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TU Chemnitz untersuchte Galvanische Abscheidung von Silber und Wolfram aus ionischen Flüssigkeiten für den zukünftigen Einsatz als Kontaktwerkstoff

Durch die Verwendung von „ionischen Flüssigkeiten“ lassen sich Metalle und Legierungen abscheiden, die in wässrigen Elektrolyten nicht abscheidbar sind. Zu diesem Zweck wurde im BMBF-Verbundprojekt GALACTIF (Neue galvanotechnische Beschichtungsprozesse aus ionischen Flüssigkeiten) an der TU Chemnitz die galvanische Abscheidung von Ag–W-Schichten untersucht. Dabei konnte ein zweiphasiges Ag-W-System mit hohem W-Anteil aus einer Mischung mit Aluminiumchlorid hergestellt werden. Die Abscheidung erfolgte außerhalb einer Glove-Box mit Pulsstrom.

Industriell werden Kontaktwerkstoffe aus Silber (Ag) und Wolfram (W) durch Sintern und Tränken hergestellt. Zunächst wird Wolframpulver gepresst und gesintert, anschließend werden die Poren des festen Sintergerüstes durch Tauchen in flüssiges Silber gefüllt. Die Kombination von Ag und W verbindet dabei die thermische und elektrische Leitfähigkeit von Ag mit der Abbrandfestigkeit des hochschmelzenden W. Im industriellen Maßstab haben diese Werkstoffe einen W-Massenanteil von 50 bis 80 Prozent. Ziel des Vorhabens war es, einen elektrochemischen Prozess zu erforschen, der das Potenzial hat, diese massiven Bauteile durch galvanisch hergestellte Schichten zu ersetzen. Dadurch wäre es möglich, diesen Werkstoff in einem effizienteren Verfahren kostengünstiger und in einem leichteren Design herzustellen. W und die meisten seiner Legierungen können aufgrund der geringen Überspannung für die Wasserstoffabscheidung nicht aus wässrigen (protischen) Elektrolyten abgeschieden werden, denn es würde nur Wasserstoff entwickelt.

Aprotische, ionische Flüssigkeiten als Alternative

Als Alternative zu wässrigen Elektrolyten können aprotische, ionische Flüssigkeiten (IL) Abhilfe schaffen, da sie keinen aciden (leicht abspaltbaren) Wasserstoff enthalten. Der im Vorhaben erforschte Elektrolyt besteht aus den Metallchoriden (AgCl, WCl6) und der Mischung einer chloridbasierten gebräuchlichen, ionischen Flüssigkeit mit Alumniumchlorid. Abscheidungen gelangen in einem Mischungsverhältnis von 1:1,25 ([EMIm]Cl:AlCl3). Um die IL außerhalb der Glove-Box zu nutzen, ist eine spezielle Verfahrensweise erforderlich. Der Kontakt zwischen Elektrolyt und Wasser muss vollständig vermieden werden, so dass über der Lösung ein Ar-Gegenstrom erzeugt und dadurch das Eindringen von Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft vermieden wird. Abscheidungen unter Gleichstrombedingungen zeigen Parallelen zu Abscheidungen aus wässrigen Elektrolyten: Mit zunehmendem W-Gehalt nimmt die maximal erreichbare Schichtdicke rasch ab.

Schichtdickensteigerung durch Einsatz von Pulsstrom mit Pulsdauern im Sekundenbereich

Durch den Einsatz von Pulsstrom mit Pulsdauern im Sekundenbereich und gestuften Stromdichten (Abbildung 1), konnte der W-Gehalt und die Schichtdicke erheblich gesteigert werden. Auf diese Weise waren eine W-Basislegierung mit über 50 Prozent W-Gehalt und Schichtdicken oberhalb von 1 µm möglich. Es zeigte sich, dass bei Gleichstromabscheidungen nur die Abscheidezeit für die resultierende Schichtdicke verantwortlich ist, wohingegen bei der gepulsten Stromführung eine Schichtdickenabhängigkeit von ton und toff sowie eine zusätzliche Abhängigkeit des W-Gehaltes von toff zu beobachten ist. Mit dem in Abb. 1 dargestellten Pulsstrommuster können deutlich höhere W-Gehalte in den Schichten bei gleichzeitig höheren Schichtdicken erzielt werden (Abbildung 2).

Rasterelektronenmikroskopische (REM) und XRD-Aufnahmen (Röntgenbeugung) (Abbildung 3) zeigen, dass ein zweiphasiges System von Silber und Wolfram gebildet wird. Dabei wächst zunächst eine Ag-Schicht auf dem Cu-Substrat auf. Experimentell wurde beobachtet, dass eine stromlose Ag-Abscheidung in diesem Elektrolyten mit der Ag-W-Schichtabscheidung konkurriert. Das System entsteht vermutlich aufgrund der äußerst geringen Löslichkeit beider Elemente ineinander. Hierbei entsteht ein ähnliches Gefüge wie bei dem gesinterten Tränkwerkstoff. Die Darstellung einer solchen Metallschicht aus Ag und W in dieser Zusammensetzung und Dicke durch galvanische Abscheidung stellt jedoch ein Novum dar. Bemerkenswert ist die hohe Reinheit der abgeschiedenen Elemente, da weder Al- noch C-Fragmente aus den Zersetzungsprodukten der IL konnten in der Schicht gefunden werden.

Um einen Vergleich mit den bestehenden Systemen aus den Sinterprozessen vornehmen zu können, wurden Härtemessungen durchgeführt. Die erzielte Härte der Ag-W-Schichten war niedriger als die der pulvermetallurgisch hergestellten Kontaktwerkstoffe. Jedoch zeigten Messungen des spezifischen elektrischen Widerstandes, dass die aus ionischen Flüssigkeiten abgeschiedenen Schichten einen geringeren Widerstand aufweisen als die pulvermetallurgisch hergestellten. Dies lässt sich dadurch erklären, dass trotz des erhaltenen Mehrphasensystems eine geringere Strukturgröße der Phasen der enthaltenen Metalle erreicht wurde. Diese Schichten zeigen großes Potenzial für eine zukünftige Anwendung in der Leistungselektronik, wie sie beispielsweise im Bereich der Elektromobilität erforderlich ist.

Weitere Ergebnisse werden in der WoMag (https://www.wotech-technical-media.de/2020-8-hoehlich_ag-wo) und im Journal Coatings (https://doi.org/10.3390/coatings10060553) veröffentlicht. Dank gilt der Förderung des Projektes GALACTIF durch das Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF) unter der Fördernummer 13XP5017D

Ansprechpartner:

Dipl.-Chem. Dominik Höhlich
dominik.hoehlich(at)mb.tu-chemnitz.de
Technische Universität Chemnitz
Professur Werkstoff-und Oberflächentechnik
09107 Chemnitz
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Lampke
www.tu-chemnitz.de/mb/WOT