EP2906733B1 - Werkstoff für elektrische kontaktbauteile - Google Patents

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EP2906733B1
EP2906733B1 EP12780079.5A EP12780079A EP2906733B1 EP 2906733 B1 EP2906733 B1 EP 2906733B1 EP 12780079 A EP12780079 A EP 12780079A EP 2906733 B1 EP2906733 B1 EP 2906733B1
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EP
European Patent Office
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nickel
metal strip
silicon
cobalt
proportion
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Dirk Rode
Thomas Helmenkamp
Hark Schulze
Albert Rumbach
Johann JÜSTEN
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KME Special Products GmbH and Co KG
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KME Germany GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C9/00—Alloys based on copper
    • C22C9/04—Alloys based on copper with zinc as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a material for a metal strip for the production of electrical contact components according to the features in the preamble of patent claim 1 and to the use of such a material for an electrically conductive metal strip for the production of electrical contact components according to the features of patent claim 5.
  • Contact components find a variety of applications in the field of electrical engineering and electronics. As mechanically connectable and separable fasteners whose main task is the production of an electrically conductive contact. In addition to the closing of circuits as well as direct couplings with electronic components can be realized.
  • the particular design is based both on country-specific standards and on the requirements to be met in the field of application.
  • High-quality plug contacts have a stable contact resistance, in which the preservation of the low contact resistance is in the foreground.
  • a change in the contact resistance is usually due to the electrical breakdown of corrosion or foreign layers.
  • they In order to obtain a durable contact surface for such contact components, they often have a tin or chrome coating up to a silver or gold coating.
  • a copper alloy for plug contacts which has a zinc content (Zn) in wt .-% of 23% to 28%.
  • Other constituents are represented by at least 0.01%, with silicon (Si) up to 3%, while nickel (Ni) accounts for up to 5%.
  • the JP 2009/013499 A also discloses a copper material for plug contacts with a proportion of zinc (Zn) in wt .-% of 20% to 41%.
  • the proportion of nickel (Ni) ranges from 0.1% to 5.0%, with the tin content (Sn) of 0.5% to 5.0%.
  • the DE 103 08 779 B3 shows a lead-free copper alloy and its use. Their constituents in wt .-% are for copper (Cu) at least 60% to a maximum of 70% and thus quite high. On the other hand, a content of nickel (Ni) of 0.01% to 0.5% is proposed, while the content of tin (Sn) is from 0.5% to 3.5%. A possible proportion of silicon (Si) may range from 0.01% to 0.5%.
  • US 4,362,579 discloses a copper material for electrical parts made of 0.4-8Ni, 0.1-3Si, 10-35Zn and balance copper.
  • the present invention is therefore based on the object to improve a material for a metal strip for the production of electrical contact components in such a way that it meets the necessary properties for use for an electrically conductive material for the production of electrical contact components despite cost-effective shares of its individual alloying partners.
  • a material for a metal strip for the production of electrical contact components, in particular of plug contacts consisting of a curable alloy with proportions in wt .-% of Zinc (Zn) from 25.0% to 33.0%, Tin (Sn) from 0.5% to 1.2% as well Nickel (Ni) from 0.8% to 2.5% and Silicon (Si) from 0.1% to 0.6%.
  • Zinc Zinc
  • Tin Tin
  • Ni Nickel
  • Si Silicon
  • the remainder of the material is formed from copper (Cu) and impurities caused by melting. Furthermore, the proportion of nickel (Ni) may be at least partially replaced by cobalt (Co). Thus, nickel (Ni) can also be 100% and thus completely replaced by cobalt (Co). The ratio of the proportions of nickel (Ni) and / or cobalt (Co) to the element silicon (Si) ranges from 3.5: 1 to 7.5: 1.
  • the metal strip for the production of electrical contact components consists of the hardenable alloy CuZn30Sn1Ni1Si0,2.
  • the particular advantage lies not only in the high content of zinc (Zn) and the associated favorable production price in the increased strength of the material. Compared to copper, the increased strength is due to the formation of mixed crystals. The solidification achieved in this way is one of the possible strength-increasing processes in order to obtain a hard material from an otherwise relatively soft metal.
  • the precipitation hardening with nickel (Ni) silicides allows a significantly higher strength with good elongations and thus increased flexibility. This is especially true in comparison with pure mixed-crystal-strengthened and cold-strengthened special brasses, such as, for example, CuZn25Sn1. In this way, even in high strength conditions such. B. in R780 (R m ⁇ 780 MPa) still achieve an elongation at break A 50 of> 3% (DIN 50125). The relaxation resistance is significantly better than for CuSn4 and CuZn25Sn1.
  • the proportion of nickel (Ni) may be at least partially replaced by cobalt (Co).
  • a ratio of nickel (Ni) and / or cobalt (Co) to silicon (Si) should be maintained at 3.5: 1 to 7.5: 1.
  • this ratio can be from 4.0: 1 to 5.0: 1.
  • Phosphorus from 0.001% to 0.05%
  • Boron from 0.02% to 0.5%
  • Silver from 0.02% to 0.5%
  • Manganese from 0.03% to 0.8%
  • Chrome from 0.01% to 0.7%
  • Aluminum from 0.02% to 0.5%
  • Magnesium from 0.01% to 0.4%
  • Iron from 0.01% to 0.6% as well Zircon (Zr) from 0.01% to 0.4%
  • Arsenic from 0.001% to 0.1%.
  • the elements contained in the group may optionally be present in the present material.
  • phosphorus (P) and / or boron (B) can be added in the stated amount, serving as a deoxidizer. Their presence causes the free oxygen (O) dissolved in the melt to become bound. In this way, the hydrogen disease is counteracted by preventing the formation of gas bubbles as well as oxidations of alloying constituents.
  • phosphorus (P) serves to improve the tile properties of the present copper alloy during casting.
  • manganese (Mn) When manganese (Mn) is added, its solidifying property on the copper alloy is primarily used. At the same time manganese (Mn) also serves as a deoxidizer.
  • the addition of aluminum (Al) increases the hardness of the material and its yield strength. The said positive increases go thereby without reducing the toughness of the material. Overall, the addition of aluminum (Al) serves to improve the strength, machinability, and wear resistance and oxidation resistance of the alloy at high temperatures.
  • chromium (Cr) and magnesium (Mg) serves to improve the oxidation resistance at high temperatures. This can be better Results can be achieved by mixing chromium (Cr) and magnesium (Mg) with aluminum (Al).
  • zirconium improves the hot workability of the material.
  • the invention shows a use of the copper material for an electrically conductive metal strip.
  • the metal strip is used for the production of electrical contact components, in particular of plug contacts.
  • the metal strip used in this way can be surface-tinned.
  • the metal strip used may comprise a tin-silver layer (SnAg).

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Werkstoff für ein Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie die Verwendung eines solchen Werkstoffs für ein elektrisch leitfähiges Metallband zur Fertigung elektrischer Kontaktbauteile gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 5.
  • Kontaktbauteile finden im Bereich der Elektrotechnik sowie der Elektronik vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Als mechanisch miteinander verbindbare sowie trennbare Verbindungselemente besteht deren Hauptaufgabe in der Herstellung eines elektrisch leitfähigen Kontakts. Neben dem Schließen von Stromkreisen sind so auch direkte Kopplungen mit elektronischen Bauelementen realisierbar.
  • Die jeweilige Ausgestaltung orientiert sich sowohl an länderspezifischen Normen als auch an den zu erfüllenden Anforderungen im Einsatzbereich.
  • Insbesondere in Form von Hand lösbarer elektrischer Steckkontakte sind somit auch erhöhte Anforderungen an deren mechanische Belastbarkeit gestellt.
  • Hochwertige Steckkontakte weisen einen stabilen Kontaktwiderstand auf, bei denen der Erhalt des geringen Übergangswiderstandes im Vordergrund steht. Eine Veränderung des Kontaktwiderstandes ist zumeist auf das elektrische Durchbrechen von Korrosions- oder Fremdschichten zurückzuführen. Um eine möglichst haltbare Kontaktoberfläche für derartige Kontaktbauteile zu erhalten, weisen diese oftmals eine Zinn- oder Chrombeschichtung bis hin zu einer Silber- oder Goldbeschichtung auf.
  • Für die Herstellung derartiger Steckkontakte finden zumeist Metallbänder aus einer Kupferlegierung Verwendung, aus denen die jeweiligen Formen ausgestanzt werden. Je nach verwendeter Menge der Legierungspartner Zink oder Zinn handelt es sich dann entweder um Messing oder knetbare Bronze, wie beispielsweise CuSn4 bis CuSn8. Letzterer. Werkstoff weist eine hervorragende Biegbarkeit bei mittlerer Festigkeit auf. Da es sich hierbei um mischkristall- und kaltverfestigte Werkstoffe handelt, ist deren Beständigkeit gegenüber Relaxation allerdings relativ niedrig. Zudem nimmt die Biegbarkeit bei hohen Festigkeitszuständen > R700 (Rm ≥ 700 MPa, DIN EN 1173/95) deutlich ab, was sich in größeren Biegeradien mit stärkerer Rissbildung niederschlägt.
  • Da es sich bei elektrischen Kontaktbauteilen um Massenartikel handelt, sind die Einkaufspreise für den jeweiligen Grundwerkstoff von hoher Bedeutung. Ausschlaggebend ist der jeweilige Gehalt an Kupfer innerhalb der Legierung. Aufgrund des hohen Zinkanteils in Messing weisen Kupferlegierungen mit einem hohen Kupferanteil daher einen demgegenüber um rund 20 % höheren Preis auf.
  • Aus der JP 2008/208466 A ist eine Kupferlegierung für Steckkontakte bekannt, welche einen Zinkanteil (Zn) in Gew.-% von 23 % bis 28 % aufweist. Weitere folgende Bestandteile sind mit mindestens 0,01 % vertreten, wobei Silizium (Si) bis maximal 3 % reicht, während Nickel (Ni) einen Anteil von bis zu 5 % ausmacht.
  • Die JP 2009/013499 A offenbart ebenfalls einen Kupferwerkstoff für Steckkontakte mit einem Anteil an Zink (Zn) in Gew.-% von 20 % bis 41 %. Der Anteil an Nickel (Ni) reicht dabei von 0,1 % bis 5,0 %, wobei der Zinnanteil (Sn) von 0,5 % bis 5,0 % beträgt.
  • Die DE 103 08 779 B3 zeigt eine bleifreie Kupferlegierung sowie deren Verwendung auf. Deren Bestandteile in Gew.-% liegen für Kupfer (Cu) bei wenigstens 60 % bis maximal 70 % und damit recht hoch. Demgegenüber wird ein Anteil an Nickel (Ni) von 0,01 % bis 0,5 % vorgeschlagen, während sich der Anteil an Zinn (Sn) von 0,5 % bis 3,5 % bewegt. Ein möglicher Anteil an Silizium (Si) kann von 0,01 % bis 0,5 % reichen.
  • US 4 362 579 offenbart einen Kupferwerkstoff für elektrischen Teile aus 0.4-8 Ni, 0.1-3 Si, 10-35 Zn und Rest Kupfer.
  • Insbesondere der hohe Anteil an Kupfer zieht recht hohe Einkaufspreise für den Grundwerkstoff mit sich. Weiterhin bieten auch die Anteile der weiteren Legierungspartner in Bezug auf verbesserte Werkstoffeigenschaften noch Raum für Verbesserungen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff für ein Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen dahingehend zu verbessern, dass dieser trotz kostengünstiger Anteile seiner einzelnen Legierungspartner die notwendigen Eigenschaften zur Verwendung für ein elektrisch leitfähiges Material zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen erfüllt.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Werkstoff für ein Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen gemäß den Merkmalen von Patentanspruch 1.
  • Hiernach wird ein Werkstoff für ein Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen, insbesondere von Steckkontakten, vorgeschlagen, bestehend aus einer aushärtbaren Legierung mit Anteilen in Gew.-% an
    Zink (Zn) von 25,0 % bis 33,0 %,
    Zinn (Sn) von 0,5 % bis 1,2 % sowie
    Nickel (Ni) von 0,8 % bis 2,5 % und
    Silizium (Si) von 0,1 % bis 0,6 %.
  • Zudem kann der Werkstoff optional wenigstens ein Element aus der folgenden Gruppe aufweisen:
    • Phosphor (P), Bor (B), Silber (Ag), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Zirkon (Zr) oder Arsen (As).
  • Sofern alle Elemente aus der Gruppe vorhanden sind, bilden diese einen maximalen Gesamtanteil von 4,55 % des Werkstoffs. Grundsätzlich weist keines der Elemente aus der Gruppe bei seinem Vorhandensein einen 0,8 % überschreitenden Anteil an der Gesamtlegierung auf.
  • Der Rest des Werkstoffs wird aus Kupfer (Cu) sowie erschmelzungsbedingten Verunreinigungen gebildet. Weiterhin kann der Anteil an Nickel (Ni) zumindest teilweise durch Cobalt (Co) ersetzt sein. Somit kann Nickel (Ni) auch zu 100% und somit vollständig durch Cobalt (Co) ersetzt sein. Das Verhältnis der Anteile von Nickel (Ni) und/oder Cobalt (Co) zu dem Element Silizium (Si) reicht von 3,5 : 1 bis 7,5 : 1.
  • Das Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen besteht aus der aushärtbaren Legierung CuZn30Sn1Ni1Si0,2.
  • Der besondere Vorteil liegt neben dem hohen Gehalt an Zink (Zn) und dem damit einhergehenden günstigen Herstellungspreis in der gesteigerten Festigkeit des Werkstoffs. Gegenüber Kupfer beruht die erhöhte Festigkeit auf der Mischkristallbildung. Die so erreichte Verfestigung ist eine der möglichen festigkeitssteigernden Vorgänge, um aus einem ansonsten relativ weichen Metall einen harten Werkstoff zu erhalten.
  • Weiterhin lässt sich durch die Ausscheidungshärtung mit Nickel (Ni) - Siliziden eine deutlich höhere Festigkeit bei guten Dehnungen und damit erhöhter Biegbarkeit erzielen. Dies insbesondere gegenüber reinen mischkristallverfestigten und kaltverfestigten Sondermessingen, wie beispielsweise CuZn25Sn1. Auf diese Weise lässt sich auch in hohen Festigkeitszuständen wie z. B. bei R780 (Rm ≥ 780 MPa) noch eine Bruchdehnung A50 von > 3 % erzielen (DIN 50125). Dabei ist die Relaxationsbeständigkeit deutlich besser als bei CuSn4 und CuZn25Sn1.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen des grundsätzlichen Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche 2 bis 7. Hiernach kann der bevorzugte Anteil in Gew.-% an
    Zink (Zn) von 27,0 % bis 31,0 %,
    Zinn (Sn) von 0,5 % bis 1,2 % sowie
    Nickel (Ni) von 0,8 % bis 2,0 % und
    Silizium (Si) von 0,1 % bis 0,6 %
    betragen.
  • Es kann der Anteil an Nickel (Ni) zumindest teilweise durch Cobalt (Co) ersetzt sein.
  • Für eine optimale Ausscheidungshärtung ist ein Verhältnis von Nickel (Ni) und/oder Cobalt (Co) zu Silizium (Si) von 3,5 : 1 bis 7,5 : 1 einzuhalten. Vorzugsweise kann dieses Verhältnis von 4,0 : 1 bis 5,0 : 1 betragen.
  • Die optionale Anwesenheit einzelner Elemente aus der Gruppe in Anteilen in Gew.-% beträgt bei ihrem Vorhandensein bevorzugt:
    Phosphor(P) von 0,001 % bis 0,05 %,
    Bor (B) von 0,02 % bis 0,5 %,
    Silber (Ag) von 0,02 % bis 0,5 %,
    Mangan (Mn) von 0,03 % bis 0,8 %,
    Chrom (Cr) von 0,01 % bis 0,7 %,
    Aluminium (Al) von 0,02 % bis 0,5 %,
    Magnesium (Mg) von 0,01 % bis 0,4 %,
    Eisen (Fe) von 0,01 % bis 0,6 % sowie
    Zirkon (Zr) von 0,01 % bis 0,4 % und
    Arsen (As) von 0,001 % bis 0,1 %.
  • Die in der Gruppe enthaltenen Elemente können optional in dem vorliegenden Werkstoff vorhanden sein. So können Phosphor (P) und/oder Bor (B) in der angegebenen Menge zugegeben werden, wobei sie als Desoxidationsmittel dienen. Deren Vorhandensein bewirkt, dass der in der Schmelze gelöste freie Sauerstoff (O) gebunden wird. Auf diese Weise wird der Wasserstoffkrankheit entgegengewirkt, indem die Bildung von Gasblasen sowie Oxidationen von Legierungsbestandteilen verhindert wird.
  • Darüber hinaus dient Phosphor (P) dazu, die Flieseigenschaften der vorliegenden Kupferlegierung beim Gießen zu verbessern.
  • Bei Zugabe von Mangan (Mn) wird primär dessen verfestigende Eigenschaft auf die Kupferlegierung genutzt. Gleichzeitig dient Mangan (Mn) auch ebenfalls als Desoxidationsmittel.
  • Durch die Zugabe von Alumnium (Al) erhöht sich die Härte des Werkstoffs sowie dessen Dehngrenze. Die besagten positiven Erhöhungen gehen dabei ohne Verminderung der Zähigkeit des Werkstoffs einher. Insgesamt dient die Zugabe von Aluminium (Al) dazu, die Festigkeit, die Bearbeitbarkeit sowie die Verschleißbeständigkeit und die Oxidationsresistenz der Legierung bei hohen Temperaturen zu verbessern.
  • Die Zugabe von Chrom (Cr) und Magnesium (Mg) dient zur Verbesserung der Oxidationsresistenz bei hohen Temperaturen. Hierbei können bessere Ergebnisse erzielt werden, indem Chrom (Cr) und Magnesium (Mg) mit Aluminium (Al) gemischt werden.
  • Die Zugabe von Eisen (Fe) in der zuvor aufgezeigten Größenordnung wirkt kornfeinend und insgesamt verfestigend. In Verbindung mit Phosphor (P) bilden sich Eisenphosphiede.
  • Durch die Zugabe von Zirkon (Zr) wird die Warmumformbarkeit des Werkstoffs verbessert.
  • Weiterhin bewirkt die Zugabe von Arsen (As) eine Verringerung der Entzinkungsneigung.
  • Im Ergebnis wird ein Kupferwerkstoff aufgezeigt, welcher aufgrund seines geringen Kupferanteils eine kostengünstige Möglichkeit zur Herstellung von elektrischen Kontaktbauteilen ermöglicht. Trotz des geringen Anteils an Kupfer (Cu) werden dennoch die notwendigen Eigenschaften zur Verwendung für ein elektrisch leitfähiges Material zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen erfüllt. Der so erzeugte Kupferwerkstoff kann in Form von Metallbändern Verwendung finden, welche zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen dienen.
  • Weiterhin zeigt die Erfindung eine Verwendung des Kupferwerkstoffs für ein elektrisch leitfähiges Metallband auf. Das Metallband dient zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen, insbesondere von Steckkontakten.
  • Je nach Anforderung kann das so verwendete Metallband oberflächlich verzinnt sein.
  • In einer alternativen Ausgestaltung kann das verwendete Metallband eine Zinn-Silber-Schicht (SnAg) aufweisen.

Claims (7)

  1. Werkstoff für ein Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen, insbesondere von Steckkontakten, bestehend aus einer aushärtbaren Kupferlegierung mit folgenden Legierungskomponenten in Gewichts-%: Zink (Zn) 25,0 % bis 33,0 % Zinn (Sn) 0,5 % bis 1,2 % Nickel (Ni) 0,8 % bis 2,5 % Silizium (Si) 0,1 % bis 0,6 %,
    optional wenigstens einem Element aus folgender Gruppe:
    Phosphor (P), Bor (B), Silber (Ag), Mangan (Mn), Chrom (Cr), Aluminium (Al), Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Zirkon (Zr) oder Arsen (As),
    wobei der Anteil eines einzelnen Elements aus der Gruppe maximal 0,8 % beträgt und der Anteil aller Elemente aus der Gruppe maximal 4,55 % beträgt, Rest Kupfer (Cu) sowie erschmelzungsbedingte Verunreinigungen,
    wobei Nickel (Ni) zumindest teilsweise durch Cobalt (Co) ersetzbar ist und das Verhältnis von Nickel (Ni) und/oder Cobalt (Co) zu Silizium (Si) von 3,5 : 1 bis 7,5 : 1 reicht.
  2. Werkstoff nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Anteil in Gewichts-% an Zink (Zn) 27,0 % bis 31,0 %, Zinn (Sn) 0,5 % bis 1,2 % Nickel (Ni) 0,8 % bis 2,0 % Silizium (Si) 0,1 % bis 0,6 %,
    wobei Nickel (Ni) zumindest teilsweise durch Cobalt (Co) ersetzbar ist.
  3. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Nickel (Ni) und/oder Cobalt (Co) zu Silizium (Si) von 4,0 : 1 bis 5,0 : 1 beträgt.
  4. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optionalen Elemente in der Gruppe bei ihrem Vorhandensein den folgenden Anteilen in Gewichts-% entsprechen: Phosphor(P) 0,001 % bis 0,05 % Bor (B) 0,02 % bis 0,5 % Silber (Ag) 0,02 % bis 0,5 % Mangan (Mn) 0,03 % bis 0,8 % Chrom (Cr) 0,01 % bis 0,7 % Aluminium (Al) 0,02 % bis 0,5 % Magnesium (Mg) 0,01 % bis 0,4 % Eisen (Fe) 0,01 % bis 0,6 % Zirkon (Zr) 0,01 % bis 0,4 % Arsen (As) 0,001 % bis 0,1 %.
  5. Verwendung eines Werkstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für ein elektrisch leitfähiges Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen, insbesondere von Steckkontakten.
  6. Verwendung eines Werkstoffs für ein elektrisch leitfähiges Metallband gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband verzinnt ist.
  7. Verwendung eines Werkstoffs für ein elektrisch leitfähiges Metallband gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband eine Zinn-Silber-Schicht aufweist.
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