Auswahlkriterien für Kontaktfedern

Kontaktfedern und Federkontakte sind aus der Elektrotechnik nicht mehr wegzudenken. Oft werden sie nach Maß angefertigt: Welche Eigenschaften, Möglichkeiten und Besonderheiten haben individuelle Kontaktfedern und Federkontakte zu bieten? Auf diese Fragen und auf weitere Eigenschaften werden Gutekunst Federn, Hersteller von technischen Federn aus Runddraht, und Gutekunst Formfedern, Hersteller von technischen Federn aus Flachmaterial, im nachfolgenden Beitrag detailliert eingehen.

Kontaktfedern und Federkontakte werden in der Elektrotechnik dazu verwendet, zwischen elektrischen Elementen oder innerhalb von Bauteilen, zum Beispiel Schaltern, Tastern oder Relais, eine elektrische Verbindung herzustellen. Weil diese Verbindungen unterschiedliche Kontaktarten und vielfältige Formen haben können, werden Kontaktfedern und Federkontakte häufig individuell nach Maß angefertigt. Die Kontaktfeder beziehungsweise der Federkontakt wird grundlegend als Formfeder, Flachformfeder, Flachfeder, Federclip oder konische Druckfeder aus Flachmaterial oder Runddraht in jeder gewünschten Form und Eigenschaft hergestellt.

Neben einem Standard-Produktangebot mit Kontaktfedern für EMV-sichere Gehäuseteile, Steckverbindern, Batteriekontakten etc. aus Kupfer-Beryllium ist die Vielfalt an individuellen Federformen und Eigenschaften scheinbar unendlich.

Herstellung von Kontaktfedern

Kontaktfedern werden individuell in jeder gewünschten Sonderform und Eigenschaft für die jeweilige Gegebenheit hergestellt. Ganz gleich, ob als einfacher Flachkontakt oder als aufwändig geformte Kontaktfeder, wichtig ist, dass die Kontaktierung optimal und stabil an den Kontaktstellen anliegt. Kontaktfedern und Federkontakte in Großmengen werden mit Stanzbiegeautomaten und frei programmierbaren Biegestempeln hergestellt. Bei Prototypen und komplexen Kontaktfedern in kleineren und mittleren Stückzahlen wird auf die Fertigung mittels Laserschneiden zurückgegriffen, bei winzigen Federkontakten auf Ätzen. Dabei werden die Grundmaße der Werkstücke separat lasergeschnitten oder geätzt und anschließend exakt mit den vorgegebenen Biegeradien und -winkeln umgeformt. Dies geschieht auf halb- oder vollautomatischen Abkantautomaten.

Neben Verfahren wie Stanzen, Lasern, Ätzen, Biegen oder Abkanten werden noch weitere Produktionsschritte –wie Fügen, Einpressen, Löten, Nibbeln, Prägen, Schweißen und die ergänzende Oberflächenbehandlung angeboten. Der Formgebung und Funktion der individuellen Kontaktfeder sind damit den Angaben zufolge praktisch keine Grenzen gesetzt.

Die verschiedenen Kontaktarten

Welche Bezeichnung die Kontaktfeder auch hat, ob Flachkontakt, Batteriekontakt, Anschlusskontakt, Elektrokontakt, Federleiste, Flachstecker, Kontaktleiste und anderes, grundsätzlich werden folgende Kontaktarten der elektrischen Verbindung unterschieden:

• Dauerhafte elektrische Kontakte: Dauerhafte elektrische Kontakte sind elektrische Verbindungen, die nur durch eine mindestens teilweise Zerstörung der Verbindung gelöst werden können. Dazu gehören Schweißverbindungen, Press- und Quetschverbindungen, Stoßverbinder, Crimp- und Klebeverbindungen.
• Bedingt lösbare elektrische Kontakte: Bedingt lösbare elektrische Kontakte können mit Hilfe von Werkzeugen gelöst werden. Dazu gehören Klemm- und Schnellverbinder, Schraubverbindungen, Schraub- und Lüsterklemmen, Wickel- und Lötverbindungen.
• Lösbare elektrische Kontakte: Lösbare elektrische Kontakte können von Hand gelöst werden. Dazu gehören Steckverbinder, Kabelschuhe, Steckklemmen und viele mehr.
• Schaltkontakte: Schaltkontakte werden in Schaltern, Tastern, Relais etc. eingesetzt. Sie sind die anspruchsvollsten elektrischen Kontakte, denn sie müssen ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften oft über viele Millionen Schaltspiele aufrechterhalten. Schaltkontakte müssen besonders vor Oxidation geschützt sein und über eine gute Leitfähigkeit mit einem geringen Übergangswiderstand verfügen.
• Schleifkontakte: Schleifkontakte und gleitende Kontakte stellen elektrische Verbindungen zu beweglichen Teilen her, wie Kontakte zu Kommutatoren, Schleifringen, Motoren, Drehschaltern und Drehgebern.

Aufbau einer Kontaktfeder (Grundeigenschaften)

Wie muss bei der Auslegung einer Kontaktfeder oder eines Federkontakts vorgegangen werden?

• Die richtige Kontaktart bestimmen.
• Die optimale Kontaktform aus Runddraht oder Flachmaterial designen.
• Einen leitfähigen Werkstoff mit einem geringen Übergangswiderstand auswählen.
• Bei einem schlechtem Grundwerkstoff eine ergänzende Oberflächenbehandlung abstimmen.
• Bei hoher elektrischer Leistung ist zur Vermeidung von Kontaktabbrand auf einen Werkstoff mit einem hohen Schmelzpunkt zu achten (Wolfram).
• Zur Vermeidung von Oxidation muss auf Korrosionsfestigkeit des Materials (Edelmetalle) oder auf eine geeignete Oberflächenbehandlung geachtet werden.

Auswahl elektrisch leitfähiger Werkstoff und Oberflächenbehandlung

Welche Federwerkstoffe und Oberflächenbehandlungen eignen sich zur Herstellung von Kontaktfedern und Federkontakte?

• Kontaktfedern aus Kupfer-Beryllium (CuBe)

Ein häufig verwendetes Material für Kontaktfedern ist Kupfer-Beryllium (CuBe). Dieses zeichnet sich durch seine hohe Leitfähigkeit und Festigkeit sowie seine exzellenten Federeigenschaften aus. Der Werkstoff ist zudem selbstreinigend sowie resistent gegen Luft, Ozon, Lösungsmittel und UV-Licht. Er hält sogar nuklearer Strahlung stand. Darüber hinaus ist CuBe thermisch und elektrisch leitfähig.

• Kontaktfedern aus anderen Federstahlsorten

Neben CuBe können Kontaktfedern je nach Anwendung und gewünschten Eigenschaften auch aus zahlreichen anderen Federstahlarten angefertigt werden. Dazu zählen:

• Federstahl (EN 10270–1)
• Edelstahl (1.4310, 1.4571 und 1.4568)
• Aluminium (Al, AlMg3 und S235JR)
• Buntmetalle wie verschiedene Kupferlegierungen wie Bronze (CuSn) oder Messing (CuZn)
• zahlreiche Sonderlegierungen

Elektrisch leitfähige Oberflächenbehandlungen

Um den Kontaktfedern, egal aus welchem Federwerkstoff, die spezifischen elektrischen Eigenschaften zuzuweisen, kommt es auf die richtige Oberflächenbehandlung an. Gute leitende Eigenschaften bieten beispielsweise Kupfer (Cu), Nickel (Ni), Verzinnen (Sn), Silber (Ag) oder Gold (Au). Jede Beschichtung bietet dabei bestimmte Eigenschaften. Gold ist beispielsweise – ausgenommen von Königswasser – resistent gegen Säuren und bietet einen sehr guten Oberflächenschutz. Zudem lässt sich das Werkstück durch die Beschichtung prozesssicher löten. Auch verzinkte Oberflächen eigenen sich für eine sehr gute Kontaktierung durch Löten und Schweißen. Nachfolgend gibt es eine kurze Zusammenfassung der wichtigsten Eigenschaften.

• Verkupfern (Cu): Korrosionsschutz und verbesserte elektrische Leitfähigkeit

Mit dieser galvanischen Oberflächenbehandlung lassen sich unterschiedliche Metalle wie Federstahl, Edelstahl, Messing oder Aluminium nachbearbeiten. Verkupfern schützt das Metall nicht nur vor Korrosion und Passungsrost (Tribooxidation), es erhöht auch die elektrische Leitfähigkeit von Kontaktfedern und verringert die Gefahr von Funkenschlag. Das ist besonders für Kontaktfedern wichtig, die in explosionsgeschützten Umgebungen eingesetzt werden sollen.

• Leitfähigkeit Kupfer (Sigma ~ 56 MS/m)
• Spezifischer Widerstand (Ohm ~ 0,018 µOhm·m)

 

• Vergolden (AU): dekorativ und verschleißfest

Zum Vergolden eignen sich Federstahl, Edelstahl, Kupfer sowie Aluminium und seine Legierungen. Vergolden erhöht den Schutz vor Korrosion, macht die Feder verschleißfest und seewasserbeständig, verbessert ihre Leitfähigkeit, verringert ihren Kontaktwiderstand und erhöht ihre Lötfähigkeit. Gold hat zudem eine große Oberflächenhärte: Zwischen 120 und 190 HV (Vickershärte) stehen bei einer Reinheit von 99,8 Prozent zu Buche.

• Leitfähigkeit vergolden (Sigma ~ 44 MS/m)
• Spezifischer Widerstand (Ohm ~ 0,022 µOhm·m)

 

• Versilbern (Ag): lebensmittelecht und sehr gute Leitfähigkeit

Eines der wichtigsten Verfahren zur Oberflächenveredelung ist das Versilbern. Es kann bei Kupfer, Federstahl, Messing und Aluminium angewandt werden. Versilberte Federkontakte sind chemisch beständig und lebensmittelecht, weisen eine stark erhöhte Leitfähigkeit und einen geringeren Kontaktwiderstand auf, sind gut zu löten und zeigen weniger Neigung zu Abreißfunken. Zudem bildet das Silber eine Gleitschicht im Hochtemperaturbereich bis 850 Grad Celsius.

• Leitfähigkeit versilbern (Sigma ~ 62 MS/m)
• Spezifischer Widerstand (Ohm ~ 0,016 µOhm·m)

 

• Vernickeln (Ni): sehr guter Korrosionsschutz und magnetisch

Kontaktfedern erhalten mit der vernickelten Oberfläche eine verbesserte Leitfähigkeit und einen sehr guten Korrosionsschutz über einen weiten Temperaturbereich. So behandelte Metallfedern sind zudem verschleißfest und chemikalienbeständig. Die aufgebrachte Nickelschicht wirkt als Diffusionsbarriere, erleichtert das Löten der Komponenten und macht sie magnetisch.

• Leitfähigkeit vernickeln (Sigma ~ 13 MS/m)
• Spezifischer Widerstand (Ohm ~ 0,082 µOhm·m)

 

• Verzinnen (Sn): chemikalienbeständig und lebensmittelecht

Verzinnte Kontaktfedern sind besonders für die Elektro- und Lebensmittelindustrie interessant. Bei dieser Art der Oberflächenbehandlung wird mit Hilfe von Strom ein gleichmäßiger Materialüberzug mit sehr guter Schichtdickenverteilung auf dem Federkontakt aufgebracht. Das Verfahren kann bei Federstahl, Edelstahl, Messing oder Kupfer eingesetzt werden. Verzinnte Komponenten sind chemikalien- und korrosionsbeständig und lassen sich einfach löten. Sie besitzen einen geringen Kontaktwiderstand und sehr gute Gleitlaufeigenschaften.

• Leitfähigkeit verzinnen (Sigma ~ 9 MS/m)
• Spezifischer Widerstand (Ohm ~ 0,11 µOhm·m)

Welche Probleme können bei Kontaktfedern auftreten?

• Korrosion beeinträchtigt die Kontaktstelle.
• Durch starke Temperaturwechsel oder das Kriechen können sich Kontaktstellen trennen.
• Bei häufigen Kontaktschließungen und -trennungen tritt mechanischer Verschleiß auf.
• Durch Bildung von spontanen Oxidschichten erhöht sich der Übergangswiderstand.
• Bei starker mechanischer Beanspruchung kann es zu Schwingbrüchen kommen.

Um solche Probleme zu verhindern, ist neben der Wahl der passenden Kontaktart auch der zur Anwendung geeignete passende Werkstofftyp und gegebenenfalls die richtige Oberflächenbehandlung auszuwählen.

Elektrische Isolation – wenn der Kontakt nichtleitend sein soll

Alle vorgestellten Werkstoffe und Oberflächenbehandlungen führen zu verbesserter elektrischer Leitfähigkeit von Kontaktfedern und Federkontakten. Soll die Oberfläche der Technischen Feder isolierend wirken, sind Dickschicht-Passivierung, Pulverbeschichtung, Verzinken oder Phosphatieren die richtigen Oberflächenbehandlungen.

Herstellung: Gutekunst Federn und Gutekunst Formfedern sind auf die Herstellung individueller Kontaktfedern spezialisiert und fertigen diese nach eigenen Angaben in jeder gewünschten Sonderform und Eigenschaft für die jeweilige Gegebenheit in Kleinmengen und Großserien. Dabei sei es ganz gleich, ob einfacher Flachkontakt oder aufwendig geformte Kontaktfeder aus Runddraht- oder Flachmaterial, wichtig sei, dass die Kontaktierung optimal und stabil an den vorhandenen Gegebenheiten und Kontaktstellen anliegt. Gefertigt werden individuelle Kontaktfedern aus Federstahldraht von 0,1 bis 12,0 mm Drahtdurchmesser und individuelle Kontaktfedern aus Flachmaterial von 0,1 bis 3,0 mm Materialstärke aus allen gängigen Federstahlsorten mit Oberflächenbehandlungen.

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