Abgeschlossene AIF-Projekte

Insbesondere durch den weltweiten Trend im Bereich der Elektromobilität ist in den kommenden Jahren ein deutlicher Anstieg des Kupferpreises zu erwarten. Vor diesem Hintergrund und in Verbindung mit Gewichtsaspekten bietet sich für bestimmte Anwendungen in der Automobilelektronik als Alternative der Einsatz von Aluminiumlegierungen mit ausreichender Festigkeit an.

Im Bereich elektronischer Verbindungselemente sind die zugehörigen Oberflächen sehr häufig zinnbasiert. Die Beschichtung von Aluminiumsubstraten mit Zinn bzw. Zinnlegierungen ist Stand der Technik, erfordert aber eine Vielzahl von Vorbehandlungs- und Prozessstufen und ist daher sehr zeitaufwendig. Im Hinblick auf eine Implementierung in kontinuierliche Prozesse wie beispielsweise die Bandbeschichtung wäre eine deutliche Verkürzung der Prozesszeiten wünschenswert. Gleichzeitig wäre eine Anpassung des Vorbehandlungs- und Beschichtungsprozesses an höherlegierte Aluminiumlegierungen erforderlich, welche die entsprechende Festigkeit aufweisen.

Das Hauptziel des Forschungsprojektes war die Erzeugung haftfester Zinnlegierungsschichten auf verschiedenen Aluminiumsubstraten mit Prozesszeiten, wie sie in Bandbeschichtungsanlagen vertretbar sind. In Abstimmung mit den PA-Mitgliedern wurde in ökonomischer Hinsicht eine maximale Behandlungsdauer von 30s je Behandlungsschritt als noch vertretbar angesehen; angestrebt wurde jedoch eine Behandlungsdauer von 10s. Innerhalb des Projekts wurden zwei kommerziell verfügbare Zinkatprozesse (DIAPREP von IPT GmbH und Chemofit von Chemopur GmbH) und auf ihre Eignung untersucht, als Haftvermittler zu fungieren für unterschiedliche Aluminium-Bandqualitäten (Al99,5, AlMg3 und AlZn5,5MgCu) vor dem Galvanisieren mit Zinn bzw. Zinnlegierungen. Als Zinnelektrolyte wurden ebenfalls kommerzielle Produkte eingesetzt: sowohl ein stark saurer, bandanlagentauglicher Zinn-Silber-Elektrolyt (Slotoloy SNA30 von Fa. Schlötter), sowie ein schwach saurer Zinn-Zink-Elektrolyt (Dipsol SZ 240 von Fa. Dipsol).

Bei Prozesszeiten von 30s wurden auch auf höherlegierten Aluminiumsubstraten haftfeste Beschichtungen erzielt, wobei bei der Beschichtung mit Zinn-Silber-Legierung teilweise eine (Nickel-)Zwischenschicht erforderlich war.

Hier finden Sie eine Tabelle zum Vergleich Vorbehandlungssystem Chemopur / Vorbehandlungssystem IPT.Alle Werte in der Tabelle sind in MPa angegeben.Als gute Haftfestigkeit wurden Werte ≥ 4,0 MPa festgelegt.

Die Entfettung der Aluminiumlegierungen konnte in der kurzen Prozesszeit nicht gewährleistet werden, da hierfür eine Abkochentfettung eingesetzt werden muss mit einer üblichen Behandlungsdauer bis zu 30 Minuten. Eine elektrolytische Entfettung für Aluminiumlegierungen ist nicht verfügbar.

Für die Erzielung haftfester und korrosionsbeständiger Beschichtungen erwies sich die Oberflächengüte der Aluminiumlegierungen von besonderer Bedeutung. Es hat sich gezeigt, dass Risse in der Oberfläche oder Ausscheidungen von Legierungsbestandteilen zur Bildung von Blasen oder Schichtabhebungen führen können.

Abbildungen:

REM-Oberflächenaufnahme AlMg3, Rissbildung

Lichtmikroskopische Querschliffaufnahme AlMg3,Vorbehandlung Chemopur, Ni/SnAg-Beschichtung

REM-Oberflächenaufnahme AlZn5,5MgCu, EDX-Messung Stelle 5 und 6: Al, Mg, O

EDX-Messung an heller Ausscheidung: Cu

REM-Querschliffaufnahme AlZn5,5MgCu,Vorbehandlung IPT DIAPREP, SnAg-Beschichtung

Zudem deuten die Untersuchungsergebnisse darauf hin, dass scheinbar identische Zusammensetzungen von Aluminiumlegierungen nicht unbedingt identische Eigenschaften bzw. Anforderungen an die Vorbehandlung vor der Beschichtung aufweisen. Daher müssen hier im Bedarfsfall Anpassungen vorgenommen werden, um durchgehend haftfeste Beschichtungen zu erzielen.

Grundsätzlich kann gesagt werden, dass auch höherlegierte Aluminiumsubstrate, die für den Einsatz für Steckverbindungen notwendig sind, haftfest mit Zinnlegierungsschichten beschichtet werden können.

Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Beteiligte Forschungseinrichtung:

fem Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie
Katharinenstraße 17
73525 Schwäbisch Gmünd
Tel.: + 49 (0) 7171 1006-0

Förderkennzeichen:

21009 N

Titel Vorhaben:

Palsaz - Prozessentwicklung für Aluminium als Werkstoff für Leiter und Steckverbinder in der Automobiltechnik unter Einsatz angepasster Zinnlegierungsschichten

Laufzeit:

01.02.2020 – 31.01.2022

Industriepartner (Projektbegleitender Ausschuss):

Ansprechpartner:

fem | Forschungsinstitut Edelmetalle + Metallchemie | Katharinenstraße 17 | 73525 Schwäbisch Gmünd

Dr. Heidi Willing, willing@fem-online.de | Dipl.-Ing. (FH) Martin Funk, martin.funk@fem-online.de

Gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

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