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Außer reinen Kupferwerkstoffen werden in elektrotechnischen und/oder mechanischen Anwendungen häufig auch Werkstoffe aus Bronze oder Messing verwendet.
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Bronze ist eine Legierung aus Kupfer und Zinn; Messing ist eine Legierung aus Kupfer und Zink. Beide Werkstoffe, d. h. Legierungen, weisen gegenüber Kupfer veränderte mechanische Eigenschaften bzw. Kennwerte im Hinblick auf Festigkeit und/oder Dehnung auf. Zudem weisen die genannten Werkstoffe unterschiedliche elektrische und thermische Eigenschaften auf, betreffend beispielsweise den elektrischen Widerstand, Übergangswiderstände, Wärmeleitfähigkeit usw.
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Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Legierungszusammensetzungen aus den oben genannten Legierungselementen Cu und Sn bzw. Cu und Zn, die in unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz kommen können. Insbesondere können die genannten Legierungszusammensetzungen Anwendung finden bei Drähten, Geweben, elektrischen und/oder mechanischen Federelementen und anderen Kontaktelementen. Bei den genannten Anwendungen, insbesondere bei Drähten, aus den genannten Legierungszusammensetzungen wäre es unter anderem wünschenswert, preiswerte, funktionell dennoch etwa gleichwertige Alternativen bereitstellen zu können.
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Insoweit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine preiswerte, und funktionell weitgehend bzw. zumindest gleichwertige Alternative zu bestehenden Bronze- oder Messingdrähten oder Kontaktelementen, insbesondere elektrischen und/oder mechanischen Kontaktelementen, anzugeben.
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Diese Aufgabe wird insbesondere gelöst durch die Merkmale der Schutzansprüche 1 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich insbesondere aus den abhängigen Schutzansprüchen.
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Nach Schutzanspruch 1 wird ein Verbunddraht vorgeschlagen, welcher eine Seele aus Stahl oder einer Stahllegierung, insbesondere Edelstahl, aufweist, und welcher zumindest eine die Seele umgebende Kupferlegierungsschicht aufweist.
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Die Kupferlegierungsschicht ist bevorzugt als eine homogene Legierungsschicht ausgebildet, was insbesondere bedeuten soll, dass die Legierungselemente in der Legierungsschicht statistisch homogen verteilt sind. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn die Kupferlegierungsschicht aus einem zuvor gegossenen und gewalzten Halbzeug entstanden ist und in Bandform zur Verfügung steht.
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Alternativ kann die Kupferlegierungsschicht auch auf elektrolytischem Wege, also galvanisch, hergestellt werden/sein. Beispielsweise kann die Kupferlegierungsschicht aus einem Zweistoff-Elektrolyt abgeschieden sein/werden, oder die Kupferlegierungsschicht kann auf dem Wege der Metalldiffusion hergestellt sein/werden. Bei Anwendung der Metalldiffusion können die Metalle Cu und Sn bzw. Cu und Zn in geeigneter Reihenfolge und Häufigkeit elektrolytisch, insbesondere als Schichtfolge, abgeschieden sein/werden, wobei insbesondere Einstoff-Elektrolyten verwendet werden können. In einer anschließenden Wärmebehandlung kann durch Metalldiffusion die Ausbildung der Bronze- oder Messingschicht erreicht werden. Bei Einsatz der Metalldiffusion kann bei geeigneter Verfahrensführung, und sofern erforderlich, ein Konzentrationsgradient der Legierungselemente eingestellt werden.
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Durch Verwendung einer Kupferlegierungsschicht können Kostenvorteile gegenüber der Verwendung von reinem Bronze oder Messing erreicht werden.
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Wird ein Vollmaterial-Bronze- oder -Messingdraht durch einen wie hierin vorgeschlagenen Verbunddraht ersetzt, ergeben sich mitunter Kostenvorteile, insbesondere da der Kern, d. h. die Seele, des Verbunddrahts aus einem i. d. R. preiswerteren Stahldraht oder einer preiswerteren Stahllegierung besteht. Lediglich der Außenmantel des Verbunddrahts umfasst Kupferlegierungen.
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Ferner können durch die Wahl einer geeigneten Kupferlegierungszusammensetzung und/oder einer geeigneten Zusammensetzung des Stahls bzw. der Stahllegierung jeweils gewünschte bzw. erforderliche Eigenschaften des Verbunddrahts eingestellt werden. Insoweit kann für den hierin vorgeschlagenen Verbunddraht eine breitere Variationsmöglichkeit relevanter Eigenschaften, wie etwa elektrischer, mechanischer, thermischer und/oder chemischer Art erreicht werden, woraus sich für den Verbunddraht insbesondere ein breiteres Anwendungsspektrum ergibt.
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Als Stahlsorten kommen insbesondere niedrig gekohlte Stähle, insbesondere die Stahltypen 1002, 1005, 1006, 1010, oder Edelstahl, insbesondere der Sorten 1.4301, 1.4306, 1.4401, 1.4404 in Betracht.
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Wie bereits erwähnt können durch die Verwendung geeigneter Kupferlegierungen für die Zusammensetzung der Kupferlegierungsschicht und die Einstellung geeigneter Schichtdicken geeignete bzw. jeweils erforderliche elektrische und/oder thermische Eigenschaften eingestellt bzw. erreicht werden.
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In Ausgestaltungen kann eine die Kupferlegierungsschicht ausbildende bzw. für die Kupferlegierung verwendete Kupferlegierung als Hauptlegierungskomponenten die Elemente Kupfer und Zinn umfassen, oder als Hauptlegierungskomponenten die Elemente Kupfer und Zink umfassen. Im ersten Fall handelt es sich bei der Kupferlegierung um eine Bronze, und im zweiten Fall um Messing.
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Neben den Hauptlegierungselementen kann die Kupferlegierung noch Nebenlegierungselemente umfassen. Die Nebenlegierungselemente können dabei nach weiteren jeweils erforderlichen, insbesondere thermischen, mechanischen und/oder elektrischen, Anforderungen gewählt sein.
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In Ausgestaltungen kann der Verbunddraht als Rund-, Vierkant- oder Flachdraht ausgebildet sein. Verbunddrähte mit entsprechenden Querschnittsformen können insbesondere durch Ziehen und/oder Walzen und andere geeignete Prozesse hergestellt werden. Insbesondere hat sich gezeigt, dass die hierin vorgeschlagenen Verbunddrähte infolge der haftfest aufgebrachten Ummantelung/Kupferlegierungsschicht mit herkömmlichen Endbearbeitungsprozessen be- und verarbeitet werden können.
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Die Verwendbarkeit bereits bekannter Endbearbeitungs- und Endverarbeitungsprozesse ist insbesondere vorteilhaft im Hinblick auf die Kosten der Verbunddrähte und daraus hergestellter Kontaktelemente, insbesondere elektrischer und/oder mechanischer Kontaktelemente.
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In Ausgestaltungen kann hierin vorgeschlagene Verbunddraht mit einer Kupferlegierungsschicht aus Bronze oder Messing noch mit weiteren, zumindest einer weiteren, metallischen oder nicht-metallischen Schicht/en versehen sein. Für elektronische Anwendungen kommen in Frage Beschichtungen aus Zinn (Sn), Zinnlegierungen, Nickel (Ni), Silber (Ag), Silberlegierungen, Gold (Au).
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Solche zusätzlichen Schichten oder Beschichtungen können als Funktionsoberflächen verwendet werden, insbesondere um gute Löteigenschaften und/oder definierte Oberflächeneigenschaften zu erhalten, wie z. B. größere Oberflächenhärte und/oder Abriebfestigkeit, geeignete Übergangswiderstände, Oberflächenrauhigkeiten, usw.. Ferner können solche Schichten auch zu Korrosionsschutzzwecken aufgebracht werden oder sein.
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Entsprechende metallische Schichten können insbesondere als galvanisch abgeschiedene Schichten aufgebracht sein.
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In Ausgestaltungen kann der Verbunddraht wie bereits angemerkt eine nicht-metallische Außenbeschichtung aufweisen. Bevorzugt weist die nicht-metallische Außenbeschichtung eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material, aus Lack, aus organischem Material und/oder aus anorganischem Material auf. Schichten aus anorganischem Material können beispielsweise als Anlaufschutz gegen Verfärbungen aufgebracht werden bzw. sein.
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In Ausgestaltungen kann die Kupferlegierungsschicht zumindest abschnittsweise als eine die Seele umgebende Ummantelung ausgebildet sein. Hierbei kann die Kupferlegierungsschicht beispielsweise im sog. Cladding-Verfahren, beispielsweise nach
US 4,227,061 aufgebracht sein. Beim Cladding können um die Seele des Verbunddrahts zwei Metallbänder geeigneter Breite und Dicke von oben und unten derart zusammengeführt werden, so dass sie die Seele vollständig umfassen, um dann unter Luftabschluss verbördelt zu werden. Die Ummantelung mit Seele wird beim Cladding in einem nachfolgenden Ziehvorgang im Durchmesser reduziert.
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Eine alternative Claddingvariante stellt die Ummantelung der Seele unter Verwendung eines einzelnen Kupferlegierungsbandes dar, wobei das Kupferlegierungsband an der offenen Längsnaht verschweißt wird/ist; danach erfolgt die Durchmesserreduktion durch Ziehen.
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In einer weiteren Claddingvariante ist es möglich, zur Ummantelung der Seele ein Kupferlegierungsrohr geeigneter Stärke zu verwenden, mit nachgeschaltetem Ziehen auf kleineren Durchmesser.
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Die drei vorweg angegebenen Varianten gelten in der Technik als sog. Cladding-Varianten. Daneben gibt es jedoch noch galvanotechnische Alternativen. Beispielsweise kann die Kupferlegierungsschicht durch galvanische Beschichtung mittels Zweistoff-Elektrolyt als Messing- oder Bronzeschicht ausgeführt werden/sein. Der Elektrolyt kann z. B. cyanidischer Natur sein.
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Alternativ kann die Kupferlegierung auch indirekt galvanisch hergestellt sein, wobei hier zunächst unterschiedliche Schichten, insbesondere der Hauptlegierungselemente oder eines der Hauptlegierungselemente, galvanisch, schmelzflüssig oder durch Besputterung aufgetragen werden, und wobei in einem darauffolgenden Schritt durch thermische Diffusion die Endlegierung erzeugt wird bzw. werden kann. Zusätzlich wird auf die obigen Ausführungen zur Metalldiffusion verwiesen.
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Derart abgeschiedene bzw. aufgetragene Kupferlegierungsschichten können insbesondere immer dann verwendet werden, wenn die Oberschicht, d. h. die Kupferlegierungsschicht, in ihrer Dicke im Vergleich zur Seele nur relativ dünn ausgebildet sein soll.
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Zudem können sich im Vergleich zu Kupferlegierungsschichten, die durch Cladding aufgebracht sind, Unterschiede in den tribologischen Eigenschaften ergeben, da sich auf elektrolytischem Wege hergestellte Bronze- oder Messingschichten in der Oberflächenstruktur von der einer durch Walzen, insbesondere eines Bronze- oder Messingbandes, hergestellten Bronze- oder Messingschicht unterscheiden.
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In Ausgestaltungen kann die Seele aus einem niedrig gekohlten Stahl hergestellt sein. Hier können Vorteile beispielsweise im Hinblick auf elektrische Applikationen erreicht werden. Zum Beispiel liegt die spezifische elektrische Leitfähigkeit niedrig gekohlten Stahls, z. B. der Type 1006, mit ca. 8,3 m/Ohm mm2 nahezu gleich der einer CuSn6 Bronze, so dass ein hierin vorgeschlagener Verbunddraht auf Basis der entsprechenden Bronze als, insbesondere bezüglich der elektrischen Leitfähigkeit, vollwertiger Ersatz für Voll-Bronze Drähte verwendet werden kann.
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In Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Seele bei kohlenstoffarmen Güten zwischen 7 m/Ohm mm2 und 10 m/Ohm mm2 liegt, insbesondere bei etwa 8 m/Ohm mm2. Bei Stählen mit Edelstahlgüten, welche gegenüber niedrig gekohlten Stählen höhere Festigkeiten aufweisen, liegt die spezifische elektrische Leitfähigkeit bevorzugt zwischen etwa 1 m/Ohm mm2 und 2 m/Ohm mm2.
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Nach Schutzanspruch 10 wird ein Kontaktelement, insbesondere elektrisches und/oder mechanisches Kontaktelement, vorgeschlagen, welches einen wie vorweg beschriebenen Verbunddraht umfasst.
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Das elektrische und/oder mechanische Kontaktelement kann beispielsweise ausgebildet sein als Verbindungsdraht, Anschlussdraht, Kabeldraht, Kabellitze, Steckerpin für Steckverbinder, Webedraht, Drahtgeflecht, Drahtgewebe, Drahtgewirk und/oder Federelement.
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Vorteile des vorgeschlagenen Kontaktelements ergeben sich insbesondere aus den Vorteilen des hierin vorgeschlagenen Verbunddrahts, einschließlich Ausgestaltungen desselben.
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Anhand eines einen Verbunddraht betreffenden Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im Zusammenhang mit den anliegenden Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch einen Abschnitt eines hierin vorgeschlagenen Verbunddrahts einer ersten Ausgestaltung;
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2 einen Querschnitt des Verbunddrahts nach 1; und
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3 einen Querschnitt eines Verbunddrahts nach einer zweiten Ausgestaltung.
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1 zeigt einen Längsschnitt eines Abschnitts eines wie hierin vorgeschlagenen Verbunddrahts 1 einer ersten Ausgestaltung. 2 zeigt den Querschnitt des Verbunddrahts 1.
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Der Verbunddraht 1 umfasst eine Seele 2 aus Stahl oder einer Stahllegierung und eine die Seele 2 umgebende Kupferlegierungsschicht 3.
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Bei der Kupferlegierungsschicht 3 handelt es sich um eine Ummantelung, die in einem mechanischen Verfahren (sog. Cladding) auf die Seele 2 aufgebracht ist.
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Alternativ ist es auch möglich, wie weiter oben beschrieben, dass die Kupferlegierungsschicht durch galvanische Abscheidung, schmelzflüssige Beschichtung oder Besputterung der Seele mit anschließender Metalldiffusion gebildet ist.
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Mit dem vorgeschlagenen Verbunddraht können gegenüber Drähten, die im Vollmaterial aus Kupferlegierungen, insbesondere Bronze oder Messing, bestehen, Kostenvorteile erreicht werden. Das liegt insbesondere an Kostenvorteilen von Stahl oder Stahllegierungen, was einhergeht damit, dass ein Teil, eben die Seele, des vergleichsweise kostenintensiven Kupferlegierungsmaterials ersetzt werden kann.
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Ein weiterer Vorteil des vorgeschlagenen Verbunddrahts besteht insbesondere darin, dass die elektrischen und/oder thermischen Eigenschaften des Verbunddrahts in weiteren Bereichen als herkömmliche Volldrähte angepasst werden können. Insbesondere können die Eigenschaften dadurch verändert bzw. eingestellt werden, dass die Zusammensetzung der Kupferlegierung und/oder die Zusammensetzung des Stahls bzw. der Stahllegierung verändert oder variiert wird, und/oder dass die Dicke der Kupferlegierungsschicht verändert wird.
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Weitere Variationsmöglichkeiten der Eigenschaften des Verbunddrahts ergeben sich insbesondere dadurch, dass auf der äußeren Oberfläche O der Kupferlegierungsschicht 3 eine oder mehrere metallische Beschichtung/en 4 oder nicht-metallische Beschichtung/en aufgebracht ist/sind. Ein entsprechender Verbunddraht 1 ist im Querschnitt in 3 dargestellt.
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Eine metallische Beschichtung 4 kann beispielsweise als Funktionsschicht auf die Kupferlegierungsschicht 3 aufgebracht sein. Insbesondere kann durch Aufbringen einer metallischen Beschichtung 4 vermieden werden, dass der Verbunddraht frei liegende Kupferlegierungsoberflächen aufweist, was beispielsweise im Hinblick auf Korrosion usw. von Nachteil sein kann. Wegen der Funktionsschichten wird auch auf die Ausführungen weiter oben verwiesen.
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Typische Ausführungsformen metallischer Beschichtungen 4 sind z. B. das Verzinnen, Vernickeln, Versilbern oder Vergolden entsprechender Oberflächen. Die beschichteten Oberflächen können dann insbesondere zur elektrischen und/oder mechanischen Kontaktierung bzw. Verbindung herangezogen werden und beispielsweise gelötet, geschweißt oder geklemmt werden.
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Nicht-metallische Beschichtungen können beispielsweise als Anlaufschutz, zur elektrischen Isolation oder zu anderen Zwecken aufgebracht sein.
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Angemerkt soll werden, dass auf eine auf die Kupferlegierungsschicht aufgebrachte metallische Beschichtung ebenfalls nicht-metallische Beschichtungen aufgebracht sein können. Das ist in den Figuren jedoch nicht gezeigt.
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Zu nicht-metallischen Beschichtungen mit organischen oder anorganischen Materialien zählen z. B. das Lackieren oder Tauchen, wobei die durch Lackieren oder Tauchen aufgebrachten Schichten in Folgeschritten getrocknet werden können, um haftfest auf den Verbunddrähten zu verbleiben.
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Lackdrähte können z. B. als Wicklungsdrähte in Elektromotoren verwendet werden, wobei der Lack als elektrische Isolation dienen kann. Andere chemische Beschichtungen können z. B. dazu dienen, das tribologische Verhalten der Verbunddrähte zu beeinflussen, indem die Reibeigenschaften jener Oberflächen modifiziert werden.
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Insgesamt zeigt sich, dass je nach vorliegender technischer Anwendung für den hierin vorgeschlagenen Verbunddraht geeignete Werkstoffkombinationen aus Kerndraht einerseits und Oberfläche/n andererseits gefunden werden können, um relevante technische Anforderungen an den Verbunddraht umsetzen zu können.
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Insbesondere auch vor dem Hintergrund des eklatanten Preisanstiegs an den Rohstoffmärkten, insbesondere für Metalle wie z. B. Kupfer, ermöglicht der hierin vorgeschlagene Verbunddraht insbesondere eine Kostenreduktion, wobei gleichzeitig, wie bereits erwähnt, eine besonders vorteilhafte Flexibilität und Variabilität hinsichtlich der mechanischen/elektrischen und/oder thermischen Eigenschaften erzielt werden kann.
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Der hier vorgeschlagene Verbunddraht kann im Hinblick auf die physikalischen/technischen Eigenschaften quasi maßgeschneidert werden, wobei durch neue Werkstoffkombinationen, insbesondere bei gleichzeitiger Kostenoptimierung, insbesondere neuartige, d. h. bisher nicht realisierbare, Drähte mit neuartigen physikalischen und/oder technischen Eigenschaften bzw. Eigenschaftskombinationen realisiert werden können.
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Durch die hierin für die Verbunddrähte vorgeschlagene und mögliche neuartige Kombination von Bronze- oder Messingband. bzw. -rohr mit einer Stahlseele (cladding) lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher Drahttypen mit jeweils spezifischen Eigenschaften herstellen. Als Bronzesorten eignen sich beispielsweise CuSn5, CuSn6 usw..
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Als Stahlsorten kommen, wie oben bereits ausgeführt, insbesondere niedrig gekohlte Stähle, insbesondere die Stahltypen 1002, 1005, 1006, 1010, oder Edelstahl, insbesondere der Sorten 1.4301, 1.4306, 1.4401, 1.4404 in Betracht.
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Durch den hier vorgeschlagenen Aufbau des Verbunddrahts können insbesondere die mechanischen Eigenschaften durch das Material der Seele 2 beeinflusst bzw. eingestellt werden. Eigenschaften der Oberfläche, insbesondere tribologischer und metallurgischer Natur, können insbesondere bzw. unter anderem durch die auf die Seele 2 aufgebrachten Kupferlegierungsmaterialien, insbesondere, aus Bronze oder Messing, angepasst und/oder eingestellt werden.
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Da Stähle bedeutend preisgünstiger sind als Bronze oder Messing, führen die hierin vorgeschlagenen Verbundddrähte letztendlich i. d. R. auch zu preiswerteren Drähten.
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Zu erwähnen wäre jedoch, dass es auch möglich ist, anstelle der Seele aus Stahl oder einer Stahllegierung eine Seele aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zu verwenden, wobei hierbei wohl weniger der Kostenvorteil und mehr die vergleichsweise große Variabilität in den physikalischen/technischen Eigenschaften des Verbunddrahts im Vordergrund steht, und insbesondere eine weitere Vielzahl unterschiedlicher Drahttypen hergestellt werden kann.
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Die mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Verbunddrähte sind grundsätzlich als Ersatz für bestehende Drähte in folgenden Applikationen geeignet:
- – allgemeine Verbindungsdrähte;
- – Anschlussdrähte, insbesondere für elektronische Bauelemente;
- – Kabeldrähte, insbesondere verlitzt, mit oder ohne Kunststoffummantelung;
- – Drähte für Kabellitzen;
- – Steckerpins für Steckverbinder, beispielsweise für Stecker in KFZ-Anwendungen;
- – Webedrähte;
- – Drahtgewebe;
- – Drahtgewirke.
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Auch in Bereichen, in welchen die tribologischen, oder auch nur die optischen bzw. visuellen, Eigenschaften der Oberschicht, d. h. der Kupferlegierungsschicht, von Bedeutung sind, können die hierin vorgeschlagenen Verbunddrähte verwendet werden. Beispielsweise eignen sich die vorgeschlagenen Verbunddrähte als Ersatz herkömmlicher Drähte bei Webedrähten Drahtgeweben und/oder Drahtgeflechten und dgl. Insbesondere dann, wenn solche Gewebe und/oder Geflechte Dichtungs-, Gleit- und/oder Abstandhalterfunktionen übernehmen und insoweit die tribologischen Eigenschaften von Relevanz sind.
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Auch in Bereichen, in welchen es mehr auf die mechanischen Eigenschaften bzw. Qualitäten ankommt, die mitunter auch mit elektrischen Eigenschaften bzw. Qualitäten gekoppelt sein können, bilden die hierin vorgeschlagenen Verbunddrähte einen vergleichsweise preiswerten Ersatz herkömmlicher Materialien. Insbesondere können die vorgeschlagenen Verbunddrähte auch im Bereich der Federtechnik verwendet werden, wo die eingesetzten Federn Druck-, Spann-, Zug- und/oder Haltefunktionen, mitunter gepaart mit elektrischer Kontaktierung, erfüllen sollen oder sollten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbunddraht
- 2
- Seele
- 3
- Kupferlegierungsschicht
- 4
- Beschichtung
- O
- Oberfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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