Trägerwerkstoffe
Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Kontaktsystemen in Schaltgeräten sowie elektromechanischen und elektronischen Bauelementen hängen häufig nicht allein vom eingesetzten Kontaktwerkstoff ab. Auch die Wahl des geeigneten Trägerwerkstoffes spielt eine entscheidende Rolle.
Als Trägermaterialien haben Werkstoffe auf Kupferbasis die größte Bedeutung. Je nach Anwendung kommen auch Werkstoffe auf Nickelbasis oder Mehrschicht- Verbundwerkstoffe, z.B. Thermobimetalle zum Einsatz. Für spezielle Anwendungen in der Mittel- und Hochspannungstechnik sowie für Kontaktfedern und Schnappscheiben in der Informationstechnik werden Werkstoffe auf Eisenbasis berücksichtigt, die aber im Rahmen dieses Datenbuches nicht behandelt werden.
Die Anforderungen, die an die Trägerwerkstoffe gestellt werden, sind entsprechend ihres unterschiedlichen Einsatzes vielfältig. So werden von Kupferwerkstoffen, neben einer hohen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit, gute Festigkeitseigenschaften auch bei erhöhten Temperaturen sowie eine ausreichend hohe Korrosionsbeständigkeit verlangt. Werden die Trägerwerkstoffe als Kontaktfedern eingesetzt, so muss der Werkstoff noch zusätzlich gute Federeigenschaften aufweisen. Daneben sind je nach Fertigungsprozess auch eine Reihe technologischer Eigenschaften, wie gute Warm- und Kaltumformbarkeit, spanende Formbarkeit, Stanzbarkeit, Schweiß- und Lötbarkeit sowie Galvanisierbarkeit, zu nennen.
Contents
- 1 Kupfer und Kupfer-Legierungen
- 1.1 Übersicht über Normen
- 1.2 Reines Kupfer
- 1.3 Niedriglegierte Kupfer-Werkstoffe
- 1.4 Naturharte Kupfer-Legierungen
- 1.5 Sonstige naturharte Kupfer-Legierungen
- 1.6 Aushärtbare Kupfer-Legierungen
- 1.7 Kenngrößen zur Bewertung der Eigenschaften von Kupfer-Legierungen
- 1.8 Vergleichende Bewertung der Kupfer-Werkstoffe
- 2 Nickel und Nickel-Legierungen
- 3 Dreischicht-Trägerbänder
- 4 Thermobimetalle
- 5 Kommentare
- 6 Referenzen
Kupfer und Kupfer-Legierungen
Übersicht über Normen
Werkstoffe aus Kupfer und Kupferlegierungen, die für den Einsatz in der Elektrotechnik und Elektronik vorgesehen sind, werden i.d.R. in Normen festgelegt. Nach DIN genormte Werkstoffe werden durch Kurzzeichen und Werkstoffnummer beschrieben. In den europäischen Normen (EN) sind die Werkstoffe den aus ihnen hergestellten Produkten zugeordnet und ebenfalls durch Kurzzeichen und Werkstoffnummer gekennzeichnet. Zum Vergleich werden auch die Werkstoffbezeichnungen nach UNS (Unified Numbering System (USA)) angeführt (Table 1).
Die für den Bereich elektrischer Kontakte wichtigen EN-Normen sowie entsprechende ASTM (American Society for Testing and Materials)-Normen für Walzflacherzeugnisse aus Kupfer und Kupferlegierungen sind:
Normbezeichnung | Beschreibung |
---|---|
DIN EN 1652 | Kupfer und Kupferlegierungen in Platten, Blechen, Bändern, Streifen und Ronden zur allgemeinen Verwendung |
DIN EN 1654 | Kupfer und Kupferlegierungen für Federn und Steckverbinder |
DIN EN 1758 | Kupfer und Kupferlegierungen als Bänder für Systemträger |
ASTM B 103/B103M-10 | Spec. for Phosphor Bronce Plate, Sheet, Strip, and Rolled Bar |
ASTM B 36/B36M-95 | Spec. for Brass Plate, Sheet, Strip, and Rolled Bar |
ASTM B 122/B122M-08 | Spec. for CuNiSn-, CuNiZn-, and CuNi-Alloy |
ASTM B 465-09 | Spec. for Copper-Iron-Alloy Plate, Sheet, and Strip |
ASTM B 194-08 | Standard Spec. for CuBe-Alloy Plate, Sheet, Strip and Rolled Bar |
ASTM B 534-07 | Sec. for CuCoBe-Alloy and CuNiBe-Alloy Plate, Sheet, Strip, and Rolled Bar |
Die oben angeführten EN-Normen ersetzen teilweise oder vollständig die DIN-Normen: DIN 1777, DIN 17670, DIN 1751, DIN 1791
Reines Kupfer
Kupfer wird in der Elektrotechnik vor allem wegen seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit[1] eingesetzt, die mit 58 MS/m nur wenig unter der des Silbers liegt. Weitere Vorzüge des Kupfers sind seine hohe Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und seine gute Umformbarkeit. Das Verfestigungsverhalten von Cu-ETP ist in Figure 1 dargestellt. Die durch Kaltumformung erreichte Verfestigung kann durch eine nachfolgende Wärmebehandlung wieder aufgehoben werden. Dabei hängt das Erweichungsverhalten stark vom Zustand der Kaltumformung ab (Figure 2 und Figure 3).
Die Reinheit des für elektrische Zwecke verwendeten technisch reinen, unlegierten Kupfers liegt je nach Kupfersorte bei > 99,90 bzw. 99,95 Massen-%. Die unterteilt in sauerstoffhaltige, sauerstofffreie und mit Phosphor desoxidierten Kupfersorten sind in DIN EN 1652 festgelegt (Table 1 und Table 2). Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften einiger Reinkupfersorten sind in (Table 3 und Table 4) aufgeführt. Demnach sind Cu-ETP, Cu-OF und Cu-HCP Kupfersorten, bei denen bestimmte Mindestwerte für die elektrische Leitfähigkeit garantiert werden.
Cu-ETP eignet sich wegen seines Sauerstoffanteils nicht zum Schweißen oder Hartlöten in reduzierender Atmosphäre (Gefahr der Wasserstoffkrankheit).
Cu-HCP, Cu-DLP und Cu-DHP sind sauerstofffreie, mit unterschiedlichen Phosphorgehalten desoxidierte Kupfersorten. Mit zunehmendem Phosphorgehalt sinkt die elektrische Leitfähigkeit. Cu-OF ist sowohl frei von Sauerstoff als auch von Desoxidationsmittel.
Werkstoffbezeichnung EN-Kurzzeichen | EN-Nummer | DIN-Kurzzeichen | DIN-Nummer | UNS |
---|---|---|---|---|
Cu-ETP | CW004A | E-Cu 58 | 2.0065 | C11000 |
Cu-OF | CW008A | OF-Cu | 2.0040 | C10200 |
Cu-HCP | CW021A | SE-Cu | 2.0070 | C10300 |
Cu-DLP | CW023A | SW-Cu | 2.0076 | C12000 |
Cu-DHP | CW024A | F-Cu | 2.0090 | C12200 |
Werkstoff | Zusammensetzung Massenanteile [%] | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
EN Kurzzeichen | Cu | Bi | O | P | Pb | Sonstige |
Cu-ETP | >99.90 | bis 0.0005 | bis 0.040 | bis 0.005 | bis 0.03 | |
Cu-OF | >99.95 | bis 0.0005 | bis 0.005 | bis 0.03 | ||
Cu-HCP | >99.90 | ca. 0.003 | ||||
Cu-DLP | >99.90 | bis 0.005 | 0.005-0.013 | bis 0.005 | bis 0.03 | |
Cu-DHP | >99.90 | 0.015-0.040 |
Werkstoffbezeichnung | Dichte | Elektr. Leitfähigkeit | Elektr. Widerstand | Wärmeleitfähigkei |
Coeff. of Lin. Ausdehnungskoeffizient |
E-Moduls of Erweichungstemp. (ca.10% Festigkeitsabfall) | Schmelztemperatur | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
EN-Kurzzeichen |
[g/cm³] | [MS/m] | [% IACS] | [μΩ· cm] | [W/(m· K)] | [10-6/K] | [GPa] | [°C] | [°C] |
Cu-ETP | 8.94 |
≥58 | 100 | 1.72 | 390 | 17.7 | 127 | ca. 220 | 1083 |
Cu-OF | 8.94 | ≥58 | 100 | 1.72 | 394 | 17.7 | 127 | ca. 220 | 1083 |
Cu-HCP | 8.94 | ≥54 | 93 | 1.85 | 380 | 17.7 | 127 | ca. 220 | 1083 |
Cu-DLP | 8.94 | 52 | 90 | 1.92 | 350 | 17.7 | 132 | ca. 220 | 1083 |
Cu-DHP | 8.94 | ≥46 | 80 | 2.17 | 310 | 17.6 | 132 | ca. 220 | 1083 |
Werkstoff | Zustand | Zugfestigkeit Rm [MPa] | 0,2% Dehngrenze Rp0,2 [MPa] | Bruchdehnung A50 [ %] | Härte HV |
---|---|---|---|---|---|
Cu-ETP Cu-OF Cu-HCP Cu-DLP Cu-DHP |
R220 | 220 - 260 | ≤140 | ≥33 | 40 - 65 |
R240 | 240 - 300 | ≥180 | ≥8 | 65 - 95 | |
R290 | 290 - 360 | ≥250 | ≥4 | 90 - 110 | |
R360 | ≥360 | ≥320 | ≥2 | ≥110 |
Niedriglegierte Kupfer-Werkstoffe
Die niedriglegierten Kupferwerkstoffe kommen in ihren Eigenschaften dem reinen Kupfer am nächsten. Durch gezielte Zugabe kleiner Mengen von Legierungselementen gelingt es, die Festigkeit und vor allem die Erweichungstemperatur des Kupfers zu erhöhen, wobei die elektrische Leitfähigkeit nur wenig verringert wird (Figure 4). Als Legierungselemente kommen z.B. Silber, Eisen, Zinn, Zink, Nickel, Chrom, Zirkon, Silizium und Titan zum Einsatz. Der Anteil der zulegierten Komponente liegt meist deutlich unter 3 Massen-%. Zu dieser Werkstoffgruppe sind sowohl mischkristall- als auch ausscheidungshärtende Legierungen zu zählen. Auf die aushärtbaren Kupfer-Beryllium- und Kupfer-Chrom-Zirkon-Werkstoffe wird später eingegangen.
Aus der großen Zahl der angebotenen niedriglegierten Kupferwerkstoffe können hier nur wenige herausgegriffen und ihre Eigenschaften aufgelistet werden (Table 5 und Table 6). Einige dieser Werkstoffe sind nicht in der EN enthalten.
Die niedriglegierten Kupferwerkstoffe CuAg0,1 und CuCd1 kommen vor allem als Fahrdrähte von Oberleitungen zum Einsatz, wo sie Dauerbelastungen bei erhöhten Temperaturen ohne Erweichung standhalten müssen.
Die Werkstoffe CuFe0,1 und CuSn0,15 zeichnen sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit aus. Die Festigkeitswerte beider Werkstoffe sind zwar verhältnismäßig niedrig, bleiben jedoch bei kurzzeitiger Wämeeinwirkung bis ca. 400°C nahezu unverändert. Sie werden als Systemträger für Halbleiterbauelemente aber auch als Trägerteile für Festkontakte in Schaltgeräten der Energietechnik verwendet.
CuFe2P ist ein Kupferwerkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und guter Kaltumformbarkeit. Bei einer Anlassbehandlung treten eisenreiche Ausscheidungen im " -Kupfer auf, die die mechanischen Eigenschaften nur wenig, die elektrische Leitfähigkeit jedoch deutlich verbessern. Neben dem Einsatz als Kontaktträgerwerkstoff in Schaltgeräten hat CuFe2P breite Anwendung in Steckverbindern der Kfz-Technik und als Systemträger in der Halbleitertechnik gefunden.
Der Werkstoff CuNi2Si weist eine hohe Festigkeit und sehr gute Biegbarkeit bei guter elektrischer Leitfähigkeit auf. Dieses Eigenschaftsspektrum wird durch eine gezielte, feinverteilte Ausscheidung von Nickel-Siliziden erreicht. CuNi2Si kommt in Form von Stanz-Biegeteilen in thermisch hoch beanspruchten elektromechanischen Bauelementen vor allem in der Kfz-Technik zum Einsatz.
CuSn1CrNiTi und CuCrSiTi sind Weiterentwicklungen von Kupferwerkstoffen im Ausscheidungssystem Cu-Cr-Ti mit feinverteilten intermetallischen Ausscheidungen. Zu dieser Gruppe ist auch der Werkstoff CuNi1Co1Si zu zählen, der ein Eigenschaftsprofil ähnlich dem der niedrig legierten CuBe-Legierungen erreicht.
Werkstoff Bezeichnung EN UNS |
Zusammensetzung | Dichte [g/cm3] |
Elektr. Leitfähigkeit | Elektr. Widerstand [μΩ·cm] |
Wärmeleitfähigkeit [W/(m·K)] |
Lin. Ausdehnungskoeff. [10-6/K] |
E-Modul [GPa] |
Erweichungstemperatur (ca. 10% Festigkeitsabfall) [°C] |
Schmelzbereich [°C] | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[MS/m] | [% IACS] | |||||||||
CuAg 0,1 CW 013A |
Ag 0.08-0.12 Cu Rest |
8.89 | 56 | 97 | 1.8 | 380 | 17.7 | 126 | 1082 | |
CuFe0,1P nicht genormt C19210 |
Fe 0.05-0.015 P 0.025-0.04 Cu Rest |
8.89 | 53 | 91 | 1.9 | 350 | 17.0 | 130 | ca. 280 | 1080 |
CuSn0,15 CW117C C14415 |
Sn 0.1-0.15 Zn 0.1 Cu Rest |
8.93 | 51 | 88 | 2.0 | 350 | 18.0 | 130 | ca. 280 | 1060 |
CuFe2P CW107C C19400 |
Fe 2.1-2.6 P 0.015-0.15 Zn 0.05-0.2 Cu Rest |
8.91 | 37 | 64 | 2.7 | 260 | 17.6 | 125 | ca. 380 | 1084 - 1090 |
CuNi2Si CW111C C70260 |
Ni 1.6-2.5 Si 0.4-0.8 Fe 0.2 Cu Rest |
8.80 | 23 | 40 | 4.3 | 200 | 17.0 | 130 | ca. 430 | |
CuSn1CrNiTi nicht genormt C18090 |
Sn 0.6 Ni 0.4 Cr 0.3 Ti 0.3 Cu Rest |
8.87 | 35 | 60 | 2.9 | 240 | 17.6 | 133 | ca. 480 | 1025 - 1074 |
CuNi1Co1Si nicht genormt C70350 |
Ni 1.5 Co 1.1 Si 0.6 Cu Rest |
8.82 | 29 | 50 | 3.4 | 200 | 17.6 | 131 | ca. 400 | |
CuCrSiTi nicht genormt C18070 |
Cr 0.3 Ti 0.1 Si 0.02 Cu Rest |
8.88 | 45 | 78 | 2.2 | 310 | 18.0 | 138 | ca. 430 |
Werkstoff | Zustand | Zugfestigkeit Rm [MPa] |
0,2% Dehngrenze Rp02 [MPa] |
Bruchdehnung A50 [%] |
Vickershärte HV |
Biegeradius1) min senkrecht zur Walzrichtung |
Biegeradius1) min parallel zur Walzrichtung |
Federbiegegrenze Limit σFB [MPa] |
Biegewechselfestigkeit Limit σBW [MPa] |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
CuAg0,10 | R 200 R 360 |
200 - 250 360 |
120 320 |
> 40 > 3 |
40 90 |
0 x t 0.5 x t |
0 x t 0.5 x t |
240 | 120 |
CuFe0,1P | R 300 R 360 R 420 |
300 - 380 360 - 440 420 - 500 |
> 260 > 300 > 350 |
> 10 > 3 > 2 |
80 - 110 110 - 130 120 - 150 |
0 x t 0.5 x t 1.5 x t |
0 x t 0.5 x t 1.5 x t |
250 | 160 |
CuSn0,15 | R 250 R 300 R 360 R 420 |
250 - 320 300 - 370 360 - 430 420 - 490 |
> 200 > 250 > 300 > 350 |
> 9 > 4 > 3 > 2 |
60 - 90 85 - 110 105 - 130 120 - 140 |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 0 x t 1 x t |
250 | 160 |
CuFe2P | R 370 R 420 R 470 R 520 |
370 - 430 420 - 480 470 - 530 520 - 580 |
> 300 > 380 > 430 > 470 |
> 6 > 4 > 4 > 3 |
115 - 135 130 - 150 140 - 160 150 - 170 |
0 x t 0.5 x t 0.5 x t 1 x t |
0 x t 0.5 x t 0.5 x t 1 x t |
340 | 200 |
CuNi2Si | R 430 R 510 R 600 |
430 - 520 510 - 600 600 - 680 |
> 350 > 450 > 550 |
> 10 > 7 > 5 |
125 - 155 150 - 180 180 - 210 |
0 x t 0 x t 1 x t |
0 x t 0 x t 1 x t |
500 | 230 |
CuSn1CrNiTi | R 450 R 540 R 620 |
450 - 550 540 - 620 620 - 700 |
> 350 > 450 > 520 |
> 9 > 6 > 3 |
130 - 170 160 - 200 180 - 220 |
0.5 x t 1 x t 3 x t |
0.5 x t 2 x t 6 x t |
530 | 250 |
CuNi1Co1Si | R 800 R 850 |
> 800 > 850 |
> 760 > 830 |
> 4 > 1 |
> 260 > 275 |
0.5 x t 1.5 x t |
1.5 x t 2.5 x t |
||
CuCrSiTi | R 400 R 460 R 530 |
400 - 480 460 - 540 530 - 610 |
> 300 > 370 > 460 |
> 8 > 5 > 2 |
120 - 150 140 - 170 150 - 190 |
0 x t 0.5 x t 1 x t |
0 x t 0.5 x t 1 x t |
400 | 220 |
1) t: Banddicke max 0,5 mm
Diese neueren Kupfer-Werkstoffe zeichnen sich durch eine Optimierung von Eigenschaften, wie elektrische Leitfähigkeit, Festigkeit und Relaxation aus, die der jeweiligen Anwendung angepasst sind. Typische Anwendungen sind Kontaktfedern für Relais, Schalter und Steckverbinder.
Naturharte Kupfer-Legierungen
Legierungen wie Messinge (CuZn), Zinnbronzen (CuSn) und Neusilber (CuNiZn), bei denen die gewünschte Festigkeit durch Kaltumformung erzeugt wird, werden als naturharte Legierungen bezeichnet. Zu dieser Gruppe sind auch die Silberbronzen mit Silbergehalten von 2 bis 6 Massen-% zu zählen.
siehe Artikel: Naturharte Kupfer-Legierungen
Sonstige naturharte Kupfer-Legierungen
siehe Artikel: Sonstige naturharte Kupfer-Legierungen
Aushärtbare Kupfer-Legierungen
Neben den naturharten Kupferwerkstoffen spielen aushärtbare Kupferlegierungen als Trägerwerkstoffe für elektrische Kontakte eine wichtige Rolle. Bei den aushärtbaren Legierungen können durch eine geeignete Wärmebehandlung fein verteilte Ausscheidungen einer zweiten Phase erzeugt werden, die die Festigkeit des Werkstoffes deutlich erhöhen.
siehe Artikel: Aushärtbare Kupfer-Legierungen
Kenngrößen zur Bewertung der Eigenschaften von Kupfer-Legierungen
Für federnd beanspruchte Bauelemente stellen neben Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit vor allem die typischen Federeigenschaften, wie Federbiegegrenze und Biegewechselfestigkeit sowie die Biegbarkeit wichtige Kenngrößen dar. Bei höherer thermischer Beanspruchung wird das Verhalten der Federwerkstoffe durch Entfestigung und Relaxation bestimmt. Im folgenden sollen diese Kenngrößen kurz beschrieben werden.
siehe Artikel: Kenngrößen zur Bewertung der Eigenschaften von Kupfer-Legierungen
Vergleichende Bewertung der Kupfer-Werkstoffe
Die Auswahl des optimalen Kupferwerkstoffes aus der breiten Werkstoffpalette sollte sich am jeweiligen Anwendungsfall orientieren. Zweckmäßigerweise wird zunächst ein Anforderungsprofil erstellt, aus dem die erforderlichen Werkstoffeigenschaften abgeleitet werden können. Es gibt jedoch keinen Kupferwerkstoff, der alle Anforderungen gleich gut erfüllt. Es muss stets ein Kompromiss z.B. zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Federeigenschaften gefunden werden.
Steht allein die Stromübertragung im Vordergrund und kann auf gute mechanische Eigenschaften weitgehend verzichtet werden, z.B. bei Trägerteilen für Festkontakte, so kommen je nach Höhe des Stromes Kupfer, niedriglegierte Kupferwerkstoffe z.B. CuSn0,15 oder aus Preisgründen Messing (CuZn30) als Werkstoff in Frage.
Bei Federelementen sind für die Wahl des Trägerwerkstoffes die Wechselbeziehungen zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Biegewechselfestigkeit bzw. elektrischer Leitfähigkeit und Spannungsrelaxation von besonderem Interesse. Der erstere Fall tritt bei elektrisch hochbelasteten Relaisfedern auf. Hierbei spielt z.B. CuAg2 eine wichtige Rolle. Der zweite betrifft Trägerelemente, die unter mechanischer Dauerbelastung stehen, z.B. Steckverbinder. Die Federkraft muss über die gesamte Lebensdauer trotz erhöhter Umgebungstemperaturen und Stromerwärmung möglichst konstant sein. In diesem Fall muss die Relaxationsneigung der Kupferwerkstoffe, die zu einem allmählichen Abbau der Kontaktkraft führt, berücksichtigt werden. Daneben muss ein problemloser formgebender Fertigungsprozess gewährleistet sein, d.h. Biegeoperationen müssen auch bei hohen Festigkeitswerten durchführbar sein.
Die gestiegenen Anforderungen an die Federelemente für Steckverbinder vor allem beim Einsatz im Kfz, d.h. höhere Umgebungstemperatur, erhöhte Anforderungen an die Zuverlässigkeit und der Trend zur Miniaturisierung führten zu einem Generationswechsel bei den Werkstoffen, nämlich von CuZn30 und CuSn4 z.B. zu den CuNiSi-Legierungen. Diese CuNiSi-Legierungen und die neuen Kupfer-Hochleistungslegierungen wie CuNi1Co1 sind gegenüber den traditionellen Werkstoffen hinsichtlich Festigkeit, Relaxationsverhalten und elektrischer Leitfähigkeit deutlich verbessert.
Nickel und Nickel-Legierungen
Technisch reines Nickel
Technisch reines Nickel enhält üblicherweise 99,0 bis 99,8 Massen-% Ni und bis zu 1 Massen-% Co. Weitere Beimengungen sind Fe und Mn (Table 7 und Table 8). Verfestigungs- und Erweichungsverhalten von Nickel sind in den Bildern Figs. 5 – 6 dargestellt.
Bei den physikalischen Eigenschaften von Nickel ist vor allem der Elastizitätsmodul hervorzuheben, der nahezu doppelt so hoch ist wie der des Kupfers. Bei Temperaturen bis 345°C ist Nickel ferromagnetisch. Nickel zeichnet sich durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus, ist sehr duktil und gut schweiß- und plattierbar. Es hat daher eine große Bedeutung als Basiswerkstoff für mehrschichtige Kontaktprofile. Eine weitere wichtige Funktion erfüllt Nickel bei dünnen Plattierungen, wo es als Zwischenschicht Diffusionsvorgänge zwischen kupferhaltigen Trägerwerkstoffen und Kontaktwerkstoffen auf Gold- und Palladiumbasis wirksam behindert.
Figure 5 Verfestigungsverhalten von techn. reinem Nickel durch Kaltumformung
Figure 6 Erweichungsverhalten von techn. reinem Nickel nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 50%
Nickel-Legierungen
NiCu30Fe ist wegen seiner geringen elektrischen Leitfähigkeit neben Ni und den CuNi-Legierungen der meist verwendete Werkstoff für gut schweißbare Kontaktunterlagen. Durch Zusätze von Fe (ca. 1 bis 2 Massen-%) sowie Mn und Co (jeweils 0,5 bis 1 Massen-%) kann die Festigkeit der binären NiCu30- Legierung gesteigert werden.
Die Festigkeitswerte von NiCu30Fe liegen deutlich über denen kupferreicher CuNi-Legierungen (Figs. 7 – 8). Aufgrund der guten Federeigenschaften und hohen Warmfestigkeit kommt NiCu30Fe vor allem für thermisch beanspruchte Federn zum Einsatz.
Figure 7 Verfestigungsverhalten von NiCu30Fe durch Kaltumformung
Figure 8 Erweichungsverhalten von NiCu30Fe nach 0,5 h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%
Werkstoff Bezeichnung WST-Nr. EN UNS |
Zusammensetzung [Massen-%] |
Dichte [g/cm3] |
Elektr. Leitfähigkeit | Elektr. Widerstand [μΩ·cm] |
Wärmeleitfähigkeit [W/(m·K)] |
Lin. Ausdehnungskoeff. [10-6/K] |
E-Modul [GPa] |
Erweichungstemperatur (ca. 10% Festigkeitsabfall) [°C] |
Schmelzbereich [°C] | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
[MS/m] | [% IACS] | |||||||||
Ni 99,2 2.4066 17740 N02200 |
Mn < 0.35 Cu < 0.25 Si < 0.25 Fe < 0.4 C < 0.01 Ni > 99.2 |
8.9 | 11 | 19 | 9.0 | 70,5 | 13.0 | 207 | ca. 450 | 1140 |
NiCu30Fe 2.4360 17743 N04400 |
Cu 28 - 34 Fe 1 - 2.5 Ni Rest Be 1.85 - 2.05 |
8.8 | 2.1 | 3.6 | 48.0 | 22 | 14.0 | 185 | ca. 420 | 1300 - 1350 |
NiBe2 N03360 |
Ti 0.4 - 0.6 Ni Rest |
8.3 | 5.0a | 8.6 | 0.2a | 48 | 14.4 | 210 | 1380 |
alösungsgeglüht und ausgehärtet
Werkstoff | Zustand | Zugfestigkeit Rm [MPa] |
0,2% Dehngrenze Rp02 [MPa] |
Bruchdehnung A50 [%] |
Vickershärte HV |
Federbiegegrenze σFB [MPa] |
Biegewechselfestigkeit σBW [MPa] |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Ni99,2 | R 380 | ≥ 380 | ≥ 100 | ≥ 40 | ≥ 100 | ||
NiCu30Fe | R 400 R 700 |
400 - 600 700 - 850 |
≥ 160 ≥ 600 |
≥ 30 ≥ 4 |
95 - 125 200 - 240 |
||
NiBe2 | R 700a R 1300a R 1500b R 1900b R 1800c |
≥ 700 ≥ 1300 ≥ 1500 ≥ 1900 ≥ 1800 |
≥ 300 ≥ 1200 ≥ 1100 ≥ 1750 ≥ 1700 |
≥ 30 ≥ 1 ≥ 12 ≥ 1 ≥ 5 |
≥ 170 ≥ 370 ≥ 450 ≥ 520 ≥ 500 |
≥ 1400 |
≥ 400 |
alösungsgeglüht und kaltumgeformt
blösungsgeglüht, kaltumgeformt und ausscheidungsgehärtet
clösungsgeglüht, kaltumgeformt und ausscheidungsgehärtet im Werk (werksvergütet)
Nickel-Beryllium-Legierungen
Durch die mit sinkender Temperatur abnehmende Löslichkeit des Berylliums im Nickel ist bei NiBe, ähnlich wie bei CuBe, die Möglichkeit zur Ausscheidungshärtung gegeben Figure 9. Die maximale Löslichkeit von Beryllium in Nickel beträgt 2,7 Massen-% bei einer eutektischen Temperatur von 1150°C. Um die durch Ausscheidungshärtung erzielbaren hohen Festigkeitswerte zu erreichen, wird NiBe, ähnlich CuBe, bei 970 bis 1030°C wärmebehandelt („lösungsgeglüht“) und anschließend rasch auf Raumtemperatur abgekühlt („abgeschreckt“). Weichgeglühtes Material ist gut kaltbildsam. Nach der Formgebung schließt sich die Anlassbehandlung an (1 bis 2h bei 480 bis 500°C).
Handelsübliche Nickel-Beryllium-Legierungen enthalten 2 Massen-% Be. Verglichen mit CuBe2 weist NiBe2 einen deutlich höheren Elastizitätsmodul, aber eine wesentlich geringere elektrische Leitfähigkeit auf. Die durch Ausscheidungshärtung erzielten Festigkeitswerte übertreffen die von CuBe2 Figure 10. Die Federbiegegrenze erreicht Werte bis über 1400 MPa, die Biegewechselfestigkeit bis ca. 400 MPa.
Besonders hervorzuheben ist die sehr hohe Warmfestigkeit von NiBe2. Bei kaltverfestigtem und anschließend ausgehärtetem NiBe2 beträgt die maximal zulässige Dauertemperatur je nach Vorbehandlung 400 bis 650°C.
Ähnlich wie bei CuBe sind NiBe-Legierungen als aushärtbare Werkstoffe in verschiedenen Festigkeitszuständen, auch „werksvergütet“ erhältlich.
Nickel-Beryllium-Legierungen bieten sich für mechanisch und thermisch besonders hoch beanspruchte Federn an. Für manche Anwendungen ist auch ihr ferromagnetisches Verhalten von Vorteil.
Dreischicht-Trägerbänder
Die Herstellung dieser Bänder erfolgt üblicherweise durch Kaltwalzplattieren. Die drei Werkstoff-Komponenten überdecken sich vollständig. Vorteile dieser Verbundwerkstoffgruppe sind, die unterschiedlichen mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Komponenten miteinander zu verbinden.
Je nach Anwendung und den technischen Anforderungen werden unterschiedliche Schichtsysteme eingesetzt:
- Conduflex N
CuSn6 - Cu - CuSn6
Die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die hohe Stromtragfähigkeit des Kupfers wird mit den sehr guten Federeigenschaften der Zinnbronze kombiniert. Conduflex N-Bänder werden in einem Bereich der Dicke von 0,1-1,5mm und einer maximalen Breite von 140 mm verarbeitet.
- Cu - FeNi36 (Invar) - Cu
Die hohe elektrische Leitfähigkeit und Duktilität des Kupfers wird mit dem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Invar-Legierung verknüpft. Die Abmessungen bezüglich Banddicke liegen im Bereich 0,2 - 1,8 mm, die maximale Breite beträgt 140 mm.
- Cu-Fe oder Stahl-Cu
Die hohe elektrische Leitfähigkeit und die sehr guten Lichtbogenlaufeigenschaften des Kupfers werden mit den mechanischen und magnetischen Eigenschaften von Eisen oder Stahl kombiniert. Die Abmessungen entsprechen denen des Systems Cu-Invar-Cu.
Das Dickenverhältnis der Komponenten kann individuell gewählt werden und richtet sich nach den technischen Anforderungen. Die beiden Außenkomponenten besitzen meist die gleiche Dicke.
Thermobimetalle
Thermobimetalle sind Verbundwerkstoffe, die aus zwei oder drei Schichten mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Sie sind üblicherweise durch Walzplattieren fest miteinander verbunden. Wird ein solches Thermobimetall direkt, z.B. durch Stromfluss, oder indirekt, z.B. durch Wärmeleitung oder -strahlung, erwärmt, verursacht die unterschiedliche Ausdehnung von aktiver (größere Ausdehnung) und passiver ( geringere Ausdehnung) Komponente eine Krümmung.
Wegänderung oder Kraftwirkung am freien Ende des Thermobimetalles werden als Auslöse- und Stellglieder in Thermostaten, Schutzschaltern sowie Steuerund Regelkreisen genutzt. Entsprechend der gewünschten Wirkungsweise des Thermobimetalles kommen verschiedene Formteile zum Einsatz:
- Gerade oder U-förmige Streifen für nahezu geradlinige Bewegungen.
- Kreisförmige Scheiben für kleine geradlinige Bewegungen verbunden mit einer hohen Richtkraft.
- Spiralen und Wendeln für Kreisbewegungen.
- Formstanzteile für spezielle Anwendungen.
Die Vielzahl der Thermobimetall-Typen ist größtenteils nach DIN 1715 oder/und ASTM Standard spezifiziert Table 9. Die einzelnen Typen unterscheiden sich dabei hinsichtlich der Werkstoffzusammensetzung von aktiver und passiver Komponente. Zum Einsatz kommen vor allem Eisen-Nickel- sowie Mangan-Kupfer- Nickel-Legierungen. Weiterhin sind hauptsächlich in verschiedenen Schutzschaltern Thermobimetalle mit Zwischenlagen aus Kupfer oder Nickel gebräuchlich, die eine Abstufung des spezifischen elektrischen Widerstandes ermöglichen.
Bezeichnung DIN 1715 |
Bezeichnung ASTM |
Spez. thermische Ausbiegung [106/K] |
Spez. elektr. Widerstand k [μΩ·m] |
Übliche Awendungsbereiche [°C] |
Anwendungsgrenze [°C] |
Aufbau |
---|---|---|---|---|---|---|
TB 20110 TB 1577A TB1170A |
TM 2 TM 8 TM 1 TM 3 TM 4 |
21.1 15.3 15.5 14.2 11.7 10.6 8.5 |
1.12 1.41 0.79 0.78 0.70 0.71 0.66 |
- 70 – + 260 - 70 – + 260 - 70 – + 370 - 70 – + 370 - 70 – + 425 - 70 – + 480 - 70 – + 425 |
350 350 450 450 480 540 540 |
zwei Komponenten |
TB 1517 TB 1511 TB 1303 TB 1109 |
TM 28 TM 26 TM 25 TM 24 |
14.9 14.9 14.3 13.9 13.2 13.1 12.3 11.5 |
0.17 0.11 0.15 0.08 0.03 0.05 0.03 0.09 |
- 70 – + 260 - 70 – + 260 - 70 – + 315 - 70 – + 315 - 70 – + 260 - 70 – + 315 - 70 – + 315 - 70 – + 380 |
400 400 350 350 300 350 350 400 |
drei Komponenten Cu-Zwischenschicht |
TB 1555 TB 1435 TB 1425 |
TM 17 TM 15 TM 13 TM 11 TM 9 |
15.0 14.8 14.2 14.1 14.0 13.6 12.8 10.7 |
0.55 0.40 0.66 0.50 0.25 0.33 0.25 0.17 |
- 70 – + 260 - 70 – + 260 - 70 – + 370 - 70 – + 370 - 70 – + 260 - 70 – + 370 - 70 – + 370 - 70 – + 370 |
450 450 480 480 450 480 480 480 |
drei Komponenten Ni-Zwischenschicht |
Berechnungsformeln
Die Berechnung der wichtigsten Formteile kann mittels der untenstehenden Formeln ausgeführt werden (Table 10). Die hierfür benötigten Kennwerte sind Table 9 zu entnehmen. Die angegebenen Werte gelten nur bis zu Temperaturen von ca. 150°C. Für höhere Temperaturen sind diese Werte den Datenblättern des Herstellers zu entnehmen.
Form des Thermobimetalls | Ausbiegung | mechanische Richtkraft | thermische Richtkraft | |
Freitragende Streifen | ||||
Beidendig gelagerter Streifen | ||||
U-förmiger Streifen | ||||
Spirale | ||||
Wendel | ||||
Scheibe | ||||
Reversierter Streifen | ||||
Reversierte U-Feder |
Ausbiegung in mm | Breite in mm | |||
Drehwinkel in ° | Durchmesser in mm | |||
Kraft in N | Radius in mm | |||
Temperaturdifferenz in K | spez. therm. Ausbiegung in 1/K | |||
Dicke in mm | therm. Richtkraftkonstante in | |||
freibewegliche Länge in mm | mech. Richtkraftkonstante |
Grenzbelastung
In allen Berechnungen gemäß Table 10 ist nachzuprüfen, ob die thermisch und/oder mechanisch induzierten Spannungen unterhalb der zulässigen Grenzbiegespannung liegen. Für die Berechnung der zulässigen Belastung (Kraft Pmax bzw. Moment Mmax) der Thermobimetall-Grundformen ergeben sich die folgenden Beziehungen:
Einseitig eingespannter Streifen | |
Beidseitig gelagerter Streifen | |
Spirale und Wendel | |
Scheibe |
Kommentare
- ↑ Als Einheiten für die Kennzeichnung der elektrischen Leitfähigkeit sind MS/m and m/Ω.mm2 gebräuchlich. Häufig erfolgt auch die Angabe in % IACS ( International Annealed Copper Standard), wobei 100% IACS der Leitfähigkeit von Kupfer mit 58 MS/m entspricht.
Für die Bezeichnung von Festigkeitszuständen gelten die Einheiten N/mm2 und MPa.
1 MS/m entspricht 1 m/Ωmm2
1 MPa entspricht 1 N/mm2
Referenzen
ASM Handbuch Volume 2, 10th Edition: Properties and Selection of Nonferrous
Alloys and Special Purpose Materials, ASM International, Cleveland OH, USA 1990
Wieland-Kupferwerkstoffe. Wieland-Werke AG, Ulm 1999
Rau, G.: Metallische Verbundwerkstoffe. Werkstofftechnische
Verlagsgesellschaft, Karlsruhe 1977
Kayser, O., Pawlek, F., Reichel, K.: Die Beeinflussung der Leitfähigkeit reinsten
Kupfers durch Beimengungen. Metall 8 (1954) 532-537
Dies, K.: Kupfer und Kupferlegierungen in der Technik. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1967
Gerlach,U.; Kreye, H.: Gefüge und mechanische Eigenschaften der Legierung
CuNi9Sn2. Metall 32 (1978) 1112-1115
Beryvac, Firmenschrift Vakuumschmelze GmbH, Hanau 1974
Beryvac 520, Firmenschrift Vacuumschmelze GmbH, Hanau 1975
Kupfer-Beryllium, Firmenschrift Brush Wellman
Kreye, H.; Nöcker, H.; Terlinde, G.: Schrumpfung und Verzug beim Aushärten von Kupfer-Beryllium-Legierungen. Metall 29 (1975) 1118-1121