CN116057192A - 制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法和接触元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法以及一种至少部段地由黄铜合金形成的接触元件。为了提供能够实现多产地和经济地借助于造型、尤其通过切削加工法至少部段地由无铅的黄铜合金来制造接触元件以及借助于压接来工艺可靠地接触例如插接接触部的方法而提出，在用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法中，首先提供用于接触元件的坯料，其中然后借助于第一热处理改变坯料的微观结构，以提高β相份额，此后由具有提高的β相份额的坯料形成接触元件。最后，借助于第二热处理改变所形成的接触元件的微观结构，以提高α相份额。

Description

制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法和接触元件

技术领域

本发明涉及一种用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法以及一种由黄铜合金构成的接触元件。

背景技术

电接触元件和尤其是由黄铜合金构成的电插接接触部通常通过切削来制造。为了优化切削工艺，为此使用具有铅份额的黄铜合金。所述铅份额引起良好的断屑以及低的切削力，这明显简化了制造工艺以及提高了工具的使用寿命。借助于铅添加物，此外可行的是，经济地切削纯α-黄铜合金。对此的示例是黄铜合金CuZn35Pb2。

这种含铅的黄铜合金的优点是将两种相反的特性组合：一方面，通过铅份额能够实现切削，另一方面，在这种含铅的黄铜合金中能够存在纯α组织，这具有非常好的可成型性，进而能够特别容易地实现接触元件的稍后的成型，尤其是压接。

尽管铅的正面特性，仍努力替换作为黄铜合金中的切削添加物的铅，尤其通过欧盟指令——关于报废车辆的指令2000/53/EG、关于报废电子电气设备的指令2002/96/EG以及关于在电子电气设备中使用有害物质的指令2011/65/EU——支持。然而，如果由于法律限制而弃用铅份额，那么难以进行材料的切削，尤其因为在此形成非常长的流动碎屑。

而用于切削加工的无铅的黄铜合金典型地具有较高的锌份额，例如CuZn40或CuZn42。较高的锌份额在此稳定了β相，β相的特征在于良好的可切削性，因为β相有助于断屑。然而，β相同时是极其脆的，并且相应地仅能够非常受限地成型，如这在压接电接触元件时所需的。

因此，为了由黄铜合金制造无铅的电接触元件，尤其是无铅的压接接触部，相反的要求对立。一方面，接触元件的材料应是脆性的，以便能够实现良好的切削。另一方面，材料应可良好地冷成型，以便能够实现通过压接的连接。因此，用于这种接触元件的工艺窗口是非常窄的，因为过低的α组织份额使压接不可行，而过高的α组织份额加难切削工艺，使得接触元件的制造变得不经济。

从DE 10 2009 038 657 A1中已经已知一种无铅的黄铜合金，所述无铅的黄铜合金通过添加多种附加的合金组分来实现良好的可切削性，由此形成α/β混晶。然而，这种材料既没有理想的用于切削的特性，也没有理想的用于在压接时成型的特性。此外，由大量组分精确地制造合金是耗费的且昂贵的。

发明内容

因此，本发明所基于的目的是，提供一种方法，所述方法能够实现多产地和经济地借助于造型、尤其通过切削加工法由无铅的黄铜合金来制造接触元件，以及借助于压接来工艺可靠地接触例如插接接触部。此外，本发明的一个目的是，提出一种用于在不使用生态学有害的合金元素的份额的条件下制造接触元件的方法。

根据本发明，所述目的通过根据权利要求1所述的方法以及通过根据权利要求9所述的接触元件来实现。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中给出。

在根据本发明的用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法中，首先提供用于接触元件的坯料，并且尤其选择用于坯料或接触元件的起始材料，其中然后借助于第一热处理改变所述坯料的微观结构，以提高β相份额，此后由具有提高的β相份额的坯料形成接触元件。最后，借助于第二热处理改变所形成的接触元件的微观结构，以提高α相份额。将提高相份额一般理解为在量和/或面积方面增大相应的份额。

此外，本发明涉及一种由黄铜合金构成的接触元件，尤其是具有过弹簧

的插座接触部，所述插座接触部按照根据本发明的方法制造。

发明人已经认识到，匹配于相应的要求的组织状况是有利的，并且微观结构的这种变化能够借助于热处理经济地集成到接触元件的制造工艺中。对于切削加工，在此应力求尽可能高的β份额，因为这确保良好的断屑和经济的加工，而对于随后的压接需要尽可能高的α份额，以便给予接触元件可延展特性，并且在压接工艺中能够在不形成裂纹的情况下实现冷成型。

对应地，以有利的方式压接这样制造的接触元件是无问题地可行的，其中在压接区域中的低的强度能够实现低的过渡阻力和能够基本上排除在压接工艺中形成裂纹。因此，根据本发明的方法能够实现通过造型，尤其是通过切削加工法由无铅的黄铜合金来制造接触元件，其中所获得的接触元件的特性对于随后的压接也是非常好的。

根据本发明制造接触元件，其中接触元件原则上能够是用于尤其在电线路和另一器件之间建立电接触的任意器件或任意组件。为此，接触元件具有至少一个金属部段，其中接触元件能够完全由金属形成。附加地，接触元件能够具有由绝缘体、例如塑料构成的壳体，但是或者仅具有至少一个由金属形成的接触区域。优选的是，接触元件是插接接触部，并且特别优选是插座接触部，尤其具有过弹簧。

根据本发明，在此，接触元件至少部段地由黄铜合金形成，其中优选地，至少一个基本体，并且特别优选地整个接触元件基本上由黄铜合金形成。在此，将黄铜合金首先理解为锌质量份额直至50％的任何铜合金，其中铜同时形成主要组成部分，而锌形成第二主要组成部分。此外，在黄铜合金中还能够含有其它金属，其质量份额然而优选地低于10％，特别优选地低于5％。

黄铜合金具有包含α晶份额和β晶份额以及必要时也包含相应的混晶的份额的组织。由铜和锌构成的也称为α相的α晶显示出面心立方结构。β相或β晶具有体心立方结构。组织能够决定性地通过合金的成分以及通过温度或热处理影响。

根据本发明提出，黄铜合金的组织分别通过热处理改变两次，其中借助于第一热处理，β相在组织中的份额或在混晶中的β相份额应增大或设定为尽可能大，而借助于第二热处理，应实现更大的、尤其是尽可能最大的α相份额，其中超过30％的α相份额已被证明为是有利的，并且超过50％的α相份额特别优选。相应地，将微观结构的改变尤其理解为相份额的移位。然而，相态的变化例如也能够是浓度差的减少，材料中粒度的变化，尤其是晶粒细化，和/或应力的减小或缺陷。为了改变微观结构，尤其进行热处理，以与相应的热处理之前的初始状态相比提高相应的相份额，其中黄铜合金至少部段地加热到相对于初始温度提高的温度。

每次热处理首先能够任意地构成，并且尤其具有任意的温度变化曲线。优选地，通过加热到规定的温度、在该温度保持一定时间以及随后的冷却来进行热处理。这种加热周期优选地只执行一次，其中然而重复多次原则上也是可行的。此外，加热优选均匀地和/或不间断地进行，直至达到规定的温度。特别优选地，加热以至少2K/min，更特别优选以至少4K/min，并且尤其优选以至少10K/min的加热速率进行。冷却也优选不间断地进行，并且尤其优选直至在热处理之前的初始温度。

坯料能够是由黄铜合金制成的任意工件，其中坯料优选是半成品，尤其优选是棒料，或者由黄铜合金制成的车削杆、线等形成。由于制造工艺和尤其在此在技术上正常的冷却速率，起始材料或坯料的交付状态的特征典型地在于非常高的α组织份额或者甚至是纯α组织。优选地，起始材料或坯料此外也具有β组织份额，其中用于坯料或接触元件的起始材料的选择特别优选地根据组织份额，尤其是除了α组织之外的β组织的份额进行。

根据本发明，接触元件的形成通过加工坯料进行，其中通过造型，尤其是通过切削加工法，和更特别优选仅通过切削形成优选。将形成接触元件原则上理解为用于造型的任意方法。特别优选地，形成通过车削或借助于自动车床进行。同样优选地，形成在不加热坯料并且尤其在各个成型步骤之间不中间退火的条件下进行。

根据本发明的方法的一个优选的设计方案提出，用于构成提高的β相份额的第一热处理包括将坯料加热到在600℃和900℃之间，优选在750℃和880℃之间，特别优选在800℃和850℃之间的温度，并且优选仅通过加热，尤其是唯一的加热进行。同样优选的是，用于构成提高的α相份额的第二热处理包括将所形成的接触元件加热到在300℃和600℃之间，优选在400℃和500℃之间，特别优选450℃的温度，并且优选仅通过加热，尤其是唯一的加热进行。尤其优选地，在第二热处理时，将所形成的接触元件相对于第一热处理加热到更低的，优选低至少50K，特别优选低至少100K，并且更特别优选低150K的温度。

特别优选地，第一热处理和/或第二热处理通过不间断地加热到目标温度、然后再次冷却到环境温度进行。同样优选地，坯料在第一热处理时和/或接触元件在第二热处理时在预设的时长中保持在一定温度，其中原则上能够自由地选择时长。然而优选地，该时长在十秒和十小时之间，特别优选在十分钟和五小时之间，更特别优选在15分钟和3小时之间，并且尤其优选在30分钟和两小时之间。原则上在第一和第二热处理时能够选择不同的时长。

热处理的时长在此尤其也取决于同时处理的接触元件的数量，其中尤其在同时处理大量部件时，例如在网格箱或板条箱中，热处理的较长的时长优选，以便确保：位于内部的部件也在足够的时长内被加热。相应地，各个接触元件或各个所设置的接触元件的热处理能够明显更短地进行。一般而言，热处理优选在连续式加热炉中进行。关于热处理的时长此外也适用：随着时长的增加，能够实现期望结果的更好的可复现性，尤其关于所有同时加热的接触元件。

在根据本发明的方法的一个有利的改进方案中，在第一热处理中和/或在第二热处理中进行快速冷却，优选在小于30s中，特别优选在小于15s中，并且更特别优选在小于5s中。将快速冷却首先仅理解为比借助环境空气的冷却更快地进行的冷却，其中优选使用淬火剂作为冷却介质，例如水、油、其它液体或被冷却和/或加速的气流，尤其是空气。更特别优选地，冷却通过浸入到冷却介质中进行。替选地或附加地，冷却也能够通过与明显更冷的表面接触来进行，其中那么始终必须遵守所提出的最大冷却时长。在使用气体，尤其是压缩空气作为淬火剂时，冷却速率优选至少为10K/s，特别优选至少为20K/s，并且更特别优选至少为30K/s。在使用液态淬火剂，尤其是矿物油或水时，冷却速率优选为至少150K/s，特别优选为至少200K/s，并且更特别优选为至少300K/s。然而，在此，冷却并非必须在给出的时间内完全进行到室温，而是优选至少进行到200℃以下，特别优选150℃以下，更特别优选100℃以下，并且尤其优选50℃以下。优选地，第二热处理以这种方式并且在此尤其进行为直至α相份额大于50％，特别优选大于70％，并且更特别优选大于80％。

对于强加热替选地，用于构成提高的β相份额的第一热处理也能够通过在150℃和400℃之间，优选在200℃和350℃之间，并且更特别优选在200℃和300℃之间和/或在至少15分钟，优选至少30分钟，特别优选至少60分钟，并且更特别优选至少120分钟的时长的时效处理进行。此外，优选仅进行唯一的加热。特别优选地，在根据本发明的方法的一个可行的设计方案中，第一热处理仅通过时效处理进行。然而此外也能够设想的是，时效处理在加热到明显更高的温度之前和/或之后进行，其中在此期间能够冷却到环境温度，但是不是必须的。同样优选地，将温度在整个时效处理期间保持在所给出的温度区间中，并且尤其保持在一定温度。但是，替选地，多次加热和冷却，尤其在预设的温度区间的范围内的多次加热和冷却是可设想的。

出于生态学以及监管方面的原因，此外优选的是，坯料和/或接触元件的黄铜合金以质量计具有≤0.5％，优选≤0.3％，特别优选≤0.1％，更特别优选≤0.01％的铅份额，并且尤其优选地不含铅或者是无铅的，其中将无铅合金理解为没有添加铅和/或——除了不可避免的杂质之外——不含铅的合金。特别优选地，黄铜合金不含有可确定的铅份额。

尽管由任意黄铜合金制成的工件能够用作为坯料，但是在根据本发明的方法的一个有利的改进方案中，黄铜合金具有至少50％的铜质量份额和/或至少35％，优选在35％和50％之间，特别优选在36％和42％之间，更特别优选在38％和42％之间的锌质量份额和/或小于5％，优选小于3％，特别优选小于1％，和更特别优选小于0.5％的剩余组成部分。

最后，借助于根据本发明的方法制造的接触元件是优选的，所述接触元件具有用于冷成型的至少一个区域，尤其是由黄铜合金制成的压接区域，以容纳导体以及通过冷成型或压接来固定导体，其中用于冷成型的区域优选地具有黄铜合金的提高的α相份额，尤其是比β相份额更高的α相份额。

附图说明

下面参考附图详细描述本发明的多个实施例。在附图中示出：

图1示出在交付状态中的具有高的α相份额的CuZn37的组织图；

图2示出在第一热处理之后在切削状态中的具有提高的β相份额的在图1中示出的CuZn37的组织图；

图3示出在第二热处理之后在冷成型状态中的具有高的α相份额的在图1中示出的CuZn37的组织图；

图4示出在交付状态中的具有高的α相份额的CuZn38的组织图；

图5示出在第一热处理之后在切削状态中的具有提高的β相份额的在图4中示出的CuZn38的组织图；

图6示出在第二热处理之后在冷成型状态中的具有高的α相份额的在图4中示出的CuZn38的组织图；

图7示出在交付状态中的具有高的α相份额的CuZn40的组织图；

图8示出在第一热处理之后在切削状态中的具有提高的β相份额的在图7中示出的CuZn40的组织图；

图9示出在第二热处理之后在冷成型状态中的具有高的α相份额的在图7中示出的CuZn40的组织图；

图10示出接触元件的示意图；和

图11示出一种用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法的示意流程图。

具体实施方式

在用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件1的方法的第一实施方案中，选择由无铅的CuZn37制成的棒料作为用于坯料的起始材料，所述起始材料以正常的冷却速度制造，进而具有近乎纯的α组织，如在图1中示出的。

为了明显改进可切削性，进行第一热处理，对此将坯料以10K/min的加热速率一次加热到860℃的温度，并且在该处保持2小时(参见图11)，以便能够实现再结晶和在此使相份额从α组织移位到β组织，如在图2中示出的。随后，通过在水中淬火，坯料迅速地、尤其以在350K/s的范围中的冷却速率冷却，以便通过淬火稳定高的β相份额。

随后借助于造型法，尤其借助于切削工艺，由坯料形成接触元件1，其中有利地，通过高的β相份额促进断屑(参见图2)。

为了最终建立接触元件1的可压接性，并且防止在压接时形成裂纹，通过以10K/min的加热速率加热到450℃的温度，随后保持2小时来进行第二热处理(参见图11)，以便能够实现再结晶和在此使相份额从β组织朝向α组织或朝向具有高的α组织份额的混晶移位(参见图3)，以及最终，借助移动的空气快速冷却，尤其以在大约35K/s的范围中的冷却速率，以稳定α组织。

用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件1的方法的另一实施方案与第一实施方案的显著区别在于坯料的所选择的起始材料，其中使用呈棒料的形式的无铅的CuZn38，所述无铅的CuZn38在初始状态中具有高的α组织份额(参见图4)。此外，第一热处理在仅800℃的较低的温度同样在2小时的时长内进行，由此同样实现明显提高的β组织份额(参见图5)。在该温度保持以及在水中再次淬火之后，接触元件1的形成同样通过切削进行。最后，在第二热处理期间，对制成的接触元件1通过在450℃热时效处理2小时进行处理，以将微观结构朝向明显提高的α组织份额改变(参见图6)，使得建立良好的可压接性。冷却再次借助移动的空气以约35K/s的冷却速率进行。

在用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件1的方法的第三实施方案中，如在图7中示出的，选择由具有高的α组织份额的无铅的CuZn40制成的棒料作为起始材料，其中进一步的制造与第二实施例尽可能相同，仅第一热处理的为770℃的温度不同，由此实现明显提高的β组织份额(参见图8)。借助于第二热处理，再次提高α组织份额(参见图9)，以便改进可冷成型性。

在图10中以侧视图(图10，上方)和以剖视图(图10，下方)示出的接触元件1在一个端部处具有可冷成型的压接区域2，用于容纳和固定电导体。而在相对置的端部处，接触元件1具有接触区域3，以将接触元件1电连接在配合的另一接触元件上。

Claims (10)

1.一种用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件(1)的方法，所述方法具有以下步骤：

-提供用于所述接触元件(1)的坯料，

-借助于第一热处理改变所述坯料的微观结构，以提高β相份额，

-由具有提高的β相份额的坯料形成所述接触元件(1)，和

-借助于第二热处理改变所形成的所述接触元件(1)的微观结构，以提高α相份额。

2.根据权利要求1所述的用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法，

其特征在于，

用于构成提高的β相份额的所述第一热处理通过将所述坯料加热到在750℃和880℃之间的温度进行。

3.根据权利要求1或2所述的用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法，

其特征在于，

用于构成提高的α相份额的所述第二热处理通过将所形成的所述接触元件(1)加热到在300℃和600℃之间的温度进行。

4.根据上述权利要求中一项或多项所述的用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法，

其特征在于，

在所述第一热处理中和/或在所述第二热处理中在小于15s的范围内进行快速冷却。

5.根据上述权利要求中一项或多项所述的用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法，

其特征在于，

通过在150℃和400℃之间，优选在200℃和350℃之间，并且更特别优选在200℃和300℃之间和/或在至少15分钟，优选至少30分钟，特别优选至少60分钟，并且更特别优选至少120分钟的时长的时效处理来进行用于构成提高的β相份额的所述第一热处理。

6.根据上述权利要求中一项或多项所述的用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法，

其特征在于，

所述黄铜合金具有≤0.5％，优选≤0.3％，特别优选≤0.1％，更特别优选≤0.01％的铅份额。

7.根据上述权利要求中一项或多项所述的用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法，

其特征在于，

所述黄铜合金具有至少50％的铜质量份额和/或在36％和42％之间的锌质量份额以及小于1％的剩余组成部分。

8.根据上述权利要求中一项或多项所述的用于制造至少部段地由黄铜合金形成的接触元件的方法，

其特征在于，

通过造型法，尤其通过切削由所述坯料形成所述接触元件(1)。

9.一种按照根据权利要求1至8中至少一项所述的方法由黄铜合金制造的接触元件。

10.根据权利要求9所述的接触元件，

其特征在于，

所述接触元件具有由所述黄铜合金制成的用于冷成型的区域，尤其是压接区域(2)，以容纳导体以及通过冷成型或压接来固定所述导体。

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