Isabellenhütte: Hochfeste Kupferlegierung für elektrisch leitende Verbindungselemente

Montage und Stromleitung kombiniert

| Redakteur: Konrad Mücke

Fest und gut elektrisch leitend: Schrauben und Muttern aus der Kupferlegierung Isa-Con 450.
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Fest und gut elektrisch leitend: Schrauben und Muttern aus der Kupferlegierung Isa-Con 450. (Bild: Isabellenhütte Heusler GmbH & Co. KG)

Verbindungselemente für elektrische Kontakte, wie Schrauben und Bolzen, sollen sehr gut elektrisch leiten, dabei ähnlich fest wie Stahl sein, um eine zuverlässige Verbindung zu gewährleisten. Dies verwirklicht der Werkstoffhersteller Isabellenhütte mit der Kupferlegierung Isa-Con 450.

Neben Feinstdrähten, Kabeln und Litzen fertigt die Isabellenhütte nunmehr auch Halbzeuge für Verbindungselemente, zum Beispiel Schrauben und Bolzen, aus der Kupferlegierung Isa-Con. Bei Letzterem nutzt er anstelle der Basislegierung Isa-Con 414 die Variante Isa-Con 450. Beide Werkstoffe verfügen über eine zu Edelstahl vergleichbare Festigkeit und eine dem Kupfer vergleichbare hohe Leitfähigkeit. Die Legierung Isa-Con 450 hat 450 bis 550 Mpa Zugfestigkeit. Sie ist zu 80 Prozent IACS (International Annealed Copper Standard) leitfähig. Diese Kombination prädestiniert den Werkstoff als leitendes Verbindungselement. So können aus Halbzeugen beispielsweise Bolzen, Schrauben, Federkontakte, Steckverbinder und Stromschienen hergestellt werden.

Leicht und doch stabil

Mit Verbindungselementen aus diesen Legierungen lassen sich der elektrische Widerstand und damit die Wärmeentwicklung bei montierten Komponenten reduzieren. Zusätzlich kann Wärme besser abgeführt werden. Dies betrifft beispielsweise Applikationen, in denen bisher eingesetzte Verbindungselemente aus Stahl schwierig waren. Mit ihnen gab es dabei beispielsweise zu hohe Verlustleistungen und unerwünschte Wärmeentwicklung. Wegen der deshalb grösseren Durchmesser waren die Schrauben häufig zu schwer oder passten nicht in den verfügbaren Einbauraum.

Besser eignen sich in solchen Anwendungen Schrauben und Bolzen aus der innovativen Kupferlegierung. Bei stromführenden Bauteilen verringern sie den elektrischen Widerstand einerseits im Werkstoff, andererseits beim Übergang zu den Kontakt­elementen. Damit sinkt die Verlustleistung deutlich. Zudem lassen sich kleinere und leichtere Verbindungselemente einbauen. Derart lassen sich künftig zahlreiche stromführende Komponenten direkt verbinden. Das betrifft zum Beispiel zwei mit einem Abstand angeordnete Stromschienen mit tragender Funktion. Anstelle eines Bolzens aus Stahl oder einer Steckverbindung mit Kabel tritt hier der Bolzen aus der hochfesten Kupferlegierung.

Um 50 Prozent kühler

Wegen der guten Leitfähigkeit von Bolzen aus der Kupferlegierung Isa-Con 450 entsteht beim Stromfluss nur wenig Wärme. So kann man die Verbindungselemente direkt zum Leiten elektrischer Energie nutzen. Das optimiert beispielsweise eine Verbindung eines Shunt-Widerstands mit einem Stecker. Dank der hohen Leitfähigkeit der Legierung gibt es nur einen kleinen elektrischen Widerstand mit entsprechend niedriger Wärmeentwicklung im Kontaktbolzen. Darüber hinaus kann die Wärme, die ansonsten im Shunt-Widerstand entsteht, besser abführen. Bei einer Anwendung konnte so die Wärme insgesamt um 50 Prozent gegenüber einem Bauteil mit Stahlkontaktierung verringert werden.

Zusätzlicher Vorteil der hochfesten Kupferlegierung ist deren hohe Warmfestigkeit. 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 einfach ersetzt werden. Mechanisch tragende Verbindungselemente aus Kupfer müssen ebenfalls oft überdimensioniert werden, um wiederum mechanischen Belastungen zu genügen. Durch die erhöhte Festigkeit der innovativen Kupferlegierung Isa-Con können Querschnitte bei gleicher Sicherheit kleiner sein. Dies ermöglicht, Massen zu verringern und kleinere Komponenten einzubauen. Das erweist sich insbesondere bei mobilen Anwendungen als vorteilhaft. Die Elemente zur kombinierten mechanischen Montage und Leitung des elektrischen Stroms erhöhen die Energieeffizienz.

Bei indirekten Verbindungen profitieren

Bei einer indirekten Verbindung befestigte bisher eine Stahlschraube einen Kontakt auf eine Stromschiene. Nutzt man dabei Schrauben aus der besser leitfähigen Kupferlegierung kann man die gepresste Kontaktfläche und die Bauteilfläche verkleinern. Denn ein Teil des elektrischen Stroms kann nun über die Schraube fliessen. Durch ihre hohe Leitfähigkeit sorgt die Schraube aus der hochfesten Kupferlegierung zusätzlich für höhere Sicherheit. Speziell diese indirekten Verbindungen mit Schrauben aus der Kupferlegierung erweisen sich als besonders wirtschaftlich. - kmu - SMM

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