Wie sich die Wahl des Metalls auf die Eigenschaften der Anwendung auswirkt

Kontaktwerkstoffe entscheiden über die Zuverlässigkeit von Schaltern

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Über die Zuverlässigkeit elektrischer Verbindungen entscheidet ganz maßgeblich die Wahl der geeigneten Kontaktwerkstoffe. Denn Lichtschalter im Büro oder in der Wohnung, der Power-on-Schalter des PCs am Arbeitsplatz aber auch die Motorstarter an den Maschinen und Anlagen in der Fabrik benötigen einen Schalter, der die gewünschte Funktion auslöst. Laut Definition dient ein Kontakt in der Elektrotechnik dazu, Stromkreise zu schließen bzw. innerhalb von elektrischen und elektronischen Komponenten wie Relais oder Schütze die elektrische Verbindung herzustellen.

Andreas Gees, stv. Cheredakteur elektro AUTOMATION

Kontakte kommen in einer Vielzahl von Geräten wie Relais, Taster, Schalter aber auch in Steckdosen und Steckverbindern zum Einsatz. An die Steck- und Schaltkontakte werden hohe Anforderungen gestellt, sie müssen sowohl die mechanischen als auch die elektrischen Eigenschaften meist über eine hohe Zahl von Schalt- bzw. Kontaktspielen sicherstellen. Zum Einsatz kommen dabei Metalle, die, um die Oxidation der Kontakte zu vermeiden, meist aus korrosionsfesten Edelmetallen und Legierungen bestehen und im Bereich höherer Spannungen auch unter Vakuum, Schutzgas oder Öl arbeiten. Um den Abbrand der Kontakte durch Funkenbildung zu reduzieren, werden gerade bei hohen Schaltleistungen Metalle bevorzugt, die sich durch einen hohen Schmelzpunkt auszeichnen, wie etwa Wolfram.

Zum Erreichen eines möglichst geringen Übergangswiderstandes müssen sie außerdem auch leitfähig sein, wie es beispielsweise bei Kupfer oder Silber der Fall ist. Damit Kontakte nicht verschweißen, eignen sich Metalle wie Cadmium. Um aber die optimalen Eigenschaften zu erzielen, kommen nicht reine Metalle sondern Legierungen oder galvanisch beschichtete Kontaktwerkstoffe zum Einsatz. Für Kontakte gilt außerdem die Forderung, dass sie ihre Funktion vom Neuzustand bis zum Ende der Gerätelebensdauer gleichermaßen erfüllen. Neben den typischen Kontakteigenschaften sind außerdem gute Lichtbogenlauf-Eigenschaften sowie ein gutes Lichtbogenlöschverhalten gefordert. Darüber hinaus werden eine hohe thermische Leitfähigkeit sowie eine chemische Resistenz und Korrosionsbeständigkeit gewünscht. Hinzu kommt, dass die Kontakte einfach verarbeitet bzw. gelötet oder gecrimpt werden müssen.

Legierungen statt reiner Metalle

Da diese Anforderungen insbesondere reine und edle Metalle erfüllen, die teuer sind, eignet sich eine Reihe von Legierungen. Diese Legierungen zeichnen sich dadurch aus, dass zwischen den einzelnen Metallen eine gewisse gegenseitige Löslichkeit besteht. Durch die Bildung von Legierungen ist es möglich, bestimmte Eigenschaft eines Werkstoffes auf Kosten eines anderen zu optimieren. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise die Festigkeit eines Metalls steigern, wobei die elektrische Leitfähigkeit nur geringfügig abnimmt. Mit Hilfe solcher Kontaktwerkstoffe ist es möglich, Kompromisse zu finden, die alle bzw. mehrere Anforderungen annähernd optimal erfüllen.

Alle gewünschten Eigenschaften lassen sich deshalb nicht immer in einem Kontakt optimieren, sodass die heute zum Einsatz kommenden Werkstoffe auf den Anwendungsfall hin optimiert werden müssen. Hohe Schaltleistungen erfordern beispielsweise andere Materialien als Signale im mV-Bereich oder schwache Ströme. Moderne Schaltkontakte bestehen oft auch aus Materialkombinationen, zum Beispiel edelmetallbeschichtete Kupfer- oder Bronze-Kontakten für kleine Leistungen oder mit Silber gefüllte poröse Wolframkontakte für hohe Schaltleistungen.

Gebräuchlich sind beispielsweise vergoldete Silber-Kontakte, die sich durch einen geringen Übergangswiderstand auszeichnen, jedoch nur für geringe Schaltleistungen geeignet sind, bei hohen Schaltleistungen verlieren sie ihre Eigenschaften, da hohe Ströme den Silberkontakt freilegen. Silber ist trotz der guten Leitfähigkeit kaum für das Schalten schwacher Ströme geeignet. Die sich mit der Zeit bildenden Silbersulfid-Schichten beeinflussen den Übergangswiderstand. Oft sind die Kontaktwerkstoffe in Relais so ausgelegt, dass sie sowohl für Signalzwecke als auch für hohe Leistungen geeignet sind.

Die Wahl geeigneter Kontaktwerkstoffe

Um dem Anwender die Auswahl zu erleichtern, spezifizieren die Hersteller die wesentlichen Merkmale eines Schaltkontaktes, wie die Schaltleistung, die maximale Schaltspannung sowie den thermisch zulässigen Dauerstrom und den maximalen Einschalt- bzw. Ausschaltstrom an einer bestimmten Last.

Verbundwerkstoffe eignen sich besonders für Anwendungen, in denen hohe Ströme sicher geschaltet werden müssen. Die dafür eingesetzten metallischen Werkstoffe sind meist heterogen und bestehen aus zwei oder mehreren miteinander verbundenen Komponenten, deren Hauptbestandteil ein Metall ist. Dabei können die Eigenschaften dieser Verbundwerkstoffe durch die Eigenschaften ihrer einzelnen Komponenten unabhängig voneinander bestimmt werden. Auf diese Weise ist es möglich, das besonders abbrandfeste Wolfram mit dem niedrigschmelzenden und gut leitenden Kupfer zu kombinieren. Das besonders leitfähige Silber kann mit dem gegenüber dem Verschweißen resistenten Grafit kombiniert werden.

Auch das Sintern der Kontaktwerkstoffe ist eine gebräuchliche Methode, wobei zwei Verfahren bekannt sind. Beim sogenannten Sintern ohne flüssige Phase wird eine vorbereitete Pulvermischung zuerst gepresst, dann im eigentlichen Sintervorgang wärmebehandelt und oft durch einen zusätzlichen Nachpress-Vorgang weiter verdichtet. Werden Werkstoffe mit einem hohen Silberanteil verarbeitet, entstehen zuerst Rohlinge in Form von Blöcken. Diese Blöcke werden dann zu Bändern verarbeitet, aus denen Kontakte gestanzt werden können. Auf diese Weise werden beispielsweise Kontakte aus den Werkstoffen Silber-Nickel, Silber-Metalloxid und Silber-Grafit hergestellt.

Beim so genannten Sintern mit flüssiger Phase läuft der eigentliche Sintervorgang aufgrund der Diffusion schneller ab, sodass die theoretische Dichte des Metalls erreicht werden kann. Um die Formbeständigkeit im Laufe des Sintervorganges zu gewährleisten, darf der Volumenanteil der flüssigen Phase nicht zu groß sein. Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen wird das Pulvermaterial der hochschmelzenden Komponente oft mit einer geringen Menge der Zweitkomponente vermischt und danach in einem schmelzflüssigen Anteil der zweiten Komponente getränkt. An dieses Verfahren schließt sich die mechanische Bearbeitung an. So werden beispielsweise Wolfram-Kupfer-Kontakte gefertigt.

Gold zur Beschichtung für das Schalten schwacher Ströme

Gold ist nicht nur als Schmuck begehrt, es eignet sich auch ideal für die Herstellung von Kontakten. Neben Platin ist es das beständigste aller Edelmetalle. Reines Gold ist jedoch als Kontaktwerkstoff für die Elektrotechnik ungeeignet. Es neigt zum Kleben und Kaltschweißen gerade bei geringen Kontaktkräften. Gold ist außerdem nicht ausreichend mechanisch verschleißfest und widerstandsfähig bei elektrischer Belastung. Feingold wird deshalb meist galvanisch als dünne Beschichtung auf andere Kontaktwerkstoffe aufgebracht.

Relevant für den Einsatz in der Praxis sind deshalb Gold-Legierungen. Deren Herstellung erfolgt je nach verwendeter Legierungskomponente unter einer Schutzgasatmosphäre oder unter Vakuum. Die Auswahl der Legierungsmetalle hängt von der konkreten Anwendung ab. Aus dem breiten verfügbaren Angebot von Gold-Legierungen sind die Legierungen mit geringen Anteilen weiterer Edelmetalle wie Platin, Palladium oder Silber bzw. Metalle wie Nickel, Kobald oder Kupfer zu nennen. Diese Metalle sorgen für eine höhere mechanische Festigkeit und bewirken andererseits ein besseres Schaltverhalten. Das ausgewählte Legierungsmetall reduziert dabei jedoch die elektrische Leitfähigkeit sowie die Beständigkeit gegenüber einer korrosiven Umgebung.

Legierungen, die auf etwa 70 % Goldanteil basieren und Zusätze von Kupfer, Silber oder Nickel und Kombinationen daraus enthalten, sparen Kosten ein. Diese Legierungen erfüllen die mechanischen Anforderungen der meisten Anwendungen und sind außerdem resistent gegen die Bildung von Oxidschichten. Legierungen bestehend aus Gold/Silber mit 3 % Nickel oder 6 % Platin verhalten sich ähnlich wie die Kupferlegierungen, sind jedoch bei höherer Temperatur beständiger gegenüber Oxidbildung.

Da der Preis für Gold an den Rohstoffbörsen nicht konstant ist und über die Jahre eher steigt, besteht die Tendenz, die Goldanteile in den Legierungen weiter zu senken. Bei Gold-Palladium-Legierungen steht die absolute Mischbarkeit der Komponenten im Vordergrund. Neben den Legierungen aus Gold und 40 % Palladium kommen zunehmend auch Legierungen aus Gold mit 35 % Palladium und 9 % Silber zum Einsatz. Diese Werkstoffe eignen sich beispielsweise für Schleifkontakte bzw. Schleifringe. Die Legierungen auf Goldbasis werden für plattierte Stanzteile eingesetzt. Gold-Legierungen werden sowohl als schaltende Kontakte in Relais und Tasten als auch in Steckverbindern und in Gleitkontaktsystemen, in Sensoren und in Schleifringen genutzt.

Werkstoffe aus Platin-Legierungen für Schleifringanwendungen

Zur Gruppe der Platinmetalle zählen die Elemente Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium sowie Iridium und Osmium. Für die Anwendung in der Kontakttechnik haben besonders Platin und Palladium als Basismetalle sowie Ruthenium und Iridium als Legierungsbestandteile eine Bedeutung. Platin und Palladium sind zwar ähnlich korrosionsbeständig wie Gold, neigen aufgrund ihrer katalytischen Eigenschaften jedoch dazu, an den Oberflächen der Kontakte organische Dämpfe zu absorbieren und zu polymerisieren. Die auf diese Weise entstehenden Schichten erhöhen den Übergangswiderstand der Kontakte, sodass Platin und Palladium prinzipiell nur als Legierungen für den Aufbau von Kontakten genutzt werden können. Auch Rhodium ist als reiner Kontaktwerkstoff nicht geeignet, wird jedoch als galvanisch aufgebrachte Schicht in Schleifringen verwendet. Ruthenium wiederum dient als Legierungskomponente in Palladium. Osmium und Iridium finden keine Anwendung.

Legierungen aus Platin mit Ruthenium sowie Iridium, Nickel und Wolfram wurden vor allem in der Fernmeldetechnik und in Unterbrecherkontakten für Motoren eingesetzt. Palladiumlegierungen wie Palladium/Kupfer kommen noch immer in Blickrelais der Automobilindustrie zum Einsatz. Sie zeichnen sich durch eine hohe Resistenz gegenüber Sulfidbildung aus, sodass sie als häufiges Material in der Relaistechnik eingesetzt werden.

Sind besonders hohe mechanische Eigenschaften beispielsweise bei Schleifringen zu erfüllen, eignen sich Kontaktwerkstoffe Palladium, Gold und Kupfer oder Platin, Gold und Zinn. Diese Werkstoffkombinationen erlauben eine thermische Nachbehandlung, sodass die mechanische Festigkeit weiter gesteigert werden kann. Gold/Zinn gilt dabei als Standardlegierung dieser Werkstoffgruppe. Platin- und Palladium-Legierungen kommen ähnlich wie Gold-Legierungen üblicherweise als geschweißte Draht- und Profilabschnitte zum Einsatz. Platin- und Palladium-Werkstoffe werden wegen ihrer Beständigkeit gegenüber Materialwanderung in Gleichstromkreisen und ihrer im Vergleich zu Gold-Legierungen höheren Abbrandfestigkeit in Relais und Schaltern bei mittlerer elektrischer Belastung (bis etwa 30 W) eingesetzt. Mehrkomponenten-Kontaktwerkstoffe auf Palladium-Basis kommen aufgrund ihrer mechanischen Verschleißfestigkeit vor allem in Schleifringen zum Einsatz.

Wolfram, Molybdän und ihre Legierungen

Wolfram zeichnet sich durch eine Reihe physikalischer Eigenschaften aus wie hoher Schmelzpunkt, hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie hohe Härte und Dichte. Es eignet sich beispielsweise für höhere Schalthäufigkeiten. Molybdän hat dagegen als Kontaktwerkstoff eine geringere Bedeutung, da es weniger beständig gegen Oxidation ist. Beide Elemente werden in großem Maße als hochschmelzende Komponenten für Legierungen mit Silber oder Kupfer eingesetzt.

Silber-Wolfram-Kontaktwerkstoffe vereinigen in sich die hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit des Silbers mit der hohen Abbrandfestigkeit des Wolframs. Die Herstellung der Werkstoffe mit üblicherweise 50 bis 80 % Wolfram erfolgt auf pulvermetallurgischem Wege entweder durch Sintern mit flüssiger Phase oder über das Tränkverfahren. Bei höherer Schalthäufigkeit und unter Lichtbogenbelastung bilden sich auf den Silber-Wolfram-Kontaktoberflächen Oxide und Mischoxide als schlecht leitende Oberflächenschichten. Der höhere Kontaktwiderstand führt zu einer oft unzulässigen Erwärmung. Aus diesem Grunde wird Silber-Wolfram oft gepaart mit Gold-Kohlenstoff-Kontakten eingesetzt.

Silber-Wolframkarbid-Kontaktwerkstoffe

Diese Gruppe von Kontaktwerkstoffen mit üblicherweise 40 bis 65 % Wolframkarbid besteht aus dem besonders harten und verschleißfesten Wolframkarbid und Silber. Der Anstieg des Kontaktwiderstandes beim betriebsmäßigen Schalten ist bei Silber/Wolfram/Kohlenstoff-Werkstoffen weniger ausgeprägt als bei Gold/Wolfram, da das bei Lichtbogeneinwirkung entstehende Kohlenmonoxid eine Gashülle bildet, die den Zutritt von Sauerstoff und damit die Oxidbildung verhindert. Hohe Ansprüche an das Erwärmungsverhalten können durch Zusatz eines geringen Grafit-Anteils erfüllt werden, wodurch allerdings das Abbrandverhalten verschlechtert wird. Die Silber-Wolframkarbid-Grafit-Werkstoffe werden z.B. mit 27 % Wolfram/Kohlenstoff und 3 % Grafit bzw. 16 % Wolfram/Kohlenstoff und 2 % Grafit im Sinter-Press- und Nachpress-Verfahren hergestellt. Die Einsatzgebiete von Silber-Wolframkarbid-Werkstoffen sind ähnlich denen von Silber-Wolfram.

Silber-Molybdän-Kontaktwerkstoffe für Geräteschutzschalter

Silber-Kontaktwerkstoffe mit etwa 50 bis 70 % Molybdän werden üblicherweise auf pulvermetallurgischem Wege hergestellt. Sie ähneln in ihren Kontakteigenschaften den Silber-Wolfram-Werkstoffen. Da Molybdänoxid im Vergleich zu Wolframoxid thermisch weniger stabil ist, erfolgt eine Selbstreinigung der Kontaktoberflächen im Lichtbogen, sodass ein geringer Kontaktwiderstand sichergestellt ist. Diese Kontakte sind jedoch weniger abbrandfest als Silber-Wolfram-Kontakte. Haupteinsatzgebiete sind Geräteschutzschalter.

Kupfer-Wolfram-Kontaktwerkstoffe für hohe Kurzschlussströme

Auch Kupfer lässt sich ideal mit Wolfram legieren. Die Kontaktwerkstoffe sind jedoch im Gegensatz zu den Silber-Wolfram-Werkstoffen zur Führung von Dauerströmen weniger geeignet. Wird ein Wolfram-Kupfer-Kontakt hoch belastet, schmilzt oder verdampft bei intensiver Lichtbogeneinwirkung das niedrig schmelzende Kupfer. Dabei wird das bei der feste Wolfram gekühlt, sodass es weitgehend erhalten bleibt. Bei hoher thermischer Beanspruchung von Wolfram-Kupfer-Kontaktbeschichtungen, wie sie beispielsweise bei sehr hohen Kurzschlussströmen auftreten, werden besonders hohe Anforderungen an die Festigkeit des eigentlichen Wolframkontaktes gestellt.

Weitere Informationen zu den einzelnen Werkstoffen:

Deutsches Kupferinstitut: Kupfer in der Elektrotechnik

Doduco: Werkstoffe auf Silberbasis

Heraeus: Silberlegierungen für Niederspannungs-Schaltgerätetechnik

Plansee: Wolframkarbid-Silber-Kontakte für die Mittel- und Niederspannung

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