Brevet FR2589628A1 — publié le 19870507

Nouveaux matériaux pour la realisation de coupe-circuits rapides. La presente invention a ete faite par le Laboratoire de Thermodynamique et de Physicochimie Métallurgique de 1'Institut National Polytechnique de Grenoble, laboratoire associé au Centre National de la Recherche Scientifique nO 29. La présente invention a pour but de fournir de nouveaux ma tériaux utilisables comme coupe-circuit présentant l'avantage de diminuer le temps de reponse correspondant a la rupture d'un matériau au passage d'un courant lors d'une surintensité. Les matériaux utilisés traditionnellement dans la réalisation de coupe-circuits comportent essentiellement deux périodes de fonctionnement : (a) une période dite de préarc, ou l'énergie est transformée dans l'élément fusible et produit successivement l'augmentation de la température jusqu'au point de fusion; ltechauffement du liquide, puis le passage a l'état de vapeur; (b) une période dite d'arc qui suit le régime initial. On peut mesurer la rapidité totale d'intervention du fusible dans des conditions déterminées par un terme I2.t caractérisant le fonctionnement total du fusible suivant la relation I2t de fonctionnement total = I2t préarc + I2t arc (Ce fonctionnement est représenté sur la figure I en annexe). Les inventeurs ont découvert, ce qui fait l'objet de la présente invention qu'en utilisant, pour réaliser un élément fusible, un alliage amorphe par hypertrempe, il etait possible de diminuer de façon considérable le temps de réponse d'un fusible. En effet, si l'énergie de préarc existe comme pour les matériaux utilisés dans l'art antérieur, elle sert seulement a atteindre une température de recristallisation treks inférieure a la température de fusion de l'alliage. Le phénomène de recristallisation ainsi obtenu, entraîne une fragilisation du matériau et sa rupture immédiate. I1 en résulte que les temps de coupure par rapport a un matériau conventionnel, sont diminués du fait de la réduction de la période de préarc (on supprime la fusion et la vaporisation du métal) et d'autre part par la suppression de la période d'arc. Une amélioration supplémentaire peut être obtenue en mettant l'élément fusible sous contrainte mécanique ou en soumettant cet élément a des traitements thermiques ou métallurgiques adaptés. L'invention a donc pour objet de nouveaux alliages particulierement appropriés pour la réalisation du coupe-circuit. Un autre objet de l'invention est constitué par le coupe-circuit réalisé a partir de tels matériaux. D'autres objets de l'invention apparaîtront a la lecture de la description et des exemples de réalisation pratiques qui suivent. Le produit conforme a l'invention est essentiellement constitué par un alliage amorphe d'au moins deux métaux A-B-(X) ou n désigne 0 ou 1, cet alliage présentant une température de cristallisation (Tx) d'au moins 200-3000C et une bonne résistivité électrique comprise de préférence entre quelques dizaines et plusieurs centaines de /uSL cm. Cet alliage est rendu amorphe par hypertrempe suivant le procédé dit de "melt spinning" consistant a projeter l'alliage sous forme d'un jet liquide sur une zone éventuellement choisie tournant a grande vitesse ( o9 30 m/s) comme décrit dans "Les Amorphes métalliques1, Aussuis 1983, Les Editions de Physique. Parmi les alliages répondant aux critères susdéfinis, on peut citer plus particulierement les alliages Ni-Zr, Pd-Cu-Si, Ag-Cu ou les alliages dérivés du type Ag-Cu-X où X désigne Mg, AI, Sn, Sb, Si, Ge. Les proportions en élément A, B, et X sont comprises entre 10 et 90 atome Z. La valeur de la température de cristallisation Tx peut être déterminée suivant des méthodes classiques, telles que par colométrie différentielle à balayage décrit dans "Les Amorphes métalliques" mentionné ci-dessus. Dans son application pour la réalisation du coupe-circuit rapide, l'alliage conforme a l'invention est transformé sous forme de fils ou de rubans comme les coupe-circuit traditionnels. Une forme de réalisation préférée est sa mise sous contrainte. Ce résultat peut être obtenu suivant les alliages par un traitement mécanique (laminage) ou par un traitement thermique c' est-à-dire un recuit a une température inférieure à la température de cristallisation. La demanderesse a en effet constaté qu'il est possible d'obtenir un gain total en temps de coupure entre un élément amorphe recuit donc cristallisé et un élément amorphe contraint d'environ 80%. Du fait de son application dans des fusibles, l'examen des caractéristiques obtenues avec les alliages amorphes conformes à l'invention par rapport à celles d'un fusible rapide, est réalisé pour des intensités correspondant à l'intensité de coupure Ic et à des multiples de cette valeur. Les exemples suivants sont destinés à illustrer l'invention sans pour autant présenter un caractere limitatif. Des alliages utilisables conformément à l'invention sont résumés dans le tableau qui suit ALLIAGE Î300 K T cristallisation A - B - X # cm K Ni65 Zr35 175 850 Pd71 CU14 Si15 75 670 Ag20 Cu60 Mg20 30 430 Ag30 Cu45 Ag25 30 430 Ag35 Cu35 Mg30 30 430 Ag12,5 Cu37,5 Mg50 50 430 Ag17,5 CU17,5 Mg65 60 430 Ag10 Cu10 Mg80 50 430 Ag35 Cu35 Sn30 59 330 Ag42,5 CU42,5 Sb15 142 380 Ag50 Cu30 sb20 142 380 Ag38,75 Cu38,75 Si22,5 156 440 Ag50 Cu30 Si20 156 440 Ag37,5 Cu37,5 Ge25 150 440 EXEMPLE 1 On a préparé un alliage ayant la composition suivante Ni65Zr35. Cet alliage est rendu amorphe par hypertrempe selon le procédé dit "melt-spinning".... Utilisé comme coupe-circuit, on a une valeur pour I2t de 1,60 A2 s. C'est-à-dire un temps de coupure pour une intensité I donnée d'environ 60Z inférieure par rapport au temps de coupure du même alliage recuit, c'est-à-dire cristallisé avant son utilisation. En mettant cet alliage sous contrainte,. on constate un gain de temps de coupure d'environ 80% par rapport à l'alliage amorphe recuit donc recristallisé toujours pour la même intensité I. EXEMPLE 2 On prépare, comme dans l'exemple 1, l'alliage ayant la composition suivante : Pd71Cul4Sil5. Cet alliage est soumis au traitement d'hypertrempe selon la méthode dite "melt-spinning" pour le rendre amorphe. On constate, comme précédemment, une nette diminution du temps de coupure qui est encore amélioré lorsque l'alliage est contraint. Les alliages des exemples 1 et 2 ont été comparés à 11 alliage amorphe recuit, c'est-à-dire recristallisé avant son utilisation. Ces résultats sont les suivants Tableau 1 Nature amorphe recuit amorphe recristallisé amorphe contraint Alliages (I2t) As (12t) A s (I2t) A2s Pd Si Cu 33,26 19,27 11,23 I 6A Ni Zr 2,95 1,60 0,63 I 2A Le tableau 2 présente Tableau 2 Fusible 5 NiZr Pd-Si-Cu Ic 21c 31c 41c 71c Ic 21c 101c Ic 21c 101c (max) I(A) 14 29 42 52 103 1,7 3,7 18 6 12 60 T(ms) 711 56 46,2 16 4,80 526 192 5 540 95 5,2 It(As) 139,35 47,09 81,49 43,26 50,90 1,52 2,62 1,62 19,44 13,6 18,7; Le tableau 2 présente de façon plus précise les caractéristiques obtenues sur les deux alliages amorphes comparativement à celles obtenues, pour 11 intensité de coupure et des multiples de cette intensité, sur un fusible commercial 5A. EXEMPLE 3 On a préparé un alliage à base de cuivre et d'argent suivant Mg60 CU30 Ag10. Sa résistivité est de 50 #cm et sa température de recristallisation de 4300K. Apres hypertrempe pour le rendre amorphe, on procède aux mêmes essais que ceux indiqués pour l'exemple 2 pour aboutir au résultat suivant Tableau 3 Amorphe recristallise Amorphe contraint après recuit 1.t (A2 I.t(A.s) 35,52 12,94 Tableau 4 Ic 2 Ic 31c 4 Ic 5 Ic I(A) 6,6 13,3 19,09 24,8 31,2 T (ms) 426 106 93 24 Ict (As) 18,55 18,75 33,89 14,8 15,6 REVENDICATIONS l. Alliage approprié pour la réalisation de coupe-circuits rapides, caractérisé par le fait qu'il est constitué d'éléments A-B-(X)n dans lequel n peut avoir les valeurs 0, 1, cet alliage étant rendu amorphe et présentant une température de cristallisation Tx égale au moins à environ 200 à 300 C et une résistivité électrique comprise entre environ quelques dizaines et quelques centaines de U ZI cm. 2. Alliage selon la revendication l, caractérisé par le fait qu'il se présente sous forme contrainte. 3. Alliage selon l'une quelconque des revendications l ou 2, caractérisé par le fait qu'il est choisi parmi les alliages suivants : Ni-Zr, Pd Cu Si, Ag Cu-X où X désigne Mg, Al, Sn, Sb, Si, Ge. 4. Coupe-circuit caractérisé par le fait qu'il a été réalisé dans un matériau tel que defini dans l'une quelconque des revendications 1 à 3.