Sicherungseinsatz, Verfahren zu seiner Herstellung und Lotsubstanz

Abstract

 Sicherungseinsatz, insbesondere für Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungen, NH-Sicherungen, der zumindest einen Schmelzleiter mit einer Lotsubstanz in einem Lotdepot eines Trägers aufweist, wobei das Lot auf der Basis von Zinn und der Träger auf der Basis von Kupfer gebildet ist. Es ist vorgesehen, dass das Lot als wirksame Substanz eine Zinn-Legierung mit zwei weiteren Bestandteilen enthält, wobei ein erster, nach Gewichtsprozenten größerer Bestandteil, der aber nach Gewichtsprozenten kleiner ist als der Anteil der Grundsubstanz Zinn, danach ausgewählt ist, die Schmelztemperatur des Lotes herabzusetzen und ein zweiter nach Gewichtsprozenten kleinerer Bestandteil ein Stoff ist, der sich im Zinn nicht löst, wodurch beim Abkühlen vom flüssigen in den festen Zustand Kristallisationskeime entstehen, die ein feines Gefüge bewirken und eine Vergröberung des Gefüges unter Belastung verhindern.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich zunächst auf einen Sicherungseinsatz, insbesondere für Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungen, NH-Sicherungen, der zumindest einen Schmelzleiter mit einer Lotsubstanz in einem Lotdepot eines Trägers aufweist, im Einzelnen nach Gattungsbegriff von Patentanspruch 1. Hierbei ist das Lot auf der Basis von Zinn und der Träger auf der Basis von Kupfer gebildet. Derartige Sicherungseinsätze sind auf dem Markt üblich.

[0002] Bei den auf dem Markt befindlichen Sicherungseinsätzen dient als Lotsubstanz meistens eine Zinn-Cadmium-Legierung. Üblich ist SnCd 80 20, also eine Legierung mit 80 Gewichtsprozent Zinn und 20 Gewichtsprozent Cadmium. Neuerdings möchte man Cadmium aus Gründen des Umweltschutzes vermeiden. Es sind Sicherungseinsätze auf dem Markt, deren Schmelzleiter eine Lotsubstanz aus SnBi 95 5 aufweisen. Hierbei streuen die Abschmelzzeiten der mit diesem Lot versehenen Schmelzleiter deutlich weiter als die mit den herkömmlichen SnCd-Loten.

[0003] SnBi-Lote neigen allgemein zum Zerfließen. Um dies zu verhindern, ist bei einem auf dem Markt befindlichen Sicherungseinsatz das Lot mit einer Silikon enthaltenden Schicht abgedeckt. Hierbei kann das Löschverhalten des Sicherungseinsatzes beim Zersetzen des Silikons infolge der Kohlenstoffatome sich deutlich verschlechtern.

[0004] Das System Schmelzleiter und Lot ist generell so auszulegen, dass bei länger anstehenden Überströmen das Lot örtlich aufschmilzt, den Werkstoff seines Trägers, also den Schmelzleiter anlöst und damit das Abschalten beschleunigt. Man spricht hier üblicherweise von einem M-Effekt. Das Lot soll dabei folgenden Bedingungen genügen:

• Eine ausreichende Löslichkeit der Lotsubstanz für den Schmelzleiterwerkstoff, in der Regel Kupfer,
• kein Zerfließen des Lotes während des Abschmelzens,
• Lotbrücken zwischen den Enden des abgeschmolzenen Schmelzleiters sollen vermieden werden.

[0005] Als Lotstoppmittel, das ein Zerfließen des Lotes bei einer Lotsubstanz ohne Cadmium verhindern soll, ist bereits eine organische Beschichtung vorgesehen worden. Hierdurch kann man zwar das Zerfließen von Lotsubstanzen ohne Cadmium vermeiden, durch die thermische Zersetzung der organischen Matrix beim Abschmelzen des Schmelzleiters, also zum Abschalten der Sicherung, kann sich jedoch ein elektrisch leitender Kunststofffilm bilden, wodurch das Trennen des Stromkreises verhindert sein kann.

[0006] Das Problem des Zerfließens besteht, seit man versucht, mit cadmiumfreien Loten zu arbeiten.

[0007] Der Erfindung liegt zunächst die Aufgabe zugrunde, einen Sicherungseinsatz zu entwickeln, der mit einem cadmiumfreien Lot auf dem Schmelzleiter arbeitet und bei dem die geschilderten Probleme, insbesondere des Streuens der Abschaltwerte und des Zerfließens des Lotes so verbessert werden, dass die ansonsten guten Eigenschaften von cadmiumhaltigen Schmelzleitersystemen erzielt werden.

[0008] Die Lösung der geschilderten Aufgabe erfolgt nach der Erfindung zunächst durch einen Sicherungseinsatz nach Anspruch 1. Das Lot enthält hierbei als wirksame Substanz eine Zinnlegierung mit zwei weiteren Bestandteilen, wobei ein erster nach Gewichtsprozenten größerer Bestandteil, der aber nach Gewichtsprozenten kleiner ist als der Anteil der Grundsubstanz Zinn, danach ausgewählt ist, die Schmelztemperatur des Lotes herabzusetzen. Ein zweiter, nach Gewichtsprozenten kleinerer Bestandteil ist ein Stoff, der sich im Zinn nicht löst, wodurch beim Abkühlen vom flüssigen in den festen Zustand Kristallisationskeime entstehen, die ein feines Gefüge bewirken und eine Vergröberung des Gefüges unter Belastung der Sicherung verhindern. Ein derartiges Schmelzleiter-Lot-System lässt sich darauf abstimmen, ein ähnliches Streuverhalten wie unter Verwendung von Cadmium und geeignete Ansprechzeiten aufzuweisen. Das feine Gefüge fördert offenbar die Auflösung des Trägerwerkstoffes, also des Schmelzleiters, wodurch die selben Abschmelzzeiten und gleichartiges Abschmelzverhalten wie bei Schmelzleitern mit herkömmlichen cadmiumhaltigen Schmelzleiter-Loten erzielt werden. Der Abschmelzvorgang wird dadurch nicht gesonderter Energieumsetzung ausgesetzt, so dass eine zusätzliche Erwärmung unterbleibt.

[0009] Die Ansprüche 2 bis 6 beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen des Lot-Schmelzleiter-Systems.

[0010] Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, einen cadmiumfreien Sicherungseinsatz dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Lot in seiner Beständigkeit gegen Zerfließen gefördert wird. Die Lösung der geschilderten Aufgabe erfolgt nach der Erfindung durch einen Sicherungseinsatz nach Anspruch 7. Hiernach wird das Lot, als Lotwerkstoff im Lotdepot eines Trägers, und bzw. oder der Träger mit einer Oxidhaut versehen. Die Oxidhaut kann thermisch gebildet werden oder chemisch. Es genügt, wenn die Oxidhaut im Grenzbereich zwischen Lot und Träger ausgebildet ist. In der Praxis kann man in Verbindung mit den üblichen geometrischen Konfigurationen im Bereich des Lotes oder in dessen Nähe die Benetzung des Trägers auch in gewünschter Weise durch die Geometrie der oxidierten Bereiche steuern.

[0011] Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung eines Sicherungseinsatzes, wonach Lot und/oder Träger einer thermischen Behandlung in oxidierender Atmosphäre unterzogen werden. Es ist weiter ein Verfahren zur Herstellung eines Sicherungseinsatzes vorgesehen, wonach das Lot und/oder der Träger mit einer zum Lot und bzw. oder Träger affinen Substanz behandelt wird. Insbesondere eignet sich hierfür eine Natrium-Sulfid-Lösung.

[0012] Eine zum Lot und/oder Träger affine Substanz kann zwischen saugfähigen und mit der affinen Substanz getränkten Rollen aufgetragen werden.

[0013] Schließlich erfolgt die Lösung der gestellten Aufgaben erfindungsgemäß durch einen Lotwerkstoff, bestehend aus einer Zinn-Bismuth-Kupfer-Legierung, einer Zinn-Indium-Kupfer-Legierung oder einer Zinn-Bismuth-Eisen-Legierung. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Lotwertstoff herausgestellt, der eine Zinn-Bismuth-Kupfer-Legierung mit 10 % bis 30 % Bismuth und 0,3 % bis 1,0 % Kupfer, zusammen mit Zinn 99,5 %, Rest übliche Verunreinigungen aufweist.

[0014] Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung und anhand von Beispielen näher erläutert werden.

[0015] In FIG 1 sind Abschmelzversuche in einem Diagramm aufgetragen, wobei links zum Vergleich eine herkömmliche Zinn-Cadmium-Lot-Substanz in ihrem Abschaltverhalten über mehrere Versuche nach dem Stand der Technik veranschaulicht ist. In den rechts folgend aufgetragenen Versuchsreihen ist das Abschaltverhalten von Zinn-Bismuth-Kupfer bei verschiedenen Anteilen veranschaulicht.

[0016] In FIG 2 sind in Gegenüberstellung, links für cadmiumfreies Lot ohne Kupfer, rechts für ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit cadmiumhaltigem Lot und Zinn-Bismuth mit Kupfer, jeweils ein Schmelzleiter mit Engstelle vor einem Lotdepot nach Ansprechen des Schmelzleiters und bei unterbrochenem Schmelzleiter wiedergegeben.

[0017] Im Diagramm nach FIG 1 ist auf der Ordinate die Ansprechzeit des Schmelzleiters in Sekunden bis zu seiner Unterbrechung aufgetragen und auf der Abszisse sind Zinnlegierungen mit den angegebenen Bestandteilen und ihren Anteilen aufgetragen. Es sind die Ergebnisse über mehrere Versuche aufgetragen. Als Träger für das Lot diente Kupfer. Zinn-Cadmium dient als Orientierungswert. Bei den cadmiumfreien Legierungen ist Bismuth mit einem Anteil in Gewichtsprozenten von 25 %, 15 % und 5 % jeweils bei einer Belastung mit 32 A Phasenstrom, hier gleichbedeutend mit dem 1,6-fachen Nennstrom, untersucht worden. Die Anteile von Kupfer liegen jeweils bei 0,8 %. Der Anteil von Zinn liegt bei der Differenz auf 99,5 %, wobei der Rest übliche Verunreinigungen ausmacht.

[0018] Der erste weitere Bestandteil der Zinnlegierung liegt in einem kleineren Anteil vor als der Anteil der Grundsubstanz Zinn. Durch diesen Bestandteil wird die Schmelztemperatur des Lotes herabgesetzt. Im vorliegenden Fall wurde Bismuth dafür eingesetzt. Ein zweiter, nach Gewichtsprozenten kleinerer Bestandteil ist ein Stoff, der sich im Zinn nicht löst, wodurch beim Abkühlen vom flüssigen in den festen Zustand Kristallisationskeime entstehen, die ein feines Gefüges bewirken. Hier wurde Kupfer verwendet. Aus dem Diagramm nach FIG 1 ist das Streuverhalten der jeweiligen Legierung zu ersehen und für eine bestimmte Geometrie des Schmelzleiters, mit einer Engstelle vor dem Lot, auch die Zeit bis zum Ansprechen und bis zum Abschalten. Diese Zeiten können für eine vorgesehene Strombelastung und bei Einsatz einer bestimmten Legierung für das Lot durch die Geometrie des Schmelzleiters und ggf. die Art und Bemessung einer Engstelle vor dem Lot stark beeinflusst werden.

[0019] Als gut geeignet haben sich Sicherungseinsätze mit einer Lotsubstanz des Schmelzleiters aus Zinn-Bismuth-Kupfer-Legierung, aus Zinn-Indium-Kupfer-Legierung und aus Zinn-Bismuth-Eisen-Legierung erwiesen.

[0020] Als besonders günstig hat sich eine Zinn-Legierung mit einem Anteil von 3 % bis 40 % Bismuth und mit 0,3 % bis 5,0 %, jeweils Gewichtsprozente, Kupfer erwiesen. Insgesamt bei einem Anteil von Zinn als Differenz auf 99,5 %, Rest übliche Verunreinigungen.

[0021] Als günstig erwiesen hat sich auch eine Zinn-Indium-Kupfer-Legierung mit den Bestandteilen im Verhältnis und nach Gewichtsprozenten: Sn von 70 % bis 96 %, In von 3 % bis 30 %, Cu von 0,3 % bis 5,0 %.

[0022] Unter den Zinn-Bismuth-Kupfer-Legierungen sind solche besonders günstig, deren Anteile, jeweils in Gewichtsprozent, in nachstehendem Bereich liegen:

Sn von 89 % bis 96 %,

Bi von 3 % bis 10 % und

Cu von 0,8 % bis 2,3 %.

[0023] Unter den Zinn-Bismuth-Kupfer-Legierungen zeigen besonders wenig Streuung und ein in der Praxis besonders vorteilhaftes Ansprechverhalten jene mit einem Anteil in Gewichtsprozente von:

Sn von 69 % bis 89 %,

Bi von 10 % bis 30 %,

Cu von 0,3 % bis 1,0 %.

Insgesamt 99,5 %, Rest übliche Verunreinigungen.

[0024] In FIG 2 sind für einen Schmelzleiter gleicher geometrischer Konfiguration eine unterbrochene Engstelle vor dem Lotdepot wiedergegeben, jeweils in Vergrößerung, wobei die größte Breite des Schmelzleiters in Natur 14 mm beträgt. In der linken Abbildung wurde bei einem Kupferschmelzleiter zum Vergleich ein Lot aus Zinn-Bismuth mit etwa 75 % Zinn und 25 % Bismuth verwendet. In der rechten Abbildung der FIG 2 ist für eine Zinn-Bismuth-Kupfer-Legierung bei 25 % Bismuth und 0,8 % Kupfer und einem Anteil von Zinn von 73,7 %, insgesamt 99,5 %, bei 0,5 % üblichen Verunreinigungen, die Situation nach Unterbrechung des Schmelzleiters durch die Loteinwirkung wiedergegeben. Man kann sich vorstellen, dass Lot und angegriffener Schmelzleiter im Schliffbild ein feines Gefüge und saubere Konturen aufweisen. Der Energieumsatz beim Abschmelzen des Schmelzleiters wird somit gering gehalten und die Entstehung von Wärmerissen vermieden.

[0025] Das Verhalten der vorgesehenen Dreistofflegierungen kann durch eine Oxidhaut auf dem Lot im Lotdepot und/oder auf dem Schmelzleiter, zumindest in der Umgebung des Lotdepots, weiter gefördert werden. Durch eine derartige Oxidhaut kann man ein Abfließen des schmelzenden Lots beim Ansprechen des Schmelzleiters im Sicherungseinsatz verhindern. Diese Maßnahme, eine Oxidhaut gezielt einzusetzen, lässt sich allgemein bei Loten einsetzen, die nicht von Haus aus ortsbeständig sind, unabhängig vom üblichen Aufbau des Lotes bzw. der als Lot dienenden Legierung.

[0026] Eine derartige Oxidhaut kann thermisch oder chemisch gebildet sein. Zur thermischen Oxidation kann das Lot und/oder der Träger in oxidierender Atmosphäre behandelt werden. Man kann gezielt mit örtlicher Wärmeeinwirkung, beispielsweise durch eine Klamme, arbeiten.

[0027] Für eine chemische Behandlung eignen sich zum Lot bzw. oder zum Träger affine Substanzen. So kann bei einem Träger auf der Basis von Kupfer der Schmelzleiter mit einer Natrium-Sulfid-Lösung behandelt werden. Dies kann im einfachsten Fall durch Aufpinseln oder durch saugfähige und mit der affinen Substanz getränkte Rollen erfolgen, die über den Schmelzleiter an der gewünschten Stelle hinwegrollen. Um ein Ausfließen des Lotes noch sicherer zu verhindern, genügt es, nur im Bereich des Lotes und der angrenzenden Bereiche des Trägers eine Oxidation vorzunehmen.

[0028] Cadmiumfreie Lotwerkstoffe für Sicherungseinsätze können vorteilhaft eine Zinn-Bismuth-Kupfer-Legierung, eine Zinn-Indium-Kupfer-Legierung oder eine Zinn-Bismuth-Eisen-Legierung sein. Hierbei ist es ohne Berücksichtung einer geometrischen Konfiguration des Schmelzleiters günstig, wenn die Anteile wie folgt vorliegen, jeweils in Gewichtsprozent:

Bismuth 10 % bis 30 %,

Kupfer 0,3 % bis 1,0 %,

zusammen mit Zinn 99,5 %, Rest Verunreinigungen.

Ansprüche

1. Sicherungseinsatz, insbesondere für Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungen, NH-Sicherungen, der zumindest einen Schmelzleiter mit einer Lotsubstanz in einem Lotdepot eines Trägers aufweist, wobei das Lot auf der Basis von Zinn und der Träger auf der Basis von Kupfer gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot als wirksame Substanz eine Zinn-Legierung mit zwei weiteren Bestandteilen enthält, wobei ein erster, nach Gewichtsprozenten größerer Bestandteil, der aber nach Gewichtsprozenten kleiner ist als der Anteil der Grundsubstanz Zinn, danach ausgewählt ist, die Schmelztemperatur des Lotes herabzusetzen und ein zweiter nach Gewichtsprozenten kleinerer Bestandteil ein Stoff ist, der sich im Zinn nicht löst, wodurch beim Abkühlen vom flüssigen in den festen Zustand Kristallisationskeime entstehen, die ein feines Gefüge bewirken.

2. Sicherungseinsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotsubstanz des Schmelzleiters eine Zinn(Sn)-Bismuth(Bi)-Kupfer(Cu)-Legierung, eine Zinn-Indium(In)-Kupfer-Legierung oder eine Zinn-Bismuth-Eisen-Legierung ist.

3. Sicherungseinsatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zinn(Sn)-Bismuth(Bi)-Kupfer(Cu)-Legierung ist, die Bestandteile im Verhältnis nach Gewichtsprozenten enthält: Sn von 60 % bis 96 %, Bi von 3 % bis 40 %, Cu von 0,3 % bis 5,0 %, insgesamt 99,5 %, Rest übliche Verunreinigungen.

4. Sicherungseinsatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zinn(Sn)-Indium(In)-Kupfer(Cu)-Legierung ist, die Bestandteile im Verhältnis nach Gewichtsprozenten enthält: Sn von 70 % bis 96 %, In von 3 % bis 30 %, Cu von 0,3 % bis 5,0 %, insgesamt 99,5 %, Rest übliche Verunreinigungen.

5. Sicherungseinsatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotsubstanz eine Zinn-Bismuth-Kupfer-Legierung ist, mit den Bestandteilen im Verhältnis nach Gewichtsprozenten: Sn von 89 % bis 96 %, Bi von 3 % bis 10 %, Cu von 0,8% bis 2,3 %, insgesamt 99,5 %, Rest übliche Verunreinigungen.

6. Sicherungseinsatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotsubstanz eine Zinn-Bismuth-Kupfer-Legierung ist, mit den Bestandteilen im Verhältnis nach Gewichtsprozenten: Sn von 69 % bis 89 %, Bi von 10 % bis 30 %, Cu von 0,3 % bis 10 %, insgesamt 99,5 %, Rest übliche Verunreinigungen.

7. Sicherungseinsatz, insbesondere für Niederspannungs-Hochleistungs-Sicherungen, NH-Sicherungen, alternativ auch nach Anspruch 1, der zumindest einen Schmelzleiter mit einem Lotwerkstoff in einem Lotdepot eines Trägers aufweist, wobei das Lot auf der Basis von Zinn und der Träger auf der Basis von Kupfer gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot, als Lotwerkstoff in einem Lotdepot eines Trägers, und bzw. oder der Träger mit einer Oxidhaut versehen ist.

8. Sicherungseinsatz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidhaut thermisch gebildet ist.

9. Sicherungseinsatz nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidhaut chemisch gebildet ist.

10. Verfahren zur Herstellung eines Sicherungseinsatzes nach Anspruch 9, wobei der Schmelzleiter mit einem Lotwerkstoff in einem Lotdepot eines Trägers versehen ist und das Lot und/oder der Träger einer thermischen Behandlung in oxidierender Atmosphäre unterzogen wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines Sicherungseinsatzes nach Anspruch 9, wobei der Schmelzleiter mit einem Lotwerkstoff in einem Lotdepot eines Trägers versehen ist und das Lot und/oder der Träger mit einer zum Lot und bzw. oder Träger affinen Substanz behandelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Sicherungseinsatz mit einem Lot auf der Basis von Zinn und einem Träger auf der Basis von Kupfer der Schmelzleiter mit einer Natrium-Sulfid-Lösung behandelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum Lot und/oder Träger affine Substanz zwischen saugfähigen und mit der affinen Substanz getränkten Rollen erfolgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation nur im Bereich des Lotes und der angrenzenden Bereiche des Trägers ausgebildet wird.

15. Lotwerkstoff für Sicherungseinsätze, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bestehend aus einer Zinn-Bismuth-Kupfer-Legierung, einer Zinn-Indium-Kupfer-Legierung oder einer Zinn-Bismuth-Eisen-Legierung.

16. Lotwerkstoff nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zinn(Sn)-Bismuth(Bi)-Kupfer(Cu)-Legierung die Anteile nach Gewichtsprozenten aufweist: Bi 10 % bis 30 %, Cu 0,3 % bis 1,0 %, insgesamt mit Zinn 99,5 %, Rest übliche Verunreinigungen.

Zeichnung