Galvanotechnik

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Unter Galvanotechnik (auch Elektroplattieren oder Galvanostegie genannt) versteht man die elektrochemische Abscheidung von metallischen Niederschlägen (Überzügen) auf Substrate (Gegenstände). Neben der eigentlichen Abscheidung spiele auch Vor- und Nachbehandlung eine entscheidende Rolle für die letztendlichen Schichteigenschaften.[1] Die Geschichte der Galvanik, wie die Galvanotechnik umgangssprachlich bezeichnet wird, geht zurück auf den italienischen Arzt Luigi Galvani, der am 6. November 1780 den nach ihm benannten Galvanismus entdeckte.

Galvanische Verkupferung eines Metalls (Me) im Kupfersulfatbad

Bei der Galvanik wird durch ein elektrolytisches Bad Strom geleitet. Am Pluspol (Anode) befindet sich das Metall, das aufgebracht werden soll (z. B. Kupfer oder Nickel), am Minuspol (Kathode) der zu beschichtende Gegenstand. Mittels eines elektrischen Stroms lagern sich Metallionen durch Reduktion auf dem Werkstück ab. Je nach Verfahren löst sich gleichzeitig die Anode auf, oder die Metallionen werden aus Lösungen mit endlicher Stoffmenge abgeschieden. So wird der zu veredelnde Gegenstand allseitig gleichmäßig mit dem Metall beschichtet. Je länger sich der Gegenstand im Bad befindet und je höher der elektrische Strom ist, desto dicker wird die Metallschicht (z. B. Kupferschicht). Um Konversionsschichten erfolgreich auftragen zu können, muss das Substrat vorbehandelt werden.

Streng genommen wird noch zwischen der Galvanoplastik (auch Galvanoformung genannt), der elektrolytischen Herstellung von metallischen Gegenständen, und der Galvanostegie (engl. electroplating), der Herstellung metallischer Überzüge, unterschieden. Der Begriff Galvanostegie ist heute fast vollständig durch den allgemeinen Begriff Galvanotechnik ersetzt worden. Da aber immer weniger Reiterstandbilder benötigt wurden, geriet auch die Galvanoplastik etwas in Vergessenheit, erlebte aber eine kleine Renaissance im Zusammenhang mit der Mikrosystemtechnik, und zwar als Mikrogalvanoformung, auch lithografisch-galvanische Abformungstechnik genannt. Eine weitere Anwendung findet die Galvanoplastik beim Formenbau für das Spritzgießen von Kunststoffen.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Historischer Galvanikbetrieb, um 1900

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 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. Jahrhunderts 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.

Es wird gelegentlich behauptet, dass schon in der Antike die Vergoldung von Gegenständen mithilfe von Galvanotechniken bekannt war.[2]

Galvanische Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Generell wird zwischen dekorativer und funktionaler Galvanotechnik unterschieden. Erstere dient vorwiegend der Verschönerung von Gegenständen und muss für diesen Zweck gewisse technische Mindesteigenschaften besitzen. Beispiele für die dekorative Galvanotechnik sind die Kunststoffgalvanisierung, die Verchromung von Stahlrohrmöbeln, Armaturen und Motorrädern sowie die Vergoldung von Schmuck und Essbesteck.

Die funktionelle Galvanotechnik dient dem Korrosionsschutz, dem Verschleißschutz, der Katalyse, der Verbesserung elektrischer Leitfähigkeit und der Reduzierung von Friktionskräften. Auch die Duktilität und Verformbarkeit von Werkstücken kann durch galvanische abgeschiedene Überzüge verbessert werden.[3] Folgend einige Beispiele:

Hartchromschichten können aufgrund ihrer Verschleißfestigkeit und ihren guten Gleicheigenschaften auch als Beschichtung von Hydraulikzylindern oder für Tauchrohre in Federgabeln genutzt werden. Die Endeigenschaften dieser Bauteile sind nach der Beschichtung erheblich besser als z. B. die ihrer Grundmaterialien.

Galvanotechnik in der Praxis[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Industrielle Galvanikanlage zur Herstellung von Leiterplatten

Die Galvanotechnik kann in den Produktionsablauf eines metallverarbeitenden Betriebs integriert sein (Betriebsgalvanik) oder aber als Dienstleister, – also durch Fertigung von Auftragsarbeiten (Lohngalvanik) – fungieren. Im weiteren Sinne werden auch Eloxalanlagen und andere (meist stromgetriebene) Verfahren als Galvanik bezeichnet. In der Bundesrepublik Deutschland gibt es schätzungsweise 1500 galvanische Betriebe.

Galvanische Anlagen sind in der Regel eine sehr lange Reihe von Wannen, in denen die verschiedenen Prozessschritte nacheinander erfolgen. Moderne Anlagen sind mehr oder weniger vollständig automatisch gesteuert. Sie werden von Oberflächentechnikern bedient. Die frühere Bezeichnung „Galvaniseur“ wurde durch die Berufsbezeichnung „Oberflächentechniker“ ersetzt. Es wird zwischen den Verfahren "Stückgalvanisierung" (Warenträger mit Waren werden getaktet durch einzelne Becken befördert), "Massengalvanisierung" (Schüttgut in rotierenden Trommeln wird durch unterschiedliche Becken befördert) und "Durchlaufgalvanisierung" (Permanentes Durchlaufen von Bauteilen durch eine Anlage ohne einzelne "Takte") unterschieden.[4]

Grundmaterial[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Labortechnisch lassen sich heutzutage alle gängigen Grundwerkstoffe aus Metall sowie die meisten nichtleitenden Polymere (Kunststoffe) und Keramiken beschichten.

Bei der Kunststoffgalvanisierung haben sich großtechnisch nur zwei gängige Verfahren der Polymerbeschichtung etabliert. Direktmetallisieren nach dem sogenannten Futuron-Verfahren, sowie die konventionelle Prozessreihenfolge über die aktivierte stromlose Metallisierung als erste metallische Prozessstufe (Schichtfolge: Vornickel, Glanzkupfer, Glanznickel, Chrom) sind hier speziell im dekorativen Segment anzutreffen. In der Automobilbranche ist man durch hohe Qualitätsmerkmale und Forderungen der Hersteller gezwungen, bis zu vier verschiedene Nickelschichten im Verbund abzuscheiden, um optimale Beständigkeit, Funktion und Aussehen zu erreichen.

Glanz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Qualität eines Werkstückes wird oft anhand des Glanzes bestimmt. Dabei ist der physiologische Eindruck des Glanzes metallischer Schichten nicht ohne weiteres mit physikalischen Messmethoden (Reflexionsgrad o. ä.) bestimmbar. Die Wahrnehmung des Menschen kann von diesen physikalisch bestimmten Größen abweichen. Speziell bei dekorativen Anwendungen ist er von hoher Bedeutung. Für einen hohen Glanz werden in den verschiedenen Verfahren spezielle Glanzbildner eingesetzt. Es muss darauf geachtet werden, dass ein hoher Glanz andere physikalische Eigenschaften (z. B. elektrische Leitfähigkeit, Härte, Lötfähigkeit) einer Schicht verändern kann.

Metallüberzüge können Gegenständen Glanz und ein eindrucksvolles Aussehen verleihen. So kann z. B. Besteck, das aus billigem Metall besteht, mit einem teureren Metall überzogen werden. Um beispielsweise einen Löffel aus Nickel zu versilbern, wird der Löffel zuerst gereinigt und dann mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle verbunden. Der Löffel ist dann also die Kathode. Als Anode dient ein Silberstab. Beide Elektroden werden in eine Silbernitrat-Lösung getaucht. Nach dem Anlegen der Spannung gehen Silberatome durch Abgabe von Elektronen als Silberionen in die Lösung über. Diese Ionen werden von der Kathode angezogen und scheiden sich auf dem Löffel, unter Elektronenaufnahme, ab. So wird der Löffel aus Nickel mit einer dünnen Silberschicht überzogen. Die Reaktionsgleichungen lauten:

Anode: Ag → Ag+ + e
Kathode: Ag+ + e → Ag

Einebnung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ist ein Grundmaterial rau, kann durch die geeignete Auswahl des galvanischen Verfahrens die Oberfläche geebnet werden. Der technisch bessere Ausdruck für Einebnung ist der Begriff Mikrostreufähigkeit. Diese Eigenschaft wird beispielsweise bei Lagern, Walzen oder dekorativen Anwendungen (siehe auch Glanz) genutzt.

Bei der Einebnung muss zwischen geometrischer Einebnung (Mögliche Einebnung durch Geometrie der Unebenheit) sowie zwischen einer echten Einebnung unterschieden werden. Bei einer echten Einebnung wird in tieferen Stellen "Tälern" mehr Material als an den Erhobenen Stellen "Bergen" abgeschieden. Die Einebnung kann durch die Zugabe von Additiven, den sogenannten "Einebnern" verbessert werden.[5]

Galvanogerechtes Konstruieren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Werkstück konstruiert man galvanogerecht, indem man bestimmte Grundsätze berücksichtigt, welche den geplanten Galvanisierprozess begünstigen und mögliche Probleme vermeiden. Die Notwendigkeit für galvanogerechtes Konstruieren beruht beispielsweise auf der Ausbildung von Feldlinien im elektrischen Feld und einer damit verbundenen unterschiedlich schnellen (Inhomogenen) Abscheidung des Materials.

  • Durchgangslöcher sind günstiger als Sacklöcher. Letztere können je nach Durchmesser und Tiefe das Eindringen und Auslaufen der Prozessflüssigkeiten erschweren oder verhindern (Luftblasen). Verspätetes Austreten von Flüssigkeiten aus den Sacklöchern erschwert die Spülprozesse und kann zu nachträglicher Korrosion führen.
  • Abgerundete Konturen sind günstiger als scharfkantige Außen- und Innenwinkel: Erhöhte Abscheidung (bis hin zu Grat- oder Knospenbildung) an scharfen Außenkanten. Verminderte oder keine Abscheidung an scharfen Innenwinkeln.
  • Eine durchgehende V-Naht ist günstiger als ein Überlappungsstoß oder eine punktgeschweißte Verbindung: Werden zwei Flächen nicht dicht verschweißt, dann werden die Flüssigkeiten mittels Kapillarwirkung im Spalt „festgehalten“. Die Schicht wird beim Trocknen durch diese Flüssigkeiten wieder zerstört. Dasselbe gilt für Bördelungen und Nietverbindungen.
  • Faradayscher Käfig: Bei einem rundherum geschlossenen Werkstück mit zu kleinen Öffnungen kann in dem Werkstück kein elektrisches Feld entstehen. In diesem Bereich wirken nur rein chemische Prozesse. Bei einem elektro-chemischen Verfahren ist die Eindringtiefe normalerweise gleichzusetzen mit der Öffnung, d. h. bei einem Rohr mit einem Innendurchmesser von 2 cm wird eine Beschichtung bis zu der Tiefe von 2 cm in das Rohr erreicht.
  • Werkstoffauswahl: Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt können die Haftfähigkeit der Schicht verschlechtern. Bei hochfestem Stahl besteht die Gefahr der Versprödung. Kombinationen verschiedener Werkstoffe an einem Werkstück können zu Problemen führen, z. B. wenn es bei der Vorbehandlung verschiedene Indikationen und eine gegenseitige Kontraindikation gibt.

Konstruktion und Werkstoffauswahl haben sehr großen Einfluss auf einen späteren Galvanisierprozess in Bezug auf mögliche Probleme und Wirtschaftlichkeit. Deshalb sollte bei Neukonstruktionen von Beginn an eine interdisziplinäre Arbeitsweise gewählt werden.

Bandgalvanik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei der Bandgalvanik wird ein Metallband mit vorher ausgestanzten, jedoch noch aneinanderhängenden Teilen, kontinuierlich durch alle nötigen Bäder gezogen.

Die Vorteile der Bandgalvanik sind:

  • die Schichtdicke variiert nur wenig.
  • die Teile müssen nicht einzeln kontaktiert oder eingehängt werden.
  • 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 (Selektiv-Beschichtung). Dadurch wird 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 und keine Handarbeit nötig ist. Dadurch werden giftige Gase und Dämpfe vom umgebenden Raum ferngehalten.

Zahntechnik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit der Galvanotechnik kann in der Zahntechnik Zahnersatz hergestellt werden, der aus dünnen Goldkappen besteht und mit Keramik verblendet wird. Durch den elektrochemischen Prozess werden selbsttragende Metallgerüste aus Gold hergestellt. Beim Auro-Galvano-Crown-Verfahren (AGC) wird im zahntechnischen Laboratorium auf die mit Silberpulver vorbereiteten Zahnstümpfe eine Goldschicht von ca. 200 µm abgeschieden. Die Gerüste haben eine Reinheit von 99,99 % Gold. Die Galvanotechnik eignet sich für die Herstellung von Einzelkronen, Prothesenbasis, Keramisch verblendete Teilkronen und Einlagefüllungen (Inlays/Onlays), Teleskopkronen, Zahnbrücken für den Ersatz von einem Zahn und Zahnimplantat-Suprastrukturen.[6]

Elektrochemische Vorgänge[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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 Strom ein. Dazu legt man eine Gleichspannung an zwei Elektroden an, die dadurch polarisiert werden. Es entstehen Kathode und Anode. Befinden sie sich in einer leitenden Flüssigkeit, fließt Strom. Flüssigkeiten, z. B. Säuren, Laugen oder Wasser mit gelösten Salzen, leiten Strom. Diese Substanzen heißen auch Elektrolyte. Legt man eine Spannung an, bewegen sich die positiven Kationen zur Kathode (daher deren Name) und die negativen Anionen zur Anode. Dabei findet an der Anode eine Oxidation statt, während die Oberfläche der Kathode reduziert wird.

Lösliche Anode[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lösliche Anoden sind nur bei Silber-, Kupfer- oder Nickelbädern üblich. In das Bad wird der entsprechende Elektrolyt gegeben, bei Silber z. B. Silber- und Kaliumcyanid. Die Anode besteht in diesem Fall aus Feinsilberblech. Während der Elektrolyse überzieht sich die Kathode mit einer reinen 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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Vorgang ist ähnlich den oben beschriebenen Vorgängen. Es wird jedoch eine unlösliche Anode, gewöhnlich aus Edelstahl, verwendet. Die Kationen, welche den Überzug bilden, befinden sich im Bad, z. B. im Vergoldungsbad als Goldchlorid. Legt man eine Spannung an, wird der Stromkreis durch die Oxidation der Anionen im Elektrolyten geschlossen – es entsteht Chlor. Der Vorgang läuft solange, bis es keine Goldionen mehr im Bad gibt.

Qualitätssicherung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Qualitätssicherung nimmt in der Galvanotechnik einen sehr hohen Platz ein. Zu ihr gehören die ständige Analyse der Badparameter, wie Säure- und Metallgehalt, Kontrolle des Aussehens und Farbe der Schichten, Schichtdickenmessungen mittels Röntgenfluoreszenz, Ultraschall, Wirbelstromverfahren, Ablöseverfahren, aber auch die Überprüfung des Rohmaterials.

Des Weiteren können noch überprüft werden: Oberflächenrauheit, Härte, Haftfestigkeit und Duktilität der Schicht, Oberflächenfehler (z. B. Poren, Risse) und Prüfung der Korrosionsbeständigkeit mittels Salzsprühtest, Schwitzwasserklima, Corrodkote-Prüfung, CASS-Test (Essigsäure-Salzlösung).

Die elektrochemischen Eigenschaften der Elektrolyte können mittels Praxisversuchen (z. B. Hull-Zelle) oder Vergleichsmessungen (Haring-Blum-Zelle oder Cyclovoltammetrie) beurteilt werden.

Die Qualität sowie die Endeigenschaften einer Beschichtung hängen unter anderem von den folgenden Parametern ab:

  • Stromdichte
  • pH-Wert
  • 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
  • Entfetten des Werkstückes
  • Reinheit des Wassers; es ist demineralisiertes Wasser zum Ansetzen (Mischen) des Bades nötig.
  • Größenverhältnis zwischen Anode und Kathode, wobei die Regel Anode: mindestens zweimal so große Oberfläche wie Kathode gilt

Sonstiges[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weitere wichtige Punkte innerhalb der Galvanotechnik sind die Abwasseraufbereitung und der damit verbundene Umweltschutz, die Belehrung im Umgang mit gefährlichen Chemikalien und das Arbeiten im Labor. Die Dicke des entstehenden Metallüberzug variiert je nach Anwendung: dekorative Schichten (z. B. Gold oder Glanzchrom) haben oft Schichtstärken kleiner 1 Mikrometer (µm), während funktionelle Schichten deutlich dicker sind (Zink oder Nickel als Korrosionsschutz etwa 10 µm, Hartchrom oder Nickel als mechanisch funktionelle Schichten (z. B. in Hydraulikzylindern) meist 100–500 µm).

Liste von Galvanisierverfahren (Überblick)[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Diese technisch ähnlichen Galvanisierverfahren beschränken sich jeweils auf spezielle Substrate oder Beschichtungsmaterialien und erhielten dadurch ihre spezifischen Namen.

Galvanische Elektrolyte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Galvanisierung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Nasser Kasnani: Galvanotechnik - Grundlagen, Verfahren und Praxis einer Schlüsseltechnologie. 2., überarb. u, erw. Aufl. Hanser, München/Wien 2009, ISBN 978-3-446-41738-0, S. 16.
  2. Hans-Gert Bachmann, Günter Bachmann: Oberflächenvergoldung: Alte und neue Techniken. In: Chemie in unserer Zeit. 23, Nr. 2, 1989, S. 46–49, (doi:10.1002/ciuz.19890230203)
  3. Kanani, Nasser.: Galvanotechnik : Grundlagen, Verfahren, Praxis. 2., überarb. u, erw. Aufl. Hanser, München 2009, ISBN 978-3-446-41738-0, S. 24.
  4. Kanani, Nasser.: Galvanotechnik : Grundlagen, Verfahren, Praxis. 2., überarb. u, erw. Aufl. Hanser, München 2009, ISBN 978-3-446-41738-0, S. 12–14.
  5. Kanani, Nasser.: Galvanotechnik : Grundlagen, Verfahren, Praxis. 2., überarb. u, erw. Aufl. Hanser, München 2009, ISBN 978-3-446-41738-0, S. 127–130.
  6. Gabriele Dietrichs, Paul Rosenhain: Galvanoforming: Bio-Ästhetik in der restaurativen Zahnheilkunde. Verlag Neuer Merkur GmbH, 1995, ISBN 978-3-921280-99-7, S. 25– (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).