Werkstoffe für elektrische Kontakte und ihre Anwendungen

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1 Werkstoffe für elektrische Kontakte und ihre Anwendungen Fertigungsverfahren, Eigenschaften, Verbindungstechniken, Prüfverfahren Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Schröder Dr.-Ing. Peter Braumann Georg Braun Dipl.-Ing. Manfred Dihlmann Dipl.-Phys. C.-L Meyer Rolf Paulsen Dr. rer. nat. Franz J. Puckert Dr. Erwin A. Sauter Dipl.-Ing. Rudolf Schnabl Prof. Dr. Peter Tautzenberger Dipl.-Phys. Eduard Vinaricky Dr. rer. nat. Josef Weiser Mit 322 Bildern und 186 Literaturstellen Kontakt & Studium Band 366 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum DI Elmar Wippler expert verlag expert Щ verlag

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 f remdschichtbehaftete Kontakt Frittungvon Fremdschichten Widerstandsverhalten lichtbogenbeanspruchter Kontaktstücke Katalytische Reaktionsprodukte als 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 Metallkundliche Grundlagen 31 P. Tautzenberger 2.1 Einflußgrößen für das Verhalten eines elektrischen Kontaktes Anforderungen an Werkstoffe für elektrische Kontakte Aufbau metallischer Werkstoffe Festigkeit und Plastizität metallischer Werkstoffe Elektrische und thermische Leitfähigkeit Einfluß von Gitterfehlern auf die elektrische Leitfähigkeit Einteilung der Werkstoffe Möglichkeiten zur Festigkeitssteigerung und deren Auswirkung auf die elektrische Leitfähigkeit Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit von Verbundwerkstoffen 47 Kontaktträgerwerkstoffe auf Kupferbasis 48 F. J. Puckert Einleitung Metallkundliche Grundlagen Mischkristallverfestigung Verformungsverfestigung Ausscheidungsverfestigung Eigenschaften der Kupferbasislegierungen Physikalische Eigenschaften Mechanische Eigenschaften Biegeverhalten Langzeitverhalten unter thermischer und schwingender Belastung Relaxation Biegewechselfestigkeit Korrosionsverhalten und Oberflächenschutz durch Verzinnen Zusammenfassung Kontaktwerkstoffe auf Silber-Basis 68 K.-H. Schröder 4.1 Einführung Feinsilber Silber-Legierungen Ag/Ni 0,15 (Feinkornsilber) und Ag/Cu Physikalische Eigenschaften Technische Eigenschaften 75

4 Kontakteigenschaften Verbindungstechnik Gefügeaufbau Anwendungen Silber-Metalloxide Ag/CdO, Ag/Sn0 2 und Ag/ZnO Herstellung Innere Oxidation von Ag/CdO Innere Oxidation von Ag/Sn0 2 Innere Oxidation anderer Silber-Metalloxide Einzelteil-Sinterung von Silber-Metalloxiden Blocksintern von Mischpulver und Strangpressen 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/C Herstellung Physikalische Eigenschaften Technische Eigenschaften Kontakteigenschaften Verbindungstechnik Anwendungen Silber-Verbundwerkstoffe Ag/W und Ag/Mo Dispersionsgehärtete Silberlegierungen Zusammenfassung Gold und Platin Werkstoffe für niedrige und mittlere elektrische Belastungen 110 R. Schnabl Einleitung Verfügbarkeit der Kontaktwerkstoffe Au, Pd und Ag Anwendungsbezogene Kontaktwerkstoff-Eigenschaften

5 6 Löten und Schweißen elektrischer Kontakte 139 M. Dihlmann, G. Rau 6.1 Löten von elektrischen Kontakten Definition des Lötens Hartlote auf Silberbasis Flußmittel Flußmittelfreie Lote Positionierung der Kontakte Lötverfahren Flammlöten Ofenlöten direkte und indirekte Erwärmung Widerstandslöten Induktionslöten Schweißen von elektrischen Kontakten Schweißverfahren für Teile und Halbzeuge Kaltpreßschweißen Preßstumpfschweißen Widerstandsschweißen Buckelschweißen Plättchenaufschweißen Kugelaufschweißen Kontaktschweißen mit vertikaler Drahtzuführung Profilabschnittschweißen Kurzzeit Abbrennstumpfschweißen/Perkussionsschweißen Schallschweißen Laserschweißen Sonderschweißverfahren Prüfung der Löt-und Schweißverbindung 165 Prüfung von elektrischen Kontakten der Energietechnik 167 P. Braumann Einführung Werkstoffkundliche Untersuchungsverfahren Gefügeuntersuchungen Werkstoffanalyse Sonstige Meßverfahren Meßgrößen bei Prüfung des Schaltverhaltens Einschaltvorgang Stromführungsphase Ausschalten

6 Prüfungen mit Modellschaltern Einschaltprüfstand Ausschaltprüfstand Prüfeinrichtung für den Anwendungsbereich Kfz-Elektrik Hauptstromkreis Meßgrößen Versuchsbedingungen (Beispiel Lampenlast) 188 Prüfungen in serienmäßigen Schaltgeräten 189 Anwendungsbeispiele für elektrische Kontakte in der Energietechnik 192 E. Vinaricky Einleitung 192 Steuer-und Regelungstechnik 192 Niederspannungs-Energietechnik Motorschalter Leitungsschutzschalter 205 Mittel- und Hochspannungs-Energietechnik Vakuumschalter Vakuumschütze Vakuumleistungsschalter Hochspannungsleistungsschalter 213 Schaltkontakte im Kraftfahrzeug 215 J. Weiser Allgemeine Einleitung 215 Erforderliche Lebensdauer von Relais in Systemen des KFZ 219 Elektrische Lastarten in Systemarten des KFZ 222 Ausfallkriterien unter den erschwerten Bedingungen im KFZ 223 Erprobung von Kontaktwerkstoffen in Lastbedingungen im KFZ 225 Beispiele von Tests zur Auswahl von Kontaktwerkstoffen und deren Ergebnisse 226 Motorlast mit Ausfall der Kontakte durch Öffnungsfehler infolge Zusammenwirkens von Abbrand, Materialwanderung und Verschweißen 226 Blinklampenlast mit Ausfall der Kontakte durch Öffnungsfehler wegen Verhakens durch Materialwanderung 229 Lampenlast mit Ausfall der Kontakte durch Öffnungsfehler wegen Verschweißen 230

7 9.6.4 Kontaktwiderstand bei hohen zu führenden Strömen Abschließende Bewertung der Kontaktwerkstoffe für Schaltanwendungen im KFZ Automobilgerechte Stecksysteme 238 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 0, Rundstecksystem 2,5 mm Buchsenkontakt Stiftkontakt/Stiftleisten Elektronikkontaktsystem 0,63 x 0, Buchsenkontakt Stiftkontakt für 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 265 Schlußbemerkung 266

8 11 Aktueller Stand und Trends in der Edelmetallbeschichtung E. Sauter Einleitung Beschichtungsverfahren Fester Zustand des Beschichtungsmaterials Mechanische Beschichtungen Warmpreßschweißen Diffusionsschweißen Explosionsplattieren Warmwalzplattieren Kaltwalzplattieren Rollnahtschweißen Elektronenstrahlschweißen (ESS) / Laserschweißen (LS) Flüssiger Zustand des Beschichtungsmaterials Elektrochemisches Beschichten Thermisches Verzinnen (Feuerverzinnen) Chemische Verfahren CVD (Chemical Vapor Deposition) Vergleich der Leistungsmerkmale der Verfahren Gasförmiger Zustand des Beschichtungsmaterials Physikalische Verfahren PVD (Physical Vapor Deposition) Hochvakuumbedampfen lonenplattieren Kathodenzerstäuben Schichtdicken Meßverfahren Die lichtoptische Messung Betarückstreuverfahren Röntgenfluoreszenzverfahren (Rp) Porositätsprüfung dünner Schichten Anwendungsbereiche Entwicklungstrends Prüfung von Kontaktwerkstoffen der Nachrichtentechnik 294 R. Paulsen 12.1 Einleitung Normen und Prüfverfahren für Schalt-, Steck- und Schleifkontakte 295

9 Übertragbarkeit der Prüfvorschriften auf Kontaktwerkstoffe für Schalt-, Steck- und Schleifkontakte Anforderungen an Schaltkontakte Anforderungen an Steckkontakte Anforderungen an Schleifkontakte Prüfungen an Kontakthalbzeugen Duktilität Oberflächenanalytik Kontaktwiderstand IVIechanische und elektrische Prüfung für Schaltkontakte Trockenschaltung Lastschaltung Verschleiß- und Korrosionsprüfungen für Steckkontakte Mechanischer Verschleiß Korrosionsprüfungen Elektrische Prüfungen für Schleifkontakte Zusammenfassung Anwendungsbeispiele für elektrische Kontakte in der Informationstechnik 317 E. Vinaricky Einleitung Anforderungen an das Kontaktsystem Beispiele für elektromechanische Bauelemente Steckverbinder Seiektivgalvanisierung Optimaler Kontaktwerkstoff Relais Elektrische Lastbereiche für Relaiskontakte Einfluß des Kontaktwerkstoffes auf das Schaltverhalten Kontaktbestückung Konstruktive Gestaltung der Kontaktstellen Tasten Kontaktbestückte Tasten Kontaktlose Tasten Kontaktstörungen und Umwelteinflüsse 345 C.-L. Meyer Umweltbedingte Kontaktstörungen Äußere Klima-Einflüsse

10 Klima-Arten und Klima-Prüfung Oxidschichten auf Kontaktflächen Spezielle Schadstoff-Wirkungen Kontaktstörungen durch das Innen-Klima" in Gehäusen Einfluß organischer Dämpfe Spezielle Reaktionen bei Schwefel-Anreicherung Veränderungen des Innen-Klimas durch Schaltlichtbögen Kontaktstörungen bei speziellen Schaltmedien Elektrische Kontakte unter Öl Öle als Verunreinigung und zur Schmierung elektrischer Kontakte Schalten in Schutzgasen und im Vakuum Kontaktstörungen durch Verschmutzung Mechanisch verunreinigte Kontaktflächen Durch Waschen verunreinigte Kontaktstellen Staubeinwirkung auf Kontakte Funktionsbedingte Kontaktstörungen Materialwanderung Materialwanderung bei Gleichstrom Materialwanderung bei Wechselstrom Auswirkungen von Glimm-Entladungen Verschweißen elektrischer Kontakte Verschweißen beim Einschalten hoher Ströme Verschweißen ruhender Kontakte Mechanische Deformation durch Schaltlichtbögen Metallisierung von Gehäusewänden Extremer Abbrand hoch belasteter Kontaktstücke Ausblick Die Zukunft elektrischer Schaltkontakte unter dem Einfluß elektronischer Bauelemente 373 K.-H. Schröder Übersicht Einführung Gegenüberstellung von elektronischen und elektromechanischen Schaltern in der Nachrichten- bzw. Informationstechnik Typische Merkmale beider Schalter-Arten Anwendungsbereiche Fernmeldetechnik Datentechnik Automatisierungstechnik 390

11 Unterhaltungselektronik Konsumelektronik Zu ku nftsperspektiven Gegenüberstellung von elektronischen und elektromechan Schaltern in der Energietechnik Typische Merkmale beider Schalter-Arten Anwendungsbereiche Energieverteilung Industrie-Schaltgeräte Installations-Schaltgeräte Schalter für Haushaltsgeräte Schalter für Bahnen und Elektrofahrzeuge Schalter in Kraftfahrzeugen Zukunftsperspektiven Zusammenfassung ischen Literaturverzeichnis 406 Sachregister 414 Autorenverzeichnis 419