DE1814107A1

DE1814107A1 - Ternaere schmelzbare Legierung

Info

Publication number: DE1814107A1
Application number: DE19681814107
Authority: DE
Inventors: Ibscher Rolf Alexander
Original assignee: General Electric Canada Co
Current assignee: General Electric Canada Co
Priority date: 1967-12-16
Filing date: 1968-12-12
Publication date: 1969-08-14
Also published as: US3627517A; FR1594275A; GB1244186A; NO120655B; CA868830A

Description

Ternäre schmelzbare Legierung

Die vorliegende Erfindung betrifft schmelzbare oder niedrig schmelzende Legierungen und im besonderen eine ternäre Legierung zur Herstellung von Hitzeschutzvorrichtungen bei elektrischen Schaltungen.

Eine Art der Schutzvorrichtung, die beispielsweise zur Stromregelung in Pluoreszenzlampen häufig verwendet wird, besteht aus einer Schmelzsicherung aus einem länglichen Stück einer geeigneten, niedrig schmelzenden Legierung. Derartige Schmelzsicherungen unterliegen strengen Temperatur/Zeit-Normen, oder anders ausgedrückt, sie müssen bei einer bestimmten Temperatur schnell schmelzen, um einen Stromkreis auszuschalten oder zu unterbrechen, sobald kritische Bedingungen auftreten.

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— ρ —

Um wettbewerbsfähig zu sein, muß eine Schmelzsicherung den mit ihr verbundenen Stromkreis bis zu der höchst zulässigen Temperatur in Betrieb halten.

Eine Schmelzsicherung oder die betreffende Legierung, aus der sie hergestellt wird, muß sich, um alle Anforderungen zu erfüllen, durch einen schnellen und praktisch isothermen Phasenübergang vom festen in den flüssigen Zustand auszeichnen.

Darüberhinaus muß die Legierung ausreichende mechanische Festigkeit und eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber der Bildung von Oberflächenfilmen aufweisen, die in erster Linie als Folge von OxidationsVorgängen auftreten, so daß sie weiterhin auf Änderungen der kritischen Temperatur in der gewünschten Weise anspricht.

Eine Legierung muß,um als Schmelzsicherung brauchbar zu sein, bei beschränkter Ausdehnung oder Kontraktion praktisch fest bleiben, bis die Temperatur in ihrem Betriebsbereich einen vorbestimmten Punkt erreicht hat. An diesem Punkt muß die Legierung schnell und isotherm in den flüssigen Zustand übergehen, indem sie aus dem Stromkreis ausfällt und dadurch den letzteren unterbricht.

•Anscheinend verändert die Ausbildung von Oberflächenfilmen leicht die Schmelzcharakteristika einer Schmelzsicherung. Um außerdem einen vorzeitigen Ausfall des Stromkreises infolge zulässiger Temperaturschwankungen unterhalb des kritischen Punktes zu vermeiden und um geringe Ausschläge oberhalb dieses Punktes zu verhindern, muß die Legierung ihre Phase in einer scharf definierten Weise ändern, so daß die Schmelzsicherurig ihren Zustand bis zum Schmelzpunkt, aber nicht darüberhinaus, beibehält. ■

Die an eine Schmelzsicherheitslegierung gestellten Anforderungen verlangen deshalb die Verwendung einer eutektischen oder nahezu eutektischen Zusammensetzung, in der bekanntlich der

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Phasenübergang vom festen in den flüssigen Zustand auf eine isotherme oder nahezu isotherme Weise vor sich geht.

In nicht-eutektischen Zusammensetzungen können wiederholte Temperaturschwankungen durch den Schmelzpunkt die Absonderung der Elemente und eine allmähliche Veränderung der Schmelz- und Festeigenschaften bewirken. Auf dem Gebiet, auf dem die Erfindung Anwendung finden soll,sind solche Schwankungen und die damit verbundenen Probleme ohne Folgen, da eine Schmelzsicherung nach einer einzigen Schwankung bereits ausfällt.

Der Temperaturbereich, in dem eine Legierung schmilzt, kann als Funktion der Änderung der Kristallisationsgeschwindigkeiten der Komponenten ausgedrückt werden, während die Geschwindigkeit der Phasenänderung als Funktion der verschiedenen Kristallisationsgeschwindigkeiten zusammen mit der latenten Schmelzwärme der jeweiligen Zusammensetzung ausgedrückt werden kann.

Der Schmelzpunkt einer Legierung steht Jedoch mit den einzelnen Schmelzpunkten ihrer Komponenten nicht in direktem Zusammenhang und es 1st demgemäß außerordentlich schwierig, mit irgendeiner Genauigkeit den numerischen Wert der latenten Schmelzwärme einer Legierung nur durch Bezugnahme auf die Charakterlstika der jeweiligen Individuellen Bestandteile auszudrücken.

Aus dem Voranstehenden ist leicht zu entnehmen, daß es keinen logisch gangbaren Weg gibt, um eine eutektische oder nahezu eutektische Zusammensetzung zu erhalten, die ein sehr begrenztes und genaues Temperatur/Zeit-Maß erfüllt. Obwohl eine Legierung, was den Schmelzpunkt anbelangt, ideal sein kann, kann sie unter dem Gesichtspunkt der Phasenübergangsgeschwindigkeit nicht brauchbar sein. Geht der SchmelzVorgang zu zähflüssig vor sich, dann kann ein Schmelzeinsatz oder eine Schmelzsicherung ihre Schutzaufgabe nicht unbedingt erfüllen, da sie nicht in der gewünschten Weise ausfüllt.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schmelzlegierungen zu erhalten, die alle gewünschten Eigenschaften aufweisen und was besonders wichtig ist, die die gewünschten Schmelzpunkttemperaturen zusammen mit geeigneten schnellen und vollständigen Phasenübergangscharakteristika aufweisen.

In ihrer bevorzugtesten Ausführungsform b-etrifft die Erfindung eine ternäre Legierung aus Indium (In), Zinn (Sn) und Silber (Ag) mit einer Zusammensetzung von etwa: 51,¹U In

47,356 Sn 1,3Ϊ Ag

Die genauen Prozentgehaltsbereiche werden natürlich von den "Temperatur-Zeit"-Grenzen des Jeweiligen Verwendungszwecks bestimmt.

Die Untersuchungen begannen mit einem Studium des binären Systems: Indium/Zinn. Anschließend wurde festgestellt, daß, obwohl sich das Eutektikum dieses binären Systems durch einen Schmelzpunkt und eine Phasenübergangszeit auszeichnet, die für die zur Zeit akzeptierten "Temperatur-Zeit"-Grenzen ausreicht, es dennoch nicht für die zukünftigen strengen Anforderungen ausreichend ist.

Als Folge davon wurde die Untersuchung dadurch fortgesetzt, daß zu dem In-Sn-Eutektikum Zusätze relativ kleiner Prozentsätze von Elementen der Gruppe IB des Periodensystems hinzugefügt wurden.

Ea wurde gefunden, daß Kupfer den Schmelzpunkt in definierter Weise herabsetzt, und Silber sogar eine noch günstigere Wirkung hat.

Durch geeignete Untersuchungen wurde festgestellt, daß die neuartige ternäre Legierung aus In-Sn-Ag bei 113,8 - 1°C schmilzt und den Phasenübergang innerhalb für .Schmelzsicherungen geeigneten Zeitgrenzen erfolgt.

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Weitere metallographische Untersuchungen einer Probe der neuartigen Legierung ergaben eine praktisch homogene Struktur über den ganzen Querschnitt und zeigten dadurch eine eutektische oder nahezu eutektische Zusammensetzung.

Natürlich ist das wirkliche Eutektikum die bevorzugteste Zusammensetzung, wenn man einen rein isothermen Übergang wünscht, obwohl beobachtet wurde, daß für den ^g Frage stehenden Zweck die Legierung Innerhalb der ungefähren/gegebenen Zusammensetzung bestehen kann und trotzdem bei einer Temperatur in dem vorgeschriebenen Bereich öchmilzt. tik

Eine aus dem neuartigen Stoff hergestellte Schmelzsicherung zeigte für ihre Zwecke ausreichende mechanische Stärke und eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber der Bildung von Oberflächenfilmen (Oxidation).

Die neuartige Legierung aus In-Sn-Ag ist deshalb in jeder Beziehung für die Verwendung bei der Herstellung von Schmelzsicherungen sehr gut geeignet, während Zusätze von etwa 0,17$ Kupfer zu dem In-Sn-Eutektikum zu einer Legierung führen, die für die Herstellung von Schmelzsicherungen mit einem Schmelzpunkt von 117,6⁰C - I⁰C geeignet sind. ^

Es ist nicht notwendig, auf die Herstellung dieser neuartigen Legierungen näher einzugehen, da in dieser Hinsicht keine besonderen Probleme bestehen. Der Reinheit der Komponenten muß selbstverständlich die entsprechende Aufmerksamkeit geschenkt werden.

Die anfänglichen Untersuchungen wurden mit Elementen durchgeführt, die eine Reinheit von 99,9999$ aufwiesen, jedoch zeigten spätere Versuche, daß 99,995? ausreichend sind. Bei der praktischen Durchführung kann die ternäre erfindungsgemäße schmelzbare Legierung jede gewünschte Form zur Verwendung als Schmelzeinsatz erhalten.

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Claims

ANSPRÜCHE:

1) Ternäre schmelzbare Legierung, vorzugsweise zur Verwendung In Schmelzsicherungen, gekennzeichnet durch einen schnellen und isothermen Phasenübergang vom festen in den flüssigen Zustand, eine nahezu eutektische Zusammensetzung aus Indium-Zinn, wobei die Differenz durch ein Element der Gruppe IB des Periodensystems ausgeglichen wird. ^ -

2) Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dieser Ausgleich entweder durcn Kupfer oder Silber erfolgt.

3) Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß diese schmelzbare Legierung eine nahezu eutektische Zusammensetzung von etwa 5I₃ ²J^ Indium, 47,3$ Zinn und 1,3$ Silber aufweist und einen Schmelzpunkt von 113,8 - I⁰C besitzt.

4) Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet j daß diese schmelzbare Legierung aus einer nahezu eutektischen Zusammensetzung aus Indium, Zinn und Kupfer besteht und einen Schmelzpunkt von 117,6 - 1°C aufweist.

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