WO2014060254A1 - Elektrisches kontaktelement - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an electrical contact element having a coating containing tin and zinc, and to a method for producing such a contact element.
- a possible, in principle suitable for the replacement of the copper conductors conductor material is aluminum, which has a light density as a low density and thus a low weight.
- a disadvantage, however, is that when using aluminum as a conductor material in combination with electrical contact elements, which are typically made of copper, at the point of contact between copper and aluminum in the presence of an electrolyte such as salt water, and atmospheric oxygen occur corrosion processes.
- the invention is therefore based on the object to provide an electrical contact telement, which can be used in combination with an aluminum-containing conductor material and provides reliable protection against corrosion.
- the contact element according to the invention comprises a connection section, which is formed from a copper sheet and has a coating containing tin and zinc.
- the invention is based on the general idea that the electrochemical potential of the terminal section is approximated to the lower potential of aluminum according to the electrochemical voltage series by coating the connection section of the contact element made of copper sheet for contacting with an aluminum-containing conductor material. In this way, the difference between the potentials of copper and aluminum is at least approximately compensated and thus the driving force of the corrosion is reduced so that it is no longer in a critical range.
- This corrosion protection is achieved in particular by the fact that the coating with tin and zinc contains two elements in the electrochemical voltage series between copper and aluminum.
- the contact element according to the invention has an excellent protection against corrosion at the contact point between the contact element and an aluminum-containing conductor material with at the same time minimal contact resistance due to optimum electrical conductivity of the coating, whereby an optimal contacting of the conductor material is permanently ensured.
- the contact element according to the invention is generally suitable for contacting aluminum-containing lines.
- the contact element can be used in vehicle construction, since in this way instead of copper-containing lines aluminum-containing lines can be used, whereby a reduction in vehicle weight and thus fuel savings and reduced carbon dioxide emissions can be achieved.
- connection section of the electrical contact element is an area which is provided for receiving the conductor material of an electrical line, such as a cable.
- the connection with the conductor material for example by crimping done.
- connection section of the electrical contact element is formed from a copper sheet.
- other sections and in particular the complete contact element may be formed from a copper sheet.
- the contact element may be a stamped / bent part.
- the coating is applied in each case on the connection portion of the electrical contact element.
- the coating may also be present in further regions of the contact element, it being conceivable in principle that the coating completely covers the surface of the contact element.
- the coating is preferred that the coating is limited only to the terminal portion of the contact element and the remaining areas of the contact element, in particular a provided for contacting a complementary contact element area, e.g. a male or female portion, have no coating to ensure an optimum electrical connection between the contact elements.
- the coating comprises a second layer containing zinc and a first layer disposed between the second layer and the copper sheet and containing tin.
- the second layer is preferably formed as an outer layer.
- the second layer preferably directly adjoins the first layer, ie, the second layer preferably lies directly above the first layer.
- the first layer preferably contains at least 80% by weight of tin, more preferably at least 90% by weight of tin, even more preferably at least 95% by weight of tin, and most preferably at least 98% by weight of tin, based on 100% by weight. the first layer.
- the first layer may also be made of tin.
- the thickness of the first layer is preferably in a range of 1 to 15 ⁇ m, more preferably 2 to 10 ⁇ m, still more preferably 3 to 7 ⁇ m, most preferably 4 to 6 ⁇ m.
- the second layer preferably contains at least 80% by weight of zinc, more preferably at least 90% by weight of zinc, even more preferably at least 95% by weight of zinc, and most preferably at least 98% by weight of zinc based on 100% by weight. the second layer.
- the second layer may also be zinc.
- the thickness of the second layer is preferably in a range of 0.1 to 5 ⁇ m, more preferably 0.5 to 3 ⁇ m, still more preferably 0.7 to 2.5 ⁇ m, and most preferably 0.8 to 2, 2 um.
- the coating may comprise, in addition to the first and second layers, a third layer disposed between the first layer and the copper sheet and containing tin.
- a third layer is present, for example, when a copper sheet is used as the starting material for the production of the electrical contact element, which is provided with a tin coating applied by hot tinning. If there is a third layer, for example in the case of a hot-dip copper sheet, it is considered to be part of the coating and not part of the copper sheet.
- a third layer it preferably contains at least 80% by weight of tin, more preferably at least 90% by weight of tin, very preferably at least 95% by weight of tin and most preferably at least 98% by weight of tin 100% by weight of the third layer.
- the third layer may also be made of tin.
- the thickness of the third layer may be in a range of 0.01 to 5 ⁇ m, preferably 0.5 to 3.5 ⁇ m, and more preferably 1 to 2 ⁇ m.
- the third layer directly adjoins the first layer and / or the copper sheet of the contact element. If no third layer is provided, the first layer may alternatively be applied directly to the copper sheet of the contact element and adjoin it.
- intermetallic phase regions can be present between the layers, which are formed, for example, by diffusion processes during storage of the coating over a relatively long period of time or are formed specifically by a heat treatment.
- an intermetallic phase region may be present between the first and second layers.
- the thickness of these intermetallic phase regions may in each case be 0.01 to 3 ⁇ m, preferably 0.1 to 2 ⁇ m, more preferably 0.25 to 1.5 ⁇ m and most preferably 0.5 to 1 ⁇ m.
- the total thickness of the coating can, in particular independently of the previously described thicknesses of the individual first, second and optional third layer, be 1 to 25 ⁇ m, preferably 2 to 20 ⁇ m, particularly preferably 3 to 15 ⁇ m and most preferably 4 to 10 ⁇ m.
- the thickness of a possibly existing intermetallic phase region which directly adjoins the copper sheet counts with the total thickness of the coating.
- the coating described above with a first layer containing tin, a second layer containing zinc, and optionally a third layer containing tin can in principle already serve as corrosion protection on its own. However, it is preferably used as an intermediate for the production of a coating in which, for example by means of a heat treatment, at least partial mixing of the first, second and optionally third layer takes place. In particular, such a mixture can form a tin- and zinc-containing alloy.
- the coating preferably contains 50 to 95% by weight of tin and 5 to 50% by weight of zinc, particularly preferably 60 to 85% by weight of tin and 15 to 40% by weight of zinc, even more preferably 65 to 80% by weight of tin and 20 to 35% by weight of zinc, most preferably 70 to 75% by weight of tin and 25 to 30% by weight of zinc, based in each case on 100% by weight the coating.
- the sum of tin and zinc is preferably at least 90% by weight, based on 100% by weight of the coating.
- the remainder to 100% by weight of the coating can be customary constituents used in tin and / or zinc alloys and / or unavoidable impurities.
- the coating preferably contains 50 to 95% by weight of tin and 5 to 50% by weight of zinc, particularly preferably 60 to 85% by weight of tin and 15 to 40% by weight of zinc, even more preferably 65 to 80% by weight of tin and 20 to 35% by weight of zinc, most preferably 70 to 75% by weight of tin and 25 to 30% by weight of zinc, in each case based on 100% by weight of the coating.
- the sum of tin and zinc is at least 95% by weight, based on 100% by weight of the coating.
- the remainder to 100% by weight of the coating may form conventional ingredients used in tin and / or zinc alloys and / or unavoidable impurities.
- the coating preferably contains 50 to 95% by weight of tin and 5 to 50% by weight of zinc, particularly preferably 60 to 85% by weight of tin and 15 to 40% by weight of zinc, more preferably From 65 to 80% by weight of tin and from 20 to 35% by weight of zinc, most preferably from 70 to 75% by weight of tin and from 25 to 30% by weight of zinc, based in each case on 100% by weight of the coating.
- the sum of tin and zinc is at least 98% by weight, based on 100% by weight of the coating.
- the remainder to 100% by weight of the coating may form conventional ingredients used in tin and / or zinc alloys and / or unavoidable impurities.
- the coating consists of tin and zinc and contains at most unavoidable impurities.
- the coating preferably contains 50 to 95 wt .-% tin and 5 to 50 wt .-% zinc, more preferably 60 to 85 wt .-% tin and 15 to 40 wt .-% zinc, still more preferably 65 to 80 wt % Of tin and 20 to 35% by weight of zinc, most preferably 70 to 75% by weight of tin and 25 to 30% by weight of zinc, in each case based on 100% by weight of the coating.
- the zinc concentration within the coating may increase from the outside of the coating towards the copper sheet.
- an intermetallic phase region may be present at the boundary to the copper sheet, which in particular has a thickness of 0.01 to 3 ⁇ m, preferably 0.1 to 2 may, more preferably from 0.25 to 1, 5 microns and most preferably from 0.5 to 1 may have.
- the coating produced by at least partially mixing the original layers may have a total thickness of from 1 to 25 ⁇ m, preferably from 2 to 20 ⁇ m, more preferably from 3 to 15 ⁇ m and most preferably from 4 to 10 ⁇ m. In this case, the thickness of a possibly existing intermetallic phase region which directly adjoins the copper sheet counts with the total thickness of the coating.
- the zinc content is in a range of 20 to 35 wt .-% and the tin content in a range of 65 to 80 wt .-%, each based on 100 wt .-% of the coating, the sum of Zinc and tin is at least 95 wt .-% based on 100 wt .-% of the coating and the total thickness of the coating is in a range of 3 to 10 microns.
- Another object of the invention is an electrical contact element with the features of claim 13.
- the metallic coatings of this contact element may be formed as described above.
- Such a contact element can be produced by selective and sequential application of individual layers of tin and zinc to the connecting section, typically by means of galvanic methods, as will be described in more detail below.
- the tin layer is applied to the terminal section.
- the zinc layer is applied to the tin layer.
- the contact element is subjected to a heat treatment, which is referred to as annealing.
- annealing the two layers mix to form an alloy.
- the proportions of tin and zinc in the alloy result from the layer thicknesses of the respective layers.
- any desired tin-zinc concentration can be adjusted.
- a contact element is made of tinned copper sheet.
- the contact element is separated from the support plate or copper strip, creates a punching edge, which has no tinning and therefore prone to corrosion.
- tin not only strikes the punching edge but also applied to the tin layer already present by tinning the copper sheet.
- the tin layer is stronger, for example, at the contact surface facing the electrical line than at the stamped edge.
- the subsequently applied to the tin layer zinc layer is rather thin. A subsequent heat treatment causes mixing of these layers.
- the coating in the first region preferably has a higher tin content than the coating in the second region.
- the coating in the second region has a higher zinc content than the coating in the first region. Because the second area to the surface of the electrical line adjacent, a higher zinc content in the coating is preferred for a corrosion resistant layer.
- the coating in the first range is in the range of 1 ⁇ m to 10 ⁇ m
- the layer thickness of the coating in the second range is in the range of 0.1 ⁇ m to 5 ⁇ m.
- connection section has a crimp section with crimp wings and a holding section with holding wings.
- the crimp prongs rest on the surface of the electrical line and provide both mechanical and electrical contact.
- the holding wings are pressed into the insulation of the electrical line and improve the mechanical connection and thus increase the resistance to unauthorized careful withdrawal of the electrical line from the contact element.
- the crimping section is arranged between two holding sections along an axis, which can be regarded as an extension of the electrical line, in order to fasten electrical lines coming from opposite sides together in the crimping section.
- This arrangement allows greater flexibility in the positioning of the contact element. Narrow installation spaces often require a predetermined position of contact element to electrical line. This problem is mitigated by an additional connectivity.
- Another application of this embodiment is the use of the contact element to connect two or more electrical leads together, known in the art as a splice crimp. In this case, the function of the contacting area is in the background and only the extended connection area is used.
- galvanic processes are used for the coating.
- the terminal region of the contact element is coated in a known manner, each with a layer of tin, to which a layer of zinc is subsequently applied.
- This sequential coating by standardized coating processes allows the creation of a SnZn coating system.
- a subsequent annealing process mixes tin and zinc.
- temperatures in the range of 80 ° C to 215 ° C are used for this purpose.
- the process time of tempering must be designed accordingly. For example, at a temperature of 215 ° C, the annealing time is about 10 minutes. At a temperature of 80 ° C, however, the annealing time can be in the range of 12 to 48 hours.
- the tempering is carried out according to the furnace used according to a corresponding process curve. Depending on the In this case, a suitable temperature profile is used in order to achieve the desired thorough mixing of tin and zinc in the corresponding areas.
- the present invention furthermore relates to a method for producing an electrical contact element, in particular for producing an electrical contact element according to one of the types described above, comprising the steps of: providing a base body, optionally hot-dipped, copper sheet,
- the shape of the main body to which the layers are applied is not particularly limited.
- the main body may already have the final shape of the contact element.
- the base body can be brought into the final shape of the contact element only after its coating by forming steps such as punching and / or bending.
- the coating is preferably applied only to an area of the main body provided as a connection section. However, it is also conceivable to provide further areas of the main body, in particular the complete main body, with the coating.
- the first layer can be applied directly to the copper sheet of the base body, so that the first layer immediately adjoins the copper sheet after application.
- a third layer as described above can also be applied.
- the first, the second and the optional third layer are preferably applied in such a way that the above-described relative arrangement of the layers results from one another.
- the layers of the coating preferably directly adjoin one another, and the third layer preferably directly adjoins the copper sheet of the connection section.
- the first layer and the second layer preferably have the compositions described above, in particular with regard to the respective metals used in the first and second layer and their contents.
- the optional third layer also preferably has the composition described above, in particular with respect to the tin content.
- the first, second and optionally third layer have layer thicknesses in accordance with the regions described above for the respective layer. Furthermore, the total thickness of the obtained coating is preferably in the above-described ranges.
- the method of applying the layers is not particularly limited.
- at least one layer may be affected by a decay selected from the group consisting of electroplating, vapor deposition, sputtering, dip coating, spray coating and any combination of the aforementioned methods.
- Good results in terms of corrosion protection and durability are obtained, for example, when the first and the second layer are applied by electroplating or electroplating.
- the electroplating process may comprise further process steps customary in electroplating, such as, for example, degreasing, rinsing and / or the removal of surface oxides.
- the third layer is preferably applied by means of dip coating.
- the main body can be hot-dipped, for example, by immersion in a bath of molten tin.
- the third layer may already be present in that a commercially available body made of hot-dipped copper sheet is used.
- a heat treatment can be carried out in order to achieve the above-described at least partial mixing between the originally applied first, second and optionally third layer.
- a mixture can form a tin- and zinc-containing alloy.
- an intermetallic phase region can be formed by the heat treatment at the boundary between the coating and the copper sheet of the main body.
- the heat treatment may be carried out in a temperature range of 50 to 350 ° C, preferably from 80 to 300 ° C, more preferably from 200 to 280 ° C, most preferably from 220 to 270 ° C and most preferably from 230 to 250 ° C.
- the temperature after heating is preferably maintained for a period of 1 second to 48 hours, more preferably from 3 seconds to 12 hours, even more preferably from 5 seconds to 5 minutes, and most preferably from 5 seconds to 2 minutes. More preferably, the heat treatment is carried out at a temperature in the range of 200 to 280 ° C, which is held for a period of 5 seconds to 5 minutes. Most preferably, the heat treatment is carried out at a temperature in the range of 220 to 270 ° C, which is held for a period of 5 seconds to 2 minutes. If the production of the electrical contact element according to one of the methods described above requires a deformation of the main body, the sequence of the forming steps and the steps for applying the coating is not particularly fixed.
- the method may comprise the steps of stamping the base body from a copper strip and bending it into a contact element, wherein at least one layer of the coating is applied between the punching and the bending or after the bending. It is also possible to carry out the heat treatment after the application of the layers before or after the bending.
- the subject of the present invention is also an electrical contact element which can be obtained by a method described above, as well as a connection line with an electrical line and an electrical contact element of the type described above.
- the invention will be described by way of possible embodiments purely by way of example with reference to the drawing. Show it:
- FIG. 1 is a perspective view of an embodiment of an electrical contact element according to the invention prior to the connection of an electrical line, a perspective view of the contact element shown in Fig. 1 with an electrical line connected thereto, schematically a connection portion of an electrical contact element with a coating according to the invention, schematically 3 after a heat treatment, a longitudinal sectional view of a crimping blade of the contact element of FIG. 1 after application of a tin layer, a longitudinal sectional view of the crimping blade of FIG. 5 after application of a zinc layer, FIG.
- Fig. 7 is a longitudinal sectional view of the Crimpulatels of FIG. 6 after
- Performing a heat treatment and Fig. 8 is a longitudinal sectional view through the coated and heat treated Crimperiel of Fig. 2, which bear against the electrical line. 1 and 2 show an electrical contact element 1, which has a contact section 3 for contacting a complementary contact element and a connection section 5 for connecting an electrical line 15.
- the connection section 5 is in turn subdivided into a crimp section 7 with crimp wings 9 and a holding section 11 with retaining wings 13, which are provided for fastening the electric line 15.
- the Crimperiel 9 of the crimping portion 7 are crimped to stripped conductor material 17 of the electrical line 15, while the retaining wings 13 of the holding portion 1 1 crimped to the insulation 19 of the electrical line 15 (Fig. 2).
- connection section 5 is formed from a copper sheet 21 and provided with a coating 23, which is shown schematically in Fig. 3.
- a third layer 29 of tin is first provided by hot tinning.
- an electrodeposited first layer 25 made of tin is followed by an electrodeposited first layer 25 made of tin.
- a galvanically applied second layer 27 made of zinc is formed on the side facing away from the copper sheet 21 on the side facing away from the copper sheet 21.
- FIG. 4 shows the state of the coating 23 shown in FIG. 3 after a heat treatment. Due to the heat treatment, the original third layer 29, the original first layer 25 and the original second layer 27 is mixed to form a modified layer 31 containing tin and zinc. Furthermore, an intermetallic phase region 33 is present in the boundary region between the modified layer 31 and the copper sheet 21.
- those areas of the preform which form the connection section 5 are successively hot degreased, rinsed, degreased by electrolysis, rinsed, freed of surface oxides and rinsed again.
- a tin layer is applied by electroplating as the first layer 25 to the thus pretreated connection section 5 of the hot-dip-coated preform, wherein the electroplating is carried out for 15 minutes at room temperature and a current density of 1 A / dm 2 in an aqueous bath which contains a Zinnionenkonzentration of 80 g / L has (for example by means of STANNOSTAR TM HMM 2 LF, fluoborate-free matte tin electrolyte company Enthone).
- the thus obtained tin first layer 25 has a thickness of 7 ⁇ m.
- a tin layer may be applied, which only has a thickness of 2 ⁇ m.
- the tinning is carried out under otherwise identical conditions for 5 minutes.
- the preform regions comprising the first layer 25 are rinsed, freed from surface oxides and redispersed rinsed before electroplating a second layer 27 of zinc is applied to the first layer 25 galvanically.
- this galvanizing takes place for 3 minutes at room temperature and a current density of 1, 5 A / dm 2 in an aqueous bath, which has a zinc ion concentration of 160 g / L (eg by means of ENTHOBRITE acid zinc electrolyte from Enthone).
- the second layer 27 of zinc thus obtained has a thickness of 1 ⁇ m.
- the preform After galvanizing, the preform is rinsed again and dried for 3 minutes at 40 ° C. To complete the electrical contact element 1, the preform is separated by punching of the copper strip and brought by bending in its final form.
- the contact element 1 obtained in this way can now be connected by crimping to the electrical line 15.
- the contact element 1 may be subjected beforehand to a heat treatment in which the contact element 1 is heated to 240 ° C. within 2 minutes and kept at this temperature for 1 minute, before it is allowed to cool to room temperature again.
- the original hot-dip tinning (third layer 29), the original first layer 25 and the original second layer 27 are mixed to form a modified layer 31 and the intermetallic phase region 33 in the boundary region between the modified layer 31 and the copper sheet 21 is formed in a targeted manner (Fig. 4).
- the cutting edge 35 resulting from the separation of the preform from the copper strip is free from coatings and thus exposed to the risk of corrosion.
- a first layer 25 of tin is first galvanically applied to the hot-dipped copper sheet 21 as described above (FIG. 5). Subsequently, the copper sheet 21 is galvanically provided with a second layer 27 of zinc (FIG. 6).
- a third tin layer 29 is additionally below the first tin layer 25, in particular in the area of the contact surface 37 of the contact element 1 provided for making contact with the electrical line 15, but not at the punching channel resulting from the separation of the preform from the copper strip In the area of the contact surface 37, the tin layer is therefore altogether thicker than at the punching edge 35, ie In the area of the contact surface 37, a higher proportion of tin is present than at the punching edge 35.
- the contact element 1 is subjected to a heat treatment, eg as described above, through which the original third layer 29, the original first layer 25 and the original second layer 27 merge to form a modified layer 31 , which has different tin-zinc mixing ratios in some areas (FIG. 7).
- the resulting coating 23 at the punching edge 35 contains a higher proportion of zinc.
- This zinc-tin alloy 39 is therefore particularly resistant to corrosion.
- the coating 23, however, contains a higher tin content.
- This tin-zinc alloy 41 is therefore particularly conductive.
- the tin-zinc alloy 41 covers the entire crimping section 7 except for the punching edge 35, which is covered by the zinc-tin alloy 39.
- the electrical line 15 is enclosed by the Crimerieln 9.
- the tin-zinc alloy 41 is located between the contact surface 37 of the crimping portion 10 and the electrical lead 15, while the punching edge 35 adjacent to the electrical lead 15 is protected by the zinc-tin alloy 39.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktelement mit einem Anschlussabschnitt, welcher aus einem Kupferblech gebildet ist und eine Beschichtung aufweist, die Zinn und Zink enthält.
Description
Elektrisches Kontaktelement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktelement, welches eine Beschichtung aufweist, die Zinn und Zink enthält, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Kontaktelementes.
In Anbetracht der Belange des Klimaschutzes kommt der Verringerung des Ausstoßes von Treibhausgasen wie z.B. Kohlendioxid eine besondere Bedeutung zu. Daher ist die Automobilindustrie bestrebt, Fahrzeuge zu entwickeln, welche einen verhältnismäßig geringen Kraftstoffverbrauch aufweisen, um auf diese Weise die Kohlendioxidemissionen zu senken und einen Beitrag zum Klimaschutz zu leisten.
Ein Ansatz, den Kraftstoffverbrauch und somit den Kohlendioxidausstoß zu senken, beruht auf der Reduktion des Gewichts des Fahrzeugs. Um eine Gewichtseinsparung zu erreichen, wird verstärkt nach Möglichkeiten gesucht, Werkstoffe mit verhältnismäßig hohem Gewicht durch leichtere Materialien zu ersetzen, so dass die Fahrzeugkomponenten aus Leichtbaumaterialien gefertigt werden können.
Gemäß diesem Konzept bestehen Bestrebungen, auch das Gewicht der Verkabelung eines Fahrzeugs zu verringern, indem das typischerweise in Kabeln als Leitermaterial verwendete Kupfer durch leichtgewichtige Alternativen ersetzt wird. Ein mögliches, prinzipiell für den Ersatz der Kupferleitungen geeignetes Leitermaterial stellt Aluminium dar, das als Leichtmetall eine niedrige Dichte und somit ein geringes Eigengewicht aufweist.
Nachteilig ist jedoch, dass bei der Verwendung von Aluminium als Leitermaterial in Kombination mit elektrischen Kontaktelementen, welche typischerweise aus Kupfer gefertigt sind, an der Kontaktstelle zwischen Kup- fer und Aluminium in Gegenwart eines Elektrolyten, wie z.B. Salzwasser, und Luftsauerstoff Korrosionsvorgänge auftreten. Diese Korrosionsvorgänge sind im Fall des direkten Kontaktes von Kupfer und Aluminium besonders ausgeprägt, da gemäß der elektrochemischen Spannungsreihe eine beträchtliche Differenz zwischen den Standardpotentialen (Normalpotenti- alen) von Aluminium und Kupfer und somit eine hohe Triebkraft für die Korrosionsreaktion vorliegt. Durch die galvanische Korrosion wird die Menge des Aluminiums als im Vergleich zu Kupfer unedlerem Metall verringert, was die elektrische Leitfähigkeit an den Kontaktstellen zwischen dem Leitermaterial und dem Kontaktelement signifikant herabsetzt, wes- halb ein Bedarf an einem zuverlässigen Korrosionsschutz bei der Verwendung von aluminiumhaltigem Leitermaterial in Kombination mit einem aus Kupfer gefertigten elektrischen Kontaktelement besteht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Kontak- telement bereitzustellen, welches in Kombination mit einem aluminium - haltigen Leitermaterial verwendet werden kann und zuverlässigen Schutz vor Korrosion bietet.
Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Kontaktelement mit den Merk- malen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Kontaktelement umfasst einen Anschlussabschnitt, welcher aus einem Kupferblech gebildet ist und eine Beschich- tung aufweist, die Zinn und Zink enthält.
Der Erfindung liegt der allgemeine Gedanke zugrunde, dass durch eine Beschichtung des für ein Inkontaktbringen mit einem aluminiumhaltigen Leitermaterial vorgesehenen, aus Kupferblech gefertigten Anschlussabschnitts des Kontaktelementes das elektrochemische Potential des An- Schlussabschnitts an das gemäß der elektrochemischen Spannungsreihe niedrigere Potential von Aluminium angenähert wird. Auf diese Weise wird die Differenz zwischen den Potentialen von Kupfer und Aluminium zumindest annähernd ausgeglichen und somit die Triebkraft der Korrosion derart reduziert, dass diese nicht mehr in einem kritischen Bereich liegt.
Dieser Korrosionsschutz wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Beschichtung mit Zinn und Zink zwei in der elektrochemischen Spannungsreihe zwischen Kupfer und Aluminium stehende Elemente enthält.
Alles in allem weist das erfindungsgemäße Kontaktelement einen hervor- ragenden Schutz vor Korrosion an der Kontaktstelle zwischen dem Kontaktelement und einem aluminiumhaltigen Leitermaterial bei gleichzeitig minimalem Kontaktwiderstand durch optimale elektrische Leitfähigkeit der Beschichtung auf, wodurch eine optimale Kontaktierung des Leitermaterials dauerhaft sichergestellt ist.
Das erfindungsgemäße Kontaktelement ist allgemein zur Kontaktierung von aluminiumhaltigen Leitungen geeignet. Besonders bevorzugt kann das Kontaktelement im Fahrzeugbau verwendet werden, da auf diese Weise anstelle kupferhaltiger Leitungen aluminiumhaltige Leitungen eingesetzt werden können, wodurch eine Verringerung des Fahrzeuggewichts und somit eine Treibstoffersparnis und verringerte Kohlendioxidemissionen erreicht werden können.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.
Bei dem Anschlussabschnitt des elektrischen Kontaktelementes handelt es sich um einen Bereich, der für die Aufnahme des Leitermaterials einer elektrischen Leitung wie z.B. eines Kabels vorgesehen ist. Dabei kann die Verbindung mit dem Leitermaterial beispielsweise durch Crimpen erfolgen.
Zumindest der Anschlussabschnitt des elektrischen Kontaktelementes ist aus einem Kupferblech gebildet. Jedoch können auch weitere Abschnitte und insbesondere das komplette Kontaktelement aus einem Kupferblech gebildet sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Kontaktelement um ein Stanz- /Biegeteil handeln.
Um als Korrosionsschutz wirken zu können, ist die Beschichtung in jedem Fall auf dem Anschlussabschnitt des elektrischen Kontaktelementes aufgebracht. Die Beschichtung kann jedoch auch in weiteren Bereichen des Kontaktelementes vorhanden sein, wobei es grundsätzlich denkbar ist, dass die Beschichtung die Oberfläche des Kontaktelementes vollständig überzieht. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Beschichtung lediglich auf den Anschlussabschnitt des Kontaktelementes beschränkt ist und die übrigen Bereiche des Kontaktelementes, insbesondere ein zur Kontaktie- rung eines komplementären Kontaktelementes vorgesehener Bereich, z.B. ein Stecker- oder Buchsenabschnitt, keine Beschichtung aufweisen, um eine optimale elektrische Verbindung zwischen den Kontaktelementen zu gewährleisten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Beschichtung eine zweite Schicht, welche Zink enthält, und eine erste Schicht, welche zwischen der zweiten Schicht und dem Kupferblech angeordnet ist und Zinn enthält.
Dabei ist die zweite Schicht bevorzugt als Außenschicht ausgebildet. Außerdem grenzt die zweite Schicht bevorzugt unmittelbar an die erste Schicht an, d.h. die zweite Schicht liegt bevorzugt unmittelbar über der ersten Schicht.
Bevorzugt enthält die erste Schicht wenigstens 80 Gew.-% Zinn, besonders bevorzugt wenigstens 90 Gew.-% Zinn, noch weiter bevorzugt wenigstens 95 Gew.-% Zinn und höchst bevorzugt wenigstens 98 Gew.-% Zinn bezogen auf 100 Gew.-% der ersten Schicht. Alternativ dazu kann die erste Schicht auch aus Zinn bestehen.
Die Dicke der ersten Schicht liegt bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 15 um, besonders bevorzugt von 2 bis 10 um, noch weiter bevorzugt von 3 bis 7 um, höchst bevorzugt von 4 bis 6 um.
Die zweite Schicht enthält bevorzugt wenigstens 80 Gew.-% Zink, besonders bevorzugt wenigstens 90 Gew.-% Zink, noch weiter bevorzugt wenigstens 95 Gew.-% Zink und höchst bevorzugt wenigstens 98 Gew.-% Zink bezogen auf 100 Gew.-% der zweiten Schicht. Alternativ dazu kann die zweite Schicht auch aus Zink bestehen.
Die Dicke der zweiten Schicht liegt bevorzugt in einem Bereich von 0, 1 bis 5 um, besonders bevorzugt von 0,5 bis 3 um, noch weiter bevorzugt von 0,7 bis 2,5 um und höchst bevorzugt von 0,8 bis 2,2 um.
Ferner kann die Beschichtung gemäß einer Ausführungsform zusätzlich zu der ersten und zweiten Schicht eine dritte Schicht umfassen, welche zwischen der ersten Schicht und dem Kupferblech angeordnet ist und Zinn enthält. Eine derartige dritte Schicht liegt beispielsweise dann vor,
wenn für die Herstellung des elektrischen Kontaktelementes als Ausgangsmaterial ein Kupferblech verwendet wird, welches mit einer durch Feuerverzinnen aufgebrachten Zinnschicht versehen ist. Liegt eine dritte Schicht vor, beispielsweise im Fall eines feuerverzinnten Kupferblechs, wird diese als Teil der Beschichtung und nicht als Teil des Kupferblechs angesehen.
Im Fall des Vorliegens einer dritten Schicht enthält diese bevorzugt wenigstens 80 Gew.-% Zinn, besonders bevorzugt wenigstens 90 Gew.-% Zinn, ganz besonders bevorzugt wenigstens 95 Gew.-% Zinn und höchst bevorzugt wenigstens 98 Gew.-% Zinn bezogen auf 100 Gew.-% der dritten Schicht. Alternativ dazu kann die dritte Schicht auch aus Zinn bestehen.
Die Dicke der dritten Schicht kann in einem Bereich von 0,01 bis 5 um, bevorzugt von 0,5 bis 3,5 um und besonders bevorzugt von 1 bis 2 um liegen.
Gemäß einer Ausführungsform grenzt die dritte Schicht unmittelbar an die erste Schicht und/ oder an das Kupferblech des Kontaktelementes an. Ist keine dritte Schicht vorgesehen, kann die erste Schicht alternativ unmittelbar auf das Kupferblech des Kontaktelementes aufgebracht sein und an dieses angrenzen.
Alle der vorstehend beschriebenen Schichten der Beschichtung können unmittelbar aneinander angrenzen. Es ist jedoch auch möglich, dass zwischen den Schichten intermetallische Phasenbereiche vorliegen, welche z.B. durch Diffusionsprozesse beim Lagern der Beschichtung über einen längeren Zeitraum entstehen oder gezielt durch eine Wärmebehandlung ausgebildet werden. Insbesondere können intermetallische Phasenberei- che zwischen der ersten Schicht und dem Kupferblech oder, wenn eine
optionale dritte Schicht vorgesehen ist, zwischen der dritten Schicht und dem Kupferblech vorliegen. Auch kann ein intermetallischer Phasenbereich zwischen der ersten und zweiten Schicht vorliegen. Die Dicke dieser intermetallischen Phasenbereiche kann jeweils 0,01 bis 3 pm, bevorzugt 0, 1 bis 2 pm, besonders bevorzugt 0,25 bis 1 ,5 pm und höchst bevorzugt 0,5 bis 1 pm betragen.
Die Gesamtdicke der Beschichtung kann, insbesondere unabhängig von den zuvor beschriebenen Dicken der individuellen ersten, zweiten und optionalen dritten Schicht, 1 bis 25 pm, bevorzugt 2 bis 20 pm, besonders bevorzugt 3 bis 15 pm und höchst bevorzugt 4 bis 10 pm betragen. Dabei zählt die Dicke eines möglicherweise vorhandenen intermetallischen Phasenbereichs, welcher unmittelbar an das Kupferblech angrenzt, mit zur Gesamtdicke der Beschichtung.
Die vorstehend beschriebene Beschichtung mit einer ersten Schicht, die Zinn enthält, einer zweiten Schicht, die Zink enthält, und optional einer dritten Schicht, welche Zinn enthält, kann grundsätzlich bereits für sich genommen als Korrosionsschutz dienen. Bevorzugt wird sie jedoch als Zwischenprodukt für die Herstellung einer Beschichtung verwendet, bei der, beispielsweise mittels einer Wärmebehandlung, eine zumindest teilweise Vermischung der ersten, zweiten und gegebenenfalls dritten Schicht erfolgt. Insbesondere kann bei einer derartigen Vermischung eine zinn- und zinkhaltige Legierung gebildet werden.
Gemäß einer Ausführungsform enthält die Beschichtung bevorzugt 50 bis 95 Gew.-% Zinn und 5 bis 50 Gew.-% Zink, besonders bevorzugt 60 bis 85 Gew.-% Zinn und 15 bis 40 Gew.-% Zink, noch weiter bevorzugt 65 bis 80 Gew.-% Zinn und 20 bis 35 Gew.-% Zink, höchst bevorzugt 70 bis 75 Gew.-% Zinn und 25 bis 30 Gew.-% Zink jeweils bezogen auf 100 Gew.-%
der Beschichtung. Dabei beträgt die Summe von Zinn und Zink bevorzugt wenigstens 90 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Beschichtung. Den Rest auf 100 Gew.-% der Beschichtung können übliche Bestandteile, welche in Zinn- und/ oder Zinklegierungen verwendet werden, und/ oder un- vermeidbare Verunreinigungen bilden. Der Zinn- und Zinkgehalt der Beschichtung kann durch die Wahl geeigneter Schichtdicken eingestellt werden, und zwar auch dann, wenn ein zumindest teilweises Vermischen der Schichten vorgesehen ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält die Beschichtung bevorzugt 50 bis 95 Gew.-% Zinn und 5 bis 50 Gew.-% Zink, besonders bevorzugt 60 bis 85 Gew.-% Zinn und 15 bis 40 Gew.-% Zink, noch weiter bevorzugt 65 bis 80 Gew.-% Zinn und 20 bis 35 Gew.-% Zink, höchst bevorzugt 70 bis 75 Gew.-% Zinn und 25 bis 30 Gew.-% Zink jeweils bezogen auf 100 Gew.-% der Beschichtung. Dabei beträgt die Summe von Zinn und Zink wenigstens 95 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Beschichtung. Den Rest auf 100 Gew.-% der Beschichtung können übliche Bestandteile, welche in Zinn- und/ oder Zinklegierungen verwendet werden, und/ oder unvermeidbare Verunreinigungen bilden.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform enthält die Beschichtung bevorzugt 50 bis 95 Gew.-% Zinn und 5 bis 50 Gew.-% Zink, besonders bevorzugt 60 bis 85 Gew.-% Zinn und 15 bis 40 Gew.-% Zink, noch weiter bevorzugt 65 bis 80 Gew.-% Zinn und 20 bis 35 Gew.-% Zink, höchst be- vorzugt 70 bis 75 Gew.-% Zinn und 25 bis 30 Gew.-% Zink jeweils bezogen auf 100 Gew.-% der Beschichtung. Dabei beträgt die Summe von Zinn und Zink wenigstens 98 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Beschichtung. Den Rest auf 100 Gew.-% der Beschichtung können übliche Bestandteile, welche in Zinn- und/ oder Zinklegierungen verwendet werden, und/ oder unvermeidbare Verunreinigungen bilden.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform besteht die Beschichtung aus Zinn und Zink und enthält allenfalls unvermeidbare Verunreinigungen. Dabei enthält die Beschichtung bevorzugt 50 bis 95 Gew.-% Zinn und 5 bis 50 Gew.-% Zink, besonders bevorzugt 60 bis 85 Gew.-% Zinn und 15 bis 40 Gew.-% Zink, noch weiter bevorzugt 65 bis 80 Gew.-% Zinn und 20 bis 35 Gew.-% Zink, höchst bevorzugt 70 bis 75 Gew.-% Zinn und 25 bis 30 Gew.-% Zink jeweils bezogen auf 100 Gew.-% der Beschichtung. Wenn die Beschichtung durch zumindest teilweises Vermischen der ursprünglichen ersten, zweiten und optionalen dritten Schicht erzeugt wird, kann die Zinkkonzentration innerhalb der Beschichtung von der Außenseite der Beschichtung in Richtung des Kupferblechs zunehmen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann, insbesondere wenn die Beschichtung durch zumindest teilweises Vermischen der ursprünglichen Schichten erzeugt wird, ein intermetallischer Phasenbereich an der Grenze zu dem Kupferblech vorliegen, welcher insbesondere eine Dicke von 0,01 bis 3 um, bevorzugt von 0, 1 bis 2 um, besonders bevorzugt von 0,25 bis 1 ,5 um und höchst bevorzugt von 0,5 bis 1 um aufweisen kann.
Die Beschichtung, die durch zumindest teilweises Vermischen der ursprünglichen Schichten erzeugt wird, kann eine Gesamtdicke von 1 bis 25 um, bevorzugt von 2 bis 20 um, besonders bevorzugt von 3 bis 15 um und höchst bevorzugt von 4 bis 10 um aufweisen. Dabei zählt die Dicke eines möglicherweise vorhandenen intermetallischen Phasenbereichs, welcher unmittelbar an das Kupferblech angrenzt, mit zur Gesamtdicke der Beschichtung.
Gemäß einer bevorzugten Merkmalskombination, insbesondere, wenn die Beschichtung durch Vermischen der ursprünglichen ersten, zweiten und
optionalen dritten Schicht erzeugt wird, liegt der Zinkgehalt in einem Bereich von 20 bis 35 Gew.-% und der Zinngehalt in einem Bereich von 65 bis 80 Gew.-%, jeweils bezogen auf 100 Gew.-% der Beschichtung, wobei die Summe von Zink und Zinn wenigstens 95 Gew.-% bezogen auf 100 Gew.-% der Beschichtung beträgt und die Gesamtdicke der Beschichtung in einem Bereich von 3 bis 10 um liegt.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein elektrisches Kontaktelement mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Die metallischen Beschichtungen dieses Kontaktelements können dabei wie voranstehend beschrieben ausgebildet sein.
Ein solches Kontaktelement lässt sich durch selektives und sequenzielles Aufbringen von Einzelschichten Zinn und Zink auf den Anschlussab- schnitt herstellen, typischerweise mittels galvanischer Verfahren, wie nachfolgend noch genauer beschrieben wird. Zunächst wird die Zinnschicht auf den Anschlussabschnitt aufgebracht. Danach wird die Zinkschicht auf die Zinnschicht aufgebracht. Anschließend wird das Kontaktelement einer Wärmebehandlung unterzogen, die als Tempern bezeichnet wird. Beim Tempern durchmischen sich die beiden Schichten zu einer Legierung. Die Anteile von Zinn und Zink in der Legierung ergeben sich aus den Schichtstärken der jeweiligen Schichten. So kann im Prinzip jede gewünschte Zinn-Zink-Konzentration eingestellt werden. Üblicherweise wird ein Kontaktelement aus verzinntem Kupferblech hergestellt. Dort, wo das Kontaktelement vom Trägerblech oder Kupferband getrennt wird, entsteht eine Stanzkante, welche keine Verzinnung aufweist und deshalb anfällig für Korrosion ist. Durch das erfindungsgemäße Aufbringen einer Zinnschicht in dem ersten und zweiten Bereich des An- Schlussabschnitts wird Zinn nicht nur auf die Stanzkante, sondern auch
auf die durch Verzinnung des Kupferbleches bereits vorhandene Zinnschicht aufgetragen. Dadurch ist die Zinnschicht z.B. an der zur elektrischen Leitung weisenden Kontaktfläche stärker als an der Stanzkante. Im Vergleich zur Zinnschicht an der Kontaktfläche ist die anschließend auf die Zinnschicht aufgetragene Zinkschicht dagegen eher dünn. Eine nachfolgende Wärmebehandlung bewirkt eine Durchmischung dieser Schichten. Es entsteht eine Legierungsschicht, deren Hauptbestandteile Zinn und Zink sind, wobei die Konzentration der Anteile räumlich unterschiedlich ist und voranstehend bereits angegeben wurde. So entsteht an der Kontaktfläche eine besonders gut leitende Schicht mit hoher Zinnkonzentration, im Folgenden auch Zinn-Zink-Legierung genannt, und an der Stanzkante eine Schutzschicht mit höherem Zinkanteil, im Folgenden auch Zink-Zinn-Legierung genannt. Ist das Kontaktelement mit einer elektrischen Leitung verbunden, grenzen die Stanzkanten an die Oberfläche der elektrischen Leitung an und die Schutzschicht befindet sich an der für Korrosion anfälligsten Stelle.
Dadurch liegt der Bereich des Kontaktelements, der bei Vorhandensein eines Elektrolyten besonders von Korrosion bedroht wäre, geschützt unter der korrosionshemmenden Beschichtung.
Um einen geringen Übergangswiderstand an der Verbindungsstelle zwischen der elektrischen Leitung und dem Kontaktelement zu erreichen, weist die Beschichtung im ersten Bereich bevorzugt einen höheren Zinn- gehalt auf als die Beschichtung im zweiten Bereich.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist die Beschichtung im zweiten Bereich einen höheren Zinkgehalt auf als die Beschichtung im ersten Bereich. Da der zweite Bereich an die Oberfläche der elektrischen Leitung
angrenzt, wird für eine korrosionsbeständige Schicht ein höherer Zinkanteil in der Beschichtung bevorzugt.
Wie voranstehend bereits erwähnt wird im ersten Bereich eine Beschich- tung mit einem Zinngehalt im Bereich von 65% - 100% und einem Zinkgehalt im Bereich von 0% - 35% bevorzugt, da man durch dieses Verhältnis eine besonders leitfähige Verbindungsschicht zwischen Kontaktelement und Aluminiumleiter erhält. Dagegen kann die Beschichtung im zweiten Bereich einen Zinngehalt im Bereich von 50% - 95% und einen Zinkgehalt im Bereich von 5% - 50% aufweisen. Dieses Verhältnis resultiert in einer Schicht, die einen besonders guten Korrosionsschutz bietet. Vorteilhafterweise liegt die Schichtstärke der Beschichtung im ersten Bereich im Bereich von 1 um bis 10 um und die Schichtstärke der Beschichtung im zweiten Bereich im Bereich von 0, 1 um bis 5 um. Durch Variation der Schichtdicken in diesen Bereichen können die Konzentration von Zinn und Zink in den Legierungen sehr genau eingestellt und dadurch die Ei- genschaften der Schichten festgelegt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Anschlussabschnitt einen Crimpabschnitt mit Crimpflügeln und einen Halteabschnitt mit Halteflügeln auf. Nach Befestigung der elektrischen Leitung an dem An- Schlussabschnitt des Kontaktelements liegen die Crimpflügel an der Oberfläche der elektrischen Leitung an und sorgen sowohl für einen mechanischen als auch für einen elektrischen Kontakt. Die Halteflügel werden in die Isolation der elektrischen Leitung gedrückt und verbessern die mechanische Verbindung und erhöhen somit den Widerstand gegen unbeab-
sichtigtes Herausziehen der elektrischen Leitung aus dem Kontaktelement.
Vorteilhafterweise ist der Crimpabschnitt zwischen zwei Halteabschnitten entlang einer Achse angeordnet, welche als Verlängerung der elektrischen Leitung angesehen werden kann, um von entgegengesetzten Seiten kommende elektrische Leitungen gemeinsam im Crimpabschnitt zu befestigen. Diese Anordnung ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Positionierung des Kontaktelements. Enge Bauräume erfordern nicht selten eine vorbestimmte Position von Kontaktelement zu elektrischer Leitung. Dieses Problem wird durch eine zusätzliche Anschlussmöglichkeit gemildert. Eine weitere Anwendung dieser Ausführungsform ist die Verwendung des Kontaktelements zur Verbindung von zwei oder mehr elektrischen Leitungen miteinander, in der Technik als Splice Crimp bekannt. Dabei tritt die Funktion des Kontaktierungsbereichs in den Hintergrund und es wird nur der erweiterte Anschlussbereich verwendet.
Bevorzugt werden für die Beschichtung galvanische Verfahren benutzt. Der Anschlussbereich des Kontaktelements wird in bekannter Weise mit jeweils einer Schicht Zinn beschichtet, auf die nachfolgend eine Schicht Zink aufgetragen wird. Dieses sequenzielle Beschichten durch standardisierte Beschichtungsprozesse ermöglicht die Erstellung eines SnZn- Schichtsystems. Ein nachfolgender Temperprozess durchmischt Zinn und Zink. In der Praxis werden hierfür Temperaturen im Bereich von 80 °C bis 215°C verwendet. Je nach gewählter Temperatur muss die Prozesszeit des Temperns entsprechend ausgelegt werden. Bei einer Temperatur von 215 °C beträgt die Temperzeit beispielsweise etwa 10 Minuten. Bei einer Temperatur von 80 °C kann die Temperzeit dagegen im Bereich von 12 bis 48 Stunden liegen. Das Tempern wird je nach verwendetem Ofen gemäß einer entsprechenden Prozesskurve durchgeführt. In Abhängigkeit von den be-
nötigten Schichten wird dabei ein geeignetes Temperaturprofil verwendet, um so die gewünschte Durchmischung von Zinn und Zink in den entsprechenden Bereichen zu erreichen. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelementes, insbesondere zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelementes nach einer der vorstehend beschriebenen Arten, welches die Schritte umfasst: - Bereitstellen eines Grundkörpers aus, optional feuerverzinntem, Kupferblech,
Aufbringen einer ersten Schicht, welche Zinn enthält, auf den
Grundkörper und
Aufbringen einer zweiten Schicht, welche Zink enthält, auf eine dem Grundkörper abgewandte Seite der ersten Schicht.
Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens werden nachfolgend beschrie- ben.
Die Form des Grundkörpers, auf den die Schichten aufgebracht werden, ist nicht besonders beschränkt. Beispielsweise kann der Grundkörper bereits die endgültige Form des Kontaktelementes aufweisen. Alternativ kann der Grundkörper erst nach seiner Beschichtung durch Umformungsschritte wie beispielsweise Ausstanzen und/ oder Umbiegen in die endgültige Form des Kontaktelementes gebracht werden.
Um die elektrische Leitfähigkeit bei der Kontaktierung des elektrischen Kontaktelementes wie bereits vorstehend beschrieben nicht zu beeinträch-
tigen, wird die Beschichtung bevorzugt lediglich auf einen als Anschlussabschnitt vorgesehenen Bereich des Grundkörpers aufgebracht. Es ist jedoch auch denkbar, weitere Bereiche des Grundkörpers, insbesondere den kompletten Grundkörper, mit der Beschichtung zu versehen.
Die erste Schicht kann unmittelbar auf das Kupferblech des Grundkörpers aufgebracht werden, so dass die erste Schicht nach dem Aufbringen unmittelbar an das Kupferblech angrenzt. Optional kann auch eine wie oben beschriebene dritte Schicht aufgebracht werden. Bevorzugt werden die erste, die zweite und die optionale dritte Schicht so aufgebracht, dass sich die oben beschriebene relative Anordnung der Schichten zueinander ergibt. Dabei grenzen die Schichten der Beschichtung bevorzugt unmittelbar aneinander, und die dritte Schicht grenzt bevorzugt unmittelbar an das Kupferblech des Anschlussabschnitts.
Die erste Schicht und die zweite Schicht weisen bevorzugt die voranstehend beschriebenen Zusammensetzungen auf, insbesondere in Hinblick auf die jeweiligen in der ersten und zweiten Schicht verwendeten Metalle und deren Gehalte. Auch die optionale dritte Schicht weist bevorzugt die oben beschriebene Zusammensetzung auf, insbesondere bezüglich des Zinngehaltes. Ebenfalls bevorzugt weisen die erste, zweite und gegebenenfalls dritte Schicht Schichtdicken gemäß den für die jeweilige Schicht vor- stehend beschriebenen Bereichen auf. Des Weiteren liegt die Gesamtdicke der erhaltenen Beschichtung bevorzugt in den oben beschriebenen Bereichen.
Das Verfahren zum Aufbringen der Schichten ist nicht besonders be- schränkt. Beispielsweise kann wenigstens eine Schicht durch ein Verfall-
ren ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Galvanotechnik, Bedampfen, Sputtern, Tauchbeschichten, Sprühbeschichten und beliebigen Kombinationen der vorstehend genannten Verfahren aufgebracht werden. Gute Ergebnisse hinsichtlich des Korrosionsschutzes und der Lebensdauer werden beispielsweise erhalten, wenn die erste und die zweite Schicht durch Galvanotechnik bzw. Elektroplattieren aufgebracht werden. Das galvanotechnische Verfahren kann dabei weitere, in der Galvanotechnik übliche Verfahrensschritte wie beispielsweise das Entfetten, Spülen und/ oder die Entfernung von Oberflächenoxiden umfassen.
Die dritte Schicht wird, sofern diese vorgesehen wird, bevorzugt mittels Tauchbeschichten aufgebracht. Dazu kann der Grundkörper, wie bereits oben beschrieben, beispielsweise durch Eintauchen in ein Bad von ge- schmolzenem Zinn feuerverzinnt werden. Auch kann die dritte Schicht bereits dadurch vorliegen, dass ein kommerziell erhältlicher Grundkörper aus feuerverzinntem Kupferblech verwendet wird. Alternativ kann auf die dritte Schicht auch verzichtet werden und die erste Schicht unmittelbar auf das Kupferblech des Grundkörpers aufgebracht werden.
Gemäß einer Weiterbildung des vorstehend beschriebenen Verfahrens kann nach dem Aufbringen der Schichten auf den Grundköper eine Wärmebehandlung durchgeführt werden, um die oben beschriebene zumindest teilweise Vermischung zwischen der ursprünglich aufgebrachten ersten, zweiten und gegebenenfalls dritten Schicht zu erreichen. Insbesondere kann bei einer derartigen Vermischung eine zinn- und zinkhaltige Legierung gebildet werden. Ebenfalls kann durch die Wärmebehandlung an der Grenze zwischen der Beschichtung und dem Kupferblech des Grundkörpers ein intermetallischer Phasenbereich ausgebildet werden.
Die Wärmebehandlung kann dazu in einem Temperaturbereich von 50 bis 350°C, bevorzugt von 80 bis 300°C, besonders bevorzugt von 200 bis 280°C, höchst bevorzugt von 220 bis 270°C und allerhöchst bevorzugt von 230 bis 250°C durchgeführt werden. Dabei wird die Temperatur nach dem Aufheizen bevorzugt über einen Zeitraum von 1 Sekunde bis 48 Stunden, besonders bevorzugt von 3 Sekunden bis 12 Stunden, noch weiter bevorzugt von 5 Sekunden bis 5 Minuten und höchst bevorzugt von 5 Sekunden bis 2 Minuten gehalten. Besonders bevorzugt wird die Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 200 bis 280 °C durchgeführt, welche für einen Zeitraum von 5 Sekunden bis 5 Minuten gehalten wird. Höchst bevorzugt wird die Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 220 bis 270 °C durchgeführt, welche für einen Zeitraum von 5 Sekunden bis 2 Minuten gehalten wird. Falls die Herstellung des elektrischen Kontaktelementes gemäß einem der vorstehend beschriebenen Verfahren eine Umformung des Grundkörpers erfordert, ist die Abfolge der Umformungsschritte und der Schritte zum Aufbringen der Beschichtung nicht besonders festgelegt. Beispielsweise kann das Verfahren die Schritte umfassen, dass der Grundkörper aus einem Kupferband ausgestanzt und zu einem Kontaktelement umgebogen wird, wobei zumindest eine Schicht der Beschichtung zwischen dem Ausstanzen und dem Umbiegen oder nach dem Umbiegen aufgebracht wird. Ebenso ist es möglich, die Wärmebehandlung nach dem Aufbringen der Schichten vor oder nach dem Umbiegen durchzuführen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem ein elektrisches Kontaktelement, das nach einem vorstehend beschriebenen Verfahren erhältlich ist, sowie eine Verbindungsleitung mit einer elektrischen Leitung und einem daran angebrachten elektrischen Kontaktelement der voranstehen beschriebenen Art.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand möglicher Ausführungsformen rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktelementes vor dem Anschluss einer elektrischen Leitung, eine perspektivische Ansicht des in Fig. 1 dargestellten Kontaktelementes mit einer daran angeschlossenen elektrischen Leitung, schematisch einen Anschlussabschnitt eines elektrischen Kontaktelementes mit einer erfindungsgemäßen Beschich- tung, schematisch den Anschlussabschnitt von Fig. 3 nach einer Wärmebehandlung, eine Längsschnittansicht eines Crimpflügels des Kontaktelements von Fig. 1 nach Aufbringung einer Zinnschicht, eine Längsschnittansicht des Crimpflügels von Fig. 5 nach Aufbringung einer Zinkschicht,
Fig. 7 eine Längsschnittansicht des Crimpflügels von Fig. 6 nach
Durchführung einer Wärmebehandlung und
Fig. 8 eine Längsschnittansicht durch die beschichteten und wärmebehandelten Crimpflügel von Fig. 2, die an der elektrischen Leitung anliegen. Fig. 1 und 2 zeigen ein elektrisches Kontaktelement 1 , welches einen Kontaktabschnitt 3 zur Kontaktierung eines komplementären Kontaktelementes und einen Anschlussabschnitt 5 zum Anschließen einer elektrischen Leitung 15 aufweist. Der Anschlussabschnitt 5 ist seinerseits in einen Crimpabschnitt 7 mit Crimpflügeln 9 und einen Halteabschnitt 1 1 mit Halteflügeln 13 unterteilt, welche zum Befestigen der elektrischen Leitung 15 vorgesehen sind. Hierzu werden die Crimpflügel 9 des Crimpabschnitts 7 an abisoliertes Leitermaterial 17 der elektrischen Leitung 15 gecrimpt, während die Halteflügel 13 des Halteabschnitts 1 1 an die Isolation 19 der elektrischen Leitung 15 gecrimpt werden (Fig. 2).
Der Anschlussabschnitt 5 ist aus einem Kupferblech 21 gebildet und mit einer Beschichtung 23 versehen, welche in Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Auf der Oberfläche des Kupferblechs 21 ist zunächst eine durch Feuerverzinnen aufgebrachte dritte Schicht 29 aus Zinn vorgesehen. Auf der dem Kupferblech 21 abgewandten Oberfläche der dritten Schicht 29 folgt eine galvanisch aufgebrachte erste Schicht 25 aus Zinn. Ferner liegt auf der dem Kupferblech 21 abgewandten Oberfläche der ersten Schicht 25 eine galvanisch aufgebrachte zweite Schicht 27 aus Zink vor, welche eine Außenschicht bildet.
Fig. 4 zeigt den Zustand der in Fig. 3 dargestellten Beschichtung 23 nach einer Wärmebehandlung. Aufgrund der Wärmebehandlung haben sich die ursprüngliche dritte Schicht 29, die ursprüngliche erste Schicht 25 und
die ursprüngliche zweite Schicht 27 zu einer modifizierten Schicht 31 vermischt, welche Zinn und Zink enthält. Vorhanden ist des Weiteren ein intermetallischer Phasenbereich 33 im Grenzbereich zwischen der modifizierten Schicht 31 und dem Kupferblech 21.
Nachfolgend wird die Herstellung eines Kontaktelementes 1 beschrieben:
Ein Kupferband, das aus Kupferblech 21 ausgestanzte Vorformlinge mit einer Feuerverzinnung (dritte Schicht 29) aufweist, welche durch Umbie- gen in die Form des elektrischen Kontaktelementes 1 gebracht werden können, wird vor dem Galvanisieren zunächst einer Vorbehandlung unterzogen. Dazu werden diejenigen Bereiche des Vorformlings, die den Anschlussabschnitt 5 bilden, nacheinander heißentfettet, gespült, elektrolytisch entfettet, gespült, von Oberflächenoxiden befreit und nochmals ge- spült.
Anschließend wird durch Elektroplattieren eine Zinnschicht als erste Schicht 25 auf den derart vorbehandelten Anschlussabschnitt 5 des feuerverzinnten Vorformlings galvanisch aufgebracht, wobei das Elektroplat- tieren für 15 Minuten bei Raumtemperatur und einer Stromdichte von 1 A/dm2 in einem wässrigen Bad durchgeführt wird, welches eine Zinnionenkonzentration von 80 g/L aufweist (z.B. mittels STANNOSTAR™ HMM 2 LF, fluoboratfreier matter Zinnelektrolyt der Firma Enthone) . Die somit erhaltene erste Schicht 25 aus Zinn weist eine Dicke von 7 um auf. Alter- nativ kann als erste Schicht 25 eine Zinnschicht aufgebracht werden, welche lediglich eine Dicke von 2 um aufweist. Hierzu wird das Verzinnen unter ansonsten gleichen Bedingungen für 5 Minuten durchgeführt.
Nach dem Verzinnen werden die die erste Schicht 25 aufweisenden Berei- che des Vorformlings gespült, von Oberflächenoxiden befreit und erneut
gespült, bevor durch Elektroplattieren eine zweite Schicht 27 aus Zink auf die erste Schicht 25 galvanisch aufgebracht wird. Konkret erfolgt dieses Verzinken für 3 Minuten bei Raumtemperatur und einer Stromdichte von 1 ,5 A/dm2 in einem wässrigen Bad, welches eine Zinkionenkonzentration von 160 g/L aufweist (z.B. mittels ENTHOBRITE saurer Zinkelektrolyt der Firma Enthone). Die somit erhaltene zweite Schicht 27 aus Zink weist eine Dicke von 1 um auf.
Nach dem Verzinken wird der Vorformling erneut gespült und für 3 Minu- ten bei 40°C getrocknet. Zur Fertigstellung des elektrischen Kontaktelementes 1 wird der Vorformling durch Stanzen von dem Kupferband getrennt und durch Umbiegen in seine endgültige Form gebracht.
Das auf diese Weise erhaltene Kontaktelement 1 kann nun durch Crimpen mit der elektrischen Leitung 15 verbunden werden.
Optional kann das Kontaktelement 1 zuvor noch einer Wärmebehandlung unterzogen werden, bei welcher das Kontaktelement 1 innerhalb von 2 Minuten auf 240°C erwärmt und für 1 Minute bei dieser Temperatur ge- halten wird, bevor man es wieder auf Raumtemperatur abkühlen lässt. Durch die Wärmebehandlung werden die ursprüngliche Feuerverzinnung (dritte Schicht 29), die ursprüngliche erste Schicht 25 und die ursprüngliche zweite Schicht 27 zu einer modifizierten Schicht 31 vermischt sowie der intermetallische Phasenbereich 33 im Grenzbereich zwischen der mo- difizierten Schicht 31 mit dem Kupferblech 21 gezielt ausgebildet (Fig. 4).
Bei der voranstehend beschriebenen Ausführungsform ist die durch die Trennung des Vorformlings von dem Kupferband entstehende Stanzkante 35 beschichtungsfrei und somit der Gefahr von Korrosion ausgesetzt. Um dies zu vermeiden, ist es alternativ möglich, den feuerverzinnten Vorform-
ling erst von dem Kupferband zu trennen und dann mit der Beschichtung 23 zu versehen.
Nach der Trennung des Vorformlings von dem Kupferband wird auf das feuerverzinnte Kupferblech 21 wie voranstehend beschrieben zunächst galvanisch eine erste Schicht 25 aus Zinn aufgebracht (Fig. 5). Anschließend wird das Kupferblech 21 galvanisch mit einer zweiten Schicht 27 aus Zink versehen (Fig. 6). Wegen der Feuerverzinnung des Kupferblechs 21 befindet sich unter der ersten Zinnschicht 25 zusätzlich eine dritte Zinnschicht 29, insbesondere im Bereich der zur Kontaktierung der elektrischen Leitung 15 vorgesehenen Kontaktfläche 37 des Kontaktelements 1 , nicht aber an der durch die Trennung des Vorformlings von dem Kupferband entstehenden Stanzkan- te 35. Im Bereich der Kontaktfläche 37 ist die Zinnschicht insgesamt also dicker als an der Stanzkante 35, d.h. im Bereich der Kontaktfläche 37 liegt ein höherer Anteil von Zinn vor als an der Stanzkante 35.
Nach dem Aufbringen der ersten und zweiten Schicht 25, 27 wird das Kontaktelement 1 einer Wärmebehandlung unterzogen, z.B. wie voranstehend beschrieben, durch welche sich die ursprüngliche dritte Schicht 29, die ursprüngliche erste Schicht 25 und die ursprüngliche zweite Schicht 27 zu einer modifizierten Schicht 31 vermischen, welche bereichsweise unterschiedliche Zinn-Zink-Mischungsverhältnisse aufweist (Fig. 7). Ins- besondere enthält die resultierende Beschichtung 23 an der Stanzkante 35 einen höheren Zinkanteil. Diese Zink-Zinn-Legierung 39 ist also besonders korrosionsbeständig. Im Bereich der Kontaktfläche 37, d.h. außerhalb der Stanzkante 35, enthält die Beschichtung 23 dagegen einen höheren Zinnanteil. Diese Zinn-Zink-Legierung 41 ist daher besonders leitfähig.
Fig. 8 zeigt eine Längsschnittansicht des Crimpabschnitts 7 des beschichteten Kontaktelements 1 im an die elektrische Leitung 15 angecrimpten Zustand. Die Zinn-Zink-Legierung 41 überdeckt den gesamten Crimpab- schnitt 7 mit Ausnahme von der Stanzkante 35, welche von der Zink- Zinn-Legierung 39 bedeckt wird. Die elektrische Leitung 15 ist von den Crimpflügeln 9 umschlossen. Die Zinn-Zink-Legierung 41 befindet sich zwischen der Kontaktfläche 37 des Crimpabschnitts 10 und der elektrischen Leitung 15, während die an die elektrische Leitung 15 angrenzende Stanzkante 35 durch die Zink-Zinn-Legierung 39 geschützt ist.
Bezugszeichenliste
1 Kontaktelement
3 Kontaktabschnitt
5 Anschlussabschnitt
7 Crimpabschnitt
9 Crimpflügel
1 1 Halteabschnitt
13 Halteflügel
15 elektrische Leitung
17 Leitermaterial
19 Isolation
21 Kupferblech
23 Beschichtung
25 erste Schicht
27 zweite Schicht
29 dritte Schicht
31 modifizierte Schicht
33 intermetallischer Phasenbereich
35 Stanzkante
37 Kontaktfläche
39 Zink-Zinn-Legierung
41 Zinn-Zink-Legierung
Claims
Elektrisches Kontaktelement (1) mit einem Anschlussabschnitt (5), welcher aus einem Kupferblech (21) gebildet ist und eine Beschich - tung (23) aufweist, die Zinn und Zink enthält.
Kontaktelement nach Anspruch 1 ,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Beschichtung (23) 50 bis 95 Gew.-% Zinn und ferner 5 bis 50 Gew.-% Zink enthält, wobei die Summe aus Zinn und Zink bevorzugt wenigstens 90 Gew.-% beträgt.
Kontaktelement (1) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Beschichtung (23) eine Gesamtdicke in einem Bereich von 1 bis
25 um aufweist.
Kontaktelement (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Beschichtung (23) umfasst: eine zweite Schicht (27), welche Zink enthält, und
eine erste Schicht (25), welche zwischen der zweiten Schicht (27) und dem Kupferblech (21) angeordnet ist und Zinn enthält.
Kontaktelement (1) nach Anspruch 4,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die erste Schicht (25) wenigstens 80 Gew.-% Zinn enthält.
Kontaktelement (1) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die erste Schicht (25) eine Dicke in einem Bereich von 1 bis 15 aufweist.
Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die zweite Schicht (27) wenigstens 80 Gew.-% Zink enthält.
Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die zweite Schicht (27) eine Dicke in einem Bereich von 0, 1 bis aufweist.
Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Beschichtung (23) ferner eine dritte Schicht (29) umfasst, welche zwischen der ersten Schicht (25) und dem Kupferblech (21) angeordnet ist und Zinn enthält.
Kontaktelement (1) nach Anspruch 9,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die dritte Schicht (29) wenigstens 80 Gew.-% Zinn enthält.
11. Kontaktelement (1) nach Anspruch 9 oder 10,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die dritte Schicht (29) eine Dicke in einem Bereich von 0,01 bis 5 um aufweist.
12. Kontaktelement nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die Beschichtung (23) einen Zinkgehalt in einem Bereich von 20 bis 35 Gew.-% und einen Zinngehalt in einem Bereich von 65 bis 80 Gew.-% aufweist, wobei die Summe von Zink und Zinn wenigstens 95 Gew.-% beträgt, und die Gesamtdicke der Beschichtung (23) in einem Bereich von 3 bis 10 um liegt.
13. Elektrisches Kontaktelement (1) aus Kupfer oder einer auf Kupfer basierenden Legierung mit einem Kontaktabschnitt (3) zum Kontaktieren eines komplementären Kontaktelements und mit einem Anschlussabschnitt (5) zum Anschließen des Kontaktelements (1) an eine elektrische Leitung (15), wobei der Anschlussabschnitt (5) zwei Bereiche umfasst, wobei ein erster Bereich eine Kontaktfläche (37) zur Kontaktierung der elektrischen Leitung ( 15) bildet und eine metallische Beschichtung (23) aus einer auf Zinn und Zink basierenden Legierung (41) aufweist, und wobei ein zweiter Bereich an den ersten Bereich angrenzt und mit einer metallischen Beschichtung (23) aus einer auf Zinn und Zink basierenden Legierung (39) verse-
hen ist, die sich von der Beschichtung des ersten Bereichs unterscheidet.
14. Kontaktelement (1) nach Anspruch 13,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der zweite Bereich durch eine an die Kontaktfläche (37) angrenzende Stanzkante (35) gebildet ist.
15. Kontaktelement (1) nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Beschichtung (23) im ersten Bereich einen höheren Zinngehalt aufweist als die Beschichtung (23) im zweiten Bereich.
16. Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Beschichtung (23) im zweiten Bereich einen höheren Zinkgehalt aufweist als die Beschichtung (23) im ersten Bereich.
17. Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Beschichtung (23) im ersten Bereich einen Zinngehalt im Bereich von 65% - 100% und einen Zinkgehalt im Bereich von 0% - 35% aufweist.
18. Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 17,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Beschichtung (23) im zweiten Bereich einen Zinngehalt im Bereich von 50% - 95% und einen Zinkgehalt im Bereich von 5% - 50% aufweist.
19. Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 18,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Schichtstärke der Beschichtung (23) im ersten Bereich im Bereich von 1 bis 10 um liegt und die Schichtstärke der Beschichtung (23) im zweiten Bereich im Bereich von 0, 1 bis 5um liegt.
20. Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 19,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Anschlussabschnitt (5) einen Crimpabschnitt (7) mit Crimpflü- geln (9) und einen Halteabschnitt (11) mit Halteflügeln (13) umfasst.
21. Kontaktelement (1) nach Anspruch 20,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
der Crimpabschnitt (7) zwischen zwei Halteabschnitten (11) entlang einer Achse angeordnet ist, um von entgegengesetzten Seiten kommende elektrische Leitungen (15) gemeinsam im Crimpabschnitt (7) zu befestigen und im Halteabschnitt (11) zu halten.
22. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktelementes (1) mit einer Beschichtung (23) , insbesondere nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend die Schritte:
Bereitstellen eines Grundkörpers aus, optional feuerverzinntem, Kupferblech (21),
Aufbringen einer ersten Schicht (25), welche Zinn enthält, auf den Grundkörper und
Aufbringen einer zweiten Schicht (27), welche Zink enthält, auf eine dem Grundkörper abgewandte Seite der ersten
Schicht (25).
23. Verfahren nach Anspruch 22,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
die Schichten (25, 27) jeweils mittels eines Verfahrens aufgebracht werden, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Galvanotechnik, Bedampfen, Sputtern, Tauchbeschichten, Sprühbeschichten und beliebigen Kombinationen der vorstehend genannten Verfahren besteht.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass
nach dem Aufbringen der Schichten (25, 27) eine Wärmebehandlung durchgeführt wird.
Verbindungsleitung mit einer elektrischen Leitung ( 15) und einem daran angebrachten elektrischen Kontaktelement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21.
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