ES2210063T3 - Banda metalica conductora de la electricidad y conector hecho de la misma. - Google Patents

Abstract

Banda metálica eléctricamente conductora, para la fabricación de piezas de contacto eléctrico, en especial de conectores, con un material de base de una aleación de cobre, la cual presenta un recubrimiento metálico aportado por técnicas de fusión a base de una aleación de estaño-plata, en la cual entre el material de base y el recubrimiento está formada una fase intermetálica, caracterizada porque el material de base - expresado en tantos por ciento en peso - se compone de Níquel (Ni) 1, 0% a 4, 0% Silicio (Si) 0, 08% a 1, 0% Estaño (Sn) 0, 02% a 1, 0% Cinc (Zn) 0, 01% a 2, 0% Circonio (Zr) 0, 005% a 0, 2% Plata (Ag) 0, 02% a 0, 5% A elección Magnesio (Mg) = 0, 1% Fósforo (P) = 0, 05% Hierro (Fe) = 0, 1% el resto, cobre, inclusive las impurezas debidas a la refusión, y el recubrimiento se compone de una aleación estaño-plata con una proporción de plata comprendida entre 1% en peso y 3, 8% en peso y, a elección, = 10% en peso de indio.

Description

Banda metálica conductora de la electricidad y conector hecho de la misma.

El invento se refiere a una banda metálica conductora de la electricidad para la fabricación de elementos para la construcción de contactos eléctricos, así como a un conector a partir de ella.

Las conexiones de contacto con enchufe están ampliamente difundidas en las aplicaciones electrotécnicas. Bajo este nombre se entiende fundamentalmente un dispositivo mecánico compuesto de conector macho y vaina del conector macho para abrir y cerrar una unión conductora de la electricidad. Las conexiones de contacto con enchufe encuentran aplicación en los campos más diversos, por ejemplo en la electricidad del automóvil, en la técnica de la información o en la electrónica de las instalaciones industriales.

Un proceso de fabricación habitual de esta clase de elementos de contacto con enchufe consiste en extraer por troquelado las piezas brutas de una banda de cobre o, respectivamente, de una aleación de cobre, y continuar elaborando éstas hasta un elemento de contacto con enchufe. El cobre tiene una alta conductividad eléctrica. Como protección frente a la corrosión y el desgaste, así como para aumentar la dureza superficial, las bandas de cobre o, respectivamente, de aleación de cobre, se estañan previamente. El estaño, debido a su buena resistencia a la corrosión, es especialmente adecuado como material de recubrimiento para el cobre. Al estándar técnico pertenece el aporte del recubrimiento por el procedimiento de inmersión en baño fundido.

En relación con esto, se conocen las más diversas aleaciones de estaño para el recubrimiento de superficie del material de base, en especial también aleaciones de estaño-plata, puesto que éstas se encuentran entre los mejores materiales de contacto.

De la memoria de patente europea 0 443 291 B1 es conocido recubrir con estaño puro o con una aleación de estaño-plomo el material de base de un elemento de contacto del par de conectores enchufables, mientras que el otro elemento de contacto presenta un recubrimiento de superficie más duro, aportado por vía de baño fundido, de una aleación que contiene hasta el 10% en peso de plata. Junto a la plata se proponen, además, una serie de otros metales de aleación. Este principio sirve de guía para la fabricación de conectores de alto valor cualitativo, con baja y homogénea resistencia de contacto y esfuerzos para enchufar y desenchufar lo más bajas posibles.

La propuesta según el documento DE 44 43 461 C1 prevé un recubrimiento de superficie, aportado por baño fundido, de una aleación de estaño que contiene hasta el 5% en peso de cobalto. Junto al cobalto la aleación de estaño puede contener también bismuto e indio, así como un gran número de otros elementos de aleación.

El documento DE 36 28 783 C2 da a conocer una pieza de unión eléctrica de una aleación de cobre que contiene 0,3 a 2% en peso de magnesio, así como 0,001 a 0,1% en peso de fósforo. Las piezas de unión eléctrica se caracterizan por su resistencia mecánica, su conductividad eléctrica y por sus propiedades de relajación de tensiones a altas temperaturas. Muestran características de utilización satisfactorias, incluso cuando están fabricadas en dimensión compacta y de forma complicada.

Por el documento DE 43 38 769 A1, al estado de la técnica pertenece también una aleación de cobre para la fabricación de conectores eléctricos con una composición en lo esencial de 0,5 a 3% en peso de níquel, 0,1 a 0,9% en peso de estaño, 0,08 a 0,8% en peso de silicio, 0,1 a 3% en peso de cinc, 0,007 a 0,25% en peso de hierro, 0,001 a 0,2% en peso de fósforo, así como 0,001 a 0,2% en peso de magnesio con el componente principal cobre como resto, incluidas las inevitables impurezas.

Las conocidas bandas metálicas o, respectivamente, los conectores producidos de ellas se han acreditado en la práctica. Sin embargo, las exigencias técnicas y cualitativas a las piezas constructivas de contacto aumentan de forma creciente en lo relativo a las propiedades mecánicas y eléctricas. Esto vale especialmente en el caso del empleo de las piezas constructivas de contacto bajo condiciones ambientales difíciles o agresivas, por ejemplo para conectores en la electricidad del automóvil y, aquí sobre todo, en la electrónica del motor. Bajo condiciones de trabajo tan difíciles se pueden presentar exigencias, sobre todo en cuanto a la estabilidad frente a la temperatura, estabilidad frente a la relajación, resistencia a la corrosión y resistencia a la adherencia del recubrimiento, para las cuales las piezas constructivas de contacto tropiezan con su límite. Se puede producir entonces la desfoliación (peeling) del recubrimiento de superficie.

Partiendo del estado de la técnica, el invento se fundamenta en la misión de crear una banda metálica conductora de la electricidad para la fabricación de piezas para la construcción de contactos eléctricos, especialmente de conectores, con buenas propiedades eléctricas y mecánicas, mejorando la adherencia entre material de base y recubrimiento y que, además, sea ventajosa económicamente.

La solución de este problema consiste según el invento en una banda metálica conductora de la electricidad según la reivindicación 1, así como en un conector producido a partir de ella según la reivindicación 6.

Por consiguiente, el material de base se compone de una aleación de cobre con proporciones de níquel comprendidas entre 1,0 y 4,0% en peso, proporciones de silicio de 0,08 a 1,0% en peso, proporciones de estaño entre 0,02 y 1,0% en peso, proporciones de cinc de 0,01 a 2,0% en peso, proporciones de circonio de 0,005 a 0,2% en peso y proporciones de plata entre 0,02 a 0,5% en peso, estando compuesto el recubrimiento por una aleación de estaño-plata con una proporción de plata comprendida entre 1,0 y 3,8% en peso.

Resultados especialmente positivos se consiguieron en ensayos con un material de base de una aleación de cobre con proporciones de níquel entre 1,4 y 1,7% en peso, silicio de 0,2 a 0,35% en peso, estaño entre 0,02 y 0,3% en peso, cinc de 0,01 a 0,3% en peso.

Por la proporción de estaño en el material de base disminuye en sí su conductividad, sin embargo con ello aumentan la resistencia mecánica y la tenacidad. La disminución de la conductividad se compensa por la adición de plata como aleación. El objeto principal de la proporción de plata consiste en participar, como componente de la matriz, en procesos de difusión con el material de recubrimiento bajo la influencia de la temperatura, e influir en la esperada formación de fases de compuestos intermetálicos, guiada por difusión. Por lo tanto, la proporción de plata en el material de base se encuentra comprendida entre 0,02% en peso y 0,5% en peso, por el contrario el recubrimiento presenta una proporción de plata entre 1% en peso y 3,8% en peso.

Preferentemente, el contenido en plata del material de base es de 0,05% en peso a 0,2% en peso (reivindicación 2). El contenido de plata en el recubrimiento se encuentra preferentemente entre 1,2% en peso y 2,5% en peso (reivindicación 3). Esto conduce a una baja resistencia de transición.

El circonio en una proporción en el material de base comprendida entre 0,005% en peso y 0,2% en peso, pero de modo preferido hasta 0,05% en peso, aumenta la resistencia a la corrosión y a la temperatura y mejora la conformabilidad en caliente.

La banda metálica conforme al invento se caracteriza en primer lugar por sus buenas propiedades mecánicas y eléctricas, en especial por su buena conductividad y resistencia a la relajación, con una buena conformabilidad, así como resistencia al desprendimiento del recubrimiento. Está garantizada una resistencia de transición de contacto estable. La banda metálica muestra una alta estabilidad frente a la temperatura con baja resistencia de transición. Es resistente al rozamiento y al rozamiento penetrante para una alta dureza, a pesar de lo cual es bien conformable y de fácil soldadura blanda. Los esfuerzos para enchufar y desenchufar son bajos, con una resistencia a la corrosión por frotamiento mejorada.

Además de esto, la banda metálica es ventajosa económicamente, puesto que en su fabricación se puede utilizar chatarra de cobre con porciones de estaño. En el circuito de materiales se alcanza un balance de estaño equilibrado. Por ello, se puede garantizar una calidad constante de las bandas metálicas fabricadas utilizando chatarra. Por un balance de la carga de chatarra blanca (material CuNiSi), chatarra estañada y metal nuevo (cobre), se puede conseguir, según el grosor de la capa de estaño de la chatarra estañada, un material de base como producto de colada con un contenido en estaño de 0,02 a 1% en peso. Ventajosos para el procedimiento son productos de colada con un contenido en estaño comprendido entre 0,25 y 0,5% en peso.

La fase intermetálica entre el metal de base y el recubrimiento es de grano fino y homogénea. De ello resultan una buena conformabilidad, en especial una buena capacidad de doblado, elevadas resistencias a la cizalladura y bajos módulos de elasticidad, así como una elevada resistencia a la fluencia de la banda metálica conforme al invento.

Los componentes de la aleación cinc y plata tienen influencia sobre el comportamiento de la difusión en la fase intermetálica entre el material de base y el recubrimiento de estaño-plata. Las fases de cobre-estaño, que se forman forzosamente por difusión del cobre en la capa de estaño, son influidas en su carácter por la temperatura y el tiempo, en el sentido de una ralentización e impedimento de la formación, en especial, de la denominada fase \varepsilon. De esta modo se garantiza una resistencia mecánica esencialmente mejor entre material de base y recubrimiento. Con ello se desplaza a temperaturas más elevadas y tiempos más prolongados la aparición de desprendimientos, en especial la exfoliación (peeling) del recubrimiento, incluso en condiciones de empleo desfavorables y difíciles de la banda metálica y, respectivamente, de los conectores fabricados a partir de ella.

La causa esencial para un posible fallo del recubrimiento condicionado por envejecimiento, precisamente a temperaturas superiores a 150ºC, es una transformación desproporcionadamente rápida de la denominada fase \eta (Cu_{6}Sn_{5}) en la fase \varepsilon (Cu_{3}Sn), hacia dentro, durante la formación, partiendo del límite de fases entre material de base y recubrimiento, a causa de las altas velocidades de difusión. A partir de aquí, el invento hace suya la idea de que la sola existencia de la fase \varepsilon no conduce necesariamente a procesos de desprendimiento en el límite entre material de base y recubrimiento, tampoco en un estado de tensiones provocado por el proceso de conformación de un conector. Si se limita o se impide la aparición de la fase \varepsilon, esto actúa positivamente sobre la fase intermetálica y sobre la estabilidad a largo plazo del recubrimiento.

Cinc y plata, así como el níquel presente en el material de base, en las proporciones previstas conforme al invento, son adecuados para reprimir o, respectivamente ralentizar esencialmente la rápida transformación de la fase \eta en fase \varepsilon durante el proceso de difusión y su participación en la formación de la fase intermetálica, especialmente por enriquecimiento en el límite de fases, con el resultado favorable de una unión homogénea, de alta adherencia, entre el material de base y el recubrimiento.

Si, además, se añade indio a la aleación del recubrimiento, por cierto hasta 10% en peso, pero preferentemente entre 0,1% en peso y 5% en peso, tal como lo prevé la reivindicación 4, ciertamente se hace descender el punto de fusión, sin embargo en conjunto mejora la resistencia frente a las condiciones externas. Además, por la adición de indio a la aleación se influye positivamente sobre las propiedades para la soldadura blanda.

El magnesio aumenta la resistencia mecánica y la propiedad de relajación de tensiones a alta temperatura de la aleación, con un perjuicio sólo insignificante de la conductividad eléctrica, que descansa sobre el componente principal cobre. El magnesio se disuelve en la matriz de cobre y conforme a la reivindicación 5 está previsto en el material de base en una proporción de hasta 0,1% en peso. Por lo demás, el material de base puede contener también fósforo hasta una proporción de 0,05% en peso. El fósforo actúa como desoxidante y, junto con el magnesio, actúa para aumentar la resistencia mecánica y la propiedad de relajación de tensiones a elevadas temperaturas. El componente fósforo contribuye también en la conservación de la fuerza de muelle de la banda metálica en el proceso de conformación.

Una mejora de la conformabilidad y también de la capacidad de laminación en caliente se puede conseguir por una proporción de hierro de hasta 0,1% en peso. El componente hierro disminuye, además, el tamaño de grano por precipitación de compuestos de níquel y silicio, y actúa contra la formación de una estructura agrietada, lo que a su vez es positivo para la fuerza de adherencia entre material de base y recubrimiento.

Claims (6)

1. Banda metálica eléctricamente conductora, para la fabricación de piezas de contacto eléctrico, en especial de conectores, con un material de base de una aleación de cobre, la cual presenta un recubrimiento metálico aportado por técnicas de fusión a base de una aleación de estaño-plata, en la cual entre el material de base y el recubrimiento está formada una fase intermetálica, caracterizada porque el material de base - expresado en tantos por ciento en peso - se compone de

\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\+#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
 Níquel (Ni) \+  \hskip2cm  \+ \+ 1,0% a 4,0%\cr  Silicio
(Si) \+ \+ \+ 0,08% a 1,0%\cr  Estaño (Sn) \+ \+ \+ 0,02% a 1,0%\cr 
Cinc (Zn) \+ \+ \+ 0,01% a 2,0%\cr  Circonio (Zr) \+ \+ \+ 0,005% a
0,2%\cr  Plata (Ag) \+ \+ \+ 0,02% a 0,5%\cr  A elección\+\+\+\cr 
Magnesio (Mg) \+ \+ \+ 0,1%\cr  Fósforo (P) \+ \+ \+ 0,05%\cr 
Hierro (Fe) \+ \+ \+
0,1%\cr}

el resto, cobre, inclusive las impurezas debidas a la refusión, y el recubrimiento se compone de una aleación estaño-plata con una proporción de plata comprendida entre 1% en peso y 3,8% en peso y, a elección, = 10% en peso de indio.

2. Banda metálica según la reivindicación 1, caracterizada porque el contenido en plata del material de base es de 0,05% en peso a 0,2% en peso.

3. Banda metálica según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el contenido en plata del recubrimiento se encuentra entre 1,2% en peso y 2,5% en peso.

4. Banda metálica según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el recubrimiento contiene hasta 10% en peso, preferentemente entre 0,1% en peso y 5% en peso, de indio.

5. Banda metálica según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el material de base contiene hasta 0,1% en peso de magnesio (Mg), hasta 0,05% en peso de fósforo (P) y/o hasta 0,1% en peso de hierro (Fe).

6. Conector a partir de una banda metálica según una de las reivindicaciones 1 a 5.