Elektrophysik der Federwerkstoffe
Die Wahl des richtigen Grundwerkstoffs für elektrische Kontakte ist entscheidend, da sie maßgeblich die Leistung und Zuverlässigkeit der Kontakte beeinflusst.
Die Anforderungen an den Grundwerkstoff für elektrische Kontakte beziehen sich auf seine physikalischen, mechanischen sowie technologischen Eigenschaften. Dabei kommt es auf eine Kombination aus Festigkeit, Leitfähigkeit und Relaxationsbeständigkeit an. Für federnd beanspruchte Kontakte sind zusätzlich spezifische Federeigenschaften wie die Federbieggrenze, Biegewechselfähigkeit und Spannungsrelaxation durch erhöhte Umgebungstemperaturen von Bedeutung. Außerdem ist die Biegbarkeit (Verhältnis von Radius zu Dicke) eine konstruktive Eigenschaft, die für die Gestaltung und Baugröße des Kontakts entscheidend ist.
EMV
Für Anwendungen im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) bieten wir verschiedene Metalle an, maßgeblich entscheidend ist hier die Umgebungstemperatur:
Jede Feder hält Ihre Dämpfung im MHz und GHz Frequenzfeld nur, wenn Sie Ihre Normalkraft durch Komprimierung elastisch halten kann, egal wie die Umgebungstemperatur sich entwickelt.
Das Relaxationsverhalten des Federwerkstoffs ist hierbei ausschlaggebend. Für EMV-Anwendungen haben sich folgende Metalle bewährt:
• Edelstahl 1.4310
• Kupfer-Beryllium
• Inconel in Blechform
• Monel als Gestrick
Diese Werkstoffe decken ein breites Spektrum an Temperaturanforderungen von -200 °C bis +700 °C ab.
Kontaktkorrosion und Oberflächenbeschichtungen
Im zweiten Schritt ist die Werkstoffpaarung der Kontaktflächen auf mögliche Kontaktkorrosion zu prüfen. Hierbei spielt die jeweilige Einsatzumgebung eine entscheidende Rolle. Mithilfe moderner Oberflächenbeschichtungen können wir in Zusammenarbeit mit unseren Partnern jede denkbare Anforderung lösen.
Ampere
Materialauswahl für Stromführende Kontakte und Kommunikationsübertragung.
Für stromführende Kontakte werden vom Material des Federelements und des Grundkörpers hohe elektrische und thermische Leitfähigkeiten gefordert, die proportional zur Stromstärke sind. Konstruktiv ist darauf zu achten, die Stromerwärmung so gering wie möglich zu halten, da diese die maximale Strombelastbarkeit begrenzt. Aus diesem Grund kommen bevorzugt Trägerwerkstoffe aus Kupferlegierungen zum Einsatz, die Strom (% IACS) und Wärme (W/m.K) besonders gut leiten. Wird dazu noch die Biegewechselfähigkeit vorausgesetzt, kommen folgende Materialien in die Auswahl:
CuTiFe; CuNiSnMnFe; CuBe2; CuNi3SiMg; CuNi2Be; CuCrSiTi; CuCrSiAg.
Werkstoffe Leitfähigkeit
Leitfähigkeit und Federfunktion:
Um die Federfunktion sicherzustellen, sind Kupferlegierungen erforderlich, die eine hohe Festigkeit aufweisen. Insbesondere bei miniaturisierten Kontakten ist eine hohe Steifigkeit notwendig, die durch ein Elastizitätsmodul im Bereich von 110 bis 140 kN/mm² erreicht wird. Zusätzlich wird eine gute Biegsamkeit gefordert, um Kontaktteile wirtschaftlich und präzise als Stanz-Biegeteile herstellen zu können.
Temperaturbeständigkeit
Die Fähigkeit, eine stabile Kontaktnormalkraft auch bei erhöhten Temperaturen langfristig zu gewährleisten, hängt vom Relaxationsverhalten des Federwerkstoffs ab. Bei einer elastisch beanspruchten Feder, die über einen längeren Zeitraum Temperaturen oberhalb von 100° ausgesetzt ist, verursacht die Spannungsrelaxation je nach Werkstoff einen unter Umständen deutlichen Abfall der Federkraft.
Die Temperaturbeständigkeit gegen Spannungsrelaxation begrenzt entscheidend die maximal zulässige Einsatztemperatur des Federelements.
Temperaturgrenzen verschiedener Materialien:
- Messing: einsetzbar bis ca. 100 °C
- Zinnbronzen (z. B. CuSn6): unterhalb von 150 °C
- Hochleistungs-Kupferlegierungen wie CuNiSi, CuTiFe und CuBe: geeignet für Dauertemperaturen zwischen +200 °C und +250 °C
- CuBe: besonders temperaturbeständig von +270 °C bis -253 °C
- Alloy 718 (Inconel): einsetzbar bis 704 °C
Federbiegegrenze
Die Biegsamkeit ist eine Eigenschaft, die für die konstruktive Gestaltung und damit die Baugröße entscheidend ist.
Unter der Federbiegegrenze versteht man die Randbiegespannung, die nach Belastung eines Probekörpers und anschließender Entlastung zu einer bleibenden Durchbiegung von 0,05 mm führt. Dies bedeutet, eine Feder weist eine hohe Federbiegegrenze auf, wenn nach großer Belastung kaum plastische Verformung auftritt.
Federharte Werkstoffe
Bei federharten Werkstoffen gibt es keinen direkten Zusammenhang zwischen der Zugfestigkeit und der Federbiegegrenze, da die Belastungen im Zugversuch und im Biegeversuch unterschiedlich sind. Federhart gewalzte Materialien sind oft nicht über den gesamten Querschnitt gleichmäßig verfestigt.
Theoretisch liegt die Federbiegegrenze etwas unter der 0,2 %-Streckgrenze, etwa bei der 0,1 %-Streckgrenze. Praktisch ist sie jedoch meist niedriger, da innere Spannungen im Material eine Rolle spielen. Erst durch Wärmebehandlung bei Temperaturen zwischen 200 °C und 350 °C können diese Spannungen normalisiert werden. Wie oft der Werkstoff verfestigt und bei welcher Temperatur er wieder entspannt wird, beeinflusst auch den Preis. Wir führen deshalb eine Vielzahl federharter Werkstoffe, die nach Materialeinsatzkosten und thermoelektrischer Beanspruchung für jede Anwendung geprüft werden.
Aushärtbare Legierungen sind den naturharten Werkstoffen im Bereich Materialkosten bei ZILLKON überlegen, da wir ein Ausscheidungshärten unter Schutzgas im Hause selber durchführen.
Unser Sortiment umfasst:
- CuBe Sorten
- CuNi2Be
- CuCrSiTi
- Inconel Alloy
Biegewechselfestigkeit
Die Biegewechselfestigkeit ist ein entscheidender Faktor für Kontaktfedern, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Die Beanspruchung der Biegewechselfestigkeit hängt von Festigkeit, Korngröße und Banddicke ab. Sie beschreibt die höchste Biegespannung, die eine Probe bei wiederholter Belastung ohne Bruch aushalten kann.
Die Messung erfolgt durch sogenannte Wöhlerkurven, die zeigen, dass mit steigender Biegespannung die Anzahl der Lastwechsel bis zum Bruch abnimmt. Oberhalb von 10 hoch 7 Lastwechseln wird der Einfluss der Lastspielzahl vernachlässigbar, und dieser Wert wird als Biegewechselfestigkeit definiert.
Kupferwerkstoffe lassen sich je nach ihrer Biegewechselfestigkeit in drei Gruppen unterteilen:
- Messinge: 130–160 MPa, geeignet für statische Steckkontakte.
- Phosphorbronzen (z. B. CuSn6, CuSn8, CuSn10): 180–220 MPa, ideal für Federkontakte mit mittleren Lastzyklen und mittlerem Federweg.
- Hochfeste Kupferlegierungen:
- CuNiSnMnFe: 300 MPa
- CuBe2: 300 MPa
- CuTiFe: bis zu 400 MPa
Diese Legierungen eignen sich für Anwendungen mit hohen Federzyklen und dynamischen Beanspruchungen.
Wird Biegewechselfähigkeit für ein einteiliges Federelement, unter Berücksichtigung der elektrischen Leitfähigkeit und einer vorhandenen Wärmeleitfähigkeit vorausgesetzt,
sind folgende Materialien in der Auswahl:
- CuTiFe
- CuNiSnMnFe
- CuBe2
- CuNi3SiMg
- CuNi2Be
- CuCrSiTi
- CuCrSiAg
Zur Übersicht Werkstoffe nach Biegewechselfähigkeit, Elekrischer Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit:
Werkstoff Leitfähigkeit Biegefähigkeit RP:
Alternative Federwerkstoffe
Auf den folgenden Seiten finden Sie eine Übersicht "Weitere Federwerkstoffe", inklusive detaillierter Beschreibungen der jeweiligen Anwendungsbereiche und Eigenschaften.
CuBe2
CuNi2Be
CuSn6CuSn8CuSn10TeFiCuK55K75Inconel 718Edelstahl 1.4310