Prüfverfahren

From Electrical Contacts
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Die nachfolgend beschriebenen Verfahren zur Prüfung elektrischer Kontakte beziehen sich vor allem auf ihren Einsatz in elektromechanischen Schaltgeräten. Die Einsatzgebiete elektrischer Kontakte sind so umfangreich, dass eine auch nur annähernd umfassende Beschreibung der einschlägigen Prüfverfahren den Rahmen des Kapitels bei weitem sprengen würde. Die Darstellung wurde daher auf Kontaktschichten sowie schaltende Kontakte in der Informations- und Energietechnik beschränkt. Im Zuge der Miniaturisierung elektromechanischer Bauelemente spielen korrosive Umwelteinflüsse und ihre Prüfung für die Kontaktzuverlässigkeit eine wichtige Rolle. Spezielle Prüfverfahren, z.B. von Löt- und Schweißverbindungen, werden in Kap.Technologien für die Herstellung von Kontaktteilen behandelt.

Begriffe

Jedes technische Gerät muss für seinen praktischen Einsatz eine Reihe von Bedingungen erfüllen. Einige zur Aufstellung einer Vereinbarung zwischen Hersteller und Anwender wichtigen Begriffe sind nach DIN 40042 in gekürzter Form dargestellt.

  • Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit

Unter Verfügbarkeit wird die Wahrscheinlichkeit verstanden, ein System, z.B. ein Schaltgerät, zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in einem funktionsfähigen Zustand anzutreffen.

Die Zuverlässigkeit sagt aus, dass das System jederzeit in den vorgegebenen Grenzen den durch den Verwendungszweck bedingten Anforderungen genügt.

Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit werden nur für eine begrenzte Zeit bzw. begrenzte Anzahl von Schaltspielen, d.h. für die Lebensdauer des Schaltgerätes, gewährleistet. Am Ende der Lebensdauer überschreitet die Ausfallrate vorgegebene Grenzwerte.

  • Elektrische Lebensdauer

Die elektrische Lebensdauer ist die Schaltspielzahl, die bei gegebener Schaltlast unter festgelegten Bedingungen erreicht wird. Da die Kriterien, die die Lebensdauer schaltender Kontakte bestimmen, vom jeweiligen Schaltgerätetyp abhängen, wird bei der Beschreibung der Prüfverfahren in der Informations- und Energietechnik darauf eingegangen.


Prüfung von Kontaktschichten

Für Anwendungen bei geringen Schaltlasten kommen häufig Kontaktschichten zum Einsatz, deren Dicke nur wenige Mikrometer betragen. Bei der Prüfung dieser dünnen Schichten ist zwischen den eigentlichen Schichteigenschaften und den Funktionseigenschaften zu unterscheiden. Zu den Schichteigenschaften sind u.a. Porosität, Härte und Duktilität zu zählen. Bei den Funktionseigenschaften stehen je nach Anwendung z.B. Reibverschleiß, Kontaktwiderstand, Materialwanderung oder Schweißverhalten im Vordergrund. Daneben spielen technologische Eigenschaften wie Haftfestigkeit, Lötbarkeit u.a. sowie für spezielle Anwendungen in der Elektronik die Bondbarkeit eine entscheidende Rolle.

Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich hauptsächlich auf galvanisch erzeugte Kontaktschichten, da diese in der Kontakttechnik auch wirtschaftlich die größte Bedeutung haben. Sie gelten aber in ähnlicher Weise auch für Schichten, die z.B. durch mechanisches Plattieren oder Sputtern hergestellt wurden.

siehe Artikel: Prüfung von Kontaktschichten


Prüfverfahren in der Informationstechnik

Prüfungen des Kontaktverhaltens in der Informationstechnik werden i.d.R. mit den jeweiligen Schaltgeräten, z.B. Relais, durchgeführt. Die Erfahrung zeigt, dass bei den hier vorliegenden Kontaktkräften, Reibwegen und elektrischen Belastungen das Zusammenwirken meist aller zum Ausfall führender Phänomene entscheidend ist. Demzufolge haben statistische Prüfungen an einer großen Anzahl von Schaltgeräten die einzig gültige Aussagekraft.

Des weiteren unterscheidet man zwischen statischen Prüfungen (z.B. Messung des Kontaktwiderstandes) und dynamischen (Ermittlung der Lebensdauer). Daneben gibt es auch Bauelemente und Schaltgeräten, bei denen die Kontakte sowohl statisch als auch dynamisch im Anwendungsfall beansprucht werden (z.B. Steckverbinder, Relais, Schalter, Tasten). Die Lebensdauer wird bei statisch beanspruchten Kontakten i.d.R. als Beanspruchungsdauer, d.h. in „Stunden“ definiert, bei schaltenden Kontakten in „Schaltspielen oder Schaltzyklen“ angegeben.

siehe Artikel: Prüfverfahren in der Informationstechnik


Prüfverfahren in der Energietechnik

Die Prüfung von elektrischen Kontakten der Energietechnik dient einerseits der laufenden Qualitätskontrolle und andererseits der Neu- und Weiterentwicklung von Kontaktwerkstoffen. Um ein optimales Kontakt- und Schaltverhalten zu erreichen, müssen Kontaktwerkstoffe und Schaltgeräte mit ihren Eigenschaften im Rahmen elektrischer Prüfungen aufeinander abgestimmt werden. Der Erfolg dieser Abstimmung wird durch Schaltprüfungen nachgewiesen.

Die Bewertung eines Kontaktwerkstoffes erfolgt durch Untersuchungen mit Hilfe werkstoffkundlicher Prüfmethoden sowie durch Schaltversuche in Modellschaltern und Serien-Schaltgeräten. Die physikalischen Eigenschaften, wie Schmelz- und Siedetemperatur, elektrische Leitfähigkeit usw., sind maßgebend für die Auswahl des Basiswerkstoffes und einzelner Komponenten, können aber keine Aussage zum Kontakt- und Schaltverhalten geben. Werkstoffkundliche Prüfmethoden eignen sich in erster Linie zur Aufdeckung von Material- und Bearbeitungsfehlern. Das eigentliche Kontakt- und Schaltverhalten eines Werkstoffes kann nur durch elektrische Schaltversuche mit einem Modellschalter oder vorzugsweise mit einem Serien-Schaltgerät erfasst werden.

Modellschalter bieten dabei die Möglichkeit, einen Kontaktwerkstoff schon innerhalb kurzer Zeit z.B. bezüglich des Ein- und Ausschaltverhaltens zu beurteilen und grob zu klassifizieren. Da Modellschalter von idealisierten Versuchsbedingungen ausgehen, können sie keinesfalls die Prüfung im serienmäßigen Schaltgerät ersetzen.

Die Prüfung von Kontaktwerkstoffen in serienmäßigen Schaltgeräten sollte möglichst nach DIN EN - bzw. IEC-Bestimmungen und -Regeln erfolgen. Für jede Geräteart bestehen spezielle Prüf-Normen, die sich für die Beurteilung eines Gerätes jeweils unterteilen lassen nach:

  • Einschaltvermögen,
  • Ausschaltvermögen,
  • elektrische Lebensdauer,
  • Übertemperatur.

Die nachfolgenden Ausführungen beschränken sich auf werkstoffkundliche Prüfungen sowie die Prüfung der für Schaltgeräte besonders wichtigen Kenngrößen elektrische Lebensdauer, Übertemperatur und Schaltvermögen.

siehe Artikel: Prüfverfahren in der Energietechnik


Korrosionsprüfungen

Der Begriff „Korrosion“

Definition des Begriffs „Korrosion“ nach DIN EN ISO 8044: Reaktion eines metallischen Werkstoffes mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffes bewirkt und zu einem Korrosionsschaden führen kann. Diese Reaktion ist in den meisten Fällen elektrochemischer Art. Es kann sich aber auch um chemische und metallphysikalische Vorgänge handeln.

Bei korrosiver Einwirkung löst sich Metall auf. Dieser Abtrag kann entweder gleichmäßig flächenhaft oder örtlich begrenzt erfolgen. Dabei schreitet dieser Vorgang oft mit konstanter Geschwindigkeit fort, was zu einer vollständigen Materialauflösung führen kann, oder es kommt nach gewisser Einwirkdauer zur Bildung einer natürlichen Deckschicht (z.B. bei Aluminium).

Spezielle Korrosionsarten: (EN ISO 8044)

  • Kontaktkorrosion:
    Korrosion eines Metallgegenstandes bei Berührung (Kontakt) mit anderen metallischen Körpern, auch an metallischen Verunreinigungen in Legierungen, an chemisch oder physikalisch heterogenen Oberflächen und an heterogenen Lösungen an homogenen Oberflächen sowie bei Berührung eines Metallgegenstandes mit nichtmetallischen Stoffen unter Bildung von Korrosionselementen.
  • Spaltkorrosion:
    Örtlich verstärkte Korrosion in Spalten, die entweder im Werkstück vorhanden oder zwischen verschiedenen Werkstücken z.B. bei in Trägerteilen eingepressten Kontaktnieten auftreten können.
  • Lochkorrosion („Lochfraß“):
    Örtlich eng begrenzte, in die Tiefe krater- oder nadelstichartig fortschreitende Auflösung des Materials, die im Endzustand zu einer Durchlöcherung führen kann.
  • Interkristalline Korrosion:
    Korrosion entlang der Korngrenzen mit der Gefahr des vollständigen Festigkeitsverlustes durch Zerfall des Materials (z.B. bei Schweißnähten in austenitischen Edelstählen).
  • Selektive Korrosion:
    Bevorzugte Korrosion bestimmter Gefügebereiche (z.B. lokale Entzinkung von Messing unter Bildung örtlicher Kupferausscheidungen).
  • Belüftungskorrosion:
    Bei örtlich unterschiedlich starkem Zutritt von Luft oder Sauerstoff zu einzelnen Oberflächenbereichen eines Metalls werden die stärker belüfteten Stellen kathodisch, korrodieren demnach weniger stark als abgedeckte Stellen (z.B. Spaltkorrosion bei Schraub- oder Pressverbindungen).
  • Spannungsrisskorrosion:
    Rissbildung bei hierfür sensiblen Metallen, die unter mechanischen Zugspannungen stehen und dabei einem korrosiven Medium ausgesetzt sind. Besonders gefährdet sind dabei zinkhaltige Kupferlegierungen (Messing) bei Einwirkung von Ammoniak oder Nitraten.
  • Sauerstoffkorrosion:
    Kathodenreaktion in wässriger Lösung Reduktion von molekularem, in Wasser gelöstem Sauerstoff, Potential des Metalls unter den vorliegenden Bedingungen unterhalb des Sauerstoffpotentials.
  • Wasserstoffkorrosion:
    Kathodenreaktion Reduktion von H zu H2 (in saurer Lösung); bei unter den gegebenen Bedingungen unedlen Metallen.
  • Reibkorrosion (fretting):
    Anhäufung von Oxidpartikeln von Unedelmetall-, insbesondere verzinnter Oberflächen als Folge zyklischer Relativbewegungen kleiner Amplitude (< 100μm), die durch Schwingungsübertragung oder thermische Versatzbewegungen aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der Kontaktpartner auftreten. Diese Erscheinung ist besonders gefürchtet beim Einsatz von Steckverbindern mit verzinnten Kontaktoberflächen z.B. im Kfz.
  • Korrosionsermüdung:
    Ermüdungsbrüche bei periodischer mechanischer Beanspruchung in korrosiven Medien. Bei spröden, galvanisch abgeschiedenen Schichten löst das Wechselspiel zwischen mechanischer Beanspruchung und chemischem Angriff häufig Ermüdungsbrüche aus.

Elektrochemische Spannungsreihe

Korrosionserscheinungen werden wesentlich von den Elektrodenpotentialen der jeweiligen Metalle bestimmt. Ein Maß für die Korrosionsbeständigkeit eines Metalls gibt die elektrochemische Spannungsreihe an. Unedle (korrosionsanfällige) Metalle sind durch ein negatives, edle (korrosionsbeständige) Werkstoffe sind durch ein positives Normalpotential (bezogen auf Wasserstoff) charakterisiert.


Table 1: Elektrodenpotentiale von Metallen
Metall Reaktion Potential [V]
Aluminium AI → AI+++ +3e - 1.71
Zink Zn → Zn++ +2e - 0.76
Chrom Cr → Cr++ +2e - 0.71
Eisen Fe → Fe++ +2e - 0.41
Cadmium Cd → Cd++ +2e - 0.40
Indium In → In+++ +3e - 0.34
Kobalt Co → Co++ +2e - 0.27
Nickel Ni → Ni++ +2e - 0.25
Zinn Sn → Sn++ +2e - 0.13
Blei Pd → Pd++ +2e - 0.12
Wasserstoff H2 → H2++ +2e - 0.00
Kupfer Cu → Cu++ +2e
Cu → Cu+ +e
+ 0.34
+ 0.52
Silber Ag → Ag+ +e + 0.80
Palladium Pd → Pd++ +2e + 0.83
Platin Pt → Pt++ +2e + 1.20
Gold Au → Au+++ +3e
Au → Au+ +e
+ 1.42
+ 1.68

Korrosionsprüfungen für elektrische Kontakte

Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf Prüfungen, die die Einwirkung der korrosiven Umgebungsatmosphäre auf die Kontaktwerkstoffe widerspiegeln und vor allem für Kontaktbauelemente in der Telekommunikation angewendet werden. Korrosionsschichten auf elektrischen Kontakten können die Zuverlässigkeit der Kontaktgabe, z.B. durch erhöhte Kontaktwiderstände, nachteilig beeinflussen und somit erhebliche Störungen bei der Übertragung von Strömen und Informationen hervorrufen. Dies wirkt sich besonders nachteilig bei elektromechanischen Bauelementen der Informationstechnik aus. Ursache für die Fremdschichtbildung sind z.B. die im Umfeld von Industrieanlagen auftretenden Schadgase, wie H2S, SO2, NOx, O3, Cl2, und NH3. Table 2


Table 2: Typische Schadgaskonzentrationen (ppm) im Umfeld von Industrieanlagen
Industrieluft SO2 H2S NO2 CI2 O3 NH3
Mittelwert
Extremwert
0.04
0.22
0.01
0.4
0.1
1.0
0.005
0.02
0.2-0.6
0.2
0.2
Geruchschwelle
MAK-Wert1)
Lebensgefahr
0.18
2.0
400
0.02
10.0
700
0.1
5.0
200
0.005
0.5
3
0.02
0.1
5
50
5000
1)MAK-Wert: maximale Arbeitsplatzkonzentration

Korrosionsprüfungen an elektrischen Kontakten in natürlicher Umgebungsatmosphäre sind kritisch zu bewerten, da sie sehr zeitaufwendig sind. Zusätzlich können in den verschiedenen Jahreszeiten Temperaturschwankungen sowie Änderungen der Luftfeuchtigkeit und der Konzentration der Schadgase auftreten, die wesentlichen Einfluss auf die Korrosionsbildung haben.

Es war daher das Bestreben der Forschung und der Qualitätsprüfung, Testmethoden für Kontaktwerkstoffe zu entwickeln, die in einem zeitraffenden Verfahren Aussagen über die Beständigkeit der Prüflinge in unterschiedlich korrosiven Atmosphären erlauben.

Einkomponentenschadgastests und Tests mit zwei nacheinander eingesetzten Schadgasen sind nur begrenzt aussagefähig. Prüfklimate mit vier Komponenten bei strömender Atmosphäre stellen am ehesten ein realistisches Spiegelbild der natürlichen Schadgasatmosphäre dar Table 2.


Table 3: Einige genormte Korrosionstests für elektrische Kontakte
Prüfmethode Schadgas Schärfegrad 1
[ppb]
Schärfegrad 1
[ppb]
Temperatur [°C] rel. Feuchte [%] Dauer [d] Norm
1-Komponentenschadgas SO2
H2S
500
100
10000
10000
25 ± 1
25 ± 1
75 ± 3
75 ± 3
1, 4, 10 oder 21
1, 4, 10 oder 21
DIN 40046 Part 36
DIN 40046 Part 37
2-Komponentenschadgas
(nacheinander eingesetzt)
SO2
+ H2S
500
100
25 ± 1
75 ± 3
1, 4, 10 oder 21
EC 68-2-60 TTD
4-Komponentenmischgas H2S
CI2
NO2
SO2
10 ± 5
10 ± 5
200 ± 20
200 ± 20
25 ± 1 70 ± 3 10 IEC 68-2-60 Part 2,
Method 4
4-Komponentenmischgas H2S
CI2
NO2
SO2
10 ± 1,5
10 ± 1,5
200 ± 30
100 ± 15
30 ± 1 70 ± 2 10 Telcordia GR-63-Core Section 5.5
Indoor
4-Komponentenmischgas H2S
CI2
NO2
SO2
100 ± 15
20 ± 3
200 ± 30
200 ± 30
30 ± 1 70 ± 2 4 Telcordia GR-63-Core Section 5.5
Outdoor

Die Unterschiede in den Schadgaskonzentrationen und den Prüfdauern ergeben sich aus dem praktischen Einsatz der jeweiligen Bauelemente und der Bewertung der Einflussgrößen. Battelle hat für die verschiedenen Einsatzgebiete vier Klimaklassen festgelegt, die das Korrosionsverhalten porenhaltiger Goldschichten widergeben. Derartige Goldschichten werden häufig in Steckverbindern der Telekommunikation eingesetzt Table 4, Figure 1.


Table 4: Klassifizierung der Korrosionsbeanspruchung nach Battelle
Klasse Einsatzgebiet Korrosionserscheinungen H2S [ppb] CI2 [ppb] NO2 [ppb] Temperatur [°C] rel. Feuchte [%]
überwachtes Büroklima keine
Büroklima Porenkorrosion 10 + 0/-4 10 + 0/-2 200 ± 25 30 ± 2 70 ± 2
moderates Industrieklima Porenkorrosion und Überwanderung 100 ± 10 20 ± 5 200 ± 25 30 ± 2 75 ± 2
korrosives Industrieklima Überwanderung 200 ± 10 50 ± 5 200 ± 25 50 ± 2 75 ± 2

Die dominierenden Korrosionserscheinungen bei dünnen Goldschichten sind Porenkorrosion sowie bei höherer Schadgasbelastung die Überwanderung der Goldschicht durch Korrosionsprodukte des unedlen Trägermaterials, ausgehend von der Grenzfläche Trägerwerkstoff/Kontaktschicht.

Einfluss der Schadgaskonzentration nach vier Klassen (I - IV und der Auslagerungsdauer auf den Kontaktwiderstand einer porenhaltigen Goldschicht (Battelle)

Die Messung des Kontaktwiderstandes ermöglicht eine indirekte Klassifizierung der Korrosionsschichten. Während für die Analyse dickerer Korrosionsschichten im 0,1 - 1 μm Bereich die klassischen Methoden wie REM und Mikrosonde angewandt werden, kommen für dünne Schichten im Bereich 10 - 100 nm ionenoptische Verfahren zum Einsatz.

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