4. Materialien und Produktionsverfahren

4.1 Stifthülse (Gehäusehülse)

Wie schon unter Punkt 2.1 beschrieben, besitzt der Federkontakt im Standardaufbau eine Stifthülse als Gehäuse für die Feder und den Kolben. Diese ist nicht zu verwechseln mit der Steckhülse, die den gesamten Federkontakt aufnimmt und dessen Austausch erleichtert. Die Stifthülse ist Führung für den Kolben und die Feder, es versteht sich daher von selbst, dass sie über eine möglichst glatte Innenwand verfügen sollte. Wie zuvor schon beschrieben, gibt es Ausführungen mit und ohne Kragen, Stifthülsen mit offenem Ende für durchgeführte Kolben, sowie einige Sonderformen.

Abhängig von der Produktionsmenge und einigen technischen Voraussetzungen werden Stifthülsen bevorzugt im Tiefziehverfahren hergestellt. Dabei wird aus einem flachen Blech- oder Folienstreifen ein tellerförmiges Plättchen ausgestanzt und in mehreren Stufen – Zug um Zug – in die Röhrchenform gebracht. Dieses Verfahren bringt Teile hervor, die sich durch besonders glatte Oberflächen und eine hohe Steifigkeit und Elastizität auszeichnen, dies auch bei sehr dünnen Wandstärken.

Übliche Materialien sind hier Neusilber (eine silberweiss glänzende Kupfer-Nickel-Zink-Legierung, die u.a. auch als Alpacca bezeichnet wird), aber auch CuBe (Beryllium-Kupfer) oder spezielle Bronzelegierungen kommen zur Anwendung. Das Tiefziehverfahren erfordert einen relativ hohen Werkzeugaufwand, weshalb es sich nur für Standardserien mit entsprechend grossen Mengenbedarf rechnet. Die für die meisten unserer Tiefziehteile verwendete Neusilberlegierung ist von Haus aus sehr korrosionsbeständig und kann daher auch ohne zusätzliche Vergoldung verwendet werden (z.B. für ressourcenschonende Economy-Varianten). Ausserdem ist das Oxid des Neusilbers elektrisch leitend, wodurch dieses Material für die Verwendung in Kontaktelementen sehr gut geeignet ist.

Stifthülsen, die über einen Anschlagkragen verfügen oder deren Produktionsmenge im niedrigeren Bereich liegt (z.B. bei kundenspezifischen Sondertypen oder Batteriekontakten), werden spangebend als Drehteil hergestellt. Übliche Werkstoffe sind hier neben Neusilber auch Messing sowie bestimmte Bronzelegierungen, also auch wieder Kupferlegierungen. Durch das spanabhebende Bearbeiten ist die Oberflächengüte nicht so hoch wie beim Tiefziehteil, aber durch den Einsatz modernster Technologien gepaart mit der Erfahrung der Zerspanungsmechaniker sind heute fast gleichwertige Ergebnisse zu erzielen. Die Oberfläche der Stifthülsen wird im Regelfall galvanisch vergoldet, über einer Diffusions-Sperrschicht aus Nickel. Silberbeschichtungen sind auch üblich, vor allem bei hohen Strombelastungen.

4.2 Kolben

Die Kolben der verschiedenen Federkontakte gibt es nicht nur in den unterschiedlichsten Formen und Grössen, sondern auch aus verschiedenen Werkstoffen. Dahinter steht immer die Absicht, den optimalen Kompromiss aus elektrischer Leitfähigkeit und mechanischer Festigkeit zu finden – beides Faktoren, die für die praktische Anwendung gleichermassen von Wichtigkeit sind.

Kupferwerkstoffe wie CuBe oder Messing eignen sich als elektrischer Kontakt vorzüglich, besonders dann, wenn sie noch zusätzlich vergoldet oder versilbert sind. Hinsichtlich der Verschleissfestigkeit fallen diese Werkstoffe jedoch schnell hinter Stahltypen zurück, insbesondere bei aggressiven Formen wie Spitzen, Kronen, Dolchspitzen und ähnlichen Ausführungen.

Wir haben daher die einfache Faustregel zum Prinzip:

  • Aggressive Formen aus Stahl
  • Passive Formen aus Cu-Legierungen

Welche Legierung jeweils zur Anwendung kommt, hängt von weiteren Faktoren wie Zerspanbarkeit, Strombelastbarkeit und anderen ab. Für Stahltypen kommen Qualitätsstähle mit einem Kohlenstoffgehalt von 1,0 Massenprozent zur Verwendung. Nach dem Härten und Tempern erhalten die gefertigten Teile eine Vickershärte von ca. 600 - 800 HV5. Besonders scharfkantige und spitze Formen erzielen hierdurch eine lange Haltbarkeit. Um die elektrischen Eigenschaften zu verbessern muss bei Stahlkolben die Oberfläche optimal veredelt werden. Passive Formen wie Waffeln, Konische 90°-Kegel, auch mehrzackig konische Typen werden aus CuBe2 (Berylliumkupfer) gedreht, das durch Temperaturbehandlung gehärtet werden kann. Im ausgehärteten Zustand erreichen Kupfer-Beryllium-Legierungen die höchste Härte von allen Kupferlegierungen. Je nach Wahl der Aushärtung beträgt die Härte 195HV bis 450HV. Flache, runde Typen oder konkave Innenkegel werden gerne aus Messing oder Phosphorbronze gedreht. Meist steht hier die elektrische Leitfähigkeit im Vordergrund, denn die mechanische Belastung ist nicht übermässig hoch.

Der Oberflächenbeschichtung kommt bei den Tastkolben besonders hohe Bedeutung zu. Abhängig von der Wahl des Basismaterials werden sie in den meisten Fällen vernickelt und vergoldet. Wir setzen hierzu besonders harte Goldlegierungen ein, die entsprechend dauerhaft sind. Im Bereich der Hochstromtypen – teils auch bei Kontakten für Hochspannungsprüfung - bekommen die FIXTEST-Federkontakte zusätzlich eine Kuppe aus massiver Silber-Speziallegierung, um der Funkenerosion entgegenzuwirken.

Weitere in der Branche übliche Beschichtungen sind galvanisches Nickel, chemisches Nickel, Rhodium, Palladium und Palladium-Kobalt. Der Schichtaufbau kann auch in mehreren Stufen erfolgen und dabei eine Mischung aus verschiedenen Lagen bilden. Hier hat jeder Hersteller seine eigenen Erfahrungen und Spezialitäten.

4.3 Feder

Die Druckfeder verleiht dem Federkontaktstift nicht nur seine Bezeichnung - sie ist auch sonst ein elementar wichtiges Bauteil. Von der Auswahl des richtigen Federwerkstoffs hängt nicht nur die Federkraft des Kontaktstifts ab, sondern auch seine Lebensdauer, der Temperaturbereich, in dem er eingesetzt werden kann, sein elektrischer Widerstandswert und einiges mehr.

Wie auch schon beim Kolben ist die Materialwahl immer ein kleiner Kompromiss, denn auch hier stehen sich die physikalischen Eigenschaften verschiedener Werkstoffe gegenüber. Die Festigkeit und Elastizität von Federstahl ermöglicht beispielsweise die höchsten Federkräfte bei einer bestimmten Baugrösse, jedoch ist dieser Werkstoff nur bis ca. 120°C einsetzbar, und seine elektrische Leitfähigkeit ist sehr schlecht. Die Oberflächenbeschichtung mit Gold und/oder Silber kann da etwas Abhilfe schaffen, aber elektrisch bleibt die Stahlfeder immer hinter einer CuBe-Feder zurück. Auch hier taucht das Beryllium-Kupfer wieder auf, und man kann auch sehr gut Federn aus diesem Werkstoff winden. Allerdings erreichen diese niemals die Federkraft der Stahlfeder, sind aber wärmestabiler (bis ca. 200° C).

Edelstahl liegt hier zwischendrin … Festigkeit und Elastizität sind höher als bei CuBe und niedriger als beim Federstahl. Die Temperaturbeständigkeit ist höher als bei beiden Konkurrenten, aber seine elektrischen Werte auch sehr schlecht.

Für noch höhere Temperaturen gibt es auch Sonderlösungen: So sind Federn aus nichtrostendem Edelstahl 1.4571 bis 300°C stabil, und solche aus Hasteloy C-4 gar bis 400°C.

Für uns als Entscheidungskriterium daher wichtig: der geplante Temperaturbereich, in dem ein Federkontakt eingesetzt werden soll, sowie die geforderte Andruckkraft. Danach entscheiden wir für den optimalen Werkstoff.

Mehr Infos über Temperaturbereiche unter Punkt 6.