Aus Wissenschaft und Forschung 32 Tribologie + Schmierungstechnik · 70. Jahrgang · 1/ 2023 DOI 10.24053/ TuS-2023-0005 Einfluss der Mikrohärte der Oberflächenschutzschicht auf den Verschleiß und die Lebensdauer von elektrischen Kontakten bei Reibverschleißbelastung Roman Probst, Jian Song* Eingereicht: 7.9.2022 Nach Begutachtung angenommen: 13.2.2023 Dieser Beitrag wurde im Rahmen der 63. Tribologie-Fachtagung 2022 der Gesellschaft für Tribologie (GfT) eingereicht. Die Lebensdauer elektrischer Kontakte wird durch diverse Umgebungseinflüsse bestimmt. Unter anderem verursachen im Betrieb auftretende Temperaturänderungen und Vibrationen Mikrobewegungen zwischen den Kontaktpartnern, welche zu Reibverschleiß und Reibkorrosion führen. Bei Edelmetallbeschichtungen tritt dabei Reibverschleiß auf, bei Durchrieb des Edelmetalls sowie bei Beschichtungen mit unedlen Metallen findet Reibkorrosion statt. Diese Mechanismen sind Ursachen für die Erhöhung des Kontaktwiderstands und potentiell für den Ausfall des gesamten Systems. Aufgrund dessen werden im Rahmen dieser Studie Reibkorrosions-Reibverschleißprüfungen galvanisch versilberter elektrischer Kontakte durchgeführt. Um den dabei auftretenden Verschleiß nach verschiedenen Belastungsdauern miteinander zu vergleichen, werden die Prüfungen nach Erreichen bestimmter Anzahl der Bewegungszyklen beendet. Die Ermittlung des Verschleißes erfolgt über die Messung der Schichtdicken auf den Proben mittels Röntgenfluoreszenzanalyse jeweils vor und nach der Prüfung. Mit Hilfe eines Konfokalmikroskops wird zusätzlich das Verschleißvolumen ermittelt. Die daraus resultierenden Ergebnisse von Proben unterschiedlicher Beschichtung werden miteinander verglichen. Auf Basis dessen soll eine Prognose bezüglich des Verschleißverhaltens sowie der zu erwartenden Lebensdauern unterschiedlicher Schichtsysteme ermöglicht werden. Schlüsselwörter Elektrische Kontakte, Lebensdauer, Silberschutzschicht, Reibverschleiß, Durchrieb, Reibkorrosion, Mikrohärte, Mikrobewegung Influence of microhardness of surface coating on wear and lifetime of electrical contacts under fretting wear loads The lifetime of electrical contacts is influenced by various factors. Micromotions due to fluctuations in temperature and vibration in the field lead to fretting wear and fretting corrosion of electrical contacts. In case of the contacts with noble coatings, the fretting wear results in the wear through of the coating causing the exposure of the underlying non-noble metal to the surrounding atmosphere which in turn leads to fretting corrosion. These degradation mechanisms lead to an increase in electrical contact resistance and eventual failure of the system. In this study, the extent of contact degradation due to fretting wear of galvanically silver-plated electrical contacts is investigated. To compare the extent of wear occurring at different stages of the contacts’ lifetime, the fretting tests are conducted up to predefined fretting cycles. XRF measurements of the coating thickness before and after the tests are performed and the wear depth after the given fretting cycles is determined. Additionally, the wear volume is determined via confocal microscopy. The results of two different types of silver plating are compared. Based on this, a prognosis regarding the wear behavior and expected lifetime of different coating systems can be made possible. Keywords Electrical contacts, lifetime, silver coating, fretting wear, wear through, fretting corrosion, microhardness, micromotions Kurzfassung Abstract * Roman Probst (federführender Autor) Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0001-6220-6811 Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe, 32756 Lemgo Prof. Dr.-Ing. Jian Song Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-7627-9824 Technische Hochschule Ostwestfalen-Lippe, 32756 Lemgo 1 Einleitung Bei der physischen Vernetzung elektrischer Systeme sind elektrische Steckverbinder essenziell. Die Zuverlässigkeit eines ganzen Systems ist dabei direkt abhängig von der Zuverlässigkeit der einzelnen Steckverbinder. Fällt beispielsweise in einem Automobil eine dieser Komponenten aus, sind mögliche Folgen davon im günstigsten Fall das Aufleuchten einer Fehlerlampe, schlimmstenfalls kann - sofern das System nicht redundant ausgelegt ist - eine ganze Funktion oder ein gesamtes Bauteil ausfallen. Aufgrund der Anforderungen an die Zuverlässigkeit und dauerhaft stabil niedrige Widerstände der Steckverbinder sind diese mit einer Beschichtung versehen, welche das gut leitende Basismaterial schützt. Häufig handelt es sich dabei um eine Zinnbeschichtung, es werden jedoch ebenso Beschichtungen mit Silber oder Gold verwendet. Bei einer ausreichend dicken und porenfreien Beschichtung schützt diese das Basismaterial vor dem Eindringen von Sauerstoff und somit auch vor Oxidation [1]. Eine Beschichtung mit einem edlen Metall sorgt in der Regel für eine längere Lebensdauer im Vergleich zu unedlen Metallen [2]. Dies ist unter anderem auch dadurch begründet, dass während der Einsatzzeit der Steckverbinder aufgrund von Relativbewegungen Abriebpartikel der Beschichtung entstehen, welche bei unedlen Metallen oxidieren. Dieser Vorgang wird als Reibkorrosion bezeichnet. Bei Edelmetallen findet zunächst Reibverschleiß statt, wobei die Beschichtung abgetragen wird. Erst wenn bei dieser Deckschicht Durchrieb vorliegt, findet auch bei diesen Kontakten Reibkorrosion statt. Die schlecht leitenden Oxidpartikel lagern sich rund um die Kontaktstelle ab und führen so zu einer instabilen Verbindung beider Kontaktpartner und zum Anstieg des elektrischen Widerstands [3]. Für die sichere Kontaktierung ist ebenso der Faktor der Kontaktnormalkraft entscheidend. Bei einer zu geringen Kraft besteht die Möglichkeit, dass die auf dem elektrischen Kontakt vorhandene Fremdschicht nicht durchbrochen wird und so von vornherein keine gesicherte elektrische Verbindung vorliegt. Eine zu hohe Normalkraft hingegen fördert den schnelleren Verschleiß der Beschichtung. Dies führt wiederum zu einem schnelleren Ausfall des Kontakts [4]. Bei Zinnbeschichtungen ist aufgrund der sich bildenden Oxidschicht auf der Oberfläche eine höhere Kontaktkraft notwendig als beispielsweise bei Silberbeschichtungen, auf denen sich lediglich eine Anlaufbzw. Sulfidschicht ausbildet, welche bereits bei einer geringen Flächenpressung aufgebrochen wird. So wird die minimale Kontaktkraft bei Zinnoberflächen mit 1 - 3 N angegeben [5]. Gerade bei vielpoligen Steckkontakten hat eine zu hohe Steckkraft negative Auswirkungen auf die Bedienbarkeit, da diese Kraft für jeden einzelnen Pol aufgebracht werden muss. Bei Silberoberflächen liegt die minimale Kontaktkraft hingegen nur bei etwa 0,5 - 2 N. Um die auftretenden harten Zinnoxidschichten durchbrechen zu können, sind höhere Kontaktkräfte notwendig, welche wiederum in Kombination mit der weichen Zinnschicht zu einem stärkeren Verschleiß führen. Aus diesem Grund wird bei Kontakten, welche häufig getrennt und wieder gesteckt werden, auf Edelmetallbeschichtungen wie Silber zurückgegriffen. Diese Edelmetallbeschichtungen befinden sich entweder direkt auf dem Basismaterial der Steckkontakte oder auf einer Nickel-Zwischenschicht, welche als Diffusionsbarriere dient. Diese Zwischenschicht aus Nickel nimmt jedoch Einfluss auf die Lebensdauer, den Oberflächenverschleiß sowie auf die Mikrohärte. Nach der Archard- Gleichung (1) wird das Verschleißvolumen berechnet über die Gleichung (1) Dabei beschreibt V das Volumen des abgetragenen Materials, k den Verschleißkoeffizienten, F N die aufgebrachte Kontaktnormalkraft, s den Verfahrweg sowie H die Härte der Probe [6]. Die Ergebnisse der Härtemessung sind jedoch stark vom Messverfahren abhängig. Um diese Abhängigkeit von der Härtemessung zu eliminieren, kann das Verschleißverhalten der Deckschicht über den Quotienten (2) beschrieben werden. Der Verfahrweg s wird dabei wiederum ermittelt über die Gleichung (3) N beschreibt dabei die Anzahl der Zyklen und s 0 den Hub des Reibverschleißvorgangs. Um diese Einflüsse zu prüfen, werden elektrische Kontakte mit zwei unterschiedlichen Silberbeschichtungen in Reibverschleiß- und Reibkorrosionsmessungen vergleichend untersucht. Eine Vergrößerung der Oberflächenhärte führt nach Gleichung (1) zu einem geringeren Abtrag der Beschichtung und somit zu einer erhöhten Lebensdauer. Dies deckt sich auch mit der Aussage in [7], dass eine weichere Oberfläche in einer größeren Kontaktfläche und somit einem erhöhten Verschleiß der Silberschicht resultiert. Fouvry et al. argumentieren, dass es durch das vergrößerte Verschleißvolumen nun länger dauert, bis sich eine isolierende Oxidschicht in der Grenzfläche gebildet hat und somit die Lebensdauer ansteigt. Allerdings werden diese Versuche auch bei einer höheren Frequenz (30 Hz) sowie einer geringeren Amplitude durchgeführt, welche wiederum einen starken Einfluss auf die Lebensdauer hat, diese deutlich erhöht und die allgemeine Gültigkeit der Aussage stark einschränkt [8]. Ein zu starkes Erhöhen der Mikrohärte bspw. durch Hinzufügen von Nanopartikeln kann dazu führen, dass die Aus Wissenschaft und Forschung 33 Tribologie + Schmierungstechnik · 70. Jahrgang · 1/ 2023 DOI 10.24053/ TuS-2023-0005 korrosion stattfindet und zu einem Anstieg des elektrischen Widerstands führt. Eine Bestimmung der Verschleißtiefe allein ist somit nicht ausreichend für eine Aussage über den Durchrieb und den Fortschritt des Verschleißes. Zum einen führen punktuell durchgeriebene Beschichtungen noch nicht zwingend zu Oxidation und damit verbunden zu einem Anstieg des Widerstands. Zum anderen können abgeriebene Silberpartikel, welche sich in der Kontaktmulde ankleben, die Messung der Verschleißtiefe verfälschen. Erst wenn die Stellen mit Durchrieb ausreichend groß sind, sodass bei der Relativbewegung keine vollständige Überdeckung mehr vorliegt, beginnt die Oxidation und damit Reibkorrosion. Ausbildung der Kontaktstelle Bei einer Halbkugel-auf-Ebene-Anordnung von elektrischen Kontakten wird der fortschreitende Verschleiß der Kontaktstelle auf der ebenen Kontaktseite näherungsweise als Zylinderabschnitt mit Kugelabschnitten an beiden Enden angesehen (Bild 1, links) und auf der Halbkugel-Seite als Kugelschnitt (Bild 1, rechts). R ist der Radius der Kugelschnittfläche bzw. die Breite der Zylinderschnittfläche, T die Tiefe des Verschleißes und L der Hub der Relativbewegung. Aus der Geometrie kann anschließend das Verschleißvolumen berechnet werden. Mit Fortschreiten der Versuche vergrößert sich die Verschleißtiefe T sowie damit einhergehend auch der Radius R des Kugelschnitts. 3 Untersuchungsdurchführung Probengeometrie Für die Untersuchungen werden Rohlinge aus einem Kupferblech von 0,3 mm Stärke ausgestanzt und anschließend geprägt. Die Geometrie ergibt eine Kalotteauf-Ebene Kontaktierung mit einem klar definierten Kontaktpunkt, wie sie in Bild 2 dargestellt ist. Der eingeprägte Radius beträgt dabei 4,5 mm. Untersuchte Schutzschichtsysteme Die Kontaktproben werden mit etwa 2 µm Nickel beschichtet und anschließend mit zwei unterschiedlichen Beschichtungen versehen. Ein Teil der Proben wird mit Aus Wissenschaft und Forschung 34 Tribologie + Schmierungstechnik · 70. Jahrgang · 1/ 2023 DOI 10.24053/ TuS-2023-0005 Bindung zwischen Basismaterial und Beschichtung abnimmt und für ein stellenweises Abplatzen der Beschichtung sorgt. Dies wirkt sich negativ auf die Lebensdauer der elektrischen Kontakte aus und sollte somit vermieden werden [9]. Der Fokus der Studie liegt im Einfluss der Mikrohärte durch Modifikation der Silberschutzschicht auf das Verschleißverhalten und die Lebensdauer von elektrischen Kontakten. Die Parameter der Prüfungen, wie z. B. Frequenz, Normalkraft oder der Hub bleiben bei diesen Versuchen konstant. Diese und weitere Einflussfaktoren wie beispielsweise die Stromstärke [10], unterschiedliche Vibrationsamplituden und -frequenzen [11], der umgebende Luftdruck bzw. Vakuum [3], unterschiedliche Schmiermittel und Temperaturlagerungen [12], Einflüsse der Relativbewegung, Umgebungstemperatur sowie Frequenz [13], Oberflächenrauheit [14], Normalkraft, Beschichtungsdicke und Probenform [4], Drittkörperreibung [15] sowie unterschiedlicher Bewegungsrichtungen [16-18] sind bereits in vorherigen Studien untersucht worden. 2 Theorie Reibkorrosion und Reibverschleiß Die bei der Kontaktierung elektrischer Steckverbinder auftretende Relativbewegung führt in der Regel zu einem Abtrag der Oberflächenbeschichtung. Bei unedlen Kontaktpartnern bildet sich auch während der Kontaktierung an freiliegenden Stellen eine neue Oxidschicht aus. Durch die Relativbewegung entstehen Abriebpartikel der bereits oxidierten Kontaktbereiche, welche sich nun rund um die bzw. in der Kontaktstelle ablagern und zu einem Anstieg des elektrischen Widerstands führen. Diese Reibkorrosion kann auftreten, wenn noch eine gewisse Restschichtdicke in der Kontaktstelle vorliegt oder wenn die Beschichtung so weit abgetragen ist, dass das Basismaterial freiliegt [19], [20]. Bei Beschichtungen mit Edelmetallen wie z. B. Gold oder Silber hingegen tritt keine Reibkorrosion auf, da Gold beispielsweise überhaupt nicht mit Sauerstoff reagiert und Silber nur eine durchsichtige und sehr dünne Oxidschicht ausbildet [21]. In diesem Fall liegt der Vorgang des Reibverschleißes vor, sodass durch die Mikrobewegungen zunächst die Beschichtung immer weiter abgetragen wird, bis das Basismaterial freiliegt. Erst dann beginnt bei elektrischen Kontakten mit Edelmetallbeschichtung der Prozess der Reibkorrosion, welcher allerdings nicht automatisch zu einem Ausfall des Kontakts führt. Es muss eine kritische Breite und ein kritisches Verschleißvolumen der Kontaktstelle vorliegen, ab welcher ein zu großer Bereich des Basismaterials oder einer unedlen Zwischenschicht offenliegt, sodass verstärkt Reib- Bild 1: Schematische Darstellung des fortschreitenden Verschleißes der Beschichtung (links) sowie der Bemaßung der Kontaktstelle (rechts) einer konventionellen Silberschicht versehen, während auf einen weiteren Teil der Kontaktproben eine modifizierte Silberschicht (Silber Mod.) aufgebracht wird. In beiden Fällen beträgt die Schichtdicke ca. 3 µm. Dieser Wert wird für jede Probe mittels Röntgenfluoreszenzanalyse (Fischerscope X-Ray System XDAL; Fa. Helmut Fischer GmbH) überprüft und entspricht der Neuteilschichtdicke für die nachfolgenden Verschleißermittlungen. Reibkorrosions-Reibverschleißprüfung Die Untersuchungen der beschichteten Kontaktproben werden an Reibkorrosions-Reibverschleißprüfständen durchgeführt. Ein solcher Prüfstand ist schematisch in Bild 3 dargestellt. Die Proben sind dabei in der Einspannung befestigt, wobei die flache Kontaktprobe unten und kalottenförmige Kontaktprobe oben eingespannt ist. Über einen Voicecoil-Motor wird eine Relativbewegung von 100 µm (Spitze-Spitze) mit einer Frequenz von 2 Hz an der unteren Probeneinspannung verrichtet. Während der jeweiligen Prüfung wird mit der Abtastrate von 650 ms der Widerstand mittels Vierleitermessung erfasst. Die benötigte Normalkraft für die Prüfungen kann über die Verschiebung eines Gegengewichts eingestellt werden und liegt bei den durchgeführten Prüfungen bei 2 N. Dies entspricht einer wirksamem Flächenpressung von etwa 10 bis 70 N/ mm 2 , abhängig von der Kontaktfläche. Über die beiden Laser-Distanzsensoren wird der Hub des Aktors sowie der oberen Einspannung überwacht, sodass die Proben immer die gleiche Relativbewegung erfahren. Da die Lebensdauer bis zum Erreichen eines definierten Widerstandswertes als Abbruchkriteriums immer unterschiedlich lang ist und der Verschleiß der Beschichtung direkt von der Zyklenzahl abhängt, werden die Prüfungen nach definierten Zyklenzahlen gestoppt und die Proben analysiert. Die Prüfparameter sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Auswahl der Versuchsparameter basiert in erster Linie auf dem TLF0214 vom ZVEI (PG16, Reibkorrosion) [22]. Leicht abweichend davon werden zwei Parameter angepasst. Die Frequenz wird leicht von 1 Hz auf 2 Hz erhöht, da diese das Ergebnis nicht stark verändert [8]. Aufgrund einer erhöhten Anzahl an Fällen mit höherer relativer Bewegungsamplitude in der Praxis wird die Amplitude des Hubs von 50 µm auf 100 µm erhöht, um dem Bedarf in dieser Richtung gerecht zu werden. Die Aus Wissenschaft und Forschung 35 Tribologie + Schmierungstechnik · 70. Jahrgang · 1/ 2023 DOI 10.24053/ TuS-2023-0005 Bild 2: Kontaktgeometrie der untersuchten Proben Bild 3: schematische Darstellung des Reibkorrosions-Reibverschleißprüfstands Prüfparameter Wert Hub (Spitze-Spitze) 100 μm Temperatur Raumtemperatur Normalkraft 2 N Frequenz 2 Hz Abbruchkriterium Festgelegte Zyklenzahl Tabelle 1: Prüfparameter der Reibkorrosions-Reibverschleißprüfungen Die gemessene Mikrohärte entspricht jedoch nicht ausschließlich dem Wert der Oberflächenbeschichtung. Zur Validierung durchgeführte FEM-Simulationen ergeben, dass bei diesen geringen Schichtdicken die höchste Spannung nicht in der 3 µm starken Deckschicht vorliegt und somit auch eine eventuell aufgebrachte Zwischenschicht oder sogar das Basismaterial einen Einfluss auf die Mikrohärte haben. Somit dienen die dargestellten Werte keinem absoluten Vergleich der reinen Oberflächenbeschichtung, sondern bilden immer auch ein Stück weit das gesamte Schichtsystem mit ab. Aufgrund dieser Tatsache wird bei der Auswertung der Untersuchungen der Quotient aus Verschleißvolumen zu Kontaktnormalkraft und Reibweg aus Gleichung (2) herangezogen. Verschleißtiefe Die Ergebnisse für die beiden untersuchten Beschichtungen bei verschiedenen Zyklenzahlen sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Bereits nach 500 Zyklen ist die konventionelle Silberbeschichtung mit etwa 1,52 µm Verschleiß im Mittelwert (MW) bei der XRF-Messung ca. zur Hälfte abgetragen, allerdings ist dort auch die Standardabweichung (Stabw.) mit etwa 1,77 µm sehr hoch. Dies ist unter anderem durch den Maximalwert (MAX) des Verschleißes begründet, welcher bei 500 Zyklen bei 2,77 µm liegt. Bei der Silber Mod. Beschichtung ist jedoch selbst nach 25.000 Zyklen erst ein Verschleiß Aus Wissenschaft und Forschung 36 Tribologie + Schmierungstechnik · 70. Jahrgang · 1/ 2023 DOI 10.24053/ TuS-2023-0005 Kontaktnormalkraft entspricht der gängigen Kontaktnormalkraft bei Steckverbindern dieser Größenordnung. Für alle aufgelisteten Versuche werden jeweils 3 bis 5 Wiederholungsmessungen durchgeführt. Diese finden bei Raumtemperatur und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30 - 50 % statt. Analyse des Oberflächenverschleißes Nach der Prüfung wird jede Probe auf ihren Verschleiß hin untersucht. Dies geschieht zunächst über eine XRF- Messung, bei welcher die verbleibende Restschichtdicke von mehreren Kontaktpunkten innerhalb der Kontaktstelle gemessen wird. Die verwendete Kollimatorgröße beträgt dabei 0,1 mm, die Messergebnisse sind auf etwa 0,1 µm genau. Aus der Differenz zu der zu Beginn gemessenen Neuteilschichtdicke wird anschließend der auftretende Verschleiß über die folgende Gleichung bestimmt. (4) Dabei ist T Ag die ermittelte Verschleißtiefe der Silberschicht und d in KS und d Neuteil die gemessene Schichtdicke in der Kontaktstelle bzw. die Neuteilschichtdicke. Zusätzlich erfolgt eine optische Analyse jeder Kontaktstelle. Dies geschieht sowohl per Lichtmikroskop (VHX-2000; Keyence Corporation), wobei die Kontaktstelle betrachtet und vermessen wird, als auch mittels Konfokalmikroskop (µsurf explorer; NanoFocus AG). Dabei werden die Oberflächentopografie und ebenfalls die Verschleißtiefe erfasst. Für die Volumenbestimmung wird der Bereich der Kontaktstelle im aufgenommenen Bild des Konfokalmikroskops markiert. Anschließend ermittelt die Software ausgehend von einer Referenzhöhe das Verschleißvolumen im markierten Bereich. 4 Ergebnisse und Analyse Mikrohärte Für die Untersuchungen zur Mikrohärte wird das Härteprüfverfahren HV0,01 angewendet. Es werden Härtewerte von jeweils 2 Proben erfasst, dabei werden jeweils 3 Messungen pro einzelner Probe durchgeführt. Die Ergebnisse der untersuchten Beschichtungen sind zusammen mit Streuungsbalken von plus/ minus einer Standardabweichung in Bild 4 grafisch dargestellt. Die konventionelle Silberbeschichtung ergibt eine Mikrohärte von etwa 103 HV0,01. Bei der Mikrohärte der Beschichtung Silber Mod. wird ein Wert von ca. 248 HV0,01 gemessen. Dieser Wert übersteigt die Mikrohärte der Kontakte mit konventioneller Silberbeschichtung um den Faktor 2,5 und ist somit deutlich höher. ! " Bild 4: Mikrohärte der unterschiedlichen Beschichtungsvarianten Verschleißtiefe [μm] Silber Silber Mod. 300 Zyklen 500 Zyklen 25.000 Zyklen XRF Konfokal XRF Konfokal XRF Konfokal MW 1,34 2,36 1,52 2,46 0,28 0,57 Stabw. 0,03 0,77 1,77 1,91 0,04 0,15 MAX 1,36 3,71 2,77 5,13 0,32 0,82 Tabelle 2: Gemessene Verschleißtiefe in µm nach verschiedenen Zyklenzahlen ! " von ca. 0,28 µm messbar. Die Messergebnisse mittels Konfokalmikroskopie sind etwa um den Faktor 2 größer. Dieser Unterschied ist zurückzuführen auf die Art des Messverfahrens. Bei der XRF-Messung wird die gemessene Verschleißtiefe bzw. Restschichtdicke über den Messfleck mit einem Durchmesser von 0,1 mm integriert und somit ein Mittelwert aus dem entsprechenden Bereich gebildet. Bei der Messung mittels Konfokalmikroskopie wird über die Fokus-Anpassung die Topografie der Oberfläche ermittelt. Hier wird kein Integral über eine Fläche gebildet, sodass hier eine Auflösung in XY-Richtung auf etwa 1,56 µm genau möglich ist. Verschleißvolumen Für die Analyse des Verschleißzustands wird zunächst die Kontaktstelle mittels Lichtmikroskopie vermessen. Aufgrund der höheren Betriebsauslastung (100 %) auf der kalottenförmigen Kontaktprobe ist ein höherer Verschleiß bzw. früherer Durchrieb auf dieser Seite zu erwarten, wie auch das vergleichende Ergebnis in Bild 5 zeigt. Daher wird die weitergehende Verschleißuntersuchung auf diese Seite fokussiert. Eine solche Messung für zwei unterschiedliche Zyklenzahlen ist in Bild 5 dargestellt. Bereits mit bloßem Auge ist ein deutlicher Unterschied des Verschleißes sichtbar. Die Berechnung des Verschleißvolumens der Kontaktstelle V KS mit Hilfe des Konfokalmikroskops ergibt bis ca. 500 Zyklen einen nahezu linearen Zusammenhang bei den versilberten Kontaktproben. Nach 500 Zyklen liegt das Verschleißvolumen dieser Kontaktproben bei etwa 70.000 µm 3 . Die Silber Mod. Beschichtung weist im Vergleich dazu generell einen deutlich geringeren Verschleiß auf. Bei einer Zyklenzahl von 25.000 ist das Verschleißvolumen mit 4.000 µm 3 dort immer noch geringer als bei der konventionellen Silberbeschichtung bereits nach 500 Zyklen. Die Ergebnisse der Verschleißbestimmung sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Der Quotient aus Gleichung (2) ergibt im Anfangsbereich der Probe mit konventioneller Silberschicht einen Wert von etwa 0,2 und ist damit sehr viel größer als bei der Probe mit Silber Mod. mit ca. 0,0004 . Bei den rein versilberten Proben liegt also schon deutlich früher ein wesentlich größerer Verschleiß vor. Die erzielten Ergebnisse bestätigen die in Abschnitt 1 anhand der Gleichung (1) aufgestellten Aussagen, dass # $ % & '( ) '( '( ) '( Aus Wissenschaft und Forschung 37 Tribologie + Schmierungstechnik · 70. Jahrgang · 1/ 2023 DOI 10.24053/ TuS-2023-0005 Bild 5: Vermessene Kontaktstellen nach Prüfungen bis 2.500 Zyklen (Silber links) und 770.000 Zyklen (Silber Mod. rechts) V KS Silber [μm³] V KS Silber Mod. [μm³] Zyklen 300 500 25.000 MW 55.000 70.000 4.000 Zyklen bis 300 mΩ Silber Silber Mod. MIN 26.000 309.000 MW 69.000 511.000 MAX 106.000 770.000 Stabw. 34.000 236.000 Tabelle 4: Ergebnisse der Reibverschleißprüfungen bis 300 mΩ eine höhere Härte zu einem geringeren Verschleiß der Oberflächenbeschichtung führt. Um zusätzlich zu überprüfen, ob der verringerte Verschleiß auch zu einer erhöhten Lebensdauer der elektrischen Kontakte führt, werden weitere Prüfungen der beiden Beschichtungssysteme durchgeführt, welche bis zu einem Widerstandsgrenzwert von 300 mΩ [22] durchgeführt werden. Die Ergebnisse dieser Prüfungen sind in Tabelle 4 aufgeführt. Dabei ist zu erkennen, dass die Proben mit konventioneller Silberbeschichtung eine durchschnittliche Lebensdauer von etwa 69.000 Zyklen erreichen. Bei den untersuchten Proben mit Silber Mod. Beschichtung beträgt die erreichte Lebensdauer im Mittelwert etwa 510.000 Zyklen und ist somit um ein Vielfaches höher. Selbst der Minimalwert (MIN) der Silber Mod. Proben liegt mit ca. 309.000 Zyklen noch Tabelle 3: Verschleißvolumen der versilberten Radius- Kontaktproben nach der jeweiligen Zyklenzahl in µm 3 Vergleichsstudie erfolgen, um die Volumenbestimmungen mittels Konfokalmikroskopie sowie der in Bild 1 angenommenen Kontaktstelle gegenüberzustellen. Danksagung Ein besonderer Dank gilt an dieser Stelle Fr. Heywinkel sowie Hr. Tülling vom Labor für Feinsystemtechnik an der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe, welche mit ihren Untersuchungen einen erheblichen Teil zum Entstehen dieses Beitrags beigetragen haben. 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Allerdings steigt die Härte mit dem Faktor 2,5 weniger stark an als die Lebensdauer bei Prüfungen bis 300 mΩ. Dort liegt die Steigerung etwa bei Faktor 7. Dieser Unterschied zwischen Härtesteigerung und der Erhöhung der Lebensdauer macht deutlich, dass auch andere Faktoren bei der Steigerung der Lebensdauer eine Rolle spielen. Daher muss die Archard-Gleichung entsprechend modifiziert werden. Ergänzungen hierzu werden zurzeit untersucht und zu einem späteren Zeitpunkt veröffentlicht. 5 Fazit Im Rahmen dieser Studie sind elektrische Steckverbinder mit zwei unterschiedlichen Silberbeschichtungen in Reibkorrosions-Reibverschleißprüfungen untersucht worden. Ziel war es, Erkenntnisse über die höhere Verschleißbeständigkeit einer modifizierten Silberbeschichtung zu gewinnen. Dabei wurden zunächst Prüfungen bis zu definierten Zyklenzahlen durchgeführt, um die Verschleißeigenschaften der Schutzschicht zu ermitteln. Anschließend wurde zunächst mittels XRF-Messung die Verschleißtiefe der Silberschicht ermittelt sowie mit Hilfe eines Lichtmikroskops die Kontaktzonen vermessen. Außerdem erfolgte die Bestimmung des Verschleißvolumens der Kontaktstelle mittels Konfokalmikroskopie. Die Proben mit konventioneller Silberschicht wiesen bei diesen Versuchen einen erhöhten Verschleiß auf. Dies kann auf die Mikrohärte der Beschichtungen zurückgeführt werden. Die in Abschnitt 1 aufgestellte These, dass der geringere Verschleiß auch zu einer erhöhten Lebensdauer der elektrischen Kontakte führt, wurde in weiteren Prüfungen bis zu einem Widerstandsgrenzwert von 300 mΩ bestätigt. Die Proben mit Hartsilberbeschichtung erzielten hierbei eine um ein Vielfaches höhere Lebensdauer im Vergleich zu den Kontaktproben mit konventioneller Silberbeschichtung. In weitergehenden Untersuchungen werden durch die Verwendung weiterer modifizierter Silberschutzschichten mit verschiedenen Legierungszusätzen und unterschiedlichen Mikrohärten sowie unterschiedlichem Schichtsystemaufbau weitere Einflussfaktoren untersucht. Wie oben erwähnt, wird die mathematische Beschreibung der Korrelation zwischen Mikrohärte und Reibverschleißes durch Modifikation der Archard-Gleichung angestrebt. Weitergehend wird zusätzlich eine bindungstechnik 2009: Tagungsband der GMM-Fachtagung; 2. Symposium Connectors. S. 74-9. [14] Yuan, H., Song, J., Schinow, V.: The influence of roughness on the wear and fretting behavior of silver coated electrical contacts. In: Proceedings of the 28th International Conference on Electric Contacts (ICEC2016). S. 93-8. [15] Song, J., Schinow, V., Yuan, H.: Third bodies in electrical contacts — Wear and electrical performance. In: 2017 IEEE 63rd Holm Conference on Electrical Contacts; 2017. S. 117-24. 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