DD149086A1 - METHOD FOR MINIMIZING THE TRANSITION RESISTANCE OF ALUMINUM IN ELECTRICAL CONNECTIONS - Google Patents
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Abstract
Der Leiterwerkstoff Cu musz aus oekonomischen Gruenden substituiert werden, was im wesentl. durch Al geschieht. Al weist jedoch zwei wesentliche Nachteile auf (dichte Oxidschicht, hohe Kriechneigung), die die Kontaktsicherheit negativ beeinflussen. Es ist deshalb notwendig, das Kontaktverhalten in loesbaren elektrischen Verbindungen und Anschluessen mit Leitern aus E-Al und Al-Leitlegierungen durch eine Minimierung des Uebergangswiderstandes zu verbessern. Erfindungsgemaesz erreicht man das durch eine chemische Oberflaechenbehandlung (Beizen in HF,H&ind2!SO&ind4!, HNO&ind3! oder eine partielle physikalische Oberflaechenbehandlung (partielles Beschichten mit einem geeigneten metallischen Werkstoff, z.B. Al-Lot CdZn3O. Durch diese Oberflaechenbehandlung wird der Uebergangswiderstand in seinem Absolutwert verringert und bleibt waehrend der gesamten zyklischen Belastung (thermisch-elektrische Belastung) nahezu konstant.The conductor material Cu musz be substituted for economic reasons, what wesentl. happening through Al. However, Al has two major disadvantages (dense oxide layer, high creep), which negatively affect contact safety. It is therefore necessary to improve the contact behavior in releasable electrical connections and connections with conductors made of E-Al and Al-based alloys by minimizing the contact resistance. According to the invention, this is achieved by a chemical surface treatment (pickling in HF, H 2, SO 2, or a partial physical surface treatment (partial coating with a suitable metallic material, eg Al solder CdZn 3 O. This surface treatment reduces the contact resistance in its absolute value and remains almost constant during the entire cyclic load (thermal-electrical load).
Description
Verfahren zur Minimierung des Übergangswiderstandes von Aluminium in elektrischen "Verbindungen Method for minimizing the contact resistance of aluminum in electrical connections
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimierung des Übergangswiderstandes in lösbaren elektrischen Anschlüssen und Verbindungen mit Leitern aus E-Al und Al-Leitlegierungen·The invention relates to a method for minimizing the contact resistance in detachable electrical connections and connections to conductors made of E-Al and Al conductive alloys.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen C characteristic of the known technical solutions
Kupfer als Leiterwerkstoff durch Aluminium zu ersetzen, ist Volkswirtschaftlich eine zwingende Notwendigkeit· Al besitzt zwar ausreichende spezifische elektrische und mechanische Eigenschaften· Bei der Verbindung und dem Anschluß von Al-Leitern führt jedoch die stets vorhandene Oxidschicht auf der Al-Oberfläche und die hohe Kriechneigung des Aluminiums zu Schwierigkeiten, die einem weitverbreiteten Einsatz von Al als Leiterwerkstoff grundsätzlich entgegenstehen· Es hat deshalb in der Vergangenheit nicht an Versuchen gefehlt, durch besondere Maßnahmen diese Nachteile zu umgehen, um die Kontaktsicherheit der Anschlüsse zu erhöhen /1/, /2/.To replace copper as the conductor material by aluminum, Economically a compelling need · Al has indeed sufficient specific electrical and mech a n i cal properties: · When the connection and the connection of Al-conductors However, the always present oxide layer leads to the Al surface and the high creep of the aluminum to difficulties that fundamentally preclude the widespread use of Al as a conductor material · There has been no lack of attempts in the past to avoid these disadvantages by special measures to increase the contact reliability of the connections / 1 /, / 2 /.
Dies kann im wesentlichen auf zwei Wegen geschehen:This can be done in two main ways:
a· durch Veränderung am Drahtleiter b· durch eine Modifizierung des Gegenkontaktes·a by changing the wire conductor b by modifying the mating contact
Zur Modifizierung des Gegenkontaktes (Einsatz metallischer Unterlagen unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit) liegen bereits Erfahrungen vor (siehe /1/ und /2/).There is already experience in modifying the mating contact (use of metallic substrates with different surface properties) (see / 1 / and / 2 /).
Veränderungen am Drahtleiter können dergestalt vorgenommen werden, daß man durch Zugabe ausgewählter Zusatzelemente Legierungen herstellt, die im Vergleich zu E-Al eine verbesserte mechanische Festigkeit bei gleichzeitig guter elektrischer Leifähigkeit aufweisen» Als Beispiel dafür seien die Al-Leitlegierungen Triple E, Super T und X 8076 als die bedeutendsten genannt (siehe /3, 4, 5j 6/)·Changes to the wire conductor can be made such that by adding selected additional elements, alloys are produced which, compared to E-Al, have improved mechanical strength combined with good electrical conductivity. "Examples include the Al conductive alloys Triple E, Super T and X. 8076 as the most important mentioned (see / 3, 4, 5j 6 /) ·
Ebenso sind auch Methoden des Plattieren^ oder des Aufbringen^ von metallischen Überzügen auf den Drahtleiter gut bekannt und wurden patentiert (siehe /7, 8, 9/)·Similarly, methods of plating or applying metallic coatings to the wire conductor are well known and have been patented (see / 7, 8, 9 /).
In neuerer Zeit ist ein elektrolytisches Verfahren bekannt geworden, mit dem unter Benutzung von Phosphorsäure eine Oberflächenbehandlung von Al-Leitdrähten vorgenommen und damit eine Reduzierung des Übergangswiderstandes dieser Drähte in elektrischen Kontakten erreicht werden kann /10/·Recently, an electrolytic process has become known with which a surface treatment of Al guide wires can be carried out using phosphoric acid and thus a reduction in the contact resistance of these wires in electrical contacts can be achieved.
Stromlose chemische Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Al werden in /11/··./12/ beschrieben· Sie verwenden Säuregemische aus HpSO., HF und HNO-, mit NH3 bzw· Chromatzusätzen· Die Modifizierung der Oxidschicht und damit die Verbesserung des Kontaktverhaltens dieser so behandelten Al-Oberflächen ist jedoch gering und bei längerer Sauerstoffeinwirkung nicht beständig* Sie werden vorrangig zur Reinigung von Al-Halbzeug eingesetzt·Electroless chemical processes for the surface treatment of Al are described in /11/··./12/ · They use acid mixtures of HpSO, HF and HNO-, with NH 3 or · chromate additives · The modification of the oxide layer and thus the improvement of the contact behavior of these however, Al surfaces treated in this way are low and are not resistant to prolonged exposure to oxygen * They are primarily used to clean semi-finished Al products ·
Die bekannten Verfahren haben alle den Nachteil eines hohen Zeit- und Materialaufwandes'und sind in ihrem Ergebnis auch technisch nur teilweise befriedigend als Methode zur Minimierung des Übergangswiderstandes von Leit-Aluminium·The known methods all have the disadvantage of a high expenditure of time and material and are technically only partially satisfactory as a method for minimizing the contact resistance of conducting aluminum.
Das Ziel der Erfindung ist es, durch eine Oberflächenbehandlung von Leit aluminium oder entsprechenden Legierungen eine Verbesserung des Kontaktverhaltens dieser Leiterwerkstoffe beim Anschluß in lösbaren, kraftschlüssigen Kontakten zu erreichen·The object of the invention is to achieve an improvement of the contact behavior of these conductor materials when connecting in detachable, non-positive contacts by surface treatment of conductive aluminum or corresponding alloys.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stabilität und Lebensdauer elektrischer Kontakte mit Aluminium oder entsprechenden Legierungen zu erhöhen, in dem der übergangswiderstand minimiert wird·The object of the invention is to increase the stability and service life of electrical contacts with aluminum or corresponding alloys, in which the contact resistance is minimized.
Erfindungsgemäß erreicht man das durch eine chemische Oberflächenbehandlung in speziellen Säuregemischen aus H,PO., HCl, HP, NH4HF2, HliO-z, denen Cr-Ionen in unterschiedlicher Konzentration zugesetzt sind, oder durch eine partielle Beschichtung mit Al-Lot (ζ« Β· CdZn30).According to the invention, this is achieved by a chemical surface treatment in special acid mixtures of H, PO, HCl, HP, NH 4 HF 2 , HliO-z, to which Cr ions in different concentrations are added, or by a partial coating with Al solder ( ζ «Β · CdZn30).
Die chemische Oberflächenbehandlung (Beizen) kann sowohl am gesamten Drahtleiter vorgenommen werden oder sich nur auf die Kontaktstellen beschränken. Als Beizmittel sind Säuren (z, B. HF; HNO,; H2SO4) oder Säuregemische (z# B. HNO5 + NH4HP2 + H3PO4; HNO3 + HCl + HF) zu verwenden, wobei Beizzeiten von wenigen Minuten genügen. Durch diese chemische Oberflächenbehandlung erreicht man eine Verringerung des Absolutwertes des Ubergangswiderstandes im Vergleich zu unbehandeltem E-Al, wobei auch während der gesamten zyklischen Belastung (Dauer 1 Woche) kein nennenswerter iL.-Anstieg zu verzeichnen ist. Durch eine Zwischenlagerung dieses oberflächenbehandelten E-Al an Luft wird die neugebildete Deckschicht nicht beeinträchtigt.The chemical surface treatment (pickling) can be carried out on the entire wire conductor or be restricted to the contact points only. As a mordant acids (e.g., B. HF; HNO ,; H 2 SO 4) or mixtures of acids (for example, HNO # 5 + NH 4 HP 2 + H 3 PO 4; HNO 3 + HCl + HF) to use, wherein Beizzeiten of a few minutes are enough. This chemical surface treatment achieves a reduction in the absolute value of the contact resistance compared to untreated E-Al, with no appreciable iL increase during the entire cyclic load (duration 1 week). Intermediate storage of this surface-treated E-Al in air does not affect the newly formed topcoat.
Eine partielle metallische Oberflächenbehandlung der Leitdrähte erreicht man im Gegensatz zu den in Punkt /7, 8, 9/ vorgestellten Verfahren, indem die Kontaktstellen der Drähte mit einem metallischen Überzug (z, B# CdZn30) versehen werden. Die an den Kontaktstellen aufgebrachte Deckschicht bewirkt eine maßgebliche Reduzierung des Absolutwertes des Übergangswiderstandes bei E-Al, der analog der chemischen Oberflächenbehandlung während der zyklischen Belastung nahezu konstant bleibt*A partial metallic surface treatment of the guide wires is achieved in contrast to the methods presented in Item / 7, 8, 9 / by providing the contact points of the wires with a metallic coating (z, B # CdZn30). The cover layer applied at the contact points causes a significant reduction in the absolute value of the contact resistance in the case of E-Al, which, in analogy to the chemical surface treatment, remains virtually constant during the cyclic loading *
Die nach den genannten Verfahren behandelten Drähte für elektrische Verbindungen zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:The wires for electrical connections treated according to the mentioned methods are characterized by the following properties:
a. verringerter Absolutwert des Übergangswiderstandesa. reduced absolute value of the contact resistance
b. verringerter Anstieg des Übergangswiderstandes während der zyklischen (thermisch-elektrischen) Belastungb. reduced increase in contact resistance during cyclic (thermal-electrical) loading
o» erhöhte Kontaktstabilität.o »increased contact stability.
Die angeführten Verfahren sind jeweils vor der Herstellung einer elektrischen Verbindung vorzunehmen.The listed methods are to be carried out before the production of an electrical connection.
Der in Klemmanschlüssen zu prüfende Leitdraht wird nach folgender Technologie hergestellt:The guide wire to be tested in clamped connections is manufactured using the following technology:
Als Ausgengsmaterial wird Hüttenaluminium der Reinheit 99,5 und besser eingesetzt. Das Schmelzen des Ausgangsmaterials erfolgt in einem gas- oder elektrischbeheizten Schmelzofen, wobei die Legierungselemente in Form von Vorlegierungen der Schmelze zugesetzt werden. Die Schmelze wird kontinuierlich über ein Gießrad abgegossen. Danach schließen sich ein Warmwalzen und eine Kaltverformung des Materials bis auf den Enddurchmesser an. Gegebenenfalls kann eine zweistündige Heterogenisierungsbehandlung 350 0C ... 500 0C eingeschoben bzw. nach der Endverformung vorgenommen werden. Der Endverformungsgrad liegt dabei oberhalb 75 #. Die auf diese Weise hergestellten Drähte werden anschließend 15 s in einem Gemisch aus HF + Н5Р0д + HNO, + Chromsäure gebeizt, wobei nur die Kontaktstellen der Drähte einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Anschließend sind die Drähte im Klemmanschluß zu kontaktieren und die Übergangswiderstände an den Kontakten zu bestimmen. In Bild 1 wird das Kontakt-Zeit-Verhalten oberflächenbehandelter und unbehandelter Drähte aus E-Al 99,5 bzw. aus einer AlFeMg-Legierung dargestellt. Zum Vergleich ist der Kurvenverlauf des unbehandelten E-Al eingezeichnet worden.As Ausgengsmaterial pure aluminum 99.5 purity and better used. The melting of the starting material takes place in a gas- or electrically heated melting furnace, wherein the alloying elements are added in the form of master alloys of the melt. The melt is continuously poured off via a casting wheel. This is followed by hot rolling and cold working of the material to the final diameter. Optionally, a two-hour heterogenizing treatment 350 0 C ... 500 0 C inserted or made after the final deformation. The final deformation is above 75 #. The wires produced in this way are then pickled for 15 s in a mixture of HF + Н 5 Р0d + HNO, + chromic acid, whereby only the contact points of the wires are subjected to a surface treatment. Then the wires in the terminal connection should be contacted and the contact resistance at the contacts determined. Figure 1 shows the contact-time behavior of surface-treated and untreated wires made of E-Al 99.5 or of an AlFeMg alloy. For comparison, the curve of the untreated E-Al has been drawn.
Die Herstellung des Leitdrahtes erfolgt wie in Punkt 1 beschrieben. Anschließend werden die Kontaktstellen der DrähteThe production of the guidewire is carried out as described in point 1. Subsequently, the contact points of the wires
mit dem Lotmittel CdZn30 versehen. Die auf diese Weise behandelten Drähte sind dann im Klemmanschluß zu kontaktieren. Die Ergebnisse der Ry-Messung sind im Bild 1 dargestellt. Zum Vergleich wurde wieder der Kurvenverlauf für unbehandeltes E-Al eingetragen.provided with the solder CdZn30. The wires treated in this way are then to be contacted in the terminal connection. The results of the Ry measurement are shown in Figure 1. For comparison, the curve for untreated E-Al was entered again.
Literaturliterature
/1/ Geißler; Starke:/ 1 / Geißler; Strength:
Technischer Bericht Mr. 02 327 vom 19. 11. 1975Technical Report Mr. 02 327 of November 19, 1975
Patentschrift WP 122 157Patent Specification WP 122 157
Anmelder: Geißler, Starke, Prenzel, Küchler, Schmidt,Applicants: Geissler, Starke, Prenzel, Kuchler, Schmidt,
Philippeit Anir.eldetag: 5. 9. 1975, Ausgabetag: 12. 9. 1976Philippeit Anir. Day: 5. 9. 1975, Date of issue: 12. 9. 1976
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BPN Associates, Oakles, Calif.BPN Associates, Oakles, Calif.
/10/ Offenlegungsschrift 26 01 861/ 10 / publication 26 01 861
Anmelder: Societe de Vente de lf Aluminium Pechiney,Applicant: Societe de Vente de l f Aluminum Pechiney,
Paris Verteter: Waesthoff, F., Dr.-Ing.; Pechmann, E. Frkr.Paris Representative: Waesthoff, F., Dr.-Ing .; Pechmann, E. Fr.
von, Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Behrens, D.,from, Dipl.-Chem. Dr.rer.nat .; Behrens, D.,
Dr.-Ing.; Goetz, R., Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch. Dr.-Ing .; Goetz, R., Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.
Ing, Pat.-Anwälte 80OO München Anmeldetag: 20. 1. 1976 Offenlegungstag: 29. 7. 1976Ing, Pat.-Anwälte 80OO Munich Date of filing: 20. 1. 1976 Date of disclosure: 29. 7. 1976
/11/ Beyrle, F. J.:/ 11 / Beyrle, F. J .:
Process for cleaning aluminiumProcess for cleaning aluminum
USP Patentnummer 33 67 799 vom 8. 10. 1963US Pat. No. 3,367,799 issued Oct. 8, 1963
/12/ Bellinger, K. Ph.:/ 12 / Bellinger, K. Ph .:
"Beizbad und Verfahren zur Anwendung desselben" DE-AS 12 91 I69 vom 3. 10. I96I"Pickling bath and method of using the same" DE-AS 12 91 I69 of 3. 10. I96I
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| DD149086A1 true DD149086A1 (en) | 1981-06-24 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0054743A1 (en) * | 1980-12-19 | 1982-06-30 | Ludwig Fahrmbacher-Lutz | Process for the chemical removal of oxidic layers from titanium or titanium alloys |
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1979
- 1979-07-04 DD DD21409379A patent/DD149086A1/en not_active IP Right Cessation
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|---|---|---|---|---|
| EP0054743A1 (en) * | 1980-12-19 | 1982-06-30 | Ludwig Fahrmbacher-Lutz | Process for the chemical removal of oxidic layers from titanium or titanium alloys |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| ENJ | Ceased due to non-payment of renewal fee |