Die Cu – Ag - Mikroverbund – Werkstoffe besitzen das Potenzial die gegensätzlichen Anforderungen an das Leitermaterial für den Einsatz in einem Hochfeldmagneten, wie hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher elektrischen Leitfähigkeit und ausreichender Verformbarkeit, zu erfüllen. Außerdem bieten diese Werkstoffe gegenüber den anderen, die dafür in Frage kommen können, den großen technologischen Vorteil einer konventionellen schmelzmetallurgischen Herstellung. Jedoch wurde bisher dafür eine sehr aufwändige Technologie verwendet, die die Herstellung des Leitermaterials nur im Labormaßstab ermöglicht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einer Technologie der Herstellung von Leitern, die den Anforderungen für den Einsatz in einem Hochfeldmagneten genügen können und in einem großtechnischen Maßstab verfügbar sind. Der Schwerpunkt der Leiterherstellung aus Cu – Ag - Legierung lag in der Einstellung der geeigneten Mikrostruktur über metallkundliche Mechanismen vor der Drahterzeugung. Hierfür wurden während der einzelnen Prozessschritten die Gefügeentwicklung und für die Anwendung relevante Eigenschaften der Legierungen in binären Cu – Ag – Legierungen und in ternären Cu – Ag -X –Legierungen untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Mikrostruktur und der Zusammensetzung auf die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Drähte ermittelt sowie eine Korrelation zwischen Mikrostruktur und elektrischen Eigenschaften aufgestellt.

Die Arbeit befasst sich mit der Ausscheidungshärtung und deren Einfluss auf mechanische und elektrische Eigenschaften von Kupfer-Titan-Legierungen mit Legierungsgehalten unter 1 Ma.-% Titan. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Optimierung der erzielbaren elektrischen Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit. Die zentralen Inhalte der Untersuchungen waren: • Der Einfluss des Titangehalts, der Temperatur und Dauer der Wärmebehandlung auf die aus der Ausscheidungshärtung resultierenden mechanischen und elektrischen Eigenschaftsänderungen wurde anhand von Legierungen mit 0,2 Ma.-% bis 1 Ma.-% Titan untersucht. • Der Einfluss einer erhöhten Versetzungsdichte auf die Ausscheidungshärtung und die daraus resultierenden Eigenschaften wurde anhand von unterschiedlich stark kaltumgeformten und ausscheidungsgehärteten Proben ermittelt. • Die Untersuchung des Optimierungspotentials der elektrischen Leitfähigkeit durch den Einsatz von geringen Mengen von Aluminium, Nickel, Silizium, Zink und Zinn. • Die Bestimmung des Einflusses einer Kombination von vorgelagerter Kaltumformung und Einsatz eines dritten Legierungselements auf die aus der Ausscheidungshärtung resultierenden mechanischen und elektrischen Eigenschaften. In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals nach dem derzeit bekannten Stand der Technik und der Literatur umfassend die Ausscheidungshärtung von Kupfer-Titan-Legierungen mit weniger als 1 Ma.-% Titan untersucht. Bisherige Untersuchungen beschäftigten sich mit dem Bereich von 1,5 Ma.-% bis 6 Ma.-% Titan und in der industriellen Anwendung kommt bisher nur eine Legierung mit 3 Ma.-% Titan zum Einsatz. Aufgrund der guten, durch Ausscheidungshärtung erreichbaren, mechanischen Eigenschaften werden Kupfer-Titan-Legierungen in binärer Form oder als Mehrstofflegierungen mit Titan als Hauptlegierungselement als Substitutionswerkstoffe für Kupfer-Beryllium-Legierungen angesehen. So kommen diese vermehrt bei Steckverbindern im Automobilbau oder als Werkstoff für den Batteriekontakt oder die Kamera in Smartphones zum Einsatz. Jedoch weisen Kupfer-Titan-Legierungen eine deutlich geringere elektrischen Leitfähigkeit als Kupfer-Beryllium-Legierungen auf. Der Ansatz für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen ist, dass durch den Einsatz geringerer Titan-Gehalte in Kombination mit geeigneter Wärmebehandlung und Optimierung durch vorgelagerte Kaltumformung und den Einsatz weiterer Legierungselemente eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit bei Erhalt guter mechanischer Eigenschaften erreichbar wird. Die experimentellen Untersuchungen von Kupfer-Titan-Legierungen mit bis zu 1 Ma.-% Titan und deren Wärmebehandlungen zur Erzielung verschiedener Auslagerungszustände zeigen, dass vor allem Legierungen mit 0,8 Ma.-% bis 1 Ma.-% Titan ein großes Potential hinsichtlich einer Ausscheidungshärtung aufweisen. Bei diesen lassen sich durch die Ausscheidungshärtung gute mechanische Eigenschaften und eine gute elektrische Leitfähigkeit einstellen. Eine deutliche Steigerung dieser Werkstoffkennwerte ist vor allem durch eine vorgelagerte Kaltumformung zu erzielen. Die Verwendung geringer Anteile an Silizium und Zink führten zu einer Beschleunigung der Ausscheidungshärtung bei einem ähnlichen Eigenschaftsprofil. Durch den Einsatz einer vorgelagerten Kaltumformung bei den Legierungen mit geringen Zusätzen von dritten Elementen zeigte sich noch eine erheblich schnellere Aushärtung bei Erzielung guter Ergebnisse für die Härte, Zugfestigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Vor allem die schnelle Aushärtung liefert eine gute Grundlage für eine wirtschaftliche und energieeffiziente Herstellung dieser Legierungen in einer industriellen Anwendung.

Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, Cu(Ag)-Dünnschichten als potentiellen Werkstoff für Leiterbahnen in der Mikroelektronik zu untersuchen. Für die Beurteilung dieses Materialsystems wurden vier Schwerpunkte bezüglich der Schichtcharakterisierung definiert: Herstellung, Gefüge, thermomechanische Eigenschaften, Elektromigrationsresistenz. Grundlage sämtlicher Untersuchungen ist eine geeignete Probenpräparation. In Anlehnung an Technologien, die zur Zeit bei der Herstellung von reinen Cu-Leiterbahnen Anwendung finden, erfolgte die Beschichtung der Cu(Ag)-Schichten (Dicke bis 1 µm) galvanisch aus einem schwefelsauren Elektrolyten unter Additiveinsatz auf thermisch oxidierten Siliziumwafern. Hierbei war nicht nur die Abscheidung von ganzflächigen Dünnschichten, sondern auch die Beschichtung auf strukturierte Substrate von Interesse. Die erzeugten Schichtproben werden in ihren Gefügeeigenschaften, vergleichend zu reinen Kupferschichten, charakterisiert. Hierzu zählen Korngrößen und -orientierungen, thermisches Gefügeverhalten, Einbau, Verteilung und Segregation von Silber und Fremdstoffen sowie die elektrischen Eigenschaften. Von grundsätzlicher Bedeutung für das Elektromigrationsverhalten und damit für die Zuverlässigkeit und das Leistungsvermögen sind die thermomechanischen Eigenschaften. Diese werden an ausgedehnten Schichten mit der Substratkrümmungsmessung bis zu Temperaturen von 500°C beschrieben. Die Diskussion des mechanischen Schichtverhaltens umfasst sowohl thermische als auch temporale Charakteristika. Die Untersuchungen geben einen Einblick in die wirkenden Mechanismen des Stofftransports und des Spannungsabbaus. Den Abschluss der Arbeit stellen erste Experimente zum Elektromigrationsverhalten der Cu(Ag)-Dünnschichten dar. Den Kern dieser Analysen bilden Messungen an sog. Blech-Strukturen (Materialdriftexperimente). Hierbei werden geeignete Technologien für die mikrotechnologische Herstellung von derartigen Cu(Ag)-Strukturen vorgestellt. Anhand erster Messungen wird das Elektromigrationsverhalten von Cu(Ag)-Metallisierungen in seinen Grundcharakteristika beschrieben.

Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, Cu(Ag)-Dünnschichten als potentiellen Werkstoff für Leiterbahnen in der Mikroelektronik zu untersuchen. Für die Beurteilung dieses Materialsystems wurden vier Schwerpunkte bezüglich der Schichtcharakterisierung definiert: Herstellung, Gefüge, thermomechanische Eigenschaften, Elektromigrationsresistenz. Grundlage sämtlicher Untersuchungen ist eine geeignete Probenpräparation. In Anlehnung an Technologien, die zur Zeit bei der Herstellung von reinen Cu-Leiterbahnen Anwendung finden, erfolgte die Beschichtung der Cu(Ag)-Schichten (Dicke bis 1 µm) galvanisch aus einem schwefelsauren Elektrolyten unter Additiveinsatz auf thermisch oxidierten Siliziumwafern. Hierbei war nicht nur die Abscheidung von ganzflächigen Dünnschichten, sondern auch die Beschichtung auf strukturierte Substrate von Interesse. Die erzeugten Schichtproben werden in ihren Gefügeeigenschaften, vergleichend zu reinen Kupferschichten, charakterisiert. Hierzu zählen Korngrößen und -orientierungen, thermisches Gefügeverhalten, Einbau, Verteilung und Segregation von Silber und Fremdstoffen sowie die elektrischen Eigenschaften. Von grundsätzlicher Bedeutung für das Elektromigrationsverhalten und damit für die Zuverlässigkeit und das Leistungsvermögen sind die thermomechanischen Eigenschaften. Diese werden an ausgedehnten Schichten mit der Substratkrümmungsmessung bis zu Temperaturen von 500°C beschrieben. Die Diskussion des mechanischen Schichtverhaltens umfasst sowohl thermische als auch temporale Charakteristika. Die Untersuchungen geben einen Einblick in die wirkenden Mechanismen des Stofftransports und des Spannungsabbaus. Den Abschluss der Arbeit stellen erste Experimente zum Elektromigrationsverhalten der Cu(Ag)-Dünnschichten dar. Den Kern dieser Analysen bilden Messungen an sog. Blech-Strukturen (Materialdriftexperimente). Hierbei werden geeignete Technologien für die mikrotechnologische Herstellung von derartigen Cu(Ag)-Strukturen vorgestellt. Anhand erster Messungen wird das Elektromigrationsverhalten von Cu(Ag)-Metallisierungen in seinen Grundcharakteristika beschrieben.

Today, lead is used in various engineering applications due to its desirable tribological properties. However, the negative health and environmental impacts associated with lead have raised concerns and resulted in regulatory restrictions on its use. It is therefore nessessary to fnd lead-free materials that can provide similar or even better performance than the commonly used lead-containing alloys. Scania, currently uses leaded alloys for a number of gearbox components where sliding wear can be an issue. This study aims to evaluate the tribological properties of fve lead-free alternative materials and assess their suitability as replacement for the currently used material, Leaded Brass. The tests were conducted in a pin-on-disk setup under similar conditions of those found in Scania’s gearbox. The results showed that the friction and wear was similar between Copper Beryllium and Leaded Brass, which indicates that Copper Beryllium is a potential replacement. Additionally, Nedox and Aluminum Bronze (APS) demonstrated signifcantly superior wear resistance, exhibiting 97% less wear compared to Leaded Brass while maintaining similar friction levels. These results underscore the potential for implementing lead-free materials to enhance sustainability and performance in critical applications like gearbox components. / Idag används bly i olika tekniska tillämpningar på grund av dess önskvärda tribologiska egenskaper. Men de negativa hälso- och miljöeffekterna associerade med bly har väckt oro och resulterat i reglerande begränsningar för dess användning. Det är därför nödvändigt att hitta blyfria material som kan erbjuda liknande eller till och med bättre prestanda än de vanligt förekommande blyhaltiga legeringarna. Scania använder för närvarande blyhaltiga legeringar för ett antal växellådskomponenter där glidande slitage kan vara ett problem. Denna studie syftar till att utvärdera de tribologiska egenskaperna hos fem blyfria alternativa material och bedöma deras lämplighet som ersättning för det nuvarande materialet, blyhaltig mässing. Testerna utfördes i en pin-on-disk konfiguration under liknande förhållanden som de som återfinns i Scanias växellåda. Resultaten visade att friktionen och slitage var liknande mellan kopparberyllium och blyhaltig mässing, vilket tyder på att kopparberyllium är en potentiell ersättare. Dessutom visade Nedox och aluminiumbrons (APS) betydligt överlägsen slitagebeständighet, med 97% mindre slitage jämfört med blyhaltig mässing, samtidigt som båda materialen hade liknande friktionsnivåer. Dessa resultat visar potentialen som finns med att implementera blyfria material för att förbättra hållbarheten och prestandan i kritiska tillämpningar som växellådskomponenter. / Heutzutage wird Blei aufgrund seiner wünschenswerten tribologischen Eigenschaften in verschiedenen technischen Anwendungen verwendet. Jedoch haben die negativen gesundheitlichen und Umweltauswirkungen, die mit Blei verbunden sind, Bedenken hervorgerufen und zu regulatorischen Beschränkungen seiner Verwendung geführt. Daher ist es notwendig, bleifreie Materialien zu finden, die ähnliche oder sogar bessere Leistungen als die üblicherweise verwendeten bleihaltigen Legierungen bieten können. Scania verwendet derzeit bleihaltige Legierungen für eine Reihe von Getriebekomponenten, bei denen Gleitverschleiß auftreten kann. Das Ziel dieser Studie ist es, die tribologischen Eigenschaften von fünf bleifreien Alternativmaterialien zu bewerten und ihre Eignung als Ersatz für das derzeit verwendete Material, Bleihaltiges Messing, zu prüfen. Die Tests wurden in einem Pin-on-Disk-Aufbau unter ähnlichen Bedingungen wie in den Getrieben von Scania durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass Reibung und Verschleiß zwischen Kupferberyllium und Bleihaltigem Messing ähnlich waren, was darauf hinweist, dass Kupferberyllium ein potenzieller Ersatz sein könnte. Darüber hinaus wiesen Nedox und Aluminiumbronze (APS) eine signifikant überlegene Verschleißfestigkeit auf und zeigten 97 % weniger Verschleiß im Vergleich zu Bleihaltigem Messing bei gleichbleibendem Reibungsniveau. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial zur Implementierung von bleifreien Materialien, um die Nachhaltigkeit und Leistungsfähigkeit in kritischen Anwendungen wie Getriebekomponenten zu verbessern.