Verschraubungen mit Verbindungselementen aus ISA-CON 450 sollen den Kontaktwiderstand und damit die Wärmeentwicklung reduzieren.

Bild: Isabellenhütte

Leitendes Verbindungselement Problemlöser-Legierung reduziert Wärmeentwicklung

14.02.2019

Neben Feinstdrähten, Kabeln und Litzen aus ISA-CON 414 fertigt Isabellenhütte jetzt auch Halbzeuge für Verbindungselemente aus ISA-CON 450, einer weiteren Variante der Kupferbasislegierung. Damit lassen sich der elektrische Widerstand und damit die 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 Prozent IACS (International Annealed Copper Standard). Diese Kombination prädestiniert den Werkstoff als leitendes Verbindungselement, beispielsweise als Bolzen, Schraube, Federkontakt, Steckverbinder oder Stromschiene.

Wärmereduktion um 50 Prozent

Wenn in Applikationen Probleme wie eine zu hohe Verlustleistung, Wärmeentwicklung, Platzmangel oder zu hohes Gewicht auftreten, ist der Einsatz der ISA-CON-450-Legierung eine lohnende Alternative. Bei stromtragenden Bauteilen verringert sich der elektrische Widerstand sowohl im Material als auch beim Kontaktübergang im Vergleich zu Stahl. Damit reduzieren sich neben der Verlustleistung auch Gewicht und Durchmesser der Komponenten. Eine vielversprechende Anwendung ist die direkte Verbindung, etwa als Überbrückung eines Abstands zwischen zwei Stromschienen mit tragender Funktion.

Die Anforderungen bei der Bolzenapplikation waren eine deutliche Reduzierung des elektrischen Widerstands und damit der Wärmeentwicklung im Bolzen selbst. Eine direkte Nutzung bedeutet hier, dass der gesamte Strom direkt über den ISA-CON-450-Bolzen geleitet wird, der einen Shunt-Widerstand mit einem Stecker verbindet.

Aufgrund 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. Sie verringert sich damit laut Isabellenhütte um insgesamt 50 Prozent gegenüber einem Bauteil mit Stahlkontaktierung. ISA-CON 450 ist ebenso wie ISA-CON 414 warmfest. Das heißt, der Bolzen behält auch bei Anwendungen mit höheren Umgebungstemperaturen seine mechanische Festigkeit.

Schrauben als indirekte Nutzung

Stromtragende Bauteile aus Stahl, die aufwendig gekühlt oder für eine hinreichende Leitfähigkeit überdimensioniert werden müssen, lassen sich einfach mit ISA-CON 450 ersetzen. Mechanisch tragende Verbindungselemente aus Kupfer müssen ebenfalls oft überdimensioniert werden, um wiederum mechanischen Belastungen zu genügen. Durch die erhöhte Festigkeit von ISA-CON können Querschnitte bei gleicher Sicherheit reduziert werden. Dies ermöglicht eine Gewichts- und Platzreduzierung, was beispielsweise im Automotive-Bereich meist sehr relevant ist.

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 ISA-CON-450-Schraube soll durch ihre hohe Leitfähigkeit zusätzliche Sicherheit bieten.

Die Kundenresonanz fällt bisher sehr positiv aus. Vor allem die direkte Nutzung durch ISA-CON-450-Bolzen zeigt eine gute Kosten-Nutzen-Relation. Dazu Samuel Brockhaus, Business Development Manager bei Isabellenhütte: „Wenn Wärmeentwicklung, elektrische Leitfähigkeit und Übergangswiderstände in der Anwendung unerheblich sind, können Stahl oder einfache Kupferlegierungen wie Bronze oder Messing ausreichend sein.“ Treten jedoch oben genannte Probleme auf, „bietet sich ISA-CON 450 als Problemlöser-Legierung an“, so Brockhaus. Interessant ist die Legierung für alle Arten von mechanisch beanspruchten Steckverbindern, die auch eine hohe Leitfähigkeit sowie eine hohe Ausfallsicherheit benötigen.

Bildergalerie

  • Messaufbau: Zwei versilberte ISA-CON-450-Bolzen, die einen Shunt-Widerstand kontaktieren, fungieren als stromleitende Verbindungselemente.

    Bild: Isabellenhütte

  • Vergleich der Wärmeentwicklung im Widerstand bei Verwendung von ISA-CON-450-Bolzen (oben) und Stahl-Bolzen (unten) ...

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  • ... bei einer Belastung von 300 A als seitliche Infrarotaufnahme.

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  • Sicht von oben: Die Wärmeentwicklung in einem ISA-CON-450-Bolzen bei einer 30-sekündigen Strombelastung von 150 A, ...

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  • ... 200 A, ...

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  • ... 250 A ...

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  • ... und 300 A.

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  • Zum Vergleich die Wärmeentwicklung eines Stahlbolzens bei 150 A ...,

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  • ... 200 A, ...

    Bild: Isabellenhütte

  • ... 250 A ...

    Bild: Isabellenhütte

  • ... und 300 A.

    Bild: Isabellenhütte

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