Wie beeinflussen die Eigenschaften verschiedener Materialien die Kaltumformung von elektrischen Kontaktmaterialien aus AgSnO₂?

I. EINLEITUNG

Elektrische Kontakte treten häufig in Haushaltsgeräten, Energiesystemen, der Luft- und Raumfahrt sowie anderen Anlagen auf und lassen sich im Wesentlichen in drei Kategorien unterteilen: Feste elektrische Kontakte, die elektrische Signale mittels zweier fester Kontakte übertragen, wie z. B. elektrische Steckverbinder; Gleitkontakte, die elektrische Signale durch gleitenden Kontakt zweier Kontakte übertragen, wie z. B. elektrische Bürsten- und Rollenkontakte; und Trennkontakte, wie sie in verschiedenen Schaltgeräten zum Einsatz kommen und durch das Schließen und Öffnen zweier Kontakte realisiert werden.

Insbesondere bei Trennkontakten treten häufig physikalische Phänomene auf, wie z. B. erhöhter Kontaktwiderstand, Erosion an der Kontaktfläche, Verschweißen, Verschleiß und Materialübertragung. Mit der Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technik sowie deren Anwendung steigen die Anforderungen an die Eigenschaften der verwendeten Kontaktmaterialien. Nietkontaktmaterialien finden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften durch die Kombination von Silber und anderen Additiven breite Anwendung in verschiedenen Schaltanwendungen.

Aufgrund des komplexen Umformprozesses von Nietmaterialien, ähnlich wie Metallen, genügen traditionelle Methoden jedoch nicht mehr den Anforderungen einer detaillierten Spannungsanalyse. Die Einführung der Finite-Elemente-Methode ermöglicht die präzise Simulation des Umformprozesses und des Spannungszustands. Die Methode der starr-plastischen Finite-Elemente findet breite Anwendung in der Forschung zur plastischen Umformung verschiedener Metalle. Sie basiert auf dem Verhalten bei kleinen Dehnungen und vernachlässigt die elastische Verformung bei plastischer Umformung. Die Methode der starr-plastischen Finite-Elemente eignet sich für die plastische Umformung von Werkstoffen mit großen Dehnungen bei der Warmumformung. Im Allgemeinen werden für starr-plastische Werkstoffe folgende Annahmen getroffen: Die elastische Verformung während der Umformung wird vernachlässigt; Volumen- und Trägheitskräfte des Werkstoffs werden vernachlässigt; das Materialvolumen bleibt konstant; der Materialfluss folgt der Lévy-Mises-Theorie.

Einige Forscher nutzten die ABAQUS-Software, um den quasistatischen Nietprozess mittels dreidimensionaler Finite-Elemente-Simulation zu simulieren. Ziel war es, die Verformung des Nietstabs nach dem Vernieten von konischen und herkömmlichen Halbkreiskopfnieten zu ermitteln und gleichzeitig die Veränderung der Eigenspannungen im Blech zu vergleichen und zu analysieren. Abschließend wurde ein Grausystem aus Nietstab-Verformungsgleichmäßigkeit, Nietgröße und Nietkopfhöhe erstellt. Durch die Berechnung und Analyse des Korrelationsgrades des Systems wurde der Einfluss von Nietgröße und Nietkopfhöhe auf die Gleichmäßigkeit bestimmt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Nietstab-Gleichmäßigkeit nach dem Vernieten mit konischen Nieten besser war als nach dem Vernieten mit herkömmlichen Nieten. Andere Forscher nutzten die DEFORM-3D-Software, um den Einfluss verschiedener Kaltumformungsparameter auf die Umformbarkeit der Titanlegierung TC16 zu untersuchen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die maximale Vergleichsdehnung mit steigendem Reibungskoeffizienten zunimmt und mit steigender Umformgeschwindigkeit zunächst ansteigt und dann wieder abfällt. Die maximale Vergleichsspannung nimmt mit steigendem Reibungskoeffizienten zu und sinkt mit steigender Umformgeschwindigkeit zunächst ab und dann wieder zu. Die Rohlingstemperatur steigt mit zunehmendem Reibungskoeffizienten bzw. zunehmender Umformgeschwindigkeit; die Kaltumformkraft steigt ebenfalls mit zunehmendem Reibungskoeffizienten bzw. zunehmender Umformgeschwindigkeit, wobei der Reibungskoeffizient den größten Einfluss auf die Kaltumformkraft hat. Die Kaltumformprozessparameter von TC16-Titanlegierungsstäben wurden durch Analyse optimiert. Dabei wurde der Einfluss von Kalt- und Warmumformung auf das Mikrogefüge der TC16-Legierung verglichen und analysiert.

Die Untersuchung zeigt, dass nach der Lösungsglühung das Mikrogefüge und die mechanischen Eigenschaften von kalt- und warmumgeformten Proben einander sehr ähnlich sind. Qingyun Zhao analysierte den Kopfformprozess von Sechskantschrauben aus Titanlegierung mittels numerischer Simulation. Die Finite-Elemente-Software DEFORM-3D wurde verwendet, um die Änderung des Temperaturfeldes, des Materialflusses, der Spannungs- und Dehnungsfeldverteilung sowie der Umformkraft während des Umformprozesses des Sechskantschraubenkopfes zu simulieren und den Schraubenkopfformprozess zu analysieren.

II. Erstellung eines Simulationsmodells für die Kaltumformung

A. Erstellung eines 3D-Finite-Elemente-Modells
Um die Simulationsanalyse des Umformprozesses von Nietmaterialien für elektrische Kontakte unter verschiedenen Materialeigenschaften (Dehnung, Elastizitätsmodul, Härte) zu vereinfachen, wurde das Modell in dieser Arbeit vereinfacht. Es wurden lediglich die obere und untere Form sowie die Werkstücke während des Umformprozesses berücksichtigt.

Basierend auf der 3D-Software SolidWorks wurde ein dreidimensionales Kaltumformmodell von Nieten erstellt und entsprechend der tatsächlichen Umformposition einfach zusammengefügt. Nach der Montage wurde das Modell in ein Zwischenformat konvertiert und in die Finite-Elemente-Software importiert. Das Simulationsergebnis ist in Abb. 1 dargestellt.

Material	H26	AgSnO 2 (15)
Poisson-Verhältnis	0,3	0,31
Dichte (g/ cm³ )	7,8	9,89
Wärmeleitfähigkeit (W·m -1 K -1 )	24,5	30.6
Spezifische Wärmekapazität (J·Kg -1 K-1)	0,46	0,35
Wärmeausdehnungskoeffizient (10 -5 K -1 )	1.1	1.22

Das in der Simulation verwendete Formmaterial ist H26, das Werkzeugmaterial der Software und das Werkstückmaterial ist AgSnO₂(15). Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Form und Werkstück sind in Tabelle I.B. dargestellt.

Parametereinstellung des numerischen Simulationsprozesses:
In der Finite-Elemente-Software wurde für den Werkstückrohling ein Hexaedergitter verwendet. Um genauere Testergebnisse zu gewährleisten, wurde die Gitterzellengröße einheitlich auf 0,9 mm festgelegt und in 8606 Zellen unterteilt. Ober- und Unterwerkzeug wurden als starre Körper behandelt.

In der Phase der Vorformung wurde eine hydraulische Presse für die Simulation ausgewählt und die Geschwindigkeit auf eine konstante Geschwindigkeit von 0,1 mm/s eingestellt. Während der Vorformung blieb das Unterwerkzeug fixiert. Die Reibungsrandbedingung zwischen Werkzeug und Werkzeug wurde als Scherreibung definiert, der Oberflächenreibungskoeffizient betrug 0,2. Die Umgebungstemperatur betrug 20 °C, die Anfangstemperatur von Werkstück und Werkzeug ebenfalls 20 °C. Nach dem Test wurden die Geräte und das Werkzeug freigegeben.

III. Analyse der Simulationsergebnisse

Die Dehnung, der Elastizitätsmodul und die Härte von Materialien für elektrische Kontakte , wie z. B. Nieten, wurden mithilfe numerischer Simulationssoftware untersucht, um den Einfluss von Parameteränderungen auf die Mediumwirkungskraft und die Vergleichsdehnung bei der Kaltverformung zu analysieren. Die Ergebnisse wurden anschließend detailliert analysiert und diskutiert.

A. Einfluss der Dehnung auf die Materialumformung:

Um den Einfluss unterschiedlicher Dehnungen auf die Kaltverformung und die Umformung von Materialien sowie die Verteilung von Vergleichsspannung und -dehnung zu analysieren, wurde die Materialdehnung bei ansonsten gleichen Parametern auf 0,05, 0,1 bzw. 0,15 eingestellt. Die Ergebnisse der Vergleichsdehnung sind in Abb. 2 und die Ergebnisse der Vergleichsspannung in Abb. 3 dargestellt.



Abbildung 2 zeigt, dass sich die durch den Nietprozess bedingte Verformung hauptsächlich im Kontaktbereich zwischen Nietkopf und Untermatrize konzentrierte und extrem ungleichmäßig verteilt war. Mit zunehmender Dehnung veränderten sich weder die Position der Verformung noch die akkumulierte Verformung merklich. Dies ist vermutlich auf den geringen Dehnungsbereich zurückzuführen, der nur eine geringfügige Änderung der Materialverformung zur Folge hat.

Abbildung 3 zeigt, dass die Vergleichsspannung an der Nietfläche und im Kontaktbereich mit der Matrize am größten war und sich in der Mitte ein relativ ausgeprägtes, parabelförmiges X-förmiges Scherband ausbildete. Mit zunehmender Dehnung nahm die Vergleichsspannung des X-förmigen Scherbandes entlang der Nietkopfmitte zu den vier Seiten hin ab und war an den linken und rechten Rändern am geringsten. Dies verdeutlicht, dass die Dehnung die Spannung im fertigen Niet beeinflusst und somit die regionale Verteilung des Scherbandes im Nietkopf und damit die Formgebungseigenschaften des Niets verändert. Der Grund dafür ist, dass mit zunehmender Dehnung die Verformung des Nietkopfzentrums unter Dehnungseinfluss leichter wird. Gleichzeitig steigt die durch die plastische Verformung erzeugte Wärme, während der Verformungswiderstand sinkt, wodurch die Vergleichsspannung allmählich abnimmt.

B. Einfluss des Elastizitätsmoduls auf die Materialumformung.
In industriellen Anwendungen wurde der Elastizitätsmodul üblicherweise als fester Wert angenommen, wobei sein Einfluss auf das Material vernachlässigt wurde. Bei einigen Metallwerkstoffen mit ausgeprägter Rückfederung beeinträchtigt dies jedoch die Optimierung des Umformprozesses und die präzise Steuerung der Umformmaße erheblich. Daher war es notwendig, den Einfluss des Elastizitätsmoduls auf die Nietformung in der Materialumformungsanalyse zu klären.
In der Simulation blieben alle anderen Parameter unverändert, und der Elastizitätsmodul des Materials wurde auf 13,5 GPa, 27 GPa bzw. 54 GPa eingestellt. Die Ergebnisse der Vergleichsdehnung sind in Abb. 4 dargestellt. Wie aus Abb. 4 ersichtlich, konzentriert sich die Vergleichsdehnung der Nieten hauptsächlich an der Kontaktstelle zwischen Nietkopf und Nietmatrize. Mit zunehmendem Elastizitätsmodul ändert sich die akkumulierte Vergleichsdehnung nicht wesentlich, was darauf hindeutet, dass der Elastizitätsmodul in diesem Bereich nur einen geringen Einfluss auf die Vergleichsdehnung bei der Materialumformung hat.

Die Ergebnisse der äquivalenten Kraftberechnung sind in Abb. 5 dargestellt. Wie aus Abb. 5 ersichtlich, nimmt die Querschnittsspannung des Nietes bei gleicher Krafteinwirkung mit steigendem Elastizitätsmodul ab. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass die Materialtemperatur mit zunehmendem Elastizitätsmodul ansteigt. Gemäß der Theorie der Atomschwingungen in Festkörpern weichen die Atome mit steigender Temperatur von ihrer Gleichgewichtslage ab, und die Auslenkung nimmt zu. Dabei vergrößert sich der Atomabstand, und die Bindungskräfte zwischen den Atomen schwächen sich ab, was zu einer Verringerung der Systemenergie führt. Gemäß der Formel für den Volumenelastizitätsmodul sinkt mit abnehmender Energie auch der Elastizitätsmodul. Bei einem Elastizitätsmodul von 54 GPa sinkt die äquivalente Spannung im Nietquerschnitt am stärksten, um etwa 30 MPa. Dies hat jedoch hinsichtlich der Gesamtformgebung des Nietes nur geringe Auswirkungen auf dessen Wirkung.



C. Einfluss der Härte auf die Materialumformung
. Gemäß dem etablierten Modell wurde die Materialhärte bei unveränderten übrigen Parametern auf 80 HV, 100 HV und 120 HV eingestellt. Die Ergebnisse der Vergleichsdehnung bei unterschiedlichen Härten sind in Abb. 6 dargestellt.

Wie aus Abb. 6 ersichtlich, nimmt die Akkumulation von Vergleichsdehnungen am Kontaktpunkt zwischen Nietkopf und Untermatrize mit zunehmender Härte ab. Die Vergleichsdehnung spiegelt üblicherweise den Verformungsgrad des Materials wider. Bei der Umformung einer einzelnen Niete wird der Nietkopf durch die Scherkraft beeinflusst, wodurch ein Materialfluss entlang der Oberfläche der Untermatrize entsteht. Mit zunehmender Kontaktfläche zur Untermatrize wirkt an dieser Stelle die Scherkraft und die Extrusionskraft zusammen, sodass die akkumulierte Vergleichsdehnung hier größer ist als in anderen Bereichen. Bei der Umformung von Nieten mit unterschiedlicher Härte zeigt sich, dass eine höhere Härte die Fließfähigkeit des Materials behindert, wodurch die Akkumulation von Vergleichsdehnungen mit zunehmender Härte abnimmt.

Die Ergebnisse der Vergleichsspannungen beim Umformen des Materials sind in Abb. 7 dargestellt. Aus Abb. 7 ist ersichtlich, dass bei einer Materialhärte von 80 HV, 100 HV und 120 HV die entsprechenden Vergleichsspannungen 153 MPa, 306 MPa bzw. 612 MPa betragen. Die Spannung im Niet konzentriert sich hauptsächlich auf die Verbindung zwischen Nietkopf und Matrize, während die Spannung im Zentrum gering ist. Mit zunehmender Härte steigt die Spannung im Niet während des Umformprozesses allmählich an, und die Spannungsverteilung ist ungleichmäßig.



Der Grund dafür liegt darin, dass die Härte des Materials einen großen Einfluss auf seine Verarbeitbarkeit hat und das Material aufgrund von Spannungsverformung fließt, wodurch die Ausrichtung der Rohmaterialstruktur geschwächt wird. Mit zunehmender Verformung wird die Umformung des Materials schwieriger. Gleichzeitig nimmt die durch die plastische Verformung erzeugte Wärme ab, der Verformungswiderstand steigt und die Vergleichsspannung nimmt allmählich zu. Dies führt zu einer großflächigen, deutlichen Spannungskonzentration an der Verbindungsstelle zwischen der Nietfläche und dem Oberwerkzeug. Die ungleichmäßige Verteilung der gleichwirkenden Kräfte kann jedoch beim Stauchen der Nieten leicht zu Defekten wie Rissen führen, was eher dem Rissverhalten und der Position der Nieten in der realen Produktion entspricht.

IV. SCHLUSSFOLGERUNG

Mit zunehmender Dehnung veränderten sich weder die Lage der äquivalenten Dehnung noch die Dehnungsakkumulation im Nietbereich wesentlich, und die äquivalente Spannung nahm mit steigender Dehnung ab.

Im Bereich von 13,5 GPa bis 54 GPa veränderte sich die Verteilung der äquivalenten Dehnung in den einzelnen Materialbereichen mit steigendem Elastizitätsmodul nicht signifikant, und die äquivalente Spannung sank, was jedoch nur geringe Auswirkungen auf die gesamte Nietformung hatte.

Die äquivalente Spannung an der Nietfläche stieg mit zunehmender Materialhärte, und die Wahrscheinlichkeit von Oberflächenrissen nahm allmählich zu, was der Rissbildung von Nieten in der Praxis ähnelte.

Um die Formqualität von Nietprodukten zu verbessern, empfehlen wir, bei der Materialauswahl auf hohe Dehnung, hohen Elastizitätsmodul und geringe Härte zu achten.