Für diese Anwendungen muss das
Kontaktmaterial eine zuverlässige Leitfähigkeit gewährleisten, verschleiß- und korrosionsbeständig sein und Millionen von Schaltzyklen aushalten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, entwickelte und fertigte Fudar Alloy AuNi5/CuNi20-Verbundnietkontakte in der Erprobung. Diese
kombinieren eine Gold-Nickel-Arbeitsschicht mit einem Kupfer-Nickel-Basismaterial.
Warum AuNi5 für Niedrigstrom-Sensorkontakte geeignet ist
Gold wird aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit und chemischen Stabilität häufig für hochzuverlässige Kontaktanwendungen eingesetzt. Es bildet nur schwer Oxid- oder Sulfidschichten, was zu einem niedrigen und stabilen Kontaktwiderstand beiträgt.
Reines Gold ist jedoch nicht für jede Kontaktanwendung optimal. Seine Härte und Festigkeit sind relativ gering, und es kann sich unter mechanischer Belastung verformen. Durch die Zugabe von Nickel verbessert AuNi5 Härte, Festigkeit, Beständigkeit gegen Kontaktverschweißen und Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig relativ niedrigem spezifischem Widerstand.
AuNi5 eignet sich besonders für trockene Stromkreise und Anwendungen im Milliamperebereich. Es bewährt sich auch in benzinbetriebenen Umgebungen und ist daher eine gute Wahl für Kraftstoffsensorkontakte in der Automobilindustrie, die eine gleichmäßige und präzise Signalausgabe erfordern.
Entwurf der Verbundstruktur unter Berücksichtigung der Sensoranforderungen
Die AuNi5/CuNi20-Verbundniete wurde für typische Bedingungen von Automobilsensoren entwickelt:
- Kontaktdruck: 0,2–0,35 N
- Spannung: 10–20 V Gleichstrom
- Stromstärke: 150–250 mA
- Gleitlebensdauer: ca. 3 Millionen Zyklen, unter nassen Gleitverschleißbedingungen bis zu 5 Millionen Zyklen
- Die Risse nach dem Abflachen blieben innerhalb eines Viertels des Nietdurchmessers.
Eine massive Edelmetallniete bietet zwar hohe Leistung, ist aber für die Massenproduktion nicht immer wirtschaftlich. Die Verbundkonstruktion platziert AuNi5 ausschließlich auf der Arbeitskontaktfläche, wo seine Leistungsfähigkeit am wichtigsten ist, während CuNi20 für mechanische Stabilität, Korrosionsbeständigkeit und einen reduzierten Edelmetallverbrauch sorgt.
Maßzeichnung von AuNi5/CuNi20-Verbundnietkontakten
Diese Konstruktion trägt dazu bei, ein Gleichgewicht zwischen Signalzuverlässigkeit, Haltbarkeit und Materialkosten zu finden.
Fertigungsherausforderungen bei kaltgeformten Verbundnieten
In der Versuchsproduktion wurde AuNi5-Draht durch Schmelzen, Gießen, Walzen und Kaltziehen hergestellt. CuNi20-Draht wurde durch Schmelzen, Gießen, Warmstrangpressen und Kaltziehen gefertigt. Die beiden Drähte wurden anschließend durch Kaltstauchverfahren zu Verbundnieten geformt. In den
ersten Versuchen stellten sich vor allem die hohe Verformungsbeständigkeit, die unzureichende Haftfestigkeit und die Rissbildung an den Kanten als Herausforderungen heraus. Diese Probleme hingen hauptsächlich mit der hohen Härte und Streckgrenze von AuNi5 und CuNi20 zusammen.
AuNi-Phasendiagramm CuNi-Phasendiagramm
Zur Verbesserung der Formqualität und der Haftfestigkeit wurden mehrere Prozessanpassungen vorgenommen:
- Durch Anwenden einer geeigneten Wärmebehandlung auf den AuNi5-Draht
- Anpassung der Drahtabmessungen und des Kaltverformungsverhältnisses
- Verbesserung der Ebenheit und Sauberkeit von Drahtschneidflächen
- Optimierung der Werkzeuggeometrie und der Werkzeugglätte
Nach der Optimierung zeigte die Querschnittsuntersuchung eine gute Haftung an der AuNi5/CuNi20-Grenzfläche ohne erkennbare Grenzflächenrisse. In Anwenderversuchen mit zwei Pilotchargen wurde keine Ablösung der Kontaktschicht beobachtet.
Morphologie von AuNi5/CuNi20-Kompositnietkontakten
Querschnitt von AuNi5/CuNi20-Verbundnietkontakten
Weitere Optimierung
Abflachungsversuche zeigten, dass auch bei starker Verformung Kantenrisse auftreten können. Dies hing mit der Nietgeometrie, der Dicke der Kontaktschicht, den Materialeigenschaften und der ungleichmäßigen Verformung während der Prüfung zusammen.
Morphologie von AuNi5/CuNi20-Verbundnietkontakten nach dem Glättungstest
Zur weiteren Verbesserung kann ein Kontaktschweißnietverfahren in Betracht gezogen werden. Durch das Schweißen der Stirnflächen mit niedriger Spannung und hohem Strom vor der Endumformung kann dieses Verfahren den Verformungswiderstand verringern, die Haftfestigkeit verbessern und im Vergleich zur direkten Kaltumformung von Verbundwerkstoffen die Rissbildung an den Kanten reduzieren.
Nutzen für Hersteller von Automobilsensoren
Die Testergebnisse zeigten, dass AuNi5/CuNi20-Verbundnietkontakte die Anforderungen von Kraftstoffsensoren in der Automobilindustrie erfüllen. Unter Niederspannungs- und Niedrigstrombedingungen gewährleisten die Kontakte einen stabilen Gleitvorgang, eine gleichmäßige Signalausgabe und eine lange Lebensdauer.
Im Vergleich zu Kontakten aus massiver Goldlegierung nutzt die Verbundstruktur das Edelmetall effizienter und erhält gleichzeitig die erforderliche Kontaktleistung. Für Hersteller von Automobilsensoren bietet dies eine praxisnahe Lösung, die Zuverlässigkeit, Verarbeitbarkeit und Kosteneffizienz optimal vereint.
Fudar Alloy bietet anwendungsbezogene Lösungen für elektrische Kontaktmaterialien und unterstützt Kunden von der Materialauswahl und dem Design von Verbundstrukturen bis hin zur Prozessoptimierung für Anwendungen in der Automobilindustrie, der Industrie und der Niederspannungstechnik.
Wenn Sie Kontaktlösungen für die Automobilindustrie oder Elektrofahrzeuge entwickeln, kontaktieren Sie uns, um Ihre Material- und Prozessanforderungen zu besprechen.
