Difference between revisions of "Trägerwerkstoffe"

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werden. Dabei hängt das Erweichungsverhalten stark vom Zustand der Kaltumformung
 
werden. Dabei hängt das Erweichungsverhalten stark vom Zustand der Kaltumformung
 
ab (<xr id="fig:Softening of Cu-ETP after annealing for 3hrs after 25% cold working"/> und <xr id="fig:Softening of Cu-ETP after annealing for 3hrs after 50% cold working"/><!--5.3-->).
 
ab (<xr id="fig:Softening of Cu-ETP after annealing for 3hrs after 25% cold working"/> und <xr id="fig:Softening of Cu-ETP after annealing for 3hrs after 50% cold working"/><!--5.3-->).
 
The purity of technically pure and un-alloyed copper used for electrical applications depends on the type used and ranges between > 99.90 and 99.95
 
wt%. The copper types are designated mainly by their oxygen content as oxygen containing, oxygen-free, and de-oxidized with phosphorus as
 
described in DIN EN 1652 <xr id="tab:MaterialDesignations"/>  and <xr id="tab:Composition of Some Pure Copper Types"/><!--5.2-->. <xr id="tab:Physical Properties of Some Copper Types"/><!--Tables 5.3.--> and <xr id="tab:Mechanical Properties of Some Copper Types"/><!--5.4--> show the physical and mechanical properties of these copper materials. According to these, Cu-ETP, Cu-OFE, and Cu-HCP are the types of copper for which minimum values for the electrical conductivity are guaranteed.
 
  
 
Die Reinheit des für elektrische Zwecke verwendeten technisch reinen, unlegierten
 
Die Reinheit des für elektrische Zwecke verwendeten technisch reinen, unlegierten
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===<!--5.1.3-->Niedriglegierte Kupfer-Werkstoffe===
 
===<!--5.1.3-->Niedriglegierte Kupfer-Werkstoffe===
  
The high Cu content alloy materials are closest in their properties to pure copper materials. By defined addition of small amounts of alloying elements it is possible to increase the mechanical strength and especially the softening temperature of copper and at the same time decrease the electrical conductivity only insignificantly <xr id="fig:Influence of small additions on the electrical conductivity of copper"/><!--(Fig. 5.4)-->. Silver, iron, tin, zinc, nickel, chromium, zirconium, silicon, and titanium are used. Usually the additive amounts are significantly below 3 wt%. This group of materials consists of mixed crystal as well as precipitation hardening alloys. The precipiytion hardening copper-beryllium and copper-chromium-zirconium materials are decribed later in a separate section.
+
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 (<xr id="fig:Influence of small additions on the electrical conductivity of copper"/><!--(Fig. 5.4)-->). 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.
  
 
<figure id="fig:Influence of small additions on the electrical conductivity of copper">
 
<figure id="fig:Influence of small additions on the electrical conductivity of copper">
[[File:Influence of small additions on the electrical conductivity of copper.jpg|right|thumb|Influence of small additions on the electrical conductivity of copper]]
+
[[File:Influence of small additions on the electrical conductivity of copper.jpg|right|thumb|Einfluss geringer Zusätze auf die
 +
elektrische Leitfähigkeit von Kupfer]]
 
</figure>
 
</figure>
  
From the large number of high-Cu alloys only the properties of selected ones are covered here <xr id="tab:Physical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys"/><!--(Tab. 5.5)--> and <xr id="tab:Mechanical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys"/><!--(Tab. 5.6)-->. Some of these materials are not included in the EN standards system.
+
Aus der großen Zahl der angebotenen niedriglegierten Kupferwerkstoffe können
 +
hier nur wenige herausgegriffen und ihre Eigenschaften aufgelistet werden
 +
(<xr id="tab:Physical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys"/><!--(Tab. 5.5)--> und <xr id="tab:Mechanical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys"/><!--(Tab. 5.6)-->). Einige dieser Werkstoffe sind nicht in der EN enthalten.
  
The low alloyed materials CuAg0.1 and CuCd1 are mostly used as overhead drive cables where they have to meet sustained loads at elevated temperatures without softening.
+
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.
  
The materials CuFe0.1 and CuSn0.15 have a high electrical conductivity. The mechanical strength of both is relatively low but stays almost constant at temperatures up to 400°C. The are used as substrates for power semiconductors and also as carriers for stationary contacts in higher energy
+
Die Werkstoffe CuFe0,1 und CuSn0,15 zeichnen sich durch eine hohe elektrische
switchgear.
+
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.
  
CuFe2 is a material exhibiting high electrical conductivity and good formability. During an annealing process Fe-rich precipitations are formed in the " -Cu matrix which change the mechanical properties very little but increase the electrical conductivity significantly. Besides being used as a contact carrier material in switching devices, this material has broader applications in automotive connectors and as a substrate in the semiconductor technology.
+
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.
  
CuNi2Si has high mechanical strength, good formability, and at the same time high electrical conductivity. This combination of advantageous properties is achieved by a defined finely dispersed precipitation of nickel silicides. CuNi2Si is used mainly in the form of stamped and formed parts in thermally stressed electromechanical components for automotive applications.
+
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 and CuCrSiTi are advanced developments of the Cu-Cr-Ti precipitation materials with fine intermetallic dispersions. The material
+
CuSn1CrNiTi und CuCrSiTi sind Weiterentwicklungen von Kupferwerkstoffen im
CuNi1Co1Si also belongs into this family and has properties similar to the low alloyed CuBe materials.
+
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.
  
  
 
<figtable id="tab:Physical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys">
 
<figtable id="tab:Physical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys">
<caption>'''<!--Tab. 5.5-->Physical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys'''</caption>
+
<caption>'''<!--Tab. 5.5-->Physikalische Eigenschaften einiger niedriglegierter Kupferwerkstoffe'''</caption>
  
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
|-
 
|-
!Material/<br />Designation<br />EN UNS  
+
!Werkstoff<br />Bezeichnung<br />EN UNS  
!Composition
+
!Zusammensetzung
!Density<br />[g/cm<sup>3</sup>]
+
!Dichte<br />[g/cm<sup>3</sup>]
!colspan="2" style="text-align:center"|Electrical<br />Conductivity
+
!colspan="2" style="text-align:center"|Elektr. Leitfähigkeit
!Electrical<br />Resistivity<br />[μΩ·cm]
+
!Elektr. Widerstand<br />[μΩ·cm]
!Thermal<br />Conductivity<br />[W/(m·K)]
+
!Wärmeleitfähigkeit<br />[W/(m·K)]
!Coeff. of Linear<br />Thermal<br />Expansion<br />[10<sup>-6</sup>/K]
+
!Lin. Ausdehnungskoeff.<br />[10<sup>-6</sup>/K]
!Modulus of<br />Elasticity<br />[GPa]
+
!E-Modul<br />[GPa]
!Softening Temperature<br />(approx. 10% loss in<br />strength)<br />[°C]
+
!Erweichungstemperatur<br />(ca. 10% Festigkeitsabfall)<br />[°C]
!Melting<br />Temp Range<br />[°C]
+
!Schmelzbereich<br />[°C]
 
|-
 
|-
 
!
 
!
Line 310: Line 337:
 
|1082
 
|1082
 
|-
 
|-
|CuFe0,1P<br />not standardized<br />C19210
+
|CuFe0,1P<br />nicht genormt<br />C19210
 
|Fe 0.05-0.015<br />P 0.025-0.04<br />Cu Rest
 
|Fe 0.05-0.015<br />P 0.025-0.04<br />Cu Rest
 
|8.89
 
|8.89
Line 358: Line 385:
 
|
 
|
 
|-
 
|-
|CuSn1CrNiTi<br />not standardized<br />C18090
+
|CuSn1CrNiTi<br />nicht genormt<br />C18090
 
|Sn 0.6<br />Ni 0.4<br />Cr 0.3<br />Ti 0.3<br />Cu Rest
 
|Sn 0.6<br />Ni 0.4<br />Cr 0.3<br />Ti 0.3<br />Cu Rest
 
|8.87
 
|8.87
Line 370: Line 397:
 
|1025 - 1074
 
|1025 - 1074
 
|-
 
|-
|CuNi1Co1Si<br />not standardized<br />C70350
+
|CuNi1Co1Si<br />nicht genormt<br />C70350
 
|Ni 1.5<br />Co 1.1<br />Si 0.6<br />Cu Rest
 
|Ni 1.5<br />Co 1.1<br />Si 0.6<br />Cu Rest
 
|8.82
 
|8.82
Line 382: Line 409:
 
|
 
|
 
|-
 
|-
|CuCrSiTi<br />not standardized<br />C18070
+
|CuCrSiTi<br />nicht genormt<br />C18070
 
|Cr 0.3<br />Ti 0.1<br />Si 0.02<br />Cu Rest
 
|Cr 0.3<br />Ti 0.1<br />Si 0.02<br />Cu Rest
 
|8.88
 
|8.88
Line 399: Line 426:
  
 
<figtable id="tab:Mechanical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys">
 
<figtable id="tab:Mechanical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys">
<caption>'''<!--Table 5.6:-->Mechanical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys'''</caption>  
+
<caption>'''<!--Table 5.6:-->Mechanische Eigenschaften einiger niedriglegierter Kupferwerkstoffe'''</caption>  
  
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
|-
 
|-
!Material
+
!Werkstoff
!Hardness<br />Condition
+
!Zustand
!Tensile Strength R<sub>m</sub><br />[MPa]
+
!Zugfestigkeit R<sub>m</sub><br />[MPa]
!0,2% YieldStrength<br />R<sub>p02</sub><br />[MPa]
+
!0,2% Dehngrenze<br />R<sub>p02</sub><br />[MPa]
!Elongation<br />A<sub>50</sub><br />[%]
+
!Bruchdehnung<br />A<sub>50</sub><br />[%]
!Vickers<br />Hardness<br />HV
+
!Vickershärte<br />HV
!Bend Radius<sup>1)</sup><br />perpendicular to<br />rolling direction
+
!Biegeradius<sup>1)</sup><br />min senkrecht zur<br />Walzrichtung
!Bend Radius<sup>1)</sup><br />parallel to<br />rolling direction
+
!Biegeradius<sup>1)</sup><br />min parallel zur<br />Walzrichtung
!Spring Bending<br />Limit σ<sub>FB</sub><br />[MPa]
+
!Federbiegegrenze<br />Limit σ<sub>FB</sub><br />[MPa]
!Spring Fatigue<br />Limit σ<sub>BW</sub><br />[MPa]
+
!Biegewechselfestigkeit<br />Limit σ<sub>BW</sub><br />[MPa]
 
|-
 
|-
 
|CuAg0,10
 
|CuAg0,10
Line 503: Line 530:
 
|}
 
|}
 
</figtable>
 
</figtable>
<sup>1)</sup> t: Strip thickness max. 0.5 mm
+
<sup>1)</sup> t: Banddicke max 0,5 mm
 
 
These newer copper based materials optimize properties such as electrical conductivity, mechanical strength, and relaxation, which are custom tailored to specific applications. Typical uses include contact springs for relays, switches, and connectors.
 
  
===<!--5.1.4-->Naturally Hard Copper Alloys===
+
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.
  
Alloys like brasses (CuZn), tin bronzes (CuSN), and German silver (CuNiZn), for which the required hardness is achieved by cold working are defined as naturally hard alloys. Included in this group are also the silver bronzes (CuAg) with 2 – 6 wt% of Ag.
+
===<!--5.1.4-->Naturharte Kupfer-Legierungen===
  
Main Articel: [[Naturally Hard Copper Alloys| Naturally Hard Copper Alloys]]
+
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.
  
===<!--5.1.5-->Other Naturally Hard Copper Alloys===
+
siehe Artikel: [[Naturharte_Kupfer-Legierungen| Naturharte Kupfer-Legierungen]]
  
Main Articel: [[Other Naturally Hard Copper Alloys| Other Naturally Hard Copper Alloys]]
+
===<!--5.1.5-->Sonstige naturharte Kupfer-Legierungen===
  
===<!--5.1.6-->Precipitation Hardening Copper Alloys===
+
siehe Artikel: [[Sonstige_naturharte_Kupfer-Legierungen| Sonstige naturharte Kupfer-Legierungen]]
  
Besides the naturally hard copper materials precipitation hardening copper alloys play also an important role as carrier materials for electrical contacts. By means of a suitable heat treatment finely dispersed precipitations of a second phase can be achieved which increase the mechanical strength of these copper alloys significantly.
+
===<!--5.1.6-->Aushärtbare Kupfer-Legierungen===
  
Main Articel: [[Precipitation Hardening Copper Alloys| Precipitation Hardening Copper Alloys]]
+
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.
  
===<!--5.1.7-->Application Properties for the Selection of Copper Alloys===
+
siehe Artikel: [[Aushärtbare_Kupfer-Legierungen| Aushärtbare Kupfer-Legierungen]]
  
Important for the usage as spring contact components are besides mechanical strength and electrical conductivity mainly the typical spring properties such as the maximum spring bending limit and the fatigue strength as well as the bendability. During severe thermal stressing the behavior of spring materials is determined by their softening and relaxation. The following briefly describes these material properties.
+
===<!--5.1.7-->Kenngrößen zur Bewertung der Eigenschaften von Kupfer-Legierungen===
  
Main Articel: [[Application Properties for the Selection of Copper Alloys| Application Properties for the Selection of Copper Alloys]]
+
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.
  
===<!--5.1.8-->Selection Criteria for Copper-Based Materials===
+
siehe Artikel: [[Kenngrößen_zur_Bewertung_der_Eigenschaften_von_Kupfer-Legierungen| Kenngrößen zur Bewertung der Eigenschaften von Kupfer-Legierungen]]
  
The selection of copper-based materials from the broad spectrum of available materials must be based on the requirements of the application. First an application profile should be established which can be used to define the material properties. Usually there is however no single material that can fulfill all requirements to the same degree. A compromise must be found as for example between electrical conductivity and spring properties.
+
===<!--5.1.8-->Vergleichende Bewertung der Kupfer-Werkstoffe===
  
If current carrying capability is the key requirement, mechanical strength may have to be sacrificed as for example in carrier parts for stationary contacts. In this case, depending on the current level, pure copper or low alloyed copper materials such as CuSn0.15, or for economic reasons CuZn30, may be suitable.
+
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.
  
For spring contact components the interdependent relations between electrical conductivity and fatigue strength, or electrical conductivity and relaxation behavior are of main importance. The first case is critical for higher load relay springs. CuAg2 plays an important role for these applications. The latter is critical for components that are exposed to continuing high mechanical stresses like for example in connectors. The spring force must stay close to constant over the expected life time of the parts even at elevated temperatures from the environment or current carrying. In this case the relaxation behavior of the copper materials which may cause a decrease in spring force over time must be considered. Besides this easy forming during manufacturing must be possible; this means that bending operations can also be performed at high mechanical strength values.
+
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.
  
The increasing requirements on spring components in connectors, especially for use in automotive applications, such as higher surrounding temperatures, increased reliability, and the trend towards miniaturization led to a change of materials from traditionally CuZn30 and CuSn4 to CuNiSi alloys, for example. These CuNiSi alloys and the newer heavy duty copper alloys like CuNi1Co1 are significantly improved with regards to mechanical strength, relaxation behavior, and electrical conductivity.
+
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.
  
==<!--5.2-->Nickel and Nickel Alloys==
+
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.
  
===<!--5.2.1-->Technical Grade Pure Nickel===
+
==<!--5.2-->Nickel und Nickel-Legierungen==
  
Technical grade pure nickel commonly contains 99.0 to 99.8 wt% Ni and up to 1 wt% Co. Other ingredients are iron and manganese <xr id="tab:Physical Properties of Nickel and Nickel Alloys"/><!--(Tab. 5.21)--> and <xr id="tab:Mechanical Properties of Nickel and Nickel Alloys"/><!--(Tab. 5.22)-->. Work hardening and softening behavior of nickel are shown in [[#figures11|(Figs. 5 – 6)]]<!--Figs. 5.45 and 5.46-->.
+
===<!--5.2.1-->Technisch reines Nickel===
  
One of the significant properties of nickel is its modulus of elasticity which is almost twice as high as that of copper. At temperatures up to 345°C nickel is ferro-magnetic.
+
Technisch reines Nickel enhält üblicherweise 99,0 bis 99,8 Massen-% Ni und
Nickel has a high corrosion resistance, is very ductile, and easy to weld and clad. It is of great importance as a backing material for multiple layer weld profiles. In addition nickel is used as an intermediate layers for thin claddings, acting as an effective diffusion barrier between copper containing carrier materials and goldand palladium-based contact materials.
+
bis zu 1 Massen-% Co. Weitere Beimengungen sind Fe und Mn (<xr id="tab:Physical Properties of Nickel and Nickel Alloys"/><!--(Tab. 5.21)--> und <xr id="tab:Mechanical Properties of Nickel and Nickel Alloys"/><!--(Tab. 5.22)-->). Verfestigungs- und Erweichungsverhalten von Nickel sind in den
 +
Bildern [[#figures11|Figs. 5 – 6]]<!--Figs. 5.45 und 5.46--> dargestellt.
  
Because of the always present thin oxide layer on its surface, nickel is not suitable as a contact material for switching contacts.
+
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.
  
 
<div id="figures11">
 
<div id="figures11">
<xr id="fig:Strain hardening of technical pure nickel by cold working"/><!--Fig. 5.45:--> Strain hardening of technical pure nickel by cold working
+
<xr id="fig:Strain hardening of technical pure nickel by cold working"/><!--Fig. 5.45:--> Verfestigungsverhalten von techn. reinem Nickel durch Kaltumformung
  
<xr id="fig:Softening of technical grad nickel after annealing for 3 hrs"/><!--Fig. 5.46;--> Softening of technical grad nickel after annealing for 3 hrs after 50% cold working
+
<xr id="fig:Softening of technical grad nickel after annealing for 3 hrs"/><!--Fig. 5.46;--> Erweichungsverhalten von techn. reinem Nickel nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 50%
 
</div>
 
</div>
  
Line 562: Line 639:
  
 
<figure id="fig:Softening of technical grad nickel after annealing for 3 hrs">   
 
<figure id="fig:Softening of technical grad nickel after annealing for 3 hrs">   
[[File:Softening of technical grad nickel after annealing for 3 hrs.jpg|right|thumb|Softening of technical grad nickel after annealing for 3 hrs after 50% cold working]]
+
[[File:Softening of technical grad nickel after annealing for 3 hrs.jpg|right|thumb|Erweichungsverhalten von techn. reinem Nickel nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 50%]]
 
</figure>
 
</figure>
 
</div>
 
</div>
 
<div class="clear"></div>
 
<div class="clear"></div>
  
===<!--5.2.2-->Nickel Alloys===
+
===<!--5.2.2-->Nickel-Legierungen===
  
Because of its low electrical conductivity NiCu30Fe is besides pure Ni and CuNi alloys the most widely used backing material for weldable contact components. With 1 2 wt% additives of Fe as well as 0.5 1 wt% Mn and Co the mechanical strength of the binary alloy NiCu30 can be increased.
+
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.
  
The strength values of NiCu30Fe are significantly higher than those of the copper rich CuNi alloys [[#figures12|(Figs. 7 – 8)]]<!--(Figs. 5.47 and 5.48)-->. The good spring properties and thermal stability of NiCu30Fe make it a suitable material for the use as thermally stressed contact springs.
+
Die Festigkeitswerte von NiCu30Fe liegen deutlich über denen kupferreicher
 +
CuNi-Legierungen [[#figures12|(Figs. 7 – 8)]]<!--(Figs. 5.47 and 5.48)-->. Aufgrund der guten Federeigenschaften
 +
und hohen Warmfestigkeit kommt NiCu30Fe vor allem für thermisch
 +
beanspruchte Federn zum Einsatz.
  
 
<div id="figures12">
 
<div id="figures12">
<xr id="fig:Strain hardening of NiCu30Fe by cold working"/><!--Fig. 5.47:--> Strain hardening of NiCu30Fe by cold working
+
<xr id="fig:Strain hardening of NiCu30Fe by cold working"/><!--Fig. 5.47:--> Verfestigungsverhalten von NiCu30Fe durch Kaltumformung
  
<xr id="fig:Softening of NiCu30Fe after annealing for 0.5 hrs"/><!--Fig. 5.48:--> Softening of NiCu30Fe after annealing for 0.5 hrs and after 80% cold working
+
<xr id="fig:Softening of NiCu30Fe after annealing for 0.5 hrs"/><!--Fig. 5.48:--> Erweichungsverhalten von NiCu30Fe nach 0,5 h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%
 
</div>
 
</div>
  
 
<div class="multiple-images">
 
<div class="multiple-images">
 
<figure id="fig:Strain hardening of NiCu30Fe by cold working">  
 
<figure id="fig:Strain hardening of NiCu30Fe by cold working">  
[[File:Strain hardening of NiCu30Fe by cold working.jpg|right|thumb|Strain hardening of NiCu30Fe by cold working]]
+
[[File:Strain hardening of NiCu30Fe by cold working.jpg|right|thumb|Verfestigungsverhalten von NiCu30Fe durch Kaltumformung]]
 
</figure>
 
</figure>
  
 
<figure id="fig:Softening of NiCu30Fe after annealing for 0.5 hrs">   
 
<figure id="fig:Softening of NiCu30Fe after annealing for 0.5 hrs">   
[[File:Softening of NiCu30Fe after annealing for 0.5 hrs.jpg|right|thumb|Softening of NiCu30Fe after annealing for 0.5 hrs and after 80% cold working]]
+
[[File:Softening of NiCu30Fe after annealing for 0.5 hrs.jpg|right|thumb|Erweichungsverhalten von NiCu30Fe nach 0,5 h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%]]
 
</figure>
 
</figure>
 
</div>
 
</div>
Line 592: Line 676:
  
 
<figtable id="tab:Physical Properties of Nickel and Nickel Alloys">
 
<figtable id="tab:Physical Properties of Nickel and Nickel Alloys">
<caption>'''<!--Table 5.21:-->Physical Properties of Nickel and Nickel Alloys'''</caption>  
+
<caption>'''<!--Table 5.21:-->Physikalische Eigenschaften von Nickel und Nickellegierungen'''</caption>  
  
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
|-
 
|-
!Material<br />Designation<br />WST-Nr.<br />EN UNS  
+
!Werkstoff Bezeichnung<br />WST-Nr.<br />EN UNS  
!Composition<br />[wt%]
+
!Zusammensetzung<br />[Massen-%]
!Density<br />[g/cm<sup>3</sup>]
+
!Dichte<br />[g/cm<sup>3</sup>]
!colspan="2" style="text-align:center"|Electrical<br />Conductivity
+
!colspan="2" style="text-align:center"|Elektr. Leitfähigkeit
!Electrical<br />Resistivity<br />[μΩ·cm]
+
!Elektr. Widerstand<br />[μΩ·cm]
!Thermal<br />Conductivity<br />[W/(m·K)]
+
!Wärmeleitfähigkeit<br />[W/(m·K)]
!Coeff. of Linear<br />Thermal<br />Expansion<br />[10<sup>-6</sup>/K]
+
!Lin. Ausdehnungskoeff.<br />[10<sup>-6</sup>/K]
!Modulus of<br />Elasticity<br />[GPa]
+
!E-Modul<br />[GPa]
!Softening Temperature<br />(approx. 10% loss in<br />strength)<br />[°C]
+
!Erweichungstemperatur<br />(ca. 10% Festigkeitsabfall)<br />[°C]
!Melting<br />Temp Range<br />[°C]
+
!Schmelzbereich<br />[°C]
 
|-
 
|-
 
!  
 
!  
Line 657: Line 741:
 
</figtable>
 
</figtable>
  
<sup>a</sup>solution annealed, and hardened
+
<sup>a</sup>lösungsgeglüht und ausgehärtet
  
  
  
 
<figtable id="tab:Mechanical Properties of Nickel and Nickel Alloys">
 
<figtable id="tab:Mechanical Properties of Nickel and Nickel Alloys">
<caption>'''<!--Table 5.22:-->Mechanical Properties of Nickel and Nickel Alloys'''</caption>   
+
<caption>'''<!--Table 5.22:-->Mechanische Eigenschaften von Nickel und Nickellegierungen'''</caption>   
  
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
|-
 
|-
!Material
+
!Werkstoff
!Hardness<br />Condition
+
!Zustand
!Tensile Strength R<sub>m</sub><br />[MPa]
+
!Zugfestigkeit R<sub>m</sub><br />[MPa]
!0,2% Yield Strength<br />R<sub>p02</sub><br />[MPa]
+
!0,2% Dehngrenze<br />R<sub>p02</sub><br />[MPa]
!Elongation<br />A<sub>50</sub><br />[%]
+
!Bruchdehnung<br />A<sub>50</sub><br />[%]
!Vickers<br />Hardness<br />HV
+
!Vickershärte<br />HV
!Spring Bending<br />Limit σ<sub>FB</sub><br />[MPa]
+
!Federbiegegrenze σ<sub>FB</sub><br />[MPa]
!Fatigue<br />Strength σ<sub>BW</sub><br />[MPa]
+
!Biegewechselfestigkeit σ<sub>BW</sub><br />[MPa]
 
|-
 
|-
 
|Ni99,2
 
|Ni99,2
Line 704: Line 788:
 
</figtable>
 
</figtable>
  
<sup>a</sup>solution annealed, and cold rolled<br />  
+
<sup>a</sup>lösungsgeglüht und kaltumgeformt<br />  
<sup>b</sup>solution annealed, cold rolled, and precipitation hardened<br />  
+
<sup>b</sup>lösungsgeglüht, kaltumgeformt und ausscheidungsgehärtet<br />  
<sup>c</sup>solution annealed, cold rolled, and precipitation hardened at mill (mill hardened)
+
<sup>c</sup>lösungsgeglüht, kaltumgeformt und ausscheidungsgehärtet im Werk (werksvergütet)
  
===<!--5.2.3-->Nickel-Beryllium Alloys===
+
===<!--5.2.3-->Nickel-Beryllium-Legierungen===
  
Because of decreasing solubility of beryllium in nickel with decreasing temperature NiBe can be precipitation hardened similar to CuBe <xr id="fig:Phase diagram of nickel beryllium"/><!--(Fig. 5.49)-->. The maximum soluble amount of Be in Ni is 2.7 wt% at the eutectic temperature of 1150°C. to achieve a high hardness by precipitation hardening NiBe, similar to CuBe, is annealed at 970 - 1030°C and rapidly quenched to room temperature. Soft annealed material is easily cold formed and after stamping and forming an hardening anneal is performed at 480 to 500°C for 1 to 2 hours.
+
Durch die mit sinkender Temperatur abnehmende Löslichkeit des Berylliums im
 +
Nickel ist bei NiBe, ähnlich wie bei CuBe, die Möglichkeit zur Ausscheidungshärtung
 +
gegeben <xr id="fig:Phase diagram of nickel beryllium"/><!--(Fig. 5.49)-->. 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).
  
 
<figure id="fig:Phase diagram of nickel beryllium">
 
<figure id="fig:Phase diagram of nickel beryllium">
[[File:Phase diagram of nickel beryllium.jpg|right|thumb|Phase diagram of nickel-beryllium]]
+
[[File:Phase diagram of nickel beryllium.jpg|right|thumb|Zustandsdiagramm Nickel-Beryllium]]
 
</figure>
 
</figure>
  
Commercial nickel-beryllium alloys contain 2 wt% Be. Compared to CuBe2 the NiBe2 materials have a significantly higher modulus of elasticity but a much lower electrical conductivity. The mechanical strength is higher than that of CuBe2 <xr id="fig:Precipitation hardening of NiBe2 soft at 480C"/><!--(Fig. 5.50)-->, the spring bending force limit can exceed values of over 1400 MPa and the fatigue strength reaches approximately 400 MPa.
+
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
 +
<xr id="fig:Precipitation hardening of NiBe2 soft at 480C"/><!--(Fig. 5.50)-->. Die Federbiegegrenze erreicht Werte bis über 1400 MPa, die Biegewechselfestigkeit
 +
bis ca. 400 MPa.
  
 
<figure id="fig:Precipitation hardening of NiBe2 soft at 480C">
 
<figure id="fig:Precipitation hardening of NiBe2 soft at 480C">
[[File:Precipitation hardening of NiBe2 soft at 480C.jpg|right|thumb|Precipitation hardening of NiBe2 (soft) at 480°C]]
+
[[File:Precipitation hardening of NiBe2 soft at 480C.jpg|right|thumb|Aushärtung von NiBe (weich) bei 480°C]]
 
</figure>
 
</figure>
  
A further advantage of NiBe2 is its high temperature stability. Cold worked and subsequently precipitation hardened NiBe2 can withstand sustained
+
Besonders hervorzuheben ist die sehr hohe Warmfestigkeit von NiBe2. Bei
temperatures of 400 - 650°C, depending on ist pre-treatment.
+
kaltverfestigtem und anschließend ausgehärtetem NiBe2 beträgt die maximal
 +
zulässige Dauertemperatur je nach Vorbehandlung 400 bis 650°C.
  
Similar to CuBe materials, NiBe alloys are available in mill hardened in various conditions or also already precipitation hardened at the manufacturer.
+
Ähnlich wie bei CuBe sind NiBe-Legierungen als aushärtbare Werkstoffe in
 +
verschiedenen Festigkeitszuständen, auch „werksvergütet“ erhältlich.
  
Nickel-beryllium alloys are recommended for mechanically and thermally highly stressed spring components. For some applications their ferro-magnetic properties can also be advantageous.
+
Nickel-Beryllium-Legierungen bieten sich für mechanisch und thermisch
 +
besonders hoch beanspruchte Federn an. Für manche Anwendungen ist auch
 +
ihr ferromagnetisches Verhalten von Vorteil.
  
==<!--5.3-->Triple-Layer Carrier Materials==
+
==<!--5.3-->Dreischicht-Trägerbänder==
  
Manufacturing of triple-layer carrier materials is usually performed by cold rollcladding. The three materials cover each other completely. The advantage of this composite material group is that the different mechanical and physical properties of the individual components can be combined with each other.
+
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.
  
Depending on the intended application the following layer systems are utilized:
+
Je nach Anwendung und den technischen Anforderungen werden unterschiedliche
 +
Schichtsysteme eingesetzt:
  
 
* Conduflex N <br/> CuSn6 - Cu - CuSn6 <br/>
 
* Conduflex N <br/> CuSn6 - Cu - CuSn6 <br/>
  
The high electrical and thermal conductivity as well as the current carrying capacity of copper is combined with the spring properties of the tin bronze. Conduflex N strips are used in a thickness range of 0.1 1,5 mm in a maximum width of 140 mm.
+
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
 
* Cu - FeNi36 (Invar) - Cu
  
The high electrical conductivity and ductility of copperis combined with the low coefficient of thermal conductivity of the Invar alloy. The dimensionsional range is 0.2 1.8 mm in thickness with a maximum width of 140 mm.
+
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 or Steel – Cu
+
* Cu-Fe oder Stahl-Cu
  
The high electrical conductivity and good arc mobility properties of copper are combined with the mechanical strength and magnetic properties of iron or steel. The thickness and width range of material strips are the same of the ones for Cu Invar Cu system.
+
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.
  
The thickness ratios of the components can be selected according to the application requirements. The two outer layers usually have the same thickness.
+
Das Dickenverhältnis der Komponenten kann individuell gewählt werden und
 +
richtet sich nach den technischen Anforderungen. Die beiden Außenkomponenten
 +
besitzen meist die gleiche Dicke.
  
==<!--5.4-->Thermostatic Bimetals==
+
==<!--5.4-->Thermobimetalle==
  
Thermostatic bimetals are composite materials consisting of two or three layers of materials with different coefficients of thermal expansion. They are usually bonded together by cladding. If such a material part is heated either directly through current flow or indirectly through heat conduction or radiation, the different expansion between the active (strong expansion) and passive (low expansion) layer causes bending of the component part.
+
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.
  
Directional or force effects on the free end of the thermostatic bimetal part is then used as a trigger or control mechanism in thermostats, protective switches, or in control circuits. Depending on the required function of the thermostatic bimetal component different design shapes are used:
+
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:
  
*'''Straight or U-shaped strips''' for nearly linear motion
+
*'''Gerade oder U-förmige Streifen''' für nahezu geradlinige Bewegungen.
*'''Circular discs''' for small linear motions with high force
+
*'''Kreisförmige Scheiben''' für kleine geradlinige Bewegungen verbunden mit einer hohen Richtkraft.
*'''Spirals and filament spring shapes''' for circular motion
+
*'''Spiralen und Wendeln''' für Kreisbewegungen.
*'''Stamped and formed parts''' for special designs and applications
+
*'''Formstanzteile''' für spezielle Anwendungen.
  
The wide variety of thermostatic bimetal types is specified mostly through DIN 1715 and/or applicable ASTM standards <xr id="tab:Partial Selection from the Wide Range of Available Thermo-Bimetals"/><!--(Table 5.23)-->. The different types have varying material compositions for the active and passive side of the materials. The mostly used alloys are iron-nickel and manganese-copper-nickel. Mainly used in circuit protection switches (i.e. circuit breakers) some thermo-bimetals include an intermediate layer of copper or nickel which allows to design parts with a closely controlled electrical resistance.
+
Die Vielzahl der Thermobimetall-Typen ist größtenteils nach DIN 1715 oder/und
 +
ASTM Standard spezifiziert <xr id="tab:Partial Selection from the Wide Range of Available Thermo-Bimetals"/><!--(Table 5.23)-->. 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.
  
  
 
<figtable id="tab:Partial Selection from the Wide Range of Available Thermo-Bimetals">
 
<figtable id="tab:Partial Selection from the Wide Range of Available Thermo-Bimetals">
<caption>'''<!--Table 5.23:-->Partial Selection from the Wide Range of Available Thermo-Bimetals'''</caption>
+
<caption>'''<!--Table 5.23:-->Auszug aus der Gesamtpalette verfügbarer Thermobimetalle'''</caption>
  
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
 
|-
 
|-
!Designation<br />DIN 1715  
+
!Bezeichnung<br />DIN 1715  
!Designation<br />ASTM
+
!Bezeichnung<br />ASTM
!Specific Thermal Deflection<br />[10<sup>6</sup>/K]
+
!Spez. thermische Ausbiegung<br />[10<sup>6</sup>/K]
!Sprecific<br />Electrical<br />Resistance k [μΩ·m]
+
!Spez. elektr. Widerstand<br />k [μΩ·m]
!Typical<br />Application Range [°C]
+
!Übliche Awendungsbereiche<br />[°C]
!Application<br />Limit [°C]
+
!Anwendungsgrenze<br />[°C]
!Composition
+
!Aufbau
 
|-
 
|-
 
|TB 20110<br /> <br />TB 1577A<br /> <br />TB1170A<br /> <br /> <br />
 
|TB 20110<br /> <br />TB 1577A<br /> <br />TB1170A<br /> <br /> <br />
Line 782: Line 913:
 
| - 70 – + 260<br /> - 70 – + 260<br /> - 70 – + 370<br /> - 70 – + 370<br /> - 70 – + 425<br /> - 70 – + 480<br /> - 70 – + 425
 
| - 70 – + 260<br /> - 70 – + 260<br /> - 70 – + 370<br /> - 70 – + 370<br /> - 70 – + 425<br /> - 70 – + 480<br /> - 70 – + 425
 
|350<br />350<br />450<br />450<br />480<br />540<br />540
 
|350<br />350<br />450<br />450<br />480<br />540<br />540
|Two components
+
|zwei Komponenten
 
|-
 
|-
 
|TB 1517<br />TB 1511<br /> <br /> <br />TB 1303<br /> <br />TB 1109  
 
|TB 1517<br />TB 1511<br /> <br /> <br />TB 1303<br /> <br />TB 1109  
Line 790: Line 921:
 
| - 70 – + 260<br /> - 70 – + 260<br /> - 70 – + 315<br /> - 70 – + 315<br /> - 70 – + 260<br /> - 70 – + 315<br /> - 70 – + 315<br /> - 70 – + 380
 
| - 70 – + 260<br /> - 70 – + 260<br /> - 70 – + 315<br /> - 70 – + 315<br /> - 70 – + 260<br /> - 70 – + 315<br /> - 70 – + 315<br /> - 70 – + 380
 
|400<br />400<br />350<br />350<br />300<br />350<br />350<br />400
 
|400<br />400<br />350<br />350<br />300<br />350<br />350<br />400
|Three components with Cu intermediale layer
+
|drei Komponenten Cu-Zwischenschicht
 
|-
 
|-
 
|TB 1555<br />TB 1435<br /> <br /> <br />TB 1425<br /> <br /> <br /> <br />
 
|TB 1555<br />TB 1435<br /> <br /> <br />TB 1425<br /> <br /> <br /> <br />
Line 798: Line 929:
 
| - 70 – + 260<br /> - 70 – + 260<br /> - 70 – + 370<br /> - 70 – + 370<br /> - 70 – + 260<br /> - 70 – + 370<br /> - 70 – + 370<br /> - 70 – + 370
 
| - 70 – + 260<br /> - 70 – + 260<br /> - 70 – + 370<br /> - 70 – + 370<br /> - 70 – + 260<br /> - 70 – + 370<br /> - 70 – + 370<br /> - 70 – + 370
 
|450<br />450<br />480<br />480<br />450<br />480<br />480<br />480
 
|450<br />450<br />480<br />480<br />450<br />480<br />480<br />480
|Three components with Ni intermediale layer
+
|drei Komponenten Ni-Zwischenschicht
 
|}
 
|}
 
</figtable>
 
</figtable>
  
===<!--5.4.1-->Design Formulas===
+
===<!--5.4.1-->Berechnungsformeln===
  
For the design and calculation of the most important thermostatic-bimetal parts formulas are given in <xr id="tab:Design Formulas for Thermostatic Bimetal Components"/><!--Table 5.24-->. The necessary properties can be extracted for the most common materials from <xr id="tab:Partial Selection from the Wide Range of Available Thermo-Bimetals"/><!--Table 5.23-->. The values given are valid only for a temperature range up to approximately 150°C. For higher temperatures data can be obtained from the materials manufacturer.
+
Die Berechnung der wichtigsten Formteile kann mittels der untenstehenden
 +
Formeln ausgeführt werden (<xr id="tab:Design Formulas for Thermostatic Bimetal Components"/><!--Table 5.24-->). Die hierfür benötigten Kennwerte sind
 +
<xr id="tab:Partial Selection from the Wide Range of Available Thermo-Bimetals"/><!--Table 5.23--> 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.
  
  
 
<figtable id="tab:Design Formulas for Thermostatic Bimetal Components">
 
<figtable id="tab:Design Formulas for Thermostatic Bimetal Components">
<caption>'''<!--Table 5.24:-->Design Formulas for Thermostatic Bimetal Components'''</caption>
+
<caption>'''<!--Table 5.24:-->Berechnungsformeln für Thermobimetalle'''</caption>
  
 
{| class="twocolortable" style="font-size:1em;"
 
{| class="twocolortable" style="font-size:1em;"
 
|-
 
|-
 
|
 
|
|Shape of the Thermostatic Bimetal
+
|Form des Thermobimetalls
|Deflection
+
|Ausbiegung
|Mechanical Action Force
+
|mechanische Richtkraft
|Thermal Action Force
+
|thermische Richtkraft
 
|-
 
|-
|Cantilevered strip
+
|Freitragende Streifen
 
|[[File:Contilevered strip.jpg|left|234px|]]     
 
|[[File:Contilevered strip.jpg|left|234px|]]     
 
|<math>A =
 
|<math>A =
Line 827: Line 962:
 
   \frac {b \Delta T Bs^3}{L} </math>
 
   \frac {b \Delta T Bs^3}{L} </math>
 
|-
 
|-
|Dual supported strip
+
|Beidendig gelagerter Streifen
 
|[[File:Dual supported strip.jpg|left|234px|]]       
 
|[[File:Dual supported strip.jpg|left|234px|]]       
 
|<math>A =
 
|<math>A =
Line 836: Line 971:
 
   \frac {4b \Delta TB s^2}{L} </math>
 
   \frac {4b \Delta TB s^2}{L} </math>
 
|-
 
|-
|U-shaped element
+
|U-förmiger Streifen
 
|[[File:U shaped element.jpg|left|220px|]]       
 
|[[File:U shaped element.jpg|left|220px|]]       
 
|<math>A =
 
|<math>A =
Line 845: Line 980:
 
   \frac {2b \Delta TB s^2}{L} </math>
 
   \frac {2b \Delta TB s^2}{L} </math>
 
|-
 
|-
|Spiral
+
|Spirale
 
|[[File:Spiral.jpg|left|220px|]]  
 
|[[File:Spiral.jpg|left|220px|]]  
 
|colspan="3" style="text-align:center"|<math>A =
 
|colspan="3" style="text-align:center"|<math>A =
 
   \frac {\alpha \Delta T}{s} (f^2 - e^2 + 4 r^2 + 2 e f + 2 \pi r f) </math>
 
   \frac {\alpha \Delta T}{s} (f^2 - e^2 + 4 r^2 + 2 e f + 2 \pi r f) </math>
 
|-
 
|-
|Helical spring
+
|Wendel
 
|[[File:Helical spring.jpg|left|220px|]]       
 
|[[File:Helical spring.jpg|left|220px|]]       
 
|<math>\alpha =
 
|<math>\alpha =
Line 859: Line 994:
 
   \frac {b_{1} \Delta TBs^2}{r} </math>
 
   \frac {b_{1} \Delta TBs^2}{r} </math>
 
|-
 
|-
|Disc
+
|Scheibe
 
|[[File:Disc.jpg|left|220px|]]     
 
|[[File:Disc.jpg|left|220px|]]     
 
|<math>A =
 
|<math>A =
Line 867: Line 1,002:
 
|<math>P = 3,2 b \Delta T s^2 </math>
 
|<math>P = 3,2 b \Delta T s^2 </math>
 
|-
 
|-
|Reversed strip
+
|Reversierter Streifen
 
|[[File:Reversed strip.jpg|left|240px|]]       
 
|[[File:Reversed strip.jpg|left|240px|]]       
 
|<math>A =
 
|<math>A =
Line 876: Line 1,011:
 
   \frac {b \Delta T Bs^2}{L^3} (y^2 - 2xy - x^2) </math>
 
   \frac {b \Delta T Bs^2}{L^3} (y^2 - 2xy - x^2) </math>
 
|-
 
|-
|Reversed U-shaped element
+
|Reversierte U-Feder
 
|[[File:Reserved u shaped element.jpg|left|228px|]]       
 
|[[File:Reserved u shaped element.jpg|left|228px|]]       
 
|colspan="3" style="text-align:center"|<math>A =
 
|colspan="3" style="text-align:center"|<math>A =
Line 884: Line 1,019:
  
 
{| style="border-spacing: 20px"
 
{| style="border-spacing: 20px"
|<math>A</math>  || Deflection in mm   
+
|<math>A</math>  || Ausbiegung in mm   
|<math>B</math> || Width in mm  
+
|<math>B</math> || Breite in mm  
 
| rowspan="2" |<math>a_{1} = \frac {360}{\pi} \cdot a</math>
 
| rowspan="2" |<math>a_{1} = \frac {360}{\pi} \cdot a</math>
 
|-  
 
|-  
|<math>\alpha</math> || Turn angle in °  
+
|<math>\alpha</math> || Drehwinkel in °  
|<math>D,d</math> || Diameter in mm  
+
|<math>D,d</math> || Durchmesser in mm  
 
|-
 
|-
|<math>P</math> || Force in N  
+
|<math>P</math> || Kraft in N  
 
|<math>r</math> || Radius in mm  
 
|<math>r</math> || Radius in mm  
 
| rowspan="2" |<math>b_{1} =  \frac {2}{3} \cdot b</math>  
 
| rowspan="2" |<math>b_{1} =  \frac {2}{3} \cdot b</math>  
 
|-
 
|-
|<math>\Delta T</math> || Temperature difference in K  
+
|<math>\Delta T</math> || Temperaturdifferenz in K  
|<math>a</math> || Specific therm. Deflection in 1/K  
+
|<math>a</math> || spez. therm. Ausbiegung in 1/K  
 
|-
 
|-
|<math>s</math> ||Thickness in mm  
+
|<math>s</math> ||Dicke in mm  
|<math>b=ac</math> ||Thermal action force constant<math> N/(mm^2 \cdot K)</math>
+
|<math>b=ac</math> ||therm. Richtkraftkonstante in<math> N/(mm^2 \cdot K)</math>
 
|  rowspan="2" | <math>c_{1} =    \frac {\pi}{540} \cdot c</math>  
 
|  rowspan="2" | <math>c_{1} =    \frac {\pi}{540} \cdot c</math>  
 
|-
 
|-
|<math>L</math> || Free moving length in mm
+
|<math>L</math> || freibewegliche Länge in mm
|<math>c</math> || Mechan. action force constant in <math>N/mm^2</math>
+
|<math>c</math> || mech. Richtkraftkonstante <math>N/mm^2</math>
 
|}
 
|}
  
===<!--5.4.2-->Stress Force Limitations===
+
===<!--5.4.2-->Grenzbelastung===
  
For all calculations according to the formulas in <xr id="tab:Design Formulas for Thermostatic Bimetal Components"/><!--Table 5.24--> one should check if the thermally or mechanically induced stress forces stay below the allowed bending force limit. The following formulas are applicable for calculating the allowable load (Force P<sub>max</sub> or momentum M<sub>max</sub>):
+
In allen Berechnungen gemäß <xr id="tab:Design Formulas for Thermostatic Bimetal Components"/><!--Table 5.24--> ist nachzuprüfen, ob die thermisch
 +
und/oder mechanisch induzierten Spannungen unterhalb der zulässigen
 +
Grenzbiegespannung liegen. Für die Berechnung der zulässigen Belastung
 +
(Kraft P<sub>max</sub> bzw. Moment M<sub>max</sub>) der Thermobimetall-Grundformen ergeben sich die
 +
folgenden Beziehungen:
  
  
 
<table class="twocolortable" style="text-align: left; font-size:12px;width:60%">
 
<table class="twocolortable" style="text-align: left; font-size:12px;width:60%">
 
<tr>
 
<tr>
<td>Single side fixed strip</td>       
+
<td>Einseitig eingespannter Streifen</td>       
 
<td><math>P_{max} <
 
<td><math>P_{max} <
 
   \frac {\sigma Bs^2}{6L} </math> </td>
 
   \frac {\sigma Bs^2}{6L} </math> </td>
 
</tr><tr>
 
</tr><tr>
<td>Both sides fixed strip</td>
+
<td>Beidseitig gelagerter Streifen</td>
 
<td><math>P_{max} <
 
<td><math>P_{max} <
 
   \frac {\sigma Bs^2}{1,5L} </math></td>
 
   \frac {\sigma Bs^2}{1,5L} </math></td>
 
</tr><tr>
 
</tr><tr>
<td>Spiral or filament  </td>
+
<td>Spirale und Wendel</td>
 
<td><math>M_{max} <
 
<td><math>M_{max} <
 
   \frac {\sigma Bs^2}{6} </math></td>
 
   \frac {\sigma Bs^2}{6} </math></td>
 
</tr><tr>
 
</tr><tr>
<td>Disc  </td>
+
<td>Scheibe</td>
 
<td><math>P_{max} <
 
<td><math>P_{max} <
 
   \frac {2 \sigma s^2}{3} </math></td>
 
   \frac {2 \sigma s^2}{3} </math></td>
 
</tr>
 
</tr>
 
</table>  
 
</table>  
<math>\sigma</math> = bending stress
 
  
 
==Kommentare==
 
==Kommentare==

Revision as of 13:22, 20 September 2014

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.

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 and 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.


Table 1: Werkstoffbezeichnung einiger Reinkupfersorten
Werkstoffbezeichnung EN-KurzzeichenEN-NummerDIN-KurzzeichenDIN-NummerUNS
Cu-ETPCW004AE-Cu 582.0065C11000
Cu-OFCW008AOF-Cu2.0040C10200
Cu-HCPCW021ASE-Cu2.0070C10300
Cu-DLPCW023ASW-Cu2.0076C12000
Cu-DHPCW024AF-Cu2.0090C12200


Table 2: Zusammensetzung einiger Reinkupfersorten
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


Table 3: Physikalische Eigenschaften einiger Reinkupfersorten

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


Table 4: Mechanische Eigenschaften einiger Reinkupfersorten

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
R220220 - 260 ≤140≥3340 - 65
R240240 - 300 ≥180 ≥865 - 95
R290290 - 360≥250≥490 - 110
R360≥360≥320≥2 ≥110

Figure 1 Verfestigungsverhalten von Cu-ETP

Figure 2 Erweichungsverhalten von Cu-ETP nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 25%

Figure 3 Erweichungsverhalten von Cu-ETP nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 50%


Figure 1: Verfestigungsverhalten von Cu-ETP
Figure 2: Erweichungsverhalten von Cu-ETP nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 25%
Figure 3: Erweichungsverhalten von Cu-ETP nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 50%

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.

Einfluss geringer Zusätze auf die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer

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.


Table 5: Physikalische Eigenschaften einiger niedriglegierter Kupferwerkstoffe
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


Table 6: Mechanische Eigenschaften einiger niedriglegierter Kupferwerkstoffe
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%

Strain hardening of technical pure nickel by cold working
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%

Verfestigungsverhalten von NiCu30Fe durch Kaltumformung
Erweichungsverhalten von NiCu30Fe nach 0,5 h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%


Table 7: Physikalische Eigenschaften von Nickel und Nickellegierungen
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


Table 8: Mechanische Eigenschaften von Nickel und Nickellegierungen
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).

Zustandsdiagramm Nickel-Beryllium

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.

Aushärtung von NiBe (weich) bei 480°C

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.


Table 9: Auszug aus der Gesamtpalette verfügbarer Thermobimetalle
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.


Table 10: Berechnungsformeln für Thermobimetalle
Form des Thermobimetalls Ausbiegung mechanische Richtkraft thermische Richtkraft
Freitragende Streifen
Contilevered strip.jpg
A =
<pre>  \frac {\alpha \Delta TL^2}{s} P =
<pre>  \frac {cA Bs^3}{L^3} P =
<pre>  \frac {b \Delta T Bs^3}{L}
Beidendig gelagerter Streifen
Dual supported strip.jpg
A =
<pre>  \frac {\alpha \Delta T L^2}{4s} P =
<pre>  \frac {16c AB s^3}{L^3} P =
<pre>  \frac {4b \Delta TB s^2}{L}
U-förmiger Streifen
U shaped element.jpg
A =
<pre>  \frac {\alpha \Delta T L^2}{2s} P =
<pre>  \frac {4c AB s^3}{L^3} P =
<pre>  \frac {2b \Delta TB s^2}{L}
Spirale
Spiral.jpg
A =
<pre>  \frac {\alpha \Delta T}{s} (f^2 - e^2 + 4 r^2 + 2 e f + 2 \pi r f)
Wendel
Helical spring.jpg
\alpha =
<pre>  \frac {\alpha_{1} \Delta TL}{s} P =
<pre>  \frac {c_{1} \alpha Bs^3}{L \cdot r} P =
<pre>  \frac {b_{1} \Delta TBs^2}{r}
Scheibe
Disc.jpg
A =
<pre>  \frac {\alpha \Delta T (D^2 - d^2)}{5s} P =
<pre>  \frac {16c A s^3}{D^2 - d^2} P = 3,2 b \Delta T s^2
Reversierter Streifen
Reversed strip.jpg
A =
<pre>  \frac {\alpha \Delta T}{s} (y^2 - 2xy - x^2) P =
<pre>  \frac {c ABs^2}{L^3} P =
<pre>  \frac {b \Delta T Bs^2}{L^3} (y^2 - 2xy - x^2)
Reversierte U-Feder
Reserved u shaped element.jpg
A =
<pre>  \frac {\alpha \Delta T}{s} [f^2 + 4 r^2 + 2 \pi r f - (e^2 - 2ex^2 - x^2) + 2f (e - x)]
A Ausbiegung in mm B Breite in mm a_{1} = \frac {360}{\pi} \cdot a
\alpha Drehwinkel in ° D,d Durchmesser in mm
P Kraft in N r Radius in mm b_{1} =  \frac {2}{3} \cdot b
\Delta T Temperaturdifferenz in K a spez. therm. Ausbiegung in 1/K
s Dicke in mm b=ac therm. Richtkraftkonstante in N/(mm^2 \cdot K) c_{1} =    \frac {\pi}{540} \cdot c
L freibewegliche Länge in mm c mech. Richtkraftkonstante N/mm^2

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 P_{max} <
   \frac {\sigma Bs^2}{6L}
Beidseitig gelagerter Streifen P_{max} <
   \frac {\sigma Bs^2}{1,5L}
Spirale und Wendel M_{max} <
   \frac {\sigma Bs^2}{6}
Scheibe P_{max} <
   \frac {2 \sigma s^2}{3}

Kommentare

  1. 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