Untersuchungen zu den tribologischen und elektrischen Eigenschaften zinnbeschichteter Kontaktoberflächen

An galvanisch beschichteten Kontaktgeometrien werden Kontaktwiderstandsmessungen, Reibversuche und Leiteranschlussuntersuchungen durchgeführt. Dabei werden hemisphärische, zylindrische und sickenförmige Geometrien mit unterschiedlichen Kontaktradien eingesetzt. Bei den Reibversuchen zeigen große Radien und zylindrische Kontaktgeometrien die günstigsten Verschleißeigenschaften. Dickere Zinnschichten führen zu einer höheren Verschleißbeständigkeit, allerdings auch zu erhöhten Reibkräften. Bei Zinnschichten führt die Relativbewegung zwischen zwei Kontaktpartnern bereits nach dem ersten Reibzyklus zu einer deutlichen Reduzierung des Kontaktwiderstands durch das Verdrängen der Oxidschicht aus dem Kontaktbereich. Nickel wird als Sperrschicht zwischen Kupfer und Zinn eingesetzt, zeigt aber auch bei den Verschleißversuchen günstige Eigenschaften. So steigt der Kontaktwiderstand weniger stark an als bei nicht unternickelten Kontakten. Eine signifikante Erhöhung der Verschleißbeständigkeit bei gleichzeitiger Reduzierung des Reibwerts kann durch den Einsatz von Schmieröl erreicht werden. Bei Kontaktwiderstandsmessungen ohne Relativbewegung zeigt sich für eine Hartgoldschicht, dass große Radien und zylindrische Kontaktgeometrien zu geringeren Kontaktwiderständen führen. Für Zinnschichten ist dieses Verhalten, je nach Schichtsystem, schwächer ausgeprägt oder nicht vorhanden. Unter Wärmeeinfluss zeigt sich eine Abnahme des Kontaktwiderstands mit zunehmender Temperatur für Hartgold- und Zinnschichten. Untersuchungen mit eindrähtigen Leitern zeigen für den betrachteten Kontaktkraftbereich bis 10 N ein elektrisch günstiges Verhalten bei kleinen Kontaktradien und dicken Zinnbeschichtungen. Für feindrähtige Leiter begünstigen breite Leiterpakete geringere Widerstandswerte. Durch die Entwicklung eines theoretischen Modells werden die mechanischen und elektrischen Vorgänge nachvollzogen. Es wird ein Modell für die Auslegung von Steckverbinderkontakten vorgestellt, welches auf einer analytischen Untersuchung der mechanischen, elektrischen und tribologischen Eigenschaften von Steckverbinderkontakten und daraus abgeleiteten Gleichungen basiert.

At electroplated contact geometries contact resistance measurements, wear tests and conductor connection investigations are carried out. Hemispherical, cylindrical and beadshaped contact geometries with different contact radii are used. In wear tests, large radii and cylindrical contact geometries show the best wear properties. Thicker tin layers lead to a higher wear resistance, but also to increased friction forces. For tin layers, the relative movement between two contact partners leads already after the first friction cycle to a significant reduction of the contact resistance via the removal of the oxide layer from the contact surface. Nickel is used as a barrier material between copper and tin, but also shows favorable properties in the wear tests. Thus, the contact resistance increases less than contacts without a nickel barrier layer. A significant increase in wear resistance while reducing the coefficient of friction can be achieved by the use of a lubricant. Under the influence of heat, the contact resistance for hardgold and tin layers decreases with increasing temperature. For contact resistance measurements without relative movement, a hard gold layer has an influence of the contact geometry. Large radii and cylindrical contact geometries lead to lower contact resistance. For tin layers, this behavior, depending on the layer system, is weaker or nonexistent. Investigations with bulk wires show an electrically favorable behavior with small contact radii and thick tin coatings for the considered contact force range up to 10 N. For fine-stranded wires there is a significant influence of the conductor package width, with wide conductor packages leading to lower resistance values. By developing a theoretical model, the mechanical and electrical processes are understood. Aprocedure for the dimensioning of connector contacts is presented, which is based on an analytical investigation of the mechanical, electrical and tribological properties of connector contacts and derived equations.

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