DD255818A1

DD255818A1 - Elektrischer kontakt aus aluminium 99,5

Info

Publication number: DD255818A1
Application number: DD29597486A
Authority: DD
Inventors: Peter Kurze; Dieter Taubert; Petre Jancu
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1986-11-06
Filing date: 1986-11-06
Publication date: 1988-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen ruhenden elektrischen Kontakt aus Al 99,5, der insbesondere im Schaltanlagenbau eingesetzt wird. Er ist durch einen langzeitstabilen Übergangswiderstand R ind ü * 15 æ Omega auch nach verschärfter Prüfung mit SO ind 2, H ind 2 S und H ind 2 O gekennzeichnet. Die Oberflächentopographie des Al-Leiters besitzt vor der Kontaktierung auf der Kontaktoberfläche eine mittlere Rauheit R ind z von 7-11 æm, einen minimalen Traganteil t ind p der tragenden Oberfläche von 75 % mit einer Spitzenanzahl HSC von 10-12 Spitzen/mm in linearer Richtung. Die Geometrie der Oberfläche des Kontaktes vor der Kontaktierung ist durch regelmäßige Spitzen in Form eines dreieckigen Querschnittprofils gekennzeichnet. Die Profilspitzen sind dabei eine Sockelbreite a von 190-220 æm bezogen auf die Mittellinie , und eine Spitzenhöhe b von 8-10 æm charakterisiert. Der eingestellte Kontaktdruck P ind k beträgt nach der Kontaktierung bezogen auf eine Kontaktfläche von 785 mm exp 2 unter Betriebsbedingungen 18-20 MPa.{Elektrischer Kontakt aus Al 99,5, Oberflächentopographie vor der Kontaktierung, Langzeitstabilität des Übergangswiderstandes, korrosive Belastung, Einsatz im Schaltanlagenbau}

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Kontakt aus Al 99,5, der vor allem in der Elektrotechnik, insbesondere für den Schaltanlagenbau, als kraftschlüssiger ebener und ruhender Kontakt eingesetzt wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Man ist bemüht, in der elektrisch leitenen Verbindungs- und Anschlußtechnik Aluminiumkontakte mit einem niedrigen und langzeitstabilen Übergangswiderstand zu schaffen. Dazu wurden u.a. eine Reihe von Aluminiumwerkstoffen mit verschiedenen Legierungsbestandteilen (DE-OS 2435456) und Technologien (DE-OS 2537804; DE-OS 257804, DD 140600, DD 148693) entwickelt, um möglichst günstige Einsatzparamter zu erhalten und unerwünschte Korrosionseffekte auszuschließen.

Im konkreten Anwendungs- bzw. Einsatzfall von Aluminiumkontakten in der Praxis werden zur Verbesserung des elektrischen Verhaltens vielfältige Maßnahmen, wie z.B. Beizen, Bürsten, der Einsatz von Kontaktpasten u.a. angewandt.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß auch diese Maßnahme nicht immer den gewünschten Erfolg, vor allem bezogen auf das Langzeitverhalten, bringen. Außerdem gibt es dazu im einzelnen sehr unterschiedliche Auffassungen, bezogen auf die jeweilige Kontakt- und Werkstoffvariante und der erreichten Oberfläche des Kontaktes. So wird z. B. von einem großen Teil der Fachleute das Bürsten zur Zerstörung der Oxidschicht auf den Aluminiumkontaktflächen als notwendig angesehen, während ein anderer Teil in wissenschaftlichen Schriften dies als überflüssig ablehnt. Das gleiche gilt für den Einsatz von Kontaktpasten (Lit.: Loebel:

„VIII. Kontakttagung der DDR 1983 TH Karl-Marx-Stadt"; Höft: Informationselektronik „Elektrische Kontakte, Werkstoffe, Einsatzbedingungen, Zuverlässigkeit" VEB Verlag Technik, Berlin 1980).

All dies zeigt, daß die komplexen Zusammenhänge eines elektrischen Kontaktes aus Aluminium noch nicht oder nur unzureichend untersucht sind.

Der wesentliche Nachteil besteht darin, daß die spezifischen Wirkmechänismen und deren Zusammenhänge an der Kontaktoberfläche wie z. B. Ausbildung eines speziellen topographischen Oberflächenprofils, die prozentuale Höhe der Traganteile, der Kontaktdruck usw. in Abhängigkeit von den Werkstoffeigenschaften und der Umgebungsatmosphäre nicht oder nur ungenügend beachtet werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, die beschriebenen Nachteile zu beseitigen und mit einfachen Mitteln, ohne aufwendige Vor- und Nachbehandlungen minimale und langzeitstabile Werte für den Übergangswiderstand des elektrischen Kontaktes zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die technische Aufgabe besteht darin, günstige Parameter für die Gestaltung der Oberfläche an Aluminium leitern aus Al 99,5 für kraftschlüssige ruhende ebene Aluminiumkontakte unter Beachtung spezieller Methoden der Verbindungstechnik zu entwickeln. Dabei ist die chemische Zusammensetzung der Umgebungsatmosphäre als negativ wirkendes Element auf das Korrosionsverhalten des Aluminiumkontaktes mit in die technische Lösung einzubeziehen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Oberfläche des Aluminiumleiters aus Al 99,5 verschieden Mechanisch und/oder elektrochemisch und/oder elektrisch bearbeitet wird, so daß die Oberfläche des Kontaktes eine spezifische Gestalt aufweist und mit einem optimalen Kontaktdruck kontaktiert wird.

Es wurde gefunden, daß der elektrische ruhende und ebene Kontakte aus Al 99,5 an der Kontaktfläche vor der Kontaktierung eine mittlere Rauheit R_z von 7-11μιη einen minimalen Traganteil t_p der tragenden Oberfläche von 75% mit einer Spitzenanzahl HSC von 10-12 Spitzen/mm in linearer Richtung aufweist. Die Geometrie des Querschnitts der Oberfläche des Kontaktes aus Al 99,5 vor der Kontaktierung ist durch regelmäßige Spitzen mit dreieckigem Querschnittsprofil gekennzeichnet. Die Profilspitzen sind durch eine Sockelbreite a von 190-220/um, bezogen auf die Mittellinie m, sowie eine Spitzenhöhe b von 8-10μηη charakterisiert und ein Kontaktdruck Pk nach der Kontaktierung unter Betriebsbedigungen mit 18—10MPa bezogen auf eine Kontaktfläche A_p von 785mm² eingestellt ist und ein langzeitstabiler Übergangswiderstand R_u S 15μΩ vorliegt.

Bei der Untersuchung des Kontaktes zeigte sich, daß die regelmäßigen Spitzen mit einem dreieckigen Querschnittsprofil des so beschriebneen Al-Kontaktes auf Grund der hohen Festigkeit dieses Gebildes die Oxidschicht wirkungsvoll durchdringen sowie eine Neuoxidierung durch den ständigen Druck verhindern und sich dadurch der sehr niedrige langzeitstabile Übergangswiderstand einstellt. Die Langzeitstabilität des erifndungsgemäßen Kontaktes bleibt auch bei einer korrosiven

Umgebungsatmosphäre mit SO₂ und/oder H₂S und/oder H₂O auch bei höheren Temperaturen bis +4O⁰C erhalten. Werkstoffseitig wird die zulässige Dehngrenze R_p0,2 von max. 80MPa nicht überschritten, so daß bei dem eingestellten Kontaktdruck der elastische Bereich am Kontakt erhalten bleibt.

Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Lösung wird an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In Figur 1 ist schematisch die Geometrie des Querschnitts der Oberfläche des Kontaktes aus Al 99,5 dargestellt. Ein Stromschienenpaar aus Al 99,5 wird mechanisch mit einer Oberflächenrauheit R_z von 10/xm und einem Oberflächentraganteilt_p von 75% sowie mit einer Spitzenanzahl von 10 Spitzen/mm in linearer Richtung hergestellt. Das Oberflächenprofil ist ein dreieckiges Querschnittsprofil mit einer Sockelbreite a von 200μ.ιη und einer Spitzenhöhe b von 9/xm. Die beiden Stromschienen werden mit einem Kontaktdruck von 19MPa bei einer Kontaktfläche von 785mm² mittels Schraubklemmverbindung kontaktiert und einer Industrieatmosphäre, die SO₂ enthält, ausgesetzt. Nach 365 Tagen wurde ein Übergangswiderstand von 14μΩ gemessen.

Eine unter gleichen Ausgangsbedingungen durchgeführte Prüfung an unbearbeiteten Stromschienen zeigte, daß diese Kontaktpaarung bereits nach 210 Tagen den 4,5fachen Wert der erfindungsgemäßen Variante erreicht hat. Eine verschärfte Prüfung mit korrosiver Umgebungsatmosphäre nach TGL9209 mittels Schwefeldioxid in der Konzentration von 3,5ppm und einer Gemischprüfung von Schwefeldioxid und Schwefelwasserstoff mit einer Konzentration von 0,5ppm ergab ebenfalls unter den gegebenen Ausgangsbedingungen der Gestaltung dieses erfindungsgemäßen elektrischen ebenen und ruhenden Kontaktes einen Übergangswiderstand von R_ü ^ 15μΩ.

Vergleiche mit ruhenden und ebenen elektrischen Kontakten, welche in den Paramtern mittlere Oberflächenrauhigkeit, Oberflächenprofil und Kontaktdruck vom erfindungsgemäßen Kontakt Abweichungen aufweisen, lagen im Übergangswiderstand weit über den gefundenen Werten der erfindungsgemäßen Lösung.

Claims

Patentanspruch:

Elektrischer Kontakt aus Al99,5 als kraftschlüssiger, ebener und ruhender Kontakt, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Kontaktierung eine Oberfläche mit einer mittleren Rauheit R_z = 7-11 μ,ιη ein minimaler Traganteil t_p der tragenden Oberfläche von 75% bei einer Spitzenanzahl HSC von 10 bis 12 Spitzen/mm in linearer Richtung und die Geometrie in Form regelmäßiger Spitzen mit dreieckigem Querschnittsprofil bei einer Sockelbreite a von 190-220μηη, bezogen auf die Mittellinie m, sowie einer Spitzenhöhe b von 8—10/xm vorhanden ist sowie nach der Kontaktierung ein Kontaktdruck unter Betriebsbedingungen von 18-20MPa eingestellt ist und der Übergangswiderstand R_ü ^ 15μΏ beträgt.