EP1288321A1 - Werkstoff für ein Metallband - Google Patents

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EP1288321A1 EP02017970A EP02017970A EP1288321A1 EP 1288321 A1 EP1288321 A1 EP 1288321A1 EP 02017970 A EP02017970 A EP 02017970A EP 02017970 A EP02017970 A EP 02017970A EP 1288321 A1 EP1288321 A1 EP 1288321A1
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Stolberger Metallwerke GmbH and Co KG
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Definitions

  • the invention relates to a material for a metal strip for the production of electrical contact components.
  • Plug-in contact connections are widely used in electrotechnical applications. This basically means a mechanical arrangement of plug and Plug sleeve for opening and closing an electrically conductive connection. Plug contact connections come in a wide variety of applications used, for example in the automotive electrical, telecommunications or the industrial plant electronics.
  • a common manufacturing method of such plug contact elements is blankslosestanzen a copper or a copper alloy strip and this for Plug contact element to process further.
  • Copper has a high electrical Conductivity.
  • the copper or copper alloy strips are tinned in advance. Tin is particularly suitable for its good corrosion resistance Coating material for copper.
  • the technical standard includes the order of the Coating in the hot dip process.
  • tin alloys for Surface coating of the base material known, in particular tin-silver alloys, because these are among the very good contact materials.
  • DE 36 28 783 C2 discloses an electrical connector of a Copper alloy containing 0.3 to 2% by weight of magnesium and 0.001 to 0.1% by weight Having phosphorus.
  • the electrical connectors are characterized by their Strength, their electrical conductivity and stress relaxation properties elevated temperatures. They show satisfactory performance characteristics, even if they are made in a compact size and complicated shape.
  • the prior art also includes a copper alloy by DE 43 38 769 A1 for the manufacture of electrical connectors with a composition of essentially 0.5 to 3% by weight nickel, 0.1 to 0.9% tin, 0.08 to 0.8% by weight Silicon, 0.1 to 3 wt% zinc, 0.007 to 0.25 wt% iron, 0.001 to 0.2 wt% Phosphorus and 0.001 to 0.2% magnesium with the main constituent copper as Rest including the unavoidable impurities.
  • the known metal bands or the connectors thereof have in the Proven practice.
  • increasingly the technical and qualitative Requirements of the contact components with regard to the mechanical and electrical Properties This is especially true when using the contact components below difficult or aggressive environmental conditions, for example for Connector in automotive electrical and here especially in the engine electronics.
  • requirements can be especially in terms of temperature resistance, relaxation resistance, corrosion resistance and adhesion of the coating occur in which the known Contact components reach their limit. It can then be used to exfoliate (exfoliate) the Surface coating come.
  • the invention is - based on the prior art - the task in economically advantageous a material for a metal strip for the production of to provide electrical contact components, which good electrical and mechanical properties with an improvement in adhesion between Base material and coating combined.
  • the material consists of a copper alloy with nickel shares between 0.5 and 3.5 wt .-%, silicon contents of 0.08 to 1.0 wt .-%, tin content of 0.1 to 1.0 wt .-%, zinc contents of 0.1 to 1.0 wt .-%, zirconium shares between 0.005 to 0.2% by weight and silver contents of 0.02 to 0.5% by weight.
  • the tin content in the material itself decreases its conductivity, but increases this strength and toughness.
  • the decrease in conductivity is due to the Addition of silver compensated.
  • the main purpose of the silver share is to as a matrix component under the influence of temperature on diffusion processes with the Coating material of a metal band to participate and the expected influence diffusion-controlled phase formation of intermetallic compounds.
  • the silver content is therefore between 0.02 wt .-% and 0.5 wt .-%.
  • Zirconium with a proportion between 0.005 and 0.2 wt .-% increases the corrosion and Temperature resistance and improves the thermoformability.
  • the material preferably contains a silver content of less than 0.15% by weight. (Claim 2).
  • a manganese content of less than 0.5 wt .-% promotes temperature resistance (Claim 3).
  • Magnesium with a proportion of less than 0.2 wt .-% (claim 4) improved the strength and the stress relaxation property at elevated temperature of Alloy with only slight impairment of electrical conductivity, the based on the main component copper. Magnesium dissolves in the copper matrix.
  • Indium is added according to claim 5, between 0.1 wt .-% and 5 wt .-%, although the melting point is lowered, but the total Resistance to external conditions improved. In addition, the Soldering properties positively influenced.
  • the ratio of silver to zinc is greater than 0.1 (Claim 8).
  • a further advantageous feature is achieved according to claim 9, if the ratio of magnesium and zirconium is greater than 0.01 tin.
  • the peeling behavior of the material is determined according to the characteristics of Patent claim 10 significantly improved when the ratio (nickel + silicon) to (Tin + zinc + silver + magnesium) greater than 1.5, but smaller than 4 is measured.
  • the metal strip using the material described above according to Claim 11 is initially characterized by its good electrical and mechanical properties, in particular by its good conductivity and Relaxation resistance with good formability and peel resistance of Coating. A stable contact resistance is ensured.
  • the Metal strip has a high temperature resistance with low Contact resistance on. It is abrasion and abrasion resistant with higher hardness, nevertheless, it is easily deformable and easy to solder. The insertion and removal forces are low with improved friction corrosion resistance.
  • the metal strip is economically advantageous because during its production Copper scrap can be used with tin components. In the material cycle becomes a achieved balanced tin balance. This can be a consistent quality of be ensured under scrap insert produced metal strips.
  • tinned Scrap and Neumetall can be tinned depending on the thickness of the tin plating
  • a base material can be obtained as a cast product with a tin content from 0.02 to 1% by weight. Process advantages are castings with a Tin content between 0.25 and 0.5 wt .-%.
  • the intermetallic phase between the base material and the coating is fine-grained and even. This results in a good formability, in particular bendability, higher shear strengths and low moduli of elasticity and a high creep resistance of the metal strip.
  • the alloy components zinc and silver influence the diffusion behavior in the intermetallic phase between the base material and the according to Claim 12 made of tin-silver coating.
  • the inevitable by diffusion of copper in the tin layer resulting copper-tin phases are in their manifestation over temperature and time in the sense of a Slowing down and obstructing education, especially the so-called epsilon phase affected. This results in a much better strength between Base material and coating guaranteed. With this, detachment phenomena, in particular the peeling (exfoliation) of the coating even in unfavorable and difficult conditions of use of the metal strip or produced therefrom Connector shifted to higher temperatures and longer times.
  • the main reason for a possible age-related failure of the coating just at temperatures above 150 ° C is a disproportionately fast conversion of the so-called ⁇ -phase (Cu 6 Sn 5 ) in the ⁇ -phase (Cu 3 Sn) in training, starting from the Phase boundary between base material and coating due to high diffusion rates.
  • the invention now recognizes the fact that the presence of the ⁇ phase alone does not necessarily lead to detachment processes at the boundary between the base material and the coating, not even in the case of a stress state of a connector caused by the forming process. If the expression of the ⁇ phase is prevented or hindered, this has a positive effect on the intermetallic phase and long-term stability of the coating.
  • Zinc and silver as well as the nickel present in the material are in their According to the invention provided shares suitable in the diffusion process and their Participation in the formation of the intermetallic phase specifically by enrichment in the phase boundary is the fast conversion from the ⁇ -phase to the £ -phase suppress or significantly slow down with the success of a homogeneous highly adhesive bond between base material and coating.

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Abstract

Der Werkstoff für ein Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen weist - in Gewichtsprozenten ausgedrückt - folgende Zusammensetzung auf: Nickel (Ni), 0,5 - 3,5 %; Silizium (Si), 0,08-1,0%; Zinn (Sn), 0,1-1,0%; Zink (Zn), 0,1-1,0%; Zirkonium (Zr), 0,005 - 0,2 %; Silber (Ag), 0,02 - 0,5 %, Rest Kupfer einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff für ein Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen.
Steckkontaktverbindungen sind in elektrotechnischen Anwendungen weit verbreitet. Man versteht hierunter grundsätzlich eine mechanische Anordnung aus Stecker und Steckerhülse zum Öffnen und Schließen einer elektrisch leitenden Verbindung. Steckkontaktverbindungen kommen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen zum Einsatz, beispielsweise in der Kraftfahrzeugelektrik, der Nachrichtentechnik oder der Industrieanlagenelektronik.
Ein übliches Fertigungsverfahren derartiger Steckkontaktelemente ist, Rohlinge aus einem Kupfer- bzw. einem Kupferlegierungsband auszustanzen und diese zum Steckkontaktelement weiter zu verarbeiten. Kupfer hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Zum Schutz gegen Korrosion und Verschleiß sowie zur Erhöhung der Oberflächenhärte werden die Kupfer- bzw. Kupferlegierungsbänder vorab verzinnt. Zinn eignet sich wegen seiner guten Korrosionsbeständigkeit besonders als Überzugsmaterial für Kupfer. Zum technischen Standard zählt der Auftrag der Beschichtung im Schmelztauchverfahren.
In diesem Zusammenhang sind unterschiedlichste Zinnlegierungen zur Oberflächenbeschichtung des Basiswerkstoffs bekannt, insbesondere auch Zinn-Silber-Legierungen, da diese zu den sehr guten Kontaktwerkstoffen zählen.
Durch die europäische Patentschrift 0 443 291 B1 ist es bekannt, bei einem elektrischen Steckverbinderpaar den Basiswerkstoff eines Steckerelements mit Reinzinn oder einer Zinn-Blei-Legierung zu beschichten, während das andere Steckerelement eine auf schmelzflüssigem Wege aufgebrachte härtere Oberflächenbeschichtung aus einer Legierung aufweist, die bis zu 10 Gew.-% Silber enthält. Neben Silber werden noch eine Reihe weiterer Legierungsmetalle vorgeschlagen. Dieser Ansatz ist richtungsweisend für die Herstellung qualitativ hochwertiger Steckverbinder mit gleichbleibend niedrigem Kontaktwiderstand und möglichst geringen Steck- und Ziehkräften.
Die DE 36 28 783 C2 offenbart ein elektrisches Verbindungsstück aus einer Kupferlegierung, die 0,3 bis 2 Gew.-% Magnesium sowie 0,001 bis 0,1 Gew.-% Phosphor aufweist. Die elektrischen Verbindungsstücke zeichnen sich durch ihre Festigkeit, ihre elektrische Leitfähigkeit und Spannungsrelaxationseigenschaften bei erhöhten Temperaturen aus. Sie zeigen befriedigende Gebrauchseigenschaften, selbst wenn sie in kompakter Größe und komplizierter Form hergestellt sind.
Zum Stand der Technik zählt durch die DE 43 38 769 A1 auch eine Kupferlegierung zur Herstellung von elektrischen Steckverbindern mit einer Zusammensetzung von im wesentlichen 0,5 bis 3 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 0,9-% Zinn, 0,08 bis 0,8 Gew.-% Silizium, 0,1 bis 3 Gew.-% Zink, 0,007 bis 0,25 Gew.-% Eisen, 0,001 bis 0,2 Gew.-% Phosphor sowie 0,001 bis 0,2 % Magnesium mit dem Hauptbestandteil Kupfer als Rest einschließlich der unvermeidbaren Verunreinigungen.
Die bekannten Metallbänder bzw. die Steckverbinder hieraus haben sich in der Praxis bewährt. Jedoch steigen zunehmend die technischen und qualitativen Anforderungen der Kontaktbauteile hinsichtlich der mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Dies gilt insbesondere beim Einsatz der Kontaktbauteile unter schwierigen oder aggressiven Umgebungsbedingungen, beispielsweise für Steckverbinder in der Kraftfahrzeugelektrik und hier vor allem in der Motorelektronik. Unter solch schwierigen Einsatzbedingungen können Anforderungen vor allem hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Relaxationsbeständigkeit, Korrosionsfestigkeit und Haftfestigkeit der Beschichtung auftreten, bei denen die bekannten Kontaktbauteile an ihre Grenze stoßen. Es kann dann zum Abblättern (Peeling) der Oberflächenbeschichtung kommen.
Der Erfindung liegt - ausgehend vom Stand der Technik - die Aufgabe zugrunde, in ökonomisch vorteilhafter Weise einen Werkstoff für ein Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen zu schaffen, welcher gute elektrische und mechanische Eigenschaften mit einer Verbesserung der Haftung zwischen Basiswerkstoff und Beschichtung vereinigt.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Danach besteht der Werkstoff aus einer Kupferlegierung mit Nickelanteilen zwischen 0,5 und 3,5 Gew.-%, Siliziumanteilen von 0,08 bis 1,0 Gew.-%, Zinnanteilen von 0,1 bis 1,0 Gew.-%, Zinkanteilen von 0,1 bis 1,0 Gew.-%, Zirkoniumanteilen zwischen 0,005 bis 0,2 Gew.-% und Silberanteilen zwischen 0,02 bis 0,5 Gew.-%.
Durch den Zinnanteil im Werkstoff sinkt an sich dessen Leitfähigkeit, jedoch steigt hierdurch die Festigkeit und Zähigkeit. Die Abnahme der Leitfähigkeit wird durch die Zulegierung von Silber kompensiert. Der Hauptzweck des Silberanteils besteht darin, als Matrixkomponente unter Temperatureinfluß an Diffusionsvorgängen mit dem Beschichtungswerkstoff eines Metallbands teilzunehmen und die zu erwartende diffusionsgesteuerte Phasenbildung intermetallischer Verbindungen zu beeinflussen. Der Silberanteil liegt daher zwischen 0,02 Gew.-% und 0,5 Gew.-%. Zirkonium mit einem Anteil zwischen 0,005 und 0,2 Gew.-% steigert die Korrosions- und Temperaturbeständigkeit und verbessert die Warmformbarkeit.
Bevorzugt enthält der Werkstoff einen Silbergehalt von weniger als 0,15 Gew.-% (Patentanspruch 2).
Ein Mangananteil von weniger als 0,5 Gew.-% fördert die Temperaturbeständigkeit (Patentanspruch 3).
Magnesium mit einem Anteil von kleiner 0,2 Gew.-% (Patentanspruch 4) verbessert die Festigkeit und die Spannungsrelaxationseigenschaft bei erhöhter Temperatur der Legierung bei nur geringfügiger Beeinträchtigung der elektrischen Leitfähigkeit, die auf dem Hauptbestandteil Kupfer beruht. Magnesium löst sich in der Kupfermatrix.
Wird Indium gemäß Patentanspruch 5 hinzugefügt, und zwar zwischen 0,1 Gew.-% und 5 Gew.-%, wird zwar der Schmelzpunkt erniedrigt, jedoch insgesamt die Beständigkeit gegen äußere Bedingungen verbessert. Zusätzlich werden die Löteigenschaften positiv beeinflußt.
Wenn entsprechend Patentanspruch 6 Zinn und Zink in einem Verhältnis von etwa 1:1 im Werkstoff enthalten sind, wird der Leitfähigkeitsverlust verringert und die Beschichtbarkeit erhöht. Ferner wird eine maximale Härtesteigerung bei guter Dehnung im ausgehärteten Zustand erzielt.
Das in Patentanspruch 7 angegebene Verhältnis Zinn zu Silber von etwa 1:4 führt zu Vorteilen bei dem Recycling von mit Zinn beschichteten Metallbändern.
Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das Verhältnis Silber zu Zink größer 0,1 ist (Patentanspruch 8).
Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft wird entsprechend Patentanspruch 9 erzielt, wenn das Verhältnis Magnesium und Zirkonium größer 0,01 Zinn bemessen ist.
Das Peelingverhalten des Werkstoffs wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10 deutlich verbessert, wenn das Verhältnis (Nickel + Silizium) zu (Zinn + Zink + Silber + Magnesium) größer 1,5, jedoch kleiner 4 bemessen ist.
Das Metallband unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Werkstoffs gemäß Patentanspruch 11 zeichnet sich zunächst durch seine guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften aus, insbesondere durch seine gute Leitfähigkeit und Relaxationsbeständigkeit bei guter Umformbarkeit sowie Ablösebeständigkeit der Beschichtung. Ein stabiler Kontaktübergangswiderstand ist sichergestellt. Das Metallband weist eine hohe Temperaturbeständigkeit mit niedrigem Übergangswiderstand auf. Es ist abrieb- und durchriebfest bei höherer Härte, dennoch ist es gut verformbar und gut lötbar. Die Steck- und Ziehkräfte sind niedrig bei verbesserter Reibkorrosionsbeständigkeit.
Darüber hinaus ist das Metallband ökonomisch vorteilhaft, da bei dessen Herstellung Kupferschrott mit Zinnanteilen eingesetzt werden kann. Im Stoffkreislauf wird eine ausgeglichene Zinnbilanz erreicht. Hierdurch kann eine gleichbleibende Qualität der unter Schrotteinsatz hergestellten Metallbänder sichergestellt werden. Durch eine Abstimmung des Einsatzes von blankem Schrott (CuNiSi-Werkstoff), verzinntem Schrott und Neumetall (Kupfer) kann je nach Stärke der Zinnauflage des verzinnten Schrotts ein Basiswerkstoff als Gießprodukt gewonnen werden mit einem Zinngehalt von 0,02 bis 1 Gew.-%. Verfahrensvorteilhaft sind Gießprodukte mit einem Zinngehalt zwischen 0,25 und 0,5 Gew.-%.
Die intermetallische Phase zwischen dem Basiswerkstoff und der Beschichtung ist feinkörnig und gleichmäßig. Hieraus resultieren eine gute Umformbarkeit, insbesondere Biegbarkeit, höhere Scherfestigkeiten und geringe Elastizitätsmodule sowie eine hohe Kriechbeständigkeit des Metallbands.
Die Legierungsbestandteile Zink und Silber beeinflussen das Diffusionsverhalten in der intermetallischen Phase zwischen dem Basiswerkstoff und der gemäß Patentanspruch 12 vorgenommenen Beschichtung aus Zinn-Silber. Die zwangsläufig durch Diffusion von Kupfer in die Zinnschicht entstehenden Kupfer-Zinn-Phasen werden in ihrer Ausprägung über Temperatur und Zeit im Sinne einer Verlangsamung und Behinderung der Bildung speziell der sogenannten Epsilon-Phase beeinflußt. Hierdurch wird eine wesentlich bessere Festigkeit zwischen Basiswerkstoff und Beschichtung gewährleistet. Damit werden Ablöseerscheinungen, insbesondere das Abblättern (Peeling) der Beschichtung auch bei ungünstigen und schwierigen Einsatzbedingungen des Metallbands bzw. der hieraus hergestellten Steckverbinder zu größeren Temperaturen und längeren Zeiten verschoben.
Wesentliche Ursache für ein mögliches alterungsbedingtes Versagen der Beschichtung gerade bei Temperaturen über 150°C ist eine überproportional schnelle Umwandlung der sogenannten η-Phase (Cu6Sn5) in die ε-Phase (Cu3Sn) hinein bei der Ausbildung, ausgehend von der Phasengrenze zwischen Basiswerkstoff und Beschichtung aufgrund hoher Diffusionsgeschwindigkeiten. Die Erfindung macht sich nunmehr die Erkenntnis zu eigen, daß das Vorhandensein der ε-Phase allein nicht notwendigerweise zu Ablösevorgängen an der Grenze zwischen Basiswerkstoff und Beschichtung führt, auch nicht bei einem durch den Umformvorgang hervorgerufenen Spannungszustand eines Steckverbinders. Wird die Ausprägung der ε-Phase unterbunden oder behindert, wirkt sich dies positiv auf die intermetallische Phase und Langzeitbeständigkeit der Beschichtung aus.
Zink und Silber sowie das im Werkstoff vorliegende Nickel sind in ihren erfindungsgemäß vorgesehenen Anteilen geeignet, beim Diffusionsvorgang und ihrer Teilnahme an der Bildung der intermetallischen Phase speziell durch Anreicherung in der Phasengrenze die schnelle Umwandlung von der η-Phase zur £-Phase zu unterdrücken bzw. wesentlich zu verlangsamen mit dem Erfolg eines homogenen hochhaftenden Verbunds zwischen Basiswerkstoff und Beschichtung.

Claims (12)

  1. Werkstoff für ein Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen, welcher - in Gewichtsprozenten ausgedrückt - folgende Zusammensetzung aufweist: Nickel (Ni) 0,5 - 3,5 % Silizium (Si) 0,08-1,0 % Zinn (Sn) 0,1 - 1,0% Zink(Zn) 0,1-1,0% Zirkonium (Zr) 0,005 - 0,2 % Silber (Ag) 0,02 - 0,5 %,
    Rest Kupfer einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.
  2. Werkstoff nach Patentanspruch 1, welcher Silber (Ag) mit einem Anteil kleiner als 0,15 % enthält.
  3. Werkstoff nach Patentanspruch 1 oder 2, welcher Mangan (Mn) mit einem Anteil kleiner als 0,5 % enthält.
  4. Werkstoff nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, welcher Magnesium (Mg) mit einem Anteil kleiner als 0,2 % enthält.
  5. Werkstoff nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, welcher Indium (In) mit einem Anteil von 0,1 bis 5 % enthält.
  6. Werkstoff nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, in welchem Zinn und Zink in einem Verhältnis von etwa 1 : 1 enthalten sind.
  7. Werkstoff nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, in welchem Zinn und Silber in einem Verhältnis von etwa 1 : 4 enthalten sind.
  8. Werkstoff nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 mit einem Verhältnis Ag größer 0,1 Zn.
  9. Werkstoff nach einem der Patentansprüche 4 bis 8 mit einem Verhältnis (Mg + Zr) größer 0,01 Sn.
  10. Werkstoff nach einem der Patentansprüche 4 bis 9, bei welchem das Verhältnis (Ni + Si) zu (Sn + Zn + Ag + Mg) größer 1,5, jedoch kleiner 4 bemessen ist.
  11. Verwendung eines Werkstoffs gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 10 für ein beschichtetes, elektrisch leitfähiges Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen, insbesondere Teilen von in höheren Temperaturbereichen des Kraftfahrzeugbaus (Motorraum) einsetzbaren Steckverbindern.
  12. Verwendung eines Werkstoffs nach Patentanspruch 11, für ein mit einer Zinn-Silber-Legierung beschichtetes Metallband.
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