Da Schütze immer kompakter werden und die Anforderungen an die elektrische Belastbarkeit steigen, müssen ihre
Kontaktmaterialien höheren Strömen und Zehntausenden oder sogar Hunderttausenden von Schaltvorgängen standhalten. Unter diesen Bedingungen können Kontaktverschweißungen, Materialübertragung, Lichtbogenerosion und Oberflächenrisse zu vorzeitigem Ausfall führen.
Silber-Nickel (AgNi) wird aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit, seines stabilen Kontaktwiderstands, seiner Beständigkeit gegen Lichtbogenerosion und seiner Eignung für die Massenproduktion häufig in Niederspannungsschaltgeräten eingesetzt. Herkömmliches AgNi10 und AgNi12 bieten jedoch möglicherweise nicht die erforderliche Lebensdauer für moderne
HLK-Schütze mit höheren Nennströmen und längeren Anforderungen an die Standzeit.
Eine Erhöhung des Nickelgehalts mag zwar eine einfache Lösung sein, doch Tests zeigen, dass
mehr Nickel nicht zwangsläufig zu einer besseren Gesamtleistung führt .
Der Kompromiss hinter dem höheren Nickelgehalt
Nickel hat einen deutlich höheren Schmelzpunkt als Silber. Eine Erhöhung des Nickelanteils in einem AgNi-Werkstoff kann daher die Beständigkeit gegen Schmelzen und Kontaktschweißen verbessern.
Ein höherer Nickelgehalt beeinflusst jedoch auch andere Eigenschaften:
- Der elektrische Widerstand steigt
- Härte und Zugfestigkeit steigen
- Zum Öffnen verschweißter Kontakte kann mehr Kraft erforderlich sein.
- Das Material kann unter wiederholter Lichtbogenbelastung anfälliger für Oberflächenrisse und Porosität werden.
Die optimale Rezeptur muss daher Schweißbeständigkeit, Leitfähigkeit, mechanische Festigkeit, Lichtbogenstabilität und Erosionsverhalten in Einklang bringen, anstatt einfach den Nickelgehalt zu maximieren.
Vergleich verschiedener AgNi-Formulierungen
In einer vergleichenden Studie wurden sechs AgNi-Formulierungen mit unterschiedlichem Nickelgehalt und Spurenzusätzen untersucht.
Zusammensetzungen der AgNi-Kontaktmaterialien (Gew.-%):
| Probe |
In |
T₁ |
T₂ |
Bei |
| 1# |
10 |
0,5–1,0 |
0 |
Gleichgewicht |
| 2# |
12 |
0,5–1,0 |
0 |
Gleichgewicht |
| 3# |
15 |
0,5–1,0 |
0 |
Gleichgewicht |
| 4# |
17 |
0,5–1,0 |
0 |
Gleichgewicht |
| 5# |
20 |
0,5–1,0 |
0 |
Gleichgewicht |
| 6# |
15 |
0,5–1,0 |
0,3–0,5 |
Gleichgewicht |
T₁ ist ein Benetzungshilfsmittel, das die gleichmäßige Verteilung von geschmolzenem Silber verbessert und die Bildung von Rissen und Hohlräumen hemmt. T₂ ist ein sprödes Additiv, das die mechanische Festigkeit von Schweißverbindungen reduziert und so das Trennen der Kontakte erleichtert.
Alle sechs Materialien wurden mit demselben Pulvermisch-, Sinter-, Extrusions- und Drahtziehverfahren hergestellt. Anschließend wurden sie zu
Nietkontakten mit identischen Abmessungen geformt.
Die simulierten elektrischen Testbedingungen waren:
- Spannung: 220 V Wechselstrom
- Stromstärke: 30 A
- Last: ohmsch
- Betriebsfrequenz: 1.200 Vorgänge/Stunde
- Einschaltdauer: 20 %
- Kontaktkraft: 0,98 N
- Testphasen: 50.000 und 100.000 Operationen
Die Leistungsfähigkeit wurde anhand des elektrischen Widerstands, der Härte, der Zugfestigkeit, der Kontaktmassenänderung, der Lichtbogenenergie, der Schweißnahtbruchkraft – der Kraft, die zum Öffnen der Schweißkontakte erforderlich ist – und der Oberflächenmorphologie nach der Prüfung bewertet.
Da der Labortest mit einer Widerstandslast durchgeführt wurde, diente er primär einem kontrollierten Vergleich der verschiedenen Rezepturen. Eine Validierung auf Komponentenebene unter anwendungsspezifischen Kompressorschaltbedingungen war daher weiterhin erforderlich.
Wichtigste Erkenntnisse
Alle sechs Proben absolvierten 50.000 Schaltvorgänge ohne Kontaktausfall.
Kontaktmassenverlust, Schweißnahtbruchkraft und Lichtbogenenergie nach 50.000 Schaltvorgängen:
| Probe |
Massenverlust durch beweglichen Kontakt
×10⁻³ g |
Massenverlust bei stationärem Kontakt
×10⁻³ g |
Mittlere Schweißnahtbruchkraft
× (9,8 × 10⁻³) N |
Maximale Schweißnahtbruchkraft
× (9,8 × 10⁻³) N |
Mittlere Lichtbogenenergie (mJ) |
Maximale Lichtbogenenergie (mJ) |
| 1# |
−0,5 |
1.1 |
8 |
212 |
976 |
2.695 |
| 2# |
0,7 |
1 |
8.8 |
202 |
1.127 |
2.605 |
| 3# |
0,3 |
0,8 |
9,9 |
207 |
1.063 |
2.652 |
| 4# |
1.7 |
2.1 |
11.33 |
200 |
1.189 |
3.301 |
| 5# |
2.1 |
2.8 |
13,91 |
177 |
1.321 |
3.769 |
| 6# |
0,2 |
0,9 |
8.1 |
173 |
1.049 |
2.599 |
Hinweis: Ein negativer Massenverlustwert deutet auf eine Massenzunahme durch Materialtransfer hin.
Niedrigerer Nickelgehalt erhöht die Schweißrisiken
Die AgNi10-Formulierung wies nach 50.000 Schaltvorgängen eine relativ kleine Schmelzfläche und geringe sichtbare Erosion auf. Der bewegliche Kontakt nahm jedoch an Gewicht zu, da Material vom stationären Kontakt übertragen wurde.
Dies deutete darauf hin, dass das Material mit dem niedrigeren Nickelgehalt leichter schmolz. Beim Öffnen des Kontakts haftete geschmolzenes Material vom stationären Kontakt am beweglichen Kontakt.
Eine relativ glatte Kontaktoberfläche oder ein geringer sichtbarer Massenverlust bedeuten daher nicht zwangsläufig eine bessere Leistung. Materialübertragung kann ein zugrundeliegendes Schweißrisiko aufzeigen, das letztendlich zum Verkleben des Kontakts führen kann.
Im erweiterten Test mit 100.000 Schaltvorgängen versagte die AgNi10-Formulierung schließlich aufgrund unzureichender Schweißbeständigkeit.
Ein zu hoher Nickelgehalt verursachte Risse und instabile Lichtbögen.
Formulierungen mit einem Nickelgehalt von ca. 17–20 % wiesen nach wiederholtem Umschalten vermehrt sichtbare Oberflächenrisse und Poren auf. Die Formulierung mit 20 % Ni zeigte die stärkste Rissbildung.
SEM-Aufnahmen der Kontaktflächen von Probe 4 nach 50.000 Betätigungen (500×)
SEM-Aufnahmen der Kontaktflächen von Probe 5 nach 50.000 Betätigungen (500×)
Diese Defekte können die Lichtbogenbewegung über die Kontaktfläche behindern und somit die Wahrscheinlichkeit von Lichtbogenwiederzündungen oder anhaltender Lichtbogenbildung erhöhen. Bei den hoch-Nickel-haltigen Formulierungen zeigte sich im Verlauf der Tests ein deutlicher Anstieg der Lichtbogenenergie.
Entwicklung der Lichtbogenenergie während des Tests nach 50.000 Schaltvorgängen
Sie wiesen zudem stärkere Erosion und höhere Schweißnahtbruchkräfte auf. Im Test mit 100.000 Schaltzyklen versagte die Legierung mit 20 % Ni am frühesten, da Oberflächenrisse und wiederholte Lichtbogenbildung die Kontaktverschlechterung beschleunigten.
Diese Ergebnisse zeigen, dass ein erhöhter Nickelgehalt allein keine längere elektrische Lebensdauer garantiert.
Ein Nickelanteil von etwa 15 % ergab das beste Gesamtgleichgewicht.
Unter den getesteten Werkstoffen bot eine Formulierung mit ca. 15 % Nickel das beste Verhältnis zwischen Schweißbeständigkeit und Lichtbogenstabilität.
Die Zugabe einer geringen Menge eines spröden Materials verringerte die mechanische Festigkeit temporärer Schweißverbindungen weiter. Im Vergleich zu einer ähnlichen Formulierung ohne Zusatzstoff wies der optimierte Werkstoff eine geringere und weniger variable Schweißnahtbruchkraft auf.
Er zeigte zudem die geringste Variabilität der Lichtbogenenergie, was auf ein gleichmäßigeres Schaltverhalten hindeutet. Die optimierte Formulierung absolvierte 100.000 simulierte Schaltvorgänge ohne Kontaktausfall.
Ergebnisse des erweiterten elektrischen Dauertests (Ziel: 100.000 Schaltvorgänge):
|
Probe 1 |
Beispiel 5 |
Probe 6 |
| Operationen abgeschlossen |
96.087 |
78.609 |
100.000 |
| Fehlermodus |
Schweißfehler |
Anhaltender Lichtbogen/Kurzschluss |
Keiner |
| Testergebnis |
Fehlgeschlagen |
Fehlgeschlagen |
Passieren |
Validierung unter AC-8b-Bedingungen
Die optimierte AgNi-Formulierung wurde anschließend von mehreren Herstellern von HLK-Schützen unter anwendungsspezifischeren Bedingungen evaluiert:
- Bemessungsbetriebsstrom: 25 A
- Nutzungskategorie: AC-8b
- Erforderliche elektrische Lebensdauer: 100.000 Schaltzyklen
Das Material hat die erforderlichen elektrischen Dauerfestigkeitsprüfungen erfolgreich bestanden.
In früheren Versuchen unter vergleichbaren Bedingungen traten bei Referenzmaterialien mit niedrigerem Nickelgehalt nach etwa 60.000 bis 80.000 Schaltvorgängen Kontaktverklemmungen oder andere Ausfälle auf. Die optimierte Zusammensetzung bietet daher ein zuverlässigeres Verhältnis von Schweißfestigkeit, Lichtbogenstabilität und Langzeitbeständigkeit.
Was bedeutet das für die Auswahl von AgNi-Materialien?
Die Studie liefert drei praktische Lehren für die Auslegung von HLK-Schützen:
1. Den Nickelgehalt optimieren, anstatt ihn zu maximieren.
Ein zu geringer Nickelgehalt kann das Schweißen und den Materialübergang verstärken, während ein zu hoher Nickelgehalt zu Rissbildung, instabiler Lichtbogenbildung und höheren Schweißnahtbruchkräften führen kann.
2. Zusammensetzung zusammen mit Additiven, Mikrostruktur und Verarbeitung bewerten.
Bereits geringe Mengen eines Additivs können die Bildung und Trennung von Schweißverbindungen erheblich beeinflussen. Durchschnittliche Erosionsdaten allein geben möglicherweise keinen Aufschluss über Materialtransfer, Oberflächenrisse oder Schwankungen im Schaltverhalten.
3. Das Material unter realen Anwendungsbedingungen validieren.
Bei der Materialauswahl sollten Nennstrom, Nutzungskategorie, Kontaktkraft, Kontaktgeometrie, Betriebstemperatur und angestrebte elektrische Dauerfestigkeit berücksichtigt werden.
Abschluss
Für die in dieser Studie untersuchte Anwendung eines HLK-Schützes – mit einem Nennstrom von ca. 25 A und einer angestrebten elektrischen Lebensdauer von 100.000 Schaltzyklen – erwies sich eine AgNi-Formulierung mit ca. 15 % Nickel als die beste Gesamtleistung.
Die Zugabe einer geringen Menge eines spröden Additivs reduzierte die Bruchkraft der Schweißnaht weiter und verbesserte die Schaltstabilität. Dadurch konnte das Material sowohl die simulierten Dauerfestigkeitsprüfungen als auch die anschließende Validierung nach AC-8b erfolgreich absolvieren.
Diese Ergebnisse sind anwendungsspezifisch, verdeutlichen aber ein allgemeineres Prinzip: Die zuverlässige Funktion von AgNi-Kontakten hängt von einem ausgewogenen Verhältnis von Zusammensetzung, Mikrostruktur, Verarbeitung und Betriebsbedingungen ab – und nicht einfach von einem erhöhten Nickelgehalt.
Fudar Alloy entwickelt Kontaktmaterialien und kundenspezifische Kontaktkomponenten für Schütze, Relais und andere Niederspannungs-Schaltanwendungen.
Kontaktieren Sie uns , um die Materialauswahl basierend auf Ihrem Nennstrom, Ihrer Lastkategorie, Ihrer Kontaktstruktur, Ihrer Betriebsumgebung und Ihren Anforderungen an die elektrische Lebensdauer zu besprechen.
