Galvanotechnik

Begriff und Einsatzgebiete

Galvanotechnik oder Galvanik ist die elektrochemische Abscheidung metallischer Niederschläge auf Substraten, also Werkstücken, in einem elektrolytischen Bad. Gleichstrom wird durch die leitfähige Flüssigkeit geleitet: Das Werkstück ist meist mit dem Minuspol verbunden und bildet die Kathode. Positiv geladene Metallionen werden dort reduziert, das heißt, sie nehmen Elektronen auf und werden als Metall abgeschieden. Die Schicht wächst mit der Zeit meist relativ gleichmäßig. Oft muss das Werkstück vorher behandelt, besonders gereinigt und entfettet werden.

Die häufigste Anwendung heißt Elektroplattieren oder Galvanostegie (englisch electroplating): Sie erzeugt metallische Überzüge. Davon zu unterscheiden ist die Galvanoplastik, auch Galvanoformung oder Galvanoforming: Große Schichtdicken bilden dabei feste metallische Körper. Sie wird heute etwa für Spritzgussformen und als Mikrogalvanoformung in der Mikrosystemtechnik eingesetzt.

Man unterscheidet dekorative und funktionelle Galvanotechnik. Dekorative Schichten verschönern Gegenstände, etwa bei Kunststoffgalvanisierung, verchromten Möbeln, Armaturen und Motorrädern sowie vergoldetem Schmuck oder Essbesteck. Funktionelle Schichten dienen unter anderem dem Korrosions- und Verschleißschutz, der Katalyse, besserer elektrischer Leitfähigkeit, geringerer Reibung sowie besserer Duktilität und Verformbarkeit. Beispiele sind verzinkte Schrauben, Hartchrom auf Maschinenteilen, Gold oder Silber auf elektrischen Kontakten, Blei-Zinn-Kupfer für Gleitlager und Verkupfern beim Drahtziehen. Hartchrom wird wegen seiner Verschleißfestigkeit und Gleiteigenschaften auch für Hydraulikzylinder und Tauchrohre in Federgabeln verwendet.

Elektrochemisches Prinzip

Galvanisieren ist eine Elektrolyse: Eine angelegte Gleichspannung erzwingt Redoxreaktionen, also Reaktionen mit Elektronenübertragung. Zwei Elektroden werden polarisiert. In Säuren, Laugen oder Wasser mit gelösten Salzen, den Elektrolyten, können dadurch Ionen wandern. Positive Kationen bewegen sich zur Kathode, negative Anionen zur Anode. An der Anode findet Oxidation statt, an der Kathode Reduktion. Metallkationen nehmen an der Kathode Elektronen auf und lagern sich als Metall ab.

Bei löslichen Anoden, üblich besonders in Silber-, Kupfer- und Nickelbädern, besteht die Anode aus dem abzuscheidenden Metall. Bei einem Silberbad kann sie aus Feinsilberblech bestehen. Idealerweise gehen genau so viele Metallionen in Lösung, wie an der Kathode verbraucht werden; dann bleibt die Konzentration des Bades gleich, bis sich die Anode vollständig gelöst hat. Verwendet wurden beziehungsweise werden auch Zinn, Zink, Cadmium – heute verboten – und Legierungsanoden wie Zinn/Blei.

Bei unlöslichen Anoden, zum Beispiel aus Edelstahl, enthält das Bad die benötigten Metallionen, etwa Goldionen als Goldchlorid im Vergoldungsbad. Die Anode selbst liefert kein Überzugsmetall. Der Stromkreis wird durch Oxidation von Anionen geschlossen; bei Chloridlösungen entsteht Chlor, sonst Sauerstoff. Weil Metallionen aus dem Bad verbraucht werden, muss Metallsalz nachgefüllt werden. Die umgesetzte Stoffmenge wird wie bei jeder Elektrolyse mit einer aus den Faradayschen Gesetzen folgenden Gleichung berechnet; dabei ist gewöhnlich die Stromausbeute zu berücksichtigen.

Ein Beispiel ist das Versilbern eines Nickellöffels in Silbernitrat-Lösung. Der gereinigte Löffel ist die Kathode, ein Silberstab die Anode. An der Anode gilt: Ag → Ag⁺ + e⁻. An der Kathode gilt: Ag⁺ + e⁻ → Ag. Silberionen werden so auf dem Löffel als dünne Silberschicht abgeschieden.

Anlagen, Werkstücke und Gestaltung

Galvanik kann als Betriebsgalvanik in einen metallverarbeitenden Betrieb eingebunden sein oder als Lohngalvanik Aufträge für andere Unternehmen ausführen. Anlagen bestehen meist aus einer langen Reihe von Wannen, in denen die Prozessschritte nacheinander ablaufen; moderne Anlagen sind weitgehend automatisch gesteuert. Bedient werden sie von Oberflächentechnikern. Unterschieden werden Stückgalvanisierung mit getaktet transportierten Warenträgern, Massengalvanisierung mit Schüttgut in rotierenden Trommeln und Durchlaufgalvanisierung mit kontinuierlich laufenden Bauteilen.

Beschichtet werden können gängige metallische Grundwerkstoffe sowie die meisten nichtleitenden Kunststoffe und Keramiken. Bei der Kunststoffgalvanisierung sind großtechnisch das Direktmetallisieren nach dem Futuron-Verfahren und die aktivierte stromlose Metallisierung üblich. Im dekorativen Bereich folgt darauf beispielsweise die Schichtfolge Vornickel, Glanzkupfer, Glanznickel und Chrom. In der Automobilbranche können bis zu vier verschiedene Nickelschichten kombiniert werden.

Werkstücke sollen galvanogerecht konstruiert sein, weil Feldlinien zu unterschiedlich schneller, inhomogener Abscheidung führen. Durchgangslöcher sind günstiger als Sacklöcher, in denen Luft und Prozessflüssigkeiten bleiben können; später austretende Flüssigkeit kann Spülen erschweren und Korrosion verursachen. Abgerundete Konturen sind vorteilhaft: An scharfen Außenkanten kann sich zu viel Material bis zu Grat- oder Knospenbildung abscheiden, an scharfen Innenwinkeln zu wenig oder gar keines. Eine durchgehende V-Naht ist besser als Überlappungsstöße oder punktgeschweißte Verbindungen, da Flüssigkeiten sonst durch Kapillarwirkung in Spalten bleiben und die Schicht beim Trocknen zerstören können.

Bei nahezu geschlossenen Werkstücken mit zu kleinen Öffnungen wirkt der Faradaysche Käfig: Im Inneren entsteht kein elektrisches Feld, dort laufen nur chemische Prozesse. Die Eindringtiefe entspricht normalerweise ungefähr der Öffnung; bei einem Rohr mit 2 cm Innendurchmesser wird bis etwa 2 cm Tiefe beschichtet. Auch die Werkstoffwahl ist wichtig: Kohlenstoffreiche Stähle können die Haftung verschlechtern, hochfeste Stähle können verspröden. Verschiedene Werkstoffe an einem Bauteil können wegen gegensätzlicher Anforderungen der Vorbehandlung problematisch sein.

Schichteigenschaften und besondere Anwendungen

Glanz ist besonders bei dekorativen Schichten wichtig, lässt sich aber nicht einfach aus physikalischen Messgrößen wie dem Reflexionsgrad ableiten, weil der menschliche Eindruck abweichen kann. Glanzbildner sind zugesetzte Stoffe, die hohen Glanz fördern. Dabei kann hoher Glanz andere Eigenschaften der Schicht verändern, zum Beispiel elektrische Leitfähigkeit, Härte oder Lötfähigkeit.

Eine rauhe Oberfläche kann durch Einebnung geglättet werden; der fachlich genauere Ausdruck ist Mikrostreufähigkeit. Man unterscheidet geometrische Einebnung, die von der Form der Unebenheit abhängt, von echter Einebnung. Bei echter Einebnung wird in den tieferen „Tälern“ mehr Material abgeschieden als auf den erhöhten „Bergen“. Additive, sogenannte Einebner, können dies verbessern. Nachbehandlungen, besonders bei verzinkten Waren, sind Konversionsschichten durch Phosphatierung oder Chromatieren sowie Lackierungen.

Bei der Bandgalvanik wird ein Metallband kontinuierlich durch alle Bäder gezogen, entweder als Vollband oder mit ausgestanzten, noch zusammenhängenden Teilen. Vorteile sind geringe Schwankungen der Schichtdicke, kein einzelnes Kontaktieren oder Einhängen der Teile und bei unlöslichen Anoden eine schnelle, hochwertige Beschichtung, etwa über 1 µm/s bei Silber. Abdeckriemen ermöglichen die Selektiv-Beschichtung einzelner Streifen und sparen Beschichtungsmaterial. Das Verfahren wird unter anderem für elektrische Kontakte und Halbleiter-Kontakt-Unterlagen verwendet.

In der Zahntechnik entstehen selbsttragende Goldgerüste, die mit Keramik verblendet werden. Beim Auro-Galvano-Crown-Verfahren (AGC) wird auf mit Silberpulver vorbereiteten Zahnstümpfen eine etwa 200 µm dicke Goldschicht abgeschieden; die Gerüste besitzen 99,99 % Gold. Genannt werden Einzelkronen, Prothesenbasen, Teilkronen, Inlays/Onlays, Teleskopkronen, einzügige Zahnbrücken und Zahnimplantat-Suprastrukturen.

Qualität, Sicherheit und Bedeutung

Qualitätssicherung umfasst die laufende Analyse von Badparametern wie Säure- und Metallgehalt, die Kontrolle von Aussehen und Farbe sowie Schichtdickenmessungen mit Röntgenfluoreszenz, Ultraschall, Wirbelstrom- und Ablöseverfahren. Weitere Prüfungen betreffen Rauheit, Härte, Haftfestigkeit, Duktilität, Poren und Risse sowie Korrosionsbeständigkeit, etwa mit Salzsprühtest, Schwitzwasserklima, Corrodkote-Prüfung und CASS-Test mit Essigsäure-Salzlösung. Elektrolyte können durch Praxisversuche mit der Hull-Zelle oder Vergleichsmessungen mit Haring-Blum-Zelle beziehungsweise Cyclovoltammetrie beurteilt werden.

Wichtige Einflussgrößen sind Stromdichte, pH-Wert, Badtemperatur, Menge der Metallionen, Verschmutzung des Bades, Dauer des Prozesses, Elektrodenabstand, Entfettung und Wasserreinheit. Zum Ansetzen des Bades ist demineralisiertes Wasser nötig. Als Faustregel soll die Anode mindestens die doppelte Oberfläche der Kathode haben.

Dekorative Gold- oder Glanzchromschichten sind oft dünner als 1 µm. Zink oder Nickel als Korrosionsschutz liegen etwa bei 10 µm, Hartchrom oder Nickel für mechanische Funktionen meist bei 100–500 µm. Abwasseraufbereitung, Umweltschutz und der sichere Umgang mit gefährlichen Chemikalien sind zentrale Aufgaben. Gefahrstoffe müssen im Rahmen einer Gefährdungsbeurteilung ermittelt und Schutzmaßnahmen festgelegt werden. Die DGUV Information 213-716 beschreibt Verfahren und Schutzmaßnahmen, um Arbeitsplatzgrenzwerte (AGW) einzuhalten oder bei Stoffen ohne AGW den Stand der Technik anzuwenden.

Für die EU wurden 2005 etwa 18.000 Galvanikanlagen genannt; 2020 lag die Beschäftigtenzahl laut Branchenverband europaweit bei rund 440.000. Für Deutschland wurden 2020 rund 60.000 Beschäftigte und 8,3 Mrd. Euro Umsatz angegeben. Galvanische Schutzschichten sollen Korrosionsschäden und Kosten von 150 Mrd. Euro pro Jahr verhindern.

Abgrenzung und Entwicklung

Die Bezeichnung geht auf Luigi Galvani (1737–1798) und dessen Beobachtungen zum Galvanismus zurück. Alessandro Volta erklärte den Effekt durch unterschiedliche Metalle in Verbindung mit einem Elektrolyten und entwickelte die Voltasäule. Die erste belegte galvanische Vergoldung erfolgte 1805 durch einen Schüler Voltas. 1840 erhielt George Richards Elkington ein Patent für galvanisches Versilbern mit cyanidhaltigen Lösungen. Galvanoplastik diente ab der Mitte des 19. Jahrhunderts auch zur Herstellung lebensgroßer Statuen. Die Vermutung, dass die „Batterie von Bagdad“, auf etwa 2000 v. Chr. datierte Tongefäße, tatsächlich eine Batterie war und Galvanisieren im Altertum ermöglichte, wird heute bezweifelt.

Galvanische Elektrolyte können unter anderem Aluminium, Antimon, Blei, Bronze, Cadmium, Cobalt, Chrom, Eisen, Gold, Kupfer, Messing, Nickel, Palladium, Platin, Rhodium, Silber, Zink und Zinn enthalten. Technisch verwandte Verfahren tragen je nach Substrat oder Beschichtungsmaterial eigene Namen, etwa Gestell- und Trommelgalvanisieren, Verchromen, Versilbern, Leiterplattenherstellung oder Tampongalvanisieren.

Nicht alles, was in Galvanikbetrieben geschieht, ist galvanische Metallabscheidung: Phosphatieren, Chromatieren, Brünieren, stromlose Metallschichten wie Chemisch Nickel, Metallfärben und Eloxieren gehören nicht dazu. Die elektrophoretische Abscheidung beziehungsweise Tauchlackierung nutzt zwar ebenfalls Gleichstrom, erzeugt aber eine nichtmetallische Beschichtung durch die pH-Wert-Änderung bei der Zersetzung von Wasser.