ISA-CON 450: Legierung reduziert Kontaktwiderstand und Wärmeentwicklung

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Eine Kupferbasislegierung für Verbindungselemente wie Schrauben, Bolzen, Steckverbinder und Federkontakte reduziert den elektrischen Widerstand und somit die Wärmeentwicklung der Halbzeuge.

Die Isabellenhütte fertigt jetzt auch Halbzeuge/Vormaterialien für Verbindungselemente wie Schrauben und Bolzen aus der Kupferbasislegierung ISA-CON 450. Damit lassen sich der elektrische Widerstand und damit Wärmeentwicklung im System reduzieren. Zusätzlich kann unerwünschte Wärme besser abgeführt werden.

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.

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Problemlösung durch neue Legierung

Wenn in Applikationen beispielsweise mit Verbindungselementen aus Stahl Probleme, wie eine zu hohe Verlustleistung und Wärmeentwicklung auftreten, genauso auch Platzprobleme oder zu hohes Gewicht, ist der Einsatz der Kupferlegierung 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, z.B. als Überbrückung eines Abstands zwischen zwei Stromschienen mit tragender Funktion (anstelle eines Stahlbolzens oder eines Stifts für einen Steckerkontakt).

Wärmereduktion durch Basismaterial 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 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.

Ein weiterer Pluspunkt: 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 aufwändig 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 der Legierung können Querschnitte bei gleicher Sicherheit reduziert werden. Dies ermöglicht eine Gewichts- und Platzreduzierung, was z.B. im Automotive-Bereich meist sehr relevant ist.

Schrauben zur indirekten Wärmeleitung

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 Schraube bietet durch ihre hohe Leitfähigkeit zusätzliche Sicherheit.

Die Kundenresonanz bei der Isabellenhütte fiel laut Hersteller bisher sehr positiv aus. Vor allem die direkte Nutzung durch 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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Link: Dieser Beitrag ist erschienen im Sonderheft Elektromechanik II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

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