DE4410246C2 - Mehrschichtverbund-Federwerkstoff - Google Patents

Mehrschichtverbund-Federwerkstoff

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Description

Die Erfindung betrifft einen korrosionsbeständigen Mehrschichtverbund-Federwerkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung als Bauteil in elektronischen Schaltern.
Werkstoffe, welche Kontaktträgerfunktionen ausüben sollen, müssen neben guter elektrischer Leitfähigkeit auch gute Festigkeitseigenschaften sowie eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Bei Verwendung des Kontaktträgers als Kontaktfeder müssen die Werkstoffe zudem gute Federeigenschaften zeigen. Das Merkmal "Federeigenschaft" ist keine exakt meßbare Werkstoffkenngröße, entspricht aber praktisch der Federbiegegrenze des Werkstoffes.
Die wesentlichen Kenngrößen eines Kontaktfederwerkstoffes werden somit durch die folgenden Parameter bestimmt:
  • - elektrische Leitfähigkeit
  • - Streckgrenze Rp0.2
  • - Zugfestigkeit Rm
  • - Biegewechselfestigkeit
  • - thermische Relaxation
  • - Federbiegegrenze
Die folgenden Legierungen und Mehrschichtverbund-Werkstoffe sind typische Vertreter aus dem Stand der Technik, welche die obigen für Kontaktfederwerkstoffe erforderlichen Eigenschaftskombinationen im wesentlichen erfüllen:
  • - CuBe1.7 Werkstoff-Nr. 2.1245; gemäß DIN 17666
  • - CuBe2,0 Werkstoff-Nr. 2.1247; gemäß DIN 17666
  • - CuZn23A13.5Co UNS C 68800
  • - NiBe2 Werkstoff-Nr. 2.4132; gemäß DIN 17741-63
  • - CuNi2Be Werkstoff-Nr. 2.0850; gemäß DIN 17666
  • - CuZr Werkstoff-Nr. 2.1580; gemäß DIN 17666
  • - CuCo2Be Werkstoff-Nr. 2.1285; gemäß DIN 17666
  • - CuSn6 Werkstoff-Nr. 2.1020; gemäß DIN 17662
  • - NiBe2/CuCr/NiBe2
  • - CuNi20Mn20/CuCrZr/CuNi20Mn20
  • - NiCu30Fe/Cu/NiCu30Fe
  • - CuSn6/Cu/CuSn6
Die jeweilige chemische Zusammensetzung und die elektrische Leitfähigkeit der Kontaktfederwerkstoffe und der Verbundwerkstoff-Komponenten sind in Tabelle 1 aufgeführt.
Die Teilrealisierung der gestellten Eigenschaftsforderung erfolgt durch einen Mehrschichtverbundwerkstoff, bei dem gemäß der bekannten Spannungstheorie eines gebogenen Stabes eine hoch leitfähige Schicht beidseitig mit einem hochfesten Werkstoff plattiert wird, weil bei einem gebogenen Stab die größten Spannungen in den äußeren Fasern auftreten.
Solche Legierungen bzw. Mehrschichtverbundwerkstoffe enthalten teure Legierungselemente wie Be, Zr, Co, Zn, sowie hohe Anteile an Ni, wodurch die Herstellungskosten sehr hoch sind. Ferner ist Be ein toxisches Element, was eine erhöhte Sorgfalt und die Einhaltung bestimmter Sicherheitsvorschriften bei der Handhabung erfordert.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Mehrschichtverbund-Federwerkstoff zur Verfügung zu stellen, der kostengünstig und umweltverträglich herstellbar ist, korrosionsbeständig ist und eine hohe elektrische Leitfähigkeit sowie ausgezeichnete Federeigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Mehrschichtverbund-Federwerkstoff gelöst, der aus drei ganzseitig verbundenen Schichten mit der Folge:
Edelstahlschicht/Kupferzwischenschicht/Edelstahlschicht, aufgebaut ist, wobei die Kupferzwischenschicht aus Kupfer oder einer niedrig legierten Kupferlegierung mit einem Cu- Gehalt von mindestens 98,0% besteht und der Mehrschichtverbundwerkstoff eine elektrische Leitfähigkeit 10 m/ (Ω · mm²) hat, und der Edelstahl ausgewählt ist aus einem der folgenden Werkstoffe:
X 12 CrNi
17 7 (Werkst.-Nr. 1.4310) gemäß DIN 17 224/SEW 400
X 2 CrNiN 18 10 (Werkst.-Nr. F1.4311) gemäß DIN 17 440/17441
X 2 CrNiMoN 17 12 2 (Werkst.-Nr. 1.4406) gemäß DIN 17 440/17441
X 2 CrNiMoN 18 13 3 (Werkst.-Nr. 1.4428) gemäß DIN 17 443
X 2 CrNiMoN 17 13 3 (Werkst.-Nr. 1.4429) gemäß DIN 17 440/17441
X 7 CrNiAl 17 7 (Werkst.-Nr. 1.4568) gemäß DIN 17 224
X 15 CrNiSi 25 20 (Werkst.-Nr. 1.4841) gemäß SEW 470
Der Mehrschichtverbund-Federwerkstoff ist üblicherweise als Flachmaterial (Bandmaterial) aus drei durch Plattieren ganzseitig verbundenen Schichten ausgebildet.
Die Schichten in den erfindungsgemäßen Mehrschichtverbund- Federwerkstoffen sind vorteilhaft durch Walzplattieren ganzseitig verbunden. Besonders bevorzugt ist hierbei das Kaltwalzplattieren. Beim Fertigungsweg Kaltwalzplattieren wird nur ein "Stich" mit einem Gesamtverformungsgrad V von mindestens 45% vorgenommen. Hierbei ist V definiert als:
mit:
Ag = A₁ + A₂ + A₃
A₁, A₂, A₃: Querschnittsflächen der einzelnen Ausgangsschichten
Ac: Querschnittsfläche des Mehrschichtverbund-Federwerkstoffes
Eine Verformung von weniger als 45% führt zu keiner Haftung der plattierten Schichten.
Die chemische Zusammensetzung und die elektrische Leitfähigkeit der erfindungsgemäß verwendeten Edelstahlkomponenten sind in Tabelle 2 aufgelistet. Austenitische nichtrostende Edelstähle zeichnen sich durch eine sehr gute Kaltverformbarkeit aus. Durch eine solche Kaltverformung, wie sie beim Kaltwalzplattierprozeß erfolgt, wird eine hohe Festigkeit und Federbiegegrenze erreicht. Diese charakteristische Eigenschaft der guten Kaltverfestigungsfähigkeit wird bei den erfindungsgemäßen Mehrschichtverbund-Federwerkstoffen genutzt.
Die elektrische Leitfähigkeit in den erfindungsgemäßen Mehrschichtverbundwerkstoffen beträgt mindestens 10 m/(Ω · mm²). Diese hohe elektrische Leitfähigkeit wird durch die erfindungsgemäße Zwischenschicht aus technisch reinem Kupfer oder niedrig legierten Kupferlegierungen mit einem Cu-Gehalt von mindestens 98,0% erreicht, wobei die Dicke dieser Kernschicht mindestens 20% der Gesamtdicke des Mehrschichtverbund-Federwerkstoffes, bevorzugt 20 bis 60% beträgt. Der spezifische elektrische Widerstand p wird mittels einer Vierleiter-Widerstandsmessung bestimmt.
Die elektrische Leitfähigkeit ergibt sich dann aus der Beziehung:
= i/ρ
Die qualitative Bewertung der guten Federeigenschaften, ausgedrückt durch eine hohe Federbiegegrenze <800 N/mm² (gemäß DIN 50151) und die sehr hohe Zugfestigkeit Rm < 1000 N/mm² erfolgt in Anlehnung an DIN 17666 Tabelle 4.
Diese vorteilhaften Eigenschaften, verbunden mit guter elektrischer Leitfähigkeit, werden in den erfindungsgemäßen Mehrschichtverbund-Federwerkstoffen dadurch erzielt, daß auf der Ober- und Unterseite einer Kupferkernschicht durch Plattieren, vorzugsweise Kaltwalzplattieren, die kostengünstigen nichtrostenden Edelstahlschichten gemäß Tabelle 2 aufgebracht werden. Die Dicke der einzelnen aufplattierten Edelstahlschichten beträgt vorteilhaft mindestens 20% der Gesamtdicke des Mehrschichtverbund- Federwerkstoffes. Vorzugsweise sind die beiden Edelstahlschichten gleich dick.
Eine Verbesserung der Festigkeit und der Federeigenschaften des Mehrschichtverbund-Federwerkstoffes wird durch Anlaß oder Aushärtewärmebehandlung im kaltverfestigten Zustand erreicht. Hierzu wird zunächst ein erfindungsgemäßer Mehrschichtverbundwerkstoff hergestellt, worin die Edelstahlschichten aus je einem der folgenden Werkstoffe ausgewählt sind:
X 12 CrNi
17 7 (Werkstoff-Nr. 1.4310)
X 7 CrNiAl 17 7 (Werkstoff-Nr. 1.4568)
Die Kaltverfestigung dieses Mehrschichtverbundwerkstoffes wird durch Kaltverformung mit einer Querschnittsverminderung von mindestens 30% erreicht. Die Verbesserung der Federeigenschaften ergibt sich durch eine anschließende Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 300°C bis 560°C.
Die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Mehrschichtverbund-Federwerkstoffe sind beispielhaft für die Werkstoffkombination:
35/35 (Werkstoff-Nr. 1.4568) auf SE-Cu (Werkstoff Nr. 2.0070 gemäß DIN 1708) in Tabelle 3 dargestellt. Die Angaben beziehen sich auf einen erfindungsgemäßen Mehrschichtverbund-Federwerkstoff mit dem Schichtaufbau:
35% (Werkst.-Nr. 1.4568)/30% SE-CU/35% (Werkst.-Nr. 1.4568) bei einer Gesamtdicke von 0,14 mm im kaltverfestigten und angelassenen Zustand.
Eine hohe Beständigkeit gegen Spannungsrelaxation ist insbesondere bei Kontaktfederwerkstoffen zur langzeitlichen Funktionssicherung notwendig.
Bei der Spannungsrelaxation (auch: thermische Relaxation) werden elastische Dehnungen, hervorgerufen durch äußere Spannungen, mit der Zeit in plastische Verformungen umgewandelt. Im eigentlichen Relaxationsversuch wird die zeitlich sich ändernde Spannung bei konstanter Dehnung und Temperatur bestimmt.
Die Restspannung in % gibt an, welche Spannung, nach einem Versuch unter konstanter Dehnung und Temperatur, bezogen auf die gewählte Vorspannung, im Werkstoff vorliegt.
In Fig. 1 ist die thermische Relaxation bei einer Temperatur von 200°C für die Mehrschichtverbund-Federwerkstoffe:
35% Werkstoff-Nr. 1.4568/30% SE-Cu/35%Werkstoff-Nr. 1.4568
(Kurzbezeichnung in Fig. 1: 35/35 1.4568 auf Cu
35% Werkstoff-Nr. 1.4310/30% SE-Cu/35%Werkstoff-Nr. 1.4310
(Kurzbezeichnung in Fig. 1: 35/35 1.4310 auf Cu)
bei einer Vorspannung von 0,75 · Rp0,2 dargestellt.
(Die Messung erfolgte mit der sogenannten "Ringmethode"; siehe dazu auch: FOX, A. : "A simple Test for Evaluating Stress Relaxation in Bending" in: Materials Research + Standards, Sep. 1964, S. 480/481). Bemerkenswert ist der geringe Spannungsabfall nach 1000 h bei der gewählten Temperatur von 200°C.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Mehrschichtverbund- Federwerkstoffen für Bauteile in elektrischen, elektronischen Schaltern, ist bedingt durch eine mögliche Magnetfeldbeeinflussung, eine Nichtmagnetisierbarkeit der Komponenten wesentlich.
Technisch reines Kupfer und niedrig legierte Kupferlegierungen mit Cu-Gehalten von 98% sind diamagnetisch, d. h. ihre Permeabilität beträgt fast 1.
Die nichtrostenden, austenitischen Edelstähle:
X 2 CrNiN
18 10 (Werkstoff-Nr. 1.4311)
X 2 CrNiMoN 17 12 2 (Werkstoff-Nr. 1.4406)
X 2 CrNiMoN 17 13 3 (Werkstoff-Nr. 1.4428)
X 2 CrNiMoN 17 13 3 (Werkstoff-Nr. 1.4429)
X 15 CrNiSi 25 20 (Werkstoff-Nr. 1.4841)
sind gekennzeichnet durch ihre Nichtmagnetisierbarkeit und ihre hohe Kaltverfestigungsfähigkeit sowie eine hohe Korrosionsbeständigkeit.
Das Charakteristikum "Nichtmagnetisierbarkeit" ist hier nur im technischen Sinn zu verstehen und bedeutet eine relative Permeabilität µrel 1,01, gemessen bei einer Feldstärke Hc von 100 A/cm. Die genannten Edelstähle haben ein stabil­ austenitisches Gefüge, die sogenannte σ-Phase, die auch nach einer Kaltverformung von bis zu 65% nicht in ferromagnetischen α-Martensit umklappt, und somit auch im stark kaltverfestigten Zustand eine relative Permeabilität µrel 1,01 erhalten bleibt.
Die erfindungsgemäße beidseitige Kaltwalzplattierung der genannten nichtrostenden Edelstähle auf einer Kernschicht aus Kupfer oder einer niedriglegierten Kupferlegierung bietet die kostengünstige Möglichkeit, Mehrschichtverbund- Federwerkstoffe mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und sehr hoher Festigkeit bzw. hohen Federbiegegrenze, die zu dem im technischen Sinn nichtmagnetisierbar sind, herzustellen.
Die Verwendung der unterschiedlichen Edelstahl-Legierungen als Komponenten für Mehrschichtverbund-Federwerkstoffe richtet sich nach den korrosiven Rahmenbedingungen bzw. Medien, in und unter denen die hieraus gefertigten Bauteile eingesetzt werden.
Bei dem Werkstoff X 7 CrNiAl 17 7 (Werkstoff-Nr. 1.4568) handelt es sich um einen genormten nichtrostenden Federedelstahl. Er ist, bedingt durch seinen Aluminiumgehalt, gekennzeichnet durch eine Ausscheidungshärtbarkeit nach einer mehrstufigen Wärmebehandlung (Siehe auch Oppenheim, R.: Ausscheidungshärtende nichtrostende Stähle in: DEW - Technische Berichte, 1 (1962) H. 2, S. 48-62, und Weßling, W. : Wärmebehandlung des aushärtbaren nichtrostenden Stahles X 7 CrNiAl 17 7 - Werkstoff-Nr. 1.4568 in: Blech - Rohre - Profile, 5 (1977), S. 142-145).
Bei den aus den erfindungsgemäßen Mehrschichtverbund- Federwerkstoffen hergestellten Bändern oder Bauteilen mit Kupfer als Zwischenschicht und dem Federedelstahl 1.4568 als Auflagenwerkstoff sind die sonst für Bauteile aus dem reinen Werkstoff 1.4568 geltenden Wärmebehandlungsschritte ebenfalls durchführbar, weil es sich bei der Zwischenschicht aus reinem Kupfer um einen ausscheidungs- und umwandlungsfreien Werkstoff ohne Neigung zur Versprödung bei tiefen Temperaturen handelt.
Bauteile, wie beispielsweise komplizierte, gebogene Federn oder Stanzbiegeteile, lassen sich im durch Kaltverfestigung erzeugten federharten Zustand nicht immer herstellen. Es besteht nun die Möglichkeit, komplexe Bearbeitungen wie Biegen, Bördeln an geglühtem, weichen Mehrschichtband durchzuführen und nach Fertigstellung von Federbauteilen eine Festigkeitssteigerung durch eine mehrstufige Wärmebehandlung erreichen.
Der Mehrschichtverbund-Federwerkstoff wird vorteilhaft nach der Kaltverformung und vor der Wärmebehandlung zu einem Bauteil geformt.
Besonders bevorzugt erfolgt die Wärmebehandlung zur Aushärtung von Bauteilen oder Bändern aus dem erfindungsgemäßen Mehrschichtverbund-Federwerkstoff mit den beiden äußeren Schichten aus dem Edelstahl X 7 CrNiAl 17 7 (Werkstoff-Nr. 1.4568) und Kupfer oder niedriglegierter Kupferlegierung als Zwischenschicht gemäß einem der folgenden Arbeitsabläufe:
Glühen bei 7000 bis 800°C
Abkühlen auf unter 20°C
Aushärten bei 4400 bis 570°C
Abkühlen,
oder:
Glühen bei 9000 bis 1000°C
Abkühlen auf unter 20°C
Unterkühlen bei -70 bis -95°C
Aushärten bei 4400 bis 570°C
Abkühlen.
Auf diese Weise ist es möglich, preiswerte Mehrschichtverbund-Federwerkstoffe mit nichtrostendem Edelstahl als Auflagenwerkstoff herzustellen, die hervorragende Eigenschaften wie elektrische Leitfähigkeit und gute Federeigenschaften haben, und bei der Herstellung von komplex verformten elektronischen Bauteilen eingesetzt werden können.
Tabelle 3
Charakteristische Eigenschaften des Mehrschichtverbund- Federwerkstoffes 35/35-1.4568 auf SE-Cu mit einer Gesamtdicke von 0,14 mm bei 20°C im kaltverfestigten und angelassenen Zustand. b

Claims (14)

1. Mehrschichtverbund-Federwerkstoff aus drei ganzseitig verbundenen Schichten mit dem Aufbau:
Edelstahlschicht/Kupferzwischenschicht/Edelstahlschicht,
wobei die Kupferzwischenschicht aus Kupfer oder einer niedrig legierten Kupferlegierung mit einem Cu-Gehalt von 98,0% besteht und diese Zwischenschicht eine elektrische Leitfähigkeit 10 m/(Ω · mm²) hat, und
der Edelstahl ausgewählt ist aus einem der folgenden Werkstoffe: X 12 CrNi 17 7 (1.4310) gemäß DIN 17 224/SEW 400 X 2 CrNiN 18 10 (1.4311) gemäß DIN 17 440/17 441 X 2 CrNiMoN 17 12 2 (1.4406) gemäß DIN 17 440/17441 X 2 CrNiMoN 18 13 3 (1.4428) gemäß DIN 17 443 X 2 CrNiMoN 17 13 3 (1.4429) gemäß DIN 17 440/17441 X 7 CrNiAl 17 7 (1.4568) gemäß DIN 17 224 X 15 CrNiSi 25 20 (1.4841) gemäß SEW 470
2. Mehrschichtverbund-Federwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch Walzplattieren miteinander verbunden sind.
3. Mehrschichtverbund-Federwerkstoff nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten durch Kaltwalzplattieren miteinander verbunden sind.
4. Mehrschichtverbund-Federwerkstoff nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Kaltwalzplattieren nur ein Stich mit einem Gesamtverformungsgrad V 45% vorgenommen wird.
5. Mehrschichtverbund-Federwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Kupferzwischenschicht 20 bis 60% der Gesamtdicke des Mehrschichtverbund-Federwerkstoffes beträgt.
6. Mehrschichtverbund-Federwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden aufplattierten Edelstahlschichten jeweils die gleiche Dicke haben.
7. Mehrschichtverbund-Federwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit 10 m/(Ω · mm²) ist.
8. Mehrschichtverbund-Federwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelstahl ausgewählt ist aus den Werkstoffen: X 2 CrNiN|18 10 (1.4311) X 2 CrNiMoN 17 12 2 (1.4406) X 2 CrNiMoN 18 13 3 (1.4428) X 2 CrNiMoN 17 13 3 (1.4429) X 15 CrNiSi 25 20 (1.4841) und
nach Kaltverformung des Mehrschichtverbund- Federwerkstoffes mit einem Verformungsgrad V von 30% bis 65% die bei einer Feldstärke Hc = 100 A/cm gemessene relative Permeabilität µrel 1,01 ist.
9. Mehrschichtverbund-Federwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelstahl ausgewählt ist aus einem der folgenden Werkstoffe: X 12 CrNi|17 7 (1.4310) X 7 CrNiAl 17 7 (1.4568), und
der Querschnitt des Mehrschichtverbund-Federwerkstoffes durch Kaltverformung um mindestens 30% (Verformungsgrad V) vermindert, und der Mehrschichtverbund-Federwerkstoff nach der Kaltverformung bei einer Temperatur von 300°C bis 560°C wärmebehandelt worden ist.
10. Mehrschichtverbund-Federwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrschichtverbund-Federwerkstoff nach der Kaltverformung von mindestens 30% (Verformungsgrad V) und vor der Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 300°C bis 560°C zu einem Bauteil geformt worden ist.
11. Mehrschichtverbund-Federwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelstahl X  7 CrNiAl  17  7  (1.4568) ist,und der rekristallisierte Mehrschichtverbund- Federwerkstoff oder ein daraus gefertigtes Bauteil wie folgt wärmebehandelt worden ist:
Glühen bei 7000 bis 800°C
Abkühlen auf unter 20°C
Aushärten bei 4400 bis 570°C
Abkühlen.
12. Mehrschichtverbund-Federwerkstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelstahl X  7 CrNiAl  17  7  (1.4568) ist,und der Mehrschichtverbund-Federwerkstoff wie folgt wärmebehandelt worden ist:
Glühen bei 9000 bis 1000°C
Abkühlen auf unter 20°C
Unterkühlen bei -70 bis -95°C
Aushärten bei 4400 bis 570°C
Abkühlen.
13. Verwendung eines Mehrschichtverbund-Federwerkstoffes nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für die Herstellung eines Bauteils für elektronische Schalter.
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