DE2107391C3 - Legierung für Präzisionswiderstände - Google Patents

Description

Die bekannten Kupfer-Mangan-Aluminium-Legierungen besitzen eine gute Korrosionsfestigkeit, geringe thermoelektrische Kraft gegenüber Kupfer, aber ein

Verbindung Cu₅Mn entspricht, wobei ein Teil des io schlechtes Formänderungsvermögen. Die bekannte

Mangans durch Gallium ersetzt ist. Kupfer - Mangan - Nickel - Legierung hat, wenngleich

- - - - _sj_{e emen} niedrigen Widerstandstemperaturkoeffizient, eine geringe thermoelektrische Kraft und gute technologische Eigenschaften besitzt, eine schwache Korro-

0,1 bis 5% Aluminium und/oder 0,1 bis 5% Nickel 15 sionsbeständigkeit.

enthält. Die beste bekannte Legierung, die niedrige Wider-

4. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus Standstemperaturkoeffizienten besitzt, ist eine Legie-84,4% Kupfer, 9% Mangan und 6,6% Gallium. rung, die aus 9,5% Mangan, 0,7% Germanium und

5. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus Rest Kupfer besteht. Jedoch besitzt diese Legierung 80,5% Kupfer, 12% Mangan, 6% Gallium sowie »o keine genügende Zeitstabilität der elektrischen Eigenais -weiteren Bestandteilen 1% Indium und 0,5% schäften und ist korrosionsanfällig.

Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der oben-

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als weitere Bestandteile einzeln oder gemeinsam 0,1 bis 1,5% Indium,

Germanium.

6. Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus 84% Kupfer, 9,2% Mangan, 6,6% Gallium sowie als weiteren Bestandteil 0,2% Germanium.

Die Erfindung bezieht sich auf Legierungen für Präzisionswiderstände auf Kupferbasis mit einem Zusatz von Mangan.

Diese Legierungen können zur Herstellung von Widerstandsnormalen für Potentiometer, Widerstandskästen und Widerstandsbrücken sowie für andere meßtechnische Geräte verwendet werden.

An Legierungen für Präzisionswiderstände werden folgende Anforderungen gestellt:

niedriger Widerstands-Temperaturkoeffizient, geringe thermoelektrische Kraft gegenüber Kupfer, Zeitkonstanz des elektrischen Widerstandes, gute Verarbeitbarkeit, hohe Korrosionsfestigkeit im Arbeitstemperaturintervall sowie niedrige magnetische Suszeptibilität.

Bekannt sind verschiedene Legierungen für Präzisionswiderstände, diese bestehen z.B. aus 12% Mn, 2% Ni, Rest Kupfer; 44% Ni, 55% Cu, l%Mn; 3% Al, 12% Mn, Rest Kupfer; 5,5% Al, 9,5% Mn, Rest Kupfer; Gold-Chrom (2% Cr, Rest Gold); Silber-Palladium (45% Pd, Rest Silber); Silber-Mangan (10% Mn, Rest Silber); 20% Cr, 3% Cu, 3% Al, Rest Nickel.

Die Legierungen auf Basis von Edelmetallen haben, wenngleich sie von hoher Korrosionsfestigkeit sind, neben hohem Preis auch eine Reihe von negativen erwähnten Nachteile.
Der Erfindung ist die Aufgabe zugrunde gelegt, eine Legierung für Präzisionswiderstände auf Kupferbasis mit einem Manganzusatz zu entwickeln, die minimale Größen von Widerstandstemperaturkoeffizienten und thermoelektrischer Kraft gegenüber Kupfer, eine hohe Zeitstabilität der elektrischen Eigenschaften, höhere Korrosionsbeständigkeit und hohes Formänderungsvermögen hat, so daß im Endergebnis die Meßgenauigkeit erhöht wird.

Erfindungsgemäß dient zur Lösung dieser Aufgabe eine Legierung für Präzisionswiderstände auf Kupferbasis mit einem Manganzusatz, bestehend aus 8 bis 14% Mangan, 0,1 bis 10% Gallium und Kupfer als Rest.

Vorzugsweise ist die Legierung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sie bezüglich der Anteile an Kupfer und Mangan stöchiometrisch der intermetallischen Verbindung Cu₆Mn entspricht, wobei ein Teil des Mangans durch Gallium ersetzt ist.

Weitere Legierungszusammensetzungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die vorgeschlagene Legierung wird durch Zusammenschmelzen der Ausgangskomponenten entweder in einem Hochfrequenzofen unter einer Schutzschicht von Borax, oder im Neutralgasmedium im Tiegel aus Aluminiumoxid mit nachfolgendem Vergießen in Kupferformen hergestellt. Aus der gewonnenen Legierung wird durch plastische Formänderung Draht bzw. Band gefertigt. Die Legierungskomponenten werden vorzugsweise so gewählt, daß sie der stöchiometrischen Zusammensetzung der interme-

Charakteristiken. So hat beispielsweise die Legierung, 55 tallischen Verbindung Cu₅Mn entsprechen, wo ein

Gold-Chrom eine relativ hohe thermoelektrische Kraft

gegenüber Kupfer, die —7

Grad

ist, was diese Legierung für die Verwendung in Gleichstromketten wegen der Meßungenauigkeiten untauglich macht. Die Legierung Silber-Mangan hat keine gute Zeitstabilität von elektrischen Eigenschaften.

Korrosionsbeständige Legierungen auf Nickelbasis, wie z. B. die oben an letzter Stelle genannte Nickel-Chrom-Kupfer-Aluminium-Legierung, sind recht kompliziert in der Herstellung und besitzen keine hohe Stabilität der elektrischen Eigenschaften. Die oben in der Aufzählung an zweiter Stelle genannte Teil des Mangans zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften durch Gallium ersetzt wird. Die weiteren Zusätze an Indium, Aluminium, Nickel bzw. Germanium in den bevorzugten Legierungen dienen zur weiteren Verbesserung der elektrischen Eigenschaften. Die Einführung von Gallium in der Menge von 0,1 bi: 10% in die Kupfer-Mangan-Legierung gewährleistet neben der Erhöhung des elektrischen Widerstandes eine flache Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes von der Temperatur, d. h., es werden minimale Widerstandstemperaturkoeffizienten und minimale thermoelektrische Kräfte in Verbindung mit Kupfer erhalten, erhöht die Korrosionsbeständigkeit

der Legierung und verbessert beträchtlich ihre plastischen Eigenschaften.

Die kleinen Zusätze von Germanium in den bevorzugten Legierungen nach den Ansprüchen 5 und 6 erniedrigen den Widerstandstemperaturkoeffizient, verbessern die Zeitstabilität von elektrischen Eigenschaften der Legierung (vgl. Beispiel 1 und 3).

Die Einführung von Indium in einer Menge von 0,1 bis 1,5%, das einen großen Atomradius hat, beschleunigt den Stabilisierungsprozeß der Legierungseigenschaften, trägt dazu bei, eine Legierungsstruktur mit geringerer freier Energie zu erhalten und erhöht die Korrosionsbeständigkeit der Legierung.

Der Ersatz eines Teiles von Gallium durch 0,1 bis 5% Aluminium ermöglicht die Senkung des Preises der Legierung und Erhöhung ihrer Festigkeitsgrenze. Die Einführung in die Legierung von Nickel in einer Menge von 0,1 bis 5% verbessert die Korrosionsbeständigkeit der Legierung und erhöht ihre Festigkeitsgrenze.

Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nachstehend Beispiele für Zusammensetzungen der Legierungen sowie für ihre Eigenschaften angeführt.

Beispiel 1

Die Legierung, die aus 12% Mangan, 6% Gallium, 1% Indium, 0,5% Germanium, 80,5% Kupfer besteht, hat folgende elektrische Grundcharakteristiken:

Spezifischer elektrischer Widerstand:
ρ = 0,5 · 10-· Ohm

Widerstandstemperaturkoeffizient:

«m = -0,6 · 10-⁸ l/Grad
β = -0,004 · 10-« l/Grad*

thermoelektrische Kraft in Verbindung mit Kupfer im Temperaturintervall von 15 bis 4O⁰C:

At

Die Legierung besitzt einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand, flache Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur und praktische eine dem Wert Null gleiche thermoelektrische Kraft in Verbindung mit Kupfer.

Beispiel 2

Die Legierung, die aus 9 % Mangan, 6,6 % Gallium und 84,4% Kupfer besteht, besitzt folgende Eigenschaften:

Spezifischer elektrischer Widerstand:

ρ = 0,36 · 10-· Ohm

Widerstandstemperaturkoeffizient:

«„ = +1,6 · 10-· l/Grad

β = 0.28 · 10-· l/Grad«

60

Thermoelektrische Kraft in Verbindung mit Kupfer:

^AE ₌ Q₃^
At ' "C

Beispiel 3

Die Legierung, die aus 9,2 % Mangan, 6,6 % Gallium, 0,2% Germanium und 84% Kupfer besteht, besitzt folgende elektrische Charakteristiken:

Spezifischer elektrischer Widerstand:
ρ = 0,37 · 10-· Ohm

Widerstandstemperaturkoeffizient:

Ot₂₀ = -0,2 · 10-· l/Grad
ß= -0,27 ■ 10-" 1/Grad^a

Thermoelektrische Kraft in Verbindung mit Kupfer:

0,3
At ⁰C

Mechanische Eigenschaften der Legierung:

Relative Dehnung 34%

a₅ Zugfestigkeit 441

N mm¹

Die Legierung besitzt einen niedrigeren Widerstandstemperaturkoeffizient Λ», hohe Zeitstabilität der Eigenschaften und kleine thermoelektrische Kraft. Die Legierung besitzt einen praktisch dem Wert Null gleichen Widerstandstemperaturkoeffizienten λ₂ο> hohe Zeitstabilität der elektrischen Eigenschaften, geringe thermoelektrische Kraft in Verbindung mit Kupfer, hohe plastische Eigenschaften. Die Legierung erträgt eine Dauervibration. Die Kontrollprüfung der Spule, die aus dieser Legierung hergestellt wurde, auf dem Vibrationsstand mit einer Stoßfrequenz von 90 Stößen in der Minute und einer Beschleunigung von 3 g während zwei Stunden hat ergeben, daß die Spule ihre Nominalparameter praktisch nicht ändert. In anderen Beispielen der Erfindungsausführung kann ein Teil von Gallium durch 0,1 bis 5 % Aluminium ersetzt werden. Dies gestattet es, den Kostenpreis der Legierung zu senken und die Festigkeit zu erhöhen. Ferner kann auch Nickel in einer Menge von 0,1 bis 5 % eingeführt werden, was die Korrosionsbeständigkeit der Legierung verbessert und ihre Festigkeit erhöht.

Auf diese Weise gewährleisten die Legierungen der vorgeschlagenen Zusammensetzung praktisch dem Wert Null gleiche Widerstandstemperaturkoeffizienten bei sehr kleinen Koeffizienten /5, was die Meßgenauigkeit um eine .Größenordnung höher als die bestehende und den Einsatz der Legierung in einem breiteren Temperaturbereich gewährleistet. Die Herstellung von Legierungen mit praktisch dem Wert Null gleichen Widerstandstemperaturkoeffizienten erfordert keine umständliche technologische Bearbeitung infolge einer flacheren Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur.

Der schädliche Einfluß der Thermoströme kann dank minimaler thermoelektrischer Kraft der Legierung in Verbindung mit Kupfer vermieden werden. Werden in der Legierung Elemente verwendet, die zum geordneten Zustand neigen, und stimmt die Zusammensetzung mit der stöchiometrischen Formel überein, so wird der zeitmäßige Stabilisierungsprozeß der Eigenschaften beschleunigt.

Da die Legierung gute Gießeigenschaften, hohe Duktilität und Plastizität besitzt, wird sie während des

Lötvorganges leicht von Niedertemperatur- und anderen Loten benetzt.

Die guten Korrosionseigenschaften gewährleisten die Zeitstabilität der Legierung, die mit der Veränderung der Oberfläche verbun^n ist.

Neben den bereits aufgezählten Vorteilen weisen Legierungen nach der vorliegenden Erfindung auch den Vorteil auf, daß die Änderung des Widerstandswertes in Abhängigkeit von der Zeit äußerst gering ist, nämlich weniger als 10~*% pro Jahr. Auch der zweite

Temperaturkoeffizient des Widerstandswertes -^- ist äußerst gering. Dies ist wichtig, weil die Erhöhung des Wertes des zweiten Temperaturkoeffizienten, d. h. eine Vergrößerung der Krümmung der w-/-Kurve,-die Erfordernisse der thermischen Behandlung der Legierung verschärft, da eine Änderung bei der thermischen Behandlung eine Verschiebung der Lage des oberen Punktes der Kurve hervorruft und, je geringer ihre Krümmung ist, desto geringer sich diese Verschiebung auf den Widerstandswert der Legierung bei normaler Temperatur auswirkt. Die geringe Thermokraft gegenüber Kupfer ist nicht nur an sich wichtig, weil sie eine Quelle der Meßfehler ist, sondern auch deshalb, weil eine hohe Thermokraft einer Kupferlegierung gegenüber Kupfer auf eine wesentliche Diskrepanz zwischen den Fermi-Niveaus (den chemischen Potentialen) für Kupfer und für die Legierung hinweisen und diese Diskrepanz zu einer Unstabiiität des Systems Legierung-Kupfer führt, wodurch eine Unstabiiität des Widerstandes des gesamten Systems Widerstand-Draht-Anschlußklemme hervorgerufen wird.

Die nachfolgende Tabelle zeigt einen Vergleich zwischen der bekannten Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung einerseits und Legierungen nach den Beispielen 2 und 3 der vorliegenden Erfindung andererseits.

	Bekannte Legierung	Legierung gemäß Erfindung	0,37
		Beispiel 2 | Beispiel 3
Spez. Wider
stand bei 20°C
in μ Ohm · m	0,43	0,36	0,2 · 10-«
Temperatur-
koeff. des
Widerstands
in K-1 . ..	±10 · 10-«	1,6 · 10-«	-0,3
Thermokraft
gegenüber
Kupfer in
μ V/K	-0,6	-0,3
Zweiter			-0,27-10-«
Temperatur-
koeff. des
Widerstandes
in K-2	—	-0,28-10-«

Die Tabelle zeigt, daß hinsichtlich zweier Werte Verbesserungen erzielt werden, während der zweite Temperaturkoeffizient des Widerstandswertes für die bekannte Legierung nicht bekannt ist.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Legierung für Präzisionswiderstände auf Kupferbasis mit einem Manganzusatz, bestehend aas 8 bis 14% Mangan, 0,1 bis 10% Gallium und Kupfer als Rest

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie bezüglich der Anteile an Kupfer und Mangan stöchiometrisch der intermetallischen Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung hat ebenfalls eine große thermoelektrische Kraft gegenüber Kupfer