Was ist Galvanisieren? Ein praktischer technischer Leitfaden zu den Prozessparametern beim Galvanisieren

Die Galvanisierung ist ein in der Technik weit verbreitetes chemisches Verfahren. Sie wird manchmal als Veredelungsverfahren betrachtet, das darauf abzielt, ein Bauteil so zu behandeln, dass es bestimmte funktionale Anforderungen erfüllt. Nehmen wir zum Beispiel einen elektrischen Stahlstecker, der in der Automobilfertigung verwendet wird. Ohne Galvanisierung kann der Stecker leicht korrodieren, wenn das Fahrzeug Feuchtigkeit und Verunreinigungen ausgesetzt ist. Ist das Bauteil jedoch galvanisiert, hält es in diesen korrosiven Umgebungen je nach verwendetem Beschichtungsmaterial länger stand. Die Technologie findet auch in der Kosmetikindustrie breite Anwendung. Durch Galvanisieren werden Ohrringe und Halsketten goldfarben und wirken dadurch attraktiver.

Die Effektivität der Galvanisierung hängt nicht nur von der Auswahl des richtigen Galvanisierungsmaterials ab, sondern auch davon, wie die Prozessparameter gesteuert werden. In dieser Erörterung werden verschiedene Parameter der Galvanisierung untersucht, darunter Stromdichte, Beschichtungsdauer, Badchemie, Temperatur, pH-Wert, Durchmischung, Anordnung von Anode und Kathode, Oberflächenvorbereitung und Stromeffizienz. Diese Parameter müssen sorgfältig überwacht werden, um die vorgegebenen Anforderungen an Schichtdicke, Haftfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Härte zu erfüllen. Durch das Verständnis dieser Parameter können Hersteller zudem die gewünschten elektrischen Eigenschaften, das Erscheinungsbild und die Maßhaltigkeit bei akzeptablen Prozessschwankungen erreichen.

Was ist Galvanisieren?

Die Galvanisierung ist ein Fertigungsverfahren, bei dem durch Elektrolyse eine dünne Schicht aus Metallatomen auf ein anderes Material aufgebracht wird. Das aufgebrachte Metall wird als „Abscheidungsmetall“ bezeichnet, während das darunterliegende Material bzw. das Werkstück als „Substratmaterial“ bezeichnet wird.

Zu den Hauptkomponenten einer Galvanisierungsanlage gehören die Kathode (das zu beschichtende Objekt), die Anode (ein Metall, das Ionen für die Beschichtung liefert) und die Elektrolytlösung mit gelösten Ionen, die zusammen eine Elektrolysezelle bilden, deren Betrieb durch präzise elektrische Parameter gesteuert wird. ^[1]. Ein Gleichstromnetzteil liefert die für die Abscheidung erforderliche elektrische Energie. Die Galvanotechnik umfasst zudem ein Prozessleitsystem zur Steuerung der Prozessparameter.

Wie funktioniert der Galvanisierungsprozess?

Der Galvanisierungsprozess verläuft schrittweise und beginnt mit der Prüfung der Teile und endet mit der Endkontrolle nach der Beschichtung. In dieser Erläuterung werden wir die Beschichtung eines Stahlbauteils mit Nickel veranschaulichen.

1. Teileprüfung

Prüfung des Substrats (in unserem Fall Stahl) vor der Beschichtung. Zu den wichtigsten zu beachtenden Aspekten zählen die Zusammensetzung des Grundmetalls, die Oberflächenrauheit, Bearbeitungsspuren und Grate. Weitere zu beachtende Aspekte sind Porosität, Schweißfehler und Maßhaltigkeit. Das Substrat sollte auf vorhandene Oxidschichten überprüft werden, da diese die resultierende Beschichtung beeinträchtigen können. Diese Mängel müssen vor dem Ätzen behoben werden. Der Galvanisierungsprozess verdeckt diese Mängel nicht. Sie werden später am fertigen Bauteil weiterhin sichtbar sein.

2. Oberflächenvorbereitung

Die Vorbereitung des Substrats vor der Abscheidung ist unerlässlich, da ein hoher Reinheitsgrad entscheidend ist, um eine gute Haftung der Beschichtung zu gewährleisten und Defekte zu vermeiden. ^[3]. Auch wenn Stahl mit bloßem Auge sauber erscheint, kann er dennoch Fett, Öle, Fingerabdrücke, Oxide, Staub und Rückstände aus früheren Bearbeitungsschritten enthalten. Diese Verunreinigungen können die Haftung der Nickelschicht auf dem Stahlsubstrat beeinträchtigen. Die Vorbereitung umfasst das Entfetten des Stahlbauteils in einer alkalischen Lösung zur Entfernung von Ölen, das Spülen zur Entfernung von Staub sowie die Säureaktivierung zur Entfernung von Oxiden. In einigen Fällen wird eine Nickelgrundierung aufgetragen. Dabei handelt es sich um eine dünne Nickelschicht, die vor der Abscheidung der Hauptnickelschicht aufgebracht wird. Die Nickelgrundierung verbessert die Haftung am Substrat und sorgt für eine geeignete Ausgangsoberfläche.

3. Hauptgalvanisierung

Beim Galvanisierungsprozess findet ein Elektronentransfer statt. Durch die Anordnung einer Anode und einer Kathode entsteht eine Potentialdifferenz. In unserem Fall wird die Nickelplatte an den Pluspol angeschlossen und bildet so die Anode. Auf der anderen Seite wird das Stahlbauteil an den Minuspol angeschlossen und bildet damit die Kathode. Sowohl die Anode als auch die Kathode werden in einen nickelhaltigen Elektrolyten getaucht. Sobald die Gleichstromversorgung eingeschaltet wird, treibt ein elektrischer Strom Nickelionen in Richtung des Stahlbauteils. Nach der Abscheidung wandeln sich die Nickelionen in Nickelmetall um und bilden eine Schicht. An der Anode gibt das Nickelmetall Elektronen ab und wird zu einem Ion, wie durch die folgende Reaktion beschrieben:;

Ni → Ni²⁺ + 2e⁻

An der Kathode nehmen Nickelionen in der Umgebung des Stahls Elektronen auf und bilden so metallisches Nickel, wie durch die folgende Reaktion beschrieben:;

Ni²⁺ + 2e⁻ → Ni

4. Spülen und Nachbehandlung

In jeder Phase des Galvanisierungsprozesses wird das Bauteil gespült. Nach diesem Elektrolyseprozess dient das Spülen dazu, den Elektrolyten von der Oberfläche zu entfernen. Das Spülen trägt dazu bei, eine Kreuzkontamination zwischen den Bädern zu verhindern. Nach dem Spülen durchläuft das Bauteil eine Nachbehandlung, die unter anderem Versiegelung, Passivierung, Behandlung gegen Anlauffarbenbildung, Schmierung und Trocknung umfassen kann.

Was sind die wichtigsten Parameter beim Galvanisieren?

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten Parameter des Galvanisierungsprozesses zusammen.

Stromdichte

Der Galvanisierungsprozess basiert auf dem Faradayschen Gesetz, das besagt, dass;

m = (M × I × t × η) / (n × F)

Wo m ist die Masse des abgeschiedenen Nickels, M beträgt die Molmasse von Nickel ≈ 58,69 g/mol, I ist der Strom in Ampere und t die Abscheidungszeit in Sekunden. Dies bietet einen quantitativen Rahmen für die Berechnung der während der Elektrolyse abgeschiedenen Metallmasse. ^[2].

Der Galvanisierungsprozess hängt nicht nur von der zugeführten Menge ab. Konstrukteure und Ingenieure berücksichtigen die Stromdichte (J). Dies ist die pro Flächeneinheit zugeführte Strommenge. Die Stromdichte lässt sich wie folgt berechnen:;

J = I / A

Wo A ist die plattierte Fläche.

Auch wenn eine Erhöhung der Stromdichte die Abscheidungsrate steigert, muss eine zu hohe Stromdichte vermieden werden. Dies kann zu Verbrennungen, rauen Ablagerungen, übermäßiger Wasserstoffentwicklung, einem unansehnlichen Erscheinungsbild und erhöhten inneren Spannungen führen.

Die Stromdichte wird häufig in A/dm² (ASD), A/cm² oder A/ft² angegeben.

Beschichtungszeit

Nach dem Faradayschen Gesetz beeinflusst die Galvanisierungszeit die Menge an Metall, die theoretisch direkt abgeschieden werden kann. Das bedeutet, dass bei konstanten anderen Faktoren wie Stromdichte, Elektrolytkonzentration und Substratkomponenten eine Verlängerung der Galvanisierungszeit zu einer Erhöhung der abgeschiedenen Materialmenge (in unserem Fall der Nickel-Schichtdicke) führen kann.

Angenommen, der Prozess wurde so validiert, dass eine bestimmte Stromdichte in etwa eine bekannte Abscheidungsrate ergibt. Die folgende Tabelle zeigt, dass die Schichtdicke mit zunehmender Beschichtungszeit zunimmt.

Die Abscheidungsrate sollte jedoch nicht allein anhand der Galvanisierungszeit bewertet werden. Alle anderen Faktoren, wie sie im Faradayschen Gesetz beschrieben sind, müssen berücksichtigt werden. Eine große Herausforderung bei der Stromsteuerung ist die ungleichmäßige Stromverteilung um das Bauteil herum. Scharfe oder hervorstehende Formmerkmale weisen tendenziell eine höhere lokale Stromdichte auf als vertiefte Bereiche. Dies führt dazu, dass in Bereichen mit hohem Strom dickere Beschichtungen und in Bereichen mit geringerem Strom dünnere Beschichtungen entstehen.

Elektrolyttemperatur und pH-Wert

Die Temperatur ist ein entscheidender Aktivierungsfaktor, der alle chemischen Prozesse in der Galvanotechnik beeinflusst. Sie bestimmt die Badstabilität, das Verhalten der Additive, die Reaktionskinetik und die elektrische Leitfähigkeit. Nehmen wir zum Beispiel MacDermid Alpha. Dieser Prozess wird bei einer empfohlenen durchschnittlichen Galvanisierungstemperatur von 55 °C mit einem Bereich von 50 bis 60 °C betrieben. Dieser Temperaturbereich liegt unter dem des chemischen Vernickelungsverfahrens von Atotech, das bei 74–76 °C betrieben wird.

Temperaturbedingungen stellen keine Einschränkung für den Dauerbetrieb dar. Sie stehen in direktem Zusammenhang mit den pH-Werten. In unserem Fall würde beispielsweise eine Betriebstemperatur von 55 °C bei einem pH-Wert von 3,5 bis 4,5 zu einer maximalen Abscheidung führen. Die Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Verfahrenstechniken zeigen, dass Ingenieure eine spezifische Betriebsumgebung festlegen müssen. Die Temperatur muss streng geregelt werden, um Abweichungen von der Galvanikchemie zu vermeiden.

Auswirkungen des pH-Werts

Der pH-Wert beeinflusst das chemische Gleichgewicht des Elektrolyten. Er wirkt sich auf die Stromeffizienz, die Verfügbarkeit von Metallionen, die Wasserstoffentwicklung, das Verhalten der Additive, die Morphologie der Abscheidung und die Spannung in der Abscheidung aus. Der für das elektrolytische Nickelsystem „MacDermid Alpha“ angegebene durchschnittliche bevorzugte pH-Wert beträgt 4,0, mit einem Bereich von 3,5 bis 4,5. Der pH-Wert darf die empfohlenen Werte weder überschreiten noch unterschreiten. Höhere pH-Werte können zu weniger duktilen Ablagerungen führen. Andererseits können niedrigere pH-Werte die Galvanisierungsleistung verringern.

Wie lässt sich die Galvanisierung in der Produktion steuern?

Die Steuerung des Galvanisierungsprozesses umfasst die Regelung wichtiger Parameter wie die Chemie des Bades (Elektrolyt), den pH-Wert, den Strom und die Beschichtungszeit. Die Badsteuerung umfasst die Regelung der Metallkonzentration. Diese Überwachung stellt sicher, dass ein ausreichender Ionentransfer von der Anode zur Kathode stattfindet. Bei der Steuerung des pH-Werts liegt der Schwerpunkt auf der Additivkonzentration und den Reaktionsnebenprodukten. Ein Steuerungssystem misst den pH-Wert der Reaktanten und der Endprodukte, um ein ausgewogenes Gleichgewicht sicherzustellen. Die elektrische Steuerung erfasst Strom, Spannung und Stromdichte. Die Stromdichte muss innerhalb der empfohlenen Bereiche liegen. Alle diese Maßnahmen sind computergesteuert, und rote Warnsignale sowie Sirenen in der industriellen Anlage weisen auf etwaige Abweichungen hin.

Referenzen

[1] ASTM International. (2024). Normen für die Galvanotechnik: Die Schraube anziehen. ASTM-Nachrichten und technische Einblicke. https://www.astm.org/news/standards-electroplating-turning-screw-mj24

[2] National Institute of Standards and Technology (NIST). (1997). Programm für Spitzentechnologie im Kraftfahrzeugbau. Archiv der technischen Berichte des NIST. https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/Legacy/IR/nistir6079.pdf

[3] ASM International. (o. J.). Galvanische Beschichtungen. ASM Digital Library Handbücher. https://dl.asminternational.org/handbooks/edited-volume/46/chapter-abstract/552799/Electroplated-Coatings?redirectedFrom=PDF