Elektrische Kontakte, Werkstoffe...

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  • Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen

  • Eduard Vinaricky (Hrsg.)

    Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen

    Grundlagen, Technologien, Prfverfahren

    3. Auflage

    Unter Mitarbeit von K.-H. Schrder und J. Weiser

  • ISBN 978-3-642-45426-4 ISBN 978-3-642-45427-1 (eBook)DOI 10.1007/978-3-642-45427-1

    Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; de-taillierte bibliografische Daten sind im Internet ber http://dnb.d-nb.de abrufbar.

    Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1960, 2002, 2016Das Werk einschlielich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschtzt. Jede Verwertung, die nicht aus-drcklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere fr Vervielfltigungen, Bearbeitungen, bersetzungen, Mikroverfilmungen und die Ein-speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

    Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk be-rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wren und daher von jedermann benutzt werden drften.

    Gedruckt auf surefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier

    Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Mediawww.springer-vieweg.de

    HerausgeberEduard VinarickyPforzheimDeutschland

  • V

    Autorenverzeichnis

    Baujan, Guenter, Dipl.-Ing., EATON Industries GmbH, Bonn

    Behrens, Volker, Dr. rer. nat., DODUCO GmbH, Pforzheim

    Berger, Frank, Prof. Dr.-Ing., TU Ilmenau, Ilmenau

    Buresch, Isabell, Dr.-Ing., Wieland-Werke AG, Ulm

    Faber, Manfred, Dipl.-Ing., PanTrac GmbH, Berlin

    Ganz, Joachim, Dr. rer. nat., DODUCO GmbH, Pforzheim

    Heber1, Jochen, Dr. rer. nat., Sur Tec Deutschland GmbH, Zwingenberg

    Heinzel, Helmut, Dipl.-Ing., frher DODUCO GmbH, Pforzheim

    Horn, Jochen, Dr. rer. nat., fher Tyco Electronics AMP GmbH, Bensheim

    Imm, Reinhard, Dr. rer. nat., frher DODUCO GmbH, Pforzheim

    Kriechel, Ralph, Dipl.-Ing., EATON Industries GmbH, Bonn

    Lindmayer, Manfred, Prof. Dr.-Ing., frher TU Braunschweig

    Linnemann, Hartmut, Dipl.-Ing., Miele u. Cie. GmbH. u. Co, Gtersloh

    Maute, Uwe, Dipl.-Ing., ELEKTRA Tailfingen, Schaltgerte GmbH.&Co.KG, Albstadt

    Mller, Wolfgang, Dipl.-Ing., frher Marquardt GmbH, Rietheim-Weilheim

    1 Whrend der Verfassung der Beitrge bei DODUCO GmbH, Pforzheim

  • VI

    Saeger, Karl-Erdmann, Dr. rer. nat., frher DODUCO GmbH, Pforzheim

    Schreiner, Gnter, Dipl.-Ing. (FH), frher ABB STOTZ-KONTAKT GmbH, Heidelberg

    Schrder, Karl-Heinz, Prof. Dr.-Ing., frher TU Darmstadt, FH Gelsenkirchen u. Degussa AG, Hanau

    Schrther, Gerhard, Dipl.-Ing., frher Siemens AG, Amberg

    Thar, Ralf, Dipl.-Ing., EATON Industries GmbH, Bonn

    Vinaricky, Eduard, Dr. techn., frher DODUCO GmbH, Pforzheim

    Weiser, Josef, Dr. rer. nat., frher Siemens AG, Mnchen

    Wolf, Johann, Dr. techn., frher Siemens AG, Regensburg

    Autorenverzeichnis

  • VII

    Frhere Autoren, deren Beitrge berarbeitet wurden:

    Bahrs, Willy, Dipl-Ing., frher Ringsdorff-Werke GmbH, BonnBaumeister, Rudolf, Dipl.-Ing., EATON Industries GmbH, BonnBolz, Jakob, frher EATON Industries GmbH, BonnBorchert, Lothar, Dr. phil., frher Siemens AG, MnchenGromann, Hermann, Dr. rer. nat., frher DODUCO KG., PforzheimGyry, Imre, Prof. Dr. rer. nat., frher Fachhochschule Hagen und INOVAN, Birkenfeld,Harmsen, Ulf, Dipl.-Ing., frher DODUCO KG., PforzheimHuck, Manfred, Dipl-Phys., frher DODUCO KG., PforzheimKaminski, Jan, Dr.-Ing., Deutsches Patentamt MnchenKaspar, Franz, Dr. rer. nat., DODUCO KG., PforzheimKeil, Albert, Prof. Dr. phil. nat., frher TU Karlsruhe und INOVAN, BirkenfeldMayer, Ursula, Dr. rer. nat., frher DODUCO KG., PforzheimMerl, Wilhelm, Dipl.-Phys., frher DODUCO KG., PforzheimMeyer, Carl-Ludwig, Dipl.-Phys., frher DODUCO KG., PforzheimPopa, Heinz-Erich, Dr.-Ing., ABB STOTZ-KONTAKT GmbH, HeidelbergRieder, Werner, Prof. Dr. phil., frher TU WienSchneider Karl-Heinz, Dipl.-Ing., ELEKTRA Tailfingen, Schaltgerte GmbH.&Co.KG, AlbstadtSchuler, Peter, Dr. rer. nat., frher DODUCO KG., PforzheimStreuli, Max, frher Gummi-Maag AG,Dbendorf, SchweizVermij, L., Dr., frher Holec Nederland BV, Utrecht, HollandWalczuk, Eugeniucz, Prof. Dr.-Ing., TU Lodz, Polen

  • IX

    Vorwort

    Der sparsame Einsatz der Edelmetalle Gold, Silber oder Palladium usw., deren Preis hoch und spekulativen Einflssen unterworfen ist, und die vielfach Basiswerkstoffe fr elektri-sche Kontakte sind, sowie die Forderung nach umweltfreundlichen Werkstoffen und Ferti-gungsverfahren prgen nach wie vor die Entwicklung von Werkstoffen und Technologien fr elektrische Kontakte. Obwohl elektronische Bauelemente viele Bereiche der Technik beherrschen, z. B. auch in der Informationstechnik in groem Umfang Schaltaufgaben erfllen mssen, sind insbesondere in der Energietechnik elektromechanische Schaltkon-takte weiterhin unverzichtbar. Daher besteht sowohl bei den Herstellern von Kontaktwerk-stoffen, den Entwicklern und Konstrukteuren von Schaltgerten und elektromechanischen Bauelementen als auch bei Lehrenden und Studierenden verschiedener Fachrichtungen ein groes Interesse, sich in das umfangreiche Gebiet der elektrischen Kontakte einzu-arbeiten und auch das Wissen auf diesem Spezialgebiet stndig zu erweitern.

    Eine Mglichkeit bot bisher das Buch Elektrische Kontakte,Werkstoffe und Anwen-dungen, das im Jahre 2002 als zweite Auflage im Springer-Verlag erschienen war, und das im deutschsprachlichen Raum als Standardwerk gilt. Leider ist dieses Buch seit einiger Zeit vergriffen, und es wurde von verschiedenen Seiten an den Herausgeber der Wunsch nach einer Neuauflage herangetragen. Die nunmehr vorliegende dritte Auflage stellt eine berarbeitete, teilweise neu gestaltete Fassung der vorherigen Auflage dar, die durch neue Erkenntnisse sowohl auf dem Gebiet der elektrischen Kontakte als auch auf dem der Schaltgerte ergnzt wurde. Letzteres betrifft vor allem die Teile Werkstoffe, Anwen-dungsbeispiele fr elektrische Kontakte sowie Prfverfahren.

    Im Teil 2 Werkstoffe werden Neu- und Weiterentwicklungen von Kontaktwerkstoffen und -schichten beschrieben. Das neu aufgenommene Kapitel Umweltaspekte gibt einen berblick ber den derzeitigen Stand der gesetzlichen Vorschriften und Verwendungsbe-schrnkungen, die beim Einsatz von Werkstoffen beachtet werden mssen. Durch die fort-schreitende Miniaturisierung elektromechanischer Bauelemente gewinnt auch die Wahl des Kontakttrgerwerkstoffes immer mehr an Bedeutung. Aus diesem Grunde wurde das Kapitel Kupfer und Kupferwerkstoffe deutlich erweitert.

  • X Vorwort

    Im Teil 4 Anwendungsbeispiele fr elektrische Kontakte wurden die Abschnitte Photovoltaik und Windkraftanlagen im Hinblick auf die sich damit ergebenden ver-nderten Problemstellungen neu aufgenommen. Gerade diese Teilbereiche im Umfeld der erneuerbaren Energien stellen durch das Schalten von Gleichstrmen bezglich der Si-cherheit der allgemeinen Energieversorgung besonders hohe Anforderungen an die Kon-taktstcke in den jeweiligen Schaltgerten.

    Der Teil 4 Prfverfahren wurde u.a. durch die vllig neuen Kapitel Strlichtbogen sowie Simulation ergnzt. Mit Hilfe der Simulation lassen sich u.a. dynamische Prozesse, die z.B. bei Schaltvorgngen und insbesondere im Umfeld elektrischer Kontakte ablaufen, analysieren, Dadurch wird es mglich, z.B. die Zeiten, die blicherweise fr die Neuent-wicklung von Schaltgerten bentigt werden, zu verringern und gleichzeitig das Volumen des Kontaktmaterials, das fr eine zuverlssige Kontaktgabe und Schaltfunktion erforder-lich ist, zu minimieren.

    Um den bisherigen Umfang des Buches durch Aufnahme zustzlicher Abschnitte nicht bermig anwachsen zu lassen, wurden einige Bereiche des bisherigen Inhaltes in krze-rer Form dargestellt oder, sofern sie weniger bedeutsame Randgebiete behandelten, weg-gelassen.

    Das umfangreiche Stoffvolumen, das sich ber sehr unterschiedliche Fachgebiete er-streckt, kann von einem Verfasser allein nicht tiefgehend genug wiedergegeben werden. Daher war der Herausgeber sehr froh, in Prof. Dr.-Ing. Karl-Heinz Schrder und Dr. rer. nat. Josef Weiser zwei herausragende Fachleute gefunden zu haben, die ihn bei den Arbei-ten untersttzten und durch ihre eigenen Beitrge sowie durch ergnzende Hinweise den Inhalt bereicherten.

    Die einzelnen Beitrge geben die Darstellung der Autoren zum jeweils bearbeiteten Fachgebiet wieder. Damit fr den Leser der Zusammenhang zwischen den verschiedenen Abschnitten deutlich wird und Wiederholungen weitgehend vermieden werden, hat der Herausgeber die von den verschiedenen Autoren verfassten Abschnitte aufeinander ab-gestimmt. Allen Verfassern sei an dieser Stelle fr ihr Verstndnis gedankt.

    Der Herausgeber dankt besonders der Geschftsleitung der Firma DODUCO fr die finanzielle Untersttzung bei den umfangreichen Arbeiten fr dieses Buch und die Mg-lichkeit, jederzeit auf Einrichtungen in den Laboratorien und verschiedene Kommu-nikationsmittel zurckgreifen zu knnen. Daneben hat das Unternehmen bereitwillig Fachkrfte und firmeninternes Wissen fr die Ausarbeitung von Beitrgen freigestellt. Auch anderen Unternehmen, die hnliches geleistet haben, sei hiermit ausdrcklich ge-dankt.

    In gleicher Weise gebhrt Dank dem Frderverein Kontakte und Schalter e.V., der dieses Projekt ebenfalls finanziell untersttzt hat. Eine Reihe von Mitgliedern des Frder-vereins hat darberhinaus durch Fachartikel zum Gelingen des Buches beigetragen.

  • XI

    Die gegebenen Hinweise und Empfehlungen fr die Verwendung elektrischer Kontakte beruhen auf Er-fahrungswerten. Die dargestellten Ergebnisse der verschiedenen Schaltprfungen entbinden niemanden von seiner Sorgfaltspflicht, beim Einsatz oder Wechsel eines Kontaktwerkstoffes in einem Schaltgert oder Bauelement die nach einschlgigen Vorschriften erforderlichen Prfungen durchzufhren

    Vorwort

    Schlielich sei noch den Mitarbeitern des Springer-Verlages, Berlin und Heidelberg fr die gute Zusammenarbeit und die groe Sorgfalt bei der Planung, Gestaltung und Druck-legung dieses Buches gedankt.

    Pforzheim, im Februar 2014 Eduard Vinaricky

  • XIII

    Inhaltsverzeichnis

    Teil I Grundlagen zur Physik und Technik elektrischer Kontakte

    1 Ruhender Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Eduard Vinaricky

    2 Schaltender Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Eduard Vinaricky, Josef Weiser und Karl-Heinz Schrder

    3 Gleitender Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191Eduard Vinaricky und Manfred Faber

    4 Spezielle Erscheinungen an elektrischen Kontakten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223Eduard Vinaricky und IsabellBuresch

    Teil II Werkstoffe

    5 Schmelztechnisch hergestellte Kontaktwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259Eduard Vinaricky und Karl E. Saeger

    6 Pulvermetallurgisch hergestellte Kontaktwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285Eduard Vinaricky, Reinhard Imm und Volker Behrens

    7 Gasarme Kontaktwerkstoffe fr Vakuumschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333Karl E. Saeger und Eduard Vinaricky

    8 Galvanisch hergestellte Kontaktwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343Jochen Heber

    9 Kohle und Grafit (C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361Manfred Faber

  • XIV Inhaltsverzeichnis

    10 Elektrisch leitende Polymere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367Eduard Vinaricky

    11 Kontakttrger- und Leiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373Eduard Vinaricky und Isabell Buresch

    12 Umweltaspekte im Bereich der elektrischen Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443Volker Behrens

    Teil III Technologien fr die Herstellung von Kontaktteilen

    13 Herstellung von Einzelkontakten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457Eduard Vinaricky

    14 Herstellung von Halbzeugen fr elektrische Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467Eduard Vinaricky, Isabell Buresch, Helmut Heinzel und Jochen Heber

    15 Bestckungsverfahren fr Einzelkontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501Helmut Heinzel und Eduard Vinaricky

    16 Kohlebrsten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527Manfred Faber

    Teil IV Anwendungsbeispiele fr elektrische Kontakte

    17 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535Eduard Vinaricky

    18 Dauerhafte Verbindungen, Steckverbindungen und Gleitkontaktsysteme . . . 537Joachim Ganz, Isabell Buresch, Eduard Vinaricky und Jochen Horn

    19 Schaltgerte, elektromechanische Bauelemente und Sicherungen . . . . . . . . . . 603Manfred Lindmayer, Eduard Vinaricky, Frank Berger, Guenter Baujan, Ralph Kriechel, Johann Wolf, Gnter Schreiner, Gerhard Schrther, Uwe Maute, Hartmut Linnemann, Ralf Thar, Josef Weiser, Wolfgang Mller und Karl-Heinz Schrder

    20 Schaltgertetechnik fr den Einsatz in regenerativen Elektroenergieerzeugungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815Frank Berger

  • XVInhaltsverzeichnis

    Teil V Prfverfahren fr elektrische Kontakte

    21 Korrosionsprfungen fr elektrische Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845Eduard Vinaricky

    22 Methoden der Oberflchenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853Eduard Vinaricky

    23 Prfung von Kontaktschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 861Eduard Vinaricky und Joachim Ganz

    24 Prfverfahren fr elektrische Kontakte in der Informationstechnik . . . . . . . 887Josef Weiser

    25 Prfverfahren fr elektrische Kontakte in der Energietechnik . . . . . . . . . . . . 901Karl-Heinz Schrder

    26 Ausfallursachen lichtbogenbeanspruchter Kontaktstcke . . . . . . . . . . . . . . . . 933Volker Behrens

    27 Detektion von Strlichtbgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 949Frank Berger

    28 Modellbildung und Simulation bei elektrischen Kontakten . . . . . . . . . . . . . . . 969Frank Berger

    Teil VI Einsatzbereiche elektrischer Schaltkontakte und ihre Zukunftsperspektiven

    29 Anwendnungsbereiche fr schaltende Kontake, Werkstoffbestckung und Technologische Gestaltung von Kontaktstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1001Eduard Vinaricky

    30 Die Zukunft elektrischer Schaltkontakte unter dem Einfluss elektronischer Bauelemente in der Energietechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1015Karl-Heinz Schrder

    Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1031

    Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1041

  • Teil IGrundlagen zur Physik und Technik

    elektrischer Kontakte

  • 3

    Ruhender Kontakt

    Eduard Vinaricky

    E. Vinaricky (Hrsg.), Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen, DOI 10.1007/978-3-642-45427-1_1, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016

    1

    Inhaltsverzeichnis

    1.1 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 M. Huck und W. A. Merl, berarbeitet von E. Vinaricky1.2 Fremdschichtfreier Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    1.2.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.2 Kontaktflche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2.3 Kontaktwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.4 Haften und Schweien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29A. Keil und E. Walczuk, berarbeitet von E. Vinaricky

    1.3 Fremdschichtbedeckter Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 M. Huck und W. A. Merl, berarbeitet von E. Vinaricky

    1.3.1 Entstehung von Fremdschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401.3.2 Hautwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411.3.3 Kontaktwiderstand fremdschichtbedeckter Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451.3.4 Fritten von Fremdschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    E.Vinaricky()frher DODUCO GmbH, Pforzheim, Walther-Rathenau-Strae, 75180 Pforzheim, DeutschlandE-Mail: [email protected]

    M.Huckfrher DODUCO GmbH, Pforzheim, Deutschland

    W. A. Merlfrher DODUCO GmbH, Pforzheim, Deutschland

    A.Keilfrher TU Karlsruhe und INOVAN, Birkenfeld, Deutschland

    E.WalczukTU Lodz, Lodz, Polen

  • 4 E. Vinaricky

    1.1 Definitionen

    M. Huck und W. A. Merl, berarbeitet von E. Vinaricky

    Der Begriff Elektrischer Kontakt beschreibt einen Zustand, der durch die stromfh-rungsfhige Berhrung zweier Bauteile entsteht (VDE 0660/12.52). Die Bauteile selbst werden als Kontaktstcke bezeichnet [1, 2]. Im Sprachgebrauch wird allerdings diese be-griffliche Abgrenzung vielfach nicht beachtet. Insbesondere ist es grundstzlich statthaft, fr das Bauteil den krzeren Begriff Kontakt zu verwenden, wenn bei Wortbildungen aus diesen eindeutig hervorgeht, dass es sich um etwas Gegenstndliches, wie Kontaktwerk-stoff, Kontaktniet, Ruhekontakt usw. handelt.

    Elektrische Kontakte haben im Wesentlichen folgende Aufgaben zu erfllen:

    Stromkreisezuffnenundzuschlieen, imgeschlossenenZustandelektrischeEnergiemglichstverlustfreibzw.Informationen

    weitgehend verzerrungsfrei zu bertragen.

    Dabei sind die Kontaktstcke sowohl unterschiedlichen mechanischen, elektrischen und thermischen Einwirkungen als auch verschiedenen Umwelteinflssen ausgesetzt.

    Der Begriff Kontakt wird auch in der Halbleitertechnik verwendet. Halbleiter ms-sen zur Erfllung ihrer Funktion mit Metallen kontaktiert werden. Es handelt sich hier-bei um ruhende Kontaktstellen, die unter Reinraumbedingungen hergestellt werden. Sie unterscheiden sich jedoch grundstzlich von den in diesem Buch behandelten Metall/Metall-Kontakten. Bezglich ihrer physikalischen, chemischen und werkstoffspezifischen Eigenschaften sei demnach auf die einschlgige Literatur verwiesen [16].

    Da Oberflchen von Festkrpern im physikalischen Sinne stets rau sind, d.h. eine An-hufung von Spitzen und Tlern enthalten, beschrnkt sich die gegenseitige Berhrung der Kontaktstcke auf mikroskopisch kleine Berhrungsflchen. Weiterhin ist davon aus-zugehen, dass metallische Oberflchen, ausgenommen bei einigen Edelmetallen, in nor-maler Umgebungsatmosphre teilweise oder vollstndig von mehr oder weniger dicken Fremdschichten, z.B. Oxiden, Sulfiden oder organischen Belgen, bedeckt sind.

    Abbildung1.1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer solchen rauen, fremdschichtbe-deckten Kontaktoberflche vor und whrend der Berhrung mit einer ideal glatten Gegen-flche. Erfolgt das Zusammendrcken beider Kontaktstcke mit einer ausreichend hohen Kraft, so werden die hchsten Mikrospitzen auf der Kontaktflche zunchst elastisch und mit zunehmender Kraft auch plastisch verformt. Dabei knnen unter der Wirkung der Kraft Fremdschichten, die auf der Kontaktoberflche vorhanden sind, aufgerissen und teilweise in benachbarte Tler abgedrngt werden. Es ergibt sich somit ein stationrer Zu-stand zwischen Bereichen, in denen ein metallischer Kontakt besteht, und solchen, die durch mehr oder weniger dicke Fremdschichten getrennt sind. Im restlichen Bereich der Kontaktflche, insbesondere in den Tlern, findet keine gegenseitige Berhrung statt.

    Zur Beschreibung des Zustandes eines ruhenden, elektrischen Kontaktes wurden eine Reihe von Begriffen eingefhrt [1, 7, 8]:

  • 51 Ruhender Kontakt

    Unter der scheinbaren Kontaktflche As versteht man den Teil der zur Kontaktgabe be-stimmten Flche auf Kontaktstcken, an dem makroskopisch gesehen eine Berhrung erfolgen kann. Davon zu unterscheiden ist die tragende Kontaktflche At, die die Summe aller mikroskopischen Berhrungsflchen, sowohl der metallischen als auch der fremd-schichtbedeckten, zusammenfasst. Sie ist der Teil der scheinbaren Kontaktflche, der die Kontaktkraft aufnimmt. Innerhalb der tragenden Kontaktflche wird der Teil als wirksame Kontaktflche Aw bezeichnet, in dem bei anliegender Spannung der Stromfluss erfolgt. Sie stellt somit die Summe aller stromfhrungsfhigen Berhrungsflchen dar und besteht aus einer Vielzahl metallischer Einzelflchen, den sog. Mikroflchen oder a-spots (Abb.1.1 und 1.2).

    Bei der Berhrung zwischen gewlbten Kontaktstcken tritt, ebenso wie bei flachen Kontaktstcken, keine gleichmige Verteilung der sich berhrenden Mikrospitzen auf. Als Konturflche An wird daher die zusammenhngende Flche bezeichnet, die alle wirk-samen Einzelflchen umschliet. Diese Flche ist z.B. bei kugelfrmig gewlbten Kon-

    Abb. 1.2 Schematische Dar-stellung zweier rauer, ebener und welliger Oberflchen in gegenseitigem Kontakt. 1Konturflche, 2 scheinbare Kontaktflche, 3 Mikroflchen ( a-spots), aus denen sich die Kontaktflche zusammensetzt

    Abb. 1.1 Raue, ebene Ober-flche. a vor und b whrend der Berhrung mit einer ideal glatten, ebenen Flche. cDarstellung der scheinbaren, tragenden und wirksamen Kontaktflche (Mastbe will-krlich; gestrichelte Linien sind Hhenlinien)

  • 6 E. Vinaricky

    taktstcken oder bei gekreuzten Rundstben nahezu kreisrund und entspricht etwa der scheinbaren Kontaktflche As.

    Bei der Berhrung zweier flacher Kontaktstcke entstehen je nach Oberflchenwellig-keit eine oder mehrere Konturflchen, deren Summe deutlich von der scheinbaren Kon-taktflche As abweichen kann. Zwischen den beschriebenen Flchen gelten daher folgende Beziehungen:

    (1.1)

    ber die wirksame Kontaktflche Aw treten Kontaktstcke in metallische Berhrung. Die Strung der Periodizitt des Kristallgitters in diesen Grenzflchen ist mit einem zustz-lichen Widerstand durch Elektronenstreuung verknpft, der nach einer Abschtzung von Holm [1] in der Gre von 108 liegt und an dieser Stelle nicht weiter betrachtet werden soll.

    Einen wesentlich greren Beitrag bezglich des elektrischen Widerstandes liefert der sog. Engewiderstand RE. Er entsteht bei geschlossenen Kontaktstcken durch die Ein-schnrung der Stromlinien im Bereich der wirksamen Kontaktflche. Abbildung1.3 zeigt schematisch diesen Zustand am Beispiel einer kreisfrmigen Berhrungsflche zwischen zwei zusammengepressten Kontaktstcken im Vergleich zum Stromlinienverlauf in einem homogenen metallischen Festkrper.

    Fremdschichten auf den Oberflchen der Kontaktstcke, die weder mechanisch durch die Wirkung der Kontaktkraft noch elektrisch durch Anlegen einer ausreichend hohen Spannung zerstrt werden, stellen bei Stromfluss, sofern sie eine gewisse elektrische Leit-fhigkeit aufweisen, einen zustzlichen Widerstand, den sog. Fremdschichtwiderstand RF, dar. Die Bedeckung von Kontaktoberflchen in einer normalen Umgebungsatmosphre reicht hierbei von monomolekularen Adsorptionsschichten von einigen 1010m Dicke bis zu > 106m dicken, sichtbaren Korrosionsschichten.

    A A Aw n s< ,

    A Aw t .

    Abb. 1.3 Verlauf der Strom-linien a ohne und b mit einer kreisfrmigen Stromenge

  • 71 Ruhender Kontakt

    Die entsprechend der Oberflchenform der Kontaktstcke mglichen Berhrungsstel-len tragen demnach in sehr unterschiedlichem Mae zur Strombertragung bei. Sie lassen sich nach Holm [1] folgendermaen klassifizieren:

    a. Metallische Berhrungsflchen (a-spots), die nur den Engewiderstand verursachen;b. quasimetallische Berhrungsflchen, die mit einer adsorbierten Gashaut oder sehr

    dnnen (ca. 23nm) Fremdschicht bedeckt sind, durch die die Leitungselektronen des angrenzenden Werkstoffes verlustlos tunneln knnen;

    c. halbleitende Fremdschichten;d. mechanisch tragende Fremdschichten mit hohem Widerstand, die u.U. bis zur Isola-

    tion der Kontaktstrecke fhren knnen.

    Der Engewiderstand RE mit Beitrgen nach a) und b) und der Fremdschichtwiderstand RF mit Beitrgen nach c) und d) bilden zusammen den Kontaktwiderstand

    (1.2)

    wobei die beiden Anteile in erster Nherung von einander unabhngig sind.Die Addition der beiden Gren in (1.2) ist allerdings nicht mehr zulssig, wenn RF

    sehr viel grer als RE ist [9]. Die rtliche Kontamination tragender Kontaktflchen mit Deckschichten fhrt dann zu einer nderung des Stromverlaufs, der nahezu ausschlie-lich ber die wirksamen, d.h. die metallischen und die quasimetallischen Berhrungsfl-chen erfolgt. Enge- und Fremdschichtwiderstand sind unter dieser Bedingung nicht mehr als voneinander unabhngige Gren zu betrachten.

    Der Kontaktwiderstand ist eine der wichtigsten Kenngren eines elektrischen Kon-taktes. Sein Anteil am Gesamtwiderstand eines Stromkreises ist i.d.R. vernachlssigbar gering. Grere Erhhungen oder starke Schwankungen des Kontaktwiderstandes, z.B. durch Fremdschichten, knnen jedoch zu erheblichen Strungen und Fehlfunktionen oder gar zum Ausfall eines Gertes oder einer Anlage fhren.

    1.2 Fremdschichtfreier Kontakt

    1.2.1 Einfhrung

    Oberflchen von Festkrpern sind stets rau und wellig. Selbst die durch mechanische Spal-tung entstandenen Glimmerflchen zeigen Unregelmigkeiten in der Grenordnung von 2 109m, die von Quarzkristallen bis 108m [1012].

    Sehr glatte Metalloberflchen, die sich durch mechanische Bearbeitung erzielen lassen, weisen einen Mittenrauwert von 2 bis 5 108m auf. Die obere Grenze der Rauheit anzu-geben, ist hingegen schwierig (Abb.1.4).

    R R RK E F= + ,

  • 8 E. Vinaricky

    Ebenso wie fr die Rauheit, ist es auch fr die Welligkeit der Oberflche zweckmig, nur einen unteren Wert (einige 106m) zu nennen, da die obere Grenze der Welligkeit zu sehr von dem Verfahren abhngt, das bei der Bearbeitung der Oberflche verwendet wird. Die Wellenschritte blicher Kontaktoberflchen liegen meist zwischen 103 und 102m.

    Die Begriffe fr die Gestalt einer Oberflche sind nach DIN 4760 [13] festgelegt. Unter-schiedliche Ordnungen charakterisieren Abweichungen vom Idealprofil (Abb. 1.5). So beschreibt die Gestaltsabweichung 1. Ordnung die Formabweichungen des Festkrpers durch Unebenheiten und Unrundheiten. Die Gestaltsabweichung 2. Ordnung erfasst die Welligkeit der Oberflchen, die z.B. durch Schwingungen der Werkzeugmaschine oder des Werkzeugs bei der Formgebung hervorgerufen werden. Rillen, die auf die mechani-sche Bearbeitung der Oberflchen, wie Brsten, zurckgefhrt werden, gehren zur Ge-staltsabweichung 3. Ordnung. Riefen, Schuppen und Kuppen sind Gestaltsabweichungen 4. Ordnung. Sie entstehen z.B. durch Knospenbildung bei der galvanischen Abscheidung von Edelmetallen oder durch eine Werkstoffverformung beim Sandstrahlen. Kristallisa-tionsvorgnge oder die Vernderung der Oberflche durch chemische Einwirkung, wie Beizen oder Korrosion, bewirken ebenfalls eine Vernderung der Oberflchenstruktur. Solche Abweichungen fallen unter die Gestaltsabweichung 5. Ordnung. Physikalische und chemische Vorgnge im Aufbau der Festkrper, Spannungen und Gleitungen im Kristall-gitter, d.h. alle Vernderungen, die den Gitteraufbau des Werkstoffs betreffen, sind in der 6. Ordnung zusammengefasst. Die graphische Darstellung der beiden Ordnungen 5 und 6 ist allerdings nicht mehr mglich. Der Begriff Rauheit ist ein Oberbegriff fr Gestalts-abweichungen der 3. und 4. Ordnung.

    Die Rauheit der Oberflche ist die Ursache dafr, dass eine metallische Berhrung zweier Kontaktstcke nur in diskreten Mikroflchen stattfindet. Um die Verteilung der

    Abb. 1.5 Profilschnitt: Ideal-profil und Gestaltsabweichun-gen verschiedener Ordnungen [13]

    Abb. 1.4 Profilogramme unterschiedlich bearbeiteter Feinsilberbleche. a feingeschmirgelt. b fein-gewalzt. c und d hochglanzgewalzt

  • 91 Ruhender Kontakt

    Mikrokontakte innerhalb der Konturflche optisch aufzulsen, wurden unterschiedliche Wege beschritten. Kragelskii und Demkin [14] sowie Gitzendanner [15] brachten das zu untersuchende Kontaktstck mit der extrem ebenen Flche eines Glasblocks in Berhrung und beleuchteten die Mikroflchen durch einen seitlich einfallenden Lichtstrahl. Johannet [16] wies die Mikroflchen mit Hilfe von Neutronenstrahlen nach, die ber die tragende Kontaktflche transmittiert, in den brigen Bereichen der scheinbaren Oberflche absor-biert wurden.

    Ein Beispiel fr eine Konturflche ist in Abb.1.6 zu sehen [17]. Hierbei wurde ein in einem Grafit-Zylinder befindlicher Kontaktniet aus Silber durch ein Goldkltzchen me-chanisch belastet und anschlieend die gesamte Anordnung einer hohen Temperatur aus-gesetzt. An den tragenden Berhrungsstellen diffundierte Silber in Gold und umgekehrt. Mit Hilfe der Mikroanalyse konnte z.B. die Silberverteilung im Gold sichtbar gemacht werden. Da auch eine Silber-Diffusion parallel zur Kontaktoberflche erfolgte, erscheinen diese Flchen vergrert.

    1.2.2 Kontaktflche

    1.2.2.1 Qualitative BeschreibungBinder [18] und Holm [19] stellten erstmals eine Theorie des elektrischen Kontaktes auf. Ihre Modellvorstellungen gingen von der Annahme aus, dass die scheinbare Berhrungs-flche der Kontaktstcke unter Wirkung einer Kraft eingeebnet wird. Danach steigt der Druck in der Berhrungszone soweit an, dass die Mikrospitzen auseinander flieen und die dazwischen liegenden Tler ausfllen. Es entsteht so eine zusammenhngende, tra-gende Kontaktflche. Dieses vereinfachte Bild muss nach weiteren Untersuchungen modi-fiziert werden. Abbildung1.7 zeigt den Eindruck einer Stahlkugel in eine weichgeglhte

    Abb. 1.7 Abgetastetes Profil eines Brinell-Hrteeindrucks in einer weichgeglhten Gold-probe [20]

    Abb. 1.6 Experimenteller Nachweis einer Konturflche durch Diffusion. [17]

  • 10 E. Vinaricky

    Goldprobe [20]. Obwohl die auf die Mikrospitzen wirkende Kraft wesentlich hher war als die, welche z.B. bei lastfrei schaltenden Kontakten blicherweise auftritt, blieben diese Spitzen weitgehend in ihrer ursprnglichen Form erhalten. Sie waren nach der mechani-schen Belastung lediglich niedriger und abgeflacht.

    Bei den experimentellen Untersuchungen und den theoretischen berlegungen bzgl. der Kontaktgabe bei flchenfrmigen und gewlbten Kontaktstcken werden meist fol-gende Annahmen getroffen:

    EineKontaktflcheistentwederidealebenundrauoderwelligundrau;dieGegenfl-che ideal eben, glatt und hart;

    beideKontaktflchensindrau,jedochidealeben; beideKontaktflchensindgewlbt,z.B.kugelfrmigundentwederbeiderauoderaber

    eine davon ideal glatt und hart; eineKontaktflcheistgewlbt,z.B.kugelfrmigundrau;dieGegenflcheidealglatt,

    eben und hart.

    Wird eine raue Flche gegen eine ideal glatte, ebene Flche gepresst, so erfolgt die Berh-rung zuerst an den hchsten Spitzen. Werden hingegen zwei raue Flchen gegeneinander gepresst, kann dies nicht vorausgesetzt werden, da eine hohe Spitze auf der einen Flche zufllig auf ein Tal der gegenberliegenden Flche treffen kann. Bei der Berhrung kommt in diesem Falle zur mechanischen Belastung in Normalrichtung eine Kraftkomponente in tangentialer Richtung hinzu, die eine Scherwirkung zur Folge hat.

    Die zuerst belasteten Spitzen werden zunchst elastisch und dann meist auch plastisch verformt, was bei Kontaktwerkstoffen blicherweise zu einer Kaltverfestigung fhrt. Nur bei einer kleinen Gruppe von Metallen, wie Indium und Zinn, bleibt dieser Effekt bei Raumtemperatur aus. Durch die Verformung und damit Abflachung der Spitzen knnen sich die beiden Oberflchen weiter annhern. Dadurch knnen weitere Spitzen in gegen-seitige Berhrung treten. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis ein Gleichgewicht zwischen ueren und inneren Krften hergestellt ist, bei dem die mechanische Kontaktbelastung zu einer elastischen Verformung fhrt.

    Bezogen auf einen einzelnen Mikrokontakt gibt es fr den Kontaktdruck einen kri-tischen Wert, bei dem ein bergang von elastischer zu plastischer Verformung erfolgt. Wann dieser bergang bei einem Werkstoff stattfindet, hngt in erster Linie von den Werk-stoffgren, wie Mikrohrte und Elastizittsmodul, den topographischen Parametern, wie Hhe, Scheitelwinkel und Kuppenradius der Mikrospitzen sowie von der Temperatur und der Kristallstruktur ab. Die sich aufgrund der Vielzahl der Berhrungsstellen zweier Kon-taktstcke einstellenden Anteile an elastischer und plastischer Verformung werden durch diese Werte sowie die rumliche Dichte der Berhrungsstellen festgelegt.

    Die Verformung der Mikrospitzen ist im Zusammenhang mit dem gesamten Kontakt-stck zu betrachten. Bei der Kaltverfestigung der obersten Spitzen knnen nur dann weite-re, tiefer liegende Spitzen und Flanken in gegenseitige Berhrung treten, wenn die auf die kalt verfestigten Mikrospitzen wirkende Kraft an die Volumina beider Kontaktstcke in Form elastischer oder plastischer Verformung abgegeben werden kann. Dieser Effekt lsst

  • 111 Ruhender Kontakt

    sich an Flchenkontakten nicht sichtbar machen; erkennbar war er bei dem in Abb.1.7 dargestellten Beispiel beim Einwirken einer Stahlkugel auf eine weichgeglhte Goldpro-be. Die auf die abgeflachten Mikrospitzen wirkenden Krfte fhrten zu einem plastischen Flieen im Innern des Werkstoffes.

    Die bisherige Beschreibung gilt fr ebene und gewlbte Kontaktflchen. Bei letzteren tritt eine verstrkte Wechselwirkung oberflchennaher Bereiche auf. Die durch die Wl-bung der Kontaktflchen bevorzugt in Berhrung tretenden Mikrospitzen verndern auch die Hhenlage benachbarter, unbelasteter Spitzen [21, 22]

    Durch die Einbeziehung der Welligkeit der Oberflche tritt ein weiterer Gesichtspunkt hinzu. Werden ebene, raue Kontaktstcke unter hoher Kontaktkraft zusammengepresst, dann wird neben der Mikrostruktur auch die Welligkeit verndert. Abgesehen von ext-remen mechanischen Belastungen geschieht dies im elastischen Bereich der Verformung. Nach der Entlastung nimmt die Welligkeit wieder ihre ursprngliche Gestalt an. Die Mi-krospitzen werden, soweit sie elastisch verformt waren, relaxieren, ihre plastische Verfor-mung bleibt jedoch erhalten. Die Berhrung zwischen elastisch verformten Spitzen kann dabei bestehen bleiben, whrend die Mehrzahl der Berhrungen zwischen plastisch ver-formten Mikrospitzen infolge der elastischen Rckfederung aufgehoben wird.

    Uppal, Probert und Thomas [23] ermittelten mittels der optischen Interferenzmethode nach Normarski [24] Anzahl, Gre und Verteilung der Mikrokontaktflchen bei einer Werkstoffpaarung Aluminium gegen Stahl in Abhngigkeit von der Kraft. Innerhalb des Lastbereichs von 0,1 bis 100N wurde ein betrchtliches Anwachsen der Anzahl Nges der Einzelflchen beobachtet. Da ein Teil dieser Flchen bei hohen Krften zusammenwchst, durchluft ihre Nettozahl Nnet ein Maximum (Abb.1.8).

    Der mittlere Radius a der Mikroflchen ndert sich bei niedrigen Krften nur unwe-sentlich, da die Vergrerung der bestehenden Mikroflchen durch die neu hinzutreten-den, kleineren kompensiert wird. Das starke Anwachsen des mittleren Radius bei hheren Krften ist eine Folge des Zusammenflieens von Mikroflchen, bei denen bisher keine

    Abb. 1.8 Mittlerer Radius a und Zahl der Einzelflchen N in Abhngigkeit von der Kontaktkraft fr Aluminium gegen Stahl. Nges Gesamt-zahl der Mikroflchen, Nnet Nettozahl der Flchen nach deren Zusammenwachsen bei hheren Krften [23]

  • 12 E. Vinaricky

    Berhrung mit dem Partner bestand. Greenwood und Williamson [21] stellten fest, dass eine erhebliche Vergrerung des mittleren Radius der Berhrungsflchen auftritt, wenn der Druck (Kraft/scheinbare Flche) mit der Hrte der Werkstoffe vergleichbar wird.

    1.2.2.2 Modelltheorien und profilometrische TheorienEine Theorie des elektrischen Kontaktes, die den in Abschn.1.2.2.1 beschriebenen experi-mentellen Befunden gerecht werden will, sieht sich vor zwei Aufgaben gestellt:

    DieBerechnungvonAnzahl,GreundVerteilungderMikrokontaktflchenausKon-taktkraft, Form und Eigenschaften der Kontaktstcke;

    dieBerechnungdesKontaktwiderstandes (Engewiderstandes) aus Anzahl, Gre und Verteilung dieser Mikrokontaktflchen.

    Zur Lsung dieser Aufgaben bieten sich zwei Arten von Theorien, die sog. Modelltheorien und die profilometrischen Theorien, an.

    Die Modelltheorien gehen von hypothetischen Oberflchen mit mathematisch gut er-fassbaren Formen der Mikrospitzen, wie Kugelkalotten, Kegel oder Zylinder aus. Diese knnen sich zwar in ihrer Hhe unterscheiden, die Hhenverteilung der Spitzen muss je-doch einer mathematischen Funktion folgen. So werden z.B. konstante Hhen vorausge-setzt oder lineare, exponentielle oder Gausche Verteilungen zugrunde gelegt. Berechnet wird beispielsweise die Deformation der angenommenen Modellgeometrie bei der Berh-rung mit einer ideal ebenen, glatten und starren Flche in Abhngigkeit von der Kontakt-kraft. Anzahl, Gre und Verteilung der Berhrungsflchen werden mit den Ergebnissen experimenteller Untersuchungen verglichen.

    Die Profilometrische Theorien gehen demgegenber von der experimentell ermittelten Topographie der Kontaktoberflche aus. Abbildung1.9 zeigt das Ergebnis einer profilo-metrischen Messung an einer Goldprobe [25]. Aufgetragen wurde die Summenhufigkeit der Hhen von Mikrospitzen oberhalb einer Bezugsebene. Der Kurvenverlauf weist auf

    Abb. 1.9 Hufigkeitsvertei-lung der Mikrospitzenhhen einer ebenen Feingoldprobe ( zwei Messreihen) [21]

  • 131 Ruhender Kontakt

    eine Gausche Verteilung der Hhen hin. Falls fr die Geometrie der Mikrospitzen keine Vorzugsrichtung besteht, was z.B. bei einer mechanischen Bearbeitung der Oberflchen gegeben wre, kann nach Greenwood und Williamson [21] aus der Gauschen Verteilung der tragenden Kontaktflche auf eine Gausche Hhenverteilung der Mikrospitzen ge-schlossen werden.

    Zur Berechnung der tragenden Kontaktflche wird im Rahmen der profilometrischen Theorien von realen Oberflchen ausgegangen. Vereinfachungen werden erst bei der L-sung der analytischen Ausdrcke vorgenommen. Auch auf diesem Wege knnen Anzahl, Gre und Verteilung der Einzelflchen ermittelt werden. Sowohl bei den Modelltheorien als auch den profilometrischen Theorien werden blicherweise die fr die verschiedenen Kontaktwerkstoffe beobachteten Grenzflle rein elastischer oder rein plastischer Verfor-mung angenommen.

    Die Anwendung der Hertzschen Theorie fr elastische Krper [26], die Holm [1] fr die gesamte Kontaktflche zugrunde gelegt hatte, war ein Weg zur Beschreibung des Verfor-mungsverhaltens der einzelnen Mikrospitzen. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Kontakt-stcke, die sich ber die Mikrospitzen berhren, ausschlielich elastisch verformt werden. Fr den Radius a einer als kreisfrmig angenommenen Mikroflche ergibt sich danach eine Abhngigkeit von der Kontaktkraft gem:

    (1.3)

    mit

    a = Radius der kreisfrmigen BerhrungsflcheF = Kontaktkraft;1,2 = Poisson-Koeffizienten der beiden Kontaktwerkstoffe;E1,2 = Elastizittsmoduli der beiden Kontaktwerkstoffe,r1,2 = Radien der beiden Mikrospitzen.

    Dabei gelten fr verschiedene Radien r1, r2 und Elastizittsmodule E1, E2:

    (1.4)

    (1.5)

    Unter Einbeziehung der statistischen Hhenverteilung der Mikrospitzen kann die tragen-de Kontaktflche berechnet werden. So vereinfacht sich die Formel (1.3) fr die Edelmetal-

    aFr

    EF=

    3

    41 2

    1 2

    3 1 3,

    ,

    /~

    rr r1,2 1 2

    11 1

    = +

    EE E1,2 1 2

    11 1

    = +

  • 14 E. Vinaricky

    le Gold, Silber und Palladium, deren Poisson-Koeffizienten nahezu bereinstimmen und bei = 0,4 liegen, zu

    (1.6)

    und fr Eisen, Nickel und Kupfer mit = 0,3 zu

    (1.7)

    Die Anwendung der Hertzschen Theorie auf elektrische Kontakte beinhaltet jedoch zwei Schwierigkeiten [27]:

    DieFlchederMikrokontakte ist vomRadiusderMikrospitzenabhngig,der i.allg.nicht bekannt ist;

    diedenmeistenExperimentenbeinichtzuhohenKrftenentnommeneProportionali-tt zwischen tragender Kontaktflche und Kontaktkraft wird durch (1.2) nicht besttigt.

    Archard [28] schlug daher die Anwendung der Hertzschen Theorie auf ein erweitertes Modell vor, in dem jede Spitze mit Mikrospitzen und jede Mikrospitze mit Mikro-Mik-rospitzen behaftet ist. Dies fhrte zu einer weiteren Annherung an die Proportionalitt zwischen tragender Kontaktflche und Kontaktkraft.

    Bei der Anwendung der Hertzschen Theorie blieb die Frage offen, ob eine Zunahme der Kontaktkraft neue Mikroflchen erzeugt oder die bereits existierenden lediglich ver-grert. Wenn durch neu hinzukommende Mikroflchen der mittlere Flchenradius kon-stant bleibt, ndert sich die tragende Kontaktflche linear mit der Kontaktkraft.

    Auch wenn die Kontaktflche durch plastisches Flieen der Mikrospitzen gekennzeich-net ist, bleibt diese Proportionalitt zwischen tragender Kontaktflche und Kontaktkraft bei nicht zu hohen Kontaktkrften erhalten. Dies zeigt der experimentell ermittelte Kur-venverlauf in Abb.1.8. Danach bleibt der mittlere Flchenradius ber einen weiten Bereich der Kontaktkraft nahezu konstant [23]. Erst wenn die Mikrospitzen bei hohen Kontakt-krften ber die oberflchennahen Bereiche in verstrkte Wechselwirkung treten, wird ein Abweichen von dieser Proportionalitt beobachtet.

    Von Uppal und Probert [29, 30] stammt der in Abb.1.10 dargestellte Zusammenhang zwischen At/As und P/M, der fr Aluminium gegen Stahl ermittelt wurde. Hierin stellen P den Kontaktdruck (Kontaktkraft/scheinbare Kontaktflche) und M die Kontakthrte dar, die nach Holm in erster Nherung der Brinellhrte des entsprechenden Werkstoffes ent-spricht. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit einer von Williamson etal. [31] er-mittelten theoretischen Darstellung verglichen. Auffllig ist dabei das Abweichen von der Linearitt, das bei greren Krften in beiden Kurven auftritt. Die Unterschiede zwischen Theorie und Experiment werden durch die von Williamson getroffenen Annahmen ver-

    aFr

    E= 0 86 3,

    aFr

    E= 1 11 3,

  • 151 Ruhender Kontakt

    stndlich. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Bereiche der scheinbaren Kontaktfl-che, die sich nicht gegenseitig berhren, bei der plastischen Verformung der Mikrospitzen gleichfrmig angehoben werden. Experimentell konnte zwar eine Niveauanhebung beob-achtet werden, die aber fr tiefe Tler wesentlich geringer war als fr flache [32].

    Whrend nach Uppal und Probert das Kontaktverhalten vor allem von den Werkstoff-gren abhngt, fhrten Greenwood und Williamson [21, 22] in ihrer Modelltheorie des elastischen Kontaktes die Kontakteigenschaften in erster Linie auf die statistische Vertei-lung der Hhen der Mikrospitzen und erst danach auf die Art der Verformung der Mikro-spitzen zurck. Sie definierten einen sog. Plastizittsindex , der aussagt, ob Oberflchen bei der Berhrung berwiegend plastisch oder elastisch verformt werden. Dieser Plasti-zittsindex hngt von Werkstoffgren, wie Hrte H, Elastizittsmodul E und Poisson-Koeffizient v sowie den topographischen Parametern, wie mittlerer Radius der Kuppen der Mikrospitzen und mittlere Streuung (Standardabweichung) der Hhen der Mikro-spitzen, ab:

    Es gilt die Beziehung:

    (1.8)

    mit

    (1.9)

    Oberflchen mit Werten des Plastizittsindex > 1, die beim Einsatz der Kontaktstcke in Schaltgerten berwiegen, weisen danach auch bei geringsten mechanischen Belastungen plastische Verformungen auf. Dagegen werden Flchen mit < 0,6 auch bei hohen Be-lastungen elastisch verformt, was z.B. durch Polieren erreicht wird. Im Zwischenbereich 0,6 < < 1 hngt es weitgehend von der Hhe der Kontaktkraft ab, ob die elastische oder plastische Verformung berwiegt. Die Annahme von Greenwood, dass die Gre des mitt-

    / / = H E

    1 1 11

    1

    2

    2=

    +

    E E E

    .

    Abb. 1.10 Abhngigkeit des Verhltnisses der tragenden Kontaktflche At zur schein-baren Kontaktflche As vom Verhltnis des Kontaktdrucks P (Kontaktkraft/scheinbare Kontaktflche) zur Kontakt-hrte M fr Aluminium gegen Stahl [29]

  • 16 E. Vinaricky

    leren Radius der Kuppen der Mikrospitzen magebend fr eine berwiegend plastische oder elastische Verformung ist, wird von Hisakado [33, 34] experimentell besttigt. Er untersuchte den Einfluss unterschiedlicher Kuppenradien auf das Verformungsverhal-ten der Mikrogeometrie. Die theoretischen und experimentellen Ergebnisse wurden an Modelloberflchen sowie an realen, rauen Oberflchen gewonnen, die mit ideal glatten Gegenflchen in Berhrung standen.

    Schon vor lngerer Zeit betrachteten Kragelskii und Demkin [35] Modelloberflchen, die mit ideal glatten Gegenflchen in Berhrung standen. Als Form der Mikrospitzen wur-den Kegel angenommen. In ihren experimentellen Untersuchungen wiesen sie auf den en-gen Zusammenhang zwischen der Form der Mikrospitzen und ihrem Flieverhalten hin.

    Die Berhrung zwischen zwei rauen Oberflchen stand in theoretischen und experi-mentellen Untersuchungen von Ling [36] sowie von Murthy und Raghaven [37] im Vorder-grund. Wie schon Kragelskii und Demkin ging auch Ling im Rahmen einer Modelltheorie von kegelfrmigen Mikrospitzen aus, fr die er lineare, exponentielle und Gausche H-henverteilungen zugrunde legte. Ling wies auf die unterschiedliche Abhngigkeit zwischen Kontaktkraft und Annherung zweier rauer und einer rauen gegen eine glatte Oberflche hin. Nuri und Halling [38] ermittelten der Anteil an elastischer und plastischer Verfor-mung der Mikrospitzen bei Annherung zweier Kontaktstcke (Abb.1.11a und b).

    Greenwood und Tripp [39] erweiterten die Betrachtungen von ebenen auf gewlbte Oberflchen. Sie errterten das Berhrungsverhalten einer geringfgig gewlbten, kugel-frmigen rauen Oberflche gegen eine strker gekrmmte glatte Gegenflche. In Abb.1.12 ist die berechnete Hertzsche und die nach ihrer Theorie ermittelte Druckverteilung fr kleine b) und groe c) Kontaktkrfte aufgetragen. Whrend nach der Hertzschen Theo-rie der Druck eine scharf umrissene Kontaktflche erfasst, fllt die Druckverteilung nach Greenwood und Tripp allmhlich zum Rande hin ab.

    Insbesondere bei niedrigen Kontaktkrften ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass sich Mikrospitzen auf den gewlbten Kontaktstcken in grerem Abstand als dem Hertzschen Radius berhren. Abbildung1.12c verdeutlicht, dass die Hertzsche Theorie fr Oberfl-

    Abb. 1.11 Annherung von Stahl-Kontaktflchen unterschiedlicher Rauheit, abhngig von der Kon-taktkraft. a Ra = 0,15m. b Ra = 5,7m [38]

  • 171 Ruhender Kontakt

    chen geringer Rauheit und fr Kontaktstcke, die durch hohe Kontaktkrfte beansprucht werden, eine gute Nherung darstellt. Fr den zuletzt genannten Fall spielt die Oberfl-chenrauheit durch Schraffur gekennzeichnet nur eine untergeordnete Rolle. Der von Greenwood und Williamson definierte sog. effektive Radius, der ein Ma fr die Druck-verteilung gewlbter Kontaktstcke ist, wird in Abb.1.13 in Abhngigkeit von der Kon-taktkraft dargestellt. Nach diesen theoretisch ermittelten Kurven nimmt der effektive Ra-dius im unteren Kraftbereich mit wachsender Rauheit zu und nhert sich bei greren Kontaktkrften dem Hertzschen Radius. Diese Aussagen stehen jedoch im Widerspruch zu experimentellen Untersuchungen von Hft [40]. Er wies nach, dass der effektive Radius als wahrer Berhrungsradius bezeichnet mit wachsender Rauheit abnimmt.

    Abb. 1.13 Effektiver Radius einer kreisfrmigen Berh-rungsflche in Abhngigkeit von der Kontaktkraft fr ideal glatte Oberflchen (nach Hertz) und fr raue Oberfl-chen unterschiedlicher Rauheit (nach Greenwood) [39]

    Abb. 1.12 Raue, schwach gewlbte Oberflche in Berh-rung mit einer ideal glatten, strker gewlbten Gegenfl-che (a). berechnete reale und Hertzsche Druckverteilung bei geringen (b) und hohen Kontaktkrften (c) [39]

  • 18 E. Vinaricky

    1 = Stromlinie2 = quipotenzialflche

    Zu den bereits genannten Arbeiten knnen noch weitere hinzugefgt werden, wie die von Rubenstein [41], Kragelskii [10], Kimura [42], Busch, Gibson und Thomas [43] sowie Chivers, Mitchell und Rowe [44], auf deren spezielle Anstze an dieser Stelle nicht ein-gegangen werden soll. Ziel der meisten Arbeiten zum Thema des ruhenden, fremdschicht-freien Kontaktes war die Berechnung oder die experimentelle Ermittlung der tragenden Kontaktflche unter Einbeziehung der Werkstoffeigenschaften und der topographischen Parameter. Die Kenntnis der tragenden Kontaktflche ist dabei die Voraussetzung fr die Berechnung des Engewiderstandes bei fremdschichtfreien Kontaktstcken.

    1.2.3 Kontaktwiderstand

    1.2.3.1 Engewiderstand von MikroflchenIn den bisherigen Abschnitten wurde davon ausgegangen, dass Metalloberflchen grund-stzlich rau sind und die Geometrie der tragenden Kontaktflchen unter der Wirkung der Kontaktkrfte, die bei Kontaktstcken im Einsatzfall blich sind, nicht so weit verndert wird, dass eine gleichmig ausgefllte Kontaktflche entsteht. Der Strombergang erfolgt daher ber eine Vielzahl, meist ungleichmig verteilter Mikroflchen, deren Anzahl, Gre und Verteilung von der Form der Kontaktstcke, der Kontaktkraft, der Temperatur, dem Kristallgitter sowie den Werkstoffeigenschaften und den topographischen Parame-tern abhngt.

    Die Einengung der Stromfden an der Berhrungsstelle hat im Vergleich zu einer durchgehenden Strombahn einen zustzlichen Widerstand, den sog. Engewiderstand zur Folge. Holm [1] gibt fr die Berechnung dieses Engewiderstandes mehrere Modelle an. Unter diesen kommt das Ellipsenmodell den Gegebenheiten in der Praxis am nchsten (Abb.1.14)[1].

    Danach gilt fr den Engewiderstand RE einer Berhrungsflche die Beziehung:

    (1.10)RaE

    =2

    Abb. 1.14 Ellipsenmodell nach Holm [1]