CN105308204B - 电阻合金、由其制造的元件及其制造方法 - Google Patents

电阻合金、由其制造的元件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于电阻、特别是用于低欧姆的电流检测电阻的电阻合金（3），其具有铜成分、锰成分和镍成分。本发明提出，锰成分的质量分数为23%至28%，而镍成分的质量分数为9%至13%。在此，合金成分的质量分数这样彼此协调，即电阻合金（3）具有相对铜的低的在20℃下小于+1μV/K且大于‑1μV/K的温差电动势率。此外，本发明包括一种由所述电阻合金构成的元件和一种用于所述电阻合金的制造方法。

Description

电阻合金、由其制造的元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于电阻、特别是用于低欧姆的电流检测电阻的电阻合金。此外，本发明包括一种由所述电阻合金制造的元件和一种相应的制造方法。
背景技术
铜锰镍合金很久以来已经用作用于精密电阻、特别是用于低欧姆的电流检测电阻（“shunts，分流器”）的材料。这种铜锰镍合金的一个实例是由申请人在商标名称Manganin®下销售的电阻合金（例如Cu84Ni4Mn12），所述电阻合金具有82-84%质量分数的铜、2-4%的质量分数的镍和12-15%的质量分数的锰。公知的铜锰镍合金满足了所有对用于精密电阻的电阻合金的要求、例如电阻率的低的温度系数、相对铜的小的温差电动势率和电阻的高的时间常数。此外，公知的铜锰镍合金具有好的技术特性、特别是好的可加工性，所述可加工性实现了将所述铜锰镍合金加工成丝、带、箔和电阻构件。然而公知的铜锰镍合金的缺点是，被限制到相对小的最高0.5(Ω·mm2)/m的电阻率。
对于较高的电阻率公知的是例如镍铬合金，然而所述镍铬合金同样具有各种缺点。一方面，镍铬合金大多比铜锰镍合金贵得多。另一方面，镍铬合金在制造技术上的各个方面难于控制。例如镍铬合金的热变形性是相对差的并且为了调整确定的物理电学的材料特性而需要花费高的热处理过程。此外，在镍铬合金中的熔化过程中的加工温度比在铜锰镍合金中的高500k，这导致更高的能量成本和加工装置的材料损耗。此外，镍铬合金的在其他方面期望的好的耐酸性在蚀刻技术上制造电阻结构时产生很大问题，并且使得通过酸洗对取决于热处理的氧化物的去除成为花费高的并且不危险的制造步骤。
此外，公知了铜锰镍铝锡合金29-5-1，所述铜锰镍铝锡合金具有1(Ω·mm2)/m的电阻率并且在此满足了对电阻率的低的温度系数的要求。然而所述电阻合金具有相对铜的高的在20℃下小于+3μV/K的温差电动势率，由所述温差电动势率导致了高的故障电流，所述故障电流使所述合金不适用于精确测量技术的应用。
此外指出，DE 1 092 218 B、US 3 985 589、JP 62202038 A和EP 1 264 906 A1作为现有技术。
最后，DE 1 033 423 B公开了一种所述类型的电阻合金。然而所述公知的电阻合金缺点在于数值上相对于铜大的-2μV/K的温差电动势率。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提出一种基于铜锰镍的相应改善的电阻合金，所述电阻合金具有尽可能高的电阻率、相对铜的低的温差电动势率、低的电阻温度系数和高的电阻率时间常数，并且所述特性与公知的铜锰镍合金的开头所述的好的工艺特性（例如可加工性）组合。
该目的通过根据本发明的根据独立权利要求的电阻合金来实现。
根据本发明的电阻合金首先与开头所述的公知的铜锰镍合金一致地具有铜成分、锰成分和镍成分。本发明的特征在于，锰成分的质量分数为23%至28%，而镍成分的质量分数为9%至13%。在实验中表明，所述基于铜锰镍的电阻合金满足前述的要求。
在此，不同合金成分的质量分数这样彼此协调，即根据本发明的电阻合金具有相对铜的低的温差电动势率，所述温差电动势率在20℃下小于±1μV/K、±0.5μV/K或者甚至小于±0.3μV/K。
锰成分的质量分数可以例如处于24%-27%、25%-26%、23%-25%、23%-26%、23%-27%、24%-28%、25%-28%、26%-28%或27%-28%的范围内。特别有利地，锰成分的质量分数是24.5%-25.5%。
与此相对地，镍成分的质量分数可以例如处于9%-12%、9%-11%、9%-10%、10%-13%、11%-13%、12%-13%、10%-12%或11%-12%的范围内。
此外表明，具有最高3%的质量分数的附加的锡成分有助于改善电阻合金的电阻率的温度常数。因此，根据本发明的电阻合金优选地也具有带最高3%的质量分数的锡成分。
此外在实验中表明，具有最高1%的质量分数的附加的硅成分同样有助于改善电阻合金的电阻率的温度常数。因此，根据本发明的电阻合金可以除了锡成分以外或者替代锡成分具有带最高1%的质量分数的硅成分。
此外在实验中表明，具有最高0.3%的质量分数的附加的镁成分有助于避免由硬化效应引起的脆化。因此，根据本发明的电阻合金可以除了锡成分和/或硅成分以外或者替代所述成分也具有带最高0.3%的质量分数的附加的镁成分。
根据本发明的电阻合金的一个优选的实施例是具有65%质量分数的铜、10%的质量分数的镍和25%的质量分数的锰的Cu65Ni10Mn25。
根据本发明的电阻合金的一个另外的优选的实施例是具有64%质量分数的铜、10%质量分数的镍、25%质量分数的锰和1%质量分数的锡的Cu64Ni10Mn25Sn1。然而锡的质量分数也可以更小，这通过相应增高的铜的质量分数来平衡。
根据本发明的电阻合金的一个另外的优选的实施例是具有62%质量分数的铜、11%的质量分数的镍、27%的质量分数的锰的Cu62Ni11Mn27。
根据本发明的电阻合金的一个另外的优选的实施例是具有61%质量分数的铜的铜、27%的质量分数的锰、11%的质量分数的镍和1%的锡的质量分数的Cu61Ni11Mn27Sn1。在此，锡的质量分数也可以是较小的，这则通过相应增高的铜的质量分数来平衡。
在根据本发明的电阻合金中，电阻率优选地处于0.5 (Ω·mm2)/m至2 (Ω·mm2)/m的范围内。
此外优选地，根据本发明的电阻合金的电阻率具有高的时间常数，所述时间常数特别是在3000小时的时间间隔内并且在至少+140℃温度内具有小于±0.5%或±0.25%的相对改变，其中，至少+140℃的较高的温度加速了时效过程。
此外提出，根据本发明的电阻合金优选地具有相对铜的低的温差电动势率，所述温差电动势率在20℃下优选地小于±1μV/K、±0.5μV/K或者甚至小于±0.3μV/K。
此外，电阻率相对温度恒定地特别是在+20℃至+60℃的温度范围内具有小于±50·10-6K-1、±35·10-6K-1、±30·10-6K-1或±20·10-6K-1的低的温度系数。
此外，对于根据本发明的电阻合金的电特性提出，电阻合金具有电阻温度曲线，所述电阻温度曲线描述相对电阻改变与温度的关系，其中，电阻温度曲线具有第二过零，所述第二过零优选地在大于+20℃、+30℃或+40℃的温度下和/或在小于+110℃、+100℃或+90℃的温度下实现。
对于根据本发明的电阻合金的机械特性提出至少500 Mpa、550 Mpa或580 Mpa的机械抗拉强度。
此外，根据本发明的电阻合金优选地具有至少150Mpa、200 Mpa或260 Mpa的屈服强度，而断裂伸长率优选地大于30%、35%、40%或者甚至45%。
对于根据本发明的电阻合金的工艺特性提出，电阻合金优选地能够软焊和/或能够硬焊。
此外，根据本发明的电阻合金优选地能够非常容易地变形，这在拉丝时以至少φ=-4.6的对数变形度来表明。
根据本发明的电阻合金能够以不同的供货形式、例如作为丝（例如圆丝或扁丝）、作为带、作为薄片、作为棒、作为管或者作为箔来制造。然而本发明不局限于前述的供货形式。
此外，本发明也包括一种具有由根据本发明的电阻合金构成的电阻元件的电子或电气元件。所述电子或电气元件例如可以是电阻、特别是如同自身例如由EP 0 605 800 A1所公知的低欧姆的电流检测电阻。
最后，本发明也包括一种相应的制造方法，例如所述制造方法已经由前述的根据本发明的电阻合金的说明得出。
在根据本发明的制造方法的范围内，电阻合金经受人工的热的时效过程，其中，所述电阻合金从初始温度加热到时效温度。所述过程可以在所述时效过程的范围内多次地重复，其中，电阻合金多次周期性地加热到时效温度并且又被冷却到初始温度。时效温度可以处于+80℃至+300℃的范围内，而初始温度优选地小于+30℃或20℃。
附图说明
本发明的其他有利的进一步方案在从属权利要求中示出或者下面结合本发明的优选的实施例的说明根据附图详细地说明。附图中：
图1示出用于铜锰镍合金的相位图，其中，根据本发明的范围在该相位图中被描绘，
图2示出根据本发明的电流检测电阻的示例性的构型，所述电流检测电阻具有由根据本发明的电阻合金构成的电阻元件，
图3示出用于表示在根据本发明的电阻合金的不同实施例中的电阻率的温度相关性的图表，以及
图4示出用于表示根据本发明的电阻合金的持久稳定性的图表。
具体实施方式
图1示出铜锰镍合金的相位图，其中，在左上部的轴上给出铜的质量分数，而在右上部的轴上描述镍的质量分数。与此相对地，锰的质量分数处于下部的轴上。
一方面，该相位图以画上阴影线的形式示出区域1，在所述区域中，电阻合金趋向于硬化。
另一方面，该相位图示出曲线2，所述曲线以α=0示出，其中，电阻合金的温度系数在所述曲线上等于零，也就是说，电阻合金在所述曲线上具有与温度无关的电阻率。
最后，该相位图还示出一个下述的区域3，所述区域表示根据本发明的电阻合金，其中，锰的质量分数在区域3中处于23%和28%之间，而镍的质量分数在区域3中处于9%和13%之间。
图2示出根据本发明的电流检测电阻4的简化的透视图，例如所述电流检测电阻自身由EP 0 605 800 A1公知，从而为了避免重复而参考该专利申请文件，其相关说明的内容被完全采纳。
电流检测电阻4基本上包括两个板状的由铜构成的连接部件5，6和在所述连接部件之间布置的由根据本发明的电阻合金构成的电阻元件7，其中，所述电阻合金可以是Cu65Ni10Mn25。
图3示出根据温度的相对电阻改变量DR/R20的与温度相关的变化曲线。由此也显而易见的是，不同的示例性的电阻合金分别具有一个第二过零8，9或10，其中，过零8大约在温度TNULL1=43℃下实现，而过零9大约在温度TNULL2=75℃下实现。与此相对地，过零10大约在温度TNULL3=82℃下实现。
最后，图4示出根据本发明的电阻合金的持久稳定性。由此显而易见的是，相对电阻改变量dR在3000小时的时间间隔内基本上小于0.25%。
本发明不局限于前述的优选的实施例。确切地说，多个变体或变型是可能的，所述变体或变型同样使用本发明的构思并且因此落入所述保护范围内。此外，本发明要求不根据所引用的权利要求、即例如也在没有独立权利要求的所述特征的情况下也保护从属权利要求的内容和特征。
附图标记列表
1 硬化区域
2 具有α=0（温度常数）的曲线
3 根据本发明的合金区域
4 电流检测电阻
5 连接部件
6 连接部件
7 电阻元件
8 第二过零
9 第二过零
10 第二过零

Claims (41)

1.一种用于低欧姆的电流检测电阻（4）的电阻合金（3），其具有
a）铜成分、
b）锰成分和
c）镍成分，
d）所述成分具有下述质量分数：
d1）铜成分：65%，镍成分：10%及锰成分：25%，或者
d2）镍成分：10%，锰成分：25%，锡成分：1%，铜成分：剩余部分，或者
d3）铜成分：62%，镍成分：11%，锰成分：27%，或者
d4）镍成分：11%，锰成分：27%，锡成分：大于0%到最高1%，铜成分：剩余部分，
e）使得所述电阻合金（3）具有相对铜的在20℃下小于+1μV/K且大于-1μV/K的低的温差电动势率。
2.根据权利要求1所述的电阻合金（3），其特征在于，
a）大于0.5 (Ω·mm2)/m的电阻率，和/或
b）具有高的时间常数的电阻率，所述时间常数具有小于±0.5%的相对改变，和/或
c）相对铜的在20℃下小于+0.5μV/K且大于-0.5μV/K的低的温差电动势率，和/或
d）具有小于+50·10-6K-1且大于-50·10-6K-1的低温度系数的电阻率，和/或
e）一电阻温度曲线，所述电阻温度曲线描述相对电阻改变与温度的关系，其中，所述电阻温度曲线具有一第二过零（8，9，10），所述第二过零在大于+20℃的温度下实现。
3.根据权利要求1或2所述的电阻合金（3），其特征在于，
a）至少500 MP a的机械抗拉强度，和/或
b）至少150MP a的屈服强度，和/或
c）至少30%的断裂伸长率。
4.根据权利要求1或2所述的电阻合金（3），其特征在于，
a）所述电阻合金（3）能够软焊和/或能够硬焊，
b）所述电阻合金（3）能够容易地变形，以使得所述电阻合金在拉丝时达到至少φ=-4.6的对数变形度。
5.根据权利要求1或2所述的电阻合金（3），其特征在于一种下述的供货形式：
a）作为丝，
b）作为薄片，
c）作为棒，
d）作为管，或者
e）作为薄膜。
6.根据权利要求2所述的电阻合金（3），其特征在于，所述电阻率小于2.0 (Ω·mm2)/m。
7.根据权利要求2所述的电阻合金（3），其特征在于，所述第二过零（8，9，10）在小于+110℃的温度下实现。
8.根据权利要求2所述的电阻合金（3），其特征在于，所述电阻率大于0.6 (Ω·mm2)/m。
9.根据权利要求2所述的电阻合金（3），其特征在于，所述电阻率大于0.7 (Ω·mm2)/m。
10.根据权利要求2所述的电阻合金（3），其特征在于，所述电阻率大于0.8 (Ω·mm2)/m。
11.根据权利要求2所述的电阻合金（3），其特征在于，所述时间常数具有小于±0.25%的相对改变。
12.根据权利要求2所述的电阻合金（3），其特征在于，所述温差电动势率在20℃下小于+0.3μV/K且大于-0.3μV/K。
13.根据权利要求2所述的电阻合金（3），其特征在于，所述电阻率具有小于+35·10-6K-1且大于-35·10-6K-1的低温度系数。
14.根据权利要求2所述的电阻合金（3），其特征在于，所述电阻率具有小于+30·10-6K-1且大于-30·10-6K-1的低温度系数。
15.根据权利要求2所述的电阻合金（3），其特征在于，所述电阻率具有小于+20·10-6K-1且大于-20·10-6K-1的低温度系数。
16.根据权利要求2所述的电阻合金（3），其特征在于，所述第二过零在大于+30℃的温度下实现。
17.根据权利要求2所述的电阻合金（3），其特征在于，所述第二过零在大于+40℃的温度下实现。
18.根据权利要求3所述的电阻合金（3），其特征在于，所述机械抗拉强度为至少550 MPa。
19.根据权利要求3所述的电阻合金（3），其特征在于，所述机械抗拉强度为至少580 MPa。
20.根据权利要求3所述的电阻合金（3），其特征在于，所述屈服强度为至少200 P pa。
21.根据权利要求3所述的电阻合金（3），其特征在于，所述屈服强度为至少260 MP a。
22.根据权利要求3所述的电阻合金（3），其特征在于，所述断裂伸长率为至少35%。
23.根据权利要求3所述的电阻合金（3），其特征在于，所述断裂伸长率为至少40%。
24.根据权利要求3所述的电阻合金（3），其特征在于，所述断裂伸长率为至少45%。
25.根据权利要求6所述的电阻合金（3），其特征在于，所述电阻率小于1.5 (Ω·mm2)/m。
26.根据权利要求6所述的电阻合金（3），其特征在于，所述电阻率小于1.2 (Ω·mm2)/m。
27.根据权利要求6所述的电阻合金（3），其特征在于，所述电阻率小于1 (Ω·mm2)/m。
28.根据权利要求7所述的电阻合金（3），其特征在于，所述第二过零（8，9，10）在小于+100℃的温度下实现。
29.根据权利要求7所述的电阻合金（3），其特征在于，所述第二过零（8，9，10）在小于+90℃的温度下实现。
30.一种低欧姆的电流检测电阻（4），其具有由根据前述权利要求中任一项所述的电阻合金（3）构成的电阻元件。
31.一种用于制造用于低欧姆的电流检测电阻（4）的电阻合金（3）的制造方法，其具有下述的步骤：
将a）铜成分、
b）锰成分、和
c）镍成分制成电阻合金（3），
d）具有所述成分的下述质量分数：
d1）铜成分：65%，镍成分：10%及锰成分：25%，或者
d2）镍成分：10%，锰成分：25%，锡成分：1%，铜成分：剩余部分，或者
d3）铜成分：62%，镍成分：11%，锰成分：27%，或者
d4）镍成分：11%，锰成分：27%，锡成分：大于0%到最高1%，铜成分：剩余部分，
e）使得所述电阻合金（3）具有相对铜的在20℃下小于+1μV/K且大于-1μV/K的低的温差电动势率。
32.根据权利要求31所述的制造方法，其特征在于，所述电阻合金（3）经受人工热时效过程，其中，将所述电阻合金（3）从一初始温度加热到一时效温度。
33.根据权利要求32所述的制造方法，其特征在于，将所述电阻合金（3）在所述时效过程的范围内多次周期性地加热到所述时效温度并且又被冷却到所述初始温度。
34.根据权利要求32或33所述的制造方法，其特征在于，所述时效温度大于+80℃。
35.根据权利要求32或33所述的制造方法，其特征在于，所述初始温度小于+30℃。
36.根据权利要求32或33所述的制造方法，其特征在于，所述时效温度小于+300℃。
37.根据权利要求32或33所述的制造方法，其特征在于，所述时效温度大于+100℃。
38.根据权利要求32或33所述的制造方法，其特征在于，所述时效温度大于+120℃。
39.根据权利要求32或33所述的制造方法，其特征在于，所述初始温度小于+20℃。
40.根据权利要求32或33所述的制造方法，其特征在于，所述时效温度小于+200℃。
41.根据权利要求32或33所述的制造方法，其特征在于，所述时效温度小于+150℃。
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