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Galvanische Verkupferung eines Metalls (Me) in einem Kupfersulfatbad

Schema der elektrochemischen Verzinkung

Galvanisieren (ebenfalls: Galvanisierung, Galvanisieren oder Galvanisieren) ist eine Methode, die verwendet Elektrizität ein Objekt mit einer Schicht bedecken Metall.

So kann beispielsweise eine Eisenplatte durch Verzinken mit einer Schicht versehen werden Zink (elektrolytisches Verzinken), Nickel (Vernickelung) oder Chrom (Verchromung) zum See korrosionsbeständig um es schöner zu machen oder zum Leuchten zu bringen.

In der Industrie wird der Begriff Galvanotechnik oder Galvano verwendet. Diese Begriffe beziehen sich auf alle elektrochemischen Beschichtungstechniken, einschließlich der autokatalytischen Prozesse.

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Galvanisieren sehr oft als Synonym für as verwendet galvanisieren. Das Verzinken kann jedoch mit zwei völlig unterschiedlichen Verfahren erfolgen, elektrolytisches Verzinken und Feuerverzinkung. Letzteres ist eigentlich gar kein Galvanisieren, da es keinen elektrischen Strom verwendet.

Der Zweck der Galvanik

Ein feuerverzinkter Gegenstand

Indem Sie ein Metallwerkstück mit einem anderen Metall beschichten, können Sie die Eigenschaften beider Metalle nutzen.

Die Vorteile der Beschichtung können sein:

• weniger korrosionsempfindlich (z. B. Rost)
• ein schöneres Aussehen (Glanz und Farbe)
• Kratzfestigkeit, die mit der Härte des Materials
• gewünschte elektrische Eigenschaften, wie z. B. Leitfähigkeit.

Die Nachteile der Beschichtung können sein:

• Die dünnen Schichtdicken von ca. 5 bis nur ca. 40 µm (wobei Feuerverzinkung eine Dicke von 50-200 µm);
• Insbesondere das Auftreten der Wirkung der Faradayscher Käfig führt dazu, dass in bestimmten Fällen das Innere eines (offenen) Behälters nicht oder in schlechter Qualität verzinkt ist;
• Leider ist die Verteilung der Stromdichte über das Produkt nicht gleichmäßig. Das bedeutet, dass die Schichtdicke an bestimmten Stellen (Außen/überstehende Teile) höher und an bestimmten Stellen (Innenecken/Innen) geringer ist. Der Strom sucht immer den Weg des geringsten Widerstands;
• Werden keine Aufheller verwendet, bildet sich eine Zinkschicht mit pulverförmigem Aussehen, die die Korrosionsbeständigkeit beeinträchtigen kann;
• Beim galvanischen Verzinken entsteht Wasserstoffgas, das insbesondere bei gehärteten Stählen in das Materialgefüge eingebaut werden kann. Dadurch entsteht "Wasserstoffbrüchigkeit";
• Weniger beständig gegen Meerwasser.

Natürlich könnte man das gleiche gute Aussehen oder die gleiche Korrosionsbeständigkeit erreichen, indem man beispielsweise einen Gegenstand aus massivem Nickel oder Chrom herstellt. Allerdings würde das Produkt dann teurer, denn die meisten für Beschichtungen verwendeten Metalle sind um ein Vielfaches teurer als Eisen. Außerdem haben diese Metalle möglicherweise nicht die erforderliche Materialfestigkeit.

Geschichte der Galvanik

Die Begriffe Galvanik und Galvanik sind nach dem italienischen Physiker benannt Luigi Galvanic. Galvani beschrieb im 18. Jahrhundert die elektrischen Phänomene, die die Grundlage für alle elektrischen Prozesse einschließlich der Galvanik bilden.

Auch von Alessandro Volta wichtige Arbeit wird geleistet. Er erfindet die Batterie, die die Galvanotechnik erst möglich macht. Der Begründer der Galvanotechnik ist der Deutsche Moritz Hermann Jacobic (1801-1874). Am Anfang beschäftigt er sich hauptsächlich mit Galvanoplastik, insbesondere das Formen von Münzen durch Galvanisieren. Er schreibt 1838 das erste Galvanobuch, Der Galvanoplastik.

Jetzt^{[(seit wann?]} Das immer noch bekannte Unternehmen WMF (Kaffeemaschinen und Besteck) beginnt 1838 mit der Galvanik im industriellen Maßstab. Sogar komplette Kupfertüren wurden auf diese Weise geformt. 1854 gelingt es Robert Wilhelm Bunsen der erste sein, der Chrom ausfällt. Entwickelt 1867 Siemens das Generatormaschine, dadurch gewinnt die Galvanotechnik an Bedeutung.

1900 wurde erstmals Nickel ausgefällt. Anodisieren (die elektrochemische Oxidation von Aluminium, also keine Ausfällung eines anderen Metalls) von 1910. Galvanische Verchromung wird seit 1924 in großem Umfang kommerziell eingesetzt. Die Entwicklung der Glanzmittel findet zwischen den beiden Weltkriegen statt, was bedeutet, dass die intensives Polieren wird stark reduziert. Kurz nach dem Zweiten Weltkrieg, chemisch Nickel auf den Markt gebracht.

Die in der Galvanik verwendeten Bäder können eine große Umweltbelastung darstellen und unterliegen daher sehr strengen Vorschriften. Viele Galvanikbetriebe verwenden mittlerweile immer umweltfreundlichere Rohstoffe. Der Einsatz von Cyanid, sechswertigem Chrom und hohen Konzentrationen an Entfettungsmitteln sind in vielen modernen Galvanikbetrieben stark reduziert.

Der Betrieb der Galvanik

Das Grundprinzip

Beim Galvanisieren gibt es zwei Methoden:

• Galvanisieren mit einer externen Stromquelle,
• Verzinkung mittels eines Reduktionsmittels, das in der Elektrolyt ist anwesend.

Galvanisierung mit einer externen Stromquelle

Bei dieser Form der Galvanisierung wird der Gegenstand in eine Salzlösung (mit dem Metall als Ion im Salz) getaucht, durch die über eine externe Quelle ein Strom geleitet wird, wodurch der Gegenstand Kathode wird eingesetzt. Dann ein redox Reaktion auf.

Dazu wird wie folgt vorgegangen:

1. EIN Salz- des Metalls, das die Schicht bilden soll, zum Beispiel Zinkchlorid, wird in einem Behälter mit Wasser aufgelöst. Das bedeutet, dass das Salz zerfällt in Ionen. Zum Beispiel Zinkchlorid (${displaystyle {ce{ZnCl2}}}$) Formen ${displaystyle {ce {Zn^2 }}}$-Kationen und ${displaystyle {ce{Cl-}}}$-Anionen.
2. Das zu beschichtende Objekt wird an den Minuspol einer Stromquelle (das 'Minus') und die Kathode erwähnt. Somit schickt die externe Stromquelle zusätzliche Elektronen zu diesem Pol.
3. Ein weiterer Metallgegenstand wird mit dem Pluspol (dem 'Plus') verbunden und wird zum Anode erwähnt.
4. Beide Objekte werden in die Flüssigkeit eingetaucht, woraufhin ein Strom zu fließen beginnt.
5. Da der mit einer Metallschicht zu versehende Gegenstand eine Kathode ist, werden die Metallionen zum Metall reduziert. Diese Metallionen sind nach ihrer Wertigkeit, jedes einzelne oder mehrere der von der Stromquelle bereitgestellten Elektronen und scheiden das Metall auf dem Objekt ab.

Im Beispiel mit Zinkchlorid läuft folgende Halbreaktion ab:

${displaystyle {ce {Zn^2 2.- -> Zn}}}$

Tatsächlich passiert hier genau das Gegenteil wie in a Batterie oder Batterie.

Galvanisierung ohne externe Stromquelle

Es ist nicht erforderlich, einen Strom durchzuleiten. Es gibt auch sogenannte stromlose Verfahren, bei denen ein Reduktionsmittel im Elektrolyten vorhanden ist. Dies wird hauptsächlich bei der Nickelabscheidung verwendet. Aber auch bei der Trennung von Metallen wie Silber, Gold und Kupfer. Diese sind autokatalytisch Prozesse; das abgetrennte Metall selbst ist der Katalysator für den Reduktionsprozess. Ein Beispiel für dieses Verfahren ist das sogenannte "Chemical Nickel".

Praktische Aspekte

Durch das gelöste Salz leitet die Flüssigkeit, in der die Galvanisierung durchgeführt wird, den Strom. Manchmal wird zum Beispiel zusätzlicher Elektrolyt zur Leitung hinzugefügt Schwefelsäure zu einer Kupfersulfatlösung. Dies ergibt eine bessere Verteilung des Metalls Kupfer über die Kathodenoberfläche. Bei der Vernickelung man tut dies nicht, weil für die Metallabscheidung eine viel größere Überspannung erforderlich ist und dies die gleichmäßige Stromverteilung über die Kathodenoberfläche fördert.

Das auf dem Werkstück abzuscheidende Metall kann in Form von Kationen, beispielsweise Nickelionen, als Anionen, beispielsweise Chromationen und Kupfercyanidionen vorliegen.

In der Industrie läuft der Prozess ungefähr so ​​ab:

1. Wichtig ist eine gute Vorbehandlung des zu beschichtenden Metalls: mit einem alkalischen Produkt waschen
2. Anschließend Aktivierung der Oberfläche durch Eintauchen in eine saure Lösung
3. Anschließend eine Kupferschicht auftragen, um anschließend eine bessere Haftung des Nickels zu erhalten: zunächst durch Elektrolyse in a Kupfer(I)cyanidLösung (CuCN), danach in a Kupfer(II)sulfatLösung (CuSO₄)
4. Endgültiges Auftragen einer Nickelschicht Via Nickel(II)-chlorid- und Nickel(II)sulfatLösung (NiCl₂ und NiSO₄)

Wichtige Aspekte sind hier:

• Die Verwendung von Zusatzstoffen: Geben Duktilität, Glanz und gleichmäßigere Deckkraft.
• In bestimmten Bädern wird die Temperatur auf etwa 60 Grad Celsius gehalten.
• Das Einrühren der Lösung beschleunigt den Prozess, entweder durch Einblasen von Luft oder durch physisches Bewegen der Kathode.
• Die Bäder müssen ständig gefiltert werden.

Verschiedene Materialien

Grundsätzlich ist es möglich, alle Metalle aus einer wässrigen Lösung ihres Salzes auszufällen. Teilweise sind die Prozessparameter jedoch so extrem, dass sich aus wirtschaftlichen Gründen (noch) keine kommerziellen Prozesse gebildet haben. Die folgenden Metalle werden häufig verwendet:

• Zink und Zinklegierungen
• Nickel
• Chrom
• Kupfer
• Zinn

Zink und Zinklegierungen

Zink ist wahrscheinlich das am stärksten ausgefällte Metall. Zink kann aus starken sauer (Schwefelsäure), schwach sauer/neutral (Kaliumchlorid/Borsäure), alkalisch (Ätznatron und Kaliumhydroxid) und Cyanid (Kalium und Natriumcyanid) Lösungen. Letzteres verschwindet rasch und wird meist durch alkalische Zinkbäder ersetzt. Die Zinkschichten werden in Kombination mit den sogenannten Konversionsschichten verwendet. Diese chemisch aufgebrachten Schichten schützen die Zinkschicht vor ersten Korrosionserscheinungen, dem sogenannten „Weißrost“. Diese Schichten bestehen unter anderem aus chromhaltigen Verbindungen, Zirkoniumverbindungen oder silikatische Verbindungen.

Insbesondere die sechswertigen chromhaltigen Verbindungen (die heute^{[(seit wann?]} unter Druck) geben den Zinkschichten seit jeher ihre Farbe. Bekannt ist beispielsweise eine Blau-, Gelb-, Grün- und Schwarzpassivierung. Diese Farben verleihen der Galvanisierung auch eine dekorative Bedeutung.

Zinklegierungen wurden auf der Suche nach einer besseren Korrosionsbeständigkeit zu Zinklegierungen, insbesondere im Automobilsektor. Zink-Eisen und Zink-Nickel werden am häufigsten verwendet, aber auch Zink-Kobalt und Zink-Mangan werden verwendet.

Nickel

Nickel ist weit verbreitet und hat eine Reihe von Anwendungsgebieten:

• dekorativ und als Unterlage für Chrom,
• technisch als Schlussbeschichtung, z.B. in chloridhaltiger Umgebung,
• technisch als Unterlage für Hartchrom, Korrosionsschutzfunktion im maritimen Umfeld.

Aus galvanotechnischer Sicht wird Nickel auf zwei Arten verwendet, elektrolytisch und autokatalytisch (chemisches Nickel). Elektrolytisches Nickel wird hauptsächlich im dekorativen Markt verwendet, zusätzlich unter Hartchrom mit korrosionsschützender Bedeutung.

Chemisches Nickel wird in einem autokatalytischen Prozess ohne Strom abgeschieden. Das Bad enthält ein Reduktionsmittel, das die erforderliche Energie für die Nickelabscheidung auf dem Produkt liefert. Tatsächlich ist chemisches Nickel eine Nickel-Phosphor-Legierung. Je nach Phosphorgehalt spricht man von niedrigem (3-5%), mittlerem (5-10%) und hohem (10-12%) Phosphor Diese drei Typen haben jeweils ihre spezifischen Eigenschaften. Schicht P ist hart (ohne thermische Nachbehandlung) und weist magnetische Eigenschaften auf. Mittleres P wird am häufigsten verwendet, hat vernünftige Korrosionsschutzeigenschaften und kann mit einer thermischen Nachbehandlung auf etwa 850 °C ausgehärtet werdenHV. High P hat gute Korrosionsschutzeigenschaften und ist auch härtbar. Ein großer Vorteil der chemischen Nickelverfahren ist ihre sehr gute Schichtdickenverteilung. Im Gegensatz zu Chrom ist die Nickelschicht dicht und bietet daher einen guten Korrosionsschutz. Am besten vor dem Tragen eine Chromschicht darüber auftragen. Grundsätzlich läuft der chemische Prozess überall gleich schnell ab, bei einem elektrolytischen Prozess läuft der Prozess unter dem Einfluss von Abschirmungen oder unterschiedlichen Kathoden-Anoden-Abständen nicht überall gleich schnell ab. Daneben kommen eine Reihe von NiP-Legierungen zum Einsatz (ternäre Legierungen), wie beispielsweise Nickel-Phosphor-Kobalt (extrem gute Verschleißfestigkeit) und Nickel-Phosphor-Zinn (sehr gute Korrosionsbeständigkeit).

Die elektrolytischen Nickelprozesse basieren hauptsächlich auf einem uralten Rezept, dem sogenannten Wattnickel. Hauptbestandteile sind hier Nickelsulfat, Nickelchlorid und Borsäure. Um Glanz zu erhalten, werden organische Zusätze hinzugefügt. Daneben werden auch Nickelsulfamat-Verfahren eingesetzt, vor allem in technischen Anwendungen wie dem Galvanisieren von ua Düsen von Tintenstrahldruckern oder Düsen für medizinische Zwecke.

Es gibt eine Reihe von Nickellegierungen, die eine kommerzielle Anwendung haben. Nickel-Zinn und Nickel-Kobalt (dekorativ), Nickel-Palladium (Elektronik), Nickel-Phosphor-Elektrolyt (Elektronik), Nickel-Wolfram (verschiedene). Es gibt auch sogenannte Schwarznickelbäder, aus denen eine schwarze bis anthrazitfarbene Schicht gewonnen werden kann. Dies betrifft häufig Bäder mit Zink- oder Kupferzusatz.

Chrom

Chrom ist das bekannteste der ausgefällten Metalle. Es wird beispielsweise im Sanitärmarkt, in der Automobilindustrie, bei Fahrrädern, Motorrädern und dergleichen verwendet Tiefdruck. Es wird häufig verwendet, um Metall oder Kunststoff ein schöneres Aussehen zu verleihen. Chrom selbst hat keine Hochglanzeigenschaften, der Glanz kommt vom darunterliegenden Nickel. Chrom kann poliert werden. Wird die Chromschicht zu dick auf das glänzende Nickel aufgetragen, entsteht eine mausgraue Schicht. Für ein schönes Aussehen reicht eine Chromschicht von ca. 0,5 µm. Chrombäder gehören von der Zusammensetzung her zu den einfachsten Bädern, sie bestehen größtenteils aus Chromsäure, zusätzlich werden Zusätze von Schwefelsäure (Katalysator im Verfahren) zugegeben. Als Sekundärkatalysatoren können Fluoridverbindungen oder organische Verbindungen zugesetzt werden. Das Chrombad entzieht der vorhandenen Chromsäure das Chrom, die Anoden bestehen aus Blei, diese liefern nur die notwendigen Elektronen.

Es wird zwischen Dekor- und Hartchrom unterschieden, dies betrifft hauptsächlich die abgeschiedene Schichtdicke. Chemisch sind beide Bäder nahezu identisch. Hartchromschichten können bis 1 mm abgeschieden werden, in der Regel werden 20-100 m abgeschieden. Es wird wegen seiner hohen Härte und Verschleißfestigkeit eingesetzt. Nachteilig ist jedoch, dass die Schicht porös ist und daher insbesondere Chlorionen das Grundmaterial durch die Schicht hindurch angreifen können. Für diese Anwendungen ist es daher besser, unter der Chromschicht eine Nickelschicht aufzubringen. Die Härte des Chroms kann von 850-1200 . variierenHV abhängig vom gewählten Verfahren (lesen Sie Sekundärkatalysator). Anwendungsgebiete sind Motorentechnik, Hydraulik, Formenbau etc.

Heutzutage^{[(seit wann?]} Im Zusammenhang mit der ständig aufflammenden Diskussion um krebserregendes Chrom 6 werden auch dreiwertige Chrombäder verwendet.

Einige Bäder aus Chromlegierungen sind ebenfalls bekannt, diese haben jedoch keine kommerzielle Bedeutung. Dies betrifft Chrom/Molybdän (bessere Trockenlaufeigenschaften und erhöhte Beständigkeit gegen Chloride) und Chrom/Wolfram (bessere Korrosionsschutzeigenschaften). Es gibt auch eine schwarze Chrombadewanne. Durch die Zugabe von Salzen entsteht eine schwarze, etwas pudrige Chromschicht, die oft in ein spezielles Öl eingelegt wird und eine tiefschwarze Farbe haben kann.

Kupfer

Kupfer war eines der ersten Metalle, das ausgefällt wurde. Heutzutage^{[(seit wann?]} findet man die Hauptanwendung in der Leiterplattenproduktion und Tiefdruckindustrie. Kupferbäder werden sowohl sauer (Schwefelsäure) als auch cyanidisch verwendet, daneben gibt es Pyrophosphat- und Fluorborat-Rezepturen. Alkalische Kupferbäder wurden entwickelt, haben aber nie eine bedeutende Rolle gespielt.

Die Säurebäder haben aufgrund organischer Zusätze verschiedener Art ausgezeichnete Fülleigenschaften (die Fähigkeit, Kratzer auszufüllen) Diese Eigenschaft wird im dekorativen Markt verwendet. Darüber hinaus wird saures Kupfer in der Leiterplattenindustrie, Offsetindustrie und bei der Restaurierung von Oldtimerteilen verwendet.

Cyanbäder finden auch dort Anwendung, wo Grundstoffe schwer zu behandeln sind (wie z.B.: Zinklegierung). Es wird hier als eine Art Klebeschicht verwendet. Es stellt sicher, dass weitere Behandlungen das Grundmaterial nicht angreifen und eine ausreichende Haftung der verschiedenen Schichten (meist Nickel und Chrom) besteht. Cyanidisches Kupfer hat eine ausgezeichnete Dispersion, aber keinen wirklichen Glanz und schon gar keine Polsterung.

Kupfer kann auch autokatalytisch gefällt werden; Dieses wird in der Elektronik- und Leiterplattenproduktion eingesetzt.

Auch Kupferlegierungen werden ausgeschieden. Es gibt kommerzielle Rezepturen sowohl für Messing- als auch für Bronzebäder. Sowohl in der Schmuck- als auch in der Bekleidungsindustrie werden im Zusammenhang mit Nickelallergie hauptsächlich Cyanid-, Bronze- und insbesondere Weißbronze als Alternative zu Nickel gesehen.

Zinn

Zinn hat viele Anwendungen in einem sehr großen Maßstab. Als Zinndeckel in der Lebensmittelindustrie und als eine der vielen Zinnlegierungen in der Elektronik- oder Leiterplattenindustrie.

Zinnbäder gibt es auch in verschiedenen Arten. Saure Bäder auf Basis von Schwefelsäure, Methansulfonsäure und Polysulfonsäure sind bekannt, daneben werden Rezepturen auf Basis von Tetrafluoroborat verwendet und es gibt alkalische Verfahren (die Stannatbäder).

Mit der Notwendigkeit, bleifreie "Lötschichten" herzustellen, ist eine Vielzahl von Zinnlegierungsbädern entstanden. Man kann an Silber, Kupfer, Antimon und so weiter denken.

Kobalt- oder nickelhaltige Legierungen haben eine dekorative Anwendung und werden als Chromersatz bezeichnet. Kobalt gibt eine anthrazitartige Verfärbung, Nickel eine rosa Farbe (halten Sie einfach ein weißes Papier hinter einen Chromheizkörper für das Badezimmer).

Zinn kann auch durch Austausch ausgefällt werden. Durch das Auflösen von Substratmetall (zB Kupfer oder Aluminium) werden Elektronen freigesetzt, die dazu dienen, Zinnionen zu metallischem Zinn zu neutralisieren. Diese Technologie wird hauptsächlich in der Elektronik eingesetzt, insbesondere wegen der (angeblichen) Effizienz und des geringen Anschaffungspreises. Allerdings haben technische Nachteile die Technik mittlerweile wieder in den Hintergrund gedrängt.

Cadmium

Wenn Cadmium durch Elektrolyse ausgefällt wird, heißt es Cadmie. Cadmium korrodiert nicht in Kontakt mit Luft und verhält sich sehr gut in Meeresumgebungen. Cadmation wird hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt, um die Bauteilnieten vor Korrosion zu schützen.

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