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Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen

Eduard Vinaricky (Hrsg.)

Elektrische Kontakte, Werkstoffe und Anwendungen

Grundlagen, Technologien, Prüfverfahren

3. Auflage

Unter Mitarbeit von K.-H. Schröder 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 über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Springer Vieweg© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1960, 2002, 2016Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht aus-drücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Ein-speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.

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Gedruckt auf säurefreiem 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., früher DODUCO GmbH, Pforzheim

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

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

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

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

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

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

Möller, Wolfgang, Dipl.-Ing., früher Marquardt GmbH, Rietheim-Weilheim

1 Während der Verfassung der Beiträge bei DODUCO GmbH, Pforzheim

VI

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

Schreiner, Günter, Dipl.-Ing. (FH), früher ABB STOTZ-KONTAKT GmbH, Heidelberg

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

Schröther, Gerhard, Dipl.-Ing., früher Siemens AG, Amberg

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

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

Weiser, Josef, Dr. rer. nat., früher Siemens AG, München

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

Autorenverzeichnis

VII

Frühere Autoren, deren Beiträge überarbeitet wurden:

Bahrs, Willy, Dipl-Ing., früher Ringsdorff-Werke GmbH, BonnBaumeister, Rudolf, Dipl.-Ing., EATON Industries GmbH, BonnBolz, Jakob, früher EATON Industries GmbH, BonnBorchert, Lothar, Dr. phil., früher Siemens AG, MünchenGroßmann, Hermann, Dr. rer. nat., früher DODUCO KG., PforzheimGyöry, Imre, Prof. Dr. rer. nat., früher Fachhochschule Hagen und INOVAN, Birkenfeld,Harmsen, Ulf, Dipl.-Ing., früher DODUCO KG., PforzheimHuck, Manfred, Dipl-Phys., früher DODUCO KG., PforzheimKaminski, Jan, Dr.-Ing., Deutsches Patentamt MünchenKaspar, Franz, Dr. rer. nat., DODUCO KG., PforzheimKeil, Albert, Prof. Dr. phil. nat., früher TU Karlsruhe und INOVAN, BirkenfeldMayer, Ursula, Dr. rer. nat., früher DODUCO KG., PforzheimMerl, Wilhelm, Dipl.-Phys., früher DODUCO KG., PforzheimMeyer, Carl-Ludwig, Dipl.-Phys., früher DODUCO KG., PforzheimPopa, Heinz-Erich, Dr.-Ing., ABB STOTZ-KONTAKT GmbH, HeidelbergRieder, Werner, Prof. Dr. phil., früher TU WienSchneider Karl-Heinz, Dipl.-Ing., ELEKTRA Tailfingen, Schaltgeräte GmbH.&Co.KG, AlbstadtSchuler, Peter, Dr. rer. nat., früher DODUCO KG., PforzheimStreuli, Max, früher Gummi-Maag AG,Dübendorf, SchweizVermij, L., Dr., früher 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 Einflüssen unterworfen ist, und die vielfach Basiswerkstoffe für elektri-sche Kontakte sind, sowie die Forderung nach umweltfreundlichen Werkstoffen und Ferti-gungsverfahren prägen nach wie vor die Entwicklung von Werkstoffen und Technologien für elektrische Kontakte. Obwohl elektronische Bauelemente viele Bereiche der Technik beherrschen, z. B. auch in der Informationstechnik in großem Umfang Schaltaufgaben erfüllen müssen, sind insbesondere in der Energietechnik elektromechanische Schaltkon-takte weiterhin unverzichtbar. Daher besteht sowohl bei den Herstellern von Kontaktwerk-stoffen, den Entwicklern und Konstrukteuren von Schaltgeräten und elektromechanischen Bauelementen als auch bei Lehrenden und Studierenden verschiedener Fachrichtungen ein großes Interesse, sich in das umfangreiche Gebiet der elektrischen Kontakte einzu-arbeiten und auch das Wissen auf diesem Spezialgebiet ständig zu erweitern.

Eine Möglichkeit 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 überarbeitete, teilweise neu gestaltete Fassung der vorherigen Auflage dar, die durch neue Erkenntnisse sowohl auf dem Gebiet der elektrischen Kontakte als auch auf dem der Schaltgeräte ergänzt wurde. Letzteres betrifft vor allem die Teile „Werkstoffe“, „Anwen-dungsbeispiele für elektrische Kontakte“ sowie „ Prüfverfahren“.

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

X Vorwort

Im Teil 4 „Anwendungsbeispiele für elektrische Kontakte“ wurden die Abschnitte „Photovoltaik“ und „Windkraftanlagen“ im Hinblick auf die sich damit ergebenden ver-änderten Problemstellungen neu aufgenommen. Gerade diese Teilbereiche im Umfeld der erneuerbaren Energien stellen durch das Schalten von Gleichströmen bezüglich der Si-cherheit der allgemeinen Energieversorgung besonders hohe Anforderungen an die Kon-taktstücke in den jeweiligen Schaltgeräten.

Der Teil 4 „Prüfverfahren“ wurde u. a. durch die völlig neuen Kapitel „ Störlichtbogen“ sowie „Simulation“ ergänzt. Mit Hilfe der Simulation lassen sich u. a. dynamische Prozesse, die z. B. bei Schaltvorgängen und insbesondere im Umfeld elektrischer Kontakte ablaufen, analysieren, Dadurch wird es möglich, z. B. die Zeiten, die üblicherweise für die Neuent-wicklung von Schaltgeräten benötigt werden, zu verringern und gleichzeitig das Volumen des Kontaktmaterials, das für eine zuverlässige Kontaktgabe und Schaltfunktion erforder-lich ist, zu minimieren.

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

Das umfangreiche Stoffvolumen, das sich über 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 Schröder und Dr. rer. nat. Josef Weiser zwei herausragende Fachleute gefunden zu haben, die ihn bei den Arbei-ten unterstützten und durch ihre eigenen Beiträge sowie durch ergänzende Hinweise den Inhalt bereicherten.

Die einzelnen Beiträge geben die Darstellung der Autoren zum jeweils bearbeiteten Fachgebiet wieder. Damit für 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 für ihr Verständnis gedankt.

Der Herausgeber dankt besonders der Geschäftsleitung der Firma DODUCO für die finanzielle Unterstützung bei den umfangreichen Arbeiten für dieses Buch und die Mög-lichkeit, jederzeit auf Einrichtungen in den Laboratorien und verschiedene Kommu-nikationsmittel zurückgreifen zu können. Daneben hat das Unternehmen bereitwillig Fachkräfte und firmeninternes Wissen für die Ausarbeitung von Beiträgen freigestellt. Auch anderen Unternehmen, die ähnliches geleistet haben, sei hiermit ausdrücklich ge-dankt.

In gleicher Weise gebührt Dank dem Förderverein „Kontakte und Schalter e.V.“, der dieses Projekt ebenfalls finanziell unterstützt hat. Eine Reihe von Mitgliedern des Förder-vereins hat darüberhinaus durch Fachartikel zum Gelingen des Buches beigetragen.

XI

Die gegebenen Hinweise und Empfehlungen für die Verwendung elektrischer Kontakte beruhen auf Er-fahrungswerten. Die dargestellten Ergebnisse der verschiedenen Schaltprüfungen entbinden niemanden von seiner Sorgfaltspflicht, beim Einsatz oder Wechsel eines Kontaktwerkstoffes in einem Schaltgerät oder Bauelement die nach einschlägigen Vorschriften erforderlichen Prüfungen durchzuführen

Vorwort

Schließlich sei noch den Mitarbeitern des Springer-Verlages, Berlin und Heidelberg für die gute Zusammenarbeit und die große 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 Schröder

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

4 Spezielle Erscheinungen an elektrischen Kontakten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223Eduard Vinaricky und Isabell Buresch

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 für 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 Kontaktträger- und Leiterwerkstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373Eduard Vinaricky und Isabell Buresch

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

Teil III Technologien für die Herstellung von Kontaktteilen

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

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

15 Bestückungsverfahren für Einzelkontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501Helmut Heinzel und Eduard Vinaricky

16 Kohlebürsten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527Manfred Faber

Teil IV Anwendungsbeispiele für elektrische Kontakte

17 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535Eduard Vinaricky

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

19 Schaltgeräte, elektromechanische Bauelemente und Sicherungen . . . . . . . . . . 603Manfred Lindmayer, Eduard Vinaricky, Frank Berger, Guenter Baujan, Ralph Kriechel, Johann Wolf, Günter Schreiner, Gerhard Schröther, Uwe Maute, Hartmut Linnemann, Ralf Thar, Josef Weiser, Wolfgang Möller und Karl-Heinz Schröder

20 Schaltgerätetechnik für den Einsatz in regenerativen Elektroenergieerzeugungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815Frank Berger

XVInhaltsverzeichnis

Teil V Prüfverfahren für elektrische Kontakte

21 Korrosionsprüfungen für elektrische Kontakte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845Eduard Vinaricky

22 Methoden der Oberflächenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853Eduard Vinaricky

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

24 Prüfverfahren für elektrische Kontakte in der Informationstechnik . . . . . . . 887Josef Weiser

25 Prüfverfahren für elektrische Kontakte in der Energietechnik . . . . . . . . . . . . 901Karl-Heinz Schröder

26 Ausfallursachen lichtbogenbeanspruchter Kontaktstücke . . . . . . . . . . . . . . . . 933Volker Behrens

27 Detektion von Störlichtbögen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 949Frank Berger

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

Teil VI Einsatzbereiche elektrischer Schaltkontakte und ihre Zukunftsperspektiven

29 Anwendnungsbereiche für schaltende Kontake, Werkstoffbestückung und Technologische Gestaltung von Kontaktstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1001Eduard Vinaricky

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

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, überarbeitet von E. Vinaricky1.2 Fremdschichtfreier Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.2.2 Kontaktfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2.3 Kontaktwiderstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.4 Haften und Schweißen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29A. Keil und E. Walczuk, überarbeitet von E. Vinaricky

1.3 Fremdschichtbedeckter Kontakt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 M. Huck und W. A. Merl, überarbeitet 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 ()früher DODUCO GmbH, Pforzheim, Walther-Rathenau-Straße, 75180 Pforzheim, DeutschlandE-Mail: [email protected]

M. Huckfrüher DODUCO GmbH, Pforzheim, Deutschland

†W. A. Merlfrüher DODUCO GmbH, Pforzheim, Deutschland

†A. Keilfrüher TU Karlsruhe und INOVAN, Birkenfeld, Deutschland

E. WalczukTU Lodz, Lodz, Polen

4 E. Vinaricky

1.1 Definitionen

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

Der Begriff „Elektrischer Kontakt“ beschreibt einen Zustand, der durch die stromfüh-rungsfähige Berührung zweier Bauteile entsteht (VDE 0660/12.52). Die Bauteile selbst werden als Kontaktstücke bezeichnet [1, 2]. Im Sprachgebrauch wird allerdings diese be-griffliche Abgrenzung vielfach nicht beachtet. Insbesondere ist es grundsätzlich statthaft, für das Bauteil den kürzeren Begriff „Kontakt“ zu verwenden, wenn bei Wortbildungen aus diesen eindeutig hervorgeht, dass es sich um etwas Gegenständliches, wie Kontaktwerk-stoff, Kontaktniet, Ruhekontakt usw. handelt.

Elektrische Kontakte haben im Wesentlichen folgende Aufgaben zu erfüllen:

• Stromkreisezuöffnenundzuschließen,• imgeschlossenenZustandelektrischeEnergiemöglichstverlustfreibzw.Informationen

weitgehend verzerrungsfrei zu übertragen.

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

Der Begriff „Kontakt“ wird auch in der Halbleitertechnik verwendet. Halbleiter müs-sen zur Erfüllung ihrer Funktion mit Metallen „kontaktiert“ werden. Es handelt sich hier-bei um ruhende Kontaktstellen, die unter Reinraumbedingungen hergestellt werden. Sie unterscheiden sich jedoch grundsätzlich von den in diesem Buch behandelten Metall/Metall-Kontakten. Bezüglich ihrer physikalischen, chemischen und werkstoffspezifischen Eigenschaften sei demnach auf die einschlägige Literatur verwiesen [1–6].

Da Oberflächen von Festkörpern im physikalischen Sinne stets rau sind, d. h. eine An-häufung von Spitzen und Tälern enthalten, beschränkt sich die gegenseitige Berührung der Kontaktstücke auf mikroskopisch kleine Berührungsflächen. Weiterhin ist davon aus-zugehen, dass metallische Oberflächen, ausgenommen bei einigen Edelmetallen, in nor-maler Umgebungsatmosphäre teilweise oder vollständig von mehr oder weniger dicken Fremdschichten, z. B. Oxiden, Sulfiden oder organischen Belägen, bedeckt sind.

Abbildung 1.1 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer solchen rauen, fremdschichtbe-deckten Kontaktoberfläche vor und während der Berührung mit einer ideal glatten Gegen-fläche. Erfolgt das Zusammendrücken beider Kontaktstücke mit einer ausreichend hohen Kraft, so werden die höchsten Mikrospitzen auf der Kontaktfläche zunächst elastisch und mit zunehmender Kraft auch plastisch verformt. Dabei können unter der Wirkung der Kraft Fremdschichten, die auf der Kontaktoberfläche vorhanden sind, aufgerissen und teilweise in benachbarte Täler abgedrängt werden. Es ergibt sich somit ein stationärer 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 Kontaktfläche, insbesondere in den Tälern, findet keine gegenseitige Berührung statt.

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

51 Ruhender Kontakt

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

Bei der Berührung zwischen gewölbten Kontaktstücken tritt, ebenso wie bei flachen Kontaktstücken, keine gleichmäßige Verteilung der sich berührenden Mikrospitzen auf. Als Konturfläche An wird daher die zusammenhängende Fläche bezeichnet, die alle wirk-samen Einzelflächen umschließt. Diese Fläche ist z. B. bei kugelförmig gewölbten Kon-

Abb. 1.2 Schematische Dar-stellung zweier rauer, ebener und welliger Oberflächen in gegenseitigem Kontakt. 1 Konturfläche, 2 scheinbare Kontaktfläche, 3 Mikroflächen ( a-spots), aus denen sich die Kontaktfläche zusammensetzt

Abb. 1.1 Raue, ebene Ober-fläche. a vor und b während der Berührung mit einer ideal glatten, ebenen Fläche. c Darstellung der scheinbaren, tragenden und wirksamen Kontaktfläche (Maßstäbe will-kürlich; gestrichelte Linien sind Höhenlinien)

6 E. Vinaricky

taktstücken oder bei gekreuzten Rundstäben nahezu kreisrund und entspricht etwa der scheinbaren Kontaktfläche As.

Bei der Berührung zweier flacher Kontaktstücke entstehen je nach Oberflächenwellig-keit eine oder mehrere Konturflächen, deren Summe deutlich von der scheinbaren Kon-taktfläche As abweichen kann. Zwischen den beschriebenen Flächen gelten daher folgende Beziehungen:

(1.1)

Über die wirksame Kontaktfläche Aw treten Kontaktstücke in metallische Berührung. Die Störung der Periodizität des Kristallgitters in diesen Grenzflächen ist mit einem zusätz-lichen Widerstand durch Elektronenstreuung verknüpft, der nach einer Abschätzung von Holm [1] in der Größe von 10−8 Ω liegt und an dieser Stelle nicht weiter betrachtet werden soll.

Einen wesentlich größeren Beitrag bezüglich des elektrischen Widerstandes liefert der sog. Engewiderstand RE. Er entsteht bei geschlossenen Kontaktstücken durch die Ein-schnürung der Stromlinien im Bereich der wirksamen Kontaktfläche. Abbildung 1.3 zeigt schematisch diesen Zustand am Beispiel einer kreisförmigen Berührungsfläche zwischen zwei zusammengepressten Kontaktstücken im Vergleich zum Stromlinienverlauf in einem homogenen metallischen Festkörper.

Fremdschichten auf den Oberflächen der Kontaktstücke, die weder mechanisch durch die Wirkung der Kontaktkraft noch elektrisch durch Anlegen einer ausreichend hohen Spannung zerstört werden, stellen bei Stromfluss, sofern sie eine gewisse elektrische Leit-fähigkeit aufweisen, einen zusätzlichen Widerstand, den sog. Fremdschichtwiderstand RF, dar. Die Bedeckung von Kontaktoberflächen in einer normalen Umgebungsatmosphäre reicht hierbei von monomolekularen Adsorptionsschichten von einigen 10−10 m Dicke bis zu > 10−6 m dicken, sichtbaren Korrosionsschichten.

A A Aw n s< ≤ ,

A Aw t≤ .

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

71 Ruhender Kontakt

Die entsprechend der Oberflächenform der Kontaktstücke möglichen Berührungsstel-len tragen demnach in sehr unterschiedlichem Maße zur Stromübertragung bei. Sie lassen sich nach Holm [1] folgendermaßen klassifizieren:

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

dünnen (ca. 2–3 nm) Fremdschicht bedeckt sind, durch die die Leitungselektronen des angrenzenden Werkstoffes verlustlos tunneln können;

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

tion der Kontaktstrecke führen können.

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

(1.2)

wobei die beiden Anteile in erster Näherung von einander unabhängig sind.Die Addition der beiden Größen in (1.2) ist allerdings nicht mehr zulässig, wenn RF

sehr viel größer als RE ist [9]. Die örtliche Kontamination tragender Kontaktflächen mit Deckschichten führt dann zu einer Änderung des Stromverlaufs, der nahezu ausschließ-lich über die wirksamen, d. h. die metallischen und die quasimetallischen Berührungsflä-chen erfolgt. Enge- und Fremdschichtwiderstand sind unter dieser Bedingung nicht mehr als voneinander unabhängige Größen zu betrachten.

Der Kontaktwiderstand ist eine der wichtigsten Kenngrößen eines elektrischen Kon-taktes. Sein Anteil am Gesamtwiderstand eines Stromkreises ist i. d. R. vernachlässigbar gering. Größere Erhöhungen oder starke Schwankungen des Kontaktwiderstandes, z. B. durch Fremdschichten, können jedoch zu erheblichen Störungen und Fehlfunktionen oder gar zum Ausfall eines Gerätes oder einer Anlage führen.

1.2 Fremdschichtfreier Kontakt

1.2.1 Einführung

Oberflächen von Festkörpern sind stets rau und wellig. Selbst die durch mechanische Spal-tung entstandenen Glimmerflächen zeigen Unregelmäßigkeiten in der Größenordnung von 2 · 10−9 m, die von Quarzkristallen bis 10−8 m [10–12].

Sehr glatte Metalloberflächen, die sich durch mechanische Bearbeitung erzielen lassen, weisen einen Mittenrauwert von 2 bis 5 · 10−8 m auf. Die obere Grenze der Rauheit anzu-geben, ist hingegen schwierig (Abb. 1.4).

R R RK E F= + ,

8 E. Vinaricky

Ebenso wie für die Rauheit, ist es auch für die Welligkeit der Oberfläche zweckmäßig, nur einen unteren Wert (einige 10−6 m) zu nennen, da die obere Grenze der Welligkeit zu sehr von dem Verfahren abhängt, das bei der Bearbeitung der Oberfläche verwendet wird. Die Wellenschritte üblicher Kontaktoberflächen liegen meist zwischen 10−3 und 10−2 m.

Die Begriffe für die Gestalt einer Oberfläche 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 Festkörpers durch Unebenheiten und Unrundheiten. Die Gestaltsabweichung 2. Ordnung erfasst die Welligkeit der Oberflächen, die z. B. durch Schwingungen der Werkzeugmaschine oder des Werkzeugs bei der Formgebung hervorgerufen werden. Rillen, die auf die mechani-sche Bearbeitung der Oberflächen, wie Bürsten, zurückgeführt werden, gehören 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-tionsvorgänge oder die Veränderung der Oberfläche durch chemische Einwirkung, wie Beizen oder Korrosion, bewirken ebenfalls eine Veränderung der Oberflächenstruktur. Solche Abweichungen fallen unter die Gestaltsabweichung 5. Ordnung. Physikalische und chemische Vorgänge im Aufbau der Festkörper, Spannungen und Gleitungen im Kristall-gitter, d. h. alle Veränderungen, 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 möglich. Der Begriff „Rauheit“ ist ein Oberbegriff für Gestalts-abweichungen der 3. und 4. Ordnung.

Die Rauheit der Oberfläche ist die Ursache dafür, dass eine metallische Berührung zweier Kontaktstücke nur in diskreten Mikroflächen 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 Konturfläche optisch aufzulösen, wurden unterschiedliche Wege beschritten. Kragelskii und Demkin [14] sowie Gitzendanner [15] brachten das zu untersuchende Kontaktstück mit der extrem ebenen Fläche eines Glasblocks in Berührung und beleuchteten die Mikroflächen durch einen seitlich einfallenden Lichtstrahl. Johannet [16] wies die Mikroflächen mit Hilfe von Neutronenstrahlen nach, die über die tragende Kontaktfläche transmittiert, in den übrigen Bereichen der scheinbaren Oberfläche absor-biert wurden.

Ein Beispiel für eine Konturfläche ist in Abb. 1.6 zu sehen [17]. Hierbei wurde ein in einem Grafit-Zylinder befindlicher Kontaktniet aus Silber durch ein Goldklötzchen me-chanisch belastet und anschließend die gesamte Anordnung einer hohen Temperatur aus-gesetzt. An den tragenden Berührungsstellen 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 Kontaktoberfläche erfolgte, erscheinen diese Flächen vergrößert.

1.2.2 Kontaktfläche

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 Berührungs-fläche der Kontaktstücke unter Wirkung einer Kraft eingeebnet wird. Danach steigt der Druck in der Berührungszone soweit an, dass die Mikrospitzen auseinander fließen und die dazwischen liegenden Täler ausfüllen. Es entsteht so eine zusammenhängende, tra-gende Kontaktfläche. Dieses vereinfachte Bild muss nach weiteren Untersuchungen modi-fiziert werden. Abbildung 1.7 zeigt den Eindruck einer Stahlkugel in eine weichgeglühte

Abb. 1.7 Abgetastetes Profil eines Brinell-Härteeindrucks in einer weichgeglühten Gold-probe [20]

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

10 E. Vinaricky

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

Bei den experimentellen Untersuchungen und den theoretischen Überlegungen bzgl. der Kontaktgabe bei flächenförmigen und gewölbten Kontaktstücken werden meist fol-gende Annahmen getroffen:

• EineKontaktflächeistentwederidealebenundrauoderwelligundrau;dieGegenflä-che ideal eben, glatt und hart;

• beideKontaktflächensindrau,jedochidealeben;• beideKontaktflächensindgewölbt,z. B.kugelförmigundentwederbeiderauoderaber

eine davon ideal glatt und hart;• eineKontaktflächeistgewölbt,z. B.kugelförmigundrau;dieGegenflächeidealglatt,

eben und hart.

Wird eine raue Fläche gegen eine ideal glatte, ebene Fläche gepresst, so erfolgt die Berüh-rung zuerst an den höchsten Spitzen. Werden hingegen zwei raue Flächen gegeneinander gepresst, kann dies nicht vorausgesetzt werden, da eine hohe Spitze auf der einen Fläche zufällig auf ein Tal der gegenüberliegenden Fläche treffen kann. Bei der Berührung 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 zunächst elastisch und dann meist auch plastisch verformt, was bei Kontaktwerkstoffen üblicherweise zu einer Kaltverfestigung führt. 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 können sich die beiden Oberflächen weiter annähern. Dadurch können weitere Spitzen in gegen-seitige Berührung treten. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis ein Gleichgewicht zwischen äußeren und inneren Kräften hergestellt ist, bei dem die mechanische Kontaktbelastung zu einer elastischen Verformung führt.

Bezogen auf einen einzelnen Mikrokontakt gibt es für den Kontaktdruck einen kri-tischen Wert, bei dem ein Übergang von elastischer zu plastischer Verformung erfolgt. Wann dieser Übergang bei einem Werkstoff stattfindet, hängt in erster Linie von den Werk-stoffgrößen, wie Mikrohärte und Elastizitätsmodul, den topographischen Parametern, wie Höhe, Scheitelwinkel und Kuppenradius der Mikrospitzen sowie von der Temperatur und der Kristallstruktur ab. Die sich aufgrund der Vielzahl der Berührungsstellen zweier Kon-taktstücke einstellenden Anteile an elastischer und plastischer Verformung werden durch diese Werte sowie die räumliche Dichte der Berührungsstellen festgelegt.

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

111 Ruhender Kontakt

sich an Flächenkontakten nicht sichtbar machen; erkennbar war er bei dem in Abb. 1.7 dargestellten Beispiel beim Einwirken einer Stahlkugel auf eine weichgeglühte Goldpro-be. Die auf die abgeflachten Mikrospitzen wirkenden Kräfte führten zu einem plastischen Fließen im Innern des Werkstoffes.

Die bisherige Beschreibung gilt für ebene und gewölbte Kontaktflächen. Bei letzteren tritt eine verstärkte Wechselwirkung oberflächennaher Bereiche auf. Die durch die Wöl-bung der Kontaktflächen bevorzugt in Berührung tretenden Mikrospitzen verändern auch die Höhenlage benachbarter, unbelasteter Spitzen [21, 22]

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

Uppal, Probert und Thomas [23] ermittelten mittels der optischen Interferenzmethode nach Normarski [24] Anzahl, Größe und Verteilung der Mikrokontaktflächen bei einer Werkstoffpaarung Aluminium gegen Stahl in Abhängigkeit von der Kraft. Innerhalb des Lastbereichs von 0,1 bis 100 N wurde ein beträchtliches Anwachsen der Anzahl Nges der Einzelflächen beobachtet. Da ein Teil dieser Flächen bei hohen Kräften zusammenwächst, durchläuft ihre Nettozahl Nnet ein Maximum (Abb. 1.8).

Der mittlere Radius a der Mikroflächen ändert sich bei niedrigen Kräften nur unwe-sentlich, da die Vergrößerung der bestehenden Mikroflächen durch die neu hinzutreten-den, kleineren kompensiert wird. Das starke Anwachsen des mittleren Radius bei höheren Kräften ist eine Folge des Zusammenfließens von Mikroflächen, bei denen bisher keine

Abb. 1.8 Mittlerer Radius a und Zahl der Einzelflächen N in Abhängigkeit von der Kontaktkraft für Aluminium gegen Stahl. Nges Gesamt-zahl der Mikroflächen, Nnet Nettozahl der Flächen nach deren Zusammenwachsen bei höheren Kräften [23]

12 E. Vinaricky

Berührung mit dem Partner bestand. Greenwood und Williamson [21] stellten fest, dass eine erhebliche Vergrößerung des mittleren Radius der Berührungsflächen auftritt, wenn der Druck (Kraft/scheinbare Fläche) mit der Härte 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,GrößeundVerteilungderMikrokontaktflächenausKon-taktkraft, Form und Eigenschaften der Kontaktstücke;

• dieBerechnungdesKontaktwiderstandes (Engewiderstandes) aus Anzahl, Größe und Verteilung dieser Mikrokontaktflächen.

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

Die Modelltheorien gehen von hypothetischen Oberflächen mit mathematisch gut er-fassbaren Formen der Mikrospitzen, wie Kugelkalotten, Kegel oder Zylinder aus. Diese können sich zwar in ihrer Höhe unterscheiden, die Höhenverteilung der Spitzen muss je-doch einer mathematischen Funktion folgen. So werden z. B. konstante Höhen vorausge-setzt oder lineare, exponentielle oder Gauß’sche Verteilungen zugrunde gelegt. Berechnet wird beispielsweise die Deformation der angenommenen Modellgeometrie bei der Berüh-rung mit einer ideal ebenen, glatten und starren Fläche in Abhängigkeit von der Kontakt-kraft. Anzahl, Größe und Verteilung der Berührungsflächen werden mit den Ergebnissen experimenteller Untersuchungen verglichen.

Die Profilometrische Theorien gehen demgegenüber von der experimentell ermittelten Topographie der Kontaktoberfläche aus. Abbildung 1.9 zeigt das Ergebnis einer profilo-metrischen Messung an einer Goldprobe [25]. Aufgetragen wurde die Summenhäufigkeit der Höhen von Mikrospitzen oberhalb einer Bezugsebene. Der Kurvenverlauf weist auf

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

131 Ruhender Kontakt

eine Gauß’sche Verteilung der Höhen hin. Falls für die Geometrie der Mikrospitzen keine Vorzugsrichtung besteht, was z. B. bei einer mechanischen Bearbeitung der Oberflächen gegeben wäre, kann nach Greenwood und Williamson [21] aus der Gauß’schen Verteilung der tragenden Kontaktfläche auf eine Gauß’sche Höhenverteilung der Mikrospitzen ge-schlossen werden.

Zur Berechnung der tragenden Kontaktfläche wird im Rahmen der profilometrischen Theorien von realen Oberflächen ausgegangen. Vereinfachungen werden erst bei der Lö-sung der analytischen Ausdrücke vorgenommen. Auch auf diesem Wege können Anzahl, Größe und Verteilung der Einzelflächen ermittelt werden. Sowohl bei den Modelltheorien als auch den profilometrischen Theorien werden üblicherweise die für die verschiedenen Kontaktwerkstoffe beobachteten Grenzfälle rein elastischer oder rein plastischer Verfor-mung angenommen.

Die Anwendung der Hertz’schen Theorie für elastische Körper [26], die Holm [1] für die gesamte Kontaktfläche zugrunde gelegt hatte, war ein Weg zur Beschreibung des Verfor-mungsverhaltens der einzelnen Mikrospitzen. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Kontakt-stücke, die sich über die Mikrospitzen berühren, ausschließlich elastisch verformt werden. Für den Radius a einer als kreisförmig angenommenen Mikrofläche ergibt sich danach eine Abhängigkeit von der Kontaktkraft gemäß:

(1.3)

mit

a = Radius der kreisförmigen BerührungsflächeF = Kontaktkraft;1,2 = Poisson-Koeffizienten der beiden Kontaktwerkstoffe;E1,2 = Elastizitätsmoduli der beiden Kontaktwerkstoffe,r1,2 = Radien der beiden Mikrospitzen.

Dabei gelten für verschiedene Radien r1, r2 und Elastizitätsmodule E1, E2:

(1.4)

(1.5)

Unter Einbeziehung der statistischen Höhenverteilung der Mikrospitzen kann die tragen-de Kontaktfläche berechnet werden. So vereinfacht sich die Formel (1.3) für die Edelmetal-

aFr

EF=

3

41 2

1 2

3 1 3,

,

/~

rr r1,21 2

11 1

= +

EE E1,2

1 2

11 1

= +

14 E. Vinaricky

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

(1.6)

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

(1.7)

Die Anwendung der Hertz’schen Theorie auf elektrische Kontakte beinhaltet jedoch zwei Schwierigkeiten [27]:

• DieFlächederMikrokontakte ist vomRadiusderMikrospitzenabhängig,der i.allg.nicht bekannt ist;

• diedenmeistenExperimentenbeinichtzuhohenKräftenentnommeneProportionali-tät zwischen tragender Kontaktfläche und Kontaktkraft wird durch (1.2) nicht bestätigt.

Archard [28] schlug daher die Anwendung der Hertz’schen Theorie auf ein erweitertes Modell vor, in dem jede Spitze mit Mikrospitzen und jede Mikrospitze mit Mikro-Mik-rospitzen behaftet ist. Dies führte zu einer weiteren Annäherung an die Proportionalität zwischen tragender Kontaktfläche und Kontaktkraft.

Bei der Anwendung der Hertz’schen Theorie blieb die Frage offen, ob eine Zunahme der Kontaktkraft neue Mikroflächen erzeugt oder die bereits existierenden lediglich ver-größert. Wenn durch neu hinzukommende Mikroflächen der mittlere Flächenradius kon-stant bleibt, ändert sich die tragende Kontaktfläche linear mit der Kontaktkraft.

Auch wenn die Kontaktfläche durch plastisches Fließen der Mikrospitzen gekennzeich-net ist, bleibt diese Proportionalität zwischen tragender Kontaktfläche und Kontaktkraft bei nicht zu hohen Kontaktkräften erhalten. Dies zeigt der experimentell ermittelte Kur-venverlauf in Abb. 1.8. Danach bleibt der mittlere Flächenradius über einen weiten Bereich der Kontaktkraft nahezu konstant [23]. Erst wenn die Mikrospitzen bei hohen Kontakt-kräften über die oberflächennahen Bereiche in verstärkte Wechselwirkung treten, wird ein Abweichen von dieser Proportionalität beobachtet.

Von Uppal und Probert [29, 30] stammt der in Abb. 1.10 dargestellte Zusammenhang zwischen At/As und P/M, der für Aluminium gegen Stahl ermittelt wurde. Hierin stellen P den Kontaktdruck (Kontaktkraft/scheinbare Kontaktfläche) und M die Kontakthärte dar, die nach Holm in erster Näherung der Brinellhärte des entsprechenden Werkstoffes ent-spricht. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit einer von Williamson et al. [31] er-mittelten theoretischen Darstellung verglichen. Auffällig ist dabei das Abweichen von der Linearität, das bei größeren Kräften 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

ständlich. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Bereiche der scheinbaren Kontaktflä-che, die sich nicht gegenseitig berühren, bei der plastischen Verformung der Mikrospitzen gleichförmig angehoben werden. Experimentell konnte zwar eine Niveauanhebung beob-achtet werden, die aber für tiefe Täler wesentlich geringer war als für flache [32].

Während nach Uppal und Probert das Kontaktverhalten vor allem von den Werkstoff-größen abhängt, führten Greenwood und Williamson [21, 22] in ihrer Modelltheorie des elastischen Kontaktes die Kontakteigenschaften in erster Linie auf die statistische Vertei-lung der Höhen der Mikrospitzen und erst danach auf die Art der Verformung der Mikro-spitzen zurück. Sie definierten einen sog. Plastizitätsindex , der aussagt, ob Oberflächen bei der Berührung überwiegend plastisch oder elastisch verformt werden. Dieser Plasti-zitätsindex hängt von Werkstoffgrößen, wie Härte H, Elastizitätsmodul E und Poisson-Koeffizient v sowie den topographischen Parametern, wie mittlerer Radius ß der Kuppen der Mikrospitzen und mittlere Streuung (Standardabweichung) der Höhen der Mikro-spitzen, ab:

Es gilt die Beziehung:

(1.8)

mit

(1.9)

Oberflächen mit Werten des Plastizitätsindex ψ > 1, die beim Einsatz der Kontaktstücke in Schaltgeräten überwiegen, weisen danach auch bei geringsten mechanischen Belastungen plastische Verformungen auf. Dagegen werden Flächen mit ψ < 0,6 auch bei hohen Be-lastungen elastisch verformt, was z. B. durch Polieren erreicht wird. Im Zwischenbereich 0,6 < ψ < 1 hängt es weitgehend von der Höhe der Kontaktkraft ab, ob die elastische oder plastische Verformung überwiegt. Die Annahme von Greenwood, dass die Größe des mitt-

/ /ψ β σ= ′H E

1 1 11

1

2

2′=

−+

−E E E

ν ν.

Abb. 1.10 Abhängigkeit des Verhältnisses der tragenden Kontaktfläche At zur schein-baren Kontaktfläche As vom Verhältnis des Kontaktdrucks P (Kontaktkraft/scheinbare Kontaktfläche) zur Kontakt-härte M für Aluminium gegen Stahl [29]

16 E. Vinaricky

leren Radius der Kuppen der Mikrospitzen maßgebend für eine überwiegend plastische oder elastische Verformung ist, wird von Hisakado [33, 34] experimentell bestätigt. Er untersuchte den Einfluss unterschiedlicher Kuppenradien auf das Verformungsverhal-ten der Mikrogeometrie. Die theoretischen und experimentellen Ergebnisse wurden an Modelloberflächen sowie an realen, rauen Oberflächen gewonnen, die mit ideal glatten Gegenflächen in Berührung standen.

Schon vor längerer Zeit betrachteten Kragelskii und Demkin [35] Modelloberflächen, die mit ideal glatten Gegenflächen in Berührung 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 Fließverhalten hin.

Die Berührung zwischen zwei rauen Oberflächen 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 kegelförmigen Mikrospitzen aus, für die er lineare, exponentielle und Gauß’sche Hö-henverteilungen zugrunde legte. Ling wies auf die unterschiedliche Abhängigkeit zwischen Kontaktkraft und Annäherung zweier rauer und einer rauen gegen eine glatte Oberfläche hin. Nuri und Halling [38] ermittelten der Anteil an elastischer und plastischer Verfor-mung der Mikrospitzen bei Annäherung zweier Kontaktstücke (Abb. 1.11a und b).

Greenwood und Tripp [39] erweiterten die Betrachtungen von ebenen auf gewölbte Oberflächen. Sie erörterten das Berührungsverhalten einer geringfügig gewölbten, kugel-förmigen rauen Oberfläche gegen eine stärker gekrümmte glatte Gegenfläche. In Abb. 1.12 ist die berechnete Hertz’sche und die nach ihrer Theorie ermittelte Druckverteilung für kleine b) und große c) Kontaktkräfte aufgetragen. Während nach der Hertz’schen Theo-rie der Druck eine scharf umrissene Kontaktfläche erfasst, fällt die Druckverteilung nach Greenwood und Tripp allmählich zum Rande hin ab.

Insbesondere bei niedrigen Kontaktkräften ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass sich Mikrospitzen auf den gewölbten Kontaktstücken in größerem Abstand als dem Hertz’schen Radius berühren. Abbildung 1.12c verdeutlicht, dass die Hertz’sche Theorie für Oberflä-

Abb. 1.11 Annäherung von Stahl-Kontaktflächen unterschiedlicher Rauheit, abhängig von der Kon-taktkraft. a Ra = 0,15 µm. b Ra = 5,7 µm [38]

171 Ruhender Kontakt

chen geringer Rauheit und für Kontaktstücke, die durch hohe Kontaktkräfte beansprucht werden, eine gute Näherung darstellt. Für den zuletzt genannten Fall spielt die Oberflä-chenrauheit – durch Schraffur gekennzeichnet – nur eine untergeordnete Rolle. Der von Greenwood und Williamson definierte sog. effektive Radius, der ein Maß für die Druck-verteilung gewölbter Kontaktstücke ist, wird in Abb. 1.13 in Abhängigkeit von der Kon-taktkraft dargestellt. Nach diesen theoretisch ermittelten Kurven nimmt der effektive Ra-dius im unteren Kraftbereich mit wachsender Rauheit zu und nähert sich bei größeren Kontaktkräften dem Hertz’schen Radius. Diese Aussagen stehen jedoch im Widerspruch zu experimentellen Untersuchungen von Höft [40]. Er wies nach, dass der effektive Radius – als wahrer Berührungsradius bezeichnet – mit wachsender Rauheit abnimmt.

Abb. 1.13 Effektiver Radius einer kreisförmigen Berüh-rungsfläche in Abhängigkeit von der Kontaktkraft für ideal glatte Oberflächen (nach Hertz) und für raue Oberflä-chen unterschiedlicher Rauheit σ (nach Greenwood) [39]

Abb. 1.12 Raue, schwach gewölbte Oberfläche in Berüh-rung mit einer ideal glatten, stärker gewölbten Gegenflä-che (a). berechnete reale und Hertzsche Druckverteilung bei geringen (b) und hohen Kontaktkräften (c) [39]

18 E. Vinaricky

1 = Stromlinie2 = Äquipotenzialfläche

Zu den bereits genannten Arbeiten können noch weitere hinzugefügt werden, wie die von Rubenstein [41], Kragelskii [10], Kimura [42], Busch, Gibson und Thomas [43] sowie Chivers, Mitchell und Rowe [44], auf deren spezielle Ansätze 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 Kontaktfläche unter Einbeziehung der Werkstoffeigenschaften und der topographischen Parameter. Die Kenntnis der tragenden Kontaktfläche ist dabei die Voraussetzung für die Berechnung des Engewiderstandes bei fremdschichtfreien Kontaktstücken.

1.2.3 Kontaktwiderstand

1.2.3.1 Engewiderstand von MikroflächenIn den bisherigen Abschnitten wurde davon ausgegangen, dass Metalloberflächen grund-sätzlich rau sind und die Geometrie der tragenden Kontaktflächen unter der Wirkung der Kontaktkräfte, die bei Kontaktstücken im Einsatzfall üblich sind, nicht so weit verändert wird, dass eine gleichmäßig ausgefüllte Kontaktfläche entsteht. Der Stromübergang erfolgt daher über eine Vielzahl, meist ungleichmäßig verteilter Mikroflächen, deren Anzahl, Größe und Verteilung von der Form der Kontaktstücke, der Kontaktkraft, der Temperatur, dem Kristallgitter sowie den Werkstoffeigenschaften und den topographischen Parame-tern abhängt.

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

Danach gilt für den Engewiderstand RE einer Berührungsfläche die Beziehung:

(1.10)RaE =ρ2

Abb. 1.14 Ellipsenmodell nach Holm [1]