Beschichten Das Potenzial der Galvanotechnik für neue Konstruktionen (Teil 2)

Die Galvanotechnik, bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Realisierung neuer Konstruktionsideen. Der erste Teil des Beitrages schilderte die Grundlagen der Galvanotechnik und zeigte die konstruktiven Voraussetzungen auf. Der zweite Teil erläutert nun die galvanischen Standardverfahren und deren Einsatzgebiete.

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Während man metallische Grundwerkstoffe auf Grund ihrer Leitfähigkeit direkt galvanisch beschichten kann, sind bei nichtleitenden Oberflächen wie Keramik, Kunststoffe etc. spezielle Vorbehandlungsschritte erforderlich. Sie bestehen in der Regel aus einem Beizvorgang, um die nötige Aufrauhung für eine gute Haftung der später aufzubringenden metallischen Schicht zu gewährleisten. Es folgt dann eine Behandlung mit einer dem Grundwerkstoff angepassten Lösung, die zu einer auf chemischer Reaktion ohne Fremdstrom basierenden dünnen Metallbeschichtung führt, die danach galvanisch verstärkt wird. Lediglich bei der Beschichtung von Aluminium oder Magnesium und ihren Legierungen muss der galvanischen Abscheidung auch ein Beizvorgang vorausgehen, um die natürlich gebildete Oxidschicht zu entfernen.

Beschichtungswerkstoffe und ihre Anwendungsgebiete

Die Palette der Beschichtungswerkstoffe umfasst nahezu sämtliche in der heutigen Technik verwendeten Metalle (Tab. 1): Zink gilt, insbesondere in Verbindung mit einer chemischen, passivierenden Nachbehandlung als klassische Beschichtung für den nachhaltigen Korrosionsschutz. Für dekorative Schichten mit gleichzeitigem Korrosionsschutz, wie sie im Automobilbau erforderlich sind, werden Dreifach-Schichten aus Kupfer, Nickel und Chrom abgeschieden. Zinnschichten sind vor allem im Elektrik/Elektronik-Bereich gefragt, wo nachfolgend gelötet werden muss. Cadmium als besonders guter Korrosionsschutz ist heute wegen seiner toxischen Eigenschaften nur noch beim Flugzeugbau und beim Militär gestattet.

Im dekorativen Bereich und in der Elektrik/Elektronik ist die Abscheidung von Edelmetallen wie Silber, Gold, Rhodium oder Palladium als elektrischer Kontaktwerkstoff bedeutsam. Die üblichen Schichtdicken liegen in Summe zwischen ca. 5 und 20 µm, bei den Edelmetallen niedriger, teilweise < 1 µm. Hinzu kommen Legierungsschichten aus Messing und Bronze. Für die weitreichenden Korrosionsschutzforderungen in der Automobilindustrie haben neue Entwicklungen zu Zink-Eisen oder Zink-Nickel- Legierungen geführt, die in Verbindung mit einer passivierenden Nachbehandlung oder lackähnlicher Zusatzschicht einen sehr hohen Korrosionsschutz auch bei thermischer Belastung aufweisen.

Galvanische Standardverfahren

Durch Brünieren, einer Behandlung in heißer alkalischer Lösung und anschließendem Ölen, lassen sich Eisenoberflächen dekorativ verändern. Durch chemische, ohne Fremdstrom erfolgende, Phosphatierung werden seit Jahrzehnten aus phosphorsauren Lösungen auf der Oberfläche von Eisen- und Zink-Werkstoffen kristalline Schichten erzeugt, die sowohl hervorragend zur Aufnahme von Fetten oder Ölen zwecks Korrosionsschutz als auch zur mechanischen Schmierung dienen. Des weiteren fungieren sie als Haftvermittler vor einer Lackierung.

Eine weitere Oberflächenbehandlung besteht im Passivieren. Hierbei handelt es sich um sehr dünne oxidative Oberflächenveränderungen, die äußerst wirksam sein können. Beispielsweise lässt sich der Korrosionsschutz von Edelstahl durch Beizen und Passivieren in Salpetersäure steigern. Weiterhin werden galvanisch abgeschiedene Zink-Oberflächen durch Chromatieren oder alternative Cr-VI-freie Lösungen nachbehandelt und damit der Korrosionsschutz wesentlich verstärkt.

Zur klassischen Galvanotechnik zählen auch nicht oder wenig leitende Überzüge, die durch chemische Veränderung der Oberfläche des Grundwerkstoffes entstehen. Ein Beispiel ist die Eloxierung von Aluminium. Hierbei wird das Werkstück elektrisch als Anode geschaltet und an der Oberfläche Aluminium oxidiert. Durch Nachbehandlung kann die Eloxal-Oberfläche verschiedenartigst eingefärbt und anschließend in heißem Wasser nachverdichtet werden. Dabei schließt sich die beim Eloxieren entstehende wabenförmigen Struktur unter Einschluss der Farbstoffe und bildet eine sehr verschleiß- und korrosionsfeste nicht leitende Oberfläche.

Durch Galvanoplastik erfolgt die Oberflächenbeschichtung massiv in der Sollschichtstärke des zu produzierenden Bauteils. Nach abgeschlossener Beschichtung wird der die Form bildende Grundwerkstoff chemisch aufgelöst und es verbleibt das fertige Produkt als massives Metallteil mit galvanisch erzeugter Materialstärke im Millimeterbereich zur weiteren mechanischen Bearbeitung. Die Beispiele reichen von kleinen Teilen wie z. B. Federbälgen für elektromechanische Zwecke bis hin zu Skulpturen mit Abmaßen von über 2 m.

Neue Oberflächentechniken und deren Einsatzgebiete

Wachsenden technische Anforderungen haben zu immer kompakteren multifunktionalen Einheiten geführt, mit denen neben der Miniaturisierung auch steigende thermische Belastungen verbunden sind. Diese sowie Forderungen nach Substitution toxischer Materialien haben zur Entwicklung neuer Oberflächensysteme geführt, wie beispielsweise einer Nickel-Phosphor-Schicht. Sie kann mittels Ultra-Präzisionsbearbeitung spanend bearbeitet werden. Insbesondere in der Werkzeugfertigung zur Herstellung optischer Produkte kann dies erhebliche Vorteile ermöglichen. Während schmelzmetallurgisch erzeugte Legierungen von der eutektischen Zusammensetzung bestimmt werden, lassen sich galvanisch auch Legierungen anderer Metallverteilung und damit auch anderer Eigenschaften abscheiden.

Neue Entwicklungen ermöglichen die Abscheidung von so genannten Dispersionsschichten, das sind Beschichtungen, in die Fremdstoffe eingelagert sind, um die Funktionseigenschaften der abgeschiedenen Metallschicht zweckgerichtet zu verbessern. Für elektrische Schaltkontakte zur Übertragung hoher Leistung wurde beispielsweise eine Silberschicht mit eingelagerten Graphitpartikeln entwickelt, die, ohne die Kontakteigenschaften zu beeinträchtigen, eine Art Selbstschmierung bewirkt und damit die Gebrauchsdauer der Kontakte merklich verbessert.

Zur Steigerung der Reibfestigkeit bei der Übertragung möglichst hoher Drehmomente in der Kfz-Technik wurde die Ekagrip®-Beschichtung entwickelt. Dabei handelt es sich um die Mitabscheidung von keramischen Partikeln in einer Nickelschicht, die statt des konventionellen mechanischen Kraftschlusses an der Oberfläche von Kraft-Übertragungswellen eine Art Mikroverzahnung bewirkt und damit bis zu dreifach höhere Übertragungskräfte zulässt (Abb. 1).

Gegenwärtige Entwicklungen zielen auf die Mitabscheidung von nanoskalaren Partikeln, nachdem man entdeckt hat, dass kleinste Partikel dieser Größenordnung teilweise völlig neue Eigenschaften vermitteln.

Die nachträgliche Temperung galvanisch abgeschiedener Schichten ermöglicht weitere gezielte Verbesserungen innerhalb der Oberfläche, ggf. auch unter Legierungsbildung an den Grenzen zwischen den verschiedenen Metallen des Grundwerkstoffs und der galvanischen Schicht oder auch zwischen zwei galvanischen Schichten.

Ein Teil der Metalle lässt sich auch chemisch durch Reduktion, d. h. ohne Fremdstrom aus entsprechenden Lösungen, sehr haftfest abscheiden. Gegenüber galvanischer Beschichtung weisen stromlos abgeschiedene Schichten eine sehr gleichmäßige Dicke auf, auch an exponierten Teile-Partien, da der Einfluss der elektrischen Feldlinien nicht gegeben ist.

Für Anwendungen in der Elektronik läßt sich eine partielle Metallisierung realisieren. Dabei wird einem keramischen Werkstoff nach einer speziellen Vorbehandlung die erforderliche metallische Schicht gezielt aufgetragen (Abb. 2).

In Umkehr des galvanischen Prozesses ist auch der partiell gezielte Abtrag von Grundwerkstoff durch Formteilätzen möglich. Mittels chemischer Behandlung können beispielsweise Siebe oder Metallgitter aus verschiedenen Grundwerkstoffen wie Aluminium, Eisen, Kupfer und anderen hergestellt werden; auch Glas lässt sich auf diesem Weg bearbeiten.

Durch Elektropolieren lassen sich Oberflächen auf elektrolytischem Weg glätten und damit für spezielle Anforderungen in der Vakuumtechnik zubereiten.

Qualitäts-Fragen und Umweltschutz

Die wachsenden Qualitätsansprüche an die Produkte gelten auch für die Beschichtungen. Heute gehören in sämtlichen Oberflächenbetrieben die Kontrolle von Schichtdicke, Härte und Haftfestigkeit zum Standard. Vor Einführung eines neuen Verfahrens werden in umfangreichen Untersuchungsreihen die gewünschten Beschichtungseigenschaften wie Korrosionsschutz, elektrische Leitfähigkeit, Anlaufbeständigkeit oder Lötbarkeit untersucht um entsprechende Gewährleistungen sicherzustellen. Für mechanische oder elektromechanische Aufgaben stehen tribologische Prüfungsverfahren zur Verfügung.

Neben den Prüfungen am Produkt erfolgt eine ständige automatische und/oder manuelle Überwachung der Behandlungsmedien und auf Grund der Analysen die erforderliche Korrektur durch Zugabe der betreffenden Substanzen. Um den Kunden eine möglichst hohe Sicherheit und Gewährleistung für die galvanisierten Teile zu geben, wurden international nach DIN und ISO genormte Qualitätsmanagementsysteme eingeführt. Danach werden die Einrichtungen der Werkstätten, die Qualifikation des Personals einschließlich der ständigen fachlichen Weiterbildungsmaßnahmen sowie die qualitätsbezogene Organisation turnusmäßig von neutralen externen, hierfür offiziell zugelassenen Gremien überprüft.

Die in der Oberflächentechnik eingesetzten Verfahren sind seit Jahrzehnten erprobt. Material und Wasser sparende Verfahren werden durch teilweise direkte Rückführung in den Prozess angewendet. Auch die Abluftaufbereitung z. B. durch Adsorber für Stickoxide oder für organische Lösemittel, die weitestgehend zurückgewonnen werden, sind gängiger Einrichtungsbestandteil.

Durch Stoffstromtrennung können aus den metallhaltigen Schlämmen, die bei der Abwasser-Behandlung entstehenden, die Wertstoffe isoliert und entweder als massives Metall oder als „künstliches Erz“ der Metallindustrie zugeführt werden. Die Kreislauftechnik hat es ermöglicht, den Spülwasserbedarf früherer Jahre auf unter fünf Prozent zu reduzieren und neben der enormen Wassereinsparung gleichzeitig noch einen Qualitätsgewinn durch höhere Wasserreinheit zu erzielen.

*Dipl.-Ing. Peter Winkel ist Fachjournalist für Oberflächentechnik

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