Eine systematische Analyse von Relaiskontaktmaterialien und Lebensdauer

Relais gehören zu den am häufigsten verwendeten Steuerungskomponenten in nicht-standardisierten automatisierten Steuerungssystemen, Leistungssteuerungssystemen und Industrieanlagen. Der Kern der Relaisleistung liegt in ihrem Kontaktsystem. Die Auswahl der Kontaktmaterialien und deren entsprechende elektrische und mechanische Lebensdauer bestimmen direkt die Zuverlässigkeit des Relais, den Wartungszyklus und die Stabilität des gesamten Systems. Die richtige Auswahl von Kontaktmaterialien und Strukturformen trägt dazu bei, die Ausfallraten von Geräten und die Wartungskosten deutlich zu reduzieren.

 

 

Die Lebensdauer von Relais wird im Allgemeinen in zwei Kategorien unterteilt: mechanische Lebensdauer und elektrische Lebensdauer.

 

Die mechanische Lebensdauer bezieht sich auf die Anzahl wiederholbarer Vorgänge, die allein durch mechanische Einwirkung unter -Lastbedingungen verursacht werden und typischerweise Millionen oder sogar Milliarden Mal betragen. Die elektrische Lebensdauer hingegen bezieht sich auf die Häufigkeit, mit der die Kontakte Schaltvorgänge abschließen und unter Nennlastbedingungen ihre normale Funktion aufrechterhalten, und ist in der Regel deutlich geringer als die mechanische Lebensdauer.

 

Die typische erwartete elektrische Lebensdauer von Allzweck--Relais und Leistungsrelais beträgt im Allgemeinen nicht weniger als 100.000 Zyklen, dieser Wert hängt jedoch stark von den spezifischen Betriebsbedingungen ab. Wenn die Kontakte unter Bedingungen unterhalb der Nennlast betrieben werden, kann ihre tatsächliche elektrische Lebensdauer oft um ein Vielfaches verlängert werden. Beispielsweise weisen Kontakte mit hoher Stromstärke eine deutlich geringere Lichtbogenenergie und langsamere Materialerosionsraten beim Schalten kleinerer Widerstandslasten auf und erreichen so eine Lebensdauer von mehreren Millionen Zyklen.

 

Das Ende der elektrischen Lebensdauer ist typischerweise auf die folgenden Fehlerarten zurückzuführen: Bei wiederholter Lichtbogenbildung kommt es zu Materialmigration, die zu Verschweißungen oder Adhäsionen führt; Starker Materialverlust durch Spritzer oder Ablation der Kontaktoberfläche verhindert einen stabilen elektrischen Kontakt; Der Kontaktwiderstand nimmt kontinuierlich zu und überschreitet den zulässigen Bereich des Systems.

 

In der praktischen Technik kann die Kontaktlebensdauer durch die rationelle Gestaltung von Kontaktmaterialien, Kontaktdruck und entsprechenden Lichtbogenunterdrückungsmaßnahmen effektiv verlängert werden.

 

 

Für Relaiskontakte können verschiedene Edelmetalle und Legierungen verwendet werden. Unterschiedliche Materialien weisen erhebliche Unterschiede in der Leitfähigkeit, Lichtbogenbeständigkeit, Schweißbarkeit und Verschleißfestigkeit auf. Zu den gängigen Formen gehören einzelne-Metallkontakte, Kontakte aus Verbundwerkstoffen und bimetallische Strukturen wie Bimetall-Silberkontakte, Bimetall-Kontaktnieten und Bimetall-Silberkontakte, die häufig in Industrierelais und Leistungsrelais verwendet werden.

 

Bei Anwendungen mit mittlerem{0}bis-hohem Strom sind auf Silber- basierende Verbundwerkstoffe die gängige Wahl, da sie ein gutes Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeit und Lichtbogenerosionsbeständigkeit erreichen. Diese Materialien liegen typischerweise in Form von Verbundkontakten oder elektrischen Präzisionskontakten vor, die durch Pulvermetallurgie oder Kaltstauchverfahren hergestellt werden.

 

 

1. Silbercadmiumoxid (AgCdO)

Silbercadmiumoxid ist seit langem ein typisches Material für Relaiskontakte mit mittlerem bis hohem Strom. Dieses Material nutzt Pulvermetallurgie, um Silber und Cadmiumoxid gleichmäßig zu verteilen und kombiniert nahezu -reine Silberleitfähigkeit mit ausgezeichneter Schweißbeständigkeit. Zu seinen Vorteilen gehören:

 

Bei Lichtbogenbildung hemmt Cadmiumoxid wirksam die Materialmigration;

Es verfügt über eine gute Lichtbogenlöschfähigkeit, wodurch das Risiko einer Kontakthaftung deutlich reduziert wird.

Bei entsprechendem Anpressdruck bleibt der Kontaktwiderstand stabil.

 

Typischerweise liegt der Cadmiumoxidgehalt in AgCdO zwischen 10 % und 15 %. Mit zunehmendem Gehalt verbessert sich die Schweißfestigkeit, die Duktilität und die Kaltumformbarkeit nehmen jedoch entsprechend ab. Daher wird dieses Material häufig in Strukturen wie Bimetallnieten für Relais verwendet, um Verarbeitbarkeit und elektrische Leistung in Einklang zu bringen.

 

2. Silberzinnoxid und Silberindiumzinnoxid (AgSnO, AgInSnO)

Angesichts der immer strengeren Umweltvorschriften für Cadmiummaterialien sind Silberzinnoxid und Silberindiumzinnoxid nach und nach zu wichtigen Alternativen zu AgCdO geworden. Diese Materialien weisen eine höhere Härte und eine gute Lötbarkeit auf und eignen sich daher besonders für Anwendungen mit erheblichem Stoßstrom und niedrigem Dauerstrom, wie z. B. Filamentlasten oder induktive Lasten.

 

Im Vergleich zu AgCdO weisen diese Materialien einen etwas höheren spezifischen Volumenwiderstand auf, weisen jedoch eine gute Zuverlässigkeit in Kfz-Relais und Gleichstromsystemen auf und eignen sich besonders für hochzuverlässige Kontaktstrukturen wie Schalter-Silberkontakte und feste Silberkontakte.

 

 

Reines Silber hat die höchste elektrische und thermische Leitfähigkeit aller Metalle, einen extrem niedrigen Kontaktwiderstand und relativ kontrollierbare Kosten; Daher wird es häufig in elektrischen Silberkontakten verwendet. Zu seinen Nachteilen zählen jedoch die Anfälligkeit für Sulfidierung, die Mattierung der Oberfläche und die durch die Umgebung eingeschränkte Langzeitstabilität.

 

Silber-Kupferlegierungen verbessern durch die Einführung von Kupfer die Verschleißfestigkeit und verringern die Schweißbarkeit, wodurch sie für Anwendungen mit mittlerem{1}}Strom geeignet sind.

 

Silber-Wolframmaterialien besitzen extrem hohe Schmelzpunkte und Lichtbogenbeständigkeit, erfordern jedoch einen hohen Kontaktdruck und haben einen relativ hohen Kontaktwiderstand, weshalb sie hauptsächlich in Anwendungen mit hoher Stoßbelastung wie elektrischen Gleitkontakten oder Schleifringkontakten eingesetzt werden.

 

Silber-Nickelmaterialien verbessern die Lichtbogenerosionsbeständigkeit erheblich und behalten gleichzeitig die Leitfähigkeit von nahezu-reinem Silber bei.

 

Silber-Palladiummaterialien haben eine hohe Härte und einen geringen Verschleiß, sind jedoch teurer und werden typischerweise in Präzisionsrelais mit extrem hohen Anforderungen an die Lebensdauer verwendet.

 

Silber-Kupfersysteme weisen eine gute Korrosionsbeständigkeit in Schwachstromkreisen auf und eignen sich daher für Anwendungen mit geringer{2}Last, beispielsweise für elektrische Federkontakte.

 

 

Moderne Relaiskontakte verwenden häufig Bimetall- oder Verbundstrukturkonstruktionen, wie z. B. Bimetallkontakte Ag/Cu, Kaltkopf-Bimetallkontakte und Bimetallnietkontakte. Diese Strukturen erreichen ein optimales Gleichgewicht zwischen Kosten, Leitfähigkeit und Lebensdauer, indem sie das Material zwischen dem leitfähigen Substrat und der Arbeitskontaktschicht aufteilen.

 

In praktischen Anwendungen hängt die Auswahl der Kontaktmaterialien nicht nur vom Nennstrom ab, sondern auch von einer sorgfältigen Berücksichtigung der Lastart (ohmsch, induktiv, kapazitiv), der Betriebsspannung, der Umgebungsbedingungen und der erwarteten Lebensdauer. Bei Systemen mit hoher-Zuverlässigkeit ist es neben der Materialauswahl oft notwendig, die geeignete Kontaktform, das Kontaktdruckdesign und Lichtbogenlöschstrategien zu berücksichtigen.
 

 

Relaiskontaktesind kritische Komponenten in elektrischen Systemen, die am anfälligsten für Ausfälle sind, und ihr Materialsystem bestimmt direkt die elektrische Lebensdauer des Relais und die Zuverlässigkeit des Systems. Durch die wissenschaftliche Auswahl von Kontaktmaterialien, die rationale Anpassung der Lasteigenschaften und die Verwendung ausgereifter Bimetall- oder Verbundkontaktstrukturen kann die Lebensdauer von Relais erheblich verlängert werden. Mit der Entwicklung neuer Energien, der Automobilelektronik und der industriellen Automatisierung wird die Nachfrage nach leistungsstarken elektrischen Kontakten und Edelmetallkontakten weiter wachsen und die Kontaktmaterialtechnologie wird sich weiter in Richtung höherer Zuverlässigkeit und Umweltfreundlichkeit weiterentwickeln.