DE3814439A1 - Material fuer elektrische kontaktfedern aus einer kupferlegierung und dessen verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Material auf Basis einer Kupferlegierung zur Verwendung für elektrische Kontakte, das hohe Festigkeit und Zähigkeit besitzt, gutes Haftvermögen gegenüber Loten zeigt und dessen Eigenschaften verminderte Anisotropie besitzen, was darin zum Ausdruck kommt, daß seine Eigenschaften, gemessen in zwei verschiedenen Richtungen, d. h. in der Bearbeitungs- bzw. Verformungsrichtung und der Richtung senkrecht zu dieser, nicht wesentlich voneinander abweichen.

Kupferlegierungen mit einem Gehalt an 2 bis 5 Gew.-% Ti (nachstehend beziehen sich alle Prozentangaben auf das Gewicht) sind Kupferlegierungen des Ausscheidungshärtungs- Typs, deren Festigkeit vergleichbar mit der von Berylliumkupfer ist. Diese Legierungen wurden üblicherweise als Kontaktmaterialien oder Federmaterialien zur Verwendung in elektrischen Kontaktteilen, wie Verbindungsteilen und Schaltern, angewendet, für die hohe Festigkeit und Zähigkeit erforderlich ist.

Typische konventionelle elektrische Kontakte sind in den Fig. 1 bis 4 gezeigt.

Die Nachfrage nach kleineren und leichteren Vorrichtungsteilen ist in letzter Zeit stetig angestiegen und um dieses Erfordernis zu erfüllen, ist es unvermeidbar, daß eine Tendenz zur Verminderung der Wanddicke von Teilen bei gleichzeitiger Erhöhung ihrer Festigkeit besteht. Wenn der Grad der Verformung bzw. Bearbeitung ansteigt, wie es bei gewalzten oder gezogenen Materialien der Fall ist, werden die mechanischen Eigenschaften dieser Teile in zwei Richtungen weitgehend unterschiedlich, d. h. in der Verformungsrichtung und in der dazu senkrechten Richtung. Diese Anisotropie der Eigenschaften ist verhängnisvoll bei Federmaterialien, speziell im Hinblick auf den Schwellenwert (Ansprechwert) von Federn oder deren Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegezyklen. Wenn bei elektrischen Kontakten, die bei ihrer Herstellung zu komplizierten Gestalten gebogen werden müssen, eine Inhomogenität der Materialeigenschaften auftritt, kommt es nach dem Bearbeiten zu Torsionsspannungen oder die Dimensionsgenauigkeit wird in einem solchen Ausmaß verschlechtert, daß das beabsichtigte Biegen praktisch unmöglich wird.

Die Anisotropie der Eigenschaften ist vor allem bei den bekannten, vorstehend beschriebenen Cu-Ti-Legierungen besonders merklich und es treten daher verschiedene Nachteile auf. Erstens können die Legierungen nicht in dem notwendigen hohen Ausmaß verformt werden. Zweitens erfordert das Verformungsverfahren eine zusätzliche Wärmebehandlungsstufe bei ausreichend erhöhten Temperaturen, um die Anisotropie zu beseitigen. Dies führt nicht nur zu einem komplizierten und aufwendigen Verformungsverfahren, sondern durch die hohen angewendeten Temperaturen wird unvermeidbar das Kornwachstum, die Versprödung und Oxidation verursacht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Cu-Ti-Legierung zur Verfügung zu stellen, die verminderte Anisotropie der Eigenschaften und gutes Haftvermögen gegenüber Loten zeigt und die daher besonders gut geeignet zur Verwendung als Federmaterial für elektrische Kontakte ist.

Bei den der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen wurde folgendes gefunden: Wenn den bekannten Cu-Ti-Legierungen sowohl Co als auch Cr als Legierungselement einverleibt wird, wird eine Legierung erhalten, bei deren Verformung eine dramatische Verminderung der Anisotropie der Eigenschaften auftritt; gleichzeitig werden die Primärkristalle in der intermetallischen Co-Ti-Verbindung durch die Wirkung des als Bestandteil vorliegenden Cr wirksam verfeinert, so daß wesentliche Verbesserungen der Biege- und Plattier (Metallisier)-Eigenschaften verwirklicht werden. Wenn zusätzlich Ni und/oder Fe zugesetzt werden, wird eine noch größere Verminderung der Anisotropie erzielt, während ein noch besseres Haftvermögen gegenüber Loten erreicht werden kann, indem zusätzlich mindestens ein Element aus der aus Ca, Mg, Zn, Cd, Li, Zr, Si, Mn, Sn und Al bestehenden Gruppe hinzugefügt wird.

Die Erfindung basiert auf den vorstehend erläuterten Feststellungen.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Material für elektrische Kontaktfedern aus einer Kupferlegierung mit hoher Festigkeit und Zähigkeit und mit verminderter Anisotropie der Eigenschaften und gutem Haftvermögen gegenüber Loten. Diese Legierung besteht im wesentlichen aus 2,2 bis 5 Gew.-% Ti, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Co, 0,02 bis 0,5 Gew.-% Cr, 0 bis 0,6 Gew.-% Ni und/oder Fe, 0 bis 0,5 Gew.-% mindestens eines der Elemente Ca, Mg, Zn, Cd, Li, Zr, Si, Mn, Sn und Al und zum restlichen Anteil aus Cu und zufälligen Verunreinigungen.

Die beigefügten Zeichnungen dienen zur Erläuterung der Erfindung. Darin zeigen die Fig. 1 bis 4 Skizzen von typischen elektrischen Kontakten. Fig. 1 zeigt einen Blattkontakt, Fig. 2 zeigt einen Stab-Sockelkontakt, Fig. 3 zeigt einen Blatt-Gabel-Kontakt und Fig. 4 zeigt einen Drahtkontakt.

Die Erfindung wird nachstehend ausführlicher anhand der verschiedenen Bestandteile erläutert. Die kritische Bedeutung der Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Kupferlegierung wird zunächst beschrieben.

(a) Ti

Das als Komponente vorliegende Titan hat die Fähigkeit, die Festigkeit und Zähigkeit der Legierung zu verbessern. Wenn der Ti-Gehalt weniger als 2,2% beträgt, werden diese Wirkungen nicht erreicht. Überschreitet der Ti-Gehalt 5%, wird die Heißverformbarkeit der Legierung verschlechtert. Der Ti-Gehalt ist daher auf Werte innerhalb des Bereiches von 2,2 bis 5 Gew.-% beschränkt.

(b) Co und Cr

Wie bereits erwähnt, haben Co und Cr, wenn sie in Kombination vorliegen, die Fähigkeit, ein Verarbeiten bzw. Verformen der Legierung zu ermöglichen, ohne daß dabei starke Anisotropie der Legierungseigenschaften verursacht wird, und ermöglichen darüber hinaus die Verfeinerung der metallurgischen Struktur der Legierung, wodurch deren Biege- und Plattiereigenschaften verbessert werden. Wenn die Gehalte an Co und Cr weniger als 0,1 Gew.-% bzw. 0,02 Gew.-% betragen, werden diese Wirkungen nicht erreicht. Überschreitet der Co-Gehalt 0,8% und der Cr-Gehalt 0,5%, werden grobe Kristallkörner in der Matrix dispergiert, so daß die Biege- und Plattiereigenschaften der Legierung verschlechtert werden. Aus diesem Grund sind die Gehalte dieser Bestandteile auf Werte innerhalb des Bereiches von 0,1 bis 0,8 Gew.-%, vorzugsweise 0,2 bis 0,5 Gew.-% für Co und 0,02 bis 0,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 bis 0,2 Gew.-% für Cr beschränkt.

(c) Ni und Fe

Diese Elemente sind wirksam, um die Anisotropie der Eigenschaften der Legierungen weiter zu vermindern. Sie haben außerdem die Fähigkeit, der Legierung verbesserte elektrische Leitfähigkeit zu verleihen. Beide Elemente sind Wahlbestandteile und sie sollten nicht in einer Menge zugesetzt werden, welche 0,6 Gew.-% für jedes oder für die Kombination beider überschreitet. Andernfalls wird die Festigkeit der Legierung vermindert und Kornwachstum tritt in der kristallisierten intermetallischen Verbindung auf. Wenn daher Ni und/oder Fe zugesetzt werden, sollte ihr Gehalt einen Wert von 0,6 Gew.-% nicht überschreiten, wobei der Bereich von 0,05 bis 0,6 Gew.-% bevorzugt ist.

(d) Ca, Mg, Zn, Cd, Li, Zr, Si, Mn, Sn und Al

Diese Wahlbestandteile sind wirksam, die Legierungen mit noch stärker verbessertem Haftvermögen gegenüber Loten zu versehen. Wenn eines oder mehrere dieser Elemente in einer Gesamtmenge von mehr als 0,5 Gew.-% zugefügt wird, wird jedoch die Fähigkeit der Legierung, an Loten zu haften, wesentlich verschlechtert. Wenn daher diese Elemente eingesetzt werden, sollten sie in Mengen von nicht mehr als 0,5 Gew.-% zugefügt werden. Der bevorzugte Bereich liegt bei 0,01 bis 0,5 Gew.-%.

Das nachstehende Beispiel soll dazu dienen, die Erfindung noch weiter zu erläutern, ohne daß diese darauf beschränkt sein soll.

Beispiel

Schmelzen mit den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen wurden in einem Graphittiegel in einem üblichen Hochfrequenz- Vakuumschmelzofen hergestellt. Die Schmelzen wurden zu zylindrischen Barren vergossen, die jeweils einen Durchmesser von 60 mm und ein Gewicht von 5 kg hatten. Nach dem Schälen wurden die Barren geschmiedet und zu 100 mm breiten und 6 mm dicken Platten heißgewalzt. Diese Platten wurden dann einer Festlösungsbehandlung unterworfen, bei der sie eine Stunde lang bei 920°C gehalten und danach in Wasser abgeschreckt wurden. Die Platten wurden außerdem zyklischen Behandlungen unterworfen, die aus Kaltwalzen und Zwischenglühen bei Temperaturen zwischen 360 und 500°C und einem darauffolgenden abschließenden Kaltwalzen bis zu einer 50%igen Dickenverminderung bestanden. Nachdem abschließend ein 20minütiges Glühen bei 360°C zur Beseitigung der Spannungen erfolgt war, wurden 0,25 µm dünne Platten aus den Kupferlegierungen der Proben Nr. 1 bis 24 gemäß der Erfindung und aus den Vergleichsproben Nr. 1 bis 3 hergestellt.

Die Zugfestigkeit, Dehnung und der Feder-Schwellenwert jeder Plattenprobe wurden sowohl in der Walzrichtung, als auch in der Richtung senkrecht zu dieser gemessen. Ein zyklischer Biegetest wurde außerdem nach der folgenden Methode durchgeführt: Ein Teststück wurde auf einer Aufspannvorrichtung aufrecht zwischen zwei Trägern festgehalten, wovon jeder eine gekrümmte Kante mit einem Krümmungsradius von 0,2 mm hatte. Das Teststück wurde zyklisch um 90° in entgegengesetzten Richtungen über die Träger gebogen, wobei vier 90°-Biegungen von einer Seite zu der anderen Seite erfolgten, bis Rißbildung in dem gebogenen Bereich eintrat. Der Widerstand der Probe gegen zyklisches Biegen wurde bewertet, indem die Anzahl der Biegungen gezählt wurde, welche die Probe ohne Rißbildung überstand (d. h., wieviel Male die Probe um 90° gebogen werden konnte).

Das Haftvermögen von Loten oder Lötmitteln an den Proben wurde nach folgender Methode bestimmt: Jedes Teststück wurde in geschmolzenes Lot (Sn-37% Pb) von 230°C getaucht, so daß ein Lötmittelüberzug von etwa 10 µm auf der Oberfläche des Teststückes gebildet wurde. Das mit Lötmittel überzogene Stück wurde an der Luft in einem Ofen auf 150°C erhitzt und alle 100 Stunden wurde das Stück aus dem Heizofen entnommen und ein Querschnitt wurde unter einem optischen Mikroskop beobachtet, um festzustellen, ob Trennung zwischen dem Lötmittelüberzug und dem Substrat erfolgt war. Die gesamte Zeitdauer bis zum Auftreten einer Abtrennung wurde als Index für die Lötmittelhaftung benutzt. Die Heizdauer überschritt 1000 Stunden jedoch nicht.

Die Ergebnisse aller durchgeführten Tests und Messungen sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.

Tabelle 1

Tabelle 2

Die Daten in Tabelle 2 zeigen, daß die erfindungsgemäßen Proben 1 bis 24 der Kupferlegierung hohe Festigkeit und Zähigkeit hatten und minimale Anisotropie dieser Eigenschaften zeigten und daß sie außerdem gutes Haftvermögen gegenüber Lötmitteln aufwiesen. Andererseits waren die Vergleichsproben 1 bis 3, die im Hinblick auf den Gehalt eines oder mehrerer Komponenten (was durch einen Stern in Tabelle 1 angezeigt ist) außerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches lagen, den erfindungsgemäßen Proben im Hinblick auf mindestens eine der oben beschriebenen Eigenschaften unterlegen.

Wie vorstehend beschrieben ist, hat die erfindungsgemäße Kupferlegierung hohe Festigkeit und Zähigkeit und besitzt minimale Anisotropie dieser Eigenschaften. Da diese sehr geringfügige Anisotropie selbst dann nicht ansteigt, wenn die Legierung einem hohen Grad des Verformens unterworfen wird, kann aus dieser Legierung eine sehr dünne Platte hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Legierung hat den zusätzlichen Vorteil eines guten Haftvermögens gegenüber Loten. Aufgrund dieser Vorteile ist die erfindungsgemäße Legierung als Material zur Herstellung von leichteren und kleineren Federn für elektrische Kontaktteile, wie Verbindungsteile und Schalter, geeignet. Außerdem zeigt das aus dieser Legierung hergestellte Federmaterial das gewünschte Verhalten während langer Dauer.

Claims (8)

1. Material für elektrische Kontaktfedern aus einer Kupferlegierung hoher Festigkeit und Zähigkeit und mit verminderter Anisotropie, im wesentlichen bestehend aus 2,2 bis 5 Gew.-% Ti, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Co, 0,02 bis 0,5 Gew.-% Cr, 0 bis 0,6 Gew.-% Ni und/oder Fe und 0 bis 0,5 Gew.-% mindestens eines die Haftung von Lötmitteln verbessernden Bestandteils, der aus der Gruppe Ca, Mg, Zn, Cd, Li, Zr, Si, Mn, Sn und Al ausgewählt ist, und zum restlichen Anteil aus Cu und zufälligen Verunreinigungen.

2. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 0,2 bis 0,5 Gew.-% Co und 0,05 bis 0,2 Gew.-% Cr enthält.

3. Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Ni und/oder Fe in einer Menge von 0,05 bis 0,6 Gew.-% enthält.

4. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es den Bestandteil zum Verbessern des Haftens von Lötmitteln in einer Menge von 0,01 bis 0,5 Gew.-% enthält.

5. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil zum Verbessern des Haftens von Lötmitteln mindestens ein Element aus der Gruppe Ca, Mg, Zn und Cd ist.

6. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bestandteil zum Verbessern des Haftens von Lötmitteln mindestens ein Element aus der Gruppe Li, Zr, Si, Mn, Sn und Al ist.

7. Verwendung des Materials nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Herstellung von Konktaktfedern.

8. Verwendung gemäß Anspruch 7 zur Herstellung von elektrischen Kontaktfedern.