Eisenelektrolyt

Grundprinzip und Bedeutung

Eisenelektrolyte sind Elektrolyte der Galvanotechnik, mit denen Metalloberflächen elektrochemisch mit Eisen beschichtet werden. Umgangssprachlich heißt dieses Verfahren „Verstahlen“ oder Verstählung. Es ist ein Spezialverfahren und wird deutlich seltener eingesetzt als viele andere galvanische Beschichtungen.

Der Elektrolyt ist eine wässrige Lösung gut wasserlöslicher Eisen(II)-Salze. Das zu beschichtende Werkstück wird als Kathode geschaltet. Als Anoden dienen Reinst-Eisen-Anoden mit 99,99 % Eisen, sogenannte Armcoeisen-Anoden. Die gelösten Fe^{2+}-Ionen wandern zur Kathode, werden dort zu elementarem Eisen reduziert und bilden auf der Metalloberfläche eine dünne Eisenschicht.

Typische Anwendungen

Eisenelektrolyte werden vor allem in Spezialgebieten genutzt. Dazu gehören die Verstärkung von Druckplatten, die Aufarbeitung abgenutzter oder untermaßiger Maschinenteile und die Galvanoformung. In der Galvanoformung ist Eisen nützlich, weil es sich mit Salz- oder Schwefelsäure gut ablösen lässt.

Weitere Anwendungen sind die Reinsteisenherstellung für Magnetkerne, der Einsatz als Haftgrund für weniger gebräuchliche Grundmetalle wie Niob oder Molybdän sowie Spezialfälle, in denen gute Notlaufeigenschaften wichtig sind. Außerdem werden Lötspitzen mit Eisen beschichtet, damit Zinn nicht in den Kupferkörper einlegiert.

Bestandteile und Zusätze

Eisenelektrolyte haben einen relativ einfachen Aufbau. Als Eisenquelle verwendet man zum Beispiel Eisen(II)-sulfat, Eisen(II)-chlorid oder Eisen(II)-tetrafluoroborat. Bereits 1887 untersuchte A. Watt die Abscheidung von Eisen aus vielen Eisensalz-Lösungen, kam aber fälschlicherweise zu dem Schluss, dass nur Sulfatbäder praktisch einsetzbar seien.

Organische Zusätze wie Glycerin, Dextrin und Zucker können poröse Schichten erzeugen. Solche Poren können Schmiermittel aufnehmen, weshalb diese Schichten wegen ihrer guten Notlaufeigenschaften zur Aufbereitung von Maschinenteilen geeignet sind. Hohe Halogen-Konzentrationen im Elektrolyten erhöhen die Anodenlöslichkeit. Aluminiumsulfat erhöht die Härte der Niederschläge. Ammonium- und Manganionen verfeinern das Korn der Schicht. Niedrige Konzentrationen von AlCl_{3}, BeCl_{2} oder CrCl_{2} sollen die Schicht weicher und dehnbarer machen; AlCl_{3} soll außerdem die Stabilität der Schicht erhöhen. Leitsalze wie Kaliumchlorid oder Natriumchlorid erhöhen die Leitfähigkeit. Hydrazin wirkt als anodischer Depolarisator und verhindert die Bildung von Sauerstoff an der Anode.

Badparameter

Die im Artikel genannten Eisenbäder arbeiten mit sauren pH-Werten, erhöhter Temperatur und Stromdichten im Bereich mehrerer A/dm². Ein Bad mit Eisen(II)-chlorid als Eisenquelle, 200…600 g/l, und Mangan(II)-chlorid als Leitsalz, 4…60 g/l, arbeitet bei pH 1,5…2, 65…95 °C und 3…20 A/dm².

Ein weiteres Bad nutzt Eisen(II)-sulfat, 250…400 g/l, und Eisen(II)-fluoroborat, 40…80 g/l, zusammen mit Ammoniumchlorid, 20…60 g/l. Die Parameter liegen bei pH 3…4, 40…70 °C und 3…6 A/dm². Ein Bad mit Eisen(II)-fluoroborat, 200…300 g/l, und Natriumchlorid, 8…20 g/l, arbeitet bei pH 2…4, 40…70 °C und 3…6 A/dm².

Fehler und Abhilfe

Typische Fehler bei Eisen-Elektrolyten zeigen sich an der abgeschiedenen Eisenschicht. Wenn Niederschläge abblättern, können mangelhafte Entfettung oder hohe Eigenspannung die Ursache sein; als Abhilfe werden sorgfältiges Entfetten und Dekapieren genannt. Brüchige Niederschläge können durch zu niedrigen pH-Wert oder zu niedrige Temperatur entstehen; der pH-Wert soll dann auf 3 erhöht und die Temperatur gesteigert werden.

Spröde, warzige oder trübe Niederschläge können mit Eisen(III)-Ionen im Elektrolyten zusammenhängen. Als Gegenmaßnahme wird Ansäuern und das Einhängen einer chemisch reinen Eisenplatte zur Reduktion genannt. Bei spröden Niederschlägen können außerdem organische Verunreinigungen oder Fremdmetalle beteiligt sein; mögliche Abhilfen sind Aktiv-Kohlebehandlung und Selektivreinigung. Raue Niederschläge können durch Schlamm auf den Anoden entstehen; dann helfen Filtration und Anodensäcke. Wasserstoffhaltige Niederschläge und zu niedrige Stromausbeute können durch zu niedrigen pH-Wert verursacht werden; der pH-Wert soll auf 2,9…3,2 abgestumpft werden. Knospige Niederschläge deuten auf zu hohe Stromdichte hin; Abhilfe sind eine niedrigere Stromdichte, Stromblenden und Warenbewegung.