DE3814439C2 - Legierung für elektrische Kontaktfedern aus einer Kupferlegierung und deren Verwendung - Google Patents
Legierung für elektrische Kontaktfedern aus einer Kupferlegierung und deren VerwendungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupferlegierung
zur Verwendung für elektrische Kontaktfedern,
die hohe Festigkeit und Zähigkeit besitzt, gutes Haftver
mögen gegenüber Loten zeigt und deren Eigenschaften ver
minderte Anisotropie besitzen, was darin zum Ausdruck
kommt, daß ihre Eigenschaften, gemessen in zwei verschie
denen Richtungen, d. h. in der Bearbeitungs- bzw. Verfor
mungsrichtung 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 Beryllium
kupfer ist. Diese Legierungen wurden üblicherweise als Kon
taktmaterialien oder Federmaterialien zur Verwendung in
elektrischen Kontaktteilen, wie Verbindungsteilen und
Schaltern, angewendet, für die hohe Festigkeit und Zähig
keit erforderlich ist.
Typische konventionelle elektrische Kontakte sind in den
Fig. 1 bis 4 gezeigt.
Die Nachfrage nach kleineren und leichteren Vorrichtungs
teilen ist in letzter Zeit stetig angestiegen und um dieses
Erfordernis zu erfüllen, ist es unvermeidbar, daß eine Ten
denz zur Verminderung der Wanddicke von Teilen bei gleich
zeitiger Erhöhung ihrer Festigkeit besteht. Wenn der Grad
der Verformung bzw. Bearbeitung ansteigt, wie es bei ge
walzten 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, spe
ziell im Hinblick auf den Schwellenwert (Ansprechwert) von
Federn oder deren Widerstandsfähigkeit gegenüber Biege
zyklen. Wenn bei elektrischen Kontakten, die bei ihrer
Herstellung zu komplizierten Gestalten gebogen werden müs
sen, eine Inhomogenität der Materialeigenschaften auftritt,
kommt es nach dem Bearbeiten zu Torsionsspannungen oder die
Dimensionsgenauigkeit wird in einem solchen Ausmaß ver
schlechtert, daß das beabsichtigte Biegen praktisch un
möglich wird.
Die Anisotropie der Eigenschaften ist vor allem bei den
bekannten, vorstehend beschriebenen Cu-Ti-Legierungen be
sonders merklich und es treten daher verschiedene Nachteile
auf. Erstens können die Legierungen nicht in dem notwendi
gen 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 Korn
wachstum, die Versprödung und Oxidation verursacht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine ver
besserte Cu-Ti-Legierung zur Verfügung zu stellen, die ver
minderte Anisotropie der Eigenschaften und gutes Haftver
mögen gegenüber Loten zeigt und die daher besonders gut
geeignet zur Verwendung als Federmaterial für elektrische
Kontakte ist.
Bei den der Erfindung zugrundeliegenden Untersuchungen
wurde folgendes gefunden: Wenn den bekannten Cu-Ti-Legie
rungen sowohl Co als auch Cr als Legierungselement einver
leibt wird, wird eine Legierung erhalten, bei deren Verfor
mung eine dramatische Verminderung der Anisotropie der
Eigenschaften auftritt; gleichzeitig werden die Primär
kristalle 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 er
zielt, 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 zugefügt wird.
Die Erfindung basiert auf den vorstehend erläuterten Fest
stellungen.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Kupferlegierung für elek
trische Kontaktfedern mit hoher
Festigkeit, und Zähigkeit und mit verminderter Anisotropie
der Eigenschaften und gutem Haftvermögen gegenüber Loten.
Diese Legierung besteht 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 Verun
reinigungen.
Die beigefügten Zeichnungen dienen zur Erläuterung der Er
findung. Darin zeigen die Fig. 1 bis 4 Skizzen von typi
schen elektrischen Kontakten. Fig. 1 zeigt einen Blatt
kontakt, 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 erfindungs
gemäßen Kupferlegierung wird zunächst beschrieben.
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 Wir
kungen 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.
Wie bereits erwähnt, haben Co und Cr, wenn sie in Kombina
tion vorliegen, die Fähigkeit, ein Verarbeiten bzw. Ver
formen der Legierung zu ermöglichen, ohne daß dabei starke
Anisotropie der Legierungseigenschaften verursacht wird, und
ermöglichen darüber hinaus die Verfeinerung des Gefüges
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.-% be
tragen, werden diese Wirkungen nicht erreicht. Überschrei
tet 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 verschlech
tert werden. Aus diesem Grund sind die Gehalte dieser Be
standteile 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 be
schränkt.
Diese Elemente sind wirksam, um die Anisotropie der
Eigenschaften der Legierung weiter zu vermindern. Sie haben
außerdem die Fähigkeit, der Legierung verbesserte elek
trische Leitfähigkeit zu verleihen. Beide Elemente sind
Wahlbestandteile und sie sollten nicht in einer Menge zu
gesetzt werden, welche 0,6 Gew.-% für jedes oder für die
Kombination beider überschreitet. Andernfalls wird die Fe
stigkeit 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.
Diese Wahlbestandteile sind wirksam, die Legierung 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, we
sentlich verschlechtert. Wenn daher diese Elemente einge
setzt 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.
Schmelzen mit den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzun
gen wurden in einem Graphittiegel in einem üblichen Hoch
frequenz-Vakuumschmelzofen hergestellt. Die Schmelzen wur
den 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 ab
schließend ein 20-minütiges Glühen bei 360°C zur Beseiti
gung 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 je
der 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 Auf
spannvorrichtung aufrecht zwischen zwei Trägern festgehal
ten, wovon jeder eine gekrümmte Kante mit einem Krümmungs
radius von 0,2 mm hatte. Das Teststück wurde zyklisch um
90° in entgegengesetzten Richtungen über die Träger ge
bogen, wobei vier 90°-Biegungen von einer Seite zu der an
deren Seite erfolgten, bis Rißbildung in dem gebogenen Be
reich eintrat. Der Widerstand der Probe gegen zyklisches
Biegen wurde bewertet, indem die Anzahl der Biegungen ge
zählt wurde, welche die Probe ohne Rißbildung überstand
(d. h., wieviel Male die Probe um 90° gebogen werden konn
te).
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 ge
taucht, so daß ein Lötmittelüberzug von etwa 10 µm auf der
Oberfläche des Teststückes gebildet wurde. Das mit Löt
mittel 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 be
nutzt. Die Heizdauer überschritt 1000 Stunden jedoch nicht.
Die Ergebnisse aller durchgeführten Tests und Messungen
sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.
Die Daten in Tabelle 2 zeigen, daß die erfindungsgemäßen
Proben 1 bis 24 der Kupferlegierung hohe Festigkeit und
Zähigkeit hatten und minimale Anisotropie dieser Eigen
schaften zeigten und daß sie außerdem gutes Haftvermögen
gegenüber Lötmitteln aufwiesen. Andererseits waren die Ver
gleichsproben 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 min
destens eine der oben beschriebenen Eigenschaften unter
legen.
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 her
gestellt werden. Die erfindungsgemäße Legierung hat den zu
sätzlichen Vorteil eines guten Haftvermögens gegenüber Lo
ten. Aufgrund dieser Vorteile ist die erfindungsgemäße Le
gierung als Material zur Herstellung von leichteren und
kleineren Federn für elektrische Kontaktteile, wie Ver
bindungsteile und Schalter, geeignet. Außerdem zeigt das
aus dieser Legierung hergestellte Federmaterial das ge
wünschte Verhalten während langer Dauer.
Claims (8)
1. Legierung für elektrische Kontaktfedern mit
hoher Festigkeit und Zähigkeit und mit verminderter
Anisotropie, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 2,2
bis 5 Gew.-% Titan, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Kobalt, 0,02 bis 0,5 Gew.-%
Chrom, 0 bis 0,6 Gew.-% Nickel und/oder Eisen und 0 bis 0,5 Gew.-%
mindestens eines die Haftung von Lötmitteln verbessernden
Bestandteils, der aus der Gruppe: Calcium, Magnesium, Zink, Cadmium, Lithion,
Zirkonium, Silicium, Mangan, Zinn und Aluminium ausgewählt ist, und zum restlichen Anteil
aus Kupfer und zufälligen Verunreinigungen besteht.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sie 0,2 bis 0,5 Gew.-% Kobalt und 0,05 bis
0,2 Gew.-% Chrom enthält.
3. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sie Nickel und/oder Eisen in einer Menge von
0,05 bis 0,6 Gew.-% enthält.
4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß sie den Bestandteil zum
Verbessern des Haftens von Lötmitteln in einer Menge von
0,01 bis 0,5 Gew.-% enthält.
5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Bestandteil zum Verbessern
des Haftens von Lötmitteln mindestens ein Element
aus der Gruppe Calcium, Magnesium, Zink und Cadmium ist.
6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Bestandteil zum Verbessern
des Haftens von Lötmitteln mindestens ein Element
aus der Gruppe Lithium, Zirkonium, Silicium, Mangan, Zinn und Aluminium ist.
7. Verwendung der Legierung nach einem der Ansprüche 1
bis 6 zur Herstellung von Federn.
8. Verwendung gemäß Anspruch 7 zur Herstellung von
Federn für elektrische Kontakte.
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