Die Erfindung betrifft eine Widerstandslegierung für einen elektrischen Widerstand, insbesondere für einen niederohmigen Strommesswiderstand. Weiterhin umfasst die Erfindung ein daraus hergestelltes Bauelement und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Kupfer-Mangan-Nickel-Legierungen finden schon seit langem Anwendung als Materialien für Präzisionswiderstände, insbesondere für niederohmige Strommesswiderstände ("shunts"). Ein Beispiel einer solchen Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung ist die von der Anmelderin unter dem Markennamen Manganin® vertriebene Widerstandslegierung (z.B. Cu84Ni4Mn12) mit einem Massenanteil von Kupfer von 82-84%, einem Massenanteil von Nickel von 2-4% und einem Massenanteil von Mangan von 12-15%. Die bekannten Kupfer-Mangan-Nickel-Legierungen erfüllen alle Anforderungen, die an Widerstandslegierungen für Präzisionswiderstände gestellt werden, wie beispielsweise ein niedriger Temperaturkoeffizient des spezifischen elektrischen Widerstands, eine geringe Thermokraft gegen Kupfer und eine hohe zeitliche Konstanz des elektrischen Widerstands. Darüber hinaus besitzen die bekannten Kupfer-Mangan-Nickel-Legierungen gute technologische Eigenschaften, insbesondere eine gute Verarbeitungsfähigkeit, die es ermöglicht, diese Kupfer-Mangan-Nickel-Legierungen zu Drähten, Bändern, Folien und Widerstandsbauteilen zu verarbeiten. Ein Nachteil der bekannten Kupfer-Mangan-Nickel-Legierungen ist jedoch die Begrenzung auf relativ geringe spezifische elektrische Widerstände von höchstens 0,5 (Ω·mm2)/m.
Für größere spezifische elektrische Widerstände sind beispielsweise Nickel-Chrom-Legierungen bekannt, die jedoch ebenfalls verschiedene Nachteile aufweisen. Zum einen sind Nickel-Chrom-Legierungen meist wesentlich teurer als Kupfer-Mangan-Nickel-Legierungen. Zum anderen sind Nickel-Chrom-Legierungen fertigungstechnisch in vielerlei Hinsicht schwerer zu handhaben. Beispielsweise ist die Warmumformbarkeit von Nickel-Chrom-Legierungen relativ schlecht und zum Einstellen bestimmter elektrisch-physikalischer Werkstoffeigenschaften sind aufwändige Wärmebehandlungsprozesse notwendig. Außerdem sind die Arbeitstemperaturen im Schmelzprozess bei den Nickel-Chrom-Legierungen um 500K höher als bei den Kupfer-Mangan-Nickel-Legierungen, was zu höheren Energiekosten und Materialverschleiß der Arbeitsmittel führt. Darüber hinaus bereitet die ansonsten wünschenswerte gute Säurebeständigkeit von Nickel-Chrom-Legierungen große Probleme bei der ätztechnischen Herstellung von Widerstandsstrukturen und macht das Entfernen von wärmebehandlungsbedingten Oxiden durch Beizen zu einem aufwändigen und nicht gefährlichen Fertigungsschritt.
Ferner ist die Kupfer-Mangan-Nickel-Aluminium-Magnesium-Legierung 29-5-1 bekannt, die einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1 (Ω·mm2)/m aufweist und dabei die Forderung nach einem niedrigen Temperaturkoeffizienten des spezifischen elektrischen Widerstandes erfüllt. Allerdings weist diese Widerstandslegierung eine hohe Thermokraft gegen Kupfer bei 20°C von +3 µV/K auf, woraus hohe Fehlerströme resultieren, welche diese Legierung für präzise messtechnische Anwendungen ungeeignet machen.
Ferner ist zum Stand der Technik hinzuweisen auf
Schließlich offenbart
Ferner umfasst der Stand der Technik auch
Aus
Keine dieser Druckschriften offenbart jedoch eine gattungsgemäße Legierung mit einer niedrigen Thermokraft.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine entsprechend verbesserte Widerstandslegierung auf Kupfer-Mangan-Nickel-Basis zu schaffen, die einen möglichst hohen spezifischen elektrischen Widerstand, eine niedrige Thermokraft gegen Kupfer, einen niedrigen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands und eine hohe zeitliche Konstanz des spezifischen elektrischen Widerstands aufweist und diese Eigenschaften mit den eingangs beschriebenen guten technologischen Eigenschaften (z.B. Verarbeitbarkeit) der bekannten Kupfer-Mangan-Nickel-Legierungen kombiniert.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Widerstandslegierung gemäß dem Unabhängigen Anspruch 1 gelöst.
Die Massenanteile der verschiedenen Legierungsbestandteile sind hierbei so aufeinander abgestimmt, dass die erfindungsgemäße Widerstandslegierung eine niedrige Thermokraft gegenüber Kupfer aufweist, die bei 20°C kleiner ist als ±1 µV/K, ±0,5 µV/K oder sogar keiner als ±0,3 µV/K.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Widerstandslegierung ist Cu65Ni10Mn25 mit einem Massenanteil von Kupfer von 65%, einem Massenanteil von Nickel von 10% und einem Massenanteil von Mangan von 25%.
Ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Widerstandslegierung ist Cu64Ni10Mn25Sn1 mit einem Massenanteil von Kupfer von 64%, einem Massenanteil von Nickel von 10%, einem Massenanteil von Mangan von 25% und einem Massenanteil von Zinn von 1%.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Widerstandslegierung ist Cu62Ni11Mn27 mit einem Massenanteil von Kupfer von 62%, einem Massenanteil von Nickel von 11% und einem Massenanteil von Mangan von 27%.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Widerstandslegierung ist Cu61Ni11Mn27Sn1 mit einem Massenanteil von Kupfer von 61%, einem Massenanteil von Mangan von 27%, einem Massenanteil von Nickel von 11% und einem Massenanteil von Zinn von 1%.
Bei der erfindungsgemäßen Widerstandslegierung liegt der spezifische elektrische Widerstand vorzugsweise im Bereich von 0,5 (Ω·mm2) /m bis 2 (Ω·mm2)/m.
Weiterhin weist der spezifische elektrische Widerstand der erfindungsgemäßen Widerstandslegierung vorzugsweise eine hohe zeitliche Konstanz mit einer relativen Änderung von weniger als ±0,5% oder ±0,25% auf, insbesondere innerhalb eines Zeitraums von 3000 Stunden und einer Temperatur von mindestens +140°C, wobei die höhere Temperatur von mindestens +140°C den Alterungsprozess beschleunigt.
Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass die erfindungsgemäße Widerstandslegierung vorzugsweise eine niedrige Thermokraft gegenüber Kupfer aufweist, die bei 20°C vorzugsweise kleiner ist als ±0,5 µV/K oder sogar keiner als ±0,3 µV/K. Weiterhin ist der spezifische elektrische Widerstand relativ temperaturkonstant mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten von vorzugsweise weniger als ±50·10-6 K-1, ±35·10-6 K-1, ±30·10-6 K-1 oder ±20·10-6 K-1, insbesondere in einem Temperaturbereich von +20°C bis +60°C.
Zu den elektrischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Widerstandslegierung ist ferner zu erwähnen, dass die Widerstandslegierung eine Widerstands-Temperaturkurve aufweist, welche die relative Widerstandsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur wiedergibt, wobei die Widerstands-Temperaturkurve einen zweiten Nulldurchgang aufweist, der vorzugsweise bei einer Temperatur von mehr als +20°C, +30°C oder +40°C und/oder bei einer Temperatur von weniger als +110°C, +100°C oder +90°C erfolgt.
Zu den mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Widerstandslegierung ist eine mechanische Zugfestigkeit von mindestens 500 MPa, 550 MPa oder 580 MPa zu erwähnen. Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Widerstandslegierung vorzugsweise eine Streckgrenze von mindestens 150 MPa, 200 MPa oder 260 MPa auf, während die Bruchdehnung vorzugsweise größer ist als 30%, 35%, 40% oder sogar 45%.
Zu den technologischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Widerstandslegierung ist zu erwähnen, dass die Widerstandslegierung vorzugsweise weichlötfähig und/oder hartlötfähig ist. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Widerstandslegierung vorzugsweise sehr gut umformbar, was sich beim Drahtziehen in einem logarithmischen Umformgrad von mindestens ϕ=-4,6 zeigt. Die erfindungsgemäße Widerstandslegierung kann in verschiedenen Lieferformen hergestellt werden, wie beispielsweise als Draht (z.B. Runddraht, Flachdraht), als Band, als Blech, als Stab, als Rohr oder als Folie. Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Lieferformen nicht auf die vorstehend genannten Lieferformen beschränkt.
Darüber hinaus umfasst die Erfindung auch ein elektrisches bzw. elektronisches Bauelement mit einem Widerstandselement aus der erfindungsgemäßen Widerstandslegierung. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen Widerstand handeln, insbesondere um einen niederohmigen Strommesswiderstand, wie er an sich beispielsweise aus
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens kann die Widerstandslegierung einem künstlichen thermischen Alterungsprozess unterworfen werden, wobei die Widerstandslegierung von einer Ausgangstemperatur auf eine Alterungstemperatur erwärmt wird. Dieser Prozess kann im Rahmen des Alterungsprozesses mehrfach wiederholt werden, wobei die Widerstandslegierung mehrfach periodisch auf die Alterungstemperatur erwärmt und wieder auf die Ausgangstemperatur abgekühlt wird. Die Alterungstemperatur kann beispielsweise im Bereich von +80°C bis +300°C liegen, während die Ausgangstemperatur vorzugsweise kleiner ist als +30°C oder +20°C.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Zum einen zeigt das Phasendiagramm in schraffierter Form ein Gebiet 1, in dem die Widerstandslegierung zu Aushärtungen neigt.
Zum anderen zeigt das Phasendiagramm eine Linie 2, die mit α=0 bezeichnet ist, wobei der Temperaturkoeffizient der Widerstandslegierung auf dieser Linie gleich Null ist, d.h. die Widerstandslegierung weist auf dieser Linie einen spezifischen elektrischen Widerstand auf, der unabhängig von der Temperatur ist.
Schließlich zeigt das Phasendiagramm noch einen Bereich 3, der die erfindungsgemäße Widerstandslegierung kennzeichnet, wobei der Massenanteil von Mangan in dem Bereich 3 zwischen 23% und 28% liegt, während der Massenanteil von Nickel im Bereich 3 zwischen 9% und 13% liegt.
Der Strommesswiderstand 4 besteht im Wesentlichen aus zwei plattenförmigen Anschlussteilen 5, 6 aus Kupfer und einem dazwischen angeordneten Widerstandselement 7 aus der erfindungsgemäßen Widerstandslegierung, wobei es sich beispielsweise um Cu65Ni10Mn25 handeln kann.
Schließlich zeigt
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