Werkstoffe aus Platin-Metallen

Zur Platingruppe zählen die Elemente Pt, Pd, Rh, Ru, Ir und Os (Table 1). Für Anwendungen in der Kontakttechnik haben Platin und Palladium als Legierungsgrundmetalle sowie Ruthenium und Iridium als Legierungsbestandteile praktische Bedeutung. Pt und Pd sind zwar ähnlich korrosionsbeständig wie Au, neigen aber aufgrund ihrer katalytischen Eigenschaften dazu, an der Kontaktoberfläche adsorbierte organische Dämpfe zu polymerisieren. Bei Reibbeanspruchung der Kontaktpartner entsteht dabei als Polymerisationsprodukt das sog. brown powder, das zu einer starken Erhöhung des Kontaktwiderstandes führen kann. Daher werden Pt und Pd nicht rein, sondern ausschließlich in Legierungsform für Kontaktzwecke eingesetzt.

Table 1: Eigenschaften, Verarbeitung und Anwendungsformen der Platin-Metalle

Elemente	Eigenschaften	Verarbeitung	Anwendungsformen
Ru Ruthenium	Mattgrau bis silberweiß, sehr hart und spröde, gegen Säuren bei Anwesenheit von Sauerstoff beständig, oxidiert bei Erhitzen an Luft	Aufdampfen, Sputtern, pulvermetallurgisch, Warmverformen nur bei 1200-1500°C möglich	Pulver, in Blechen und Beschichtungen, in Drähten meist nur als Legierungsbestandteil
Rh Rhodium	Nahezu silberweiß, sehr hart und spröde, in Säuren unlöslich, oxidiert an Luft bei Rotglut	Galvanisch, Aufdampfen, Sputtern, nach Warmverformung bei 800-1000°C, Kaltverformen möglich	Beschichtungen (galvanische Überzüge), Legierungsbestandteil, in geringem Umfang als Bleche und Drähte
Pd Palladium	Mattweiß, duktil, gegen die meisten Säuren beständig, oxidiert bei Rotglut	Galvanisch, Aufdampfen, Sputtern, Kaltverformen	Bleche, Bänder, Rohre, Drähte, Niete und Beschichtungen
Os Osmium	Bläulichweiß, härtestes Platinmetall, sehr spröde, gegen nichtoxidierende Säuren beständig, an Luft leicht oxidierbar	Pulvermetallurgisch	Pulver, Legierungsbestandteil
Ir Iridium	Nahezu silberweiß, sehr hart und spröde, säurebeständig, oxidiert bei Rotglut	Aufdampfen, Sputtern, pulvermetallurgisch, bei 1200-1500°C Warmverformen möglich	Pulver, Legierungsbestandteil, in geringem, Umfang als Blech
Pt Platin	Grauweiß, duktil, säurebeständig außer gegen Königswasser, HBr und HJ, oxidationsbeständig bei Rotglut	Galvanisch, Aufdampfen, Sputtern, Kaltverformen	Bleche, Bänder, Rohre, Drähte, Niete und Beschichtungen

Rhodium kommt als massiver Kontaktwerkstoff nicht zum Einsatz, wird jedoch als galvanisch aufgebrachte Schicht z.B. in Gleitkontaktsystemen verwendet. Ruthenium dient hauptsächlich als Legierungskomponente in PdRu15. Die Metalle Osmium und Iridium finden keine praktische Anwendung in der Kontakttechnik.

Da Pd lange Zeit sehr preisstabil war, galt es als geeignete Alternative zu dem teuren Gold. Zwischenzeitlich hatte der Palladiumpreis ein Niveau erreicht, das über dem des Goldes lag, so dass der Einsatz von Pd für Kontaktzwecke stark rückläufig war. Heute (Dez. 2021) liegt der Palladiumpreis bei ca 2600 Euro/oz.

Die Legierungen des Pt mit Ru, Ir, Ni und W wurden vor allem in elektromechanischen Bauelementen der Fernmeldetechnik und in hochwertigen Zündunterbrechern verbreitet eingesetzt (Table 2).

Table 2: Physikalische Eigenschaften von Platin-Metallen und deren Legierungen

Material	Platin/Palladium Content [wt-%]	Dichte[g/cm3]	Schmelzpunkt oder Schmelzbereich [°C]	Elekrische Widerstandskraft[µΩ*cm]	Elektrische Leitfähigkeit [MS/m]	Thermische Leitfähigkeit [W/m*K]	Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands [103/K]	Elastizitätsmodul [Gpa]
Pt (99,95)	>99,95	21,5	1772	10,6	9,5	72	3,9	173
PtIr5	95	21,5	1774 - 1776	22,2	4,5	42		190
PtIr10	90	21,6	1780 - 1785	17,9	5,6	29	2,0	220
PtRu10	90	20,6	ca. 1800	33,3	3,0		0,83	235
PtNi6	92	19,2	1670 - 1710	30	3,3		1,5	180
PtW5	95	21,3	1830 - 1860	43,4	2,3		0,7	185
Pd (99,95)	>99,95	12,0	1554	10,8	9,3	72	3,8	124
PdCu15	85	11,3	1370 - 1400	38,5	2,6	17	0,49	175
PdCu40	60	10,5	1200 - 1230	33,3	3,0	38	0,28	175
PdNi5	95	11,8	1455 - 1485	16,9	5,9		2,47	175

Heute werden diese Werkstoffe aus Preisgründen nur noch selten verwendet. Pd-Legierungen haben dagegen wesentlich größere Bedeutung. So ist z.B. PdCu15 für Blinkgeber im Kfz weit verbreitet. PdAg-Legierungen werden aufgrund ihrer Beständigkeit gegenüber Sulfidbildung in der Relaistechnik häufig eingesetzt. Thermisch aushärtbare Mehrkomponentenlegierungen z.B. auf PdAgAuPt-Basis kommen aufgrund ihrer herausragenden mechanischen Eigenschaften in Gleitkontaktsystemen zur Anwendung. Pd44Ag38Cu15 PtAuZn gilt dabei als Standardlegierung dieser Werkstoffgruppe (Table 3 und Table 4).

Platin- und Palladium-Legierungen kommen ähnlich wie Gold-Legierungen üblicherweise als geschweißte Draht- und Profilabschnitte, seltener als Kontaktniete zum Einsatz. Aufgrund der sehr hohen Edelmetallpreise werden solche Verbindungsverfahren verwendet, bei denen ein sparsamer Edelmetalleinsatz gewährleistet ist. Platin- und Palladium-Werkstoffe werden wegen ihrer Beständigkeit gegenüber Materialwanderung in Gleichstromkreisen und ihrer verglichen mit Gold-Legierungen höheren Abbrandfestigkeit in Relais und Schaltern bei mittlerer elektrischer Belastung bis etwa 30 Watt eingesetzt (Table 5). Mehrkomponentenlegierungen auf Pd-Basis finden wegen ihrer hohen mechanischen Verschleißfestigkeit verbreitet Anwendung als Schleiffedern in Gleitkontaktsystemen und Gleichstrom-Kleinstmotoren.

Table 3: Festigkeitseigenschaften von Platin-Metallen und deren Legierungen

Werkstoff	Zugfestigkeit [MPa]		Dehnung A [%]		Vickershärte HV 1
	weich	70% verformt	weich	70% verformt	weich	70% verformt
Pt (99,95)	150	360	40	3	40	120
PtIr5	260	550	25	2	85	160
PtIr10	340	570	24	2	105	210
PtRu10	650	1000	24	2	195	320
PtNi8	640	950	22	2	200	320
PtW5	530	860	21	2	150	270
Pd (99,95)	200	420	42	2	40	90
PdCu15	400	780	38	2	90	220
PdCu40	550	950	35	2	120	260
PdNi5	340	700	25	2	95	200
Pd35AuAgPt						420*
Pd44Ag38Cu15 PtAuZn						405*
Pd40Co40W20						680*

• maximal erreichbare Härte

Table 4: Kontakt- und Schalteigenschaften von Platin-Metallen und deren Legierungen

Werkstoff	Eigenschaften
Pt	Sehr hohe Korrosionsbeständigkeit
PtIr5 - 10	Sehr hohe Korrosionsbeständigkeit, niedriger Kontaktwiderstand	hohe Abbrandfestigkeit, niedriger Kontaktwiderstand hohe Härte
PtRu10	Sehr hohe Korrosionsbeständigkeit, geringe Schweißneigung	niedriger Kontaktwiderstand, sehr hohe Härte
PtNi8	Geringe Neigung zu Materialwanderung	sehr hohe Härte
PtW5	Geringe Neigung zu Materialwanderung	hohe Härte
Pd	Starke Neigung zu „brown powder“- Bildung	weniger abbrandfest als Pt
PdCu15 PdCu40	Neigung zu „brown powder“- Bildung	weitgehend beständig gegenüber Materialwanderung, hohe Härte
PdNi5	Starke Neigung zu „brown powder“- Bildung	geringe Schweißneigung
Pd44Ag38Cu15 PtAuZn	Hohe mechanische Verschleißfestigkeit	Standardwerkstoff für Schleifkontakte

Table 5: Anwendungsbeispiele und Lieferformen von Platin-Metallen und deren Legierungen

Werkstoff	Anwendungsbeispiele	Lieferformen
Pt (99,95)	Relais	Kontaktniete, geschweißte Kontaktteile
PtIr5 PtIr10 PtRu10 PtNi8 PtW5	Relais, Gleitkontaktsysteme, Zündunterbrecher für Kfz	Kontakthalbzeuge: Drähte, rollennahtgeschweißte Profile Kontaktteile: Plättchen, Drahtformteile, massive Kontaktniete, Bimetallniete, geschweißte Kontaktteile
Pd (99,95) PdNi5	Relais	Miniprofile, Kontaktniete, geschweißte Kontaktteile
PdCu15 PdCu40	Blinkrelais für Kfz	Miniprofile, Bimetallniete
Pd35AuAgPt Pd44Ag38Cu15 PtAuZn Pd40Co40W20	Potentiometer, Schleifringübertrager, DC-Kleinstmotoren	Drahtformteile, geschweißte Drahtabschnitte, Vieldrahtschleifer

Figure 1: Einfluss von 1-20 Atom-% verschiedener Zusatzmetalle auf den spez. elektrischen Widerstand p von Platin (Degussa)

Figure 2: Einfluss von 1-22 Atom-% verschiedener Zusatzmetalle auf den spezifischen elektrischen Widerstand p von Palladium (Degussa)

Figure 3: Zustandsdiagramm von Platin-Iridium

Figure 4: Zustandsdiagramm von Platin-Nickel

Figure 5: Zustandsdiagramm von Platin-Wolfram

Figure 6: Zustandsdiagramm von Palladium-Kupfer

Figure 7: Verfestigungsverhalten von Pt durch Kaltumformung

Figure 8: Erweichungsverhalten von Pt nach 0,5h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%

Figure 9: Verfestigungsverhalten von PtIr5 durch Kaltumformung

Figure 10: Erweichungsverhalten von PtIr5 nach 1h Glühdauer mit unterschiedlicher Kaltumformung

Figure 11: Verfestigungsverhalten von PtNi8 durch Kaltumformung

Figure 12: Erweichungsverhalten von PtNi8 nach 1h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%

Figure 13: Verfestigungsverhalten von PtW5 durch Kaltumformung

Figure 14: Erweichungsverhalten von PtW5 nach 1h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%

Figure 15: Verfestigungsverhalten von Pd 99,99 durch Kaltumformung

Figure 16: Verfestigungsverhalten von PdCu15 durch Kaltumformung

Figure 17: Erweichungsverhalten von PdCu15 nach 0,5h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%

Figure 18: Verfestigungsverhalten von PdCu40 durch Kaltumformung

Figure 19: Erweichungsverhalten von PdCu40 nach 0,5h Glühdauer und einer Kaltumformung von 80%

Figure 20: Spez. elektrischer Widerstand p von PdCu-Legierungen ohne und mit einer Glühbehandlung zur Ausbildung einer geordneten Phase

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