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热双金属国内外应用及改进的新趋势和发展方向

发布时间:2014-04-01 14:31 作者:admin

 中国已经成为世界上低压断路器最大的生产国。然而影响到断路器过载特性的问题一直困扰着设计和生产者,导致国产断路器虽然数量庞大,但由于热脱扣保护特性不稳定等问题时常发生,大量重要应用场合还是选用国外品牌断路器产品。本文结合国际上的双金属发展和热双金属元件的设计优化改进趋势,重点分析产生上述问题的原因和解决问题的方向。

 

     一、热双金属材料的发展

自从1741年英国人 John Harrison 为解决钟表因温度变化引起的走时误差而制造了一种双金属元件至今已经有270多年的历史。自1897年 Guillaume 发现FeNi36 的超低膨胀系数材料并命名该材料为Invar钢后才逐渐得到真正意义上的广泛应用。1920~1930年,Siemens,Stoze,Moeller,Ge 等为保护电机等用电设备使用双金属元件开发了类似于当今的具有过载保护特性的自动断路器(Automatic circuit breaker) 。由于电力行业的发展需要,也促使双金属材料从技术,工艺,产品性能及产品规格等方面的不断改进与完善。

现代双金属材料从浇注覆合到热覆合发展到当今的室温连续固相覆合的工艺技术,其产品性能已经非常成熟稳定。产品规格达80余种。其性能基本上可满足目前低压断路器的设计生产需要。

近年来,中国已经成为世界上使用双金属材料最大的国家,年需求量在4000吨以上。这些材料主要用于低压电器行业的断路器,热继电器以及家电行业的温控和过载保护产品。由于热双金属材料本身具有的高可靠性,低成本,产品规格齐全等优势,目前还没有可以取代此类材料的其它选择。

在技术方面,双金属各种应用设计的理论也已经成熟并经过多年的实践验证。包括中国在内,在国际上各国材料产品的标准及试验方法也达到了基本一致的水平。

国际上著名的高质量双金属材料公司有:德国:G.Rau ; Auerhammer; 美国:EMS;法国:Imphy等。这些公司的产品在该领域内无论是在品种,特性,精度等关键物理参数方面均属于业界领先水平。其中Auerhammer 还开发了大量新材料,以适应现代低压电器等行业对材料性能及成本的发展需要,其产品规格已经超过80种。该公司产品在性能价格比方面具有相当的竞争优势。

由于热双金属固相覆合工艺的普遍采用,双金属材料的关键性能指标:温曲率(比弯曲)一致性,电阻率一致性,厚度等精度,生产效率和材料利用率有了非常大的提高,对于目前断路器的设计使用基本上都能满足要求。

在国内,由于生产装备的改善,从生产条件来讲已经有部分厂家接近国际先进水平。但由于管理、坯料冶炼、轧制等前道工序水平的条件限制,产品水平还有待提高。国产材料与世界领先水平的差距在于:批次或批次之间的温曲率一致性,电阻率一致性,厚度公差的波动。但国产某些牌号的材料性能及质量,尤其是性价比方面明显优于进口产品。中国主要热双金属材料生产厂包括:佛山精密,宝钢,延长材料等。国产热双金属材料产量也达到3500吨左右。

    二、双金属元件应用的改进和提高

目前国内大多数断路器生产厂还停留在怎样使用双金属能满足断路器热脱扣标准的困扰中,但理论基础较完善和使用经验丰富历史悠久的国际著名电器制造厂已经开始或已经使用了优化过的双金属元件设计方案精确优化热双金属元件的设计,以保证断路器热脱扣特性,降低元件使用成本,同时提高自动化生产线高效率运行所必需的快速热脱扣调整合格率。

    近年来随着世界范围内有色金属以及人工成本的大幅度提高,在断路器满足相关标准规定热脱扣特性条件下降低双金属元件成本也是业界追求的目标之一。根据材料力学的受力分析,双金属元件最佳设计应该是梯形结构如图1中的figure1。这种设计可以提高热双金属的使用效率,降低材料成本。这种结构在热双金属零件尺寸和耗重较大的塑壳断路器中使用已经较为普遍,但从理论上讲,这种双金属元件的通电距要求控制精度更高。这是双金属元件应用改进方向之一。

    传统的双金属元件应用方式是元件的长度方向与材料的压延方向一致。实验和检测表明,双金属材料纵向取样和横向取样所测得的比弯曲数据会有差异,纵向比弯曲会比横向略高3%左右。电阻率在两个方向上也有差异。上述差异,包括弹性模量的差异在内至今还没有详细研究的信息和数据资料。从材料学的角度分析这些差异是肯定存在的,其原因是材料生产工艺决定的加工过程产生物理,力学等性能的各向异性。

    热双金属元件改进的另一个方向是基于提高双金属元件的生产效率,及适应自动化大规模生产。目前已经有部分国际著名电器公司采用元件制造新工艺:新制造方式是元件的长度方向与轧制方向垂直。这种方式对于双金属元件的生产效率上有相当大的提高。在相当范围内,这种生产方式也可以提高材料利用率。此应用方式基于双金属带材的边部与中间部位厚度公差要减小到足够好的程度,才对双金属元件的性能一致性不会产生较大影响。解决此问题的关键是材料生产厂覆合宽度的提高,覆合厚度比一致性的控制,以及轧制精度的控制等。

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