ES2329245T3

ES2329245T3 - Contactos de enchufe electrico y un producto semi-acabado para su fabricacion.

Info

Publication number: ES2329245T3
Application number: ES04728122T
Authority: ES
Inventors: Franz Kaspar; Joachim Ganz; Isabell Buresch
Original assignee: AMI Doduco GmbH; Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG; Doduco Contacts and Refining GmbH
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2004-04-17
Publication date: 2009-11-24
Anticipated expiration: 2024-04-17
Also published as: KR20050123165A; DE10318890A1; EP2086061A3; JP2007524189A; DE10318890B4; JP4771316B2; CN100574014C; DE502004011622D1; EP1616372B1; WO2004093256A1; EP2086061B1; DE502004009653D1; ATE480026T1; CN1792008A; KR101156234B1; ATE434843T1; US8697247B2; US20060148339A1; EP2086061A2; EP1616372A1

Abstract

Producto semi-acabado para la fabricación de contactos de enchufe en conectores de enchuche para redes de corriente continua eléctrica en automóviles, que son accionados con una tensión nominal, en la que se pueden producir arcos voltaicos, con un cuerpo de base conductor de electricidad de un material metálico no noble, que lleva, al menos en parte, un recubrimiento que hace contacto de un material que es más noble que el material del cuerpo de base, tiene al menos 0,3 µm de espesor y está constituido de plata o de una aleación a base de plata con un aditivo, que no forma aleación con la plata o bien con la aleación a base de plata o en todo caso forma una aleación de separación y tiene un punto de fusión más alto, de manera que el recubrimiento que hace contacto contiene como aditivo volframio y/o molibdeno y está separado a través de un procedimiento PVD, caracterizado porque el recubrimiento está constituido por plata con 4 a 6% en volumen de volframio o molibdeno y tiene un espesor de 0,5 µm a 5 µm.

Description

Contactos de enchufe eléctrico y un producto semi-acabado para su fabricación.

La invención se refiere a un producto semi-acabado para la fabricación de contactos. Un producto semiacabado con las características indicadas en el preámbulo de la reivindicación 1 se conoce a partir del documento JP 62 058 524 A y a partir de la base de datos WPI Week 198716 Thomson Scientific, Londres, GB.

La invención se refiere a contactos de enchufe eléctricos para conectores de enchufe en redes eléctricas de corriente continua, que son accionadas con una tensión nominal, en la que se pueden producir arcos voltaicos así como a un producto semi-acabado para la fabricación de tales contactos de enchufe. Especialmente se trata de contactos de enchufe, que deben utilizarse en automóviles. Los turismos tienen actualmente, en general, redes de a bordo eléctricas, que son accionadas con una tensión nominal de 14 voltios. Los contactos de enchufe en conectores de enchufe para esta finalidad de aplicación están constituidos habitualmente por un cuerpo de base de cobre, de una aleación a base de cobre, como por ejemplo CuNiSi o de acero noble, que ponen a disposición la conductividad eléctrica deseada y la propiedad de resorte para un contacto de este tipo. Para garantizar propiedades de contacto eléctrico estables también en atmósfera corrosiva, se conoce proveer los cuerpos básicos de los contactos de enchufe o de sus productos semi-acabados a través de un procedimiento de separación galvánica con una capa de oro duro o con una capa de plata pura o con una capa de estaño. Las capas de estaño y las aleaciones de estaño se aplican con frecuencia también de acuerdo con un procedimiento de estañado en caliente. De esta manera, en las condiciones marginales requeridas hasta ahora (empleo al aire a 14 voltios de tensión nominal y una temperatura ambiente máxima de 150ºC, en las que la temperatura del conector de enchufe se puede incrementar a través de calentamiento de la corriente todavía en torno a 30º por encima de la temperatura ambiente) se puede conseguir una estabilidad suficiente contra desgaste al enchufar y tirar de los contactos de enchufe macho y hembra.

Los fabricantes de automóviles planean reducir la tensión de la red de a borde en turismos en el futuro a 42 voltios. En redes de a bordo de corriente continua con una tensión nominal de 42 voltios, al enchufar y tirar de los conectores de enchufe bajo carga se producen arcos voltaicos, que pueden conducir a la combustión de los contactos de enchufe hasta el incendio del vehículo. Además, debido a las vibraciones, que se producen durante la marcha, se producen en los conectores de enchufe microinterrupciones entre los contactos de enchufe, que pueden implicar igualmente arcos voltaicos. Si se enciende en la práctica un arco voltaico a través de un intersticio que aparece en caso de vibraciones o durante el enchufe o tracción de un conector entre dos superficies de contacto, no sólo depende de la tensión eléctrica disponible sino también de si se separa una carga capacitiva o una carga inductiva y de qué material están constituidas las superficies de contacto implicadas. Para todos los materiales existe una tensión mínima condicionada físicamente, que es necesaria para desgarrar portadores de carga desde la superficie de contacto y alimentar con ellos el arco voltaico. El elemento con la tensión de combustión de arco voltaico máxima es carbono con una tensión de combustión de 20 voltios; todos los metales tienen tensiones de combustión entre 12 voltios y 16 voltios. En redes de a bordo de turismos con 14 voltios de tensión nominal, durante la separación de un conector de enchufe bajo carga se produce todavía la configuración de un arco voltaico que arden de forma duradera, puesto que la resistencia de carga en el circuito de corriente previamente cerrado se produce una caída de la tensión, de manera que en el intersticio, que se forma durante la separación de un conector de enchufe entre las superficies de contacto implicadas, no se alcanza la tensión de combustión de arco voltaico necesaria. Por lo tanto, en los turismos actuales, las superficies de contacto no están diseñadas para casos de carga, en los que se pueden producir arcos voltaicos.

El mundo técnico conoce el problema de que en redes de a bordo de 42V durante la separación de conectores de enchufe se pueden producir arcos voltaicos, que pueden conducir a daños agravantes hasta el incendio del vehículo y que son adecuados para poner en peligro la seguridad de los ocupantes del vehículo. El mundo técnico sabe también que será necesario diseñar de nuevo toda la red de a bordo eléctrica y sus componentes para cumplir los requerimientos de una nueva tensión de 42 voltios y que esto requiere esfuerzos de desarrollo considerables también para la cambiar la configuración de conectores de enchufe, ver por ejemplo de Artículo de Thomas J. Schöpf, "Electrical Contacts in the Automotive 42 VDC PowerNet", Proceedings of the 21st Internacional Conference on Electrical Contacts, 9 a 12.09.2002 en Zurich, páginas 43 a 55, especialmente la página 52. Este Artículo indica esfuerzos que se ocupan de medios para la extinción del arco voltaico.

El Artículo de N. Ben Jamaa y col. "Short Arc Duration Laws and Distribution at Low Current (<1A) and Voltage (14-42VDC)", Proceedings of 20^{th} International Conference on Electrical Contacts, 19 a 23.06.2000 en Estocolmo, páginas 379 a 383, informa sobre investigaciones de la duración de la combustión del arco voltaico sobre superficies de contacto de Ag, Au, Cu, Pd, Sn, Ni y acero, de los cuales el paladio mostró la duración más corta y el estaño la duración más larga del arco voltaico. Sin embargo, el paladio es muy caro y su empleo para conectores de enchufe en la técnica de automóvil es, por no tanto, poco rentable. Los otros materiales se conocen, como se ha mencionado anteriormente, como superficies de contacto en conexiones de enchufe para redes de a bordo de 14V en automóviles actuales, pero son insuficientemente cualificados para el empleo en redes de a bordo de 42V.

Otro problema consiste en que los arcos voltaicos, que pueden aparecer en redes de a bordo de 42V, modifican la superficie de contacto y pueden conducir a una resistencia elevada de transmisión del contacto, por lo tanto, a un calentamiento no deseado del contacto, en determinadas circunstancias incluso a una soldadura de contactos de enchufe, de manera que éstos ya no se pueden separar.

Un producto semi-acabado con las características del preámbulo de la reivindicación 1 se conoce a partir del documento US 5.967.860. Los contactos de enchufe conocidos tienen un cuerpo de base de cobre o de acero noble y encima un recubrimiento de material nanocompuesto, por ejemplo de 0,95 \mum de espesor, de plata con níquel y grafito, que se separa electrolíticamente. Sobre esta capa de plata - níquel - grafito se encuentra con preferencia todavía una capa de plata fina, separada electrolíticamente. En el caso de contactos de enchufe con un cuerpo de base de cobre, entre éste y la capa de plata-níquel-grafito se encuentra todavía una capa intermedia de níquel.

La presente invención tiene el cometido de crear contactos de enchufe eléctricos así como un producto semi-acabado para su fabricación, que en los requerimientos previsibles en redes de a bordo de 42 V debidos a arcos voltaicos, se comportan más favorablemente que los productos semi-acabados y contactos de enchufe conocidos, que están diseñados para 14 voltios de tensión nominal, y que cumplen las condiciones marginales indicadas a continuación, que han sido establecidas para el empleo en redes de a bordeo de 42 V:

\bullet: Su cuerpo básico debe presentar, por una parte, una dureza de resorte que posibilita un contacto fiable en conexiones de enchufe eléctricas.

\bullet: Por otra parte, el cuerpo de base debe ser suficientemente dúctil para poder deformarlo, especialmente por medio de flexión.

\bullet: Los conectores de enchufe, que están fabricados con tales contactos de enchufe, deben poder separarse y unirse de nuevo repetidas veces bajo carga, sin soldarse entre sí.

\bullet: Los conectores de enchufe, que están fabricados con tales contactos de enchufe, deben poder separarse y unirse de nuevo repetidas veces bajo carga, sin que la resistencia de transición de contacto se incremente demasiado fuerte. Especialmente una capa de contacto aplicada no debe rozarse tampoco después de separación y unión de nuevo repetidas de la conexión de enchufe. Debe ser posible sin fallo un número de procesos de enchufe típico para el empleo en automóviles.

\bullet: Los contactos de enchufe deben ser adecuados para el empleo a temperaturas ambiente hasta 200ºC.

\bullet: Los contactos de enchufe y el producto semi-acabado para su fabricación deben ser económicos.

Este cometido se soluciona a través de un producto semi-acabado con las características indicadas en la reivindicación 1 de la patente, a través de un procedimiento según la reivindicación 11 para su fabricación así como a través de contactos de enchufe fabricados a partir de ello con las características indicadas en la reivindicación 9 de la patente. Otros desarrollos de la invención son objeto de las reivindicaciones dependientes.

La invención tiene ventajas esenciales:

\bullet: A través de la utilización de un cuerpo de base de un material innoble y un recubrimiento, que tiene propiedades favorables para el contacto eléctrico en conectores de enchufe, se pueden cumplir tanto los requerimientos mecánicos como también los requerimientos eléctricos.

\bullet: Puesto que el recudimiento previsto para el contacto eléctrico se forma sobre el sustrato de plata o sobre el sustrato de una aleación a base de plata, donde se prefiere plata pura, porque tiene un punto de fusión más elevado, se pueden obtener superficies de contacto con resistencia de transición de contacto suficientemente baja y con resistencia suficiente a la corrosión. Una resistencia de transición de contacto baja es favorable para un calentamiento reducido de los contactos de enchufe en un conector de enchufe. La resistencia a la corrosión buena es favorable para una resistencia de transición de contacto duradera baja.

\bullet: La plata pura sería desfavorable como recubrimiento de establecimiento del contacto con respecto a la carga de arco voltaico posible en redes de a bordo de 42V. Es tanto más sorprendente que incluso capas finas de plata o de una aleación a base de plata con cantidades reducidas de un aditivo seleccionado de acuerdo con la invención provocan una mejora esencial de la idoneidad de los contactos de enchufe para conectores de enchufe en redes de a bordo de 42 V.

\bullet: Incluso las capas finas con la composición seleccionada de acuerdo con la invención están todavía completamente presentes después de solicitación repetida a arco voltaico y no se rozan a través de tracción y enchufe repetidos de un conector configurado de acuerdo con la invención.

\bullet: Además, es sorprendente que también en el caso de actuación repetida del arco voltaico, una migración de ingredientes del cuerpo básico en el recubrimiento de contacto se mantiene en límites estrechos tolerables y de acuerdo con ello no se produce una realeación. Esto se aplica incluso para cobre de un cuerpo de base que contiene cobre.

\bullet: El recubrimiento de contacto fino es suficientemente duro para la utilización en conectores de enchufe.

\bullet: Puesto que el recubrimiento puede ser fino, los costes para la utilización de la plata noble son bajos.

\bullet: El recubrimiento se puede separar económicamente a través de un procedimiento PVD, especialmente a través de pulverización catódica. De esta manera se pueden separar plata y aditivos, que no se alean con la plata, como una mezcla de grano fino, densa y dura. El cuerpo de base permanece tan frío en el transcurso del procedimiento de separación que no pierde su dureza previamente seleccionada.

\bullet: A través de un procedimiento reactivo PVD se pueden separar también compuestos, especialmente óxidos de metal, como aditivos.

Se han conseguido resultados especialmente buenos con recubrimientos, que tienen entre 0,5 \mum y 5 \mum de espesor.

Los aditivos refractarios que, distribuidos finamente, se acumulan en los límites de los granos de la matriz de plata, son especialmente adecuados para los fines de la invención, a saber, volframio y molibdeno.

Para el cuerpo de base se pueden utilizar todas las aleaciones no nobles, que pertenecen al estado de la técnica para contactos de enchufe eléctricos. Especialmente adecuados son los materiales mencionados por su nombre en la reivindicación 3 de la patente.

El producto semi-acabado es con preferencia una cinta, que se puede recubrir continuamente en un proceso continuo. En particular, el producto semi-acabado puede ser también una cinta pre-estampada, que se puede recubrir igualmente de forma continua, sobre todo a través de un procedimiento PVD seco y frío. Si se utilizan cintas pre-estampadas, en las que los contornos de los contactos de enchufe a formar están establecidos ya a través de la pre-estampación, a partir de ellos se pueden formar económicamente los contactos de enchufe a través de un proceso sencillo de separación y de flexión.

La separación del recubrimiento a través de un procedimiento PVD, especialmente a través de pulverización catódica, tiene la ventaja adicional de que la composición del recubrimiento se puede modificar a través de la modificación de las condiciones de separación, incluso sin escalonamiento durante el proceso de separación. De esta manera es posible prever en el recubrimiento un gradiente del aditivo no aleado con plata o con la aleación de plata y de esta manera optimizar las propiedades mecánicas y eléctricas del recubrimiento de contacto.

La concentración del aditivo en el recubrimiento de plata o de la aleación de plata en la superficie del recubrimiento es con preferencia menor que en la profundidad del recubrimiento. La relación entre la tasa de separación del aditivo y la tasa de separación de la plata o bien de la aleación de plata se puede reducir, por ejemplo, hacia el final del proceso de separación.

Para obtener la composición y, por lo tanto, las propiedades del recubrimiento de contacto durante larga duración, puede ser ventajoso, además, prever entre el cuerpo de base y el recubrimiento de contacto una capa intermedia, que inhiba la difusión de ingredientes del material del cuerpo de base en el recubrimiento de contacto y sobre la superficie de contacto. Una capa intermedia de este tipo puede estar constituida, por ejemplo por pocas \mum de níquel. También pocas \mum de plata son adecuadas como capa intermedia. La plata se contempla sobre todo cuando debe doblarse un producto semi-acabado según la invención con radios de flexión tan estrechos que se rompería una capa de níquel. Espacialmente adecuados son espesores de capa de 1 \mum a 5 \mum, especialmente de 2 \mum \pm 0,5 \mum, para la capa intermedia.

Para verificar la resistencia contra actuación del arco voltaico se separaron varios contactos de enchufe de cobre, que se habían provisto a través de pulverización catódica con un recubrimiento de 2 \mum de espesor de plata con 4% en peso de volframio, 20 veces a una tensión continua de 43 voltios bajo una corriente de carga de 1,5 A y una inductividad de 1,75 mH. Después de 20 procesos de separación, en los que se encendió en cada caso un arco voltaico, el recubrimiento no se había quemado tampoco todavía en la zona de los puntos de la pata del arco voltaico, sino que está presente todavía completo y cerrado, aunque rugoso también a través de procesos de fundición. Un análisis de la composición del recubrimiento de contacto después de 20 actuaciones del arco voltaico dio como resultado una porción de cobre reducida de máximo 1,5% en peso en la zona de los puntos de la pata del arco voltaico, lo que es bien tolerable.

El dibujo adjunto es una sección a través de un producto semi-acabado en forma de cinta y muestra -muy ampliado y no a escala- la estructura de un producto semi-acabado según la invención, por ejemplo, con un cuerpo de base 1 de 0,5 mm de espesor de una aleación para muelles a base de cobre, por ejemplo cobre con 3% de níquel y 0,5% de Si (material Nº C7025 según CDA), además como capa intermedia inhibidora de la difusión 2 una capa de níquel de 2 \mum de espesor, que se puede separar galvánicamente o a través de un procedimiento PVD. Sobre la capa de níquel 2 está presente como capa de contacto 3 una capa de 4 \mum de espesor de plata con 5% en peso de volframio, que están pulverizadas en común y forman una mezcla finamente dividida.

Como material para el cuerpo de base se selecciona, por ejemplo, un material del grupo siguiente:

(a): CuNiSi(X): por ejemplo materiales con las designaciones C7025, C7026 según CDA,

(b): CuFeP: por ejemplo, materiales con la designación C194, C19210 según CDA,

(c): CuSn: por ejemplo materiales con las designaciones C521, C511, C14415 según CDA,

(d): CuZn: por ejemplo materiales con las designaciones C272, C230, C260 según CDA,

(e): CuCrSiTi(X): por ejemplo materiales con las designaciones C18070, C18080, C18090 según CDA,

(f): CuCiSn: por ejemplo materiales con las designaciones C72500, C19025 según CDA,

(g): CuSnZn: por ejemplo materiales con las designaciones C663, C425 según CDA,

(h): CuN1Zn: por ejemplo materiales con las designaciones C75700, C77000, C76400 según CDA,

(i): CuBe: por ejemplo materiales con las designaciones C17100, C17410, C17200 según CDA,

(j): CuTi: por ejemplo materiales de la familia de materiales con la designación C19900 según CDA,

(k): Acero noble: por ejemplo materiales con las designaciones:

: 1.4310 según DIN 17224,

: 1.4311 según DIN 17440,

: 1.4406 según DIN 17440,

: 1.4428 según DIN 17443,

: 1.4429 según DIN 17440,

: 1.4568 según DIN 17224,

: 1.4841 según DIN 17224,

: 1.4318, 1.1231, 1.1248, 1.1269, 1.1274, 1.5029

: según DIN V 17006-100.

Claims

1. Producto semi-acabado para la fabricación de contactos de enchufe en conectores de enchuche para redes de corriente continua eléctrica en automóviles, que son accionados con una tensión nominal, en la que se pueden producir arcos voltaicos, con un cuerpo de base conductor de electricidad de un material metálico no noble, que lleva, al menos en parte, un recubrimiento que hace contacto de un material que es más noble que el material del cuerpo de base, tiene al menos 0,3 \mum de espesor y está constituido de plata o de una aleación a base de plata con un aditivo, que no forma aleación con la plata o bien con la aleación a base de plata o en todo caso forma una aleación de separación y tiene un punto de fusión más alto, de manera que el recubrimiento que hace contacto contiene como aditivo volframio y/o molibdeno y está separado a través de un procedimiento PVD, caracterizado porque el recubrimiento está constituido por plata con 4 a 6% en volumen de volframio o molibdeno y tiene un espesor de 0,5 \mum a 5 \mum.

2. Producto semi-acabado de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el recubrimiento está separado mediante pulverización catódica.

3. Producto semi-acabado de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque como material para el cuerpo de base está seleccionado un material del grupo siguiente:

(k): Acero noble: por ejemplo materiales con las designaciones:

: 1.4310 según DIN 17224,

: 1.4311 según DIN 17440,

: 1.4406 según DIN 17440,

: 1.4428 según DIN 17443,

: 1.4429 según DIN 17440,

: 1.4568 según DIN 17224,

: 1.4841 según DIN 17224,

: 1.4318, 1.1231, 1.1248, 1.1269, 1.1274, 1.5029

: según DIN V 17006-100.

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4. Producto semi-acabado de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque es una cinta.

5. Producto semi-acabado de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la cinta está pre-estampada.

6. Producto semi-acabado de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque entre el cuerpo de base y el recubrimiento que hace contacto está prevista una capa intermedia inhibidores de la difusión.

7. Producto semi-acabado de acuerdo la reivindicación 6, caracterizado porque la capa intermedia está constituida de plata o níquel.

8. Producto semi-acabado de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la concentración del aditivo en el recubrimiento de plata o de la aleación de plata en la superficie del recubrimiento es menor que en la profundidad del recubrimiento.

9. Contactos de enchufe para conectores de enchufe eléctricos, fabricados de un producto semi-acabado de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores.

10. Utilización de contactos de enchufe de acuerdo con la reivindicación 9 en redes de corriente continua eléctrica de automóviles, que son accionados con una tensión nominal, en la que se pueden producir arcos voltaicos, especialmente en redes de corriente continua de 42 voltios.

11. Procedimiento para la fabricación de un producto semi-acabado de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8 a través de recubrimiento PVD de una cinta de un material metálico no noble con plata o con una aleación a base de plata y con un aditivo de volframio y/o molibdeno, en el que los ingredientes del recubrimiento se separan de forma solapada en el tiempo y el recubrimiento está constituido de plata con 4 a 6% en volumen de volframio o molibdeno y tiene un espesor de 0,5 \mum a 5 \mum.

12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque se modifica la relación de las tasas de separación de los ingredientes del recubrimiento durante el proceso de separación.

13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque la relación entre la tapa de separación del aditivo con respecto a la tasa de separación de la plata o bien de la aleación de plata se reduce hacia el final del proceso de separación.