DE4005836C2 - Elektrisches Steckverbinderpaar - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Steckverbinderpaar, dessen Steckerelemente jeweils einen beschichteten Basiswerkstoff aufweisen.

Elektrische Steckverbinderpaare bzw. Steckverbinder sollen möglichst mit geringen Steck- bzw. Ziehkräften mehrfach gesteckt und gelöst werden können, ohne daß sich der Kontaktwiderstand nennenswert ändert. Steckverbinderpaare bestehen üblicherweise jeweils aus einer Steckhülse und einem Stecker, die aus Metallbän­ dern durch Umformen hergestellt werden. Der hierfür verwendete Basiswerkstoff er­ hält in der Regel vor dem Umformungsschritt mindestens teilweise eine Oberflächen­ beschichtung, die den Basiswerkstoff sowohl vor korrosivem Angriff schützen als auch gegebenenfalls die Lötbarkeit verbessern soll.

Als Basiswerkstoffe können grundsätzlich alle für elektrische Anwendungen üblichen Metalle und Metalllegierungen eingesetzt werden, wobei Kupfer und Kupferlegierun­ gen jedoch bevorzugte Werkstoffe sind.

In diesem Zusammenhang ist es bekannt, ein Metallband für den Basiswerkstoff ei­ nes elektrischen Steckverbinderpaars entweder galvanisch mit Zinn zu beschichten oder aber auf das Metallband in einem Schmelzbad Zinn bzw. eine Zinn-Blei-Legie­ rung aufzubringen.

Folgende Anforderungen werden dabei an das beschichtete Metallband bzw. an die aus einem derartigen Metallband hergestellten Steckerelemente 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.

Aus der DE 39 32 536 C1 ist ein älterer, nicht vorveröffentlichter Vorschlag bekannt, bei welchem die Steckerelemente eines Steckverbinderpaars mit identischen Ober­ flächenbeschichtungen versehen werden. Hierbei wird auf einen Träger aus einer Kupfer-Legierung ein Kontaktwerkstoff aus einem unedelmetallhaltigen Silber-Palla­ dium- oder Palladium-Silber-Legierung aufgebracht. Diese Legierung enthält minde­ stens ein in sauerstoffhaltiger Atmosphäre oxidbildendes Unedelmetall in einer Menge von über 20 Gew.-% und höchstens 50 Gew.-%. Dieser Kontaktwerkstoff soll letztlich noch eine geschlossene Deckschicht aus dem Unedelmetalloxid aufweisen.

Im Rahmen der DE 87 13 477 U1 ist eine seewasserfeste Steckverbindung für den Einsatz der Potentialsonden-Vielstellenmeßtechnik bekannt. Diese Steckverbindung weist einen Gabelstecker aus verzinnter Messingbronze sowie einen Meßpol auf, der ebenfalls aus verzinnter Messingbronze besteht und auf den der Gabelstecker auf­ gesteckt ist. Eine derartige Steckverbindung soll in korrosiven Medien einen gleich­ bleibenden niedrigen Übergangswiderstand aufweisen und auch beim Messen mit Wechselstrom keine Störpotentiale durch Induktion verursachen.

Schließlich wird im Rahmen eines ebenfalls älteren nicht vorveröffentlichten Vor­ schlags (DE 39 32 535 C1) eine elektrische Steckverbindung mit zwei aus Kontakt­ träger und Kontaktschicht bestehenden Kontaktteilen vorgeschlagen. Hierbei soll die Kontaktschicht des ersten Kontaktteils aus Silber, Zinn oder einer Zinn-Blei-Legie­ rung bestehen, während die Kontaktschicht des zweiten Kontaktteils aus einer Le­ gierung aus 60 bis 70 Gew.-% Silber und 30 bis 40 Gew.-% Zinn, Indium und/oder Antimon bestehen soll. Ferner befindet sich auf der Kontaktschicht des zweiten Kontaktteils eine geschlossene Deckschicht aus Zinn-, Indium und/oder Antimonoxid.

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Steckverbinderpaar zur Verfügung zu stellen, das ausgezeichnete Ei­ genschaften im Hinblick auf niedrige Steck- und Ziehkräfte bei gleichbleibend niedri­ gem Kontaktwiderstand, hohen Steck- und Ziehfrequenzen, hoher Korrosionsbe­ ständigkeit und ausreichend hoher Kontaktkraft aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in den Merkmalen des An­ spruchs 1.

Überraschend hat sich bei der Untersuchung der Steck- und Ziehkräfte elektrischer Steckverbinderpaare gezeigt, daß diese Kräfte in hohem Maße von der Härte der Oberflächenbeschichtungen der einzelnen Steckerelemente abhängen. Weist die Oberflächenbeschichtung des Basiswerkstoffs eines der beiden Steckerelemente eine größere Härte auf als die Oberflächenbeschichtung des Basiswerkstoffs des anderen Steckerelements, so würde je nach untersuchtem Steckverbinderpaar eine Verminderung der Steck- und Ziehkräfte um bis zu 60% festgestellt. Das bezüglich der Oberflächenbeschichtung eine geringere Härte aufweisende Steckerelement hatte hierbei eine Oberflächenbeschichtung aus Reinzinn.

Die härtere Oberflächenbeschichtung eines Steckerelements eines Steckverbinder­ paars im Vergleich zur Oberflächenbeschichtung des anderen Steckerelements sorgt einerseits dafür, daß die Steck- und Ziehkräfte bzw. die Gesamtsteckkräfte bei einem mehrpoligen Steckersystem erheblich verringert werden. Andererseits verbessert die härtere Oberflächenbeschichtung des einen Steckerelements deutlich den Korrosionsschutz und erhöht außerdem die erreichbare Steck-/Ziehzahl.

Wesentlich im Rahmen der Erfindung ist es, daß die härtere Oberflächenbeschich­ tung auf schmelzflüssigem Wege auf ein Metallband aufgebracht ist. Für einen der­ artigen Überzug ist es charakteristisch, daß an der Grenzfläche der Oberflächenbe­ schichtung zum Basiswerkstoff wegen der Reaktion des Metallbands im Schmelzbad eine dünne Schicht einer intermetallischen Phase vorliegt. Diese dünne Schicht kann in Abhängigkeit von den jeweiligen Verfahrensbedingungen eine Dicke von 0,1 bis 1 µm aufweisen.

Die gewünschte Härte der Oberflächenbeschichtung wird erfindungsgemäß durch Zugabe mindestens eines Elements erreicht, das mit Zinn vorzugsweise Mischkri­ stalle oder intermetallische Phasen, beispielsweise Hume-Rothery-Phasen, bildet.

Die elektrische Leitfähigkeit und im Zusammenhang damit der Kontaktwiderstand sind von den Gitterstrukturen und dem kristallinen Aufbau der Legierungspartner ab­ hängig. Eine bei intermetallischen Phasen vorliegende geordnete Gitterstruktur be­ günstigt in der Regel die Leitfähigkeit, während bei einer Legierungsbildung die Leit­ fähigkeit erniedrigt wird.

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

Diese beiden gegenläufigen Effekte werden durch die Wahl der Zusatzelemente in der Grundmatrix des Reinzinns oder der Zinn-Blei-Legierung optimiert. Darüber hin­ aus besteht die Maßgabe, daß das Material der Oberflächenbeschichtung bei mög­ lichst niedrigen Temperaturen schmelzflüssig sein soll. Es ist günstig, wenn die Zinnlegierung für die härtere Oberflächenbeschichtung einen Schmelzpunkt von ma­ ximal 390°C aufweist. Vorzugsweise sollte der Schmelzpunkt jedoch unterhalb von 320°C liegen.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die härtere Oberflächenbe­ schichtung aus einer Zinnlegierung besteht, die 0,1 bis 8,5 Gew.-% mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Silber, Aluminium, Silizium, Kupfer, Magnesium, Eisen, Nickel, Mangan, Zink, Zirkonium, Antimon, Rhodium, Palladium und Platin enthält. Die aus dem Schmelzbad abgeschiedene Zinnlegierungsschicht sollte vorzugsweise eine Dicke von 0,3 bis 12 µm aufweisen.

Zur Verbesserung der Lötbarkeit ist es besonders günstig, das beschichtete Metall­ band einer Wärmebehandlung im Temperaturbereich von bis zu 250°C zu unterzie­ hen. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß die Festigkeit des Beschichtungs­ materials erhöht wird.

Anhand von 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 (9)

1. Elektrisches Steckverbinderpaar, dessen Steckerelemente (Steckhülse, Stecker) jeweils einen beschichteten Basiswerkstoff aufweisen und die Oberflächenbe­ schichtungen der beiden Steckerelemente unterschiedlich hart ausgebildet sind, wobei der Basiswerkstoff eines 1. Steckerelements mit Reinzinn oder einer Zinn- Blei-Legierung beschichtet ist, während das andere 2. Steckerelement eine auf schmelzflüssigem Wege aufgebrachte härtere Oberflächenbeschichtung aus ei­ ner Legierung aufweist, die 0,1-10 Gew.-% mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Silber, Aluminium, Silizium, Kupfer, Magnesium, Eisen, Nickel, Man­ gan, Zink, Zirkonium, Antimon, Rhodium, Palladium und Platin, Rest Zinn ein­ schließlich unvermeidbarer Verunreinigungen und geringer Desoxidations- und Verarbeitungszusätze enthält.

2. Steckverbinderpaar nach Anspruch 1, bei welchem die Legierung der Oberflä­ chenbeschichtung des 2. Steckerelements Blei enthält.

3. Steckverbinderpaar nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der Basiswerkstoff des 2. Steckerelements aus Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.

4. Steckverbinderpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Oberflä­ chenbeschichtung des 2. Steckerelements aus einer Zinnlegierung besteht, die 0,1-8,5 Gew.-% mindestens eines der Elemente aus der in Anspruch 1 genannten Gruppe sowie als Rest Zinn einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen ent­ hält.

5. Steckverbinderpaar nach Anspruch 4, bei welchem ein Teil des Zinngehalts durch bis zu 40 Gew.-% Blei ersetzt ist.

6. Steckverbinderpaar nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die Oberflächenbe­ schichtung des 2. Steckerelements aus einer Zinnlegierung besteht, die bis zu 4 Gew.-% Silber und/oder 0,1-6,5 Gew.-% Antimon, 0,1-2 Gew.-% Kupfer, 0,01-0,5 Gew.-% Nickel und außerdem bis zu 0,5 Gew.-% Zink und/oder Phosphor ent­ hält.

7. Steckverbinderpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die Zinnle­ gierung für die Oberflächenbeschichtung des 2. Steckerelements einen Schmelzpunkt von bis zu 390°C aufweist.

8. Steckverbinderpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Zinnle­ gierung für die Oberflächenbeschichtung des 2. Steckerelements einen Schmelzpunkt unterhalb von 320°C aufweist.

9. Steckverbinderpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die Oberflä­ chenbeschichtung des 2. Steckerelements eine Dicke von 0,3 bis 12 µm aufweist.