ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТАКТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ВЫСОКИХ РАБОЧИХ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 2022 года по МПК H01R13/03 B32B15/01 C22C19/05 C22C5/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к электрическому контактному элементу для штекерного соединителя, пригодного для электрического рабочего напряжения, превышающего 150 В.

Уровень техники

Электрические штекерные соединители, как правило, содержат один или несколько электрических контактных элементов и один или несколько изоляторов. При этом контактные элементы обычно выполнены в виде ножевых элементов или в виде упругих элементов. Они изготавливаются из основных материалов, которые не являются коррозионностойкими. Часто они представляют собой медные сплавы. Поэтому для обеспечения функционирования контактных элементов в течение всего срока службы штекерного соединителя на основной материал наносятся тонкие слои других металлов. Эти слои могут содержать промежуточный слой и рабочий слой.

Промежуточный слой может выполнять различные задачи. Он может улучшать адгезию рабочего слоя к основному материалу, создавать механическое равновесие между основным материалом и рабочим слоем и препятствовать возникновению диффузионных процессов между рабочим слоем и основным материалом. Промежуточный слой часто состоит из меди или никеля.

На промежуточном слое расположен рабочий слой, который называется также функциональным слоем. Рабочий слой увеличивает технически обоснованный срок эксплуатации контактного элемента, а также может улучшать электропроводность и защищать нижележащие слои от коррозии. Он может состоять из мягких неинертных металлов, в частности, из олова или серебра. Так, например, в автомобилестроении в качестве рабочего слоя для штекерных соединений широко используется серебро. Если при применении возникают напряжения, превышающие 150 В, сила электрического потенциала между различными контактными элементами может в большой степени стимулировать переход ионов металлов из одного физического положения в другое. Такая миграция металлов может вызывать короткие замыкания и другие технические проблемы в штекерном соединении. Функциональные поверхности из серебра при повышенных напряжениях имеют тенденцию к такого рода миграции. Поэтому для областей применения с рабочими напряжениями, превышающими 150 В, главным образом используются более дорогостоящие функциональные слои из благородных металлов. Так, например, находят применение сплавы золото-кобальт или палладий-никель.

Раскрытие сущности изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении электрического контактного элемента, который является пригодным для использования в электрическом штекерном соединителе для электрических рабочих напряжений, превышающих 150 В. Однако при этом он должен обеспечивать возможность более экономичного изготовления, чем традиционные электрические контактные элементы, а также иметь надежность и срок службы, соответствующие таким традиционным электрическим контактным элементам.

Эта задача решена при помощи электрического контактного элемента для штекерного соединителя, который содержит металлическое основание или рабочий слой, нанесенный на это основание. При этом рабочий слой может быть нанесен непосредственно на указанное металлическое основание, или между металлическим основанием и рабочим слоем могут быть расположены один или несколько дополнительных слоев. Рабочий слой состоит из следующих легирующих элементов: 82 - 91 масс. % никеля, 9-18 масс. % фосфора и 0-1 масс. % прочих легирующих элементов. Предпочтительно рабочий слой состоит из 82-89 масс. % никеля, 11-18 масс. % фосфора и 0-1 масс. % прочих легирующих элементов. При этом суммарное содержание легирующих элементов составляет 100 масс. %. Доля до 1 масс. % прочих легирующих элементов в сплаве, например, в виде загрязнений, является, хотя и приемлемой, но предпочтительно исключаемой. Согласно изобретению было установлено, что применение такого рабочего слоя обеспечивает хорошую электропроводность и хорошую защиту от коррозии, аналогичные тем, которые можно получить, например, с рабочим слоем из сплава золото-кобальт или из сплавов палладий-никель. Однако по сравнению с ними применение сплава никель-фосфор позволяет осуществлять более экономичное изготовление электрического контактного элемента.

В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения рабочий слой расположен непосредственно на основании, поэтому какие-либо дополнительные слои между рабочим слоем и основанием отсутствуют. Для того чтобы обеспечить хорошую защиту от коррозии, в этом варианте осуществления предпочтительно, чтобы рабочий слой имел толщину в пределах от 1,00 мкм до 2,50 мкм. Особенно предпочтительно, чтобы эта толщина лежала в пределах от 1,50 мкм до 2,00 мкм. Рабочий слой, применяемый согласно изобретению, обеспечивает настолько хорошую защиту от коррозии и настолько хорошую электропроводность, что эти свойства невозможно существенно улучшить путем дальнейшего увеличения толщины слоя. В отличие от этого, например, при применении традиционного рабочего слоя из одного из сплавов золото-кобальт или палладий-никель обычно требуется толщина слоя по меньшей мере 3 мкм при одновременном использовании металлического промежуточного слоя, чтобы электрический контактный элемент вообще выполнял поставленные требования к коррозионной стойкости и электропроводности. Таким образом, изобретение позволяет не только осуществлять изготовление электрического контактного элемента с применением более экономичных материалов, но и уменьшать расход материалов за счет применения особенно тонкого рабочего слоя.

В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения между основанием и рабочим слоем расположен металлический промежуточный слой. Особенно предпочтительно промежуточный слой представляет собой единственный слой, который расположен между рабочим слоем и основанием, таким образом, основание соединено непосредственно с промежуточным слоем, а промежуточный слой соединен непосредственно с рабочим слоем. Как и в традиционной конструкции электрического контактного элемента, промежуточный слой улучшает адгезию рабочего слоя к основанию, способствует механическому равновесию между основанием и рабочим слоем и предотвращает диффузионные процессы между рабочим слоем и основанием. Кроме того, промежуточный слой позволяет использовать более тонкий рабочий слой по сравнению с вариантом осуществления изобретения, в котором рабочий слой расположен непосредственно на основании. В этом варианте осуществления рабочий слой имеет толщину предпочтительно в пределах от 0,15 мкм до 1,50 мкм. Особенно предпочтительно эта толщина лежит в пределах от 0,30 мкм до 1,00 мкм.

В одном варианте осуществления контактного элемента промежуточный слой содержит от 99 до 100 масс. % меди и 0-1 масс. % прочих легирующих элементов.

В другом предпочтительном варианте осуществления контактного элемента промежуточный слой содержит от 99 до 100 масс. % никеля и 0-1 масс. % прочих легирующих элементов. При этом суммарное содержание легирующих элементов составляет 100 масс. %. Доля прочих легирующих элементов предпочтительно должна быть минимально возможной, однако, в некоторых случаях их наличие невозможно исключить по причине загрязнений.

Толщина промежуточного слоя предпочтительно составляет от 1,5 мкм до 4,0 мкм, и особенно предпочтительно - от 2,0 мкм до 3,0 мкм.

Кроме того, предпочтительно, чтобы на рабочий слой был нанесен металлический и/или органический скользящий слой. Скользящий слой может, с одной стороны, улучшать скольжение электрических контактных элементов, в частности, упругих элементов, расположенных на ножевых элементах. Таким образом, он способствует тому, чтобы рабочий слой дольше сохранял свою функциональность в условиях механической нагрузки от трения. С другой стороны, он может также оптимизировать электропроводность между электрическими контактными элементами. Если скользящий слой содержит как металлический, так и органический компоненты, предпочтительно, чтобы металлическая часть слоя была нанесена непосредственно на рабочий слой, а на эту металлическую часть слоя была нанесена органическая часть слоя. При этом металлическая часть слоя и органическая часть слоя совместно образуют скользящий слой.

Особенно пригодным металлическим материалом для скользящего слоя является чистое золото или золотосодержащий сплав, который состоит из следующих легирующих элементов: 98,5-100,0 масс. % золота, 0-0,5 масс. % кобальта и 0-1,0 масс. % прочих легирующих элементов. При этом суммарное содержание легирующих элементов составляет 100 масс. %.

Особенно пригодными органическими материалами для скользящего слоя являются по меньшей мере один фторсодержащий полимер и/или по меньшей мере одна соль жирных кислот. Фторсодержащий полимер может представлять собой, например, перфторполиэфир (ПФПЭ) или политетрафторэтилен (ПТФЭ). Соль жирных кислот может представлять собой, например, 12-гидроксистеарат лития.

Толщина скользящего слоя предпочтительно лежит в пределах от 0,05 мкм до 0,25 мкм. Таких тонких скользящих слоев уже достаточно, чтобы обеспечить хорошее скольжение электрического контактного элемента, поэтому нанесение скользящего слоя на рабочий слой не вызывает существенного увеличения толщины всего покрытия.

Рабочий слой электрического контактного элемента согласно изобретению может быть особенно полезным при использовании в том случае, когда основание состоит из меди, низколегированного медного сплава или латуни. В этом случае он состоит из следующих легирующих элементов: 50-100 масс. % меди, 0-45 масс. % цинка и 0-5 масс. % прочих легирующих элементов. Таким образом, суммарное содержание легирующих элементов составляет 100 масс. %. При этом, даже если суммарное содержание прочих легирующих элементов может составлять до 5 масс. %, предпочтительно, чтобы содержание каждого отдельного прочего легирующего элемента не превышало 2 масс. % относительно всего сплава. Кроме того, предпочтительно, чтобы содержание каждого из таких прочих легирующих элементов, как бериллий, хром, железо, кобальт, магний, марганец, никель, фосфор, сера, серебро, кремний, теллур, титан, олово и цирконий не превышало в сплаве 2 масс. %, а содержание любого из не указанных в этом списке прочих легирующих элементов составляло не более 1 масс. %.

Электрический контактный элемент согласно изобретению может быть изготовлен с хорошими техническими свойствами без необходимости использования при этом большого количества дорогостоящих благородных металлов.

Краткое описание чертежей

Ниже приведено более подробное описание вариантов осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны:

ФИГ. 1 - схематический продольный разрез конструкции, состоящей из двух электрических штекерных соединителей,

ФИГ. 2 - вид в поперечном разрезе области контакта между двумя электрическими контактными элементами в сравнительном примере,

ФИГ. 3 - вид в поперечном разрезе области контакта двух электрических контактных элементов согласно одним вариантам осуществления изобретения,

ФИГ. 4 - вид в поперечном разрезе области контакта двух электрических контактных элементов согласно другим вариантам осуществления изобретения.

Осуществление изобретения

На ФИГ. 1 показана схематическая конструкция пары штекерных соединителей. Первый штекерный соединитель 10 содержит электрический контактный элемент 11 в виде ножевого элемента. Он окружен первым изолятором 12, выполненным из полимерного материала. Второй штекерный соединитель 20 содержит второй электрический контактный элемент 21 в виде упругого элемента. Он окружен вторым изолятором 22, выполненным из полимерного материала. Если оба штекерных соединителя 10, 20 соединяются, как показано на чертеже, то второй изолятор 22 задвигается в первый изолятор 12, при этом первый электрический контактный элемент 11 вводится во второй электрический контактный элемент 21. При этом пружины второго контактного элемента 21 отгибаются друг от друга, а затем под действием их упругости прочно прижимаются к первому контактному элементу 11. При этом в области 30 контакта, в которой контактируют оба контактных элемента 11, 21, обеспечивается наличие электропроводности.

В электрических штекерных соединителях 10, 20, которые содержат контактные элементы 11, 21 согласно уровню техники, в области 30 контакта используется конструкция контактных элементов 11, 21, показанная на ФИГ. 2. Первый контактный элемент 11 содержит основание 111, промежуточный слой 112, расположенный на основании 111, и рабочий слой 113, расположенный на промежуточном слое 112. Второй контактный элемент 21 содержит основание 211, промежуточный слой 212, расположенный на основании 211, и рабочий слой 213, расположенный на промежуточном слое 212. Основания 111, 211, промежуточные слои 112, 212 и рабочие слои 113, 213 имеют состав в процентах по массе, представленный в таблице 1:

В данном примере промежуточные слои 112, 212 имеют толщину d₁₁₂, d₂₁₂, равную 3 мкм, а рабочие слои 113, 213 - толщину d₁₁₃, d₂₁₃, равную 4 мкм. Рабочие слои 113, 213 соприкасаются в области 30 контакта. Большое количество сплава золото-кобальт, которое требуется для получения рабочих слоев, делает изготовление электрических контактных элементов 11, 21 дорогостоящим.

На ФИГ. 3 показана конструкция электрических контактных элементов 11, 21 согласно нескольким вариантам осуществления изобретения, которые могут быть использованы в паре штекерных соединителей 10, 20 с ФИГ. 1. Дополнительно к показанной на ФИГ. 2 конструкции электрических контактных элементов 11, 21, содержащих основания 111, 211, промежуточные слои 112, 212 и рабочие слои 113, 213, контактные элементы 11, 21 согласно этим вариантам осуществления изобретения на рабочих слоях 113, 213 содержат скользящий слой 114, 214. Это приводит к тому, что в области 30 контакта вместо контактирования рабочих слоев 113, 213 имеет место контактирование скользящих слоев 114, 214. В то время как толщина промежуточных слоев 112, 212 в данных вариантах осуществления изобретения совпадает с толщиной промежуточных слоев 112, 212 в сравнительном примере, рабочие слои 113, 213 в вариантах осуществления изобретения имеют гораздо меньшую толщину d₁₁₃, d₂₁₃, которая составляет всего 0,65 мкм. Это приводит к значительной экономии материалов по отношению к сравнительному примеру. Скользящие слои 114, 214 в вариантах осуществления изобретения имеют толщину d₁₁₄, d₂₁₄, равную 0,10 мкм. Таким образом, каждый рабочий слой 113, 213 даже вместе с соответствующим скользящим слоем 114, 214 является более тонким, чем рабочий слой 113, 213 в сравнительном примере.

В первом варианте осуществления изобретения компоненты контактных элементов 11,21 имеют состав в процентах по массе, представленный в таблице 2.

Промежуточный слой, который в сравнительном примере состоит из чистого серебра, в первом варианте осуществления изобретения выполнен из сплава никель-фосфор. Это приводит к снижению затрат не только по причине меньшего расхода металла на изготовление рабочего слоя, но и благодаря применению более экономичного сплава.

Скользящий слой 114, 214 состоит из такого же сплава золото-кобальт, как и рабочий слой 113, 213 в сравнительном примере. Поэтому скольжение контактных элементов 11, 21 в сравнительном примере и в первом варианте осуществления изобретения является одинаково хорошим. Однако при этом скользящий слой 114, 214 имеет гораздо меньшую толщину, чем рабочий слой 113, 213 сравнительного примера, поэтому преобладающая часть дорогостоящего сплава золото-кобальт может быть сэкономлена.

Во втором варианте осуществления электрических контактных элементов 11, 21 их компоненты имеют состав в процентах по массе, представленный в таблице 3:

В отличие от первого варианта осуществления металлические скользящие слои 114, 214 заменены органическими скользящими слоями, которые состоят из ПТФЭ. При этом было установлено, что, несмотря на отказ от дорогостоящего благородного металла, в третьем варианте осуществления, может быть обеспечено превосходное скольжение электрических контактных элементов 11, 21, и при этом их электропроводность не уступает электропроводности электрических контактных элементов 11, 21 в сравнительном примере.

В третьем варианте осуществления изобретения промежуточный слой 112, 212 отсутствует, поэтому контактные элементы 11, 21 имеют конструкцию, показанную на ФИГ. 4, при этом рабочий слой 113, 213 расположен непосредственно на основании 111, 211. В отличие от предыдущих вариантов осуществления толщина d₁₁₃, d₂₁₃ рабочих слоев 113, 213 составляет 1,50 мкм. Компоненты контактных элементов 11, 21 имеют состав в процентах по массе, представленный в таблице 4.

Таким образом, благодаря большей толщине рабочего слоя, чем в первом и втором вариантах осуществления изобретения, контактные элементы 11, 21 могут быть также изготовлены без применения промежуточных слоев 112, 212. При этом, хотя и применяются более толстые рабочие слои 113, 213, чем в двух предыдущих вариантах осуществления, они, тем не менее, имеют значительно меньшую толщину, чем рабочие слои 113, 213 сравнительного примера.

В четвертом варианте осуществления изобретения скользящие слои 114, 214 контактных элементов 11, 21 третьего варианта осуществления также заменены органическими скользящими слоями, которые также состоят из ПТФЭ, так же, как во втором варианте осуществления скользящие слои 114, 214 первого варианта осуществления были заменены ПТФЭ.

Компоненты электрических контактных элементов 11, 21 имеют состав в процентах по массе, представленный в таблице 5.

Все пять описанных вариантов осуществления электрических контактных элементов 11, 21 согласно изобретению позволяют осуществить экономичную замену электрических контактных элементов 11, 21, используемых в сравнительном примере, без ухудшения соответствующих свойств контактных элементов 11, 21. Они являются пригодными для электрических рабочих напряжений, превышающих 150 В.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрическому контактному элементу для штекерного соединителя, который может быть использован в электрическом штекерном соединителе для электрических рабочих напряжений, превышающих 150 В. Повышение надежности и срока службы контактного элемента является техническим результатом изобретения, который достигается за счет того, что элемент содержит металлическое основание (111, 211) и нанесенный на основание (111, 211) рабочий слой (113, 213), который состоит из сплава, содержащего следующие компоненты: 82-91 масс. % никеля, 9-18 масс. % фосфора и 0-1 масс. % прочих легирующих элементов. Кроме того, применение рабочего слоя на основе никеля и фосфора обеспечивает хорошую электропроводность и защиту от коррозии, а также позволяет осуществлять более экономичное изготовление электрического контактного элемента. 8 з.п. ф-лы, 4 ил., 5 табл.

1. Электрический контактный элемент (11, 21) для штекерного соединителя (10, 20), содержащий металлическое основание (111, 211) и нанесенный на основание (111, 211) рабочий слой (113, 213), отличающийся тем, что рабочий слой (113, 213) состоит из следующих легирующих элементов:

82-91 масс. % никеля,

9-18 масс. % фосфора,

0-1 масс. % прочих легирующих элементов,

при этом суммарное содержание легирующих элементов составляет 100 масс. %, отличающийся тем, что на рабочем слое (113, 213) расположен органический скользящий слой (114, 214), который содержит по меньшей мере один фторсодержащий полимер и/или по меньшей мере одну соль жирных кислот.

2. Электрический контактный элемент (11, 21) по п. 1, отличающийся тем, что рабочий слой (113, 213) расположен непосредственно на основании (111, 211).

3. Электрический контактный элемент (11, 21) по п. 2, отличающийся тем, что рабочий слой (113, 213) имеет толщину (d₁₁₃, d₂₁₃) в пределах от 1,00 до 2,50 мкм.

4. Электрический контактный элемент (11, 21) по п. 1, отличающийся тем, что между основанием (111, 211) и рабочим слоем (113, 213) расположен металлический промежуточный слой (112, 212).

5. Электрический контактный элемент (11, 21) по п. 4, отличающийся тем, что промежуточный слой (112, 212) состоит из следующих легирующих элементов:

99-100 масс. % меди или никеля,

0-1 масс. % прочих легирующих элементов,

при этом суммарное содержание легирующих элементов составляет 100 масс. %.

6. Электрический контактный элемент (11, 21) по п. 3 или 4, отличающийся тем, что промежуточный слой (112, 212) имеет толщину (d₁₁₂, d₂₁₂) в пределах от 1,5 до 4,0 мкм.

7. Электрический контактный элемент (11, 21) по одному из пп. 3-6, отличающийся тем, что рабочий слой (113, 213) имеет толщину (d₁₁₃, d₂₁₃) в пределах от 0,15 до 1,50 мкм.

8. Электрический контактный элемент (11, 21) по одному из пп. 1-7, отличающийся тем, что скользящий слой (114, 214) имеет толщину (d₁₁₄, d₂₁₄) в пределах от 0,05 до 0,25 мкм.

9. Электрический контактный элемент (11, 21) по одному из пп. 1-8, отличающийся тем, что основание (111, 211) состоит из следующих легирующих элементов:

50-100 масс. % меди,

0-45 масс. % цинка,

0-5 масс. % прочих легирующих элементов,

при этом суммарное содержание легирующих элементов составляет 100 масс. %.