EP0443291B1 - Elektrisches Steckverbinderpaar - Google Patents

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EP0443291B1
EP0443291B1 EP90710034A EP90710034A EP0443291B1 EP 0443291 B1 EP0443291 B1 EP 0443291B1 EP 90710034 A EP90710034 A EP 90710034A EP 90710034 A EP90710034 A EP 90710034A EP 0443291 B1 EP0443291 B1 EP 0443291B1
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plug
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Hans W. Dipl.-Ing. Brinkmann
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Stolberger Metallwerke GmbH and Co KG
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Stolberger Metallwerke GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • Y10T428/12715—Next to Group IB metal-base component

Definitions

  • the invention relates to a pair of electrical connectors, the individual connector elements of which consist of a base material coated with tin or a tin alloy.
  • Connectors usually consist of a socket and plug, which are made from metal strips by forming.
  • the base material used for this is usually given a full or partial surface coating before the forming step, which is intended both to protect the base material from corrosive attack and, if appropriate, to improve the solderability.
  • all metals and metal alloys customary for electrical applications can be used as the base material, copper and copper alloys being particularly preferred. It is already known to either galvanically coat the strip from the base material with tin, or to apply tin or a tin-lead alloy to the metal strip in a molten bath.
  • the invention has for its object to provide an electrical connector pair of the type mentioned in the preamble of claim 1, which has excellent properties in particular with regard to low insertion and pulling forces.
  • the base material of a plug element is coated with pure tin or a tin-lead alloy, while the other plug element has a harder surface coating made of an alloy which is applied in a molten manner and has an alloy which contains 0.1 to 10% by weight.
  • the harder surface coating of one of the connection partners of the connector system ensures that the plug-in and pulling forces or the total plug-in forces in a multi-pole connector system - are considerably reduced, on the other hand the harder coating also improves corrosion protection and increases the achievable number of plug / pulls.
  • this intermediate layer can have a thickness of 0.1 to 1 »m.
  • the increase in hardness of the surface coating is achieved according to the invention by adding at least one element of the group mentioned in claim 1, which preferably forms mixed crystals or intermetallic phases, for example hume-rothery phases, with tin.
  • the electrical conductivity and in connection with it the contact resistance depend on lattice structures and the crystalline structure of the alloy partner.
  • An ordered structure present in intermetallic phases generally favors the conductivity, while the conductivity is reduced when an alloy is formed.
  • the hardness of alloys is normally higher than the hardness of pure metals.
  • the coating material should be molten at the lowest possible temperatures. It is advantageous if the tin alloy has a melting point of at most 390 ° C. for the surface coating of the metal strip. The melting point should preferably be below 320 ° C.
  • the harder surface coating for the individual connector elements consists of a tin alloy which contains 0.1 to 8.5% by weight of at least one of the elements from the group silver, aluminum, silicon, copper, magnesium, iron, Contains nickel, manganese, zinc, zirconium, antimony, rhodium, paladium and platinum.
  • the tin alloy layer deposited from the molten bath should preferably have a thickness of 0.3 to 12 »m.
  • an alloy composition was selected which consisted essentially of 1% by weight of silver, 0.03% by weight of phosphorus and the balance of tin including inevitable impurities.
  • a metal strip made of the low-alloy copper alloy CuFe2P was coated with the tin alloy over the entire surface using the hot-melt tinning method.
  • the melt bath temperature was about 250 ° C.
  • Plug sleeves of various known plug systems were produced from the coated metal strip, the coating of which had a microhardness of 1200 N / mm2.
  • the corresponding plugs of the plug-in systems examined were made from a corresponding metal strip with a surface coating of pure tin.
  • the hardness of the pure tin coating was about 600 N / mm2. Due to the different hardness of the individual connector elements, a reduction of the insertion forces of 20 to 50% could be achieved with the different connector systems compared to a connector system, the connector connection partners of which each had a coating of pure tin.
  • Example 2 An alloy of a tin multicomponent system was used for the coating of the base material mentioned in Example 1.
  • the sample alloy composition contained 5% by weight of antimony, 1% by weight of copper, 0.5% by weight of silver, 0.2% by weight of nickel, 0.2% by weight of zinc, 0.02% by weight of phosphorus and the balance tin .
  • the microhardness of the coatings tested in practice was 1900 Nmm2.
  • Out Plugs of a flat plug connection were made to the coated metal strips.
  • the corresponding plug-in sleeve or socket of this plug-in connection consisted of a base material with a pure tin coating applied in a molten manner. With this combination, too, there was a reduction in the plug-in force by about 50% compared to a plug-in connection, the individual plug elements of which both had a surface coating of pure tin.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Steckverbinderpaar, dessen Einzelsteckerelemente aus einem mit Zinn oder einer Zinnlegierung beschichteten Basiswerkstoff bestehen.
  • Elektrische Steckverbinderpaare bzw. Steckverbinder sollen möglichst mit geringen Steckkräften mehrfach gesteckt und gelöst werden können, ohne daß sich der Kontaktwiderstand nennenswert ändert. Steckverbinder bestehen üblicherweise aus Steckhülse und Stecker, die aus Metallbändern durch Umformen hergestellt werden. Der hierfür verwendete Basiswerkstoff erhält in der Regel vor dem Umformungsschritt eine vollflächige oder teilweise Oberflächenbeschichtung, die den Basiswerkstoff 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 bevorzugt sind. Es ist bereits bekannt, das Band aus dem Basiswerkstoff 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 Metallband 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 eines Steckerelements mit Reinzinn oder einer Zinn-Blei-Legierung beschichtet ist, während das andere Stekkerelement eine auf schmelzflüssigem Wege aufgebrachte, härtere Oberflächenbeschichtung aus einer Legierung aufweist, die 0,1 bis 10 Gew.% mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Silber, Aluminium, Silizium, Kupfer, Magnesium, Eisen, Nickel, Mangan, Zink, Zirkonium, Antimon, Rhodium, Paladium und Platin, Rest Zinn einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen und geringer Desoxidations- und Verarbeitungszusätze enthält.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung 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 Stekkersysteme herangezogen, deren Einzelsteckerelemente eine Beschichtung 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 verbessert die härtere Beschichtung aber auch den Korrosionsschutz und erhöht die erreichbare Steck-/Ziehzahl.
  • Charakteristisch für die auf schmelzflüssigem Wege auf das Metallband 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 »m aufweisen.
  • Die Härtesteigerung der Oberflächenbeschichtung wird erfindungsgemäß durch Zugabe mindestens eines Elements der in Anspruch 1 genannten Gruppe 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 kristallinen Aufbau der Legierungspartner abhängig. Eine bei intermetallischen Phasen vorliegende geordnete Struktur begünstigt in der Regel die Leitfähigkeit, während bei einer Legierungsbildung 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 härtere Oberflächenbeschichtung für die Einzelstekkerelemente 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, Paladium und Platin enthält. Die aus dem Schmelzbad abgeschiedene Zinnlegierungsschicht sollte vorzugsweise eine Dicke von 0,3 bis 12 »m aufweisen. Zur Verbesserung der Lötbarkeit ist es besonders günstig, das beschichtete 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 Legierungszusammensetzung ausgewählt, die im wesentlichen aus 1 Gew.% Silber, 0,03 Gew.% Phosphor und als Rest Zinn einschließlich unvermeidbarer 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 Beschichtung eine Mikrohärte von 1200 N/mm² aufwies, wurden Steckhülsen verschiedener bekannter Stecksysteme hergestellt. Die entsprechenden 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 Steckersystemen eine Verminderung der Steckkräfte von 20 bis 50 % gegenüber einem Steckersystem erreicht werden, dessen Steckerverbindungspartner 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 Flachsteckverbindung hergestellt. Die entsprechende Steckhülse oder -buchse dieser Steckverbindung bestand aus einem Basiswerkstoff 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 beide eine Oberflächenbeschichtung aus Reinzinn besaßen.

Claims (6)

  1. Elektrisches Steckverbinderpaar, dessen Steckerelemente (Steckhülse, Stecker) aus einem mit Zinn oder einer Zinnlegierung beschichteten Basiswerkstoff bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß 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 0,1 bis 10 Gew.% mindestens eines der Elemente aus der Gruppe Silber, Aluminium, Silizium, Kupfer, Magnesium, Eisen, Nickel, Mangan, Zink, Zirkonium, Antimon, Rhodium, Paladium und Platin, Rest Zinn einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen und geringer Desoxidations- und Verarbeitungszusätze, 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, dadurch gekennzeichnet, daß die härtere Oberflächenbeschichtung 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 einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen enthält, wobei ein Teil des Zinngehalts gegebenenfalls durch bis zu 40 Gew.% Blei ersetzt 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 außerdem bis zu 0,5 Gew.% Zink und/oder Phosphor enthält.
  5. Elektrisches Steckverbinderpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zinnlegierung für die Oberflächenbeschichtung des Basiswerkstoffs einen Schmelzpunkt von bis zu 390 °C, vorzugsweise unterhalb von 320 °C aufweist.
  6. Elektrisches Steckverbinderpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbeschichtung des Basiswerkstoffs eine Dicke von 0,3 bis 12 »m aufweist.
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