ZVO-Oberflächentage 2017 unter großer Anteilnahme und prominenter Fürsprache mit interessanten Aspekten vom Korrosionsschutz bis zur Anwendung in der Elektronik - Teil 3
Den Legierungsschichten kommt in der Galvanotechnik eine zunehmend wichtige Rolle zu; im Einsatz sind vor allem Zink-Nickel und chemisch abgeschiedenes Nickel-Phosphor und deren Eigenschaften werden stetig weiter verbessert. Im Falle von Zink-Nickel tragen Nachbehandlungen in Form von Passivierungen und Top-Coats zu den hervorragenden Eigenschaften der Oberflächen bei. Neben der Nachfrage nach hoher Korrosionsbeständigkeit besteht seitens der Kunden auch die Anforderung an verschleißbeständige Oberflächen, die ebenfalls mit Nickelschichten in unterschiedlichen Varianten erfüllt werden. Eine Reihe von Vorträgen aus dem Bereich der Forschung und Entwicklung zeigt, welche Verfahren zur Aufklärung der Abläufe bei den unterschiedlichen Arten der Oberflächenbehandlung beitragen und somit eine stark zielorientierte Ausrichtung der Entwicklung gewährleisten. Schließlich sind die Ansätze der jungen Kollegen von den Hochschulen stets interessant, da sie die Kreativität und Innovationsfreude unterstreichen und dem Nachwuchs die Möglichkeit bieten, sich für potenzielle Arbeitsbereiche in der Industrie vorzustellen und zu bewerben.
Legierungsschichten
Temperaturbeständigkeit von Passivierungsschichten
Passivierungen auf Zink und Zinklegierungen – ein Thema, mit dem sich Patricia Preikschat intensiv auseinandersetzt – verzögern als dünne Barriereschichten die Überzugskorrosion der zinkhaltigen Schicht, die im System des kathodischen Korrosionsschutzes als Opferanode fungiert und so das Stahlbauteil in seiner Funktion schützt. Während der Korrosionsschutz der früher üblichen, auf Chrom(VI) basierenden Gelb- und Olivchromatierungen bereits bei recht moderater Temperatureinwirkung von 100 °C versagt, sind die dreiwertigen Dickschichtpassivierungen hier deutlich besser. Dies hat zu erheblich höheren Anforderungen in Spezifikationen geführt, beispielsweise für Automobilteile, die bei ihrem Einsatz in der Nähe der Bremsen oder im Motorraum Temperaturen von 100 °C bis 150 °C ausgesetzt sind. Außerdem müssen gehärtete und sprödbruchgefährdete Federn und Verbindungselemente nach der Beschichtung wärmebehandelt werden, was üblicherweise bei 210 °C erfolgt.
In den mittlerweile 20 Jahren Praxiserfahrung mit dreiwertigen Dickschichtpassivierungen auf unterschiedlichen zinkhaltigen Schichten hat sich immer wieder gezeigt, dass der Korrosionsschutz und das Aussehen dennoch leiden, wenngleich in unterschiedlichem Maß. Auch aus diesem Grund wird zuweilen auf die besser temperaturbeständigen Zink-Nickel-Beschichtungen plus Passivierung zurückgegriffen oder zusätzlich eine Versiegelung aufgebracht. Auffällig ist jedoch ein wesentlicher Unterschied: Während die Passivierungen auf Zink aus schwachsauren Elektrolyten auch nach Wärmeeinwirkung ihre Funktion meist sehr gut erhalten, verschlechtert sich diese auf Zink aus alkalischen Elektrolyten deutlich.
Neue Passivierungsverfahren zeigen auch bei höheren Schichtdicken keine nennenswerte Rissbildung (Bild: Preikschat)
Über den Grund dieses Effekts gibt es unterschiedliche Modellvorstellungen, von Elektrolyteinschlüssen bis zur Kristallstruktur der Zinkschicht, vom Rissmuster der Passivierungen über ihre Schichtdicke bis hin zu ihrer Zusammensetzung. Hauptsächlich ist das unterschiedliche Verhalten auf die Trocknung bei meist etwa 70 °C zurückzuführen, bei der Wasserreste (Hydroxid, Kristallwasser) und eventuell Reste organischer Säuren in der Schicht verbleiben. Bei weiterer Wärmeeinwirkung führt dies dann zur Rissbildung und Störung der Schichtzusammensetzung. Allerdings sind auch Situationen bekannt, durch die eine stärkere Keramisierung der Schicht mit Verbesserung der Schicht auftreten.
Neue Formulierungen für Passivierungen gehen so weit, dass nicht nur der Korrosionsschutz auf Zinkschichten aus sauren Elektrolyten deutlich besser wird, sondern auch auf solchen aus alkalischen Systemen. Erkennbar ist dies unter anderem an der sehr geringen Rissbildung der Passivierungen. Ein weiterer Vorteil ist das Ausbleiben der Bildung schwarzer Flecken auf Zink-Eisen-Schichten beim Korrosionstest, der beispielsweise die Beurteilung stören kann.
Topcoats für Verbindungselemente
Christian Kaiser befasste sich mit den verschiedenen Anforderungen der Automobilindustrie an die Oberflächenbeschichtung von Verbindungselementen. Verbindungselemente sind eine Klasse technischer Bauteile, die in ihrem Lebenszyklus einer Vielzahl an verschiedensten Beanspruchungen ausgesetzt sind. Die langjährige Funktion dieser Bauteile muss daher durch eine ebenso multifunktionelle Oberflächenbeschichtung gewährleistet werden. Während viele bisher eingesetzte Motorenteile mit galvanischen Beschichtungen durch den Trend zur Elektromobilität in Zukunft nicht mehr benötigt werden, ist dies bei Verbindungselementen nicht zu befürchten. Eine Änderung wird allerdings durch die Nachfrage nach Schichten auf hochfestem Stahl sowie dem Schutz von Kontaktkorrosion (Stahl-Aluminium oder Stahl-CFK) zu erwarten sein.
Korrosionsbedingte Funktionsstörungen, wie das Festsetzen und der Verschleiß sowie das unbeabsichtigte Lösen einer Verbindung, werden durch ein mehrschichtiges Korrosionsschutzsystem verhindert. Galvanisch aufgebrachtes Zink oder eine Zinklegierung bringen den kathodischen Korrosionsschutz, eine Konversionsschicht sowie abschließend der Topcoat komplettieren das System. Vor allem Zink-Nickel zeichnet sich bei der Kombination mit Aluminium und weiteren eingesetzten Werkstoffen durch eine geringe Potenzialdifferenz aus.
Werte für die Potenzialdifferenz von Zink und Zink-Nickel gemäß NF E25-032 in 2 % NaCl-Lösung in mV (Bild: Kaiser)
Der Topcoat ist dagegen in direktem Kontakt mit der Umgebung und beeinflusst daher die Eigenschaften des Korrosionsschutzsystems maßgeblich. Dazu gehören die Resistenz gegen Chemikalien und gegen Korrosion, die Anpassung der Reibungskraft zwischen dem Verbindungselement und dem jeweiligen Bauteil sowie weitere Eigenschaften.
Darüber hinaus bestehen Forderungen nach UV-Beständigkeit, einer bestimmten elektrischen Leitfähigkeit beziehungsweise Kontaktfähigkeit, Abrieb- und Temperaturbeständigkeit, einer weiteren Beschichtbarkeit oder auch einer Markerfunktion. Schließlich müssen die Topcoats mit hoher Zuverlässigkeit und zu akzeptablen Kosten aufgebracht werden und sollen nach Möglichkeit keine Stoffe enthalten, die aus Sicht der Umweltgesetzgebung oder des Arbeitsschutzes (REACh) nur bedingt einsetzbar sind.
Zinn-Zink-Legierungsschichten
Das eutektische Legierungssystem Zinn-Zink mit 70 % Zinn zeichnet sich nach Aussage von Patrick Rio durch seine hohen Korrosionsschutzwerte im Vergleich zu herkömmlichen Zinkschichten aus. Die geringen Oberflächenwiderstände der Schichten von Zinn-Zink-Legierungsschichten unterscheiden sich signifikant von anderen Zinklegierungsschichten, wie beispielsweise dem heutigen Standardsystem Zink-Nickel, und prädestinieren die Legierung vor allem für den Einsatz als elektrisches Kontaktelement, wie es auch in Zukunft für Fahrzeuge mit elektrischem Antrieb in breitem Umfang gefragt sein wird. Zudem ist die Schicht gut lötbar.
Die Oberflächen besitzen eine geringe Härte, wodurch die Schicht auch ohne eine nachträgliche Schmiermittelbehandlung gleichbleibend niedrige Reibbeiwerte aufweist. Die Korrosionsbeständigkeit der Schichten wird durch eine Passivierung auf Werte von etwa 1000 h (DIN EN ISO 9227 bei etwa 5 µm Dicke) erhöht. Vorteilhaft für die Abscheidung der Legierung ist die hohe Konstanz der Metallzusammensetzung auch bei sich verändernden Gehalten der Metalle im Elektrolyten oder der Elektrolyttemperatur.
Ternäres Legierungssystem für schwarze Oberflächen
Zink-Nickel-Schichten sind immer häufiger anzutreffen, wenn es um die Erfüllung höchster Korrosionsschutzanforderungen geht. Neben dem Korrosionsschutz spielt die Optik eine wichtige Rolle: Vor allem schwarzpassivierte Oberflächen werden von den Anwendern, insbesondere der Automobilindustrie, zunehmend gefragt.
Wie Holger Sahrhage betonte, tritt bei schwarzpassivierten Zink-Nickel-Oberflächen das seit langem diskutierte Phänomen des sogenannten Grauschleiers auf, der nach kurzer Zeit im Salzsprühtest auftritt und zum Teil auch als Korrosion der Zink-Nickel-Schicht interpretiert wird. Das hat nicht nur ästhetische, sondern für einige Anwendungszwecke auch technische Gründe. So haben die Korrosionsprodukte zum Beispiel Einfluss auf Eigenschaften wie den Reibwert und die Leitfähigkeit der Oberfläche.
Eine neu entwickelte ternäre Zink-Nickel-Eisen-Legierung mit etwa 12 % bis 15 % Nickel und bis zu 8 % Eisen bringt hier Abhilfe. In Kombination mit einer geeigneten Schwarzpassivierung zeigt die so beschichtete Oberfläche keinerlei Grauschleier oder Korrosion nach 720 h Salzsprühnebeltest. Beim Passivieren wird sehr wahrscheinlich das vorhandene Eisen in die Passivierung unter Bildung von schwerlöslichen Chrom-Eisen-Verbindugnen eingebaut. Diese Verbindung trägt nach derzeitigem Kenntnisstand zur guten chemischen Beständigkeit der Passivierung bei. Die gute elektrische Leitfähigkeit erlaubt den Einsatz für Kontakte.
Zink-Nickel als Alternative für Kadmium
Eine alternative Beschichtung als Ersatz für das bisher übliche Kadmium in der Luft- und Raumfahrt stellte Uwe Lanksweirt vor, da aufgrund der neueren Gesetzgebung und dem damit verbundenen Wandel in der Beschichtungsbranche auch die Luft- und Raumfahrtindustrie gezwungen ist, ihre Prozesse der Kadmiumbeschichtungen sowie der sechswertigen Chromatierungen aufzugeben. Als möglichen Ersatz haben sich hier spezielle Zink-Nickel-Systeme herauskristallisiert, die aufgrund ihrer Zusammensetzung, Elektrolytführung und Oberflächenmorphologie die Gefahr der Wasserstoffversprödung minimieren. Dazu wird von einer alternativen Beschichtung gefordert, dass im Grundmaterial eventuell vorhandener Wasserstoff durch eine Wärmebehandlung wieder ausdiffundieren kann.
Morphologie einer Zink-Nickel-Schicht mit angepassten Arbeitsparametern (Bild: Lanksweirt)
Die Eigenschaft der Wasserstoffdurchlässigkeit wird - sowohl bei Kadmium als auch der Alternative Zink-Nickel - durch eine poröse und mikrorissige Beschichtung garantiert. Im Falle von Zink-Nickel wird dies durch die starke Reduzierung des Gehalts an Glanzzusatz erzielt, ohne aber die Abscheidung einer gleichmäßig zusammengesetzten Legierung über den nutzbaren Stromdichtebereich zu beeinträchtigen. Die in Betracht kommende Zink-Nickel-Beschichtung eignet sich neben der Beschichtung von hochfesten Werkstoffen auch als Untergrund für eine nachfolgende Lackierung.
Abscheidung von Aluminiumlegierungen aus aprotischen Verfahren
Julia Eckert befasst sich mit der elektrolytischen Abscheidung von Aluminiumlegierungen, die einen interessante Überzugswerkstoffe darstellen, speziell in Bezug auf den Einsatz als Korrosionsschutzschicht für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt. Aufgrund der elektrochemischen Spannungsreihe lassen sich aber Aluminium und Aluminiumlegierungen nur aus nichtwässrigen Lösungen abscheiden. Die für die Ascheidung in Betracht kommenden Lösemittel reagieren sehr stark mit Wasser oder Luftsauerstoff, weshalb spezielle Anforderungen an die Anlagen- und Verfahrenstechnik bestehen. Als Legierungspartner kommen Magnesium, Mangan, Nickel und Molybdän in Betracht, für die Verfahren mit Tetrahydrofuran als Lösemittel entwickelt und beschrieben wurden.
Reine Aluminiumschichten aus einem Tetrahydrofuranelektrolyten auf Stahl (links) und Messing (Bild: Eckert)
Eigene Weiterentwicklungen auf Basis dieser Verfahren und in Ergänzung mit Zink als Legierungspartner zeigen, dass die Herstellung von Elektrolyten, in denen alle metallischen Komponenten löslich sind, sehr schwierig ist. Prinzipiell machen es die Elektrolyte auf Basis von Tetrahydrofuran erforderlich, LiAlH4 im Elektrolyten zu lösen, um eine glatte Metallschicht zu erhalten. Auch die Verwendung von Toluol als Lösungsmittel führen nur bedingt zu Abscheidung von Aluminium, ohne jedoch eine verwendbare Legierungsschicht zu erhalten.
Zukunftstechnologien
Quarzmikrowaage in der galvanischen Prozessentwicklung
Die abgeschiedene Masse ist einer der zentralen Messgrößen für die Bewertung eines galvanischen Prozesses. Üblicherweise wird die Menge an abgeschiedenem Material über Differenzwägung bestimmt. Bei kleinen Massen, z. B. dünne Schichten auf einem schweren Substrat, ist diese Methode jedoch recht ungenau. Eine sehr genaue und relativ einfache Technik, Masseinformationen zu einem galvanischen Prozess mit hoher Genauigkeit und zudem in-situ zu erhalten, bietet der Einsatz von Schwingquarze zur Messung der abgeschiedenen Schichtdicke (Quarzmikrowaage), die Prof. Dr. Andreas Bund vorstellte.
Im einfachsten Fall kann aus dem Verhältnis von abgeschiedener Schichtdicke und geflossener elektrischer Ladung direkt die Stromausbeute eines galvanischen Prozesses bestimmt werden. Aussichtsreiche Anwendungen sind die Optimierung eines Bades hinsichtlich der Stromdichteabhängigkeit der Stromausbeute. Dies lässt dann erste Abschätzungen zum Streuvermögen zu. Auch die Wirkung eines Additivs auf die Stromausbeute kann schnell bewertet werden. Durch Verfeinerungen der Messtechnik können darüber hinaus innere Spannungen und Rauheiten abgeschätzt werden. Schließlich eignet sich das Verfahren auch für die Untersuchung von Korrosionsvorgängen, um beispielsweise die Wirkung von Korrosionsinhibitoren zu ermitteln.
Ausführung einer Quarzmikrowaage in einer temperierten Durchflusszelle (Bild: Bund)
Metallisierung von Halbleitern
Die Technische Universität Ilmenau unterstützt die Entwicklung von Strahlungsdetektoren, die am CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik in Erfurt in modularer Bauweise gefertigt werden. Ein wichtiger Schritt in der Zusammenarbeit besteht in der Entwicklung von preiswerten, lithographiefreien Metallisierungsverfahren, mit der sich Mathias Fritz befasst. Besonders anspruchsvoll sind die extrem kleinen, runden Kontaktflächen mit 10 µm Durchmesser, bei einem Kontaktabstand von nur 50 µm. So sind auf der gesamten Detektorfläche mehrere Tausend Kontakte selektiv zu beschichten. Anschließend werden die Detektoren über die beschichteten Kontakte an eine Auswerteeinheit gebondet.
Der Aufbau des Halbleiters (p-n-Halbleiterübergang) eignet sich dafür, unter geeigneter Beleuchtung des Detektors intern einen Strom zu generieren, welcher zur selektiven Beschichtung der Frontkontakte genutzt wird. Zu diesem Zweck werden die Kontakte auf Basis von Aluminium-Silizium im ersten Schritt mittels Zinkatbehandlung mit Zink vorbeschichtet. Die besten Ergebnisse werden hierbei - ähnlich wie bei der Beschichtung von kommerziellen Aluminiumteilen - unter Anwendung von zwei Durchgängen erzielt.
Galvanisch hergestellte Kontaktpunkte auf einem Halbleitersubstrat mit 30 µm (oben) und 63 µm Zinn (Bild: Fritz)
Die nachfolgende Beschichtung mit Nickel erfordert die Erzeugung einer Stromdichte durch Belichtung von bis zu 3 A/dm2 beziehungsweise eines Abscheidepotenzials von mehr als 800 mV. Im zweiten Schritt wird eine Zinnschicht bei Stromdichten über 2 A/dm2 aufgebracht. Nach etwa 10 Minuten ist die Nickelfläche der Kontakte vollständige beschichtet. Die so beschichteten Kontakte lassen sich wie erforderlich durch Bonden mit dem Gegenkontakt (Nickel-Gold-Oberfläche) verbinden.
Elektrochemische Abscheidung aus ionischen Flüssigkeiten
Dr. Adriana Ispas untersucht die elektrochemische Abscheidung von Metallen aus ionischen Flüssigkeiten, die aufgrund eines deutlich größeren elektrochemische Fensters und einer besserer thermischer Stabilität im Vergleich zu den meisten organischen Lösungsmitteln die Abscheidung von Metallen mit sehr negativen Nernstpotentialen wie beispielsweise Aluminium, Tantal, Niob oder Titan erlauben. Allerdings sind ionische Flüssigkeiten nach wie vor relativ teuer; kostengünstige Alternativen zu den bisher eingesetzten Stoffen sind Cholinchlorid und Harnstoff.
Beispiel für eine aus ionischer Flüssigkeit abgeschiedenen Aluminium-Mangan-Legierung (Bild: Ispas)
Eine Herausforderung für den Einsatz von ionischen Flüssigkeiten in der Galvanotechnik stellt unter anderem die Vorbehandlung der Substrate dar, da diese nahezu ausnahmslos in klassischen wässrigen Entfettungen und Beizlösungen erfolgen muss. Im Labormaßstab ist es inzwischen gelungen, Niob und Aluminium auf Stahl beziehungsweise verzinktem Stahl abzuscheiden. Hierbei hat es sich beispielsweise gezeigt, dass Abbauprodukte der Abscheidung als Kornverfeinerer wirken.
Elektrolyten für die Legierungsabscheidung
Ein großer Teil galvanischer Elektrolyte weist als Bestandteil Substanzen mit komplex- bildenden Eigenschaften auf. Diese senken die freien Metallionenkonzentrationen im Elektrolyten und es werden gewünschte Eigenschaften wie eine hohe Streufähigkeit oder eine angestrebte Legierungszusammensetzung erreicht. Eine Berechnung der freien Metallionenkonzentration ermöglicht die Abschätzung einzustellender Eigenschaften, um eine angestrebte Legierungsbildung zu unterstützen. Für eine Berechnung und gezielte Einstellung eines solchen Elektrolyten liegen für die gewünschten Bedingungen jedoch die notwendigen Daten meist nicht vor.
Dominik Höhlich arbeitet an einer allgemeine Verfahrensweise, Komplexbildungskonstanten effizient und unabhängig von der Struktur des gewählten Komplexbildners zu bestimmen. Dadurch ist es möglich, thermodynamische Betrachtungen in galvanischen Elektrolyten durchzuführen und wichtige Kriterien für eine gezielte Elektrolyt- und Prozessentwicklung abzuleiten. Um die Anwendbarkeit des Konzeptes auf Praxistauglichkeit zu testen, wurden unterschiedliche Legierungen ausgewählt und daraus die Grundelektrolyte berechnet.
Identifikation von Komplexbildnern zur Legierungsabscheidung
Elektrochemisch sind über 500 binäre Legierungen galvanisch abscheidbar, wovon jedoch nur ein kleiner Teil genutzt wird. Die Problematik liegt vor allem in der starken Abhängigkeit der Legierungszusammensetzung vom Elektrolyten und den Arbeitsbedingungen zur Abscheidung. Neue Formulierungen werden bisher durch das Trial-and-Error-Verfahren identifiziert.
Markus Müller arbeitet, basierend auf der Theorie der freien Metallionenkonzentration und des Komplexzerfalls, an einer Methodik, die ein grundlegend neues Design von Elektrolyten ermöglicht. Die Verwendung von thermodynamischen und kinetischen Parametern der Komplexbildung ist dabei entscheidend. Durch die Bestimmung der Geschwindigkeit des Komplexzerfalls wird es möglich, eine kinetische Auswahl von Komplexbildnern zu treffen und deren Verhalten mit der tatsächlichen Wirkung des Zerfalls auf die Legierungsabscheidung und Stromausbeute abzugleichen. Die Elektrolytkennwerte pH-Wert, Grenzstromdichte und Metall-/Komplexbildnerkonzentrationen lassen sich ohne eine Abscheidung oder DoE auslegen. Das methodische Design eines stabilen Grundelektrolyten, ohne die Notwendigkeit zur Durchführung von Experimenten, eröffnet Perspektiven zur Erschließung von neuartigen Legierungen.
Elektrolytentwicklung für Pulse-Plating-Prozesse
Die Vorträge über die Herangehensweisen zur Auslegung eines Grundelektrolyten für Legierungsabscheidungen mit Gleichstrom wurden von Ingolf Scharf mit Einblicken in die praktische Elektrolytentwicklung für den Einsatz mit pulsierenden Strömen fortgesetzt. Beschichtungsprozesse mit Pulsstrom zeichnen sich durch eine noch größere Anzahl möglicher Parameter aus. Selbst unter Nutzung der statistischen Versuchsplanung zur Reduktion von Versuchen ergeben sich sehr große Versuchsmatrizen. Hierbei lässt es sich nicht verhindern, dass ein Teil der Versuche in elektrochemisch nicht sinnvollen Bereichen durchgeführt werden. Um dem entgegen zu wirken, befasst sich Infolf Scharf mit der Erarbeitung einer Systematik unter Einbeziehung thermodynamischer und kinetischer Kenngrößen, mit der sich die Zusammensetzung und der Arbeitsraum (z.B. pH-Wert, Temperatur, Puls- und Pausendauer) des Elektrolyten vorhersagen lassen.
Elektrolyte für die plasmaelektrolytische Oxidation
Die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO), das Arbeitsgebiet von Frank Simchen, ist ein umweltschonendes Verfahren für die Oberflächenveredelung von Ventilmetallen und ermöglicht die Ausbildung korrosions- und verschleißbeständiger Schichten auf den Leichtbauwerkstoffen Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen. Zur Erzielung von optimalen Schichteigenschaften ist es sinnvoll, eine systematische Auswahl von Elektrolytbestandteilen vorzunehmen und somit Entwicklungsaufwand zu sparen.
Im Prozess, der bei hohen Spannungen erfolgt, erfährt das zu beschichtende Bauteil innerhalb eines geeigneten Elektrolyten eine starke anodische Polarisation, welche die Ausbildung eines Passivfilmes – einer umhüllenden Gashülle und letztlich die Initiierung plasmatischer Funkenentladungen – ermöglicht. Letztere durchschlagen vom Elektrolyt ausgehend die Gashülle und den Passivfilm und hinterlassen oxidierte Brennpunkte auf der Bauteiloberfläche. Im weiteren Prozessgeschehen kommt es durch fortgesetzte Oxidneu- bildungs-, Umschmelz-, und Rücklöseprozesse zur Ausbildung einer keramischen Konversionsschicht deren Zusammensetzung durch Variation des verwendeten Elektrolyts beeinflusst werden kann. Das komplexe Schichtbildungsgleichgewicht basiert neben den verwendeten elektrischen Prozessparametern vor allem auf einer Vielzahl von Wechselwirkungen zwischen dem Substrat und dem Elektrolyten.
Die Entwicklung einer potentiodynamischen und impedanzspektroskopischen Messmethoden erlaubt es, anhand geringer Versuchsvolumina einzelne Substanzen im Elektrolyten funktionell einzuordnen. Hiermit wird es möglich, den Einfluss einzelner Elektrolytkomponenten auf die Substratpassivierung, die Entladungsinitiierung und das Rücklösevermögen der Versuchslösung gegenüber der ausgebildeten PEO-Schicht zu quantifizieren und die Verwendung toxischer Chemikalien zu vermeiden. Mit der daraus erhaltenen Vorgehensweisen wurden Schichten auf Magnesium hergestellt.
Verschleißschutz
Abrasions- und Schlagbeständigkeit organischer Oberflächenschutzsysteme
Dr. Andreas Momber befasst sich mit Untersuchungen zur Abrasions- und Schlagbeständigkeit von mehrschichtigen organischen Oberflächenschutzsystemen mit Dicken zwischen 30 µm und 1500 µm für Offshore-Konstruktionen. Die Untersuchungen der Schichten wurden mit einem Taber-Gerät nach ISO 7784-2 und die Schlaguntersuchungen mit einem Kugelfallgerät gemäß ISO 6272-1 durchgeführt. Dafür wurden im Temperaturbereich von -60 °C bis 20 °C sowohl neue als auch gealterte Beschichtungen (Alterung gemäß ISO 20340) herangezogen.
Phosphoranalyse an chemisch abgeschiedenem Nickel
Chemisch Nickel, eine außenstromlos abgeschiedene Nickel-Phosphor-Legierung, wird in vielen Anwendungsbereichen als Korrosionsschutz bzw. Funktionsschicht verwendet. Die Phosphorkonzentration beeinflusst neben der Härte, dem Korrosionsverhalten und Längen- ausdehnungskoeffizienten auch die mechanische Bearbeitbarkeit von Metalloptiken. Zur Analyse der Phosphorkonzentration, mit der sich Jan Kinast befasst, stehen physikalische und nasschemische Methoden mit Vorteilen und Einschränkungen zur Verfügung.
Chemisch Nickel unter der Lupe
Stabilisatoren sind wesentliche Bestandteile von autokatalytischen Nickelverfahren. Bevorzugt werden Stoffe aus der Klasse der Schwermetalle (z.B. Blei und Cadmium) oder Sauerstoffverbindungen wie Iodate oder Molybdate in variablen Konzentrationen eingesetzt. Um die zum Teil kritischen Konzentrationen zu vermeiden, werden seit einigen Jahren auch organische Substanzen als alternative Stabilisatoren untersucht. Ergebnisse in einer definierten High-Phos-Elektrolytmatrix stellte Kathrin Söntgerath vor. Für die Untersuchungen wurden bekannte Stabilisatoren wie Blei verwendet und mit einer neuartigen organischen Verbindung mit stabilisierender Wirkung verglichen.
Nach dem bisherigen Stand der Untersuchung zeigen sich je nach eingesetztem Stabilisator Unterschiede in den Schichteigenschaften, z. B. Korrosionsbeständigkeit oder innere Spannungen, die zurzeit auf unterschiedliche Abscheidemechanismen zurückgeführt werden. Im Zusammenhang mit der Untersuchung wurde ein Prüfverfahren entwickelt, das die Aussagekraft des Salpetersäuretests konkretisiert.
Elektrolytentwicklung zur Iridiumabscheidung für Kontaktanwendungen
Ziel eines Projekts, an dem Claudia Schöberl arbeitet, ist die Herstellung von Beschichtungen auf Iridiumbasis für den Verschleiß- oder Korrosionsschutz im elektrischen Kontaktbereich. Iridium zeichnet sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit und hohe Härte aus, zugleich ist es deutlich günstiger als Gold oder Platin. Diese Eigenschaften des Iridiums machen es interessant, Gold- und Platinschichten zu substituieren. Die Elektrolytentwicklung wird durch Simulationsberechnungen der Abscheidungsprozess unterstützt, sodass eine ungleichmäßige Schichtdickenverteilung der elektrochemisch erzeugten Schichten auf ein Minimum reduziert wird. Die Schichten sollen für die vorgesehene Anwendung eine Härte von mehr als 200 HV, einen Übergangswiderstand von weniger als 50 mW sowie einen hohen Verschleißwiderstand (> 2000 Steckzyklen) aufweisen. Je nach Zusammensetzung des Elektrolyten werden Schichthärten zwischen 600 HV und bis zu 1000 HV erzielt. Als Legierungspartner für Iridium kommt insbesondere Nickel in Betracht. Dessen Einfluss auf die Härte der Schicht ist sehr gering, allerdings lässt sich dadurch eine kostengünstigere Schicht herstellen. Positive Resultate werden in Bezug auf die Verschleißbeständigkeit erreicht, die deutlich über der von Hartgoldschichten liegt. Im nächsten Schritt wird das Verfahren auf den Praxiseinsatz hin optimiert.
