Werkstoffe für elektrische Kontakte und ihre Anwendungen

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1 Werkstoffe für elektrische Kontakte und ihre Anwendungen Fertigungsverfahren, Eigenschaften, Verbindungstechniken, Prüfverfahren Professor Dr.-Ing. Karl-Heinz Schröder Volker Behrens Dr. Andreas Bögel Dr.-Ing. P. Braumann Georg Braun Dr. Franz Kaspar Dr. rer. nat. G. Müller Dr. Ulrich Mürrle Dipl.-Ing. R. Schnabl Dr. Eduard Vinaricky Dr. J. Weiser 2., völlig neubearbeitete Auflage Mit 315 Bildern, 27 Tabellen und 122 Literaturstellen Kontakt & Studium Band 366 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum DI Elmar Wippler expert verlag expertly vertag

2 Inhaltsverzeichnis Herausgeber-Vorwort Autoren-Vorwort 1 Grundlagen der Werkstoffauswahl für elektrische Kontakte 1 K.-H. Schröder Einführung Einschalten der Kontaktstücke Einschalten ohne Strombelastung Einschalten mit Strombelastung Geschlossene Kontaktstücke Gleiten bei Steckkontakten Kontaktwiderstand und Fremdschichten bei ruhenden Kontaktstücken Der fremdschichtfreie Kontakt Der fremdschichtbehaftete Kontakt Frittung von Fremdschichten Widerstandsverhalten lichtbogenbeanspruchter Kontaktstücke Katalytische Reaktionsprodukte an Fremdschichten Verschweißen geschlossener Kontaktstücke Verschweißen durch elektrodynamisches Abheben Zusammenfassung der Probleme geschlossener Kontaktstücke Ausschalten der Kontaktstücke Materialwanderung Materialabbrand Lichtbogenwanderung im Magnetfeld Wiederverfestigung der Schaltstrecke Zusammenfassung der Probleme ausschaltender Kontaktstücke Unsymmetrische Werkstoffpaarungen für Schaltgeräte der Energietechnik Einsatzbereiche von Kontaktwerkstoffen Zusammenfassung

3 2 Werkstoffwissenschaftliche Grundlagen U. Mürrle Einflußgrößen auf das Verhalten eines elektrischen Kontaktes Werkstoffeigenschaften Betriebsbedingte Faktoren Zusammenwirken werkstoffbedingter Eigenschaften und betriebsbedingter Faktoren Anforderungen an Werkstoffe für elektrische Kontakte Aufbau metallischer Werkstoffe Festigkeit und Plastizität metallischer Werkstoffe Diffusion Elektrische und thermische Leitfähigkeit Einfluß von Gitterfehlern auf die elektrische Leitfähigkeit Einteilung der Werkstoffe Beeinflussung der Festigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit Kaltverformung Mischkristallverfestigung Korngrenzenverfestigung Ausscheidungsverfestigung Dispersionshärtung Texturverfestigung Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit von Verbundwerkstoffen 49 3 Kontaktträgerwerkstoffe auf Kupferbasis 51 G. Müller, A. Bögel Einleitung Grundlagen Die Wechselwirkung zwischen mechanischen und elektrischen Eigenschaften Naturharte Werkstoffe Ausscheidungsverfestigende Werkstoffe Dispersionsverfestigte Werkstoffe Physikalische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Federbiegegrenze Biegewechselfestigkeit Verhalten unter thermischer Beanspruchung Entfestigungsverhalten Relaxationsverhalten Biegeverhalten Korrosionsverhalten

4 Verzinnung Zusammenfassung Kontaktwerkstoffe auf Silber-Basis 72 K.-H. Schröder 4.1 Einführung Feinsilber Silber-Legierungen Ag Ni 0,15 (Feinkornsilber) und Ag Cu Physikalische Eigenschaften Technische Eigenschaften Kontakteigenschaften Verbindungstechnik Gefügeaufbau Anwendungen Silber-Metalloxide Ag CdO, Ag Sn02 und Ag ZnO Herstellung Sintern von Silber-Metalloxiden wie Ag CdO, Ag Sn02 und Ag ZnO Innere Oxidation Physikalische Eigenschaften Technische Eigenschaften Kontakt- und Schalteigenschaften Verbindungstechnik Anwendungen Silber-Verbundwerkstoff Ag Ni Physikalische Eigenschaften Technische Eigenschaften Kontakteigenschaften Verbindungstechnik Gefügeaufbau Gegenüberstellung von Vor- und Nachteilen Anwendungen Silber-Verbundwerkstoff Ag С Herstellung Physikalische Eigenschaften Technische Eigenschaften Kontakteigenschaften Verbindungstechnik Anwendungen Silber-Verbundwerkstoffe Ag W und Ag Mo Dispersionsgehärtete Silberlegierungen Zusammenfassung 116

5 5 Gold und Platin - Werkstoffe für niedrige und mittlere elektrische Belastungen 117 R. Schnabl Einleitung Verfügbarkeit der Kontaktwerkstoffe Au, Pd und Ag Anwendungsbezogene Kontaktwerkstoff-Eigenschaften Löten und Schweißen elektrischer Kontakte 146 U. Mürrle 6.1 Löten von elektrischen Kontakten Definition des Lötens Hartlote auf Silberbasis Flußmittel Flußmittelfreie Lote Positionierung der Kontakte Lötverfahren für Kontaktwerkstoffe Flammlöten Ofenlöten - direkte und indirekte Erwärmung Widerstandslöten Induktionslöten Schweißen von elektrischen Kontakten Schweißverfahren für Teile und Halbzeuge Kaltpreßschweißen - Nietkaltschweißen Preßstumpfschweißen - Nietwarmschweißen Widerstandsschweißen Buckelschweißen Plättchenaufschweißen Kontaktschweißen mit vertikaler Drahtzuführung Profilabschnittschweißen Kurzzeit-Abbrennstumpfschweißen/Perkussionsschweißen Schallschweißen Laserschweißen Sonderschweißverfahren Prüfung der Löt- und Schweißverbindung Prüfung von elektrischen Kontakten der Energietechnik 176 R Braumann 7.1 Einführung Werkstoffkundliche Untersuchungsverfahren Gefügeuntersuchungen Sonstige Meßverfahren 181

6 7.3 Meßgrößen bei der Prüfung des Schaltverhaltens Einschaltvorgang Stromführungsphase Ausschaltvorgang Prüfungen mit Modellschaltern Einschaltprüfstand Ausschaltprüfstand Prüfeinrichtung für den Anwendungsbereich Kfz-Elektrik Prüfungen in serienmäßigen Motorschaltern Versuchseinrichtung Prelldiagramm Schalt-Synchronismus Phasenfolge beim Schließen Energieumsatz beim Prellen Anwendung des Prüfverfahrens bei der Werkstoffentwicklung Anwendungsbeispiele für elektrische Kontakte in der Energietechnik 204 V. Behrens, E. Vinaricky 8.1 Einführung Steuer- und Regeltechnik Niederspannungs-Energietechnik Motorschalter Leitungsschutzschalter Mittel- und Hochspannungs-Energietechnik Vakuumschalter Vakuumschütze Vakuumleistungsschalter Hochspannungsleistungsschalter Schaltkontakte im Kraftfahrzeug 227 J. Welser 9.1 Allgemeine Einleitung Erforderliche Lebensdauer von Relais in Systemen des KFZ Elektrische Lastarten in Systemarten des KFZ Ausfallkriterien unter den erschwerten Bedingungen im KFZ Erprobung von Kontaktwerkstoffen in Lastbedingungen im KFZ Beispiele von Tests zur Auswahl von Kontaktwerkstoffen und deren Ergebnisse Motorlast mit Ausfall der Kontakte durch Öffnungsfehler infolge Zusammenwirkens von Abbrand, Materialwanderung und Verschweißen 238

7 Blinklampenlast mit Ausfall der Kontakte durch Öffnungsfehler wegen Verhakens durch Materialwanderung 241 Lampenlast mit Ausfall der Kontakte durch Öffnungsfehler wegen Verschweißen 242 Kontaktwiderstand bei hohen zu führenden Strömen 244 Abschließende Bewertung der Kontaktwerkstoffe für Schaltanwendungen im KFZ 247 Automobilgerechte Stecksysteme 250 G. Braun 10.1 Einleitung Allgemeine Anforderungen Kontaktteile Gehäuseteile Steckverbinderarten Teilevolumen bei BMW Konstruktionsmerkmale Kontaktteile Flachfederkontakte 6,3 x 0,8 bzw. 2,8 x Rundstecksystem 2,5 mm Buchsenkontakt Stiftkontakt/Stiftleisten Elektronikkontaktsystem 0,63 x 0, Buchsenkontakt Stiftkontaktfür Leitungsanschlüsse Gehäuseteile (Isolierkörper) Sekundärverriegelung Steck- und Ziehhilfen Wasserdichte Ausführung Tüllenversion und Einzeladerabdichtung Umspritzte Version Integration ins Fahrzeug, Einsatzbedingungen Beispiel für Türsteckverbinder Sondersteckverbinder für besondere Anwendung Steckanschluß für EDC (Elektronische-Dämpfer-Control) Werkstoffe Werkstoffe für Kontaktteile Oberflächen Werkstoffe für Isolierkörper Anschlußtechnik Qualitätsmerkmale 277 Schlußbemerkung 278

8 11 Herstellverfahren und Prüfungen für Kontaktschichten in der Nachrichtentechnik R. Schnabl ' Herstellverfahren Walzplattierverfahren Feuerverzinnung Mehrschichtplattierungen von Kontaktprofilen Galvanische Beschichtungen Vakuumtechnische Beschichtungen Prüfverfahren für Kontakthalbzeuge und -teile Schichtdickenmessungen Oberflächenrauhigkeit Oberflächenreinheit Härte Duktilität Elektrische Leitfähigkeit Kontaktwiderstand Schaltkontaktprüfung Prüfung des mechanischen Verschleisses Korrosionsprüfungen Zusammenfassung und Aussichten Anwendungsbeispiele für elektrische Kontakte in der Informationstechnik 311 F. Kaspar, E. Vinaricky 12.1 Einleitung Anforderungen an das Kontaktsystem Beispiele für elektromechanische Bauelemente Steckverbinder Selektivgalvanisierung Optimaler Kontaktwerkstoff Relais Elektrische Lastbereiche für Relaiskontakte Einfluß des Kontaktwerkstoffes auf das Schaltverhalten Kontaktbestückung Konstruktive Gestaltung der Kontaktstellen Tasten Kontaktbestückte Tasten Kontaktlose Tasten Kontaktstörungen durch Umwelteinflüsse Einleitung Umweltbedingte Kontaktstörungen Äußere Klima-Einflüsse 338

9 Klima-Arten und Klima-Prüfung Oxidschichten Spezielle Schadstoff-Auswirkungen Siibersulfid-Schichten Silberwanderung Spannungsrißkorrosion Kleinklima Einfluß organischer Dämpfe Brown powder-bildung Verkokung organischer Substanzen Organo-Metallverbindungen Spezielle Reaktionen bei Schwefel-Anreicherung Veränderung des Innenklimas durch Schaltlichtbögen Kontaktstörungen bei speziellen Schaltmedien Elektrische Kontaktgabe unter Öl Kontaktöle Silikonöle Schalten in Schutzgasen und im Vakuum Kontaktstörungen durch Verschmutzung Mechanisch verunreinigte Kontaktflächen Ablagerungen von Schweißelektroden Staubeinwirkung auf Kontakte Funktionsbestimmte Störungen Materialwanderung Materialwanderung bei Gleichstromlast Materialwanderung bei Wechselstrom Auswirkungen von Glimmentladungen Verschweißen Mechanische Deformation durch Schaltlichtbögen Metallisierung von Gehäusewänden Extremer Abbrand hoch belasteter Kontaktstücke Ausblick Die Zukunft elektrischer Schaltkontakte unter dem Einfluß elektronischer Bauelemente 364 K.-H. Schröder 14.1 Einführung Gegenüberstellung von elektronischen und elektromechanischen Schaltern in der Nachrichten- bzw. Informationstechnik Typische Markmale beider Schalter-Arten Anwendungsbereiche Fernmeldetechnik Datentechnik 380

10 Automatisierungstechnik Unterhaltungselektronik Konsumelektronik Zukunftsperspektiven Gegenüberstellung von elektronischen und elektromechanischen Schaltern in der Energietechnik Typische Merkmale beider Schalter-Arten Anwendungsbereiche Energieverteilung Industrie-Schaltgeräte Installations-Schaltgeräte Schalter für Hausgeräte Schalter für Bahnen und Elektrofahrzeuge Schalter in Kraftfahrzeugen Zukunftsperspektiven Zusammenfassung Literaturverzeichnis Sachregister