CH616358A5 - Metallic multi-layered composite material and production process for it - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen metallischen Mehrschichtenverbundwerkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Federbiegegrenze, welcher aus mindestens zwei metallurgisch verbundenen Schichten zusammengesetzt ist, von denen die eine aus einem durch spanlose Verformung verfestigten, gut leitenden Werkstoff und die andere aus einem thermisch aushärtbaren Werkstoff hoher Federbiegegrenze besteht. Es wird ferner ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines solchen Mehrschichtenverbundwerkstoffes angegeben. The invention relates to a metallic multi-layer composite material with high electrical conductivity and high spring deflection limit, which is composed of at least two metallurgically connected layers, one of which consists of a highly conductive material that is solidified by non-cutting deformation and the other of a thermally curable material of high spring deflection limit. An advantageous method for producing such a multilayer composite material is also specified.
Die Weiterentwicklung und fortschreitende Miniaturisierung elektromechanischer Bauelemente und die Forderung nach extremer Beanspruchbarkeit verlangt in vielen Fällen Federbauelemente, welche neben einer hohen elektrischen Leitfähigkeit auch eine hohe Federbiegegrenze aufweisen, die sogar bei Temperatureinwirkungen, z. B. Lötvorgang, nur unwesentlich abfallen soll. Derartige Schalt- bzw. Kontaktfedern, welche in Schaltern, Relais, Steckern, Buchsen, Gleitschiebern u. dgl. in vielen Ausführungsformen angewendet werden, haben bisher meist nur hinsichtlich einer geforderten Eigenschaft, d. h. entweder hinsichtlich einer hohen elektrischen Leitfähigkeit oder einer hohen Federbiegegrenze, zufriedenstellende Ergebnisse erzielen können. Da bei homogenen metallischen Werkstoffen eine Erhöhung der Federbiegegrenze stets mit einer Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit verbunden ist, musste bisher bei der Auswahl von Werkstoffen für stromführende Federn eine Optimierung zwischen den gewünschten Eigenschaften in der Weise erfolgen, dass gut leitfähige Metalle einer metallurgischen Behandlung unterworfen wurden, die zu einer möglichst geringen Leitfähigkeitserniedrigung führte. The further development and advancing miniaturization of electromechanical components and the demand for extreme durability require in many cases spring components which, in addition to high electrical conductivity, also have a high spring bending limit, which can even be affected by temperature, e.g. B. soldering process, should drop only slightly. Such switching or contact springs, which in switches, relays, plugs, sockets, slide valves u. The like. Are used in many embodiments, have so far mostly only in terms of a required property, ie. H. can achieve satisfactory results either in terms of high electrical conductivity or a high spring deflection limit. Since in the case of homogeneous metallic materials an increase in the spring bending limit is always associated with a decrease in the electrical conductivity, it has hitherto been necessary to optimize the desired properties in the selection of materials for current-carrying springs in such a way that highly conductive metals have been subjected to a metallurgical treatment, which resulted in the lowest possible conductivity reduction.
Nach dem bekannten Stande der Technik kann eine Verfestigung eines gut leitfähigen Metalls, z. B. Kupfer, mit entsprechender Leitfähigkeitserniedrigung in folgender Weise ausgeführt werden: According to the known prior art, solidification of a highly conductive metal, e.g. B. copper, with appropriate conductivity reduction in the following manner:
a) durch mechanische Verfestigung als Folge einer plastischen, spanlosen Verformung, a) by mechanical strengthening as a result of plastic, non-cutting deformation,
b) durch Mischkristallhärtung mit Zusätzen, die nur eine geringe atomare Widerstandserhöhung bewirken, b) by solid solution hardening with additives which cause only a small increase in atomic resistance,
c) durch Ausscheidungshärtung. c) by precipitation hardening.
Die geringste Widerstandserhöhung ist bei der Verfestigung durch mechanische spanlose Verformung erreichbar. Dabei wird allerdings für reine Metalle wie Aluminium, Kupfer, Silber nur eine geringe Erhöhung der Federbiegegrenze erzielt, welche ausserdem schon bei relativ niedrigen Anlassbzw. Einsatztemperaturen durch Überschreitung der Rekristallisationstemperatur und anschliessende Rekristallisationsvorgänge wieder verloren geht. The slightest increase in resistance can be achieved by mechanical non-cutting deformation. However, only a slight increase in the spring bending limit is achieved for pure metals such as aluminum, copper, and silver, which is moreover even at a relatively low Operating temperatures due to the recrystallization temperature being exceeded and subsequent recrystallization processes being lost again.
Höhere Rekristallisationstemperaturen und Federbiegegrenzen können durch Mischkristallhärtung, beispielsweise bei Kupfer, durch Silber-, Kadmium- oder Eisen-Zusatz realisiert werden. Mit zunehmendem Legierungsgehalt steigt zwar die Federbiegegrenze, jedoch sinkt die elektrische Leitfähigkeit des Metalles oft unter die durch den Verwendungszweck bestimmten Mindestwerte. Higher recrystallization temperatures and spring bending limits can be achieved by hardening mixed crystals, for example in copper, by adding silver, cadmium or iron. The spring bending limit increases with increasing alloy content, but the electrical conductivity of the metal often drops below the minimum values determined by the intended use.
Eine Ausscheidungshärtung ist dann möglich, wenn die Legierungsatome, beispielsweise Beriyllium, im metallischen Grundmaterial wie Kupfer nur beschränkt löslich sind. Bei diesem Verfahren wird die Tatsache ausgenutzt, dass die ausgeschiedenen Teilchen zwar festigkeitserhöhend wirken, jedoch zum Widerstand des Werkstoffes nur mit ihrem geometrischen Anteil des Gesamtquerschnittes beitragen. Widerstandserhöhende Fremdatome sind hierbei im Gitter nur in relativ geringer Konzentration gelöst. Der bekannteste Werkstoff dieser Gruppe ist das Kupfer/Beryllium mit etwa 2 Gew. % Beryllium in Kupfer. Die Federbiegegrenze dieser Legierung im optimal ausgehärteten Zustand liegt bei etwa 1200 N/mm2 bei einer elektrischen Leitfähigkeit von etwa 18 m/.Qmm2, Precipitation hardening is possible if the alloy atoms, for example beryllium, are only of limited solubility in the metallic base material such as copper. This method takes advantage of the fact that the separated particles increase the strength, but only contribute to the resistance of the material with their geometrical part of the total cross-section. Resistance-increasing foreign atoms are only dissolved in the lattice in a relatively low concentration. The best known material in this group is copper / beryllium with about 2% by weight beryllium in copper. The spring bending limit of this alloy in the optimally hardened state is around 1200 N / mm2 with an electrical conductivity of around 18 m / .Qmm2,
Eine andere bekannte Möglichkeit zur Optimierung der Eigenschaften von Kontaktwerkstoffen besteht in der Anwendung von Schichtverbundwerkstoffen. Bei einer bekannten Ausführung ist beispielsweise ein Kupferstreifen beidseitig mit Stahl plattiert, wodurch sich ein Federwerkstoff mit relativ hoher Federbiegegrenze und hoher Leitfähigkeit ergibt. Ein Another known possibility for optimizing the properties of contact materials consists in the use of layered composite materials. In a known embodiment, for example, a copper strip is clad with steel on both sides, which results in a spring material with a relatively high spring bending limit and high conductivity. A
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solcher Schichtverbundwerkstoff zeigt hinsichtlich der Federbiegegrenze und der elektrischen Leitfähigkeit additive Eigenschaften entsprechend den vorhandenen Volumenanteilen der Schichten. Nachteilig erweist sich bei derartigen Schichtverbundwerkstoffen die sehr unterschiedlichen Rekristallisationstemperaturen der beteiligten Komponenten, d. h. des durch Verformung verfestigten gut leitenden Werkstoffes und der Werkstoffe hoher Federbiegegrenze, die vor allem bei der Herstellung und Verarbeitung des Werkstoffes zu Schwierigkeiten führen kann. Während Edelstahl beispielsweise erst oberhalb 1050° C vollständig rekristallisiert, ist bei dieser Temperatur der Schmelzpunkt des Kupfers nahezu erreicht und dessen Rekristallisationstemperatur bereits längst überschritten. Dies bedeutet, dass in dem plattierten Werkstoff z. B. schon eine Entspannungsglühung des Edelstahls das völlige Erweichen des Kupferbestandteiles bewirkt. Such a layered composite material shows additive properties with regard to the spring bending limit and the electrical conductivity in accordance with the volume shares of the layers. The disadvantage of such layered composite materials is the very different recrystallization temperatures of the components involved, i. H. of the highly conductive material hardened by deformation and the materials with a high elastic limit, which can lead to difficulties, especially in the manufacture and processing of the material. For example, while stainless steel only completely recrystallizes above 1050 ° C, the melting point of the copper has almost been reached at this temperature and its recrystallization temperature has long been exceeded. This means that in the clad material z. B. already a relaxation annealing of the stainless steel causes the complete softening of the copper component.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, einen aushärtbaren, metallischen Mehrschichtenverbundwerkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und Federbiegegrenze zu schaffen. Das Kennzeichnende der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Rekristallisationstemperatur der verfestigten, gut leitenden Schicht über der Aushärtungstemperatur der thermisch aushärtbaren Schicht liegt. Durch eine solche Auswahl der Werkstoffe wird eine Aushärtung der thermisch aushärtbaren Schicht ohne FestigkeitsVerlust der elektrisch gut leitenden Schicht erreicht. Auf dieser Grundlage lassen sich die verschiedensten metallischen Mehrschichtenverbundwerkstoffe herstellen, welche hohe elektrische Leitfähigkeit mit hoher Federbiegegrenze kombinieren. Der erfindungsgemässe Werkstoff besteht demnach zweckmässig aus einer niedrig legierten, hoch leitfähigen Komponente, die wenigstens einseitig mit einem aushärtbaren Werkstoff hoher Federbiegegrenze plattiert ist. Im allgemeinen wird der Mehrschichtenverbundwerkstoff zweckmässig aus mindestens drei metallischen Schichten aufgebaut, wobei jeweils eine Schicht aus dem gut leitenden Werkstoff zwischen zwei Schichten aus Werkstoffen hoher Federbiegegrenze liegt. Bei diesem Aufbau liegt der gut leitende, weichere Werkstoff in der spannungsarmen, neutralen Zone und wird dadurch nur im elastischen Bereich beansprucht. Für bestimmte Anwendungsfälle kann auch eine vielschichtige (z. B. lOschichtige) Ausbildung, gegebenenfalls unter Verwendung verschiedener, gut leitender Werkstoffe und Werkstoffe hoher Federbiegegrenze, zweckmässig sein. The invention is based on the task of creating a hardenable, metallic multi-layer composite material with high electrical conductivity and spring deflection limit. The characteristic of the invention can be seen in the fact that the recrystallization temperature of the solidified, highly conductive layer is above the curing temperature of the thermally curable layer. Such a selection of the materials results in curing of the thermally curable layer without loss of strength in the electrically highly conductive layer. On this basis, a wide variety of metallic multi-layer composites can be produced, which combine high electrical conductivity with a high spring deflection limit. Accordingly, the material according to the invention expediently consists of a low-alloy, highly conductive component which is clad at least on one side with a hardenable material with a high spring deflection limit. In general, the multilayer composite is expediently built up from at least three metallic layers, one layer of the highly conductive material lying between two layers of materials with a high elastic limit. With this construction, the highly conductive, softer material lies in the low-stress, neutral zone and is therefore only stressed in the elastic range. For certain applications, a multi-layered (e.g. 10-layer) design, possibly using different, highly conductive materials and materials with a high spring deflection limit, may also be appropriate.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung erscheint es zweckmässig, dass der gut leitfähige Werkstoff mit erhöhter Rekristallisationstemperatur eine niedrig legierte Kupferlegierung ist, welche bekannte Zusätze zur Erhöhung der Rekristallisationstemperatur aufweist. Diese bekannten Zusätze können Silber, Kadmium, Zirkon und Chrom bzw. Mischungen zwischen diesen Zusatzstoffen sein. Gut leitfähige Werkstoffe mit erhöhter Rekristallisationstemperatur sind dabei die niedrig legierten Kupferlegierungen (nach DIN 17 666) CuAg, CuCd, CuZr, CuCr, CuZrCr usw., wobei die Legierungen CuZr, In a further embodiment of the invention, it appears expedient that the highly conductive material with an increased recrystallization temperature is a low-alloy copper alloy which has known additives for increasing the recrystallization temperature. These known additives can be silver, cadmium, zirconium and chromium or mixtures between these additives. Well-conductive materials with an increased recrystallization temperature are the low-alloy copper alloys (according to DIN 17 666) CuAg, CuCd, CuZr, CuCr, CuZrCr etc., whereby the alloys CuZr,
CuCr und CuZrCr zu den aushärtbaren Kupferlegierungen zählen. Die erreichbare Festigkeit bzw. Federbiegegrenze dieser Werkstoffe ist jedoch relativ gering, so dass der Hauptvorteil der Verwendung dieser Legierungen für einen Mehrschichtenverbundwerkstoff in der erforderlichen hohen Rekristallisationstemperatur zu sehen ist, welche eine Kombination mit thermisch aushärtbaren Werkstoffen besonders hoher Federbiegegrenze erlaubt, die ihrerseits eine entsprechend hohe Aushärtungstemperatur voraussetzen. CuCr and CuZrCr are among the hardenable copper alloys. However, the achievable strength or spring bending limit of these materials is relatively low, so that the main advantage of using these alloys for a multi-layer composite material can be seen in the high recrystallization temperature required, which allows a combination with thermally curable materials with a particularly high spring bending limit, which in turn has a correspondingly high level Require curing temperature.
Die aushärtbaren Werkstoffe hoher Federbiegegrenze können zweckmässig aushärtbare Eisen- oder Nichteisenmetalllegierungen sein. Besonders vorteilhaft können hierfür Legierungen des Nickels mit Beryllium und des Kupfers mit Nickel und Mangan NiBe2, CuNi20Mn20 verwendet werden. The hardenable materials with a high spring deflection limit can expediently be hardenable iron or non-ferrous metal alloys. Alloys of nickel with beryllium and copper with nickel and manganese NiBe2, CuNi20Mn20 can be used particularly advantageously for this purpose.
Ein zweckmässiges Verfahren zur Herstellung eines solchen Mehrschichtenverbundwerkstoffes kann in der Weise durchgeführt werden, dass ein gut leitender Werkstoff in Streifen* oder Plattenform, wenigstens einseitig mit einem gleichfalls streifenförmigen oder plattenförmigen, aushärtbaren Werkstoff hoher Federbiegegrenze durch Press-Schweissen plattiert wird, wobei z. B. zur Herstellung einer Kontaktfeder eine wenigstens einstufige spanlose Verformung des Zwischenproduktes durchgeführt wird. Vorteilhaft erscheint eine mehrstufige spanlose Verformung mit entsprechenden Zwi-schenglühungen. Die erforderliche thermische Aushärtung des Werkstoffes bzw. der Werkstoffe hoher Federbiegegrenze erfolgt zweckmässig nach der Endverformung des Mehrschichtenverbundwerkstoffes und gegebenenfalls nach der Herstellung der entsprechenden Kontaktfederzuschnitte bzw. nach der endgültigen Formgebung der Kontaktfeder. An expedient method for producing such a multi-layer composite material can be carried out in such a way that a highly conductive material in strips * or in plate form, at least on one side with a likewise strip-like or plate-like, curable material with a high spring deflection limit, is plated by pressure welding. B. an at least one-stage non-cutting deformation of the intermediate product is carried out to produce a contact spring. A multi-stage non-cutting deformation with corresponding intermediate annealing appears to be advantageous. The required thermal curing of the material or the materials with a high spring deflection limit is expediently carried out after the final deformation of the multilayer composite material and, if appropriate, after the production of the corresponding contact spring blanks or after the final shaping of the contact spring.
Durch die Anwendung der Merkmale der Erfindung werden federelastische Kontaktelemente geschaffen, welche in einem einfachen Herstellungsverfahren aus Mehrschichtenverbundwerkstoff hergestellt sind, und die ausserdem günstige Eigenschaften hinsichtlich der Federbiegegrenze und der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen. By applying the features of the invention, resilient contact elements are created which are produced from a multilayer composite material in a simple manufacturing process and which also have favorable properties with regard to the spring bending limit and the electrical conductivity.
Ausführungsbeispiel I Embodiment I
Eine 8 mm dicke Platte aus CuCr (DIN 17 666) wurde beidseitig mit 4 mm dicken Blechen aus Ni-Be durch Press-Schweissen plattiert. Nach einer Lösungsglühung bei 1000° C folgten Walzvorgänge mit entsprechenden Zwischenglühun-gen, welche schliesslich bis zu einer Materialstärke des Mehrschichtenverbundwerkstoffes von 0,2 mm ausgeführt wurden. Die Endverformung betrug 80%. Nach der Aushärtung (1 h bei 500° C) wies der Werkstoff eine Federbiegegrenze von 1250 N/mm2 und eine Leitfähigkeit von 21 m/Ümm2 auf. An 8 mm thick sheet of CuCr (DIN 17 666) was clad on both sides with 4 mm thick sheets of Ni-Be by press welding. After solution annealing at 1000 ° C, rolling operations followed with appropriate intermediate annealing, which were finally carried out up to a material thickness of the multilayer composite material of 0.2 mm. The final deformation was 80%. After curing (1 h at 500 ° C), the material had a spring bending limit of 1250 N / mm2 and a conductivity of 21 m / Umm2.
Ausführungsbeispiel II Embodiment II
Eine 8 mm dicke Platte aus CuCrZr (DIN 17 666) wurde beidseitig mit 4 mm dicken Blechen aus CuNi20Mn20 plattiert, bei 750° C im Durchlaufofen geglüht und mit entsprechenden Zwischenglühungen bis auf eine Gesamtmaterialstärke von 0,2 mm gewalzt. Die Endverformung betrug 80%. Nach der Aushärtung (2 h, 400° C) zeigte der Verbundwerkstoff eine Federbiegegrenze von 1100 N/mm2 und eine elektrische Leitfähigkeit von 27 m/fimm2. Eine längere Aushärtung von 8 h bei 400° C ergab eine Federbiegegrenze von 1000 N/mm2, jedoch eine Leitfähigkeit von 33 m/ömm2. Ein solcher Kontaktwerkstoff erreicht hinsichtlich der Leitfähigkeit nahezu die Werte des nicht aushärtbaren bekannten Schichtverbundwerkstoffes Monel/Cu/Monel, der jedoch nur eine Federbiegegrenze von etwa 750 N/mm2 aufweist, während die Federbiegegrenze des erfindungsgemässen Werkstoffes bei etwa 1100 N/mm2 liegt. An 8 mm thick sheet of CuCrZr (DIN 17 666) was clad on both sides with 4 mm thick sheets of CuNi20Mn20, annealed at 750 ° C in a continuous furnace and rolled with appropriate intermediate annealing to a total material thickness of 0.2 mm. The final deformation was 80%. After curing (2 h, 400 ° C) the composite showed a spring bending limit of 1100 N / mm2 and an electrical conductivity of 27 m / fimm2. A longer curing time of 8 h at 400 ° C resulted in a spring bending limit of 1000 N / mm2, but a conductivity of 33 m / Ω2. In terms of conductivity, such a contact material almost reaches the values of the non-hardenable known layered composite material Monel / Cu / Monel, which, however, only has a spring bending limit of approximately 750 N / mm 2, while the spring bending limit of the material according to the invention is approximately 1100 N / mm 2.
In der Zeichnung ist eine gewölbte Kontaktfeder 1 dargestellt, die beispielsweise für Steckbuchsen verwendet werden kann. Die dreischichtige Ausführung zeigt zwei äussere Schichten 2,3 hoher Federbiegegrenze, zwischen denen eine innere Schicht 4 hoher elektrischer Leitfähigkeit im metallischen Verbund eingelagert ist. In the drawing, a curved contact spring 1 is shown, which can be used for sockets, for example. The three-layer design shows two outer layers 2, 3 with a high elastic limit, between which an inner layer 4 with high electrical conductivity is embedded in the metallic composite.
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