DE4005836A1 - Elektrisches steckverbinderpaar - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Steckverbinderpaar, dessen Einzelsteckerelemente aus einem mit Zinn oder einer Zinnlegierung beschichteten Basiswerkstoff bestehen.

Elektrische Steckverbinderpaare bzw. Steckverbinder sol­ len möglichst mit geringen Steckkräften mehrfach gesteckt und gelöst werden können, ohne daß sich der Kontaktwider­ stand nennenswert ändert. Steckverbinder bestehen üblicher­ weise aus Steckhülse und Stecker, die aus Metallbändern durch Umformen hergestellt werden. Der hierfür verwendete Basiswerk­ stoff erhält in der Regel vor dem Umformungsschritt eine voll­ flächige oder teilweise Oberflächenbeschichtung, die den Ba­ siswerkstoff sowohl vor korrosivem Angriff schützen als auch gegebenenfalls die Lötbarkeit verbessern soll.

Als Basiswerkstoff können grundsätzlich alle für elektrische Anwendungen üblichen Metalle und Metallegierungen eingesetzt werden, wobei Kupfer und Kupferlegierungen besonders bevor­ zugt sind. Es ist bereits bekannt, das Band aus dem Basis­ werkstoff entweder galvanisch mit Zinn zu beschichten, oder aber auf das Metallband in einem Schmelzbad Zinn oder eine Zinn-Blei-Legierung aufzubringen.

Folgende Anforderungen werden dabei an das beschichtete Metall­ band bzw. an die daraus hergestellten Steckverbinder gestellt:

• 1) gleichbleibend niedriger Kontaktwiderstand
• 2) möglichst geringe Steck- und Ziehkräfte
• 3) hohe Steck- und Ziehfrequenzen
• 4) hohe Korrosionsbeständigkeit
• 5) ausreichend hohe Kontaktkraft
• 6) gute Verarbeitbarkeit

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Steckverbinderpaar der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zur Verfügung zu stellen, das ausgezeichnete Eigenschaften insbesondere im Hinblick auf niedrige Steck- und Ziehkräfte aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Basiswerkstoff des einen Einzelsteckerelements eine auf schmelz­ flüssigem Wege aufgebrachte Oberflächenbeschichtung aus einer Legierung aufweist, die neben Zinn und gegebenenfalls Blei so­ wie geringen Desoxidations- und Verarbeitungszusätzen außerdem noch bis zu insgesamt 10 Gew.% mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Silber, Aluminium, Silizium, Kupfer, Magnesium, Eisen, Nickel, Mangan, Zink, Zirkonium, Antimon, Rhodium, Pala­ dium und Platin enthält. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Überraschenderweise hat sich bei der Untersuchung der Steck­ und Ziehkräfte von Steckverbindern gezeigt, daß diese Kräfte in hohem Maße von der Härte der Oberflächenbeschichtung der Einzelsteckerelemente abhängen. Weist die Beschichtung des Basiswerkstoffs für eines der beiden Einzelsteckerelemente, beispielsweise für den Stecker, eine höhere Härte auf als die Beschichtung für das andere Steckerelement, so ergibt sich je nach untersuchtem Steckersystem eine Verminderung der Steckkraft um bis zu 60%. Für den Vergleich wurden Stek­ kersysteme herangezogen, deren Einzelsteckerelemente eine Be­ schichtung aus Reinzinn aufwiesen.

Die härtere Oberflächenbeschichtung eines der Verbindungspartner des Steckersystems sorgt einerseits dafür, daß die Steck- und Ziehkräfte- bzw. die Gesamtsteckkräfte bei einem mehrpoligen Steckersystem - erheblich erniedrigt werden, andererseits ver­ bessert die härtere Beschichtung aber auch den Korrosionsschutz und erhöht die erreichbare Steck-/Ziehzahl.

Charakteristisch für die auf schmelzflüssigem Wege auf das Me­ tallband aufgebrachten Überzüge ist, daß an der Grenzfläche zum Basiswerkstoff wegen der Reaktion des Metallbands im Schmelzbad eine dünne Schicht einer intermetallischen Phase vorliegt. Diese Zwischenschicht kann in Abhängigkeit von den Verfahrensbedingungen eine Dicke von 0,1 bis 1 µm aufweisen.

Die Härtesteigerung der Oberflächenbeschichtung wird erfindungs­ gemäß durch Zugabe mindestens eines Elements erreicht, das mit Zinn vorzugsweise Mischkristalle oder intermetallische Phasen, beispielsweise Hume-Rothery Phasen bildet.

Die elektrische Leitfähigkeit und im Zusammenhang damit der Kontaktwiderstand sind von Gitterstrukturen und dem kristal­ linen Aufbau der Legierungspartner abhängig. Eine bei inter­ metallischen Phasen vorliegende geordnete Struktur begünstigt in der Regel die Leitfähigkeit, während bei einer Legierungs­ bildung die Leitfähigkeit erniedrigt wird.

Dagegen ist die Härte von Legierungen im Normalfall höher als die Härte reiner Metalle.

Diese beiden gegenläufigen Effekte müssen durch die Wahl der Zusatzelemente in der Grundmatrix des Reinzinns oder der Zinn- Blei-Legierung optimiert werden. Darüber hinaus besteht die Maßgabe, daß das Beschichtungsmaterial bei möglichst niedrigen Temperaturen schmelzflüssig sein soll. Es ist günstig, wenn die Zinnlegierung für die Oberflächenbeschichtung des Metallbands einen Schmelzpunkt von maximal 390°C aufweist. Vorzugsweise sollte der Schmelzpunkt unterhalb von 320°C liegen.

Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die Oberflächenbeschichtung des Basiswerkstoffs für die Einzelstek­ kerelemente aus einer Zinnlegierung besteht, die 0,1 bis 8,5 Gew.% mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Silber, Alu­ minium, Silizium, Kupfer, Magnesium, Eisen, Nickel, Mangan, Zink, Zirkonium, Antimon, Rhodium, Paladium und Platin enthält. Die aus dem Schmelzbad abgeschiedene Zinnlegierungsschicht sollte vorzugsweise eine Dicke von 0,3 bis 12 µm aufweisen. Zur Ver­ besserung der Lötbarkeit ist es besonders günstig, das beschich­ tete Metallband einer Wärmebehandlung im Temperaturbereich von bis zu 250°C zu unterziehen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Festigkeit des Beschichtungsmaterials erhöht wird.

Anhand von nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert.

Beispiel 1

Aus dem Legierungssystem Zinn-Silber wurde eine Legierungszu­ sammensetzung ausgewählt, die im wesentlichen aus 1 Gew.% Silber, 0,03 Gew.% Phosphor und als Rest Zinn einschließlich unvermeid­ barer Verunreinigungen bestand.

Ein Metallband aus der niedriglegierten Kupferlegierung CuFe2P wurde mit der Methode der Heißschmelzverzinnung vollflächig mit der Zinnlegierung beschichtet. Die Schmelzbadtemperatur betrug etwa 250°C. Aus dem beschichteten Metallband, dessen Beschich­ tung eine Mikrohärte von 1200 N/mm² aufwies, wurden Steckhülsen verschiedener bekannter Stecksysteme hergestellt. Die entspre­ chenden Stecker der untersuchten Stecksysteme waren aus einem entsprechenden Metallband mit einer Oberflächenbeschichtung aus Reinzinn hergestellt. Die Härte der Reinzinnbeschichtung betrug dabei etwa 600 N/mm². Aufgrund der unterschiedlichen Härte der Einzelsteckerelemente konnte bei den verschiedenen Steckersyste­ men eine Verminderung der Steckkräfte von 20 bis 50% gegenüber einem Steckersystem erreicht werden, dessen Steckerverbindungs­ partner jeweils eine Beschichtung aus Reinzinn aufwiesen.

Beispiel 2

Für die Beschichtung des in Beispiel 1 genannten Basiswerkstoffs wurde eine Legierung eines Zinn-Mehrstoffsystems verwendet. Die Beispiellegierungszusammensetzung enthielt 5 Gew.% Antimon, 1 Gew.% Kupfer, 0,5 Gew.% Silber, 0,2 Gew.% Nickel, 0,2 Gew.% Zink, 0,02 Gew.% Phosphor und als Rest Zinn. Die Mikrohärte an den im Praxisversuch getesteten Beschichtungen betrug 1900 Nmm². Aus den beschichteten Metallbändern wurden Stecker einer Flach­ steckverbindung hergestellt. Die entsprechende Steckhülse oder -buchse dieser Steckverbindung bestand aus einem Basis­ werkstoff mit einer auf schmelzflüssigem Wege aufgebrachten Reinzinn-Beschichtung. Auch bei dieser Kombination ergab sich eine Verminderung der Steckkraft um etwa 50% im Vergleich zu einer Steckverbindung, deren Einzelsteckerelemente eine Ober­ flächenbeschichtung aus Reinzinn besaßen.

Claims (6)

1. Elektrisches Steckverbinderpaar, dessen Einzelsteckerelemente (Steckhülse, Stecker) aus einem mit Zinn oder einer Zinnle­ gierung beschichteten Basiswerkstoff bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff des einen Einzelsteckerelements eine auf schmelzflüssigem Wege aufge­ brachte Oberflächenbeschichtung aus einer Legierung aufweist, die neben Zinn und gegebenenfalls Blei sowie geringen Desoxi­ dations- und Verarbeitungszusätzen außerdem noch bis zu ins­ gesamt 10 Gew.% mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Silber, Aluminium, Silizium, Kupfer, Magnesium, Eisen, Nickel, Mangan, Zink, Zirkonium, Antimon, Rhodium, Paladium und Platin enthält.

2. Elektrisches Steckverbinderpaar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswerkstoff aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.

3. Elektrisches Steckverbinderpaar nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbe­ schichtung des Basiswerkstoffs aus einer Zinnlegierung besteht, die 0,1 bis 8,5 Gew.% mindestens eines der Elemente aus der in Anspruch 1 genannten Gruppe sowie als Rest Zinn einschließ­ lich unvermeidbarer Verunreinigungen enthält, wobei ein Teil des Zinngehalts gegebenenfalls durch bis zu 40 Gew.% Blei er­ setzt ist.

4. Elektrisches Steckverbinderpaar nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbeschichtung des Basiswerkstoffs aus einer Zinnlegierung besteht, die bis zu 4 Gew.% Silber und/oder 0,1 bis 6,5 Gew.% Antimon, 0,1 bis 2 Gew.% Kupfer, 0,01 bis 0,5 Gew.% Nickel und außer­ dem bis zu 0,5 Gew.% Zink und/oder Phosphor enthält.

5. Elektrisches Steckverbinderpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinn­ legierung für die Oberflächenbeschichtung des Basiswerkstoffs einen Schmelzpunkt von bis zu 390°C, vorzugsweise unterhalb von 320° aufweist.

6. Elektrisches Steckverbinderpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ober­ flächenbeschichtung des Basiswerkstoffs eine Dicke von 0,3 bis 12 µm aufweist.