Kontaktmaterialien und Legierungen für elektrische Kontakte

Bedeutung von Kontaktmaterialien in elektrischen Kontakten

Kontaktmaterialien sind ein zentraler Funktionsbestandteil elektrischer Kontakte. Sie bestimmen maßgeblich den elektrischen Übergangswiderstand, das Abbrand- und Erosionsverhalten, die Neigung zum Kontaktverschweißen sowie die erreichbare elektrische und mechanische Lebensdauer einer Schaltstelle.

In elektromechanischen Baugruppen wirken Kontaktmaterialien direkt an der funktionalen Schnittstelle zwischen zwei leitfähigen Bauteilen. Fehler oder Vereinfachungen bei der Materialauswahl lassen sich später meist nicht mehr kompensieren und zeigen sich häufig erst im Feldbetrieb.

Kontaktmaterialien kommen unter anderem in Relais, Schützen, Installationsschaltern, Stecksystemen sowie in komplexen Kontaktbaugruppen zum Einsatz. Die Auswahl ist stets anwendungs- und systembezogen vorzunehmen.

Grundlegende Anforderungen an Kontaktmaterialien

Elektrische Kontaktmaterialien müssen eine Vielzahl teilweise gegenläufiger Anforderungen erfüllen. Neben einer hohen elektrischen Leitfähigkeit sind mechanische Stabilität und ein kontrolliertes Verhalten unter Lichtbogenbelastung erforderlich.

Typische Grundanforderungen sind:

• niedriger und langfristig stabiler Übergangswiderstand
• ausreichende Härte und Verschleißfestigkeit
• kontrolliertes Abbrand- und Erosionsverhalten
• geringe Neigung zum Kontaktverschweißen
• Beständigkeit gegenüber Temperatur, Atmosphäre und Umwelteinflüssen

Die Gewichtung dieser Kriterien unterscheidet sich deutlich zwischen Wechselstrom- und Gleichstromanwendungen sowie zwischen Schalt- und Dauerstromkontakten.

Grundwerkstoffe für elektrische Kontakte

Silber als Basismaterial

Silber ist der wichtigste Grundwerkstoff für elektrische Kontaktmaterialien. Es besitzt unter allen Metallen eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit und ermöglicht niedrige Übergangswiderstände. Reines Silber ist jedoch mechanisch weich und neigt unter Lichtbogenbelastung zu Materialwanderung und Verschweißung.

In der industriellen Praxis wird Silber daher nahezu ausschließlich in legierter oder modifizierter Form eingesetzt.

Kupfer und Kupferlegierungen

Kupfer weist ebenfalls eine hohe elektrische Leitfähigkeit auf und wird häufig als Trägermaterial eingesetzt, beispielsweise bei Kontaktnieten oder Verbundlösungen. Als reines Kontaktmaterial ist Kupfer aufgrund seiner Oxidationsneigung und ungünstigen Schalteigenschaften nur eingeschränkt geeignet.

Silberlegierungen für elektrische Kontakte

Silberlegierungen werden eingesetzt, um die sehr hohe elektrische Leitfähigkeit von Silber mit verbesserten mechanischen und schalttechnischen Eigenschaften zu kombinieren. Durch gezielte Legierungsbestandteile lassen sich Härte, Abbrandverhalten, Verschweißneigung und Lebensdauer an unterschiedliche Anwendungen anpassen.

AgNi – Silber-Nickel

AgNi zählt zu den am häufigsten eingesetzten Kontaktmaterialien. Der Nickelanteil erhöht Härte und Verschleißfestigkeit und reduziert die Neigung zum Kontaktverschweißen, während die elektrische Leitfähigkeit auf einem für viele Anwendungen ausreichenden Niveau bleibt.

AgNi-Werkstoffe werden bevorzugt in Relais, Schaltern und Installationsgeräten eingesetzt und lassen sich gut zu Kontaktteilen wie Kontaktauflagen oder Kontaktnieten verarbeiten.

AgCu – Silber-Kupfer

Silber-Kupfer-Legierungen zeichnen sich durch eine erhöhte mechanische Festigkeit aus. Mit steigendem Kupferanteil nimmt jedoch die elektrische Leitfähigkeit ab. AgCu wird vor allem dort eingesetzt, wo mechanische Belastungen höher sind und die Schaltlasten moderat bleiben.

AgSn – Silber-Zinn

AgSn-Legierungen ohne Oxidphase werden in bestimmten Anwendungen mit moderaten Schaltlasten eingesetzt. Sie bieten eine höhere Festigkeit als reines Silber, erreichen jedoch nicht die Abbrandfestigkeit oxidbasierter Werkstoffe. Die Eignung ist daher stark anwendungsabhängig.

AgPd – Silber-Palladium

AgPd-Legierungen werden insbesondere bei geringen Schaltströmen und niedrigen Kontaktkräften eingesetzt. Palladium erhöht die Härte und verbessert die Beständigkeit gegenüber atmosphärischen Einflüssen. Die elektrische Leitfähigkeit liegt unterhalb reiner Silberwerkstoffe, ist jedoch für viele Signal- und Steuerstromanwendungen ausreichend.

AgAu – Silber-Gold

AgAu-Legierungen kombinieren die gute Leitfähigkeit von Silber mit der Korrosionsbeständigkeit von Gold. Sie kommen vor allem in Anwendungen zum Einsatz, bei denen niedrige Übergangswiderstände und stabile Kontaktverhältnisse bei sehr kleinen Strömen erforderlich sind. Der Goldanteil beeinflusst Kosten und Kontaktverhalten und wird entsprechend der Anwendung gewählt.

AgZnO – Silber-Zinkoxid

AgZnO ist ein oxidbasierter Silberwerkstoff, der in bestimmten Anwendungen als Alternative zu anderen Silber-Metalloxid-Werkstoffen eingesetzt wird. Die Eigenschaften sind stark abhängig von Zusammensetzung und Herstellverfahren und müssen anwendungsbezogen bewertet werden.

Silber-Metalloxid-Werkstoffe

AgSnO₂ – Silber-Zinnoxid

AgSnO₂ zählt zu den wichtigsten Kontaktmaterialien für Anwendungen mit hohen Einschaltströmen und induktiven Lasten. Die fein verteilten Zinnoxidpartikel stabilisieren das Schaltverhalten und reduzieren die Verschweißneigung.

Die geringere Duktilität gegenüber klassischen Legierungen ist bei der Verarbeitung zu berücksichtigen.

Pulvermetallurgische Werkstoffe

Viele Silber-Metalloxid-Werkstoffe werden pulvermetallurgisch hergestellt. Diese Fertigung ermöglicht eine homogene Verteilung der Oxidphasen und damit reproduzierbare elektrische Eigenschaften.

Gleichzeitig sind diese Werkstoffe weniger gut umformbar als schmelzmetallurgische Legierungen.

Cadmiumhaltige Kontaktmaterialien

Silber-Cadmiumoxid-Werkstoffe wurden historisch häufig bei hohen Schaltleistungen eingesetzt. Sie zeichnen sich durch ein günstiges Abbrandverhalten und eine geringe Verschweißneigung aus.

Ihr heutiger Einsatz ist abhängig von Anwendung, Markt und regulatorischen Rahmenbedingungen. In bestimmten Fällen können gültige Ausnahmen bestehen. Pauschale Aussagen zur Verwendbarkeit sind nicht zulässig.

Vergoldung und Goldbeschichtungen bei elektrischen Kontakten

Goldbeschichtungen werden bei elektrischen Kontakten eingesetzt, wenn sehr niedrige und stabile Übergangswiderstände bei kleinen Strömen und geringen Kontaktkräften erforderlich sind. Gold zeichnet sich durch eine hohe Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit aus und bildet auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen keine isolierenden Oberflächenschichten.

Funktion und Einsatzbereiche der Vergoldung

Vergoldete Kontakte finden sich typischerweise in Signal-, Steuer- und Messelektronik, in Steckverbindern sowie in Anwendungen mit sehr kleinen Kontaktströmen. In diesen Fällen kann eine Silberoberfläche aufgrund von Sulfid- oder Oxidbildung zu instabilen Kontaktverhältnissen führen.

Goldschicht als Funktionsschicht

Die Goldschicht dient in der Regel ausschließlich als Funktions- und Schutzschicht. Der darunterliegende Grundwerkstoff übernimmt die mechanische Stabilität und den Großteil der Stromtragfähigkeit. Die Auswahl des Grundmaterials sowie einer geeigneten Zwischenschicht ist entscheidend für die Haftfestigkeit und Lebensdauer der Beschichtung.

Grenzen der Vergoldung

Vergoldungen sind nicht für hohe Schaltströme oder ausgeprägte Lichtbogenbelastungen geeignet. Bei solchen Anwendungen kann die Goldschicht schnell abgetragen oder beschädigt werden. Die Entscheidung für eine Vergoldung muss daher immer im Kontext der elektrischen Belastung, der Kontaktkraft und der erwarteten Lebensdauer erfolgen.

Einsatz von Kupfer und Bimetallen in Kontaktmaterialien

Neben Silber und Silberlegierungen spielen Kupfer und kupferbasierte Verbundwerkstoffe eine zentrale Rolle in der elektrischen Kontakttechnik. Ihr Einsatz erfolgt weniger als reine Kontaktoberfläche, sondern primär als Trägermaterial oder Bestandteil von Verbund- und Mehrschichtlösungen.

Kupfer als Leit- und Trägermaterial

Kupfer besitzt eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit und wird daher häufig als Grund- oder Trägermaterial für elektrische Kontakte eingesetzt. Typische Anwendungen sind Kontaktträger, Schaltarme, Anschlussfahnen sowie Schäfte von Kontaktnieten.

Als direktes Kontaktmaterial ist Kupfer aufgrund seiner ausgeprägten Oxidationsneigung und des ungünstigen Schaltverhaltens nur bedingt geeignet. Oxidschichten können den Übergangswiderstand erhöhen und zu instabilen Kontaktverhältnissen führen, insbesondere bei kleinen Kontaktkräften.

Kupferlegierungen im Kontaktumfeld

Kupferlegierungen wie Messing oder Bronze werden eingesetzt, wenn erhöhte mechanische Festigkeit oder Federwirkung erforderlich ist. Sie dienen in der Regel nicht als eigentliche Kontaktfläche, sondern als funktionales Trägermaterial für aufgebrachte Kontaktwerkstoffe.

Bimetall- und Mehrschichtlösungen

Bimetall- und Trimetall-Ausführungen ermöglichen eine funktionale Trennung zwischen elektrischer Kontaktfläche und mechanischem Träger. Die Kontaktfläche besteht dabei aus einem geeigneten Silberwerkstoff, während der Träger aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt ist.

Diese Bauweise wird unter anderem bei Kontaktnieten, Kontaktauflagen und Kontaktprofilen eingesetzt.

Vorteile von Bimetallen

• deutliche Reduzierung des Edelmetalleinsatzes
• gute elektrische Anbindung an den Kontaktträger
• Anpassung mechanischer Eigenschaften unabhängig vom Kontaktmaterial

Die Auslegung von Bimetall- und Mehrschichtmaterialien erfordert eine enge Abstimmung zwischen Werkstoff, Geometrie und Fertigungsprozess. Übergangszonen zwischen den Werkstoffen müssen dauerhaft stabil ausgeführt sein, um erhöhte Übergangswiderstände oder mechanische Schwächungen zu vermeiden.

Kontaktmaterialien nach Bauform und Einsatz

Kontaktmaterialien kommen in unterschiedlichen Bauformen zum Einsatz, unter anderem als:

• massive Kontakte
• Bimetall- und Trimetall-Ausführungen
• Kontaktnieten
• Kontaktauflagen
• Kontaktprofile

Durch den gezielten Einsatz von Verbund- und Mehrschichtmaterialien lässt sich der Edelmetalleinsatz reduzieren, ohne die elektrische Funktion zu beeinträchtigen.

Auswahlkriterien für Kontaktmaterialien

Technische Kriterien

• Stromart (AC oder DC)
• Schalt- und Dauerstrom
• Lastart (ohmsch, induktiv, kapazitiv)
• Kontaktkraft und Kontaktgeometrie
• geforderte elektrische und mechanische Lebensdauer

Wirtschaftliche Kriterien

• Edelmetallanteil und Materialkosten
• Verfügbarkeit und Lieferstabilität
• Eignung für Serienfertigung
• Reproduzierbarkeit der Materialeigenschaften

Eine isolierte Betrachtung einzelner Kriterien führt häufig zu technisch oder wirtschaftlich suboptimalen Lösungen.

Typische Anwendungen von Kontaktmaterialien

Kontaktmaterialien werden unter anderem eingesetzt in:

• Relais und Schützen
• Installations- und Geräteschutzschaltern
• Stecksystemen und Steckdosen
• elektromechanischen Kontaktbaugruppen

Die Auswahl erfolgt stets im Kontext der jeweiligen Anwendung, beispielsweise in der Elektrotechnik oder der Installationstechnik.

Auswahlkriterien für Techniker und Einkäufer

In der industriellen Praxis sind an der Auswahl von Kontaktmaterialien in der Regel sowohl technische Abteilungen als auch der Einkauf beteiligt. Während Entwickler und Konstrukteure den Fokus auf Funktion, Lebensdauer und Prozesssicherheit legen, stehen für Einkäufer Kostenstabilität, Verfügbarkeit und Qualitätskonstanz im Vordergrund. Eine belastbare Materialentscheidung berücksichtigt beide Perspektiven.

Auswahlkriterien aus technischer Sicht

Aus technischer Sicht steht die zuverlässige Funktion des elektrischen Kontakts über die gesamte Lebensdauer im Mittelpunkt. Wesentliche Kriterien sind:

• Stromart (AC oder DC) sowie Höhe von Schalt- und Dauerstrom
• Lastart (ohmsch, induktiv, kapazitiv) und damit verbundene Lichtbogenbeanspruchung
• Abbrand- und Erosionsverhalten des Kontaktmaterials
• Neigung zum Kontaktverschweißen unter realen Betriebsbedingungen
• Kontaktkraft, Kontaktgeometrie und Gegenkontaktmaterial
• thermische und atmosphärische Umgebungsbedingungen

Kontaktmaterialien sollten stets im Zusammenspiel mit Bauform, Kontaktträger und Gegenkontakt ausgelegt werden. Eine isolierte Betrachtung des Werkstoffs führt häufig zu Fehlinterpretationen.

Auswahlkriterien aus Sicht des Einkaufs

Für den technischen Einkauf stehen wirtschaftliche und organisatorische Aspekte im Vordergrund. Typische Kriterien sind:

• Edelmetallanteil und daraus resultierende Materialkosten
• Möglichkeiten zur Reduzierung des Edelmetalleinsatzes durch Verbund- oder Mehrschichtmaterialien
• Verfügbarkeit der Werkstoffe und Lieferstabilität über die Projektlaufzeit
• Reproduzierbarkeit der Materialeigenschaften und Qualitätskonstanz
• Anforderungen an Dokumentation, Rückverfolgbarkeit und Qualitätssicherung

Für Einkäufer ist zudem relevant, ob ein Lieferant technische Unterstützung leisten kann, um sicherheitsbedingte Überdimensionierungen zu vermeiden und wirtschaftlich sinnvolle Alternativen aufzuzeigen.

Gemeinsame Entscheidungsbasis

In der Praxis hat sich eine enge Abstimmung zwischen Technik und Einkauf bewährt. Eine technisch saubere Materialauswahl reduziert spätere Feldprobleme, Reklamationen und Änderungsaufwände. Gleichzeitig ermöglicht eine wirtschaftlich optimierte Werkstofflösung stabile Stückkosten und eine zuverlässige Serienversorgung.

Typische Fehlannahmen bei Kontaktmaterialien (Praxisbeispiele)

In der Praxis der Kontakttechnik treten immer wieder vereinfachende Annahmen auf, die bei der Auslegung elektrischer Kontakte zu Funktionsproblemen oder unnötigen Kosten führen. Die folgenden Beispiele zeigen typische Fehlannahmen und deren technische Einordnung.

„Je höher die elektrische Leitfähigkeit, desto besser der Kontakt“

Eine hohe elektrische Leitfähigkeit ist zwar wichtig, sie allein garantiert jedoch keine stabile Kontaktfunktion. Reines Silber oder Kupfer besitzen sehr hohe Leitfähigkeiten, neigen jedoch unter Schaltbelastung zu Materialwanderung, Abbrand oder Verschweißung. Für viele Anwendungen sind daher legierte oder oxidbasierte Silberwerkstoffe funktional überlegen.

„Ein Kontaktmaterial ist universell einsetzbar“

Kontaktmaterialien sind immer anwendungsbezogen auszulegen. Ein Werkstoff, der sich bei Wechselstrom und ohmscher Last bewährt, kann bei Gleichstrom oder induktiver Last zu erhöhtem Abbrand oder instabilem Schaltverhalten führen. Universell geeignete Kontaktmaterialien gibt es in der Praxis nicht.

„Vergoldete Kontakte sind immer besser“

Vergoldungen bieten sehr stabile Übergangswiderstände bei kleinen Strömen und geringen Kontaktkräften. Für Anwendungen mit höheren Schaltströmen oder Lichtbogenbelastung sind sie jedoch ungeeignet, da die Goldschicht schnell beschädigt oder abgetragen wird. Vergoldung ist eine funktionsspezifische Lösung, kein universeller Qualitätsindikator.

„Kupfer eignet sich gut als Kontaktoberfläche“

Kupfer wird aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit häufig als ideales Kontaktmaterial wahrgenommen. In der Praxis führen Oxidbildung und ungünstiges Schaltverhalten jedoch zu erhöhtem Übergangswiderstand und instabilen Kontaktverhältnissen. Kupfer ist daher in der Regel Trägermaterial, nicht Kontaktoberfläche.

„Bimetall-Lösungen sind immer eine Sparvariante“

Bimetall- und Trimetall-Ausführungen dienen nicht ausschließlich der Kostensenkung. Sie ermöglichen eine funktionale Trennung zwischen Kontaktfläche und Träger und können die Gesamtperformance verbessern. Eine unsachgemäße Auslegung der Übergangszonen kann jedoch neue Schwachstellen erzeugen.

„Normen ersetzen die technische Auslegung“

Normen und Richtlinien definieren Prüf- und Mindestanforderungen, ersetzen jedoch nicht die anwendungsbezogene Auslegung des Kontaktmaterials. Feldbedingungen, reale Lastprofile und Umgebungsfaktoren müssen in die Werkstoffauswahl einbezogen werden.

Qualitätssicherung und Prüfung

Kontaktmaterialien unterliegen umfangreichen Prüfungen, unter anderem hinsichtlich:

• chemischer Zusammensetzung
• Gefüge und Homogenität
• elektrischer Leitfähigkeit
• Abbrand- und Verschleißverhalten

Zusätzlich werden häufig Lebensdauer- und Schaltprüfungen im eingebauten Zustand durchgeführt.

FAQ zu Kontaktmaterialien und Legierungen

Welche Rolle spielt die Stromart bei der Materialauswahl?

Die Stromart beeinflusst Abbrand- und Materialwanderungseffekte erheblich. Gleichstrom stellt in der Regel höhere Anforderungen an das Kontaktmaterial als Wechselstrom.

Warum wird reines Silber kaum eingesetzt?

Reines Silber ist sehr leitfähig, jedoch mechanisch weich und neigt zu Verschweißung. Legierungen und Metalloxide verbessern das Gesamtverhalten deutlich.

Sind Silber-Metalloxid-Werkstoffe immer besser als Legierungen?

Nicht zwingend. Metalloxid-Werkstoffe bieten Vorteile bei hohen Schaltlasten, sind jedoch weniger duktil und nicht für jede Bauform geeignet.

Welche Bedeutung haben Verbund- und Mehrschichtmaterialien?

Sie ermöglichen eine funktionale Trennung von Kontaktfläche und Trägermaterial und reduzieren den Edelmetalleinsatz bei gleichbleibender Funktion.

Wie erfolgt die optimale Materialauswahl?

Durch eine anwendungsbezogene Bewertung aller elektrischen, mechanischen und wirtschaftlichen Anforderungen.

 

Weiterführende Fachinformationen zu Kontaktteilen, Werkstoffen und Anwendungen finden sich im Wissensbereich der AX-METALS GmbH. Bei technischen Fragen oder projektbezogenen Abstimmungen bitten wir um Kontaktaufnahme über die Kontaktseite.