Beschichtungen für Aluminium und Kupfer – Ideal geeignet für Elektrotechnik und E-Mobilität

Beschichtungen für Aluminium und Kupfer – Ideal geeignet für Elektrotechnik und E-Mobilität

Von Alexander Gramm und Simon Benzler

In modernen Fahrzeugen mit elektrischem Voll-/Teil-Antrieb wird nach wie vor auf Kupfer als Leiter gesetzt. Doch Aluminium ist leichter und wirtschaftlicher. Der Ersatz von E-Kupfer durch Aluminium macht technische Anpassungen für höhere Temperaturen und hohe Leitfähigkeitsanforderungen notwendig.

Aluminium und beschichte Kupferlegierungen spielen eine große Rolle bei Elektromobilität und regenerativer Stromübertragung. Der Anteil an Aluminium im Fahrzeugbau steigt im Zeitalter der Elektromobilität immer stärker an. Bislang wird Aluminium vorwiegend für Motor und Getriebe beim Verbrenner eingesetzt. Bei Elektroautos und Brennstoffzellen-Fahrzeugen wird es noch wichtiger das Fahrzeuggewicht zu senken und größere Leistungsreichweiten durch intelligente Werkstoff- und Beschichtungslösungen zu erzielen. 

Konventionelle Aluminium Strom-Verbinder sind unbeschichtet nicht dauerfest stabil, aufgrund deren „Kriech- & Korrosionsverhalten“. Auch direkte Schweiß-Verbindungen von Aluminium und Kupfer zeigen elektrochemische Korrosionsaktivität. Diesen Problemen begegnen die Fachleute bei der Gramm Technik GmbH, im Rahmen von anspruchsvollen Kundenapplikationen in der SF6-Hochspannungs- und Bus-Bar-Stromschienentechnik sowie in vielen E-Mobilitätsanforderungen, durch langjährig felderprobte Beschichtungsverfahren.

Applikations-Beispiele aus der Praxis
Aluminium- und Kupferlegierungen werden applikations-orientiert mit edleren Metallen beschichtet. So wird die Bildung korrosiver Elemente auf unkritisch außenliegende Stellen verlagert oder ganz verhindert. Die geringere elektrische Leitfähigkeit von Aluminium benötigt etwa 60 Prozent größere Leitungsquerschnitte bei der Konstruktion. Die Wahl von duktilen Beschichtung-Werkstoffen wie Nickel-Sulfamat oder Zinn reduziert gleichzeitig die Kosten durch die Biege- und Anpassungsfähigkeit der gesamten Konstruktion. Wie die Automobilindustrie zeigt, werden selbst in Hochvoltbordnetzen oder in Leiterplatten-Konstruktionen bereits Aluminium-Werkstoffe verbaut.

Geringe Widerstandswerte im Leiter erreicht man durch die Verwendung eines Beschichtungs-Materials mit bestmöglicher Leitfähigkeit, wie Gold, Silber, Zinn und Aluminium. Bei Aluminium ist hervorzuheben, dass es neben einer sehr guten Leitfähigkeit auch eine ausgesprochen niedrige Masse aufweist. Aus diesem Grund kommt Aluminium als stromführendes Element gemeinsam mit Beschichtungen in der gesamten Elektromobilität eine Schlüsselrolle zu. Mittelspannungs-Anlagen können mit Nickel als Basisschicht und Diffusionsbarriere bei thermisch belasteten Bauteilen und Zinn auf Aluminium- oder Kupfer-Werkstoffen beschichtet werden. 

GST-Selektiv-Beschichtung
Das GALVANAL®Verfahren ermöglicht ein Wisker-freies Schichtssystem nach VDE. Schichtdicken je nach Applikation sind typisch 5-15 µm. Aluminium baut eine natürliche Oxidschicht auf, die ohne Beschichtung einen erhöhten Übergangs-widerstand mit dem Risiko zur Kurzschlussbildung führt. Nachfolgend beschriebene Schichtsysteme ermöglichen geringe Übergangswiderstände und Leitungsverluste.

Gramm Technik GmbH ist bekannt für seine GST-Selektiv-Beschichtung diese ermöglicht bei kleinen Batterieverbindern und Elektrokontakten aber auch bei großen Hochspannungskontakten optimale Schichtsysteme von hochleitenden (20KV) Silberbeschichtungen gegen S-Korrosion passiviert und dekorative funktionelle mit Gleiteigenschaft und korrosionsschütz belegt. Polymerbeschichtungen wie PEEK, ATL, G-VOLT und Pulverlacke wirken stromisolierend mit Schutz gegen Durchschlagsspannungen bis 5KV.

Aus wirtschaftlicher und technischer Sicht sind häufig partielle Beschichtungen für Serienanwendungen sinnvoll. Beispiele sind 10 bis 20 Meter lange Hochspannungs-Rohre aus Aluminium mit Nickel-Silber. Beim Projekt CERN wurden 30 Kilometer Aluminium-Hochvakuumröhren mit zwölf Meter Länge mit Ni-Pb-Sn/Pb GST-selektiv beschichtet, um Störstrahlung zu verhindern.

Seit 2017 betreibt Gramm die vollautomatische Anlagentechnik „GSP Speed-Plating“ zur selektiven und vollflächigen Beschichtung von Aluminium-Stromschienen und Kupfer-Verbindern. Gegenüber bekannten Takt-Überhebeanlagen werden hier hohe technische Vorteile und wirtschaftliche Einsparungen realisiert.