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-->).
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
===<!--5.1.3-->Niedriglegierte Kupfer-Werkstoffe===
The high Cu content alloy materials are closest Die niedriglegierten Kupferwerkstoffe kommen in their properties to pure copper materialsihren Eigenschaften demreinen Kupfer am nächsten. 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 Durch gezielte Zugabe kleiner Mengen von Legierungselementengelingt es, die Festigkeit und vor allem die Erweichungstemperaturdes Kupfers zu erhöhen, wobei die elektrische Leitfähigkeit nurwenig verringert wird (<xr id="fig:Influence of small additions on the electrical conductivity of copper"/><!--(Fig. 5.4)-->). Als Legierungselemente kommen z.B. SilverSilber, ironEisen, tinZinn, zincZink, nickelNickel, chromiumChrom, zirconiumZirkon, silicon, and titanium are usedSilizium und Titan zum Einsatz. Usually the additive amounts are significantly below DerAnteil der zulegierten Komponente liegt meist deutlich unter 3 wtMassen-%. This group of materials consists of mixed crystal as well as precipitation hardening alloysZudieser Werkstoffgruppe sind sowohl mischkristall- als auch ausscheidungshärtendeLegierungen zu zählen. The precipiytion hardening copperAuf die aushärtbaren Kupfer-Beryllium- undKupfer-beryllium and copperChrom-chromiumZirkon-zirconium materials are decribed later in a separate sectionWerkstoffe wird später eingegangen.
<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 copperEinfluss geringer Zusätze auf dieelektrische Leitfähigkeit von Kupfer]]
</figure>
From the large number of high-Cu alloys only the properties of selected ones are covered here Aus der großen Zahl der angebotenen niedriglegierten Kupferwerkstoffe könnenhier nur wenige herausgegriffen und ihre Eigenschaften aufgelistet werden(<xr id="tab:Physical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys"/><!--(Tab. 5.5)--> and und <xr id="tab:Mechanical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys"/><!--(Tab. 5.6)-->). Some of these materials are not included Einige dieser Werkstoffe sind nicht in the der EN standards systementhalten.
The low alloyed materials Die niedriglegierten Kupferwerkstoffe CuAg0.,1 and und CuCd1 are mostly used as overhead drive cables where they have to meet sustained loads at elevated temperatures without softeningkommen vor allemals Fahrdrähte von Oberleitungen zum Einsatz, wo sie Dauerbelastungen beierhöhten Temperaturen ohne Erweichung standhalten müssen.
The materials Die Werkstoffe CuFe0.,1 and und CuSn0,15 zeichnen sich durch eine hohe elektrischeLeitfähigkeit aus.15 have a high electrical conductivityDie Festigkeitswerte beider Werkstoffe sind zwar verhältnismäßigniedrig, bleiben jedoch bei kurzzeitiger Wämeeinwirkung bis ca. The mechanical strength of both is relatively low but stays almost constant at temperatures up to 400°Cnahezu unverändert. The are used as substrates for power semiconductors and also as carriers for stationary contacts Sie werden als Systemträger für Halbleiterbauelementeaber auch als Trägerteile für Festkontakte in higher energySchaltgeräten der Energietechnikswitchgearverwendet.
CuFe2 is a material exhibiting high electrical conductivity and good formabilityCuFe2P ist ein Kupferwerkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und guterKaltumformbarkeit. During an annealing process Fe-rich precipitations are formed in the Bei einer Anlassbehandlung treten eisenreiche Ausscheidungenim " -Cu matrix which change the mechanical properties very little but increase the electrical conductivity significantlyKupfer auf, die die mechanischen Eigenschaften nur wenig, dieelektrische Leitfähigkeit jedoch deutlich verbessern. Besides being used as a contact carrier material Neben dem Einsatz alsKontaktträgerwerkstoff in switching devices, this material has broader applications Schaltgeräten hat CuFe2P breite Anwendung in automotive connectors and as a substrate Steckverbindern der Kfz-Technik und als Systemträger in the semiconductor technologyder Halbleitertechnikgefunden.
Der Werkstoff CuNi2Si has high mechanical strength, good formabilityweist eine hohe Festigkeit und sehr gute Biegbarkeit beiguter elektrischer Leitfähigkeit auf. Dieses Eigenschaftsspektrum wird durcheine gezielte, and at the same time high electrical conductivity. This combination of advantageous properties is achieved by a defined finely dispersed precipitation of nickel silicidesfeinverteilte Ausscheidung von Nickel-Siliziden erreicht. CuNi2Si is used mainly kommt in Form von Stanz-Biegeteilen in the form of stamped and formed parts thermisch hoch beanspruchtenelektromechanischen Bauelementen vor allem in thermally stressed electromechanical components for automotive applicationsder Kfz-Technik zum Einsatz.
CuSn1CrNiTi and und CuCrSiTi are advanced developments of the sind Weiterentwicklungen von Kupferwerkstoffen imAusscheidungssystem Cu-Cr-Ti precipitation materials with fine intermetallic dispersionsmit feinverteilten intermetallischen Ausscheidungen. The materialZu dieser Gruppe ist auch der Werkstoff CuNi1Co1Si also belongs into this family and has properties similar to the low alloyed zu zählen, derein Eigenschaftsprofil ähnlich dem der niedrig legierten CuBe materials-Legierungenerreicht.
<figtable id="tab:Physical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys">
<caption>'''<!--Tab. 5.5-->Physical Properties of Selected High Cu Content Copper AlloysPhysikalische Eigenschaften einiger niedriglegierter Kupferwerkstoffe'''</caption>
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
|-
!Material/Werkstoff<br />DesignationBezeichnung<br />EN UNS !CompositionZusammensetzung!DensityDichte<br />[g/cm<sup>3</sup>]!colspan="2" style="text-align:center"|Electrical<br />Conductivity Elektr. Leitfähigkeit !Electrical<br />ResistivityElektr. Widerstand<br />[μΩ·cm]!Thermal<br />ConductivityWärmeleitfähigkeit<br />[W/(m·K)]!CoeffLin. Ausdehnungskoeff. of Linear<br />Thermal<br />Expansion<br />[10<sup>-6</sup>/K]!Modulus of<br />ElasticityE-Modul<br />[GPa]!Softening TemperatureErweichungstemperatur<br />(approxca. 10% loss in<br />strengthFestigkeitsabfall)<br />[°C]!Melting<br />Temp RangeSchmelzbereich<br />[°C]
|-
!
|1082
|-
|CuFe0,1P<br />not standardizednicht genormt<br />C19210
|Fe 0.05-0.015<br />P 0.025-0.04<br />Cu Rest
|8.89
|
|-
|CuSn1CrNiTi<br />not standardizednicht genormt<br />C18090
|Sn 0.6<br />Ni 0.4<br />Cr 0.3<br />Ti 0.3<br />Cu Rest
|8.87
|1025 - 1074
|-
|CuNi1Co1Si<br />not standardizednicht genormt<br />C70350
|Ni 1.5<br />Co 1.1<br />Si 0.6<br />Cu Rest
|8.82
|
|-
|CuCrSiTi<br />not standardizednicht genormt<br />C18070
|Cr 0.3<br />Ti 0.1<br />Si 0.02<br />Cu Rest
|8.88
<figtable id="tab:Mechanical Properties of Selected High Cu Content Copper Alloys">
<caption>'''<!--Table 5.6:-->Mechanical Properties of Selected High Cu Content Copper AlloysMechanische Eigenschaften einiger niedriglegierter Kupferwerkstoffe'''</caption>
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
|-
!MaterialWerkstoff!Hardness<br />ConditionZustand!Tensile Strength Zugfestigkeit R<sub>m</sub><br />[MPa]!0,2% YieldStrengthDehngrenze<br />R<sub>p02</sub><br />[MPa]!ElongationBruchdehnung<br />A<sub>50</sub><br />[%]!Vickers<br />HardnessVickershärte<br />HV!Bend RadiusBiegeradius<sup>1)</sup><br />perpendicular tomin senkrecht zur<br />rolling directionWalzrichtung!Bend RadiusBiegeradius<sup>1)</sup><br />min parallel tozur<br />rolling directionWalzrichtung!Spring BendingFederbiegegrenze<br />Limit σ<sub>FB</sub><br />[MPa]!Spring FatigueBiegewechselfestigkeit<br />Limit σ<sub>BW</sub><br />[MPa]
|-
|CuAg0,10
|}
</figtable>
<sup>1)</sup> t: Strip thickness 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.
===<!Diese neueren Kupfer--5Werkstoffe zeichnen sich durch eine Optimierung vonEigenschaften, wie elektrische Leitfähigkeit, Festigkeit und Relaxation aus, dieder jeweiligen Anwendung angepasst sind.1Typische Anwendungen sind Kontaktfedernfür Relais, Schalter und Steckverbinder.4-->Naturally Hard Copper Alloys===
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===<!--5. Included in this group are also the silver bronzes (CuAg) with 2 – 6 wt% of Ag1.4-->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 erzeugtwird, werden als naturharte Legierungen bezeichnet. Zu dieser Gruppe sindauch die Silberbronzen mit Silbergehalten von 2 bis 6 Massen-% zu zählen.
===<!siehe Artikel: [[Naturharte_Kupfer-Legierungen| Naturharte Kupfer-5.1.5-->Other Naturally Hard Copper Alloys===Legierungen]]
Main Articel: [[Other Naturally Hard Copper Alloys| Other Naturally Hard Copper Alloys]]===<!--5.1.5-->Sonstige naturharte Kupfer-Legierungen===
===<!siehe Artikel: [[Sonstige_naturharte_Kupfer-Legierungen| Sonstige naturharte Kupfer-5.1.6-->Precipitation Hardening Copper Alloys===Legierungen]]
Besides the naturally hard copper materials precipitation hardening copper alloys play also an important role as carrier materials for electrical contacts===<!--5. 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 significantly1.6-->Aushärtbare Kupfer-Legierungen===
Main Articel: [[Precipitation Hardening Copper Alloys| Precipitation Hardening Copper Alloys]]Neben den naturharten Kupferwerkstoffen spielen aushärtbare Kupferlegierungenals Trägerwerkstoffe für elektrische Kontakte eine wichtige Rolle.Bei den aushärtbaren Legierungen können durch eine geeignete Wärmebehandlungfein verteilte Ausscheidungen einer zweiten Phase erzeugt werden,die die Festigkeit des Werkstoffes deutlich erhöhen.
===<!siehe Artikel: [[Aushärtbare_Kupfer-Legierungen| Aushärtbare Kupfer-5.1.7-->Application Properties for the Selection of Copper Alloys===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===<!--5. During severe thermal stressing the behavior of spring materials is determined by their softening and relaxation. The following briefly describes these material properties1.7-->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 elektrischerLeitfähigkeit vor allem die typischen Federeigenschaften, wie Federbiegegrenzeund Biegewechselfestigkeit sowie die Biegbarkeit wichtige Kenngrößendar. Bei höherer thermischer Beanspruchung wird das Verhalten derFederwerkstoffe durch Entfestigung und Relaxation bestimmt. Im folgendensollen diese Kenngrößen kurz beschrieben werden.
===<!siehe Artikel: [[Kenngrößen_zur_Bewertung_der_Eigenschaften_von_Kupfer-Legierungen| Kenngrößen zur Bewertung der Eigenschaften von Kupfer-5.1.8-->Selection Criteria for Copper-Based Materials===Legierungen]]
The selection of copper===<!-based materials from the broad spectrum of available materials must be based on the requirements of the application-5. 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 properties1.8-->Vergleichende Bewertung der Kupfer-Werkstoffe===
If current carrying capability is the key requirementDie Auswahl des optimalen Kupferwerkstoffes aus der breiten Werkstoffpalettesollte sich am jeweiligen Anwendungsfall orientieren. Zweckmäßigerweise wirdzunächst ein Anforderungsprofil erstellt, mechanical strength may have to be sacrificed as for example in carrier parts for stationary contactsaus dem die erforderlichen Werkstoffeigenschaftenabgeleitet werden können. In this caseEs gibt jedoch keinen Kupferwerkstoff, depending on the current level, pure copper or low alloyed copper materials such as CuSn0der alle Anforderungen gleich gut erfüllt. Es muss stets ein Kompromissz.B.15, or for economic reasons CuZn30, may be suitablezwischen elektrischer Leitfähigkeit und Federeigenschaften gefundenwerden.
For spring contact components the interdependent relations between electrical conductivity and fatigue strengthSteht allein die Stromübertragung im Vordergrund und kann auf gute mechanischeEigenschaften weitgehend verzichtet werden, or electrical conductivity and relaxation behavior are of main importancez. The first case is critical for higher load relay springsB. 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 connectorsbei Trägerteilen fürFestkontakte, so kommen je nach Höhe des Stromes Kupfer, niedriglegierteKupferwerkstoffe z. 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 carryingB. In this case the relaxation behavior of the copper materials which may cause a decrease CuSn0,15 oder aus Preisgründen Messing (CuZn30) alsWerkstoff 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 valuesFrage.
The increasing requirements on spring components in connectorsBei Federelementen sind für die Wahl des Trägerwerkstoffes die Wechselbeziehungenzwischen elektrischer Leitfähigkeit und Biegewechselfestigkeit bzw.elektrischer Leitfähigkeit und Spannungsrelaxation von besonderem Interesse.Der erstere Fall tritt bei elektrisch hochbelasteten Relaisfedern auf. Hierbeispielt z.B. CuAg2 eine wichtige Rolle. Der zweite betrifft Trägerelemente, especially for use in automotive applicationsdieunter mechanischer Dauerbelastung stehen, such as higher surrounding temperaturesz.B. Steckverbinder. Die Federkraftmuss über die gesamte Lebensdauer trotz erhöhter Umgebungstemperaturenund Stromerwärmung möglichst konstant sein. In diesem Fall muss dieRelaxationsneigung der Kupferwerkstoffe, increased reliabilitydie zu einem allmählichen Abbau derKontaktkraft führt, and the trend towards miniaturization led to a change of materials from traditionally CuZn30 and CuSn4 to CuNiSi alloysberücksichtigt werden. Daneben muss ein problemloserformgebender Fertigungsprozess gewährleistet sein, for exampled. These CuNiSi alloys and the newer heavy duty copper alloys like CuNi1Co1 are significantly improved with regards to mechanical strength, relaxation behavior, and electrical conductivityh. Biegeoperationenmüssen auch bei hohen Festigkeitswerten durchführbar sein.
==<!Die gestiegenen Anforderungen an die Federelemente für Steckverbinder vorallem beim Einsatz im Kfz, d.h. höhere Umgebungstemperatur, erhöhte Anforderungenan die Zuverlässigkeit und der Trend zur Miniaturisierung führten zueinem Generationswechsel bei den Werkstoffen, nämlich von CuZn30 undCuSn4 z.B. zu den CuNiSi--5Legierungen.2Diese CuNiSi-Legierungen und dieneuen Kupfer->Nickel and Nickel Alloys==Hochleistungslegierungen wie CuNi1Co1 sind gegenüber dentraditionellen Werkstoffen hinsichtlich Festigkeit, Relaxationsverhalten undelektrischer Leitfähigkeit deutlich verbessert.
===<!--5.2.1-->Technical Grade Pure 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)-->2. Work hardening and softening behavior of nickel are shown in [[#figures11|(Figs. 5 – 6)]]<!--Figs. 5.45 and 5.461-->.Technisch reines Nickel===
One Technisch reines Nickel enhält üblicherweise 99,0 bis 99,8 Massen-% Ni undbis zu 1 Massen-% Co. Weitere Beimengungen sind Fe und Mn (<xr id="tab:Physical Properties of the significant properties Nickel and Nickel Alloys"/><!--(Tab. 5.21)--> und <xr id="tab:Mechanical Properties of nickel is its modulus of elasticity which is almost twice as high as that of copperNickel and Nickel Alloys"/><!--(Tab. 5. At temperatures up to 345°C nickel is ferro22)--magnetic>).Verfestigungs- und Erweichungsverhalten von Nickel sind in den Nickel has a high corrosion resistance, is very ductile, and easy to weld and cladBildern [[#figures11|Figs. 5 – 6]]<!--Figs. 5. It is of great importance as a backing material for multiple layer weld profiles45 und 5. 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 palladium46--based contact materials> dargestellt.
Because of the always present thin oxide layer on its surfaceBei den physikalischen Eigenschaften von Nickel ist vor allem der Elastizitätsmodulhervorzuheben, nickel is not suitable as a contact material for switching contactsder nahezu doppelt so hoch ist wie der des Kupfers. BeiTemperaturen bis 345°C ist Nickel ferromagnetisch.Nickel zeichnet sich durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus, ist sehrduktil und gut schweiß- und plattierbar. Es hat daher eine große Bedeutung alsBasiswerkstoff für mehrschichtige Kontaktprofile. Eine weitere wichtigeFunktion erfüllt Nickel bei dünnen Plattierungen, wo es als ZwischenschichtDiffusionsvorgänge zwischen kupferhaltigen Trägerwerkstoffen und Kontaktwerkstoffenauf Gold- und Palladiumbasis wirksam behindert.
<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 workingVerfestigungsverhalten 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 Erweichungsverhalten von techn. reinem Nickel nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 50% cold working
</div>
<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 Erweichungsverhalten von techn. reinem Nickel nach 3h Glühdauer und einer Kaltumformung von 50% cold working]]
</figure>
</div>
<div class="clear"></div>
===<!--5.2.2-->Nickel Alloys-Legierungen===
Because of its low electrical conductivity NiCu30Fe is besides pure ist wegen seiner geringen elektrischen Leitfähigkeit neben Ni and undden CuNi alloys the most widely used backing material for weldable contact components-Legierungen der meist verwendete Werkstoff für gut schweißbareKontaktunterlagen. Durch Zusätze von Fe (ca. With 1 – bis 2 wtMassen-% additives of Fe as well as ) sowie Mn undCo (jeweils 0.,5 – bis 1 wtMassen-% Mn and Co the mechanical strength of the binary alloy ) kann die Festigkeit der binären NiCu30 can be increased-Legierung gesteigert werden.
The strength values of Die Festigkeitswerte von NiCu30Fe are significantly higher than those of the copper rich liegen deutlich über denen kupferreicherCuNi alloys -Legierungen [[#figures12|(Figs. 7 – 8)]]<!--(Figs. 5.47 and 5.48)-->. The good spring properties and thermal stability of Aufgrund der guten Federeigenschaftenund hohen Warmfestigkeit kommt NiCu30Fe make it a suitable material for the use as thermally stressed contact springsvor allem für thermischbeanspruchte Federn zum Einsatz.
<div id="figures12">
<xr id="fig:Strain hardening of NiCu30Fe by cold working"/><!--Fig. 5.47:--> Strain hardening of Verfestigungsverhalten von NiCu30Fe by cold workingdurch Kaltumformung
<xr id="fig:Softening of NiCu30Fe after annealing for 0.5 hrs"/><!--Fig. 5.48:--> Softening of Erweichungsverhalten von NiCu30Fe after annealing for nach 0.,5 hrs and after h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80% cold working
</div>
<div class="multiple-images">
<figure id="fig:Strain hardening of NiCu30Fe by cold working">
[[File:Strain hardening of NiCu30Fe by cold working.jpg|right|thumb|Strain hardening of Verfestigungsverhalten von NiCu30Fe by cold workingdurch Kaltumformung]]
</figure>
<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 Erweichungsverhalten von NiCu30Fe after annealing for nach 0.,5 hrs and after h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80% cold working]]
</figure>
</div>
<figtable id="tab:Physical Properties of Nickel and Nickel Alloys">
<caption>'''<!--Table 5.21:-->Physical Properties of Physikalische Eigenschaften von Nickel and Nickel Alloysund Nickellegierungen'''</caption>
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
|-
!Material<br />DesignationWerkstoff Bezeichnung<br />WST-Nr.<br />EN UNS !CompositionZusammensetzung<br />[wtMassen-%]!DensityDichte<br />[g/cm<sup>3</sup>]!colspan="2" style="text-align:center"|Electrical<br />Conductivity Elektr. Leitfähigkeit !Electrical<br />ResistivityElektr. Widerstand<br />[μΩ·cm]!Thermal<br />ConductivityWärmeleitfähigkeit<br />[W/(m·K)]!CoeffLin. Ausdehnungskoeff. of Linear<br />Thermal<br />Expansion<br />[10<sup>-6</sup>/K]!Modulus of<br />ElasticityE-Modul<br />[GPa]!Softening TemperatureErweichungstemperatur<br />(approxca. 10% loss in<br />strengthFestigkeitsabfall)<br />[°C]!Melting<br />Temp RangeSchmelzbereich<br />[°C]
|-
!
</figtable>
<sup>a</sup>solution annealed, and hardenedlösungsgeglüht und ausgehärtet
<figtable id="tab:Mechanical Properties of Nickel and Nickel Alloys">
<caption>'''<!--Table 5.22:-->Mechanical Properties of Mechanische Eigenschaften von Nickel and Nickel Alloysund Nickellegierungen'''</caption>
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
|-
!MaterialWerkstoff!Hardness<br />ConditionZustand!Tensile Strength Zugfestigkeit R<sub>m</sub><br />[MPa]!0,2% Yield StrengthDehngrenze<br />R<sub>p02</sub><br />[MPa]!ElongationBruchdehnung<br />A<sub>50</sub><br />[%]!Vickers<br />HardnessVickershärte<br />HV!Spring Bending<br />Limit Federbiegegrenze σ<sub>FB</sub><br />[MPa]!Fatigue<br />Strength Biegewechselfestigkeit σ<sub>BW</sub><br />[MPa]
|-
|Ni99,2
</figtable>
<sup>a</sup>solution annealed, and cold rolledlösungsgeglüht und kaltumgeformt<br /> <sup>b</sup>solution annealedlösungsgeglüht, cold rolled, and precipitation hardenedkaltumgeformt und ausscheidungsgehärtet<br /> <sup>c</sup>solution annealed, cold rolledlösungsgeglüht, and precipitation hardened at mill kaltumgeformt und ausscheidungsgehärtet im Werk (mill hardenedwerksvergütet)
===<!--5.2.3-->Nickel-Beryllium Alloys-Legierungen===
Because of decreasing solubility of beryllium in nickel with decreasing temperature Durch die mit sinkender Temperatur abnehmende Löslichkeit des Berylliums imNickel ist bei NiBe can be precipitation hardened similar to , ähnlich wie bei CuBe , die Möglichkeit zur Ausscheidungshärtunggegeben <xr id="fig:Phase diagram of nickel beryllium"/><!--(Fig. 5.49)-->. The maximum soluble amount of Be Die maximale Löslichkeit von Beryllium in Ni is Nickelbeträgt 2.,7 wtMassen-% at the eutectic temperature of bei einer eutektischen Temperatur von 1150°C. to achieve a high hardness by precipitation hardening Um diedurch Ausscheidungshärtung erzielbaren hohen Festigkeitswerte zu erreichen,wird NiBe, similar to ähnlich CuBe, is annealed at bei 970 - bis 1030°C and rapidly quenched to room temperaturewärmebehandelt („lösungsgeglüht“)und anschließend rasch auf Raumtemperatur abgekühlt („abgeschreckt“).Weichgeglühtes Material ist gut kaltbildsam. Soft annealed material is easily cold formed and after stamping and forming Nach der Formgebungschließt sich die Anlassbehandlung an hardening anneal is performed at (1 bis 2h bei 480 to bis 500°C for 1 to 2 hours).
<figure id="fig:Phase diagram of nickel beryllium">
[[File:Phase diagram of nickel beryllium.jpg|right|thumb|Phase diagram of nickelZustandsdiagramm Nickel-berylliumBeryllium]]
</figure>
Commercial nickelHandelsübliche Nickel-beryllium alloys contain Beryllium-Legierungen enthalten 2 wtMassen-% Be. Compared to Verglichen mit CuBe2 the weist NiBe2 materials have a significantly higher modulus of elasticity but a much lower electrical conductivityeinen deutlich höheren Elastizitätsmodul,aber eine wesentlich geringere elektrische Leitfähigkeit auf. The mechanical strength is higher than that of Die durch Ausscheidungshärtungerzielten Festigkeitswerte übertreffen die von CuBe2 <xr id="fig:Precipitation hardening of NiBe2 soft at 480C"/><!--(Fig. 5.50)-->, the spring bending force limit can exceed values of over . Die Federbiegegrenze erreicht Werte bis über 1400 MPa and the fatigue strength reaches approximately , die Biegewechselfestigkeitbis ca. 400 MPa.
<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 Aushärtung von NiBe (softweich) at bei 480°C]]
</figure>
A further advantage of Besonders hervorzuheben ist die sehr hohe Warmfestigkeit von NiBe2 is its high temperature stability. Cold worked and subsequently precipitation hardened Beikaltverfestigtem und anschließend ausgehärtetem NiBe2 can withstand sustainedbeträgt die maximaltemperatures of zulässige Dauertemperatur je nach Vorbehandlung 400 - bis 650°C, depending on ist pre-treatment.
Similar to Ähnlich wie bei CuBe materials, sind NiBe alloys are available -Legierungen als aushärtbare Werkstoffe in mill hardened in various conditions or also already precipitation hardened at the manufacturerverschiedenen Festigkeitszuständen, auch „werksvergütet“ erhältlich.
Nickel-beryllium alloys are recommended for mechanically and thermally highly stressed spring componentsBeryllium-Legierungen bieten sich für mechanisch und thermischbesonders hoch beanspruchte Federn an. For some applications their ferro-magnetic properties can also be advantageousFür manche Anwendungen ist auchihr ferromagnetisches Verhalten von Vorteil.
==<!--5.3-->TripleDreischicht-Layer Carrier MaterialsTrägerbänder==
Manufacturing of tripleDie Herstellung dieser Bänder erfolgt üblicherweise durch Kaltwalzplattieren.Die drei Werkstoff-layer carrier materials is usually performed by cold rollcladding. The three materials cover each other completelyKomponenten überdecken sich vollständig. The advantage of this composite material group is that the different mechanical and physical properties of the individual components can be combined with each otherVorteile dieserVerbundwerkstoffgruppe sind, die unterschiedlichen mechanischen und physikalischenEigenschaften der Komponenten miteinander zu verbinden.
Depending on the intended application the following layer systems are utilizedJe nach Anwendung und den technischen Anforderungen werden unterschiedlicheSchichtsysteme eingesetzt:
* 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 bronzeDie hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie die hohe Stromtragfähigkeitdes Kupfers wird mit den sehr guten Federeigenschaften der Zinnbronzekombiniert. Conduflex N strips are used -Bänder werden in a thickness range of einem Bereich der Dicke von0.,1 – -1,5 mm in a maximum width of 5mm und einer maximalen Breite von 140 mmverarbeitet.
* Cu - FeNi36 (Invar) - Cu
The high electrical conductivity and ductility of copperis combined with the low coefficient of thermal conductivity of the Die hohe elektrische Leitfähigkeit und Duktilität des Kupfers wird mit demniedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Invar alloy-Legierung verknüpft. The dimensionsional range is Die Abmessungen bezüglich Banddicke liegen im Bereich 0.,2 – - 1.,8 mm in thickness with a maximum width of , diemaximale Breite beträgt 140 mm.
* Cu – -Fe or Steel – 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 steelDie hohe elektrische Leitfähigkeit und die sehr guten Lichtbogenlaufeigenschaftendes Kupfers werden mit den mechanischen und magnetischenEigenschaften von Eisen oder Stahl kombiniert. The thickness and width range of material strips are the same of the ones for Die Abmessungen entsprechendenen des Systems Cu – -Invar – -Cu system.
The thickness ratios of the components can be selected according to the application requirementsDas Dickenverhältnis der Komponenten kann individuell gewählt werden undrichtet sich nach den technischen Anforderungen. The two outer layers usually have the same thicknessDie beiden Außenkomponentenbesitzen meist die gleiche Dicke.
==<!--5.4-->Thermostatic BimetalsThermobimetalle==
Thermostatic bimetals are composite materials consisting of two or three layers of materials with different coefficients of thermal expansionThermobimetalle sind Verbundwerkstoffe, die aus zwei oder drei Schichten mitunterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. They are usually bonded together by claddingSie sindüblicherweise durch Walzplattieren fest miteinander verbunden. If such a material part is heated either directly through current flow or indirectly through heat conduction or radiationWird einsolches Thermobimetall direkt, z.B. durch Stromfluss, oder indirekt, z.B. durchWärmeleitung oder -strahlung, erwärmt, the different expansion between the active verursacht die unterschiedliche Ausdehnungvon aktiver (strong expansiongrößere Ausdehnung) and passive und passiver (low expansiongeringere Ausdehnung) layer causes bending of the component partKomponente eine Krümmung.
Directional or force effects on the free end of the thermostatic bimetal part is then used as a trigger or control mechanism Wegänderung oder Kraftwirkung am freien Ende des Thermobimetalles werdenals Auslöse- und Stellglieder in thermostatsThermostaten, protective switches, or in control circuitsSchutzschaltern sowie SteuerundRegelkreisen genutzt. Depending on the required function of the thermostatic bimetal component different design shapes are usedEntsprechend der gewünschten Wirkungsweise desThermobimetalles kommen verschiedene Formteile zum Einsatz:
*'''Straight or Gerade oder U-shaped stripsförmige Streifen''' for nearly linear motionfür nahezu geradlinige Bewegungen.*'''Circular discsKreisförmige Scheiben''' for small linear motions with high forcefür kleine geradlinige Bewegungen verbunden mit einer hohen Richtkraft.*'''Spirals and filament spring shapesSpiralen und Wendeln''' for circular motionfür Kreisbewegungen.*'''Stamped and formed partsFormstanzteile''' for special designs and applicationsfür spezielle Anwendungen.
The wide variety of thermostatic bimetal types is specified mostly through Die Vielzahl der Thermobimetall-Typen ist größtenteils nach DIN 1715 andoder/or applicable undASTM standards Standard spezifiziert <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 materialsDie einzelnen Typen unterscheiden sichdabei hinsichtlich der Werkstoffzusammensetzung von aktiver und passiverKomponente. The mostly used alloys are ironZum Einsatz kommen vor allem Eisen-nickel and manganeseNickel-coppersowie Mangan-nickelKupfer-Nickel-Legierungen. Mainly used Weiterhin sind hauptsächlich 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 resistanceverschiedenen SchutzschalternThermobimetalle mit Zwischenlagen aus Kupfer oder Nickel gebräuchlich, die eineAbstufung des spezifischen elektrischen Widerstandes ermöglichen.
<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-BimetalsAuszug aus der Gesamtpalette verfügbarer Thermobimetalle'''</caption>
{| class="twocolortable" style="text-align: left; font-size: 12px"
|-
!DesignationBezeichnung<br />DIN 1715 !DesignationBezeichnung<br />ASTM!Specific Thermal DeflectionSpez. thermische Ausbiegung<br />[10<sup>6</sup>/K]!SprecificSpez. elektr. Widerstand<br />Electrical<br />Resistance k [μΩ·m]!TypicalÜbliche Awendungsbereiche<br />Application Range [°C]!ApplicationAnwendungsgrenze<br />Limit [°C]!CompositionAufbau
|-
|TB 20110<br /> <br />TB 1577A<br /> <br />TB1170A<br /> <br /> <br />
| - 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
|Two componentszwei Komponenten
|-
|TB 1517<br />TB 1511<br /> <br /> <br />TB 1303<br /> <br />TB 1109
| - 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
|Three components with drei Komponenten Cu intermediale layer-Zwischenschicht
|-
|TB 1555<br />TB 1435<br /> <br /> <br />TB 1425<br /> <br /> <br /> <br />
| - 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
|Three components with drei Komponenten Ni intermediale layer -Zwischenschicht
|}
</figtable>
===<!--5.4.1-->Design FormulasBerechnungsformeln===
For the design and calculation of the most important thermostatic-bimetal parts formulas are given in Die Berechnung der wichtigsten Formteile kann mittels der untenstehendenFormeln ausgeführt werden (<xr id="tab:Design Formulas for Thermostatic Bimetal Components"/><!--Table 5.24-->). The necessary properties can be extracted for the most common materials from 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 Temperaturenvon ca. 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 manufacturerFür höhere Temperaturen sind diese Werte den Datenblätterndes Herstellers zu entnehmen.
<figtable id="tab:Design Formulas for Thermostatic Bimetal Components">
<caption>'''<!--Table 5.24:-->Design Formulas for Thermostatic Bimetal ComponentsBerechnungsformeln für Thermobimetalle'''</caption>
{| class="twocolortable" style="font-size:1em;"
|-
|
|Shape of the Thermostatic BimetalForm des Thermobimetalls|DeflectionAusbiegung|Mechanical Action Forcemechanische Richtkraft|Thermal Action Forcethermische Richtkraft
|-
|Cantilevered strip Freitragende Streifen
|[[File:Contilevered strip.jpg|left|234px|]]
|<math>A =
\frac {b \Delta T Bs^3}{L} </math>
|-
|Dual supported stripBeidendig gelagerter Streifen
|[[File:Dual supported strip.jpg|left|234px|]]
|<math>A =
\frac {4b \Delta TB s^2}{L} </math>
|-
|U-shaped element förmiger Streifen
|[[File:U shaped element.jpg|left|220px|]]
|<math>A =
\frac {2b \Delta TB s^2}{L} </math>
|-
|SpiralSpirale
|[[File:Spiral.jpg|left|220px|]]
|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>
|-
|Helical springWendel
|[[File:Helical spring.jpg|left|220px|]]
|<math>\alpha =
\frac {b_{1} \Delta TBs^2}{r} </math>
|-
|Disc Scheibe
|[[File:Disc.jpg|left|220px|]]
|<math>A =
|<math>P = 3,2 b \Delta T s^2 </math>
|-
|Reversed strip Reversierter Streifen
|[[File:Reversed strip.jpg|left|240px|]]
|<math>A =
\frac {b \Delta T Bs^2}{L^3} (y^2 - 2xy - x^2) </math>
|-
|Reversed Reversierte U-shaped elementFeder
|[[File:Reserved u shaped element.jpg|left|228px|]]
|colspan="3" style="text-align:center"|<math>A =
{| style="border-spacing: 20px"
|<math>A</math> || Deflection Ausbiegung in mm |<math>B</math> || Width Breite in mm
| rowspan="2" |<math>a_{1} = \frac {360}{\pi} \cdot a</math>
|-
|<math>\alpha</math> || Turn angle Drehwinkel in ° |<math>D,d</math> || Diameter Durchmesser in mm
|-
|<math>P</math> || Force Kraft in N
|<math>r</math> || Radius in mm
| rowspan="2" |<math>b_{1} = \frac {2}{3} \cdot b</math>
|-
|<math>\Delta T</math> || Temperature difference Temperaturdifferenz in K |<math>a</math> || Specific spez. therm. Deflection Ausbiegung in 1/K
|-
|<math>s</math> ||Thickness Dicke in mm |<math>b=ac</math> ||Thermal action force constanttherm. Richtkraftkonstante in<math> N/(mm^2 \cdot K)</math>
| rowspan="2" | <math>c_{1} = \frac {\pi}{540} \cdot c</math>
|-
|<math>L</math> || Free moving length freibewegliche Länge in mm|<math>c</math> || Mechanmech. action force constant in Richtkraftkonstante <math>N/mm^2</math>
|}
===<!--5.4.2-->Stress Force LimitationsGrenzbelastung===
For all calculations according to the formulas in In allen Berechnungen gemäß <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 limitist nachzuprüfen, ob die thermischund/oder mechanisch induzierten Spannungen unterhalb der zulässigenGrenzbiegespannung liegen. The following formulas are applicable for calculating the allowable load Für die Berechnung der zulässigen Belastung(Force Kraft P<sub>max</sub> or momentum bzw. Moment M<sub>max</sub>)der Thermobimetall-Grundformen ergeben sich diefolgenden Beziehungen:
<table class="twocolortable" style="text-align: left; font-size:12px;width:60%">
<tr>
<td>Single side fixed stripEinseitig eingespannter Streifen</td>
<td><math>P_{max} <
\frac {\sigma Bs^2}{6L} </math> </td>
</tr><tr>
<td>Both sides fixed stripBeidseitig gelagerter Streifen</td>
<td><math>P_{max} <
\frac {\sigma Bs^2}{1,5L} </math></td>
</tr><tr>
<td>Spiral or filament Spirale und Wendel</td>
<td><math>M_{max} <
\frac {\sigma Bs^2}{6} </math></td>
</tr><tr>
<td>Disc Scheibe</td>
<td><math>P_{max} <
\frac {2 \sigma s^2}{3} </math></td>
</tr>
</table>
<math>\sigma</math> = bending stress
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