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Magnetismus in der Praxis – Relais-Basiswissen, Teil 6

| Autor / Redakteur: Olaf Lorenz * / Kristin Rinortner

Im sechsten Teil unserer Serie zu Relais gehen wir näher auf die Kontaktmaterialien ein: Was bedeuten Kontaktwiderstand, Verschweißfestigkeit, Abbrandfestigkeit und Abriebfestigkeit?

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(Bild: Sabina Ehnert )

Der Schaltkontakt ist das Herzstück eines elektromechanischen Relais. Der Kontakt schaltet die Last ein und aus und er führt im geschlossenen Zustand den Strom. Relais werden in äußerst unterschiedlichen Anwendungen mit ebenso diversen Anforderungen eingesetzt. Dementsprechend vielfältig können auch die in Frage kommenden Kontaktwerkstoffe sein.

Ausschlaggebend für die Wahl des Kontaktmaterials sind im Wesentlichen der Kontaktwiderstand, die Verschweißfestigkeit, die Abbrandfestigkeit, die Abriebfestigkeit, die Verarbeitbarkeit und die Kosten.

Kriterien zur Auswahl des Kontaktwerkstoffs

Ein universeller Kontaktwerkstoff, der für alle Anwendungen eingesetzt werden könnte, existiert nicht.

Kontaktwiderstand: Der Kontaktwiderstand sollte möglichst gering sein, um die Verlustleistung des Lastkreises zu minimieren. Das Metall mit dem geringsten spezifischen Widerstand bei Raumtemperatur ist Silber und daher als Basismaterial auch am häufigsten anzutreffen.

Silber hat die Eigenschaft, in normaler Atmosphäre Sulfid- und Oxidschichten zu bilden. Diese können zu hohen und nichtlinearen Widerständen führen. Für niedrige Lasten (z.B. Signale) werden daher goldplattierte Kontakte oder auch Goldlegierungen eingesetzt.

Eine weitere Materialoption für niedrige Lasten ist Palladium (auch als Silberlegierung AgPd), das allerdings einen deutlich höheren spezifischen Widerstand besitzt. Kupfer hat einen nur etwa 8% höheren spezifischen Widerstand als Silber und ist deutlich preiswerter.

Allerdings kann Kupfer in normaler Atmosphäre stabile Oxidschichten bilden und die Verschweißfestigkeit ist sehr gering. Kupferkontakte werden daher hauptsächlich in Schützen mit Schutzgasfüllung, ausreichend hohen Aufreißkräften und bei sehr hohen Lastströmen eingesetzt.

Verschweißfestigkeit: Beim Einschalten von Lastströmen kann es durch einen Lichtbogen (beispielsweise durch prellende Kontakte) zu einem Verkleben, bzw. Verschweißen der Kontakte kommen. Die Haftkraft der Kontakte hängt vom Einschaltstrom, der Lastspannung und dem Kontaktmaterial ab.

Die Verschweißfestigkeit ist ein qualitatives Maß dieser Eigenschaft. Je niedriger die Haftkraft desto besser ist die Verschweißfestigkeit. Die Verschweißfestigkeit von Silber kann durch die pulvermetallurgische Mischung mit anderen Metalloxiden verbessert werden.

Früher wurde häufig Silbercadmiumoxid AgCdO eingesetzt. Die EU-Richtlinie RoHS (Restriction of Hazardous Substances) beschränkt den Einsatz von Cadmium. Für spezielle Anwendungen gibt es derzeit noch Ausnahmeregelungen für den Einsatz von Cadmium in Schaltkontakten. Heute sind Silberzinnoxide (AgSnO2) für Anwendungen, die eine gute Verschweißfestigkeit fordern, weit verbreitet.

Abbrandfestigkeit: Beim Ausschalten von Lasten entsteht abhängig vom Strom, von der Spannung und dem Kontaktmaterial ein Lichtbogen, der Material aus dem Kontakt herauslösen kann. Dieser Materialverlust begrenzt die elektrische Lebensdauer und kann die Isolationsfestigkeit reduzieren.

Die Abbrandfestigkeit ist ein qualitatives Maß für diesen Materialverlust. Die Abbrandfestigkeit von Silber lässt sich durch das Legieren mit Kupfer (Hart-Silber) oder Nickel verbessern. Auch der Zusatz von geringen Mengen Indium- oder Wolframoxid zu Silberzinnoxid kann die Abbrandfestigkeit verbessern. Die Hersteller von Schaltkontakten haben speziell in diesem Bereich in den letzten Jahren zahlreiche neue Materialzusammensetzungen erforscht. Wolfram hat eine sehr gute Verschweiß- und Abbrandfestigkeit, allerdings auch einen mehr als dreimal so hohen spezifischen Widerstand wie Silber.

Für spezielle Anwendungen werden in seltenen Fällen sogenannte Wolframvorlaufkontakte eingesetzt. Dabei ist ein Doppelkontaktsystem so aufgebaut, dass der Wolframkontakt die Last einschaltet und der Hauptkontakt (meist auf Silber-Basis) kurz danach die Last übernimmt. Beim Trennen öffnet zuerst lastfrei der Hauptkontakt und danach der Wolframkontakt.

Abriebfestigkeit: Das mechanische Schließen der Kontakte sowie die Relativbewegungen (Reiben) beim Schließen und Öffnen führen zu einem Abrieb von Kontaktmaterial. Die losen Metallpartikel verringern die Isolationsfestigkeit. Auch die Abriebfestigkeit ist ein qualitatives Maß für den Materialverlust. Bei mittleren bis hohen Lasten hat die Abbrandfestigkeit den größeren Einfluss in Bezug auf den Materialverlust.

* Olaf Lorenz arbeitet als Applikationsingenieur bei TE Connectivity in Berlin.

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