Werkstofftrends bei Steckverbinderanwendungen Hochfest und gut biegbar

Autor / Redakteur: Isabell Buresch* / Kristin Rinortner

Der Kostendruck zwingt die Steckverbinderhersteller, neue Wege zu gehen. Material sparende Designs und mehrteilige Konstruktionen, die den Einsatz kostengünstiger und weniger leistungsfähiger Werkstoffe erlauben, werden entwickelt. Die Materialhersteller sind aufgefordert bestehende Legierungen zu optimieren und durch neue Hochleistungslegierungen teure Legierungen zu substituieren.

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Waren in den 60er-Jahren Strom führende Standardsteckverbinder, wie z.B. der FASTON, überwiegend in Messing oder Bronze blank in einteiliger Ausführung in vielen Anwendungen vertreten, traten in den 80er-Jahren Steckverbinder mit Stahlüberfeder zur Kontaktkraftunterstützung in den Vordergrund. Dieser Typ an Standardsteckverbinder, wie z.B. Tyco Junior Power Timer (JPT), wurde in Bronze und später dann auch in CuFe2P ausgeführt und wird heute noch als Klassiker eingesetzt.

Mit zunehmenden Signalstromanwendungen kamen Steckverbinder wie Tyco Micro Quadlock (MQS), Siemens GET und Kostal MLK, u.a. auf den Markt, für Motorraum- und Steuergeräteanschlüsse wurden Hochdruckkontakte entwickelt. Die Anforderungen der zuletzt genannten Steckverbinder konnten nicht mehr mit den traditionellen Kupferlegierungen wie Bronze und Messing erfüllt werden, die erste Generation der Kupfer-Hochleistungslegierungen oder Kupfer-Berylliumlegierungen kamen zum Einsatz. Neuere Entwicklungen in diesem Anwendungsbereich – wie z.B. der Matrixkontakt oder die Sicma-Familie (FCI) – müssen den steigenden Anforderungen genügen, was in diesem Fall eine höhere Leitfähigkeit bei ausreichend hoher Festigkeit bedingt. Die zweite Generation der Hochleistungslegierungen (HP-Legierungen) wurde notwendig.

Der Trend geht zu einteiligen Kontakten

Der Trend geht heute bei Steckverbindern für Signalstromanwendungen zu einteiligen Kontakten, auch bei Hochstromsteckverbindungen sind innovative Designs gefragt. Einteilige Kontakte ohne Stahlüberfeder müssen die Kontaktnormalkräfte über lange Federschenkel mit hoher Festigkeit zuverlässig über der Lebensdauer aufbringen. Je nach Umgebungstemperatur und Strombelastbarkeit steht damit die Festigkeit des einzusetzenden Werkstoffes an oberster Stelle, gefolgt von Relaxationsbeständigkeit und Leitfähigkeit. Die dritte Generation der HP-Legierungen musste entwickelt werden.

Der Kostendruck in allen Branchen zwingt die Steckverbinderhersteller, neue Wege zu gehen. Material sparende Designs und mehrteilige Konstruktionen, die den Einsatz kostengünstiger und weniger leistungsfähiger Werkstoffe erlauben, werden angedacht. Die Materialhersteller sind aufgefordert, durch Prozessänderungen bei der Herstellung und durch den Einsatz metallpreisoptimierter Zusammensetzungen bestehende Legierungen zu optimieren und durch die Entwicklung neuer Hochleistungslegierungen, teure Legierungen zu substituieren.

Gefordert werden hochfeste, sehr gut verformbare Werkstoffe

Steigende Anforderungen an Steckverbinder durch den Einsatz neuer Technologien, wie z.B. der Hybridantrieb im Pkw, mit der Konsequenz höherer Spannungen und Ströme sowie höherer Temperaturen oder der Trend zur fortschreitenden Miniaturisierung im Konsumerelektronikbereich erfordern besondere Eigenschaftskombinationen im Grundmaterial und bei Beschichtungen.

Gefordert werden gut leitfähige, hochfeste, aber sehr gut biegbare/verformbare Werkstoffe. Schon hier zeigt sich ein Widerspruch in der Eigenschaftskombination hochfest und gut verformbar. Die Herausforderung liegt in der Fertigung der Werkstoffe und führt nur durch besondere Prozessführungen zur Einstellung spezieller Gefügestrukturen zum Ziel.

Anforderungen an Steckverbinderwerkstoffe: zwischen Kosten- und Innovationsdruck

Die Automobilbranche ist eingekeilt zwischen Kosten- und Innovationsdruck. Miniaturisierung, neue Anwendungen für die Flextechnologie in Hochstrom- und Hybridanwendungen erfordern neue Terminal-Designs, neue Werkstoffe und neue Oberflächen. Kleinere, schnellere, kostengünstigere und zuverlässigere Bauteile müssen entwickelt werden; dies gilt letztendlich für alle Branchen.

Neue Entwicklungen finden dabei im Spannungsfeld konkurrierender Interessen statt: Der Forderung nach geringeren Produktions- und Materialkosten stehen steigende Anforderungen gegenüber, Standardisierung konkurriert mit individuellen Lösungen und Integration steht gegen Dezentralisierung.

Die Leitfähigkeit und Festigkeit sind die für elektromechanische Bauelemente primären Eigenschaften, die Verformbarkeit und Relaxationsbeständigkeit sind aus Werkstoffsicht sekundäre Eigenschaften. Die Strombelastbarkeit von Steckverbindungen ist eine wesentliche funktionale Größe. Sie hängt ab von den Kontaktierungsbedingungen in der Kontaktzone, dem eingesetzten Grundmaterial und vom Kontaktdesign und wird über die Erwärmung definiert. Um möglichst hohe Strombelastungen zu realisieren, sind neben einem niedrigen Anschlusswiderstand eine gute Leitfähigkeit des Kontaktkörpers mit möglichst großem Querschnitt der Strom führenden Teile notwendig.

Wichtig ist, die gesamte Verbindungsstelle zu betrachten

Gerade bei hohen Umgebungstemperaturen muss die Stromerwärmung so gering wie möglich gehalten werden, um Grenztemperaturen, die in Deratingkurven vorgegeben werden, technisch ausnutzen zu können. Werkstoffseitig beeinflussen somit die elektrische Leitfähigkeit, die Spannungsrelaxation und die Festigkeit die Strombelastbarkeit. Wichtig ist dabei, die gesamte Verbindungsstelle bestehend aus Male- und Female-Kontakt zu betrachten, da in gemischten Paarungen der Partner mit der schlechteren elektrischen Leitfähigkeit begrenzend auf die Strombelastbarkeit wirkt.

Der Einsatz von Steckverbindungen bei erhöhten Temperaturen und die Forderung nach steigender Zuverlässigkeit über eine längere Lebensdauer stellt eine hohe Hürde bei der Spannungsrelaxationsbeständigkeit der Werkstoffe dar. Der Normalkraftabfall in einer lösbaren Verbindung darf üblicherweise 30% während der Lebensdauer nicht überschreiten. Bei vielen zweiteiligen Steckverbindern wird eine konstruktive Trennung von mechanischer Funktion und Stromübertragung vorgenommen, indem eine Stahlüberfeder eingesetzt wird. Stahl weist gegenüber mischkristallbildenden Kupferlegierungen eine bessere Relaxationsbeständigkeit auf. Mit einigen wenigen ausscheidungshärtenden Kupferwerkstoffen können ähnliche Werte in Kombination mit höherer Leitfähigkeit erreicht werden, sodass sich die Frage nach den Gesamtkosten aus Werkstoff plus Produktion bei der Entscheidung für einteilige oder zweiteilige Kontakte stellt.

Rauheit und Härte der Kontaktoberfläche beeinflusst die Leistungsfähigkeit

Funktionale Bereiche elektromechanischer Bauelemente, wie z.B. die Kontaktzone, werden oft im Fertigungsprozess eines Steckverbinders Verformungen unterzogen. Die Leistungsfähigkeit eines einzelnen elektrischen Kontakts wird dabei durch die Rauheit und Härte der Kontaktoberfläche beeinflusst. Die Korngröße, die Oberflächenstruktur und der Stanz-Biegeprozess sind verantwortlich für die Oberflächenrauheit im Umformbereich, diese hat direkt Auswirkungen auf den Kontaktwiderstand [1, 2]. Das Ziel einer jeden Steckverbindung ist ein kleiner, stabiler Kontaktwiderstand bei niedrigen Kontaktkräften. Dies ist auch Voraussetzung für niedrige Steckkräfte. Damit kommt als weiterer werkstoffseitiger Einflussfaktor die Korngröße hinzu.

Kupferlegierungen für Steckverbinder-Anwendungen

Legierungen lassen sich entsprechend ihrer Gefügeausbildung und der Mechanismen zur Festigkeitssteigerung einteilen. Bei Kupferlegierungen wird u.a. zwischen mischkristall- und ausscheidungshärtenden Legierungen unterschieden.

Beschrieben wird damit der Mechanismus zur Steigerung der Festigkeit, welcher sich charakteristisch im Verhalten bei Verformungs- und Temperprozessen in der Fertigung der Werkstoffe und in der Gefügeausbildung äußert.

Die traditionellen Kupferlegierungen wie Bronzen und Messinge sind mischkristallhärtende Werkstoffe. Ihre Eigenschaften werden durch die Wechselwirkungen zwischen Versetzungen und Fremdatomen bestimmt. Sie zeichnen sich durch eine eher niedrige Leitfähigkeit bei mittleren Festigkeiten und einer Relaxationsbeständigkeit bis max. 100 °C aus. Durch ihre einfache Gefügestruktur ist die Prozessführung in der Fertigung vergleichsweise kostengünstig. Die Verformbarkeit ist bei niedrigen Festigkeiten sehr gut, verschlechtert sich jedoch bei höheren Festigkeiten dramatisch.

Traditionelle Kupferlegierungen reichen oft nicht mehr aus

Ausscheidungshärtende Legierungen weisen einen Mischkristallbereich auf, bei dem die Löslichkeit der Legierungsatome mit sinkender Temperatur abnimmt. Nicht im Mischkristall lösliche Fremdatome werden als Partikel ausgeschieden. Aufgrund der Wechselwirkungen zwischen Versetzungen und Ausscheidungsteilchen ergibt sich eine Verfestigung. Die Größe, Zusammensetzung und Anzahl der Ausscheidungen bestimmt neben der Festigkeit auch die Leitfähigkeit, Verformbarkeit und elektrische Leitfähigkeit. Ausscheidungshärtende Cu-Legierungen sind meist niedriglegierte Legierungen mit max. 3 bis 6% Legierungselementzusatz.

Viele der heute an elektromechanische Bauteile gestellten Eigenschaftskombinationen sind mit den traditionellen Kupferlegierungen Messing und Bronze nicht mehr abzudecken. In ihren Eigenschaften unterscheiden sich die ausscheidungsbildenden Legierungen durch eine gegenüber den traditionellen mischkristallhärtenden Legierungen höhere elektrische Leitfähigkeit in Kombination mit einer höheren Härte und einer besseren Relaxationsbeständigkeit. Die bestmögliche Eigenschaftskombination zu erreichen, ist Ziel zahlreicher Entwicklungen (Tabelle), welche sich auch in den verschiedenen Generationen der Cu-Hochleistungslegierungen widerspiegelt [3].

Die Verformbarkeit eines Werkstoffes hängt von vielen Faktoren ab

Die Voraussetzung für miniaturisierte Bauteile ist ein sehr gutes isotropes Umformvermögen des Grundwerkstoffes, was eine nahezu scharfkantige Biegbarkeit unabhängig von der Walzrichtung des Bandes bedeutet.

Die Verformbarkeit eines Werkstoffes hängt neben der Legierungszusammensetzung, des Festigkeitszustandes, der Umformgeschwindigkeit und -art (z.B. Biegeparameter, Biegewinkel und -radius) von der Gefügeausbildung ab. Weitere Einflussfaktoren im Biegeprozess sind die Banddicke, die Orientierung der Biegekante zur Walzrichtung, die Probenbreite und der Biegeprozess (freies Umformen, Biegen ins Gesenk etc. [4]).

Bild 1: Ausscheidungshärtende und Mischkristall bildende Kupferlegierungen (Archiv: Vogel Business Media)

Ausscheidungshärtende Legierungen erlauben aufgrund der Ausbildung von Scherbändern und einer ausgeprägten Orangenhaut in der Biegekante wesentlich schärfere Biegeradien bezogen auf die Banddicke im Vergleich zu mischkristallbildenden Legierungen (Bild 1). Die Oberfläche raut sich in Bereichen, die z.B. durch Biegen, Tiefziehen oder Prägen umgeformt wurden, auf. In vielen Fällen wird die Kontaktzone durch eine tiefgezogene Kalotte oder eine Biegekante ausgebildet. Da die Leistungsfähigkeit von Kontakten durch die Rauheit der Kontaktfläche beeinflusst wird, muss dieser Aspekt mit in die Werkstoffauswahl einbezogen werden.

Einfluss von Gefüge und Korngröße

Die Ausprägung der Rauheit hängt ab von den mechanischen Eigenschaften des Bandmaterials und den Parametern des Umformprozesses. Starke Orangenhaut oder Risse entstehen als Folge hoher lokaler Verformungen oder niedriger Duktilität des Materials. Die Gefügeausbildung und die Korngröße spielen bei Verformungen eine große Rolle, da die Korngrenzen ein Hindernis für die Versetzungsbewegung darstellen.

Die Hall-Petch-Beziehung [5,6] besagt, dass mit sinkender Korngröße die Grundfestigkeit des Werkstoffs steigt. Die Umsetzung dieser Erkenntnis in der Fertigung der mischkristallbildenden Bandmaterialien führt zu einer neuen Werkstoffklasse. Eine Duktilitätssteigerung mit sinkender Korngröße, die sich makroskopisch in einer verbesserten Biegbarkeit des Werkstoffs und damit in einer geringeren Aufrauhung der Oberfläche im Biegebereich äußert, wird erreicht [7].

Biegeeigenschaften verschiedener Werkstoffe

Bild 2: Korrelation minimaler relativer Biegeradien r bezogen auf die Banddicke t in Abhängigkeit von der maximal erreichbaren Festigkeit (Archiv: Vogel Business Media)

Bild 2 zeigt den minimalen Biegeradius für einige wichtige Kupfer-basierte Bandwerkstoffe in Abhängigkeit der Zugfestigkeit Rm und der elektrischen Leitfähigkeit (in % IACS). Mit zunehmender Festigkeit tritt eine Verschlechterung der Biegbarkeit auf. Mischkristallgehärtete Werkstoffe erlauben scharfkantige Biegungen nur für Festigkeiten Rm< 500 MPa. Außerdem ist die elektrische Leitfähigkeit im Vergleich mit den ausscheidungsgehärteten Legierungen deutlich schlechter.

Neue Entwicklungen, wie Wieland-K57, erlauben eine scharfkantige Biegung bei höherer Festigkeit und Leitfähigkeit. Als ein ausscheidungshärtender Werkstoff setzt K57 bezüglich der Eigenschaftskombination Leitfähigkeit/Festigkeit/Biegbarkeit die Entwicklung bei CuNiSi-basierten Legierungen fort und ist für einteilige Kontakte und Miniaturisierung prädestiniert. Aufgrund seiner Gefügeausbildung und spezifischer Fertigungsschritte ist trotz höherer Festigkeit ein schärferer Umformprozess rissfrei möglich.

Bild 3: Minimaler Biegeradius verschiedener Wieland Cu-Legierungen bezogen auf die Banddicke in Abhängigkeit von der Zugfestigkeit (Archiv: Vogel Business Media)

Durch den zunehmenden Kostendruck stellt sich die Frage nach Eigenschaftsverbesserungen bei kostengünstigen Legierungen. Typisch für 4 bis 8%ige Bronzen sind Korngrößen zwischen 8 und 20 µm. Für eine modifizierte, mischkristallbildende Bronze CuSn8 werden in Bild 3 erste Ergebnisse der Biegbarkeit in Abhängigkeit von der Festigkeit und der Korngröße dargestellt. Es zeigt sich in den Untersuchungen deutlich, dass ein feinkörniges Bandmaterial mit einer Korngröße <5 µm eine verbesserte Biegbarkeit bei höheren Festigkeiten besitzt.

Eigenschaftsverbesserungen bei kostengünstigen Legierungen

Dieses Verhalten feinkörniger Mischkristalle resultiert aus der gleichmäßigeren Spannungsverteilung in der Kornstruktur bei einer Verformung und einer damit verbundenen höheren ertragbaren Spannung vor der Rissinitiierung.

Bild 4: Auf die Banddicke normierter Mindestbiegeradius bei einer Biegekante parallel zur Walzrichtung in Abhängigkeit von der Rp0,2-Dehngrenze für CuSn8-Werkstoffe (Archiv: Vogel Business Media)

Die verbesserte Biegbarkeit feinkörniger Werkstoffe und die geringere Oberflächenaufrauhung zeigt sich auch in rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen von Biegekanten (Bild 4).

Bild 5: REM-Aufnahmen der äußeren Biegekanten einer 180°-Biegung parallel zur Walzrichtung, Radius 0,2 mm von Wieland-B18 (Rp 660 MPa) mit Standardkorngröße (a) und Feinkorngefüge (b) (Archiv: Vogel Business Media)

Das CuSn8-Material in Bild 5a ist durch eine Standardkorngröße von ca. 8 µm definiert, Bild 5b wurde an einem feinkörnigen Bandmaterial aufgenommen. Während in dem Standardmaterial deutliche Risse und eine hohe Rauigkeit zu sehen sind, verhält sich das feinkörnige Material unter den gleichen Bedingungen noch unkritisch. Durch das Einstellen eines feinen Korns wird ein völlig neues Eigenschaftsprofil hinsichtlich Festigkeit und Biegbarkeit erreicht, welches in dieser Eigenschaftskombination mit dem von niedrig legierten, ausscheidungshärtenden Werkstoffen vergleichbar ist.

Die feinkörnige Bronze ermöglicht durch das geringere Aufrauhen in verformten Bereichen ein besseres Kontaktverhalten, was sich insbesondere bei galvanisch beschichteten Steckverbindern vorteilhaft auswirkt. Durch die kleinere effektiv zu beschichtende Oberfläche ergibt sich gleichzeitig ein geringerer Edelmetallverbrauch bei der Beschichtung.

*Dr. Isabell Buresch ist Leiterin des Business Development New Products im Geschäftsbereich Walzprodukte bei der Wieland-Werke AG in Ulm.

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