ES2302752T3 - Cartucho fusible, procedimiento para fabricarlo y sustancia de soldadura. - Google Patents
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Abstract
Cartucho fusible, en particular para fusibles de baja tensión y alta potencia, fusibles NH, que presenta al menos un conductor fusible con una sustancia de soldadura en un depósito de soldadura de un portador, estando formada la soldadura sobre la base de estaño y el portador sobre la base de cobre, conteniendo la soldadura como sustancia activa libre de cadmio una aleación de estaño con otros dos componentes, caracterizado porque está elegido un primer componente, mayor en cuanto a porcentajes en peso, que no obstante según los porcentajes en peso es inferior a la proporción de la sustancia básica estaño, tal que se reduzca la temperatura de fusión de la soldadura y un segundo componente, inferior según los porcentajes en peso, es una sustancia que no se disuelve en estaño, con lo que al enfriarse desde el estado líquido hasta el estado sólido se forman gérmenes de cristalización, que provocan una estructura fina.
Description
Cartucho fusible, procedimiento para fabricarlo
y sustancia de soldadura.
La invención se refiere ante todo a un cartucho
fusible, en particular para fusibles de baja tensión de alta
potencia, fusibles NH, que presenta al menos un conductor fusible
con una sustancia de soldadura en un depósito de soldadura de un
portador, en particular según el concepto genérico de la
reivindicación 1. Al respecto la soldadura está formada sobre la
base de estaño y el portador sobre la base de cobre. Tales cartuchos
fusibles son usuales en el mercado.
En los cartuchos fusibles que se encuentran en
el mercado sirve como sustancia de soldadura la mayoría de las
veces una aleación de estaño-cadmio. Usualmente se
trata de SnCd 80 20, es decir, de una aleación con un 80% en peso
de estaño y un 20% en peso de cadmio. Recientemente se desea evitar
el cadmio por razones de protección del medio ambiente. Existen
cartuchos fusibles en el mercado cuyos conductores fusibles
presentan una sustancia de soldadura de SnBi 95 5. Aquí los
correspondientes tiempos de fusión de los conductores fusibles
dotados de esta soldadura tienen una dispersión claramente mayor que
con las soldaduras tradicionales de SnCd.
Las soldaduras de SnBi tienden en general a
derretirse. Para evitar esto en un cartucho fusible disponible en
el mercado, la soldadura está cubierta por una capa que contiene
silicona. Aquí puede empeorar claramente el comportamiento en
cuanto a extinción del cartucho fusible al descomponerse la silicona
como consecuencia de los átomos de carbono.
El sistema formado por conductor fusible y
soldadura ha de diseñarse en general tal que cuando se presentan
sobreintensidades que permanecen largo tiempo, la soldadura se funda
localmente, se disuelva el material de su portador, es decir, el
conductor fusible y con ello se acelere la desconexión. Aquí se
habla usualmente de un efecto M. La soldadura debe entonces
responder a las siguientes condiciones:
- -
- Una suficiente solubilidad de la sustancia de soldadura para el material del conductor fusible, por lo general cobre,
- -
- ningún derretimiento de la soldadura durante la fusión,
- -
- deben evitarse los puentes de soldadura entre los extremos del conductor fusible fundido.
Como elemento para bloquear la soldadura, que
debe evitar el derretimiento de la soldadura para una sustancia de
soldadura sin cadmio, se ha previsto ya un recubrimiento orgánico.
De esta manera puede evitarse ciertamente el derretimiento de
sustancias de soldadura sin cadmio, pero mediante la descomposición
térmica de la matriz orgánica al fundirse el conductor fusible, es
decir, al desconectar el fusible, puede formarse una película de
plástico eléctricamente conductora, lo que puede impedir el
seccionamiento del circuito de corriente.
El problema del derretimiento existe al intentar
trabajar con soldadura libre de cadmio.
La invención tiene básicamente como tarea ante
todo desarrollar un cartucho fusible que funcione con una soldadura
libre de cadmio sobre el conductor fusible y en el que mejoren los
problemas descritos, en particular la dispersión de los valores de
desconexión y del derretimiento de la soldadura tal que se logren
las propiedades, por lo demás buenas, de los sistemas de
conductores fusibles que contienen cadmio.
El documento US 3627517 da a conocer un cartucho
fusible según el preámbulo de la reivindicación 1.
La solución a la tarea descrita se realiza según
la invención primeramente mediante un cartucho fusible según la
reivindicación 1. La soldadura contiene entonces como sustancia
activa una aleación de estaño con dos componentes adicionales,
eligiéndose un primer componente mayor en cuanto a porcentaje en
peso, que no obstante según los porcentajes de peso es menor que la
proporción de la sustancia básica estaño, tal que reduzca la
temperatura de fusión de la soldadura. Un segundo componente,
inferior en porcentaje en cuanto a peso, es una sustancia que no se
disuelve en estaño, con lo que al enfriarse desde el estado líquido
al estado sólido resultan gérmenes de cristalización, que provocan
una estructura fina y que impiden un engrosamiento de la estructura
bajo carga del fusible. Un sistema de conductor fusible y soldadura
como el indicado puede ajustarse tal que presente un comportamiento
en cuanto a dispersión similar al de cuando se utiliza cadmio, así
como tiempos de reacción adecuados. La estructura fina promueve
claramente la disolución del material del portador, es decir, del
conductor fusible, con lo que se logran los mismos tiempos de
fusión y un comportamiento en cuanto a fusión similar a en los
conductores fusibles con sistemas de conductor fusible y soladura
tradicionales que contienen cadmio. El proceso de fusión no está
sometido así a una conversión de energía aparte, con lo que se evita
un calentamiento adicional.
Las reivindicaciones 2 a 6 se refieren a
ventajosos perfeccionamientos del sistema de conductor fusible y
soldadura.
La invención tiene como otra tarea básica seguir
desarrollando un cartucho fusible libre de cadmio en el sentido de
que la soldadura se vea reforzada en cuanto a su resistencia frente
al derretimiento. La solución a la tarea descrita se realiza según
la invención mediante un cartucho fusible según la reivindicación 7.
Según ello, se dota a la soldadura, como material de soldadura en
el depósito de soldadura de un portador y/o al soporte de una
cascarilla de óxido. La cascarilla de óxido puede formarse
térmicamente o químicamente. Es suficiente que la cascarilla de
óxido esté configurada en la zona límite entre la soldadura y el
portador. En la práctica se puede controlar, juntamente con las
configuraciones geométricas usuales en la zona de la soldadura o en
su proximidad, el mojado del portador también de la manera deseada
mediante la geometría de las zonas oxidadas.
La invención se refiere además a un
procedimiento para fabricar un cartucho fusible según el cual la
soldadura y/o el portador se someten a un tratamiento térmico en
atmósfera oxidante. Está previsto además un procedimiento para
fabricar un cartucho fusible según el cual la soldadura y/o el
portador son tratados con una sustancia afín a la soldadura y/o al
portador. En particular es adecuada para ello una solución de
sulfuro sódico.
Una sustancia afín a la soldadura y/o al
portador puede aplicarse entre rodillos absorbentes e impregnados
con la sustancia afín.
Finalmente se realiza la solución a las tareas
formuladas según la invención mediante un material de soldadura
compuesto por una aleación
estaño-bismuto-cobre, una aleación
estaño-indio-cobre o una aleación
estaño-bismuto-hierro. Ha resultado
especialmente ventajoso un material de soldadura que presenta una
aleación de estaño-bismuto-cobre
con un 10% a un 30% de bismuto y un 0,3% a 1% de cobre, juntamente
con estaño al 99,5% y el resto, las impurezas usuales.
La invención se describirá ahora más en detalle
en base al dibujo y en base a ejemplos.
En la figura 1 se han representado en un
diagrama ensayos de fusión, representándose a la izquierda, para
fines comparativos, una sustancia de soldadura de
estaño-cadmio tradicional en su comportamiento en
cuanto a desconexión a lo largo de varios ensayos según el estado
de la técnica. Siguiendo más a la derecha se representan series de
ensayos con el comportamiento del
estaño-bismuto-cobre en diversas
proporciones.
En la figura 2 se representa en contraposición,
a la izquierda para una soldadura libre de cadmio sin cobre y a la
derecha para un ejemplo de ejecución correspondiente a la invención
con soldadura que contiene cadmio y estaño-bismuto
con cobre, respectivos conductores fusibles con un estrechamiento
delante de un depósito de soldadura tras reaccionar el conductor
fusible y cuando se interrumpe el conductor fusible.
En el diagrama de la figura 1 se ha representado
en ordenadas el tiempo de reacción del conductor fusible en
segundos hasta su interrupción y en abscisas se han representado
aleaciones de estaño con los componentes indicados y sus
proporciones. Se han representado los resultados de varios ensayos.
Como portador para la soldadura se utilizó cobre. El
estaño-cadmio sirve como valor orientativo. En las
aleaciones libres de cadmio se ha investigado bismuto con una
proporción en porcentajes de peso de 25%, 15% y 5%, en cada caso con
una carga de 32 A de corriente de fase, aquí equivalente a 1,6
veces la corriente nominal. Las proporciones de cobre se encuentran
en cada caso en 0,8%. La proporción de estaño se encuentra en la
diferencia hasta 99,5%, siendo el resto las impurezas
usuales.
usuales.
El primer componente adicional de la aleación de
estaño se encuentra en una proporción inferior a la proporción de
la sustancia básica estaño. Mediante este componente se reduce la
temperatura de fusión de la soldadura. En el caso presente se
utilizó para ello bismuto. Un segundo componente, inferior en cuanto
a porcentajes en peso, es una sustancia que no se disuelve en el
estaño, con lo que al enfriar desde el estado líquido al estado
sólido resultan gérmenes de cristalización, que provocan una
estructura fina. Aquí se utilizó cobre. En el diagrama de la figura
1 puede observarse el comportamiento en cuanto a dispersión de la
correspondiente aleación y para una determinada geometría del
conductor fusible, con un estrechamiento antes de la soldadura,
también el tiempo hasta la reacción y hasta la desconexión. Estos
tiempos pueden verse fuertemente influidos para una carga de
corriente prevista y cuando se utiliza una determinada aleación para
la soldadura por la geometría del conductor fusible y dado el caso
por el tipo y dimensionamiento de un estrechamiento delante de la
soldadura.
Se ha comprobado que son muy adecuados los
cartuchos fusibles con una sustancia de soldadura del conductor
fusible de una aleación de
estaño-bismuto-cobre, de una
aleación de estaño-indio-cobre y de
una aleación de
estaño-bismuto-hierro.
Se ha comprobado que es especialmente favorable
una aleación de estaño con una proporción de 3% a 40% de bismuto y
con 0,3% a 5,0%, en cada caso en porcentajes de peso, de cobre. En
total, para una proporción de estaño como diferencia hasta 99,5%.
El resto son impurezas usuales.
Se ha comprobado que es favorable también una
aleación de estaño-indio con los componentes en una
relación y según porcentajes de peso de:
- Sn 70% a 96%,
- In del 3% al 30%,
- Cu del 0,3% al 5,0%.
Entre las aleaciones de
estaño-bismuto-cobre, son
especialmente favorables aquéllas cuyos proporciones, en cada caso
en porcentajes en peso, se encuentran en la siguiente gama:
- Sn de 89% a 96%,
- Bi de 3% a 10% y
- Cu de 0,8% a 2,3%.
Entre las aleaciones de
estaño-bismuto-cobre, muestran una
dispersión especialmente reducida y un comportamiento en cuanto a
reacción especialmente ventajoso en la práctica aquéllas con una
proporción en porcentajes de peso de:
- Sn de 69% a 89%,
- Bi de 10% a 30%,
- Cu de 0,3 a 1,0%.
- En total 99,5%; resto, impurezas usuales.
En la figura 2 se reproduce para un conductor
fusible de la misma configuración geométrica un estrechamiento
interrumpido delante del depósito de soldadura, en cada caso
ampliado, siendo la máxima anchura del conductor fusible al natural
14 mm. En la representación de la parte izquierda se utilizó, para
un conductor fusible de cobre, a efectos comparativos, una
soldadura de estaño-bismuto con aprox. 75% de estaño
y 25% de bismuto. En la imagen derecha de la figura 2 se ha
representado para una aleación de
estaño-bismuto-cobre para 25% de
bismuto y 0,8% cobre y una proporción de estaño de 73,7%, en total
99,5%, para un 0,5% de impurezas usuales, la situación tras la
interrupción del conductor fusible por la acción de la soldadura.
Nos podemos imaginar que la soldadura y el conductor fusible
atacado presentan en la superficie pulimentada una estructura fina
y contornos limpios. La transformación de energía en la fusión del
conductor fusible se mantiene así reducida y se evita la formación
de grietas por el calor.
El comportamiento de las aleaciones previstas de
tres sustancias puede seguirse mejorando mediante una cascarilla de
óxido sobre la soldadura en el depósito de soldadura y/o sobre el
conductor fusible, al menos en el entorno del depósito de
soldadura. Mediante una cascarilla de óxido de este tipo puede
evitarse que se derrame la soldadura en fusión al reaccionar el
conductor fusible en el cartucho fusible. Esta medida de utilizar
específicamente una cascarilla de óxido puede utilizarse en general
en soldaduras que originalmente no son estables en cuanto al lugar,
independientemente de la estructura usual de la soldadura o bien de
la aleación que sirve como soldadura.
Una cascarilla de óxido como la indicada puede
estar formada térmica o químicamente. Para la oxidación térmica
puede tratarse la soldadura y/o el portador en una atmósfera
oxidante. Se puede trabajar con una acción del calor local, por
ejemplo en un espacio restringido.
Para un tratamiento químico son adecuadas para
la soldadura Y/o para el portador sustancias afines. Así puede
tratarse, en un portador a base de cobre, el conductor fusible con
una solución de sulfuro sódico. Esto puede realizarse mediante
pincelado o mediante rodillos absorbentes e impregnados con la
sustancia afín, que se pasan hacia un lado y hacia otro por encima
del conductor fusible en el lugar deseado. Para evitar de una
manera más segura aún que se derrame la soldadura, es suficiente
realizar una oxidación sólo en la zona de la soldadura y en las
zonas limítrofes del portador.
Los materiales de soldadura libres de cadmio
para cartuchos fusibles pueden ser ventajosamente una aleación de
estaño-bismuto-cobre, una aleación
estaño-indio-cobre o una aleación
estaño-bismuto-hierro. Aquí y sin
tener en cuenta la configuración geométrica del conductor fusible,
es favorable que las proporciones sean como sigue, en cada caso en
porcentajes en peso:
- Bismuto 10% a 30%,
- cobre 0,3% a 1,0%,
- juntamente con estaño, 99,5%; el resto, impurezas.
Claims (17)
1. Cartucho fusible, en particular para fusibles
de baja tensión y alta potencia, fusibles NH, que presenta al menos
un conductor fusible con una sustancia de soldadura en un depósito
de soldadura de un portador, estando formada la soldadura sobre la
base de estaño y el portador sobre la base de cobre, conteniendo la
soldadura como sustancia activa libre de cadmio una aleación de
estaño con otros dos componentes,
caracterizado porque está elegido un
primer componente, mayor en cuanto a porcentajes en peso, que no
obstante según los porcentajes en peso es inferior a la proporción
de la sustancia básica estaño, tal que se reduzca la temperatura de
fusión de la soldadura y un segundo componente, inferior según los
porcentajes en peso, es una sustancia que no se disuelve en estaño,
con lo que al enfriarse desde el estado líquido hasta el estado
sólido se forman gérmenes de cristalización, que provocan una
estructura fina.
2. Cartucho fusible según la reivindicación
1,
caracterizado porque la sustancia de
soldadura del conductor fusible es una aleación
estaño(Sn)-bismuto(Bi)-cobre(Cu),
una aleación
estaño-indio(In)-cobre o una
aleación estaño-bismuto-hierro.
3. Cartucho fusible según la reivindicación
2,
caracterizado porque se trata de una
aleación
estaño(Sn)-bismuto(Bi)-cobre(Cu),
que contiene componentes en la siguiente relación según los
porcentajes en peso: Sn de 60% a 96%, Bi de 3% a 40%, Cu de 0,3% a
5,0%, en total 99,5%; resto, impurezas usuales.
4. Cartucho fusible según la reivindicación
2,
caracterizado porque se trata de una
aleación
estaño(Sn)-indio(In)-cobre(Cu),
que contiene componentes en la siguiente relación según los
porcentajes en peso: Sn de 70% a 96%, In de 3% a 30%, Cu de 0,3% a
5,0%, en total 99,5%; resto, impurezas usuales.
5. Cartucho fusible según la reivindicación
3,
caracterizado porque la sustancia de
soldadura es una aleación
estaño-bismuto-cobre, con los
siguientes componentes según sus porcentajes en peso: Sn de 89% a
96%, Bi de 3% a 10%, Cu de 0,8% a 2,3%, en total 99,5%; resto,
impurezas usuales.
6. Cartucho fusible según la reivindicación
3,
caracterizado porque la sustancia de
soldadura es una aleación
estaño-bismuto-cobre, con los
siguientes componentes según sus porcentajes en peso: Sn del 69% al
89%, Bi del 10% al 30%, Cu del 0,3% al 10%, en total 99,5%; resto,
impurezas usuales.
7. Cartucho fusible según la reivindicación
1,
caracterizado porque la soldadura está
dotada, como material de soldadura en un depósito de soldadura de un
portador y/o el portador, de una cascarilla de óxido.
8. Cartucho fusible según la reivindicación
7,
caracterizado porque la cascarilla de
óxido está formada térmicamente.
9. Cartucho fusible según la reivindicación
1,
caracterizado porque la cascarilla de
óxido está formada químicamente.
10. Procedimiento para la fabricación de un
cartucho fusible según la reivindicación 9, estando dotado el
conductor fusible de un material de soldadura en un depósito de
soldadura de un portador y sometiéndose la soldadura y/o el
portador a un tratamiento térmico en atmósfera oxidante.
11. Procedimiento para fabricar un cartucho
fusible según la reivindicación 9, estando dotado el conductor
fusible de un material de soldadura en un depósito de soldadura de
un portador y tratándose la soldadura y/o el portador con una
sustancia afín a la soldadura y/o al portador.
12. Procedimiento según la reivindicación
11,
caracterizado porque en un cartucho
fusible con una soldadura sobre la base de estaño y un portador
sobre la base de cobre, el conductor fusible se trata con una
solución de sulfuro sódico.
13. Procedimiento según reivindicación 11 ó
12,
caracterizado porque una sustancia afín a
la soldadura y/o al soporte se aplica entre rodillos absorbentes e
impregnados con la sustancia afín.
14. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 10 a 13,
caracterizado porque la oxidación sólo se
forma en la zona de la soldadura y de las zonas limítrofes del
portador.
15. Material de soldadura para cartuchos
fusibles, conteniendo la soldadura como sustancia activa libre de
cadmio una aleación de estaño con otros dos componentes,
caracterizada porque un primer
componente, mayor en cuanto a porcentaje en peso, que no obstante
según los porcentajes de peso es menor que la proporción de la
sustancia básica estaño, está elegido tal que reduzca la
temperatura de fusión de la soldadura y un segundo componente,
inferior en porcentaje en cuanto a peso, es una sustancia que no se
disuelve en estaño, con lo que al enfriarse desde el estado liquido
al estado sólido resultan gérmenes de cristalización, que provocan
una estructura fina.
16. Material de soldadura según la
reivindicación 15, compuesto por una aleación
estaño-bismuto-cobre, una aleación
estaño-indio-cobre o una aleación
estaño-bismuto-hierro.
17. Material de soldadura según la
reivindicación 16,
caracterizado porque una aleación
estaño(Sn)-bismuto(Bi)-cobre(Cu)
presenta las siguientes proporciones según porcentajes en peso: Bi
de 10% a 30%, Cu de 0,3% a 1%, en total con estaño 99,5%; resto,
impurezas usuales.
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