Galvanostegie

Galvanostegie bezeichnet das elektrolytische (mit Strom) Aufbringen von metallischen Überzügen auf Metallen zum Korrosionsschutz/ Verschleißschutz (funktionelle Bedeutung) oder zur ästhetischen Aufwertung (dekorative Bedeutung).

Geschichte

Der Begriff Galvanik geht auf den italienischen Arzt und Naturforscher Luigi Galvani (1737–1798) zurück, der 1789 bei Versuchen mit Froschschenkeln elektrische Entladungen im Tierkörper entdeckte. Eine andere Variante besagt, dass diese elektrischen Flussprozesse von Alessandro Graf von Alessandro Volta entdeckt worden sind und er sie zu Ehren seines Kollegen Galvanik nannte. Es gibt Meinungen, dass das Galvanisieren deutlich älter ist. Man vermutet, dass es sich bei bestimmten Tongefäßen, die bei Bagdad gefunden worden sind und in denen ein Kupferzylinder mit Eisenstab eingelassen war, um die ersten Batterien handelt. Der verwendete Elektrolyt ist unbekannt. Sie werden auf ca. 2000 v. Chr. datiert und werden gewöhnlich als „Batterie von Bagdad“ bezeichnet. Heute zweifelt man allerdings an, dass es sich wirklich um eine Batterie handelt.

Die erste Vergoldung fand 1805 durch einen Schüler Voltas statt. Ab der Mitte des 19. Jh. wurden lebensgroße Statuen galvanoplastisch hergestellt. Generell unterscheidet man bei der Galvanotechnik in Galvanoplastik, die die Herstellung von Galvanos beschreibt, und der Galvanostegie (Begriff heute selten gebraucht), die das Aufbringen metallischer Überzüge bezeichnet. Das relativ ungiftige Aufbringen von metallischen Überzügen führte zu einem Ablösen der Feuervergoldung bzw. – versilberung, die auf Grund des verwendeten Quecksilbers und dessen Dämpfen extrem gesundheitsschädlich ist.

Theoretischer Ablauf

Die Prozesse die beim Galvanisieren/ Elektrolyse stattfinden, sind die exakte Umkehrung der chemischen Reaktionen, die in einer galvanischen Zelle ablaufen (z. B. Daniell-Element). Bei der Elektrolyse treten chemische Vorgänge (Redoxreaktionen; siehe chemische Reaktion) unter Einwirkung von elektrischem Stroms ein. Dazu legt man eine Gleichspannung an zwei Elektroden an, die dadurch polarisiert werden. Es entsteht die Kathode (negativ geladen) und die Anode (positiv geladen). Befinden sich die Elektroden in einer leitenden Flüssigkeit, fließt Strom. Flüssigkeiten, z. B. Säuren, Laugen oder Wasser mit gelösten Salzen, leiten Strom. Diese Substanzen heißen Elektrolyten. Legt man eine Spannung an, bewegen sich die positiven Kationen zur negativ geladenen Kathode und die negativen Anionen zu der positiv geladenen Anode. Dabei finden oxidierende Prozesse an der Anode statt während die Oberfläche der Kathode reduziert wird.

Lösliche Anode

Lösliche Anoden sind nur bei Silber-, Kupfer- oder Nickelbädern üblich. In das Bad wird der entsprechende Elektrolyt gegeben, bei Silber z. B. Silberbadflüssigkeit. Die Anode besteht in diesem Fall aus Feinsilberblech. Während der Elektrolyse überzieht sich die Kathode mit einer feinen Silberschicht, wobei sich die Anode auflöst.

Anode: Die Anionen geben an die Anode Elektronen ab und werden so oxidiert.

Kathode: Kationen nehmen von der Kathode Elektronen auf, werden also reduziert und lagern sich an der Kathode an.

Der Vorgang läuft solange, bis keine Silberionen mehr im Bad oder an der sich auflösenden Anode vorhanden sind. Die Vorgänge bei Kupfer und Nickel sind ähnlich.

Unlösliche Anode

Der Vorgang ist ähnlich dem der bei a) beschriebenen Vorgänge. Hier wird lediglich eine unlösliche Anode, gewöhnlich aus Edelstahl verwendet. Die Kationen, welche den Überzug bilden, befinden sich diesmal im eigentlichen Bad, z. B. Vergoldungsbad (häufig Goldchlorid). Legt man eine Spannung an, wird der Stromkreislauf durch die Oxidation der Anionen im Elektrolyten geschlossen. Der Vorgang läuft solange, bis es keine Goldionen mehr im Bad gibt.

Bandgalvanik

Ein besonderer Teilbereich mit großer Zukunft ist die Bandgalvanik. In ihr werden sowohl lösliche als auch unlösliche Anoden verwendet. Dabei wird ein Metallband, meist mit vorher ausgestanzten Teilen, kontinuierlich durch alle nötigen Bäder gezogen.

Die Vorteile der Bandgalvanik sind:

• die Schichtdicke variiert nur wenig, was die Präzision steigert.
• die Teile müssen nicht einzeln verarbeitet werden (Effizienzsteigerung).
• mit unlöslichen Anoden ist eine sehr schnelle Beschichtung mit hoher Qualität (z. B. über 1 µm/s bei Silber) möglich
• durch abdecken mit Riemen ist es möglich nur einzelne Streifen vom Band zu beschichten. Dieses Verfahren nennt sich Selektiv-Beschichtung. Dadurch wird erheblich weniger Beschichtungsmaterial verbraucht.

Die Bandgalvanik wird unter anderem zur Vergoldung von elektrischen Kontakten und zur Beschichtung von Halbleiter-Kontakt-Unterlagen (siehe Chipbonden) verwendet.

Bandgalvanik-Anlagen sind meist weniger gesundheitsschädlich als andere Galvanik-Anlagen, da die Anlagen meist vollständig abgedeckt und mit Luft-Absaugungen versehen sind. Dadurch werden giftige Gase und Dämpfe vom umgebenden Raum ferngehalten.

Qualität der Beschichtungen

sind abhängig von:

• Stromdichte
• Badtemperatur
• Menge der Metall-Ionen im Bad
• Verschmutzungsgrad des Bades (Metallpartikel im Bad führen, je stärker der Strom ist, zu mehr Einschlüssen in der Beschichtung)
• Dauer des Galvanisierens
• Abstand zwischen Kathode und Anode
• Entfettung des galvanischen Gegenstandes
• Reinheit des Wassers. Erreicht wird dies durch die Verwendung von demineralisiertem Wasser zum Ansetzen (Mischen) des Bades.
• Größenverhältnis zwischen Anode und Kathode, wobei die Regel Anode: mindestens zweimal so große Oberfläche wie Kathode gilt

Bei allen Verfahren gilt jedoch: Je langsamer die Beschichtung aufgebracht wird, desto feiner und fester wird sie.

Quellen

• Gerhard Pinke: Fachkunde Edelmetallgewerbe. 7. Auflage. Rühle-Diebener-Verlag, Stuttgart 1992, ISBN 3-7935-5493-7. 
• Hans R. Christen, Gerd Meyer: Grundlagen der allgemeinen und anorganischen Chemie. 9. Auflage. Diesterweg, Frankfurt a. M. 1988, ISBN 3-7935-5394-9.