DD149086A1 - Verfahren zur minimierung des uebergangswiderstandes von aluminium in elektrischen verbindungen - Google Patents

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Martina Koellner
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Abstract

Der Leiterwerkstoff Cu musz aus oekonomischen Gruenden substituiert werden, was im wesentl. durch Al geschieht. Al weist jedoch zwei wesentliche Nachteile auf (dichte Oxidschicht, hohe Kriechneigung), die die Kontaktsicherheit negativ beeinflussen. Es ist deshalb notwendig, das Kontaktverhalten in loesbaren elektrischen Verbindungen und Anschluessen mit Leitern aus E-Al und Al-Leitlegierungen durch eine Minimierung des Uebergangswiderstandes zu verbessern. Erfindungsgemaesz erreicht man das durch eine chemische Oberflaechenbehandlung (Beizen in HF,H&ind2!SO&ind4!, HNO&ind3! oder eine partielle physikalische Oberflaechenbehandlung (partielles Beschichten mit einem geeigneten metallischen Werkstoff, z.B. Al-Lot CdZn3O. Durch diese Oberflaechenbehandlung wird der Uebergangswiderstand in seinem Absolutwert verringert und bleibt waehrend der gesamten zyklischen Belastung (thermisch-elektrische Belastung) nahezu konstant.

Description

Verfahren zur Minimierung des Übergangswiderstandes von Aluminium in elektrischen "Verbindungen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimierung des Übergangswiderstandes in lösbaren elektrischen Anschlüssen und Verbindungen mit Leitern aus E-Al und Al-Leitlegierungen·
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Kupfer als Leiterwerkstoff durch Aluminium zu ersetzen, ist Volkswirtschaftlich eine zwingende Notwendigkeit· Al besitzt zwar ausreichende spezifische elektrische und mechanische Eigenschaften· Bei der Verbindung und dem Anschluß von Al-Leitern führt jedoch die stets vorhandene Oxidschicht auf der Al-Oberfläche und die hohe Kriechneigung des Aluminiums zu Schwierigkeiten, die einem weitverbreiteten Einsatz von Al als Leiterwerkstoff grundsätzlich entgegenstehen· Es hat deshalb in der Vergangenheit nicht an Versuchen gefehlt, durch besondere Maßnahmen diese Nachteile zu umgehen, um die Kontaktsicherheit der Anschlüsse zu erhöhen /1/, /2/.
Dies kann im wesentlichen auf zwei Wegen geschehen:
a· durch Veränderung am Drahtleiter b· durch eine Modifizierung des Gegenkontaktes·
Zur Modifizierung des Gegenkontaktes (Einsatz metallischer Unterlagen unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit) liegen bereits Erfahrungen vor (siehe /1/ und /2/).
Veränderungen am Drahtleiter können dergestalt vorgenommen werden, daß man durch Zugabe ausgewählter Zusatzelemente Legierungen herstellt, die im Vergleich zu E-Al eine verbesserte mechanische Festigkeit bei gleichzeitig guter elektrischer Leifähigkeit aufweisen» Als Beispiel dafür seien die Al-Leitlegierungen Triple E, Super T und X 8076 als die bedeutendsten genannt (siehe /3, 4, 5j 6/)·
Ebenso sind auch Methoden des Plattieren^ oder des Aufbringen^ von metallischen Überzügen auf den Drahtleiter gut bekannt und wurden patentiert (siehe /7, 8, 9/)·
In neuerer Zeit ist ein elektrolytisches Verfahren bekannt geworden, mit dem unter Benutzung von Phosphorsäure eine Oberflächenbehandlung von Al-Leitdrähten vorgenommen und damit eine Reduzierung des Übergangswiderstandes dieser Drähte in elektrischen Kontakten erreicht werden kann /10/·
Stromlose chemische Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Al werden in /11/··./12/ beschrieben· Sie verwenden Säuregemische aus HpSO., HF und HNO-, mit NH3 bzw· Chromatzusätzen· Die Modifizierung der Oxidschicht und damit die Verbesserung des Kontaktverhaltens dieser so behandelten Al-Oberflächen ist jedoch gering und bei längerer Sauerstoffeinwirkung nicht beständig* Sie werden vorrangig zur Reinigung von Al-Halbzeug eingesetzt·
Die bekannten Verfahren haben alle den Nachteil eines hohen Zeit- und Materialaufwandes'und sind in ihrem Ergebnis auch technisch nur teilweise befriedigend als Methode zur Minimierung des Übergangswiderstandes von Leit-Aluminium·
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung ist es, durch eine Oberflächenbehandlung von Leit aluminium oder entsprechenden Legierungen eine Verbesserung des Kontaktverhaltens dieser Leiterwerkstoffe beim Anschluß in lösbaren, kraftschlüssigen Kontakten zu erreichen·
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stabilität und Lebensdauer elektrischer Kontakte mit Aluminium oder entsprechenden Legierungen zu erhöhen, in dem der übergangswiderstand minimiert wird·
Erfindungsgemäß erreicht man das durch eine chemische Oberflächenbehandlung in speziellen Säuregemischen aus H,PO., HCl, HP, NH4HF2, HliO-z, denen Cr-Ionen in unterschiedlicher Konzentration zugesetzt sind, oder durch eine partielle Beschichtung mit Al-Lot (ζ« Β· CdZn30).
Die chemische Oberflächenbehandlung (Beizen) kann sowohl am gesamten Drahtleiter vorgenommen werden oder sich nur auf die Kontaktstellen beschränken. Als Beizmittel sind Säuren (z, B. HF; HNO,; H2SO4) oder Säuregemische (z# B. HNO5 + NH4HP2 + H3PO4; HNO3 + HCl + HF) zu verwenden, wobei Beizzeiten von wenigen Minuten genügen. Durch diese chemische Oberflächenbehandlung erreicht man eine Verringerung des Absolutwertes des Ubergangswiderstandes im Vergleich zu unbehandeltem E-Al, wobei auch während der gesamten zyklischen Belastung (Dauer 1 Woche) kein nennenswerter iL.-Anstieg zu verzeichnen ist. Durch eine Zwischenlagerung dieses oberflächenbehandelten E-Al an Luft wird die neugebildete Deckschicht nicht beeinträchtigt.
Eine partielle metallische Oberflächenbehandlung der Leitdrähte erreicht man im Gegensatz zu den in Punkt /7, 8, 9/ vorgestellten Verfahren, indem die Kontaktstellen der Drähte mit einem metallischen Überzug (z, B# CdZn30) versehen werden. Die an den Kontaktstellen aufgebrachte Deckschicht bewirkt eine maßgebliche Reduzierung des Absolutwertes des Übergangswiderstandes bei E-Al, der analog der chemischen Oberflächenbehandlung während der zyklischen Belastung nahezu konstant bleibt*
Die nach den genannten Verfahren behandelten Drähte für elektrische Verbindungen zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:
a. verringerter Absolutwert des Übergangswiderstandes
b. verringerter Anstieg des Übergangswiderstandes während der zyklischen (thermisch-elektrischen) Belastung
o» erhöhte Kontaktstabilität.
Die angeführten Verfahren sind jeweils vor der Herstellung einer elektrischen Verbindung vorzunehmen.
Ausführungsbeispiele Beispiel 1:
Der in Klemmanschlüssen zu prüfende Leitdraht wird nach folgender Technologie hergestellt:
Als Ausgengsmaterial wird Hüttenaluminium der Reinheit 99,5 und besser eingesetzt. Das Schmelzen des Ausgangsmaterials erfolgt in einem gas- oder elektrischbeheizten Schmelzofen, wobei die Legierungselemente in Form von Vorlegierungen der Schmelze zugesetzt werden. Die Schmelze wird kontinuierlich über ein Gießrad abgegossen. Danach schließen sich ein Warmwalzen und eine Kaltverformung des Materials bis auf den Enddurchmesser an. Gegebenenfalls kann eine zweistündige Heterogenisierungsbehandlung 350 0C ... 500 0C eingeschoben bzw. nach der Endverformung vorgenommen werden. Der Endverformungsgrad liegt dabei oberhalb 75 #. Die auf diese Weise hergestellten Drähte werden anschließend 15 s in einem Gemisch aus HF + Н5Р0д + HNO, + Chromsäure gebeizt, wobei nur die Kontaktstellen der Drähte einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden. Anschließend sind die Drähte im Klemmanschluß zu kontaktieren und die Übergangswiderstände an den Kontakten zu bestimmen. In Bild 1 wird das Kontakt-Zeit-Verhalten oberflächenbehandelter und unbehandelter Drähte aus E-Al 99,5 bzw. aus einer AlFeMg-Legierung dargestellt. Zum Vergleich ist der Kurvenverlauf des unbehandelten E-Al eingezeichnet worden.
Beispiel 2:
Die Herstellung des Leitdrahtes erfolgt wie in Punkt 1 beschrieben. Anschließend werden die Kontaktstellen der Drähte
mit dem Lotmittel CdZn30 versehen. Die auf diese Weise behandelten Drähte sind dann im Klemmanschluß zu kontaktieren. Die Ergebnisse der Ry-Messung sind im Bild 1 dargestellt. Zum Vergleich wurde wieder der Kurvenverlauf für unbehandeltes E-Al eingetragen.
Literatur
/1/ Geißler; Starke:
Technischer Bericht Mr. 02 327 vom 19. 11. 1975
Patentschrift WP 122 157
Anmelder: Geißler, Starke, Prenzel, Küchler, Schmidt,
Philippeit Anir.eldetag: 5. 9. 1975, Ausgabetag: 12. 9. 1976
/3/ Chia, E. H.; Engel, N. N.; Data, M. K.:
"Annealing charakteristics of triple E electrical conductor Alloy" Wire Journal 7 (197*03, S. 55 - 60
Ik/ Chia, G. R-.; Keith, P.S.:
"Mechanische und elektrische Eigenschaften einer Al-Leitlegierung vom Typ AlFeCo" Aluminium UB (1972)7, S. I77 -
/5/ Lenaeus, G. R.; Mc. Pheters, H. R.:
"Triple E and Super-T aluminium alloys for electrical applications"
Metals & Materials 6 (1972)9, S. llOl - M/3
/6/ Westerlund, R. R.; Bond, N. T.:
"The properties of X 8076 aluminium electrical conductor Allooy"
Wire Journal 6 (1973)10, S. Ql - 98
III Buggermann, W.:
"Herstellung und Anwendung oberflächenbeschichteter Drähte der E-Technik"
II. Konferenz der RGW-Länder über die rationelle Anwendung der NE-Metalle, in Budapest 197^
/8/ Hannson, H. 0.:
"Vernickelter Al-Draht für Kabel, Leitungen und Lackdraht" metallprogress 47 (1971), S. H36 - hHi
/9/ Kountanis, B.:
"Electric contact resistance of conductive coatings on aluminium"
BPN Associates, Oakles, Calif.
/10/ Offenlegungsschrift 26 01 861
Anmelder: Societe de Vente de lf Aluminium Pechiney,
Paris Verteter: Waesthoff, F., Dr.-Ing.; Pechmann, E. Frkr.
von, Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Behrens, D.,
Dr.-Ing.; Goetz, R., Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.
Ing, Pat.-Anwälte 80OO München Anmeldetag: 20. 1. 1976 Offenlegungstag: 29. 7. 1976
/11/ Beyrle, F. J.:
Process for cleaning aluminium
USP Patentnummer 33 67 799 vom 8. 10. 1963
/12/ Bellinger, K. Ph.:
"Beizbad und Verfahren zur Anwendung desselben" DE-AS 12 91 I69 vom 3. 10. I96I

Claims (2)

  1. Erfindungsansprüche
    1. Verfahren zur Minirriierung des übergangswiderStandes von E-Al bzw« Al-Legierungen, dadurch gekennzeichnet % daß E-Al bzw. Al-Leitlegierungen eine partielle oder eine sich auf den gesamten Draht erstreckende chemische Oberflächenbehandlung in einem Gemisch aus Η,ΡΟ. und/oder HNO, und/ oder HCl und/oder NH4HF2 und/oder Chromsäure vorgenommen wird.
  2. 2. Verfahren zur Minirnierung des Übergangswiderstandes von E-Al bzw. Al-beitlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß auf E-Al bzw. Al-Leitlegierungen partiell metallische Überzüge in reins oder legierter Form auf thermischem oder elektrochemischem Wege aufgebracht werden*
    Hierzu 1 Seite Zeichnungan
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0054743A1 (de) * 1980-12-19 1982-06-30 Ludwig Fahrmbacher-Lutz Verfahren zur chemischen Entfernung von Oxidschichten von Gegenständen aus Titan oder Titanlegierungen

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0054743A1 (de) * 1980-12-19 1982-06-30 Ludwig Fahrmbacher-Lutz Verfahren zur chemischen Entfernung von Oxidschichten von Gegenständen aus Titan oder Titanlegierungen

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