DE10025107A1 - Elektrisch leifähiges Metallband und Steckverbinder - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisch leitfähiges Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen und einen Steckverbinder hieraus. Das Metallband weist einen Basiswerkstoff aus Kupfer bzw. einer Kupferlegierung auf mit einer schmelztechnisch aufgebrachten metallischen Beschichtung aus einer Zinn-Silber-Legierung, die Silber in einem Anteil zwischen 1 Gew.-% und 3,8 Gew.-% enthält. Bevorzugt liegt der Silbergehalt der Beschichtung zwischen 1,2 Gew.-% und 2,5 Gew.-%. Durch den Silberanteil in der Beschichtung werden besonders positive Eigenschaften hinsichtlich der Haftfestigkeit zwischen Basiswerkstoff und Metallauflage erreicht. Gleichzeitig verbessern sich die Temperaturbeständigkeit und die Gleiteigenschaften. Ferner wird ein stabiler Kontaktübergangswiderstand sichergestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisch leitfähiges Metallband zur Fertigung von elek­ trischen Kontaktbauteilen sowie einen Steckverbinder.

Steckkontaktverbindungen werden in elektrotechnischen Anwendungen benötigt. Man versteht hierunter grundsätzlich eine mechanische Anordnung aus Stecker und Steckerhülse zum Öffnen und Schließen einer elektrisch leitenden Verbindung. Steckkontaktverbindungen kommen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen zum Einsatz, beispielsweise in der Kraftfahrzeugelektrik, der Nachrichtentechnik oder der Industrieanlagenelektronik.

Ein übliches Fertigungsverfahren derartiger Steckverbinder ist, Rohlinge aus einem Kupfer- bzw. einem Kupferlegierungsband auszustanzen und diese zum Steckver­ binder weiter zu verarbeiten. Kupfer hat eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Zum Schutz gegen Korrosion und Verschleiß sowie zur Erhöhung der Oberflächenhärte werden die Kupfer- bzw. Kupferlegierungsbänder vorab verzinnt. Zinn eignet sich wegen seiner guten Korrosionsbeständigkeit besonders als Überzugsmaterial für Kupfer. Neben anderen Beschichtungsverfahren ist der Auftrag der Beschichtung im Schmelztauchverfahren technischer Standard.

In diesem Zusammenhang sind unterschiedlichste Zinnlegierungen zur Oberflächen­ beschichtung des Basiswerkstoffs bekannt, insbesondere auch Zinn-Silber-Legierun­ gen, da diese zu den sehr guten Kontaktwerkstoffen zählen.

Die EP 0 443 291 B1 offenbart ein Steckverbinderpaar, bei dem der Basiswerkstoff eines Steckerelements mit Reinzinn oder einer Zinn-Blei-Legierung beschichtet ist, während das andere Steckerelement eine auf schmelzflüssigem Wege aufgebrachte härtere Oberflächenbeschichtung aus einer Legierung aufweist, die unter anderem bis zu 10 Gew.-% Silber enthält. Neben Silber werden noch eine Reihe weiterer möglicher Legierungsmetalle vorgeschlagen. Dieser Ansatz ist richtungsweisend für die Herstellung qualitativ hochwertiger Steckverbinder mit gleichbleibend niedrigem Kontaktwiderstand und möglichst geringen Steck- und Ziehkräften.

Ein anderer Vorschlag gemäß der DE 44 43 461 C1 sieht vor, daß die schmelzflüssig aufgebrachte Oberflächenbeschichtung aus einer Zinnlegierung besteht, welche bis zu 5 Gew.-% Kobalt enthält. Neben Kobalt kann die Zinnlegierung auch Wismut und Indium sowie eine Vielzahl weiterer Legierungsmetalle enthalten.

Die bekannten Metallbänder bzw. die Steckverbinder haben sich in der Praxis be­ währt. Jedoch steigen zunehmend die technischen und qualitativen Anforderungen der Kontaktbauteile hinsichtlich der mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Dies gilt insbesondere beim Einsatz der Kontaktbauteile unter schwierigen oder aggressiven Umgebungsbedingungen, beispielsweise für Steckverbinder in der Kraftfahrzeugelektrik und hier vor allem in der Motorelektronik. Unter solch schwie­ rigen Einsatzbedingungen können Anforderungen auftreten vor allem hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, Relaxationsbeständigkeit, Korrosionsfestigkeit und Haft­ festigkeit der Beschichtung, bei denen die bekannten Kontaktbauteile an ihre Grenze stoßen. Beobachtet wurde insbesondere bei scher- und biegebeanspruchten Bau­ teilen ein Abblättern (Peeling-off) der Oberflächenbeschichtung.

Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch leitfähiges Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbauteilen, insbesondere von Steckverbindern, zu schaffen mit verbesserten Hafteigenschaften zwischen Basiswerkstoff und Metallauflage unter Gewährleistung einer anforde­ rungsgerechten Temperaturbeständigkeit und Oberflächenhärte, guten Gleiteigen­ schaften und einem stabilen Kontaktübergangswiderstand.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem elektrisch leitfähigen Metallband nach Anspruch 1 und einem hieraus hergestellten Steckverbinder nach Anspruch 9.

Es hat sich herausgestellt, daß mit einer Beschichtung aus einer Zinn-Silber-Legie­ rung, die einen Silberanteil zwischen 1 und 3,8 Gew.-% aufweist, bisher nicht erzielte Eigenschaften der Haftfestigkeit zwischen Basiswerkstoff und Metallauflage erreicht werden. Durch die Zulegierung von Silber wird die Oberflächenhärte erhöht. Damit steigt aber gleichzeitig die Sprödigkeit der Metallauflage, was sich im Grunde nach­ teilig auf die Haftfestigkeit auswirken würde. Entgegen dieser grundsätzlichen Ge­ setzmäßigkeit konnten bei einem Silberanteil zwischen 1 und 3,8, vorzugsweise von 1,2 bis 2,5 Gew.-% (Anspruch 2), die an sich konträren Eigenschaften erfolgreich kompensiert werden. Gleichzeitig können positive Ergebnisse hinsichtlich der Tem­ peraturbeständigkeit und der Gleiteigenschaften erzielt sowie ein stabiler Kontakt­ übergangswiderstand sichergestellt werden.

Fügt man der Zinn-Silber-Legierung noch Indium hinzu, und zwar bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise jedoch zwischen 0,1 Gew.-% und 5 Gew.-%, wie dies Anspruch 3 vor­ sieht, wird zwar der Schmelzpunkt erniedrigt, jedoch insgesamt die Beständigkeit gegen äußere Bedingungen verbessert. Zusätzlich werden die Löteigenschaften hierdurch positiv beeinflußt.

Vorteilhaft besteht der Basiswerkstoff aus einer Kupfer-Nickel-Silizium-Legierung mit Nickelanteilen zwischen 1 und 4 Gew.-% sowie Siliziumanteilen zwischen 0,08 und 1 Gew.-% (Anspruch 4). Dieser Basislegierung können Zinn- und Zinkanteile bis zu 1,0 bzw. 2,0 Gew.-% zulegiert sein. Ferner ist die Zulegierung weiterer Legierungsme­ talle möglich, wodurch Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften der metallischen Beschichtung sowie auf die Feinkörnigkeit und Gleichmäßigkeit der intermetallischen Phase abgestimmt auf den jeweiligen Verwendungszweck des Metallbands genom­ men werden kann.

Besonders positive Ergebnisse wurden in Versuchen mit einem Basiswerkstoff erzielt gemäß Anspruch 5. Der Kupferlegierung wird Nickel in einem Anteil zwischen 1,4 und 1,7 Gew.-% zulegiert. Der Siliziumanteil beträgt 0,2 bis 0,35 Gew.-%. Wesentlich sind ferner Zinn und Zink in Gewichtsprozentanteilen zwischen 0,02 bis 0,3 Gew.-% bei Zinn und 0,01 bis 0,35 Gew.-% bei Zink.

Die intermetallische Phase zwischen dem Basiswerkstoff und der Beschichtung ist sehr feinkörnig und gleichmäßig. Hieraus resultieren eine gute Umformbarkeit, ins­ besondere Biegbarkeit, höhere Scherfestigkeiten und geringe Elastizitätsmodule so­ wie eine hohe Kriechbeständigkeit des erfindungsgemäßen Metallbands.

Modifizierungen erfährt der Basiswerkstoff durch die Zulegierung weiterer Legie­ rungsmetalle. In diesem Zusammenhang wirkt sich insbesondere die Zugabe von Silber vorteilhaft aus, und zwar in einem Anteil zwischen 0,02 und 0,5 Gew.-%, vor­ zugsweise zwischen 0,05 und 0,2 Gew.-% (Anspruch 6). Die Legierungsbestandteile Zink und Silber beeinflussen das Diffusionsverhalten in der intermetallischen Phase zwischen dem Basiswerkstoff und der Beschichtung aus Zinn-Silber. Die zwangsläu­ fig durch Diffusion von Kupfer in die Zinnschicht entstehende Kupfer-Zinn-Phasen werden in ihrer Ausprägung über Temperatur und Zeit im Sinne einer Verlangsa­ mung und Behinderung der Bildung speziell der sogenannten ε-Phase beeinflußt. Hierdurch wird eine wesentlich bessere Haftfestigkeit zwischen Basiswerkstoff und Beschichtung gewährleistet. Damit werden Ablöseerscheinungen bzw. Peeling der Beschichtung auch bei ungünstigen und schwierigen Einsatzbedingungen der aus dem Metallband hergestellten Steckverbinder zu größeren Temperaturen und länge­ ren Zeiten verschoben.

Wesentliche Ursache für ein mögliches alterungsbedingtes Versagen der Beschich­ tung gerade bei Temperaturen über 150°C ist eine überproportional schnelle Um­ wandlung der sogenannten η-Phase (Cu₆Sn₅) in die ε-Phase (Cu₃Sn) hinein bei der Ausbildung ausgehend von der Phasengrenze zwischen Basiswerk­ stoff und Beschichtung aufgrund hoher Diffusionsgeschwindigkeiten. Die Erfindung macht sich nunmehr die Erkenntnis zu eigen, daß das Vorhandensein der ε-Phase allein nicht notwendigerweise zu Ablösevorgängen an der Grenze zwischen Basis­ werkstoff und Beschichtung führt, auch nicht bei einem durch den Umformvorgang hervorgerufenen Spannungszustand eines Steckverbinders. Wird die Ausprägung der ε-Phase unterbunden oder behindert, wirkt sich dies positiv auf die intermetal­ lische Phase und Langzeitbeständigkeit der Beschichtung aus.

Zink und Silber sowie das im Basiswerkstoff vorliegende Nickel sind in ihren erfin­ dungsgemäß vorgesehenen Anteilen geeignet, beim Diffusionsvorgang und ihrer Teilnahme an der Bildung der intermetallischen Phase speziell durch Anreicherung in der Phasengrenze die schnelle Umwandlung von der η-Phase zur ε-Phase zu unter­ drücken bzw. wesentlich zu verlangsamen mit dem Erfolg eines homogenen hoch­ haftenden Verbunds zwischen Basiswerkstoff und Beschichtung.

Die Zugabe von Zirkonium bis zu 0,35 Gew.-%, vorzugsweise in einem Anteil zwi­ schen 0,005 und 0,05 Gew.-%, wie dies Anspruch 7 vorsieht, steigert zudem die Korrosions- und Temperaturbeständigkeit.

Magnesium erhöht die Festigkeit und die Spannungsrelaxationseigenschaft bei er­ höhter Temperatur der Legierung bei nur geringer Beeinträchtigung der elektrischen Leitfähigkeit, die wie erwähnt auf dem Hauptbestandteil Kupfer beruht. Magnesium löst sich in der Kupfermatrix und ist gemäß Anspruch 8 im Basiswerkstoff in einem Anteil bis zu 0,1 Gew.-% vorgesehen. Des weiteren kann der Basiswerkstoff danach Phosphor bis zu einem Anteil von 0,05 Gew.-% enthalten. Das Phosphor wirkt als Desoxidant und zusammen mit Magnesium zur Erhöhung der Festigkeit und der Spannungsrelaxationseigenschaft bei erhöhten Temperaturen. Die Phosphorkomponente trägt auch zur Erhaltung der Federkraft des Metallbands bei Umformvorgängen bei.

Eine Verbesserung der Umformbarkeit und auch der Wärmwalzbarkeit kann durch einen Eisenanteil bis zu 0,1 Gew.-% erreicht werden. Die Eisenkomponente verrin­ gert zudem die Korngröße bei Ausfällungen der Nickel- und Siliziumverbindungen und wirkt der Ausbildung einer Rißstruktur entgegen, was wiederum positiv für die Haftfestigkeit zwischen Basiswerkstoff und Beschichtung ist.

Claims (13)

1. Elektrisch leitfähiges Metallband zur Fertigung von elektrischen Kontaktbau­ teilen, insbesondere von Steckverbindern, mit einem Basiswerkstoff aus Kup­ fer bzw. einer Kupferlegierung, welcher eine schmelztechnisch aufgebrachte metallische Beschichtung aus einer Zinn-Silber-Legierung aufweist, wobei zwischen dem Basiswerkstoff und der Beschichtung eine intermetallische Phase ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einer Zinn-Silber-Legierung mit einem Silberanteil zwischen 1 Gew.-% und 3,8 Gew.-% besteht.

2. Metallband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Silbergehalt der Beschichtung zwischen 1,2 Gew.-% und 2,5 Gew.-% liegt.

3. Metallband nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinn- Silber-Legierung bis zu 10 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,1 Gew.-% und 5 Gew.-% Indium enthält.

4. Metallband nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff - in Gewichtsprozent ausgedrückt - besteht aus

Nickel (Ni) 1,0% bis 4,0% Silizium (Si) 0,08% bis 1,0% Zinn (Sn) bis zu 1,0% Zink (Zn) bis zu 2,0%

Rest Kupfer einschließlich möglicher weiterer Legierungsbestandteile sowie erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.

5. Metallband nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff - in Gewichtsprozent ausgedrückt - besteht aus

Nickel (Ni) 1,4% bis 1,7% Silizium (Si) 0,2% bis 0,35% Zinn (Sn) 0,02% bis 0,3% Zink (Zn) 0,01 bis 0,35%

Rest Kupfer einschließlich möglicher weiterer Legierungsbestandteile sowie erschmelzungsbedingter Verunreinigungen.

6. Metallband nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff zwischen 0,02 und 0,5 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,2 Gew.-%, Silber (Ag) enthält.

7. Metallband nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff bis 0,35 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,005 und 0,05 Gew.-%, Zirkonium (Zr) enthält.

8. Metallband nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff bis zu 0,1 Gew.-% Magnesium (Mg), bis zu 0,05 Gew.-% Phosphor (P) oder bis zu 0,1 Gew.-% Eisen (Fe) enthält.

9. Steckverbinder aus einem Metallband nach einem der Ansprüche 1 bis 8.