EP1662525A1 - Verfahren zur Herstellung einer Kontaktfeder, insbesondere einer Relaisfeder, für hohe Strombelastung - Google Patents

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EP1662525A1
EP1662525A1 EP05025507A EP05025507A EP1662525A1 EP 1662525 A1 EP1662525 A1 EP 1662525A1 EP 05025507 A EP05025507 A EP 05025507A EP 05025507 A EP05025507 A EP 05025507A EP 1662525 A1 EP1662525 A1 EP 1662525A1
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EP
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contact spring
relay
spring
heat treatment
contact
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EP05025507A
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Ralf Hoffmann
Bernd Rahn
Titus Ziegler
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TE Connectivity Germany GmbH
Original Assignee
Tyco Electronics AMP GmbH
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Publication date
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    • H01H50/54—Contact arrangements

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a contact spring, in particular a relay spring, for high current load, in which a made of stamped copper material contact spring is provided.
  • the constructive dual function of the contact springs corresponds with respect to the material used, the demand for high mechanical strength against the contact forces on the one hand and the lowest possible electrical resistance on the other.
  • the improvement in the mechanical properties of the highly conductive copper materials required for contact springs generally leads to a deterioration in the electrical conductivity of the copper materials.
  • the electrical conductivity determines the amount of heating of the spring by a given operating current. Heating limits the area of application of the component with regard to ambient temperature and maximum current.
  • the self-heating can in principle also be limited by an improved dissipation of heat to the environment.
  • a large number of constructive solutions have become known which improve the heat transfer between parts of the connector, such as the heat conduction between the contact element and a heat sink, or the improved heat transfer to the environment by convection, for example by additional Ribs on the contact element, affect.
  • US Pat. No. 6,093,064 discloses a C-shaped plug connector, for example made of aluminum or copper, which proposes an increase in the radiation emissivity of the connector by means of a coating to be applied by means of a surface treatment. Specifically, an electrodeposited oxide layer, a (darker) paint or a seal, a roughening or matting of the surface, and the application of an electrically conductive metal particle layer are proposed with increased emissivity.
  • the application of the required coating materials from the outside to the surface is relatively complicated, especially since certain areas provided as contact areas have to be excluded from the coating or freed again from the coating.
  • the inventive method provides a heat treatment of the contact spring, in which a tempering color is generated, which increases the emissivity of the contact spring.
  • the method thus results in a change in the radiation properties of the surface of the contact spring, but does not make use of a layer application by means of a surface treatment, but produces the desired increase in the emissivity by a heat treatment of the contact spring as a whole.
  • This heat treatment leads, depending on the process, in a short time and to a certain extent to a structural change of the surface of the copper material, the so-called tempering or tarnish.
  • the contact spring can be introduced into a furnace for a defined period of time, which heats the contact spring to a defined temperature.
  • Suitable examples are simple convection or reflow ovens.
  • the contact spring is acted upon for a defined period of time with a current of defined current, which heats the contact spring to a defined temperature.
  • a plurality of contact springs are each only partially punched free of a supply belt and the heat-treated simultaneously on the belt - in the oven or by electricity.
  • a particularly advantageous embodiment of the method is that the contact spring is designed as a relay spring and installed before the heat treatment in a relay and electrically connected to the terminals of the relay, and that the built-in relay spring before starting the relay via the relay terminals is subjected to a short-term current overload.
  • the emissivity even with an already installed relay spring can be increased without major beren effort.
  • the increase of the emissivity according to the invention is controllable in various respects and to a certain extent.
  • the geometry of the contact spring and the process control in the heat treatment are coordinated so that the tempering color is generated substantially only in defined areas of the surface of the contact spring.
  • This selectivity may be advantageous if particularly heat-sensitive surrounding areas of the contact spring are arranged in the emission area of the areas without tempering color or also to not affect the electrical contactability of the surface of the contact spring in the defined areas.
  • the temperature to be reached by the contact spring in the course of the heat treatment is selected such that the contact spring assumes a hue which increases the emissivity, but does not anneal.
  • Relay springs for miniaturized automotive relays with high current load of about 20 to 40 A are designed as elongated, for example trapezoidal spring tabs or contact tongues with a length of about 10 mm and a material thickness of about 0.1 mm and are made of a film of copper material punched.
  • the trapezoidal relay spring is usually with its wider end on the movably mounted anchor riveted on the relay, while the opposite, narrower end forms the movable, the electrical switching capacity transmitting contact of the relay.
  • the self-heating problems tend to be greater with miniaturized relays, especially as the smaller and smaller connections can contribute less to heat dissipation.
  • the problem is exacerbated by the copper material used for the relay springs, which contains about one to two percent iron, nickel, silicon or other, built into the crystal structure atoms, resulting in improved spring characteristics of the relay spring, but with a associated with lower electrical conductivity or increased heat dissipation.
  • the designed for a certain nominal load, for example, 30 A keep the corresponding self-heating durable, with the general requirements for the relay, however, are not compatible with it, to provide additional scope for any higher self-heating.
  • the relays are charged once with a nominal current that is 33% higher for a certain period of time during which the fuse can not trip.
  • the relay spring heats up to about 200-240 ° C and it can lead to relaxation of the spring or damage in the relay, if the heat can not be dissipated to the (heat-resistant) cap of the relay.
  • the present invention is based on the insight that in the given installation situation and at the stated temperature of the relay spring, the radiation component is the dominant factor in heat dissipation.
  • the relay spring can be placed in a circulating air oven and heated there to oxygen for about one hour to a temperature of more than 120 ° C. If a reduction of the cycle time is desired, it is recommended to increase the oven temperature, whereby even an increase of 10 or 20 ° C can halve the required duration of the heat treatment. Shorter cycle times are in particular also feasible with a reflow oven. It is advisable to simultaneously introduce a plurality of relay springs on the belt into the furnace, heat-treat them and then completely free the relay springs from the supply belt.
  • the relay spring can also be suitably heat treated by being subjected to a brief current overload. This can be done without contact, by inductive eddy currents, or by contacting the relay spring. At an overload of, for example, 100 A, the duration of the heat treatment at most in the minute range, the relay spring reaches a temperature of about 200 ° C. In order not to come into conflict with the manufacturing tolerances for the relay spring, it is recommended that the heat treatment does not reach the darkest color shade of the tempering color (A particular in connection with steel known, resulting in the heat treatment of metals interference phenomenon) perform, but only up to a hue in which the relay spring is not yet annealed to the detriment of their mechanical properties.
  • the contour for example, by one or more bottlenecks, be optimized so that it only fast enough in more or less defined areas of the surface fast enough Temperature increase comes, which is sufficient to produce a emissivity significantly increasing tempering color.
  • the heat treatment by a current overload opens up the possibility to first install the relay spring in a relay and electrically connect to the terminals of the relay and to apply the built-in relay spring later, before the relay is put into operation, via the relay terminals with a short-term current overload , Due to the massive nature of the contacts, practically only the contact spring itself is heated to a high temperature.

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Abstract

Durch eine Wärmebehandlung der aus gestanztem Kupfermaterial bestehenden Kontaktfeder wird eine Anlassfarbe erzeugt, die den Emissionsgrad und damit die Wärmeabführung der Kontaktfeder erhöht. Die Wärmebehandlung kann in einem Ofen oder, auch noch in eingebautem Zustand, durch eine kurzzeitige Strom-Überlast realisiert werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Kontaktfeder, insbesondere einer Relaisfeder, für hohe Strombelastung, bei dem eine aus gestanztem Kupfermaterial bestehende Kontaktfeder bereitgestellt wird.
  • Es ist bekannt, federnde Kontaktelemente für die Stromübertragung zu verwenden, die als Stanz-Biegekontakte gefertigt werden. Bekanntlich haben derartige Kontaktfedern den konstruktiven Vorteil, dass die für die sichere Kontaktgabe notwendige Kontaktkraft mittels der Kontaktfeder erzeugt wird, also mittels des schaltenden bzw. stromführenden Bauteiles selbst. Derartige Kontaktfedern werden, insbesondere im Bereich der Kfz-Technik, in Relais und Schaltern eingesetzt.
  • Der konstruktiven Doppelfunktion der Kontaktfedern entspricht hinsichtlich des verwendeten Werkstoffes die Forderung nach hoher mechanischer Belastbarkeit gegenüber den Kontaktkräften einerseits und nach möglichst niedrigem elektrischen Widerstand andererseits. Die bei Kontaktfedern erforderliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der hoch leitenden Kupferwerkstoffe führt im Allgemeinen aber zu einer Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit der Kupferwerkstoffe. Die elektrische Leitfähigkeit bestimmt das Ausmaß der Erwärmung der Feder durch einen gegebenen Betriebsstrom. Durch die Erwärmung wird der Einsatzbereich des Bauteiles hinsichtlich Umgebungstemperatur und maximal zu führendem Strom begrenzt.
  • Bei höheren Strömen könnte zur Vermeidung einer zu hohen Eigenerwärmung der stromführenden Federn daran gedacht werden, die Funktionen der Stromführung und der mechanischen Belastung zu trennen, so dass z. B. Stahlfedern mit Litze verwendet werden. Dabei übernimmt die Litze die Stromführung und die Stahlfeder die mechanische Belastung und Realisierung der Kontaktkräfte.
  • Soll die Trennung der genannten Funktionen vermieden werden, so kann die Eigenerwärmung grundsätzlich auch durch eine verbesserte Wärmeabführung an die Umgebung begrenzt werden. Insbesondere im Zusammenhang mit Kontaktelementen von Steckverbindern sind eine große Anzahl von konstruktiven Lösungen bekannt geworden, die die Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen Teilen des Steckverbinders, beispielsweise die Wärmeleitung zwischen dem Kontaktelement und einem Kühlkörper, oder die verbesserte Wärmeabgabe an die Umgebung durch Konvektion, beispielsweise durch zusätzliche Rippen am Kontaktelement, betreffen.
  • Ferner ist aus der Patentschrift US 6,093,064 ein insbesondere C-förmiger Steckverbinder, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, bekannt geworden, der zur Wärmeabführung eine Erhöhung des Strahlungs-Emissionsgrades des Steckverbinders durch eine mittels einer Oberflächenbehandlung aufzubringenden Beschichtung vorschlägt. Im einzelnen werden eine elektrolytisch aufzubringende Oxidschicht, ein (dunkler) Farbanstrich bzw. eine Versiegelung, eine Aufrauhung bzw. Mattierung der Oberfläche, sowie das Aufbringen einer elektrisch leitenden Metallteilchenschicht mit erhöhtem Emissionsgrad vorgeschlagen. Das Aufbringen der erforderlichen Beschichtungsmaterialien von außen auf die Oberfläche ist jedoch relativ aufwendig, zumal gewisse, als Kontaktstellen vorgesehene Bereiche bei der Beschichtung ausgenommen bzw. wieder von der Beschichtung befreit werden müssen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, um eine Kontaktfeder aus gestanztem Kupfermaterial so auszurüsten, dass eine verbesserte Wärmeabführung an die Umgebung gegeben ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht eine Wärmebehandlung der Kontaktfeder vor, bei der eine Anlassfarbe erzeugt wird, die den Emissionsgrad der Kontaktfeder erhöht. Das Verfahren führt demnach zu einer Änderung der Strahlungseigenschaften der Oberfläche der Kontaktfeder, macht jedoch nicht von einer Schichtaufbringung im Wege einer Oberflächenbehandlung Gebrauch, sondern erzeugt die gewünschte Erhöhung des Emissionsgrades durch eine Wärmebehandlung der Kontaktfeder als Ganzes. Diese Wärmebehandlung führt, je nach Prozessführung, in kurzer Zeit und bis zu einem gewissen Grad zu einer Strukturveränderung der Oberfläche des Kupfermaterials, der so genannten Anlass- oder Anlauffarbe.
  • Zur vorteilhaften Durchführung der Wärmebehandlung kann die Kontaktfeder für eine definierte Zeitdauer in einen Ofen eingebracht werden, der die Kontaktfeder auf eine definierte Temperatur aufheizt. Geeignet sind beispielsweise einfache Umluft- oder Reflowöfen.
  • Bei einer dazu alternativen Ausgestaltung der Wärmebehandlung wird die Kontaktfeder für eine definierte Zeitdauer mit einem Strom mit definierter Stromstärke beaufschlagt, der die Kontaktfeder auf eine definierte Temperatur aufheizt.
  • Bei einer fertigungstechnisch vorteilhaften Ausgestaltung werden mehrere Kontaktfedern jeweils nur teilweise von einem Vorratsband freigestanzt und an dem Band zusammenhängend gleichzeitig - im Ofen oder durch Strom - wärmebehandelt.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, dass die Kontaktfeder als Relaisfeder ausgebildet und vor der Wärmebehandlung in ein Relais eingebaut und mit den Anschlüssen des Relais elektrisch verbunden wird, und dass die eingebaute Relaisfeder vor Inbetriebnahme des Relais über die Relaisanschlüsse mit einer kurzzeitigen Strom-Überlast beaufschlagt wird. Dadurch kann der Emissionsgrad auch bei einer bereits eingebauten Relaisfeder noch ohne grö-βeren Aufwand erhöht werden.
  • Die erfindungsgemäße Erhöhung des Emissionsgrades ist in verschiedener Hinsicht und bis zu einem gewissen Grad steuerbar. Bei einer möglichen Ausgestaltung werden die Geometrie der Kontaktfeder und die Prozessführung bei der Wärmebehandlung so aufeinander abgestimmt, dass die Anlassfarbe im Wesentlichen nur in definierten Bereichen der Oberfläche der Kontaktfeder erzeugt wird. Diese Selektivität kann von Vorteil sein, wenn im Abstrahlbereich der Bereiche ohne Anlassfarbe besonders wärmeempfindliche Umgebungsbereiche der Kontaktfeder angeordnet sind oder auch, um die elektrische Kontaktierbarkeit der Oberfläche der Kontaktfeder in den definierten Bereichen nicht zu beeinträchtigen. Bei einer weiteren Ausgestaltung wird die von der Kontaktfeder im Zuge der Wärmebehandlung zu erreichende Temperatur so gewählt, dass die Kontaktfeder einen den Emissionsgrad erhöhenden Farbton annimmt, dabei jedoch nicht ausgeglüht wird. Durch Realisierung eines mehr oder weniger definierten Farbtons kann einerseits die Emissionsgraderhöhung und andererseits die die Federeigenschaften gefährdende Wärmebelastung der Kontaktfeder bei der Wärmebehandlung begrenzt werden.
  • Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung noch näher erläutert werden:
  • Relaisfedern für miniaturisierte Automobilrelais mit hoher Strombelastung von ca. 20 bis 40 A sind als längliche, beispielsweise trapezförmige Federlappen bzw. Kontaktzungen mit einer Länge von ca. 10 mm und einer Materialstärke von ca. 0,1 mm ausgebildet und werden aus einer Folie aus Kupfermaterial gestanzt. Die trapezförmige Relaisfeder ist üblicherweise mit ihrem breiteren Ende auf den beweglich gelagerten Anker des Relais aufgenietet, während das gegenüberliegende, schmalere Ende den beweglichen, die elektrische Schaltleistung übertragenden Kontakt des Relais bildet. Bei Bestromung der Relaisspule führt der Anker und mit ihm die Relaisfeder eine Bewegung aus und der bewegliche Kontakt kommt, nach Durchfahren einer Luftstrecke, an einem ortsfesten Kontakt zur Anlage, so dass der Schaltstrom fließen kann.
  • Die Eigenerwärmungsprobleme werden bei miniaturisierten Relais tendenziell immer größer, da insbesondere die ebenfalls immer kleiner werdenden Anschlüsse weniger zur Wärmeabführung beitragen können. Verschärft wird die Problematik durch das für die Relaisfedern verwendete Kupfermaterial, das einen Anteil von ca. ein bis zwei Prozent Eisen-, Nickel-, Silizium oder anderen, in das Kristallgefüge eingebauten Atomen enthält, wodurch verbesserte Federeigenschaften der Relaisfeder resultieren, die jedoch mit einer geringeren elektrischen Leitfähigkeit bzw. einer erhöhten Wärmeabgabe einhergehen. Die für eine bestimmte Nominalbelastung, beispielsweise 30 A, ausgelegten Relais halten der entsprechenden Eigenerwärmung dauerhaft stand, wobei die allgemeinen Anforderungen an das Relais jedoch eigentlich nicht damit kompatibel sind, zusätzlichen Spielraum für eine etwaige höhere Eigenerwärmung vorzusehen. Andererseits werden die Relais zum Zwecke des Tests der Relaissicherung einmalig, für eine bestimmte Zeit, während der die Sicherung nicht auslösen darf, mit einem um 33% höheren Nennstrom belastet. Dabei erhitzt sich die Relaisfeder auf ca. 200-240°C und es kann zu Relaxationserscheinungen der Feder oder zu Beschädigungen im Relais kommen, wenn die Wärme nicht zur (wärmebeständigen) Kappe des Relais abgeführt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf der Einsicht, dass in der gegebenen Einbausituation und bei der genannten Temperatur der Relaisfeder der Strahlungsanteil der dominierende Faktor bei der Wärmeabführung ist. Der Grad der Strahlungsemission ist gemäß dem Stefan-Boltzmannschen Gesetz Q Strahlung = AF ij ϵσ ( T i 4 - T j 4 )
    Figure imgb0001
  • , wobei A die strahlende Fläche, Fij den Formfaktor zwischen Flächen i und j, ε den Emissionsgrad der strahlenden Oberfläche, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante, Ti die Temperatur der Strahler-Oberfläche und Tj die Temperatur der Empfänger-Oberfläche bezeichnet, insbesondere vom Emissionsgrad ε abhängig. Es wurde festgestellt, dass die zu stanzenden Folien aus unbehandeltem Kupfermaterial einen Emissionsgrad ε=0,18 aufweisen, also bereits einen höheren Emissionsgrad als völlig blankes, poliertes Kupfer (0,04). Dennoch lässt sich der Emissionsgrad durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung der Relaisfeder auf bis zu 0,8 erhöhen, was zu einer deutlichen Verbesserung der Wärmeabgabe führt.
  • Zur Durchführung der Wärmebehandlung kann die Relaisfeder in einen Umluftofen gelegt und dort an Sauerstoff für etwa eine Stunde auf eine Temperatur von mehr als 120°C erhitzt werden. Wenn eine Verkürzung der Taktzeit erwünscht ist, empfiehlt sich eine Erhöhung der Ofentemperatur, wobei bereits eine Erhöhung um 10 oder 20°C zu einer Halbierung der erforderlichen Dauer der Wärmebehandlung führen kann. Kürzere Taktzeiten sind insbesondere auch mit einem Reflowofen realisierbar. Es bietet sich an, eine Mehrzahl von Relaisfedern am Band zusammenhängend gleichzeitig in den Ofen einzubringen, wärmezubehandeln und die Relaisfedern erst danach vollständig vom Vorratsband freizustanzen.
  • Statt in einem Ofen kann die Relaisfeder auch durch Beaufschlagung mit einer kurzzeitigen Strom-Überlast geeignet wärmebehandelt werden. Dies kann berührungslos, durch induktive Wirbelströme, oder durch Kontaktieren der Relaisfeder geschehen. Bei einer Überlast von beispielsweise 100 A liegt die Dauer der Wärmebehandlung höchstens im Minutenbereich, wobei die Relaisfeder eine Temperatur von gut 200°C erreicht. Um nicht mit den Fertigungstoleranzen für die Relaisfeder in Konflikt zu kommen, empfiehlt es sich, die Wärmebehandlung nicht bis zum dunkelsten erreichbaren Farbton der Anlassfarbe (einer insbesondere im Zusammenhang mit Stahl an sich bekannten, bei der Wärmebehandlung von Metallen entstehenden Interferenzerscheinung) durchzuführen, sondern nur bis zu einem Farbton, bei dem die Relaisfeder noch nicht zu Lasten ihrer mechanischen Eigenschaften ausgeglüht wird.
  • Da die Temperaturverteilung in der Kontaktfeder - auch bei Wärmebehandlung im Ofen - von deren Volumen und Kontur abhängt, kann die Kontur, beispielsweise durch eine oder mehrere Engstellen, dahingehend optimiert werden, dass es nur in mehr oder weniger definierten Bereichen der Oberfläche schnell genug zu einer Temperaturerhöhung kommt, die zur Erzeugung einer den Emissionsgrad wesentlich erhöhenden Anlassfarbe ausreicht.
  • Die Wärmebehandlung durch eine Strom-Überlast eröffnet die Möglichkeit, die Relaisfeder zunächst in ein Relais einzubauen und mit den Anschlüssen des Relais elektrisch zu verbinden und die eingebaute Relaisfeder erst später, vor Inbetriebnahme des Relais, über die Relaisanschlüsse mit einer kurzzeitigen Strom-Überlast zu beaufschlagen. Auf Grund der Massivität der Kontakte wird dabei praktisch nur die Kontaktfeder selbst auf eine hohe Temperatur erhitzt.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Kontaktfeder, insbesondere einer Relaisfeder, für hohe Strombelastung, bei dem eine aus gestanztem Kupfermaterial bestehende Kontaktfeder bereitgestellt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass durch eine Wärmebehandlung der Kontaktfeder eine Anlassfarbe erzeugt wird, die den Emissionsgrad der Kontaktfeder erhöht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfeder zur Wärmebehandlung für eine definierte Zeitdauer in einen Ofen eingebracht wird, der die Kontaktfeder auf eine definierte Temperatur aufheizt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfeder zur Wärmebehandlung für eine definierte Zeitdauer mit einem Strom mit definierter Stromstärke beaufschlagt wird, der die Kontaktfeder auf eine definierte Temperatur aufheizt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kontaktfedern jeweils nur teilweise von einem Vorratsband freigestanzt und an dem Band zusammenhängend gleichzeitig wärmebehandelt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfeder als Relaisfeder ausgebildet und vor der Wärmebehandlung in ein Relais eingebaut und mit den Anschlüssen des Relais elektrisch verbunden wird, und dass die eingebaute Relaisfeder vor Inbetriebnahme des Relais über die Relaisanschlüsse mit einer kurzzeitigen Strom-Überlast beaufschlagt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Kontaktfeder und die Prozessführung bei der Wärmebehandlung so aufeinander abgestimmt werden, dass die Anlassfarbe im Wesentlichen nur in definierten Bereichen der Oberfläche der Kontaktfeder erzeugt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Kontaktfeder im Zuge der Wärmebehandlung zu erreichende Temperatur so gewählt wird, dass die Kontaktfeder einen den Emissionsgrad erhöhenden Farbton annimmt, dabei jedoch nicht ausgeglüht wird.
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