet wird, und die im mittleren Abschnitt eine nicht oxidierte Schicht aufweist.
Während der genannten Ausbreitung kann durch Zugabe von wenigstens einem von Fe, Ni und Co das Ausbreitungsphänomen aufgrund des Konzentrationsgefälles unterdrückt werden, so dass durch Unterdrücken der Kohäsion aufgrund der Wanderung des abgeschiedenen Oxids die Oxidstruktur feiner ausgebildet und eine gleichmäßige Verteilung erreicht werden kann.
Der Gehalt von wenigstens einem von Fe, Ni und Co wurde deshalb auf 0,01 bis 1 Gew.-% festgelegt, weil bei weniger als 0,01 Gew.-% die Wanderung des gelösten Elements während der internen Oxidationsbehandlung nicht ausreichend unterdrückt und somit keine gleichmäßige Verteilung des Oxids erzielt werden kann, während sich bei mehr als 1 Gew.-% an der Kristallkorngrenze grobes Oxid bildet, wodurch sich der Kontaktwiderstand erhöht.
Vorgesehen ist eine Struktur, bei der auf der Vorder- und der Rückseitenfläche einer Legierung mit interner Oxidation, die 50 bis 99 Gew.-% Ag, 1 bis 50 Gew.-% Cu, 0,1 bis 5 Gew.-% von wenigstens einem von Sn und In sowie 0,01 bis 1 Gew.-% von wenigstens einem von Fe, Ni und Co umfasst, eine Schicht mit interner Oxidation ausgebildet wird, und die im mittleren Abschnitt eine nicht oxidierte Schicht aufweist.
Außerdem wird für eine Temperatursicherung mit wärmeempfindlichem Pellet eine Temperatursicherung bereitgestellt, die die genannten Elektrodenmaterialien verwendet.
Wirkung der Erfindung
Gemäß dem Elektrodenmaterial der vorliegenden Erfindung ist ein Gehalt von Cu von bis zu 50 Gew.-% möglich; außerdem ist bei der Verarbeitung nach der internen Oxidation eine Walzverarbeitung mit einer Profilreduzierungsrate von 70% oder mehr möglich, und es kann auch bei Herstellung eines dünnen Bleches durch Walzverarbeitung ein kostengünstiges Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen bereitgestellt werden, das die Schichten mit interner Oxidation und die nicht oxidierte Schicht aufweist und bei dem bei Verwendung als Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen keine Gefahr einer anormalen Abnutzung oder eines Anschweißens usw. vorliegt, sowie eine Temperatursicherung, die das Elektrodenmaterial verwendet.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine erläuternde Ansicht, die das Material vor dem internen Oxidationsschritt darstellt;
2 eine erläuternde Ansicht, die das Material nach dem internen Oxidationsschritt darstellt;
3 eine erläuternde Ansicht, die einen Kontaktpunkt nach der internen Oxidation nach dem Walzen darstellt; und
4 eine Schnittansicht der Temperatursicherung mit wärmeempfindlichem Pellet.

Ausführungsformen der Erfindung
Die Tabellen 1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, deren Verarbeitungsschritte des Elektrodenmaterials für Temperatursicherungen im Folgenden beschrieben werden sollen.
Zunächst wurde ein gewünschtes Material geschmolzen, und durch Walzverarbeitung wurde eine blechförmige Legierung mit interner Oxidation 11 mit einer Blechdicke von 0,5 mm erlangt (1).
Die Legierung mit interner Oxidation 11 wird einer internen Oxidation unterzogen, und zwar unter Bedingungen von 1 bis 5 Stunden bei einem Sauerstoffdruck von 1 bis 5 atm bei 600°C bis 750°C in einem Ofen für interne Oxidation (2). Dabei werden die Bedingungen entsprechend der Zusammensetzung der Legierung mit interner Oxidation aus den oben genannten Bereichen ausgewählt, wodurch nur an der Oberflächenschicht auf der Vorder- und Rückseite Schichten mit interner Oxidation 22 erlangt werden, die Oxid 21 aufweisen, während in der Mitte eine nicht oxidierte Schicht 23 vorliegt. Je nach Zusammensetzung des genannten Materials werden entsprechend dem Bedarf die Walzverarbeitung und das vollständige Ausglühen wiederholt, wodurch sich die Legierung vor der Endverarbeitung ergibt. Die Dicke der Legierung vor der Endverarbeitung ist als Zwischenblechdicke in Tabelle 2 aufgeführt. Anschließend wird die Verarbeitung durchgeführt, bis die Endverarbeitungsrate bei der Walzverarbeitung von der Zwischenblechdicke zur Endblechdicke eine Profilreduzierungsrate gegenüber der Zwischenblechdicke von 70% oder mehr ergibt (3).
Das genannte Elektrodenmaterial lässt sich vorteilhaft auf typische handelsübliche Temperatursicherungen mit wärmeempfindlichem Pellet anwenden. Beispielsweise ist, wie in 4 gezeigt, die vorteilhafte Anwendung auf eine Temperatursicherung mit wärmeempfindlichem Pellet 40 möglich, deren Hauptbestandteile Leiter 41 und 47, ein Isolationsmaterial 42, eine starke und eine schwache Druckfeder 43 und 44, eine Temperatursicherungselektrode 48, ein wärmeempfindliches Material 45, ein Metallgehäuse 46 und dergleichen sind, wobei sich für den Fall, dass sich ein elektronisches Gerät oder dergleichen, mit dem die Temperatursicherung verbunden ist, überhitzt und eine bestimmte Betätigungstemperatur erreicht, das wärmeempfindliche Material 45 verformt, wodurch die Druckfedern 43 und 44 entlastet werden, wobei durch die Ausdehnung der starken Druckfeder 44 der zusammengedrückte Zustand der schwachen Druckfeder 43 aufgehoben wird und sich die schwache Druckfeder 43 ausdehnt, so dass die Temperatursicherungselektrode 48 sich unter Kontakt mit der Innenfläche des Metallgehäuses 46 verschiebt, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird, ohne dass es zu einem Anschweißen kommt.
Das genannte Elektrodenmaterial wurde als Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen in die Temperatursicherung eingebaut (4), und es wurden eine Stromflussprüfung und eine Stromunterbrechnungsprüfung durchgeführt, deren Ergebnisse in Tabelle 1 dargestellt sind.
Die Ausführungsbeispiele 1 bis 15 sind jeweils Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, und es handelt sich um ein Elektrodenmaterial mit einer Struktur, bei der an der Vorder- und Rückseitenfläche der Legierung mit interner Oxidation eine Schicht mit interner Oxidaiton ausgebildet ist, und die im mittleren Abschnitt der Legierung eine nicht oxidierte Schicht aufweist.
Die Vergleichsbeispiele 1 bis 8 zeigen jeweils Vergleichsbeispiele von Herstellungsverfahren des Stands der Technik, und es handelt sich um Elektrodenmaterial, bei dem eine interne Oxidationsbehandlung durchgeführt wurde, ohne dass im mittleren Abschnitt der Legierung mit interner Oxidation eine nicht oxidierte Schicht belassen wurde.
In Tabelle 1 wurde dann, wenn hinsichtlich der Verarbeitungsfähigkeit eine Walzverarbeitung mit einer Profilreduzierungsrate von 70% oder mehr als Endverarbeitungsrate möglich war, das Symbol 0 angegeben, während dann, wenn dies nicht möglich war, das Symbol x angegeben wurde. Bei einer mit x versehenden Verarbeitungsfähigkeit kam es zu Rissen oder zum Bruch des Elektrodenmaterials beim Walzen oder zu Rissen in der internen Oxidationsschicht usw.
Stromflussprüfung: 10 Minuten lang floss Strom bei 30 V DC, 10 A; wenn kein Temperaturanstieg von mehr als 10°C auftrat, wurde das Symbol 0 angegeben, während bei einem darüber hinaus gehenden Temperaturanstieg das Symbol x angegeben wurde.
Unterbrechungsprüfung: Nach einem 10 Minuten dauernden Stromfluss bei 30 V DC, 10 A wurde der Stromfluss fortgesetzt, um die Temperatur der Messumgebung auf eine Temperatur ansteigen zu lassen, die 10°C höher war als die Betriebstemperatur, woraufhin eine Unterbrechungsprüfung durchgeführt wurde; wenn es nicht zu Anschweißen gekommen war, wurde das Symbol 0 angegeben, und wenn es zu Anschweißen gekommen war, wurde das Symbol x angegeben.
Tabelle 2 entspricht Tabelle 1 und zeigt für die Ausführungsbeispiele 1 bis 15 und die Vergleichsbeispiele 1 bis 8 die Bedingungen der internen Oxidationsbehandlung und die Endverarbeitungsrate von der Zwischenblechdicke zur Endblechdicke.
Bezugszeichenliste

11: Legierung mit interner Oxidation
21: Oxid
22: Schicht mit interner Oxidation
23: nicht oxidierte Schicht
40: Temperatursicherung
41,47: Leiterdraht
42: Isolationsmaterial
43: schwache Druckfeder
44: starke Druckfeder
45: wärmeempfindliches Material
46: Metallgehäuse
48: Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen

Claims

Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen (40), gekennzeichnet durch eine Struktur, bei der an der Vorder- und Rückseitenfläche eine Schicht (22) mit interner Oxidation ausgebildet ist, die 50 bis 99 Gew.-% Ag und 1 bis 50 Gew.-% Cu enthält, und die im mittleren Abschnitt eine nicht oxidierte Schicht (23) aufweist.
Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial außerdem 0,1 bis 5 Gew.-% von wenigstens einem von Sn und In enthält.
Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial außerdem 0,01 bis 1 Gew.-% von wenigstens einem von Fe, Ni und Co enthält.
Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial außerdem 0,1 bis 5 Gew.-% von wenigstens einem von Sn und In sowie 0,01 bis 1 Gew.% von wenigstens einem von Fe, Ni und Co enthält.
Verfahren zum Herstellen eines Elektrodenmaterials für Temperatursicherungen (40), wobei für ein Elektrodenmaterial für Temperatursicherungen (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ein gewünschtes Material geschmolzen wird, durch Walzverarbeiten zu einem Material von gewünschter Blechdicke gemacht wird, an dem Material unter Bedingungen von 1 bis 5 Stunden bei einem Sauerstoffdruck von 1 bis 5 atm bei 600°C bis 750°C in einem Ofen für interne Oxidation nur an der Oberflächenschicht auf der Vorder- und Rückseite des Elektrodenmaterials eine Schicht (22) mit interner Oxidation ausgebildet wird und in der Mitte des Materials eine nicht oxidierte Schicht (23) zurückgelassen wird, woraufhin das Material wiederholt gewalzt und ausgeglüht wird und einer Walzverarbeitung unterzogen wird, bis eine Endverarbeitungsrate eine Profilreduzierungsrate von 70% oder mehr beträgt, wobei auch nach der Formung zu einem dünnen Blech die Schichten (22) mit interner Oxidation und die nicht oxidierte Schicht (23) vorliegen.
Temperatursicherung (40), gekennzeichnet durch die Verwendung eines Elektrodenmaterials mit einer Struktur, bei der an der Vorder- und Rückseitenfläche eine Schicht (22) mit interner Oxidation ausgebildet ist, die 50 bis 99 Gew.-% Ag und 1 bis 50 Gew.-% Cu enthält, und die im mittleren Abschnitt eine nicht oxidierte Schicht (23) aufweist.
Temperatursicherung (40) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial außerdem 0,1 bis 5 Gew.-% von wenigstens einem von Sn und In enthält.
Temperatursicherung (40) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial außerdem 0,01 bis 1 Gew.-% von wenigstens einem von Fe, Ni und Co enthält.
Temperatursicherung (40) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodenmaterial außerdem 0,1 bis 5 Gew.-% von wenigstens einem von Sn und In sowie 0,01 bis 1 Gew.-% von wenigstens einem von Fe, Ni und Co enthält.