ES2240619T3 - Material para un fleje metalico. - Google Patents

Abstract

Material para un fleje metálico destinado a la fabricación de piezas componentes de contactos eléctricos, que expresado en tantos por ciento, tiene la siguiente composición: níquel (Ni) 0, 5 - 3, 5% silicio (Si) 0, 08 - 1, 0% estaño (Sn) 0, 1 - 1, 0% zinc (Zn) 0, 1 - 1, 0% zirconio (Zr) 0, 005 - 0, 2% plata (Ag) 0, 02 - 0, 5% indio (In) 0, 1 - 5% facultativamente manganeso en menos de 0, 5% y magnesio en menos de 0, 2%, siendo el resto cobre, inclusive las impurezas debidas a la fundición.

Description

Material para un fleje metálico.

El invento se refiere a un material para un fleje metálico destinado a la fabricación de piezas componentes de contactos eléctricos.

Las conexiones de contactos enchufables están ampliamente propagadas en aplicaciones electrotécnicas. Por tal concepto se entiende fundamentalmente una disposición mecánica a base de un enchufe macho (clavija) y un enchufe hembra (manguito de enchufe) para abrir y cerrar una conexión conductora de la electricidad. Las conexiones de contactos enchufables pasan a emplearse en los más diversos sectores de aplicación, por ejemplo en el sistema eléctrico de vehículos automóviles, en la técnica de comunicaciones o en el sistema electrónico de instalaciones industriales.

Un procedimiento usual de fabricación de tales elementos de contactos enchufables consiste en troquelar piezas en bruto a partir de un fleje de cobre o bien de una aleación de cobre, y transformar ulteriormente éstas en el elemento de contacto enchufable. El cobre tiene una alta conductibilidad eléctrica. Para la protección contra la corrosión y el desgaste, así como para el aumento de la dureza superficial, los flejes de cobre o bien de aleaciones de cobre se estañan de antemano. El estaño se adecua, a causa de su buena estabilidad frente a la corrosión, de un modo especial como material de revestimiento para el cobre. Dentro de los procesos técnicos clásicos se cuenta la aplicación del revestimiento por el procedimiento de inmersión en una masa fundida.

En este contexto se conocen las más diferentes aleaciones de estaño para el revestimiento superficial del material de base, en particular también aleaciones de estaño y plata, puesto que éstas pertenecen a los materiales de contactos de muy buena calidad.

Por medio del documento de patente europea 0.443.291 B1 es conocido, en el caso de un pareja de conectadores enchufables, revestir el material de base de un elemento de enchufe con estaño puro o con una aleación de estaño y plomo, mientras que el otro elemento de enchufe tiene un revestimiento superficial más duro, aplicado por una vía líquida de masa fundida, hecho a base de una aleación, que contiene hasta 10% en peso de plata. Junto a la plata, se propone todavía una serie de otros metales para alear. Este principio es determinante para la producción de conectadores enchufables cualitativamente muy valiosos, con una resistencia eléctrica de contacto invariablemente baja, y unas fuerzas de encaje y tracción lo más pequeñas que sean posibles.

El documento de patente alemana DE-36.28.783 C2 divulga una pieza de conexión eléctrica a base de una aleación de cobre, que tiene de 0,3 a 2% en peso de magnesio, así como de 0,001 a 0,1% en peso de fósforo. Las piezas de conexiones eléctricas se distinguen por su resistencia mecánica, su conductibilidad eléctrica y sus propiedades de relajación de las tensiones a temperaturas elevadas. Éstas muestran unas satisfactorias propiedades para el uso, incluso cuando ellas se producen en un tamaño compacto y en una forma complicada.

Se cuenta dentro del estado de la técnica, por medio del documento de solicitud de patente alemana DE-43.38.769 A1, también una aleación de cobre para la producción de conectadores enchufables eléctricos con una composición, en lo esencial, de 0,5 a 3% en peso de níquel, de 0,1 a 0,9% en peso de estaño, de 0,08 a 0,8% en peso de silicio, de 0,1 a 3% en peso de zinc, de 0,007 a 0,25% en peso de hierro, de 0,001 a 0,2% en peso de fósforo, así como de 0,001 a 0,2% en peso de magnesio, con el componente principal cobre como resto, inclusive las inevitables impurezas.

Dentro del alcance del documento de solicitud de patente europea EP 1.158.618 A2 se cuenta dentro del estado de la técnica un fleje metálico conductor de la electricidad, destinado a la fabricación de piezas componentes de contactos eléctricos, en particular de conectadores enchufables, con un material de base hecho de una aleación de cobre. El material de base tiene un revestimiento metálico aplicado según la tecnología de masas fundidas, hecho de una aleación de estaño y plata, habiéndose formado una fase intermetálica entre el material de base y el revestimiento. El material de base -expresado en % en peso- consiste en 1,0% a 4,0% de níquel (Ni), 0,08% a 1,0% de silicio (Si), 0,02% a 1,0% de estaño (Sn), 0,01% a 2,0% de zinc (Zn), 0,005% a 0,2% de zirconio (Zr), 0,02% a 0,5% de plata (Ag), el resto en cobre, inclusive las impurezas debidas a la fundición. El revestimiento consiste en una aleación de estaño y plata con una proporción de plata situada entre 1% en peso y 3,8% en peso.

También por medio del documento EP-1.157.820 A1 se cuenta dentro del estado de la técnica un fleje metálico conductor de la electricidad, destinado a la fabricación de piezas componentes de contactos eléctricos, en particular de conectadores enchufables, con un material de base hecho de cobre o bien de una aleación de cobre. El material de base tiene un revestimiento metálico, aplicado según la tecnología de masas fundidas, hecho de una aleación de estaño y plata, habiéndose formado una fase intermetálica entre el material de base y el revestimiento. El revestimiento consiste en una aleación de estaño y plata con una proporción de plata situada entre 1% en peso y 3,8% en peso.

Los flejes metálicos conocidos o bien los conectadores enchufables obtenidos a partir de éstos se han acreditado en la práctica. Sin embargo, están aumentando cada vez más los requisitos técnicos y cualitativos establecidos a las piezas componentes de contactos en lo que se refiere a las propiedades mecánicas y eléctricas. Esto es válido en particular en el caso del empleo de las piezas componentes de contactos que se encuentran en condiciones difíciles y agresivas del entorno, por ejemplo, para conectadores enchufables en el sistema eléctrico de vehículos automóviles, y aquí sobre todo en el sistema electrónico del motor. En condiciones de empleo tan difíciles se pueden establecer requisitos, sobre todo en lo que se refiere a la estabilidad térmica, la estabilidad frente a la relajación, la resistencia frente a la corrosión y la resistencia de adherencia del revestimiento, en los que las conocidas piezas componentes de contactos se topan con su límite. Entonces se puede llegar a la exfoliación (en inglés "peeling") del revestimiento superficial.

El invento -partiendo del estado de la técnica- está basado en la misión de proporcionar de una manera económicamente ventajosa un material para un fleje metálico destinado a la fabricación de piezas componentes de contactos eléctricos, que reúna unas buenas propiedades eléctricas y mecánicas con un mejoramiento de la adherencia entre el material de base y el revestimiento.

La solución del problema planteado por esta misión consiste, de acuerdo con el invento, en las características de la reivindicación 1 de esta patente.

Según ésta, el material consiste en una aleación de cobre con unas proporciones de níquel situadas entre 0,5 y 3,5% en peso, unas proporciones de silicio de 0,08 a 1,0% en peso, unas proporciones de estaño de 0,1 a 1,0% en peso, unas proporciones de zinc de 0,1 a 1,0% en peso, unas proporciones de zirconio situadas entre 0,005 y 0,2% en peso, unas proporciones de plata situadas entre 0,02 y 0,5% en peso, y unas proporciones de indio situadas entre 0,1 y 5% en peso.

Por medio de la porción de estaño en el material disminuye de por sí su conductibilidad, pero con ello aumentan la resistencia mecánica y la tenacidad. La disminución de la conductibilidad es compensada mediante la adición de plata a la aleación. La finalidad principal de la porción de plata consiste en participar como un componente de la matriz bajo la influencia de la temperatura en procesos de difusión con el material de revestimiento de un fleje metálico, e influir sobre la formación de fases de compuestos intermetálicos, controlada por difusión, que es de esperar. La proporción de plata está situada, por lo tanto, entre 0,02% en peso y 0,5% en peso. El zirconio, con una proporción situada entre 0,005 y 0,2% en peso, aumenta la estabilidad frente a la corrosión y la estabilidad térmica, y mejora la moldeabilidad o conformabilidad en caliente. El indio, con una proporción situada entre 0,1% en peso y 5% en peso, disminuye ciertamente el punto de fusión, pero mejora en conjunto la estabilidad frente a las condiciones externas. Adicionalmente, se influye de una manera positiva sobre las propiedades de soldadura.

De manera preferida, el material tiene un contenido de plata de menos que 0,15% en peso (reivindicación 2).

Una proporción de manganeso de menos que 0,5% en peso favorece la estabilidad térmica (reivindicación 3).

El magnesio, con una proporción de menos que 0,2% en peso (reivindicación 4), mejora la resistencia mecánica y la propiedad de relajación de las tensiones a una temperatura aumentada de la aleación, con un perjuicio solamente insignificante de la conductibilidad eléctrica, que se debe al componente principal cobre. El magnesio se disuelve en la matriz de cobre.

Cuando, de una manera correspondiente a la reivindicación 5, están contenidos estaño y zinc en una relación de aproximadamente 1:1 en el material, se disminuye la pérdida de conductibilidad y se aumenta su aptitud para ser revestido. Además, se consigue un aumento máximo de la dureza con un buen alargamiento en el estado endurecido.

La relación de estaño a plata de aproximadamente 1:4, indicada en la reivindicación 6, conduce a ventajas al reciclar flejes metálicos revestidos con estaño.

Por lo demás, es ventajoso que la relación de plata a zinc sea mayor que 0,1 (reivindicación 7).

Una propiedad ventajosa adicional se consigue de una manera correspondiente a la reivindicación 8, cuando la relación de magnesio y zirconio se dimensiona mayor que 0,1 de estaño.

El comportamiento de exfoliación del material se mejora manifiestamente de acuerdo con las características de la reivindicación 9, cuando la relación de (níquel + silicio) a (estaño + zinc + plata + magnesio) es mayor que 1,5, pero menor que 4.

El fleje metálico, mediando utilización del material precedentemente descrito de acuerdo con la reivindicación 10, se distingue en primer lugar por sus buenas propiedades eléctricas y mecánicas, en particular por su buena conductibilidad y su buena estabilidad frente a la relajación, al mismo tiempo que por una buena conformabilidad, así como por una buena estabilidad frente al desprendimiento del revestimiento. Se asegura una resistencia eléctrica estable de traspasamiento de los contactos. El fleje metálico tiene una alta estabilidad térmica con una baja resistencia eléctrica de traspasamiento. Éste es resistente frente a la abrasión y al desgaste por rozamiento con una dureza más elevada, pero a pesar de todo es bien deformable y bien soldable. Las fuerzas de encaje y tracción son bajas, con una estabilidad mejorada frente a la corrosión por rozamiento.

Además de esto, el fleje metálico es económicamente ventajoso, puesto que en su producción se puede emplear una chatarra de cobre con ciertas proporciones de estaño. En el ciclo de materiales se consigue un balance equilibrado de estaño. De esta manera se puede asegurar una calidad invariable de los flejes metálicos producidos mediando empleo de la chatarra. Por medio de una adaptación del empleo de una chatarra limpia sin mezcla (material de CuNiSi), una chatarra estañada y metal nuevo (cobre), según sea el grosor de la capa superpuesta de estaño de la chatarra estañada, se puede obtener un material de base como producto de colada con un contenido de estaño de 0,02 a 1% en peso. Son ventajosos para el procedimiento unos productos de colada con un contenido de estaño comprendido entre 0,25 y 0,5% en peso.

La fase intermetálica entre el material de base y el revestimiento es de grano fino y uniforme. A partir de esto resultan una buena conformabilidad, en particular flexibilidad, unas resistencias más altas frente a la cizalladura, y unos pequeños módulos de elasticidad, así como una alta estabilidad frente a la viscodeformación del fleje metálico.

Los componentes de aleación zinc y plata influyen sobre el comportamiento de difusión en la fase intermetálica entre el material de base y el revestimiento a base de estaño y plata, que se ha realizado de acuerdo con la reivindicación 11. Las fases de cobre y estaño, que resultan forzosamente por difusión de cobre dentro de la capa de estaño, son influenciadas en cuanto a su pronunciamiento a lo largo de la temperatura y del tiempo en el sentido de una deceleración y de una obstaculización de la formación, en especial, de la denominada fase épsilon. Con esto se garantiza una resistencia mecánica esencialmente mejor entre el material de base y el revestimiento. De esta manera, los fenómenos de desprendimiento, en particular la exfoliación del revestimiento, incluso en el caso de condiciones desfavorables y difíciles de empleo del fleje metálico o bien de los conectadores enchufables producidos a partir de éste, se desplazan hacia temperaturas mayores y períodos de tiempo más largos.

La causa esencial de un posible fallo del revestimiento debido al envejecimiento, precisamente a unas temperaturas de más que 150ºC, es una transformación desproporcionadamente rápida de la denominada fase \eta (Cu_{6}Sn_{5}) en la fase \varepsilon (Cu_{3}Sn) en el caso de la estructuración, partiendo de la interfase entre el material de base y el revestimiento a causa de unas altas velocidades de difusión. El invento aprovecha ahora el reconocimiento de que la presencia de la fase \varepsilon, por sí sola, no conduce necesariamente a procesos de desprendimiento en el límite interfase entre el material de base y el revestimiento, tampoco en el caso de un estado de tensiones de un conectador enchufable, que ha sido provocado por el proceso de conformación. Si se reprime u obstaculiza el pronunciamiento de la fase \varepsilon, esto repercute positivamente sobre la fase intermetálica y la estabilidad a largo plazo del revestimiento.

El zinc y la plata, así como el níquel presente en el material, se adecuan, en sus proporciones previstas conforme al invento, para reprimir o bien decelerar esencialmente, en el caso del proceso de difusión y de su participación en la formación de la fase intermetálica, especialmente por enriquecimiento en la interfase, la transformación rápida de la fase \eta en la fase \varepsilon, con el éxito de obtener un material compuesto homogéneo entre el material de base y el revestimiento.

Claims (11)

1. Material para un fleje metálico destinado a la fabricación de piezas componentes de contactos eléctricos, que expresado en tantos por ciento- tiene la siguiente composición:

níquel (Ni) 0,5-3,5% silicio (Si) 0,08-1,0% estaño (Sn) 0,1-1,0% zinc (Zn) 0,1-1,0% zirconio (Zr) 0,005-0,2% plata (Ag) 0,02-0,5% indio (In) 0,1-5%

facultativamente manganeso en menos de 0,5% y magnesio en menos de 0,2%,

siendo el resto cobre, inclusive las impurezas debidas a la fundición.

2. Material de acuerdo con la reivindicación 1, que contiene plata (Ag) con una proporción menor que 0,15%.

3. Material de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, que contiene manganeso (Mn) con una proporción menor que 0,5%.

4. Material de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, que contiene magnesio (Mg) con una proporción menor que 0,2%.

5. Material de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que están contenidos estaño y zinc en una relación de aproximadamente 1:1.

6. Material de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que están contenidos estaño y plata en una relación de aproximadamente 1:4.

7. Material de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6 con una relación de Ag mayor que 0,1 del Zn.

8. Material de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 7 con una relación de (Mg + Zr) mayor que 0,1 de Sn.

9. Material de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 8, en el que la relación de (Ni + Si) a (Sn + Zn + Ag + Mg) está dimensionada mayor que 1,5, pero menor que 4.

10. Utilización de un material de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9 para un fleje metálico conductor de la electricidad y revestido, destinado a la fabricación de piezas componentes de contactos eléctricos, en particular piezas de conectadores enchufables que se pueden emplear dentro de unos intervalos más altos de temperaturas en la construcción de vehículos automóviles (en el compartimiento del motor).

11. Utilización de un material de acuerdo con la reivindicación 10, para un fleje metálico revestido con una aleación de estaño y plata.