210
edits
Changes
temp edit
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.
The properties of composite materials are determined mainly independent from each other by the properties of their individual components. Therefore it is for example possible to combine the high melting point and arc erosion resistance of tungsten with the low melting and good electrical conductivity of copper, or the high conductivity of silver with the weld resistant metalloid graphite. <xr id="fig:Powder metallurgical manufacturing of composite materials (schematic)"/> shows the schematic manufacturing processes from powder blending to contact material. Three basic process variations are typically
applied:
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 <xr id="fig:Powder metallurgical manufacturing of composite materials (schematic)"/> 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 id="fig:Powder metallurgical manufacturing of composite materials (schematic)">
[[File:Powder metallurgical manufacturing of composite materials (schematic).jpg|thumb|<caption>Pulvermetallurgische Herstellung von Verbundwerkstoffen (schematisch) T<sub>s</sub> = Schmelztemperatur der niedrigschmelzenden Komponente</caption>]]
</figure>
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.
Main Article: [[Gold Based Materials| Gold Based Materials]]
==Platinum Metal Based Materials==
The platinum group metals include the elements Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, and Os [[Platinum_Metal_Based_Materials|Table 1]]<!--(Table 2.6)-->. For electrical contacts platinum and palladium have practical significance as base alloy materials and ruthenium and iridium are used as alloying components. Pt and Pd have similar corrosion resistance as gold but because of their catalytical properties they tend to polymerize adsorbed organic vapors on contact surfaces. During frictional movement between contact surfaces the polymerized compounds known as “brown powder” are formed which can lead to significantly increase in contact resistance. Therefore Pt and Pd are typically used as alloys and not in their pure form for electrical contact applications.
Main Article: [[Platinum Metal Based Materials| Platinum Metal Based Materials]]
==Silver Based Materials==
Main Article: [[Silver Based Materials| Silver Based Materials]]
==Tungsten and Molybdenum Based Materials==
Main Article: [[Tungsten and Molybdenum Based Materials| Tungsten and Molybdenum Based Materials]]
==Special Contact Materials (VAKURIT) for Vacuum Switches==
The trade name VAKURIT is assigned to a family of low gas content contact materials developed for the use in vacuum switching devices [[Special_Contact_Materials_(VAKURIT)_for_Vacuum_Switches|Table 1]]
Main Article: [[Special Contact Materials (VAKURIT) for Vacuum Switches| Special Contact Materials (VAKURIT) for Vacuum Switches]]
==Referenzen==
Vinaricky, E.(Hrsg.): Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen.
Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg etc. 2002
Lindmayer, M.: Schaltgeräte-Grundlagen, Aufbau, Wirkungsweise.
Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokio, 1987
Rau, G.: Metallische Verbundwerkstoffe. Werkstofftechnische
Verlagsgesellschaft, Karlsruhe 1977
Schreiner, H.: Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte. Springer-Verlag
Berlin, Göttingen, Heidelberg, 1964
Hansen. M.; Anderko, K.: Constitution of Binary Alloys. New York:
Mc Graw-Hill, 1958
Shunk, F.A.: Constitution of Binary Alloy. 2 Suppl. New York; Mc Graw-Hill, 1969
Edelmetall-Taschenbuch. ( Herausgeber Degussa AG, Frankfurt a. M.),
Heidelberg, Hüthig-Verlag, 1995
Rau, G.: Elektrische Kontakte-Werkstoffe und Technologie. Eigenverlag G. Rau
GmbH & Co., Pforzheim, 1984
Heraeus, W. C.: Werkstoffdaten. Eigenverlag W.C. Heraeus, Hanau, 1978
Linde, J.O.: Elektrische Widerstandseigenschaften der verdünnten Legierungen
des Kupfers, Silbers und Goldes. Lund: Hakan Ohlsson, 1938
Engineers Relay Handbook, RSIA, 2006
Großmann, H. Saeger, K. E.; Vinaricky, E.: Gold and Gold Alloys in Electrical
Engineering. in: Gold, Progress in Chemistry, Biochemistry and Technology. John
Wiley & Sons, Chichester etc, (1999) 199-236
Gehlert, B.: Edelmetall-Legierungen für elektrische Kontakte.
Metall 61 (2007) H. 6, 374-379
Aldinger, F.; Schnabl, R.: Edelmetallarme Kontakte für kleine Ströme.
Metall 37 (1983) 23-29
Bischoff, A.; Aldinger, F.: Einfluss geringer Zusätze auf die mechanischen
Eigenschaften von Au-Ag-Pd-Legierungen. Metall 36 (1982) 752-765
Wise, E.M.: Palladium, Recovery, Properties and Uses. New York, London:
Academic Press 1968
Savitskii, E.M.; Polyakova, V.P.; Tylina, M.A.: Palladium Alloys, Primary Sources.
New York: Publishers 1969
Gehlert, B.: Lebensdaueruntersuchungen von Edelmetall Kontaktwerkstoff-
Kombinationen für Schleifringübertrager. VDE-Fachbericht 61, (2005) 95-100
Holzapfel,C.: Verschweiß und elektrische Eigenschaften von
Schleifringübertragern. VDE-Fachbericht 67 (2011) 111-120
Schnabl, R.; Gehlert, B.: Lebensdauerprüfungen von Edelmetall-
Schleifkontaktwerkstoffen für Gleichstrom Kleinmotoren.
Feinwerktechnik & Messtechnik (1984) 8, 389-393
Kobayashi, T.; Koibuchi, K.; Sawa, K.; Endo, K.; Hagino, H.: A Study of Lifetime
of Au-plated Slip-Ring and AgPd Brush System for Power Supply.
th Proc. 24 Int. Conf. on Electr. Contacts, Saint Malo, France 2008, 537-542
Harmsen, U.; Saeger K.E.: Über das Entfestigungsverhalten von Silber
verschiedener Reinheiten. Metall 28 (1974) 683-686
Behrens, V.; Michal, R.; Minkenberg, J.N.; Saeger, K.E.: Abbrand und
Kontaktwiderstandsverhalten von Kontaktwerkstoffen auf Basis von Silber-
Nickel. e.& i. 107. Jg. (1990), 2, 72-77
Behrens, V.: Silber/Nickel und Silber/Grafit- zwei Spezialisten auf dem Gebiet
der Kontaktwerkstoffe. Metall 61 (2007) H.6, 380-384
Rieder, W.: Silber / Metalloxyd-Werkstoffe für elektrische Kontakte,
VDE - Fachbericht 42 (1991) 65-81
Harmsen,U.: Die innere Oxidation von AgCd-Legierungen unter
Sauerstoffdruck.
Metall 25 (1991), H.2, 133-137
Muravjeva, E.M.; Povoloskaja, M.D.: Verbundwerkstoffe Silber-Zinkoxid und
Silber-Zinnoxid, hergestellt durch Oxidationsglühen.
Elektrotechnika 3 (1965) 37-39
Behrens, V.; Honig Th.; Kraus, A.; Michal, R.; Saeger, K.-E.; Schmidberger, R.;
Staneff, Th.: Eine neue Generation von AgSnO<sub>2</sub> -Kontaktwerkstoffen.
VDE-Fachbericht 44, (1993) 99-114
Braumann, P.; Lang, J.: Kontaktverhalten von Ag-Metalloxiden für den Bereich
hoher Ströme. VDE-Fachbericht 42, (1991) 89-94
Hauner, F.; Jeannot, D.; Mc Neilly, U.; Pinard, J.: Advanced AgSnO Contact 2
th Materials for High Current Contactors. Proc. 20 Int. Conf. on Electr. Contact
Phenom., Stockholm 2000, 193-198
Wintz, J.-L.; Hardy, S.; Bourda, C.: Influence on the Electrical Performances of
Assembly Process, Supports Materials and Production Means for AgSnO<sub>2</sub> .
Proc.24<sub>th</sub> Int. Conf. on Electr. Contacts, Saint Malo, France 2008, 75-81
Behrens, V.; Honig, Th.; Kraus, A.; Michal, R.: Schalteigenschaften von
verschiedenen Silber-Zinnoxidwerkstoffen in Kfz-Relais. VDE-Fachbericht 51
(1997) 51-57
Schöpf, Th.: Silber/Zinnoxid und andere Silber-Metalloxidwerkstoffe in
Netzrelais. VDE-Fachbericht 51 (1997) 41-50
Schöpf, Th.; Behrens, V.; Honig, Th.; Kraus, A.: Development of Silver Zinc
th Oxide for General-Purpose Relays. Proc. 20 Int. Conf. on Electr. Contacts,
Stockholm 2000, 187-192
Braumann, P.; Koffler, A.: Einfluss von Herstellverfahren, Metalloxidgehalt und
Wirkzusätzen auf das Schaltverhalten von Ag/SnO in Relais. 2
VDE-Fachbericht 59, (2003) 133-142
Kempf, B.; Braumann, P.; Böhm, C.; Fischer-Bühner, J.: Silber-Zinnoxid-
Werkstoffe: Herstellverfahren und Eigenschaften. Metall 61(2007) H. 6, 404-408
Lutz, O.; Behrens, V.; Finkbeiner, M.; Honig, T.; Späth, D.: Ag/CdO-Ersatz in
Lichtschaltern. VDE-Fachbericht 61, (2005) 165-173
Lutz, O.; Behrens, V.; Wasserbäch, W.; Franz, S.; Honig, Th.; Späth,
D.; Heinrich, J.: Improved Silver/Tin Oxide Contact Materials for Automotive
th Applications. Proc.24 Int. Conf. on Electr. Contacts, Saint Malo, France 2008,
88-93
Leung, C.; Behrens, V.: A Review of Ag/SnO Contact Materials and Arc Erosion. 2
th Proc.24 Int. Conf. on Electr. Contacts, Saint Malo, France 2008, 82-87
Chen, Z.K.; Witter, G.J.: Comparison in Performance for Silver–Tin–Indium
Oxide Materials Made by Internal Oxidation and Powder Metallurgy.
th Proc. 55 IEEE Holm Conf. on Electrical Contacts, Vancouver, BC, Canada,
(2009) 167 – 176
Roehberg, J.; Honig, Th.; Witulski, N.; Finkbeiner, M.; Behrens, V.: Performance
of Different Silver/Tin Oxide Contact Materials for Applications in Low Voltage
th Circuit Breakers. Proc. 55 IEEE Holm Conf. on Electrical Contacts, Vancouver,
BC, Canada, (2009) 187 – 194
Muetzel, T.; Braumann, P.; Niederreuther, R.: Temperature Rise Behavior of
th Ag/SnO Contact Materials for Contactor Applications. Proc. 55 IEEE Holm 2
Conf. on Electrical Contacts, Vancouver, BC, Canada, (2009) 200 – 205
Lutz, O. et al.: Silber/Zinnoxid – Kontaktwerkstoffe auf Basis der Inneren
Oxidation fuer AC – und DC – Anwendungen.
VDE Fachbericht 65 (2009) 167 – 176
Harmsen, U.; Meyer, C.L.: Mechanische Eigenschaften stranggepresster Silber-
Graphit-Verbundwerkstoffe. Metall 21 (1967), 731-733
Behrens, V.: Mahle, E.; Michal, R.; Saeger, K.E.: An Advanced Silver/Graphite
th Contact Material Based on Graphite Fibre. Proc. 16 Int. Conf. on Electr.
Contacts, Loghborough 1992, 185-189
Schröder, K.-H.; Schulz, E.-D.: Über den Einfluss des Herstellungsverfahrens
th auf das Schaltverhalten von Kontaktwerkstoffen der Energietechnik. Proc. 7 Int.
Conf. on Electr. Contacts, Paris 1974, 38-45
Mützel, T.: Niederreuther, R.: Kontaktwerkstoffe für Hochleistungsanwendungen.
VDE-Bericht 67 (2011) 103-110
Lambert, C.; Cambon, G.: The Influence of Manufacturing Conditions and
Metalurgical Characteristics on the Electrical Behaviour of Silver-Graphite
th Contact Materials. Proc. 9 Int. Conf.on Electr. Contacts,
Chicago 1978, 401-406
Vinaricky, E.: Grundsätzliche Untersuchungen zum Abbrand- und
Schweißverhalten von Ag/C-Kontaktwerkstoffen. VDE-Fachbericht 47 (1995)
159-169
Agte, C.; Vacek, J.: Wolfram und Molybdän. Berlin: Akademie-Verlag 1959
Keil, A.; Meyer, C.-L.: Der Einfluß des Faserverlaufes auf die elektrische
Verschleißfestigkeit von Wolfram-Kontakten. ETZ 72, (1951) 343-346
Slade, P. G.: Electric Contacts for Power Interruption. A Review. Proc. 19 Int.
Conf. on Electric Contact Phenom. Nuremberg (Germany) 1998, 239-245
Slade, P. G.: Variations in Contact Resistance Resulting from Oxide Formation
and Decomposition in AgW and Ag-WC-C Contacts Passing Steady Currents
for Long Time Periods. IEEE Trans. Components, Hybrids and Manuf. Technol.
CHMT-9,1 (1986) 3-16
Slade, P. G.: Effect of the Electric Arc and the Ambient Air on the Contact
Resistance of Silver, Tungsten and Silver-Tungsten Contacts.
J.Appl.Phys. 47, 8 (1976) 3438-3443
Lindmayer, M.; Roth, M.: Contact Resistance and Arc-Erosion of W-Ag and
WC-Ag. IEEE Trans components, Hybrids and Manuf. Technol.
CHMT-2, 1 (1979) 70-75
Leung, C.-H.; Kim, H.J.: A Comparison of Ag/W, Ag/WC and Ag/Mo Electrical
Contacts. IEEE Trans. Components, Hybrids, Manuf. Technol.,
Vol. CHMT-7, 1 (1984) 69-75
Allen, S.E.; Streicher, E.: The Effect of Microstructure on the Electrical
th Performance of Ag-WC-C Contact Materials. Proc. 44 IEEE Holm Conf. on Electr.
Contacts, Arlington, VA, USA (1998), 276-285
Haufe, W.; Reichel, W.; Schreiner H.: Abbrand verschiedener W/Cu-Sinter-
Tränkwerkstoffe an Luft bei hohen Strömen. Z. Metallkd. 63 (1972) 651-654
Althaus, B.; Vinaricky, E.: Das Abbrandverhalten verschieden hergestellter
Wolfram-Kupfer-Verbundwerkstoffe im Hochstromlichtbogen.
Metall 22 (1968) 697-701
Gessinger, G.H.; Melton, K.N.: Burn-off Behaviour of WCu Contact Materials in an
Electric Arc. Powder Metall. Int. 9 (1977) 67-72
Magnusson, M.: Abbrandverhalten und Rißbildung bei WCu-Tränkwerkstoffen
unterschiedlicher Wolframteilchengröße. ETZ-A 98 (1977) 681-683
Heitzinger, F.; Kippenberg, H.; Saeger, K.E.; Schröder, K.H.: Contact Materials for
Vacuum Switching Devices. Proc. XVth ISDEIV, Darmstadt 1992, 273-278
Grill, R.; Müller, F.: Verbundwerkstoffe auf Wolframbasis für
Hochspannungsschaltgeräte. Metall 61 (2007) H. 6, 390-393
Slade, P.: G.: The Vacuum Interrupter- Theory; Design; and Application. CRC
Press, Boca Raton, FL (USA), 2008
Frey, P.; Klink, N.; Saeger, K.E.: Untersuchungen zum Abreißstromverhalten von
Kontaktwerkstoffen für Vakuumschütze. Metall 38 (1984) 647-651
Frey, P.; Klink, N.; Michal, R.; Saeger, K.E.: Metallurgical Aspects of Contact
Materials for Vacuum Switching Devices. IEEE Trans. Plasma Sc. 17, (1989) 743-
740
Slade, P.: Advances in Material Development for High Power Vacuum Interrupter
th Contacts. Proc.16 Int. Conf. on Electr. Contact Phenom.,
Loughborough 1992,1-10
Behrens, V.; Honig, Th.; Kraus, A.; Allen, S.: Comparison of Different Contact
th Materials for Low Voltage Vacuum Applications. Proc.19 Int. Conf. on Electr.
Contact Phenom., Nuremberg 1998, 247-251
Rolle, S.; Lietz, A.; Amft, D.; Hauner, F.: CuCr Contact Material for Low Voltage
th Vacuum Contactors. Proc. 20 int. Conf. on Electr. Contact. Phenom. Stockholm
2000, 179-186
Kippenberg, H.: CrCu as a Contact Material for Vacuum Interrupters.
th Proc.13 Int. Conf. on Electr. Contact Phenom. Lausanne 1986, 140-144
Hauner, F.; Müller, R.; Tiefel, R.: CuCr für Vakuumschaltgeräte-
Herstellungsverfahren, Eigenschaften und Anwendung.
Metall 61 (2007) H. 6, 385-389
Manufacturing Equipment for Semi-Finished Materials
(Bild)
[[en:Contact_Materials_for_Electrical_Engineering]]
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.
The properties of composite materials are determined mainly independent from each other by the properties of their individual components. Therefore it is for example possible to combine the high melting point and arc erosion resistance of tungsten with the low melting and good electrical conductivity of copper, or the high conductivity of silver with the weld resistant metalloid graphite. <xr id="fig:Powder metallurgical manufacturing of composite materials (schematic)"/> shows the schematic manufacturing processes from powder blending to contact material. Three basic process variations are typically
applied:
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 <xr id="fig:Powder metallurgical manufacturing of composite materials (schematic)"/> 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 id="fig:Powder metallurgical manufacturing of composite materials (schematic)">
[[File:Powder metallurgical manufacturing of composite materials (schematic).jpg|thumb|<caption>Pulvermetallurgische Herstellung von Verbundwerkstoffen (schematisch) T<sub>s</sub> = Schmelztemperatur der niedrigschmelzenden Komponente</caption>]]
</figure>
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.
Main Article: [[Gold Based Materials| Gold Based Materials]]
==Platinum Metal Based Materials==
The platinum group metals include the elements Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, and Os [[Platinum_Metal_Based_Materials|Table 1]]<!--(Table 2.6)-->. For electrical contacts platinum and palladium have practical significance as base alloy materials and ruthenium and iridium are used as alloying components. Pt and Pd have similar corrosion resistance as gold but because of their catalytical properties they tend to polymerize adsorbed organic vapors on contact surfaces. During frictional movement between contact surfaces the polymerized compounds known as “brown powder” are formed which can lead to significantly increase in contact resistance. Therefore Pt and Pd are typically used as alloys and not in their pure form for electrical contact applications.
Main Article: [[Platinum Metal Based Materials| Platinum Metal Based Materials]]
==Silver Based Materials==
Main Article: [[Silver Based Materials| Silver Based Materials]]
==Tungsten and Molybdenum Based Materials==
Main Article: [[Tungsten and Molybdenum Based Materials| Tungsten and Molybdenum Based Materials]]
==Special Contact Materials (VAKURIT) for Vacuum Switches==
The trade name VAKURIT is assigned to a family of low gas content contact materials developed for the use in vacuum switching devices [[Special_Contact_Materials_(VAKURIT)_for_Vacuum_Switches|Table 1]]
Main Article: [[Special Contact Materials (VAKURIT) for Vacuum Switches| Special Contact Materials (VAKURIT) for Vacuum Switches]]
==Referenzen==
Vinaricky, E.(Hrsg.): Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen.
Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg etc. 2002
Lindmayer, M.: Schaltgeräte-Grundlagen, Aufbau, Wirkungsweise.
Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokio, 1987
Rau, G.: Metallische Verbundwerkstoffe. Werkstofftechnische
Verlagsgesellschaft, Karlsruhe 1977
Schreiner, H.: Pulvermetallurgie elektrischer Kontakte. Springer-Verlag
Berlin, Göttingen, Heidelberg, 1964
Hansen. M.; Anderko, K.: Constitution of Binary Alloys. New York:
Mc Graw-Hill, 1958
Shunk, F.A.: Constitution of Binary Alloy. 2 Suppl. New York; Mc Graw-Hill, 1969
Edelmetall-Taschenbuch. ( Herausgeber Degussa AG, Frankfurt a. M.),
Heidelberg, Hüthig-Verlag, 1995
Rau, G.: Elektrische Kontakte-Werkstoffe und Technologie. Eigenverlag G. Rau
GmbH & Co., Pforzheim, 1984
Heraeus, W. C.: Werkstoffdaten. Eigenverlag W.C. Heraeus, Hanau, 1978
Linde, J.O.: Elektrische Widerstandseigenschaften der verdünnten Legierungen
des Kupfers, Silbers und Goldes. Lund: Hakan Ohlsson, 1938
Engineers Relay Handbook, RSIA, 2006
Großmann, H. Saeger, K. E.; Vinaricky, E.: Gold and Gold Alloys in Electrical
Engineering. in: Gold, Progress in Chemistry, Biochemistry and Technology. John
Wiley & Sons, Chichester etc, (1999) 199-236
Gehlert, B.: Edelmetall-Legierungen für elektrische Kontakte.
Metall 61 (2007) H. 6, 374-379
Aldinger, F.; Schnabl, R.: Edelmetallarme Kontakte für kleine Ströme.
Metall 37 (1983) 23-29
Bischoff, A.; Aldinger, F.: Einfluss geringer Zusätze auf die mechanischen
Eigenschaften von Au-Ag-Pd-Legierungen. Metall 36 (1982) 752-765
Wise, E.M.: Palladium, Recovery, Properties and Uses. New York, London:
Academic Press 1968
Savitskii, E.M.; Polyakova, V.P.; Tylina, M.A.: Palladium Alloys, Primary Sources.
New York: Publishers 1969
Gehlert, B.: Lebensdaueruntersuchungen von Edelmetall Kontaktwerkstoff-
Kombinationen für Schleifringübertrager. VDE-Fachbericht 61, (2005) 95-100
Holzapfel,C.: Verschweiß und elektrische Eigenschaften von
Schleifringübertragern. VDE-Fachbericht 67 (2011) 111-120
Schnabl, R.; Gehlert, B.: Lebensdauerprüfungen von Edelmetall-
Schleifkontaktwerkstoffen für Gleichstrom Kleinmotoren.
Feinwerktechnik & Messtechnik (1984) 8, 389-393
Kobayashi, T.; Koibuchi, K.; Sawa, K.; Endo, K.; Hagino, H.: A Study of Lifetime
of Au-plated Slip-Ring and AgPd Brush System for Power Supply.
th Proc. 24 Int. Conf. on Electr. Contacts, Saint Malo, France 2008, 537-542
Harmsen, U.; Saeger K.E.: Über das Entfestigungsverhalten von Silber
verschiedener Reinheiten. Metall 28 (1974) 683-686
Behrens, V.; Michal, R.; Minkenberg, J.N.; Saeger, K.E.: Abbrand und
Kontaktwiderstandsverhalten von Kontaktwerkstoffen auf Basis von Silber-
Nickel. e.& i. 107. Jg. (1990), 2, 72-77
Behrens, V.: Silber/Nickel und Silber/Grafit- zwei Spezialisten auf dem Gebiet
der Kontaktwerkstoffe. Metall 61 (2007) H.6, 380-384
Rieder, W.: Silber / Metalloxyd-Werkstoffe für elektrische Kontakte,
VDE - Fachbericht 42 (1991) 65-81
Harmsen,U.: Die innere Oxidation von AgCd-Legierungen unter
Sauerstoffdruck.
Metall 25 (1991), H.2, 133-137
Muravjeva, E.M.; Povoloskaja, M.D.: Verbundwerkstoffe Silber-Zinkoxid und
Silber-Zinnoxid, hergestellt durch Oxidationsglühen.
Elektrotechnika 3 (1965) 37-39
Behrens, V.; Honig Th.; Kraus, A.; Michal, R.; Saeger, K.-E.; Schmidberger, R.;
Staneff, Th.: Eine neue Generation von AgSnO<sub>2</sub> -Kontaktwerkstoffen.
VDE-Fachbericht 44, (1993) 99-114
Braumann, P.; Lang, J.: Kontaktverhalten von Ag-Metalloxiden für den Bereich
hoher Ströme. VDE-Fachbericht 42, (1991) 89-94
Hauner, F.; Jeannot, D.; Mc Neilly, U.; Pinard, J.: Advanced AgSnO Contact 2
th Materials for High Current Contactors. Proc. 20 Int. Conf. on Electr. Contact
Phenom., Stockholm 2000, 193-198
Wintz, J.-L.; Hardy, S.; Bourda, C.: Influence on the Electrical Performances of
Assembly Process, Supports Materials and Production Means for AgSnO<sub>2</sub> .
Proc.24<sub>th</sub> Int. Conf. on Electr. Contacts, Saint Malo, France 2008, 75-81
Behrens, V.; Honig, Th.; Kraus, A.; Michal, R.: Schalteigenschaften von
verschiedenen Silber-Zinnoxidwerkstoffen in Kfz-Relais. VDE-Fachbericht 51
(1997) 51-57
Schöpf, Th.: Silber/Zinnoxid und andere Silber-Metalloxidwerkstoffe in
Netzrelais. VDE-Fachbericht 51 (1997) 41-50
Schöpf, Th.; Behrens, V.; Honig, Th.; Kraus, A.: Development of Silver Zinc
th Oxide for General-Purpose Relays. Proc. 20 Int. Conf. on Electr. Contacts,
Stockholm 2000, 187-192
Braumann, P.; Koffler, A.: Einfluss von Herstellverfahren, Metalloxidgehalt und
Wirkzusätzen auf das Schaltverhalten von Ag/SnO in Relais. 2
VDE-Fachbericht 59, (2003) 133-142
Kempf, B.; Braumann, P.; Böhm, C.; Fischer-Bühner, J.: Silber-Zinnoxid-
Werkstoffe: Herstellverfahren und Eigenschaften. Metall 61(2007) H. 6, 404-408
Lutz, O.; Behrens, V.; Finkbeiner, M.; Honig, T.; Späth, D.: Ag/CdO-Ersatz in
Lichtschaltern. VDE-Fachbericht 61, (2005) 165-173
Lutz, O.; Behrens, V.; Wasserbäch, W.; Franz, S.; Honig, Th.; Späth,
D.; Heinrich, J.: Improved Silver/Tin Oxide Contact Materials for Automotive
th Applications. Proc.24 Int. Conf. on Electr. Contacts, Saint Malo, France 2008,
88-93
Leung, C.; Behrens, V.: A Review of Ag/SnO Contact Materials and Arc Erosion. 2
th Proc.24 Int. Conf. on Electr. Contacts, Saint Malo, France 2008, 82-87
Chen, Z.K.; Witter, G.J.: Comparison in Performance for Silver–Tin–Indium
Oxide Materials Made by Internal Oxidation and Powder Metallurgy.
th Proc. 55 IEEE Holm Conf. on Electrical Contacts, Vancouver, BC, Canada,
(2009) 167 – 176
Roehberg, J.; Honig, Th.; Witulski, N.; Finkbeiner, M.; Behrens, V.: Performance
of Different Silver/Tin Oxide Contact Materials for Applications in Low Voltage
th Circuit Breakers. Proc. 55 IEEE Holm Conf. on Electrical Contacts, Vancouver,
BC, Canada, (2009) 187 – 194
Muetzel, T.; Braumann, P.; Niederreuther, R.: Temperature Rise Behavior of
th Ag/SnO Contact Materials for Contactor Applications. Proc. 55 IEEE Holm 2
Conf. on Electrical Contacts, Vancouver, BC, Canada, (2009) 200 – 205
Lutz, O. et al.: Silber/Zinnoxid – Kontaktwerkstoffe auf Basis der Inneren
Oxidation fuer AC – und DC – Anwendungen.
VDE Fachbericht 65 (2009) 167 – 176
Harmsen, U.; Meyer, C.L.: Mechanische Eigenschaften stranggepresster Silber-
Graphit-Verbundwerkstoffe. Metall 21 (1967), 731-733
Behrens, V.: Mahle, E.; Michal, R.; Saeger, K.E.: An Advanced Silver/Graphite
th Contact Material Based on Graphite Fibre. Proc. 16 Int. Conf. on Electr.
Contacts, Loghborough 1992, 185-189
Schröder, K.-H.; Schulz, E.-D.: Über den Einfluss des Herstellungsverfahrens
th auf das Schaltverhalten von Kontaktwerkstoffen der Energietechnik. Proc. 7 Int.
Conf. on Electr. Contacts, Paris 1974, 38-45
Mützel, T.: Niederreuther, R.: Kontaktwerkstoffe für Hochleistungsanwendungen.
VDE-Bericht 67 (2011) 103-110
Lambert, C.; Cambon, G.: The Influence of Manufacturing Conditions and
Metalurgical Characteristics on the Electrical Behaviour of Silver-Graphite
th Contact Materials. Proc. 9 Int. Conf.on Electr. Contacts,
Chicago 1978, 401-406
Vinaricky, E.: Grundsätzliche Untersuchungen zum Abbrand- und
Schweißverhalten von Ag/C-Kontaktwerkstoffen. VDE-Fachbericht 47 (1995)
159-169
Agte, C.; Vacek, J.: Wolfram und Molybdän. Berlin: Akademie-Verlag 1959
Keil, A.; Meyer, C.-L.: Der Einfluß des Faserverlaufes auf die elektrische
Verschleißfestigkeit von Wolfram-Kontakten. ETZ 72, (1951) 343-346
Slade, P. G.: Electric Contacts for Power Interruption. A Review. Proc. 19 Int.
Conf. on Electric Contact Phenom. Nuremberg (Germany) 1998, 239-245
Slade, P. G.: Variations in Contact Resistance Resulting from Oxide Formation
and Decomposition in AgW and Ag-WC-C Contacts Passing Steady Currents
for Long Time Periods. IEEE Trans. Components, Hybrids and Manuf. Technol.
CHMT-9,1 (1986) 3-16
Slade, P. G.: Effect of the Electric Arc and the Ambient Air on the Contact
Resistance of Silver, Tungsten and Silver-Tungsten Contacts.
J.Appl.Phys. 47, 8 (1976) 3438-3443
Lindmayer, M.; Roth, M.: Contact Resistance and Arc-Erosion of W-Ag and
WC-Ag. IEEE Trans components, Hybrids and Manuf. Technol.
CHMT-2, 1 (1979) 70-75
Leung, C.-H.; Kim, H.J.: A Comparison of Ag/W, Ag/WC and Ag/Mo Electrical
Contacts. IEEE Trans. Components, Hybrids, Manuf. Technol.,
Vol. CHMT-7, 1 (1984) 69-75
Allen, S.E.; Streicher, E.: The Effect of Microstructure on the Electrical
th Performance of Ag-WC-C Contact Materials. Proc. 44 IEEE Holm Conf. on Electr.
Contacts, Arlington, VA, USA (1998), 276-285
Haufe, W.; Reichel, W.; Schreiner H.: Abbrand verschiedener W/Cu-Sinter-
Tränkwerkstoffe an Luft bei hohen Strömen. Z. Metallkd. 63 (1972) 651-654
Althaus, B.; Vinaricky, E.: Das Abbrandverhalten verschieden hergestellter
Wolfram-Kupfer-Verbundwerkstoffe im Hochstromlichtbogen.
Metall 22 (1968) 697-701
Gessinger, G.H.; Melton, K.N.: Burn-off Behaviour of WCu Contact Materials in an
Electric Arc. Powder Metall. Int. 9 (1977) 67-72
Magnusson, M.: Abbrandverhalten und Rißbildung bei WCu-Tränkwerkstoffen
unterschiedlicher Wolframteilchengröße. ETZ-A 98 (1977) 681-683
Heitzinger, F.; Kippenberg, H.; Saeger, K.E.; Schröder, K.H.: Contact Materials for
Vacuum Switching Devices. Proc. XVth ISDEIV, Darmstadt 1992, 273-278
Grill, R.; Müller, F.: Verbundwerkstoffe auf Wolframbasis für
Hochspannungsschaltgeräte. Metall 61 (2007) H. 6, 390-393
Slade, P.: G.: The Vacuum Interrupter- Theory; Design; and Application. CRC
Press, Boca Raton, FL (USA), 2008
Frey, P.; Klink, N.; Saeger, K.E.: Untersuchungen zum Abreißstromverhalten von
Kontaktwerkstoffen für Vakuumschütze. Metall 38 (1984) 647-651
Frey, P.; Klink, N.; Michal, R.; Saeger, K.E.: Metallurgical Aspects of Contact
Materials for Vacuum Switching Devices. IEEE Trans. Plasma Sc. 17, (1989) 743-
740
Slade, P.: Advances in Material Development for High Power Vacuum Interrupter
th Contacts. Proc.16 Int. Conf. on Electr. Contact Phenom.,
Loughborough 1992,1-10
Behrens, V.; Honig, Th.; Kraus, A.; Allen, S.: Comparison of Different Contact
th Materials for Low Voltage Vacuum Applications. Proc.19 Int. Conf. on Electr.
Contact Phenom., Nuremberg 1998, 247-251
Rolle, S.; Lietz, A.; Amft, D.; Hauner, F.: CuCr Contact Material for Low Voltage
th Vacuum Contactors. Proc. 20 int. Conf. on Electr. Contact. Phenom. Stockholm
2000, 179-186
Kippenberg, H.: CrCu as a Contact Material for Vacuum Interrupters.
th Proc.13 Int. Conf. on Electr. Contact Phenom. Lausanne 1986, 140-144
Hauner, F.; Müller, R.; Tiefel, R.: CuCr für Vakuumschaltgeräte-
Herstellungsverfahren, Eigenschaften und Anwendung.
Metall 61 (2007) H. 6, 385-389
Manufacturing Equipment for Semi-Finished Materials
(Bild)
[[en:Contact_Materials_for_Electrical_Engineering]]
