Verbindungselemente: Kupferlegierung reduziert Verlustleistung und erhöht Festigkeit

| Redakteur: Dorothee Quitter

Mit Verbindungselementen aus Isa-Con 450 lassen sich der elektrische Widerstand und damit die Wärmeentwicklung im System reduzieren. Zusätzlich kann unerwünschte Wärme besser abgeführt werden.
Mit Verbindungselementen aus Isa-Con 450 lassen sich der elektrische Widerstand und damit die Wärmeentwicklung im System reduzieren. Zusätzlich kann unerwünschte Wärme besser abgeführt werden. (Bild: Isabellenhütte Heusler)

Mit Schrauben und Bolzen aus der hoch leitenden Kupferbasislegierung Isa-Con 450 der Isabellenhütte lassen sich bei stromtragenden Bauteilen der elektrische Widerstand und damit die Verlustleistung im Vergleich zu Stahl reduzieren. Gleichzeitig können durch die erhöhte Festigkeit Querschnitte bei gleicher Sicherheit reduziert werden.

Neben Feinstdrähten, Kabeln und Litzen aus Isa-Con 414 fertigt die Isabellenhütte jetzt auch Halbzeuge/Vormaterialien für Verbindungselemente wie Schrauben und Bolzen aus Isa-Con 450, einer weiteren Variante der Kupferbasislegierung. Beide Werkstofftypen, Isa-Con 414 und Isa-Con 450, zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit (ähnlich der von Edelstahl) und eine hohe Leitfähigkeit (ähnlich der von Kupfer) aus. Bei Isa-Con 450 liegt die Zugfestigkeit bei 450 bis 550 MPa und die Leitfähigkeit bei 80 % IACS (International Annealed Copper Standard). Diese Kombination prädestiniert den Werkstoff als leitendes Verbindungselement, beispielsweise als Bolzen, Schraube, Federkontakt, Steckverbinder oder Stromschiene.

Wenn in Applikationen beispielsweise mit Verbindungselementen aus Stahl Probleme auftreten – wie eine zu hohe Verlustleistung und Wärmeentwicklung, genauso auch Platzprobleme oder zu hohes Gewicht – ist der Einsatz der Isa-Con 450-Legierung eine lohnende Alternative.

Bei stromtragenden Bauteilen verringert sich der elektrische Widerstand sowohl im Material als auch beim Kontaktübergang im Vergleich zu Stahl. Damit sinkt die Verlustleistung deutlich bzw. lassen sich Gewicht und Durchmesser der Komponenten reduzieren. Eine vielversprechende Anwendung ist die direkte Verbindung, zum Beispiel als Überbrückung eines Abstands zwischen zwei Stromschienen mit tragender Funktion (anstelle eines Stahlbolzens oder eines Stifts für einen Steckerkontakt).

Wärmereduzierung um 50 Prozent

Die Anforderungen bei der Bolzenapplikation waren eine deutliche Reduzierung des elektrischen Widerstands und damit der Wärmeentwicklung des Bolzens selbst. Eine direkte Nutzung bedeutet hier, dass der gesamte Strom direkt über den Isa-Con 450-Bolzen geleitet wird, der einen Shunt-Widerstand mit einem Stecker verbindet. Dank der hohen Leitfähigkeit der Legierung gibt es nur einen geringen elektrischen Widerstand mit entsprechend reduzierter Wärmeentwicklung im Kontaktbolzen. Darüber hinaus kann die Wärmeentwicklung, die üblicherweise im Shunt-Widerstand entsteht, besser abgeführt werden und damit insgesamt um 50 % gegenüber einem Bauteil mit Stahlkontaktierung verringert werden.

Isa-Con 450 ist ebenso wie Isa-Con 414 warmfest, d. h. auch bei Anwendungen mit höheren Umgebungstemperaturen behält der Bolzen seine mechanische Festigkeit. Stromtragende Bauteile aus Stahl, die aufwendig gekühlt oder für eine hinreichende Leitfähigkeit deutlich überdimensioniert werden müssen, können mit Isa-Con 450 einfach ersetzt werden. Mechanisch tragende Verbindungselemente aus Kupfer müssen ebenfalls oft überdimensioniert werden, um wiederum mechanischen Belastungen zu genügen. Durch die erhöhte Festigkeit von ISA-CON® können Querschnitte bei gleicher Sicherheit reduziert werden. Dies ermöglicht eine Gewichts- und Platzreduzierung, was z. B. im Automotive-Bereich meist sehr relevant ist.

Schrauben als indirekte Nutzung

Eine indirekte Verbindung ersetzt ein bisher nicht stromtragendes Bauteil wie eine Stahlschraube, die einen Kontakt auf eine Stromschiene presst. Hierbei kann die gepresste Kontaktfläche und damit die Bauteilfläche reduziert werden, da ein Teil des Stroms über die Schraube fließen kann. Die Isa-Con 450-Schraube bietet durch ihre hohe Leitfähigkeit zusätzliche Sicherheit.

Die Kundenresonanz bei der Isabellenhütte fällt bisher sehr positiv aus. Vor allem die direkte Nutzung durch Isa-Con 450-Bolzen zeigt eine gute Kosten-Nutzen-Relation. Dazu S. Brockhaus, Business Development Manager Isabellenhütte: „Wenn Wärmeentwicklung, elektrische Leitfähigkeit und Übergangswiderstände in der Anwendung unerheblich sind, können Stahl oder einfache Kupferlegierungen wie Bronze oder Messing ausreichend sein. Wenn aber oben genannte Probleme auftreten, bietet sich Isa-Con 450 als Problemlöser-Legierung an.“ Interessant ist die Legierung für alle Arten von mechanisch beanspruchten Steckverbindern, die auch eine hohe Leitfähigkeit sowie eine hohe Ausfallsicherheit benötigen.

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Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal Konstruktionspraxis.

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Berylliumkupfer? 80% Leitfähigheit der Kupfers heisst 46*10^6 S/m. Das wäre viel für...  lesen
posted am 13.05.2019 um 18:48 von ghl001


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