Galvanisieren
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Galvanisieren ist ein technisches Verfahren, das mithilfe einer elektrochemischen Abscheidung eine metallische Beschichtung auf Werkstücken erzeugt. Die galvanische Beschichtung bewirkt einen dauerhaften Korrosionsschutz und verbessert die Verschleißfestigkeit der Werkstückoberfläche. Die mit Galvanotechnik erzeugten metallischen Überzüge stellen für viele Branchen eine unverzichtbare funktionale oder optische Veredelung der Werkstücke dar.
Galvanisierungsprozess – Ablauf und Besonderheiten
Voraussetzung für das Galvanisieren ist ein Werkstück, das über eine metallische oder metallisierte Oberfläche verfügt. Für den eigentlichen Vorgang des Galvanisierens werden ein Elektrolyt sowie Gleichstrom benötigt. Beim Verfahrensablauf des Galvanisierens sind drei wichtige Phasen zu unterscheiden:
- Vorbehandlung
- Beschichten
- Nachbehandlung
Vorbehandlung
Mit Galvanotechnik erzeugte Überzüge sind nur wenige Mikrometer dick. Für ein gutes Ergebnis ist eine sorgfältige Vorbehandlung erfolgsentscheidend.
Mithilfe einer mechanischen sowie chemischen Behandlung lassen sich Verunreinigungen vom Werkstück entfernen, die von vorangegangenen Bearbeitungsschritten herrühren. Dazu gehören Rost, Zunder, Öle und Fette sowie Schleifstaub und Späne. Zu der mechanischen Behandlung für das Abtragen der Oberfläche zählen Schleifen und Polieren. Die chemische Behandlung erfolgt in Form eines Beizbades, das Rückstände von der Oberfläche entfernt und das Werkstück entfettet. Ein Spülvorgang beendet meist die Vorbehandlung.
Beschichten
Das Beschichten ist das Herzstück des Galvanisierungsprozesses. Als Elektrolyt kommt eine wässrige Lösung von Salzen jenes Metalls zum Einsatz, mit dem das Werkstück überzogen werden soll. Soll das Werkstück beispielsweise verkupfert werden, so kommt Kupfersulfat als Elektrolyt zur Verwendung. Das Werkstück ist als Kathode an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen und wird vom Elektrolyt umgeben. Die Anode besteht aus dem Beschichtungsmaterial und bildet den elektrischen Gegenpol. Es kommt zu einem Stromfluss durch das elektrolytische Bad. Das Metall der Anode wird bei dem Vorgang nach und nach aufgelöst und zur Kathode, also auf das Werkstück, transferiert. Die im elektrolytischen Bad gelösten Metallionen lagern sich dabei durch Reduktion auf dem als Kathode dienenden Werkstück ab. Da sich die Metallionen weitgehend gleichmäßig auf dem Werkstück ablagern, nimmt die Schichtdicke mit der Zeit zu.
Nachbehandlung
Sobald der Beschichtungsvorgang abgeschlossen ist, erfolgt die Nachbehandlung in Form von Spülen und Trocknen. In bestimmten Anwendungsfällen, beispielsweise bei galvanisch verzinktem Stahl, erfolgt im Rahmen der Nachbehandlung noch eine zusätzliche Passivierung bzw. Chromatierung des Werkstücks.
Prozessparameter
Es sind vor allem die Zusammensetzung des Elektrolyten, die kathodische Stromdichte, die Elektrolyttemperatur sowie -zirkulation und die Galvanisierdauer, die den Galvanisierungsprozess und damit die Eigenschaften des Überzugs entscheidend beeinflussen. Es ist notwendig die Abscheidungsbedingungen über den gesamten Prozessverlauf sorgfältig zu kontrollieren, um gute und reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.
Arten des Galvanisierens
Die primäre Anwendung der Galvanotechnik ist das Elektroplattieren, das auch als Galvanostegie bzw. Electroplating bezeichnet wird. Electroplating ist das gängige Beschichtungsverfahren für die Herstellung metallischer Überzüge auf Werkstücken, die in dem Zusammenhang auch als Substratkörper bezeichnet werden. Die Galvanoplastik ist der zweite Bereich der Galvanotechnik und wird auch als Galvanoformung bzw. Electroforming bezeichnet. Mithilfe dieser Technik lassen sich solide metallische Körper auf Basis großer Schichtdicken erzeugen.
Für das Elektroplattieren, also das Beschichten von Substraten, kommen verschiedene Arten von Galvanisierungstechniken zum Einsatz. Erfahren Sie hier Wissenswertes zu den gängigen Verfahren.
Trommelplattierung
Bei der Trommelgalvanisierung verwendet man als Elektrolysebehälter eine Trommel. Die Herstellung der Trommel erfolgt in der Regel aus einem chemisch beständigen Material wie beispielsweise Polypropylen. Die Trommel wird mit einer Elektrolytlösung befüllt. Anschließend werden sowohl die Substratteile als auch die Anode in die Trommel getaucht. Nun versetzt man die Trommel in Rotation. Mithilfe der auch als Trommelgalvanisierungseinrichtung bezeichneten Anlage lässt sich eine gleichmäßige Beschichtung jedes Teils gewährleisten. Bedingt durch den Bearbeitungsprozess können kleinere Unvollkommenheiten und Kratzer entstehen. Die Trommelbeschichtung ist ein effizientes und wirtschaftliches Verfahren, wenn große Mengen kleiner Teile beschichtet werden müssen. Das ist beispielsweise bei Teilen aus harten Materialien wie etwa bei Werkzeugstahlbolzen, Schrauben oder Laufbuchsen der Fall.
Rack-Beschichtung
Beim Gestellgalvanisieren kommt ein großes Gestell im Elektrolytbad zum Einsatz. Die Werkstücke werden in das Gestell platziert und mit Haken, Schrauben oder Bändern befestigt. Da sich die Werkstücke während des Galvanisierungsvorgangs kaum bewegen, lassen sich auch komplexe Oberflächen mit feinen Details präzise beschichten. Die Rack-Beschichtung ist sowohl für die Massengalvanisierung als auch für große Einzelteile gut geeignet. Nachteilig sind die hohen initialen Installationskosten sowie Arbeitskosten. Gestellgalvanisieren wird beispielsweise für das Galvanisieren von Kupfer, Gold und Nickel eingesetzt.
Bürstenbeschichtung
Bei der Bürstengalvanik wird zuerst ein weiches Tuch in eine mit Metallionen versetzte Beschichtungslösung getaucht. Im nächsten Schritt wird die Elektrode mit dem Tuch umwickelt. Dann trägt man die Beschichtung manuell auf die entsprechenden Bereiche auf. Bürstenbeschichtung ist ein sehr flexibles, weil anpassungsfähiges Verfahren, das besonders für selektive oder lokale Beschichtungen – beispielsweise im Rahmen einer Reparatur – geeignet ist. Für Teile mit großen bzw. komplexen Oberflächen ist das Bürstenbeschichten nicht geeignet.
Pulsbeschichtung
Wie der Name schon sagt, erfolgt bei dieser Form des Galvanisierens die Beschichtung des Substrats mit elektrischen Impulsen. Durch einen schnellen Wechsel zwischen zwei verschiedenen Pegeln werden Stromimpulse mit kontrollierter Impulsbreite und -amplitude erzeugt. Damit lässt sich eine sehr homogene, feine Körnung der Beschichtung in hoher Gleichmäßigkeit erreichen. Impulsgalvanisieren ist besonders gut für Teile geeignet, bei denen die Oberfläche eine minimale Porosität und Rauheit sowie ein Minimum an Mikrorissen aufweisen muss. Aufbau und Betrieb für die Pulsbeschichtung sind aufwendiger als bei anderen Galvanisierungsverfahren.
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Galvanisieren - Schutz, Langlebigkeit und Ästhetik
Mittels Galvanisierung lassen sich Metallüberzüge auf Oberflächen erzeugen, um gezielt spezifische Eigenschaften des behandelten Werkstücks zu optimieren. Die erzielbaren Verbesserungen reichen dabei weit über höheren Schutz und Langlebigkeit hinaus. Dies sind die wesentlichen Vorteile der Galvanisierung:
- Korrosionsschutz: Reagiert ein metallischer Werkstoff an der Oberfläche mit seiner Umgebung, kann dies zu einer funktionalen Beeinträchtigung führen. Klassisches Beispiel für Korrosion ist die Bildung von Rost auf der Oberfläche von Eisen oder Stahl. Galvanische Beschichtungen sind in der Lage, das Trägermaterial vor Korrosion zu schützen. Die Beschichtung schützt sowohl vor Korrosion in der freien Atmosphäre, vor Korrosion durch aggressive Medien sowie vor Kontaktkorrosion.
- Optik des Werkstücks: Die durch Galvanisierung ausgebildete Beschichtung kann eine vom Grundmaterial abweichende Farbgebung, Helligkeit, Glanz und Textur haben. Große Verbreitung hat das Verchromen, mit dem sich Oberflächen von Aluminium- oder Stahlteilen glänzend, reflektierend und überaus dekorativ gestalten lassen.
- Erhöhte Verschleißfestigkeit: Eine Plattierungsschicht aus hartem und widerstandsfähigem Metall verbessert die Verschleißfestigkeit des Werkstücks wesentlich.
- Verbesserte Leitfähigkeit: Indem man hochleitfähige Metalle wie Gold, Silber oder Kupfer auf kostengünstige metallische Werkstücke galvanisiert, lässt sich die Leitfähigkeit von Anschlussflächen maßgeblich verbessern.
- Gesteigerte Hitzebeständigkeit: Chrom-Nickel-Beschichtungen eignen sich hervorragend für Hochtemperaturanwendungen wie beispielsweise Auspuffteile.
- Verbesserte Haftung: Die Plattierungsschicht verbindet sich chemisch mit dem Untergrund, daher haften darauffolgende Beschichtungen hervorragend und es kommt zu keinen Ablösungen.
- Optimierung der Maßgenauigkeit: Haben Bauteile zu kurze Abmessungen als geplant, so lassen sich durch eine gezielte Beschichtung mittels Galvanisierung die Geometrien korrigieren. Die Beschichtungsdicke wird dabei unter anderem durch die angelegte Spannung, die Verfahrenszeit sowie die Elektrolytkonzentration gesteuert.
- Verbesserung von Lötfähigkeit und magnetischen Eigenschaften: Auf Basis eines metallischen Überzugs mit ganz bestimmten Eigenschaften lassen sich beispielsweise auch das magnetische Verhalten oder auch die Lötfähigkeit eines Werkstücks gezielt beeinflussen.
Nachteile der Galvanisierung
Der Galvanisierungsprozesses hat einige nachteilige bzw. einschränkende Aspekte:
- Voraussetzung für das zu beschichtende Material ist, dass es elektrisch leitfähig ist. Denn der elektrische Stromfluss ist für die Abscheidung an der Materialoberfläche erforderlich.
- Der Prozess des Galvanisierens nutzt Chemikalien und es entstehen Prozessrückstände, die sogenannten Fällungsschlämme. Diese können für Umwelt und Mensch schädlich sein. Die ordnungsgemäße Durchführung des Verfahrens ist für die Minimierung gesundheitsgefährdender Rückstände essenziell, die richtige Entsorgung der umweltgefährdenden Abwässer ist notwendig.
- Aufbau und Betrieb einer Galvanisierungsanlage sind kostspielig. Zur erforderlichen Ausrüstung gehören ein Tank, Elektrolytlösung, Anodenaufbau und weitere Komponenten.
Bei der Entscheidung, ob Galvanisierung das richtige Beschichtungsverfahren ist, sollten folgende Nachteile bzw. Einschränkungen berücksichtigt werden:
- Schon bei der Konstruktion des Bauteils muss darauf geachtet werden, dass das Werkstück beschichtungsgerecht ausgeführt wird. Beispielsweise sollten einerseits geschlossene Hohlräume vermieden werden, andererseits sollten Bauteile nicht flächig zusammengeschweißt sein.
- Falls bei montierten Bauteilen bzw. Schweißkonstruktionen chemische Rückstände zurückbleiben, kann dies zu Korrosion führen.
- Die Metallverteilung beim Abscheidungsprozess ist nicht vollständig gleichmäßig. Daher ist es nicht möglich, exakte Angaben über die Schichtdicke im μm-Bereich zu machen.
- Galvanisierung ist weder für Passungen noch Gewinde geeignet.
- Beschichtungen, die Nickel enthalten, können allergische Reaktionen hervorrufen. Dies muss bei der Produktentwicklung unbedingt berücksichtigt werden.
Galvanisieren – geeignete Materialien
Galvanisieren ist mit einem spezifischen Metall oder aber auch mit einer Kombination von Metallen möglich. Erfahren Sie hier, welche Metalle für die Galvanisierung häufig zur Anwendung kommen:
- Kupfer: Die Kupferbeschichtung ist in der Galvanik weit verbreitet und verbessert bei vergleichsweise niedrigen Kosten die Leitfähigkeit, die Schmierfähigkeit sowie die Biokompatibilität. Kupferlegierungsbeschichtungen überzeugen durch gleichmäßige, glatte, glänzende und helle Oberflächen bei sehr guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit.
- Zink: Da Zink ein kostengünstiges Material ist, lässt sich eine Verzinkung in vielen Anwendungsfällen zum Schutz vor Feuchtigkeit und für ein silbern glänzendes Aussehen wirtschaftlich realisieren. Üblich ist die Verzinkung von Materialien, die für Rostbildung anfällig sind. Dazu gehören vor allem Stahl und Eisen. Das galvanisierte Produkt reagiert mit Feuchtigkeit, die Zinkschicht zersetzt sich im Lauf der Zeit, schützt jedoch das darunterliegende Material. Die Beschichtung wird daher mitunter auch als Opferschicht bezeichnet. Verzinkung ist für kleine Teile wie Schrauben, Federn oder Schalterplatten hervorragend geeignet.
- Nickel: Vernickelung von Substraten sorgt für langlebige und glatte Oberflächen. Auch die Korrosionsbeständigkeit sowie der Magnetismus werden positiv beeinflusst. Vernickelung ermöglicht die Erzeugung heller oder auch matter Oberflächen.
- Gold: Die Galvanisierung mit Gold kommt zum Einsatz um eine gute elektrische Leitfähigkeit für elektrische Hochleistungskomponenten wie Steckverbinder, Kontaktpunkte in Leiterplatten oder Schaltkabel sicherzustellen. Ein weiterer Einsatzbereich ist die Verschönerung der Optik von Dekorationsgegenständen. Die Vergoldung auf Grundlage einer Galvanisierung ist dabei im Vergleich zu einer Folienbeschichtung deutlich dauerhafter.
- Palladium: Die Palladinierung kommt als kostengünstige Alternative zu Gold zur Anwendung. Palladium weist eine gute Verschleißfestigkeit sowie Korrosionsbeständigkeit auf und hat ein dezentes silberweißes Aussehen. Beispielsweise beschichtet man Kupfer, Messing und andere Metalle mit Palladium. In bestimmten Anwendungsfällen wird vor dem Vergolden eine Palladiumschicht galvanisiert, um die Oberflächenhärte des Werkstücks zu verbessern. Palladinierung kommt auch für medizinische und zahnmedizinische Komponenten zur Anwendung.
- Silber: Versilberte Materialien weisen eine höhere Leitfähigkeit und Belastbarkeit auf. Silber ist kostengünstiger als Gold und hat eine sehr gute Oxidationsbeständigkeit. Eine Versilberung reduziert zudem den Reibungskoeffizienten. Versilberung kommt häufig in Solarmodulen, Steckverbindern und Lagern zum Einsatz.
- Chrom: Verchromte Oberflächen weisen eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit bei ausgezeichneter mechanischer Festigkeit auf. Die Verschleiß- und Abriebfestigkeit ist hoch, die Härte und Haltbarkeit sind hervorragend. Chrom verleiht dem Substrat ein glänzendes, reflektierendes Aussehen.
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Mehr InformationenEinsatzbereich der Galvanisierung
Galvanisieren ist eine bewährte und leistungsfähige Beschichtungstechnik, um Grundmaterialien durch funktionale und dekorative Beschichtungen zu veredeln. Viele Bereiche der Industrie nutzen Galvanisierung, unter anderem:
- Kraftfahrzeugbau
- Luft- und Raumfahrt
- Elektrotechnik
- Schmuckindustrie
- Medizintechnik
- Maschinen- und Anlagenbau
In der Automobilindustrie ist die Zuverlässigkeit von Komponenten entscheidend für die Lebensdauer und Leistung des Fahrzeugs. Fahrzeugteile benötigen daher widerstandsfähige und beständige sowie umweltverträgliche Beschichtungen. Unter anderem erfüllen beschichtete Oberflächen aus Chrom, Zink, Nickel oder auch Palladium diese Anforderungen sehr gut. Beispiele sind Kolben, Zylinderlaufbuchsen, Stoßdämpfer, Stoßfänger, Einspritzdüsen sowie Batteriepole und -kontakte. Galvanische Behandlungen kommen zudem für die Verbesserung der Optik von Bauteilen zum Einsatz, wie etwa für den Kühlergrill oder die Innenverkleidung.
Auch in der Luft- und Raumfahrt trägt die Opferschicht ganz wesentlich dazu bei, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Flugzeugkomponenten entscheidend zu erhöhen. Nickelbeschichtungen sorgen dafür, dass Bauteile dauerhaft thermischen Veränderungen und Umweltbelastungen standhalten. Galvanisieren kommt auch für die im Flugzeugbau enorm wichtige Einhaltung präziser Abmessungen und Passungen zum Einsatz. Motorteile und Turbinenschaufeln mit Platin- oder Nickelbeschichtung gehören ebenso zu den Anwendungen wie Verbindungselemente, Strukturbauteile, Hydrauliksysteme, Sensorkomponenten und Ventilkörper.
In der Elektronik macht man sich vor allem die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit durch Beschichtung mit Metallen zunutze, die eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Beispiele dafür sind beschichtete elektrische Kontakte, Anschlüsse, Kabel und Verbindungen. Ein weiterer Anwendungsbereich ist die optische Gestaltung von Gehäusen und deren Schutz vor Korrosion, Abrieb, leichten Stößen und UV-Strahlung. Die galvanische Beschichtung mit Gold, Kupfer, Nickel oder Palladium ist in der Elektronikindustrie häufig anzutreffen. Anwendungsbeispiele sind Leiterplatten, Halbleiter, Anschlussstifte, Kondensatoren, Batteriekontakte, Sensoren und Bauteile, die der Mikroelektronik zuzuordnen sind.
In der Schmuckbranche kommen Gold und Goldlegierungen häufig als ästhetische Schmuckbeschichtung zur Verwendung. Neben dem optischen Aspekt verleiht die Beschichtung den Schmuckgegenständen eine längere Lebensdauer. Optisch ansprechende Effekte lassen sich durch die Kombination von zwei oder mehr Metallarten erreichen. Es kommen auch Edelmetalle wie Rhodium oder Silber zum Einsatz. Anwendung findet Galvanisierung beispielsweise bei Halsketten, Fassungen für Brillen, Ringen, Ohrringen und Uhren.
