Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 1 Einleitung Die häufigste Ursache für den Ausfall einer Steckverbindung ist Reibkorrosion (auch „Fretting Corrosion“ genannt) [1,2]. Es wird damit der Ausfall eines Kontaktes durch Bildung einer isolierenden Oxidschicht zwischen den Kontaktelementen bezeichnet. Hervorgerufen wird dies durch Mikrobewegungen der Elemente zueinander. Diese Mikrobewegungen werden verursacht durch Schwingungen, Vibrationen oder thermische Ausdehnung [3]. Die Beständigkeit gegen Reibkorrosion, kann unter anderem mit der Anzahl der Reibzyklen bis zum elektrischen Ausfall im Verschleiß- und Reibkorrosionsversuch definiert werden. Am Beispiel von Kontaktsystemen mit Silberbeschichtung wird die Lebensdauer in Abhängigkeit von der Anordnung der Kontaktpartner zueinander untersucht. Bei der Verwendung von Edelmetallschichten ist zu berücksichtigen, dass Reibkorrosion erst nach dem Durchrieb der Edelmetallschicht auftritt [3-5]. Vorgelagert ist hier der Verschleiß der Funktionsschicht. Bei diesen Untersuchungen werden die Reibungs- und Verschleißvorgänge näher betrachtet. Diese geben Hinweise auf die Veränderung der Kontaktoberflächen und somit auf die Veränderung der elektrischen Eigenschaften, wel- 13 Aus Wissenschaft und Forschung * Prof. Dr.-Ing. Jian Song, M. Sc. Vitali Schinow M. Sc. Haomiao Yuan, Dipl.-Ing. (FH) Christian Koch Labor für Feinsystemtechnik Hochschule Ostwestfalen-Lippe, 32657 Lemgo Kontaktanordnung und Lebensdauer von elektrischen Kontaktoberflächen J. Song, V. Schinow, H. Yuan, C. Koch* Eingereicht: 30. 10. 2016 Nach Begutachtung angenommen: 15. 1. 2017 Die neue Entwicklung der intelligenten Vernetzung der Fabrik, der Elektromobilität und der autonomen Fahrzeuge erfordert eine deutlich erhöhte Zuverlässigkeit von elektrischen Verbindungen. Daher ist es in der Industrie und Forschung ein wichtiges Ziel, die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der elektrischen Verbindungen zu steigern. Mit einem selbst entwickelten Verschleiß- und Reibkorrosionsprüfstand wird die Lebensdauer von Kontaktoberflächen ermittelt. Am Beispiel von Kontaktsystemen mit Silberbeschichtung wird die Lebensdauer in Abhängigkeit von der Anordnung der Kontaktpartner zueinander untersucht. Ein Kontaktpartner weist eine kugelförmige und der andere eine ebene Kontaktzone auf. Bei der Untersuchung wurde die Anordnung der Kontaktproben „Kugel oben - Ebene unten“ sowie „Ebene oben - Kugel unten“ gewählt. Beide Anordnungen weisen sehr unterschiedliche Ergebnisse in der Lebensdauerprüfung auf. Die genaue Untersuchung und Analyse der Kontaktzone nach der Verschleiß- und Reibkorrosionsprüfung haben gezeigt, dass die Anordnung der Kontakte, also der konstruktive Aufbau, sowie der Reibungsmechanismus „Drittkörperreibung“ einen großen Einfluss auf die Lebensdauer der elektrischen Kontakte haben. Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse für die Konstruktion von elektrischen Verbindungen und tribologische Messungen. Schlüsselwörter Elektrische Kontakte, Lebensdauer, Kontaktanordnung, Reibkorrosion, Drittkörperreibung The new development of the smart factory, the E-Mobility and the self-driving vehicles requires a clearly enhanced reliability of electrical connectors. Thus, it is important for both industry and research to increase the lifetime and reliability of electrical contacts. With a wear and fretting corrosion test apparatus designed in our laboratory, the lifetime of contacts is determined. Using silver coated contact systems, the dependence of lifetime on the arrangement of contact pairs is investigated. A contact pair consists of a spherical part and a plane part. In the tests, two arrangements of samples, namely “sphere upper - plane lower” and “plane upper - sphere lower”, are chosen. These arrangements present very different results in lifetime measurement. The detailed examination and analysis of the contact zone after the wear and fretting corrosion test have shown that the arrangement of contacts, the design and the friction mechanism “third body friction” have significant influence on the lifetime of electrical contacts. The results provide an important guideline for the design of electrical connectors and tribological measurements. Keywords Electrical contacts, Lifetime, Arrangement of contacts, Fretting, Third body Kurzfassung Abstract T+S_6_17 16.10.17 10: 39 Seite 13 14 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 che die Lebensdauer der elektrischen Kontakte beeinflussen [6]. Des Weiteren werden, die im Reibprozess herrschenden, Reibungsmechanismen analysiert. 2 Reibungsmechanismen Reibung Die in einem tribologischen System angelegte Normalkraft F N führt in erster Näherung über den Reibungskoeffizienten f zur Reibungskraft F R . Dabei entspricht die als Coulomb-Reibung bekannte Reibungskraft F R dem tangentialen Widerstand zur Bewegung. F R = f ∙ F N (1) Zwischen elektrischen Kontakten herrscht in der Regel trockene Reibung [7]. Bei dieser Reibungsart besteht die Reibungskraft F R aus einem adhäsiven und einem abrasiven Anteil, jedoch dominiert vor allem die Adhäsion in Bezug auf die Reibungskraft F R . Abhängig vom Zustand der Reibflächen gibt es eine weitere Kraftkomponente F dk („Drittkörperreibung“), welche die Reibungskraft beeinflusst [8]. Abhängig vom vorherrschenden Reibungszustand im Kontakt tragen diese Anteile unterschiedlich stark zur Reibungskraft bei, siehe Bild 1. Um dennoch den Einfluss der äußeren Faktoren beurteilen zu können, wird eine Einzelbetrachtung der genannten Kräfte vorgenommen. Adhäsion Im adhäsiven Teil der Reibungskraft werden chemische und physikalische Bindungskräfte, wie beispielsweise molekulare und elektrostatische Kräfte, zusammengefasst. Im nicht geschmierten Festkörperkontakt (trockene Reibung) stellt die Adhäsion den größten Teil (etwa 90 %) der Reibungskraft dar [11]. Im Adhäsionsmodell nach Bowden und Tabor [12] geht neben der Kontaktfläche A r die Scherfestigkeit τ im Grenzgebiet ein und es gilt: F (adh) = τ ∙ A r (2) Die Scherfestigkeit dient zur mechanischen Charakterisierung des Festkörpers. Sie gibt den Widerstand an, welcher der Werkstoff den tangentialen Scherkräften entgegensetzt [10,12]. Drittkörperreibung Bei der „Drittkörperreibung“ handelt es sich um abgebrochene Mikrospitzen (Abriebpartikel), die durch den Reibvorgang entstanden sind [8]. Diese Abriebpartikel liegen dann als „Drittkörper“ zwischen den Reibpartnern und bewirken eine Art Rollreibung. Das führt zur Reduzierung der Reibungskräfte. Dieser Reibungsmechanismus spielt eine wichtige Rolle bei der Reibung von elektrischen Kontakten. Hinsichtlich des Verschleißes ist zu erwähnen, dass durch verringerte Reibung der Verschleiß ebenfalls vermindert werden müsste. Allerdings gibt es einige Faktoren, die die Tendenz stark beeinflussen: 1. Wenn die Drittkörperreibung nicht der dominierende Mechanismus ist, dann ist der Einfluss nicht deutlich zu sehen. 2. Wenn sich die Abriebpartikel aufgrund von Oxidation verändern (z. B. zu Metalloxid), die wiederum deutlich härter sind, als das ursprüngliche Material, wird der Verschleiß beschleunigt. 3 Versuchsdurchführung Reibkorrosionsprüfstand Für Untersuchungen des Reibverschleißes und der Reibkorrosion wird ein vom Labor Feinsystemtechnik selbst entwickelter Reibkorrosionsprüfstand verwendet, siehe Bild 2. Aus Wissenschaft und Forschung Gewicht DMS Proben Probenhalter Heizung Distanzsensoren piezoelektrischer Aktuator Bild 2: Prüfstand für Reibverschleiß- und Reibkorrosionsuntersuchungen [13] Bild 1: Schematische Darstellung häufig vorherrschender Reibungsmechanismen unterschieden in a) Adhäsion [9,10], b) Drittkörper a b T+S_6_17 16.10.17 10: 39 Seite 14 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 Prüflinge Für tribologische Untersuchungen werden Kontaktproben mit der Paarung „Kugel auf Ebene“ verwendet, wobei der Kontaktpunktradius 4,5 mm beträgt, siehe Bild 3. Dies führt unabhängig von der Einspannlage immer zu einem definierten Kontaktpunkt. Als Basismaterial der Proben wird eine Bronze (CuSn4) verwendet. Die Proben werden mit 6 µm Silberschichtdicke elektrochemisch beschichtet. Für den Reibweg wird ein sinusförmiger Verlauf verwendet, siehe Bild 4. Sinusverläufe haben gegenüber einem Dreieck- oder Trapezverlauf den Vorteil einer höheren Beschleunigung. Weiterhin schonen sie den Antrieb des Prüfstandes. Kontaktanordnung Um die tribologischen Eigenschaften und die damit verbundene Lebensdauer der elektrischen Kontakte in Abhängigkeit der Kontaktanordnung ermitteln zu können, wurde die Anordnung der Kontakte variiert. Somit wurde für die Untersuchung die Anordnung der Kontaktproben „Kugel oben - Ebene unten“ sowie „Ebene oben - Kugel unten“ gewählt, siehe Bild 5. Versuchsparameter Die Untersuchungen werden mit folgenden Parametern durchgeführt: • Relativhub: 200 µm • Frequenz: 1 Hz • Normalkraft: 3 N • Temperatur: 20 - 24 °C • Rel. Luftfeuchtigkeit: 40 - 50 % 4. Ergebnisse und Diskussion Damit eine Anwendbarkeit der Prüfergebnisse und ein Vergleich mit anderen Prüfungen möglich sind, werden bei der Darstellung der Ergebnisse alle relevanten mess- und prüftechnischen Parameter angegeben. Die Ergebnisse der Untersuchungen sind die über die Zeit aufgenommenen Kontaktwiderstands- und Reibungskoeffizientkurven, die über die Anzahl der Bewegungszyklen dargestellt werden, siehe Bild 6. 4.1 Lebensdauer in Abhängigkeit der Kontaktanordnung In Bild 6 ist die Lebensdauer der elektrischen Kontakte in Abhängigkeit der Kontaktanordnung dargestellt. Die Reibzyklen bis zum Erreichen des Kontaktwiderstandes von 300 mΩ werden nach der Prüfvorschrift für Steckverbinder LV 214 [15] als Lebensdauer der elektrischen Kontakte bezeichnet. Im Diagramm ist jeweils eine Messung der Versuchsreihe dargestellt. Diese zeigen, dass die Kontaktanordnung „Ebene oben - Kugel unten“(rote Kurve) eine deutlich höhere Le- 15 Aus Wissenschaft und Forschung Bild 3: Standard-Kontakt mit definierter Punktkontaktierung, R = 4,5 mm [14] Bild 4: Reibverlauf [14] Bild 5: Anordnung der Kontakte T+S_6_17 16.10.17 10: 39 Seite 15 16 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 bensdauer aufweist als die Kontaktanordnung „Kugel oben - Ebene unten“ (blaue Kurve). In Tabelle 1 sind die einzelnen Messergebnisse der Lebensdauer in Abhängigkeit der Kontaktanordnung dargestellt. Diese bestätigen statistisch, dass die Anordnung „Ebene oben - Kugel unten“ zu einer höheren Lebensdauer führt. Dies ist im Wesentlichen auf den geringeren Verschleiß dieser Kontaktkombination zurückzuführen (Bild 7). In dem vorliegenden Fall bildet sich, wie spätere Untersuchungen zeigen, bereits nach ca. 3.000 Reibzyklen, Kupferoxid (Fall 2 bei der Drittkörperreibung), welches zu einem erhöhten Verschleiß führt, wenn sich die Partikel in der Kontaktzone befinden. Daher kann ein Abtransport der Partikel den Verschleiß im Reibpro- Aus Wissenschaft und Forschung Bild 6: Lebensdauer in Abhängigkeit der Kontaktanordnung 2132 0 50 100 150 200 250 300 0 20.000 40.000 60.000 80.000 100.000 120.000 Kontaktwiderstand [mΩ] Reibzyklen R4,5 auf R∞ R∞ auf R4,5 Bild 7: Mittlere Verschleißtiefen in Abhängigkeit der Kontaktanordnung 0 2 4 6 8 10 12 5.000 10.000 Gesamtverschleißtiefe beider Oberflächen [µm] Reibzyklen R4,5 auf R∞ R∞ auf R4,5 Tabelle 1: Lebensdauer in Abhängigkeit der Kontaktanordnung Anordnung R 4,5 auf R ∞ R ∞ auf R 4,5 Zyklen: 54.599 94.414 51.568 116.481 62.131 104.858 53.879 102.356 50.841 58.717 60.300 100.172 Mittelwert: 55.553 96.166 T+S_6_17 16.10.17 10: 39 Seite 16 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 zess verringern. Die jeweilige Verteilung der Abriebpartikel in und um die Kontaktzone ist in Bild 8 und 9 dargestellt. Bei der Kombination Ebene-auf-Kugel-Anordnung ist gut erkennbar, dass sich die Oxidpartikel nicht so stark in der Kontaktzone konzentrieren, sondern vorwiegend abtransportiert werden. In Bild 7 ist die Gesamt-Verschleißtiefe beider Silberkontaktflächen (kugelförmige und ebene Kontaktseite) in Abhängigkeit der Kontaktanordnung nach 5.000 und 10.000 Reibzyklen dargestellt. Zu erwähnen ist, dass der Verschleiß auf der kugelförmigen Kontaktseite etwa dem der ebenen Kontaktseite entspricht. Es sind jeweils der Mittelwert von drei Messungen mit einem Minimal- und Maximalwert angezeigt. Der blaue Balken stellt die Kontaktanordnung „Kugel oben - Ebene unten“ und der orangene Balken „Ebene oben - Kugel unten“ dar. Es ist gut zu erkennen, dass die Kontaktanordnung Ebene-auf- Kugel den Verschleiß deutlich reduziert. In Bild 8 und 9 sind die jeweils unteren Kontaktflächen, in Abhängigkeit der Kontaktanordnung, nach dem Versagen dargestellt. Es zeigt sich, dass die Verteilung der Abriebpartikel (Drittkörper) in und um die Kontaktzone einen großen Einfluss auf die Lebensdauer hat. Auf der ebenen Kontaktseite (Bild 8) befinden sich viele Abriebpartikel in der Kontaktzone, siehe auch Bild 10a. Dies führt dazu, dass der gegenüber liegende Kontakt, in diesem Fall die Kugel, nach einer bestimmten Anzahl der Reibzyklen anfängt auf den oxidierten Abriebpartikeln zu reiben, welches wiederum das Versagen des elektrischen Kontaktes zur Folge hat. Bei der Kontaktanordnung „Ebene oben - Kugel unten“ gleiten die meisten Abriebpartikel erstmal von der Kontaktfläche ab, siehe Bild 9 und 10b. Mit steigender Anzahl der Reibzyklen baut sich auf der kugelförmigen Kontaktfläche langsam von unten nach oben ein Partikelfilm auf, bis dann auch der gegenüber liegende Kontakt, in diesem Fall die ebene Kontaktseite, auf den oxidierten Abriebpartikeln reibt. Dieser verzögernde Vorgang führt dazu, dass die elektrischen Kontakte mit der Kontaktanordnung „Ebene oben - Kugel unten“ eine höhere Lebensdauer erreichen. In Bild 10 ist nochmal schematisch dargestellt wie sich die Abriebpartikel im Reibprozess in Abhängigkeit der Kontaktanordnung in und um die Kontaktzone verteilen. 17 Aus Wissenschaft und Forschung Bild 8: R 4,5 auf R ∞ : Kontaktseite R ∞ nach 53.879 Zyklen („Kugel oben - Ebene unten“) Bild 9: R ∞ auf R 4,5 : Kontaktseite R 4,5 nach 102.356 Zyklen („Ebene oben - Kugel unten“) Bild 10: Schematische Darstellung der Verteilung der Abriebpartikel (Drittkörper) in Abhängigkeit der Kontaktanordnung: a) „Kugel oben - Ebene unten“, b) „Ebene oben - Kugel unten“ T+S_6_17 16.10.17 10: 39 Seite 17 18 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 Analysiert man den Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit der Kontaktanordnung, so zeigt die Bild 11, dass die Kontaktanordnung keinen relevanten Einfluss auf den Reibungskoeffizient hat. In beiden Fällen dominiert im Anfangsbereich der Reibmechanismus „Adhäsion“, bis ca. 1.500 Zyklen. Der nahezu konstante Bereich, ab ca. 1.500 Zyklen, weist darauf hin, dass sich Abriebpartikel (Drittkörper) zwischen den Reibpartnern befinden. Dies deutet darauf hin, dass zu dem adhäsiven Anteil der Reibung noch die Drittkörperreibung hinzugekommen ist. 5 Zusammenfassung Die Untersuchung und Analyse der Kontaktzone nach der Verschleiß- und Reibkorrosionsprüfung hat gezeigt, dass die Anordnung der Kontakte, also der konstruktive Aufbau, sowie der Reibungsmechanismus „Drittkörperreibung“ einen großen Einfluss auf die Lebensdauer der elektrischen Kontakte haben. Es wurde festgestellt, dass durch die Kontaktanordnung „Ebene oben - Kugel unten“ eine deutlich höhere Lebensdauer erreicht werden kann, als bei der Kontaktanordnung „Kugel oben - Ebene unten“. Die signifikanten Einflussgrößen hierfür sind die geringere Verschleißrate und die Verteilung der Abriebpartikel (Drittkörper) in und um die Kontaktzone. Des Weiteren wurde festgestellt, dass die Variation der Kontaktanordnung keinen relevanten Einfluss auf den Reibungskoeffizienten hat. Es zeigt sich jedoch, dass bei elektrischen Kontaktoberflächen, bei trockener Reibung, die Reibungsmechanismen „Adhäsion“ und „Drittkörperreibung“ dominieren. 6 Literatur [1] T. W. Liskiewicz, K. J. Kubiak, und D. Jozefczyk: Surface texturing for improved fretting-corrosion performance of electrical connectors. In: Proceedings of the 28 th International Conference on Electric Contacts (ICEC2016), Edinburgh, Juni, 2016, pp. 63-67 [2] U. Stöcker, und G. Bönisch: Zuverlässigkeit von elektronischen Bauteilen im Automobil, Automobiltechnische Zeitschrift 93, 1991, pp. 7-10 [3] E. M. Bock, und J. H. Whitley: Fretting corrosion in electric contacts. 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Beitrag: Korrelation zwischen Reibungs- und Verschleißeigenschaften und Lebensdauer von Oberflächenschutzschichten elektrischer Kontakte, 2013, S. 54 Aus Wissenschaft und Forschung Bild 11: Reibungskoeffizient in Abhängigkeit der Kontaktanordnung 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 Reibungskoeffizient Reibzyklen R4,5 auf R∞ R∞ auf R4,5 T+S_6_17 16.10.17 10: 39 Seite 18 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 6/ 2017 [8] I. L. Singer, K. J. Wahl: Role of third bodies in friction and wear, US Naval Research Laboratory, Code 6176 [9] Fontaine, J. C. Donnet und A. Erdemir: Fundamentals of the tribology of DLC coatings. In: Donnet, C. und A. Erdemir (Herausgeber): Tribology of diamondlike carbon films, Seiten 139-154. Springer Science, 1. Auflage, 2008 [10] J. A. 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Bartz Mühlhaldenstr. 91, 73770 Denkendorf Tel./ Fax (07 11) 3 46 48 35 E-Mail wilfried.bartz@tribo-lubri.de www.tribo-lubri.de Redaktion: Dr. rer. nat. Erich Santner, Bonn Tel. (02 28) 9 61 61 36 E-Mail esantner@arcor.de Redaktionssekretariat: expert verlag Tel. (0 71 59) 92 65 - 0, Fax (0 71 59) 92 65 -20 E-Mail: expert@expertverlag.de Beiträge, die mit vollem Namen oder auch mit Kurzzeichen des Autors gezeichnet sind, stellen die Meinung des Autors, nicht unbedingt auch die der Redaktion dar. Unverlangte Zusendungen redaktioneller Beiträge auf eigene Gefahr und ohne Gewähr für die Rücksendung. Die Einholung des Abdruckrechtes für dem Verlag eingesandte Fotos obliegt dem Einsender. Die Rechte an Abbildungen ohne Quellenhinweis liegen beim Autor oder der Redaktion. Ansprüche Dritter gegenüber dem Verlag sind, wenn keine besonderen Vereinbarungen getroffen sind, ausgeschlossen. Überarbeitungen und Kürzungen liegen im Ermessen der Redaktion. 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