Kontaktwerkstoffe für die Elektrotechnik

Kontaktstücke sind wichtige Bauteile in Schaltgeräten. Sie müssen ihre Funktion vom Neuzustand bis zum Ende der Gerätelebensdauer erfüllen.

Das Anforderungsspektrum an die Kontaktwerkstoffe ist vielfältig. Neben den typischen Kontakteigenschaften wie:

• hohe Abbrandfestigkeit
• hohe Verschweißresistenz
• niedriger Kontaktwiderstand
• gute Lichtbogenlaufeigenschaften
• gutes Lichtbogenlöschverhalten

werden physikalische, mechanische und chemische Eigenschaften, wie hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, hohe Härte, hohe Korrosionsbeständigkeit usw., aber auch gute Verarbeitbarkeit sowie gute Löt- und Schweißbarkeit gewünscht. Außerdem sollen die Werkstoffe umweltfreundlich sein.

Die für Kontaktzwecke zur Verfügung stehenden Werkstoffe lassen sich je nach Zusammensetzung und Gefügeaufbau unterteilen in:

• reine Metalle
• Legierungen
• Verbundwerkstoffe

• Reine Metalle

Von dieser Werkstoffgruppe hat Silber für Schaltgeräte der Energietechnik die größte Bedeutung. Andere Edelmetalle wie Gold und die Platinmetalle kommen nur im Bereich der Informationstechnik meist in Form dünner Schichten zur Anwendung. Von den Unedelmetallen wird Wolfram für spezielle Schaltaufgaben, z.B. in Kfz-Hupen eingesetzt. Gelegentlich wird auch Kupfer, allerdings meist in unsymmetrischer Paarung mit einem silberhaltigen Kontaktwerkstoff, verwendet.

• Legierungen

Neben den wenigen reinen Metallen steht eine größere Anzahl schmelztechnisch hergestellter Legierungen für Kontaktaufgaben zur Verfügung. Eine Legierung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen ihren Komponenten eine vollständige oder begrenzte gegenseitige Löslichkeit im festen Zustand besteht. Im Zustandsdiagramm (-schaubild) werden für Mehrstoffsysteme Anzahl und Art von Kristalltypen in Abhängigkeit von Temperatur und Anteil der Legierungspartner dargestellt. Daraus lassen sich u.a. Schmelzbereiche und feste Phasen sowie Erstarrungsverläufe entnehmen.

Durch Legierungsbildung gelingt es, eine Eigenschaft eines Werkstoffes auf Kosten einer anderen zu verbessern. So wird durch Legierungsbildung z.B. die Festigkeit des Grundmetalls erhöht, während die elektrische Leitfähigkeit, abhängig von der Legierungszusammensetzung, bereits bei geringen metallischen Zusätzen deutlich abnimmt.

• Verbundwerkstoffe

Die Verbundwerkstoffe stellen eine Stoffgruppe dar, deren Eigenschaftsspektrum für Anwendungen als elektrische Kontakte in Schaltgeräten, in denen höhere Ströme beherrscht werden müssen, besondere Vorteile bietet.

Die für Kontaktzwecke eingesetzten metallischen Verbundwerkstoffe sind heterogene Werkstoffe, die aus zwei oder mehreren innig miteinander verbundenen Komponenten bestehen, bei denen mindestens die dem Volumen nach überwiegende Komponente ein Metall ist.

Die Eigenschaften der Verbundwerkstoffe werden durch die Eigenschaften ihrer Komponenten weitgehend unabhängig voneinander bestimmt. So gelingt es z.B. in einem Werkstoff das hochschmelzende, abbrandfeste Wolfram mit dem niedrigschmelzenden, gutleitenden Kupfer oder das hochleitende Metall Silber mit dem verschweißresistenten Metalloid Grafit zu kombinieren. In Bild (Figure 1) sind die Herstellungsschritte aufgezeigt, die ausgehend von der Pulvermischung zum Kontaktwerkstoff führen. Grundsätzlich kann zwischen folgenden drei Varianten unterschieden werden:

• Sintern ohne flüssige Phase
• Sintern mit flüssiger Phase
• Tränkverfahren

Figure 1: Pulvermetallurgische Herstellung von Verbundwerkstoffen (schematisch) T_s = Schmelztemperatur der niedrigschmelzenden Komponente

Beim Sintern ohne flüssige Phase (linker Bildteil) wird die Pulvermischung zunächst durch Pressen verdichtet, danach wärmebehandelt (gesintert) und ggf. durch Nachpressen weiter verdichtet. Die Sinteratmosphäre hängt dabei von der Werkstoffzusammensetzung und dem Verwendungszweck ab; z.B. Vakuum für gasarme Kontaktwerkstoffe aus Cu/Cr. Bei Werkstoffen mit hohem Silberanteil wird meist von Presslingen in Blockform ausgegangen, die nach dem Sintern durch Strangpressen zu Bändern oder Drähten umgeformt werden. Die durch Strangpressen erzielte hohe Verdichtung wirkt sich vorteilhaft auf das Abbrandverhalten der Verbundwerkstoffe aus. Nach diesem Verfahren werden die Verbundwerkstoffe Ag/Ni, Ag/Metalloxid und Ag/C hergestellt.

Das Verfahren des Sinterns mit flüssiger Phase hat den Vorteil, dass der Sintervorgang wegen der beschleunigten Diffusion wesentlich schneller abläuft und nahezu die theoretische Dichte des Werkstoffes erreicht werden kann.

Um die Formbeständigkeit im Laufe des Sintervorganges zu gewährleisten, darf der Volumenanteil der flüssigen Phase nicht zu groß sein. Im Gegensatz zum Sintern mit flüssiger Phase, das bei der Herstellung von Kontaktwerkstoffen nur in wenigen Fällen verwendet wird, hat das im rechten Bildteil dargestellte Tränkverfahren sehr große praktische Bedeutung. Bei der Herstellung dieser Verbundwerkstoffe wird das Pulver der hochschmelzenden Komponente teilweise auch als Pulvergemisch mit einem geringen Anteil der Zweitkomponente gepresst und im Sinterzustand als poröser Skelettkörper mit der schmelzflüssigen zweiten Komponente infiltriert (getränkt). Die Füllung der Poren erfolgt durch Wirkung von Kapillarkräften. Bei diesem Verfahren wird ohne nachträgliche Verdichtung nahezu die theoretische Dichte erreicht. Das Endprodukt wird schließlich durch mechanische Bearbeitung fertiggestellt. Auf diesem Wege werden vor allem Kontaktwerkstoffe auf Wolfram-Basis z.B. W/Cu gefertigt.

Werkstoffe auf Gold-Basis

Reines Gold ist neben Platin das chemisch beständigste aller Edelmetalle. Gold in unlegierter Form ist für die Verwendung als Kontaktwerkstoff in elektromechanischen Bauelementen aufgrund seiner Neigung zum Kleben und Kaltschweißen auch bei kleinen Kontaktkräften weniger gut geeignet. Außerdem ist Feingold nicht ausreichend mechanisch verschleißfest und widerstandsfähig bei elektrischer Belastung. Daher beschränkt sich sein Einsatz meist auf dünne, galvanisch oder vakuumtechnisch aufgebrachte Schichten.

siehe Artikel: Werkstoffe auf Gold-Basis

Werkstoffe aus Platin-Metallen

Zur Platingruppe zählen die Elemente Pt, Pd, Rh, Ru, Ir und Os (Tab. 2.6). Für Anwendungen in der Kontakttechnik haben Platin und Palladium als Legierungsgrundmetalle sowie Ruthenium und Iridium als Legierungsbestandteile praktische Bedeutung. Pt und Pd sind zwar ähnlich korrosionsbeständig wie Au, neigen aber aufgrund ihrer katalytischen Eigenschaften dazu, an der Kontaktoberfläche adsorbierte organische Dämpfe zu polymerisieren. Bei Reibbeanspruchung der Kontaktpartner entsteht dabei als Polymerisationsprodukt das sog. brown powder, das zu einer starken Erhöhung des Kontaktwiderstandes führen kann. Daher werden Pt und Pd nicht rein, sondern ausschließlich in Legierungsform für Kontaktzwecke eingesetzt.

siehe Artikel: Werkstoffe aus Platin-Metallen

Werkstoffe auf Silber-Basis

siehe Artikel: Werkstoffe auf Silber-Basis

Werkstoffe auf Wolfram- und Molybdän-Basis

siehe Artikel: Werkstoffe auf Wolfram- und Molybdän-Basis

Spezielle Werkstoffe (VAKURIT) für Vakuumschalter

Mit dem Namen VAKURIT wird eine Familie gasarmer Kontaktwerkstoffe bezeichnet, die speziell für den Einsatz in Vakuumschaltern entwickelt wurden (Table 1).

siehe Artikel: Spezielle Werkstoffe (VAKURIT) für Vakuumschalter

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Manufacturing Equipment for Semi-Finished Materials (Bild)