Andreas Möbius

Wir nehmen unsere Umgebung zum überwiegenden Teil über Oberflächen wahr. Das sind Form, die Farbe, Größe und Strukturen, die wir visuell erkennen. Wir ertasten, erfühlen Gegenstände und ermitteln so die Beschaffenheit der Oberflächen. Ein Gegenstand kann sich warm oder kalt, rau oder glatt, metallisch oder nichtmetallisch anfühlen. Das wird allgemein als Haptik bezeichnet. In der Produktvielfalt spielt die Differenzierung über das Design und damit über Oberflächen im Wettbewerb eine immer größere Rolle. Wir bevorzugen schöne, metallisch edle Oberflächen am Automobil, an Haushaltsgegenständen, Bad, Möbeln, Schreibwaren und natürlich in allen Bereichen der Schmuckindustrie. Eine Vielzahl dieser Oberflächen ist galvanotechnisch veredelt.

Abbildung 1: Galvanisch perlglanzvernickelte Badarmaturen (links) und mit anschließender PVD Beschichtung (rechts)

Kein Radio, CD-DVD Player/Recorder, Fernseher, Mobiltelefon, keine Digitalkamera, kein Computer und viele einfache Dinge des täglichen Lebens wie Uhren, Küchenmaschinen, Laserpointer funktionieren ohne galvanotechnisch erzeugte Leiterbahnen. Galvanisch abgeschiedene Schichten, Kontakte und eine Vielzahl funktioneller Einheiten bis hin zu den Interconnects auf dem Chip selbst gewährleisten, dass das System als Ganzes seine vorbestimmte Aufgabe erfüllt.

Abbildung 2: Galvanisch erzeugte flexible Leiterbahnstrukturen (links), Chipkontaktierungen (Mitte), RFID Tag (rechts)

In Maschinen und Bauteilen für die gesamte Industrie treffen Werkstoffe aufeinander, die sich reibend aufeinander bewegen. Das sind Gleit- und Kugellager, Führungen, Zahnräder in Getrieben, Kolben, die sich in Zylindern bewegen (Hydraulik und Pneumatik) und viele andere Paarungen von Werkstoffen. Für diese Art der Beanspruchung werden harte und verschleißfeste Schichten gefordert, die oft auch noch einen definierten Reibwert aufweisen müssen.
Millionen Tonnen an korrosionsfest beschichteten sogenannten Befestigungselementen (Schrauben, Muttern, Bolzen, Winkel, Scharniere, Knöpfe, Sicherungselemente, Riegel u.a.) werden jährlich durch galvanische Verfahren mit Zink und Zinklegierungen veredelt und mit zusätzlichen Passivierungen und Versiegelungen versehen.

Abbildung 3: Beschichtete Getriebezahnräder (links) und Ventil (rechts)

Man sieht, dass ohne Oberflächentechnik im weitesten Sinn und ohne Galvanotechnik im Speziellen, unsere technisierte Welt nicht denkbar wäre. Dennoch ist es weiten Teilen der Bevölkerung weder bewusst, dass in fast allen Produkten, mit denen wir täglich umgehen, galvanotechnisch erzeugte Schichten (dekorativ und funktionell) enthalten sind, noch wo und wie diese Schichten herstellt werden.

Metalle können einfach und preiswert aus ihren wässrigen Lösungen, in denen sie zumeist als positiv geladene Kationen (Es gibt auch Komplexverbindungen von Metallen, die negativ geladen sind), durch den Einfluss von elektrischem Strom auf dem Werkstück abgeschieden werden. Bedingung ist, dass das Werkstück selbst elektrisch leitend ist. Die Werkstücke werden auf einen Werkstückträger (Gestell) aufgesteckt und kontaktiert. Da das Werkstück als Katode (negativer Pol) geschaltet ist, läuft z.B. in sauren Zinkelektrolyten folgende Reaktion ab:

Zn²⁺ + 2 e^-  →  Zn

Am notwendigen Gegenpol, der Anode, wird Zink anodisch aufgelöst, so dass die Konzentration von Zink im Elektrolyten konstant bleibt.

Zn  →  Zn²⁺ + 2 e^-

Einige Metalle können nicht anodisch aufgelöst werden, da sie passivieren oder ihre Herstellung in Form des Metalls zu teuer ist. Das trifft z.B. für Chrom beides zu. In diesem Fall arbeitet man mit stabilen, inerten Anoden, an denen als Anodenreaktion die Oxidation von Wasser unter Sauerstoffentwicklung abläuft:

2 H₂O  →  4 H⁺ + O₂ + 4 e^-

Geeignete Materialien sind in diesem Fall platiniertes Titan oder Blei, welche unlöslich sind. Die verbrauchten Metallionen müssen dann durch Salze nachdosiert werden.

Kunststoffteile (die nicht leitfähig sind) bedürfen einer speziellen Vorbehandlung. Durch geeignete Beizen werden Mikrostrukuren erzeugt, die die Oberflächenqualität glänzender Teile nicht sichtbar beeinflussen. In diesen Mikrostrukturen werden sehr kleine Palladiumkeime mit wenigen Nanometern Durchmesser eingelagert. Diese Keime können sogenannte "stromlose Verfahren" zur Metallabscheidung starten. Als "stromlos" oder "chemisch" wird ein galvanisches Verfahren dann bezeichnet, wenn hierbei eine Metallabscheidung ohne eine äußeren Spannung und Stromflusses erfolgt. Es werden entweder "stromlos Kupfer" oder "stromlos Nickel" eingesetzt. Die Kunststoffoberfläche wird durch die autokatalytisch abgeschiedene Metallschicht leitfähig und kann mit galvanischen Verfahren verstärkt werden. Anschließend können die Kunststoffteile mit den gewünschten Schichtsystemen genauso wie ein leitfähiges Metallteil galvanisch beschichtet werden. Der Vollständigkeit halber soll erwähnt werden, dass es auch Direktmetallisierungsverfahren für nichtleitende Teile gibt. In diesen wird in einem chemischen Schritt eine leitfähige Schicht erzeugt, so dass dann direkt mit Strom weiter galvanisiert werden kann. Der Einsatz von stromlosen Verfahren ist dabei nicht notwendig, so dass Verfahrensschritte eingespart werden können. Es werden sowohl anorganische als auch organische leitfähige Schichten erzeugt. Zu den organischen Schichten gehören beispielsweise leitfähige Polymere wie Polythiophen.

Bei stromlosen Verfahren werden die zur Reduktion der Metallionen notwendigen Elektronen nicht durch eine äußere Stromquelle geliefert, sondern durch Redoxreaktionen direkt im Elektrolytsystem während der Abscheidung bereitgestellt. Am häufigsten wird zum Verschleiß- und Korrosionsschutz "chemisch Nickel" eingesetzt. Je nach Reduktionsmittel (Hypophosphit oder Aminoboran) werden Nickel/Phospor- oder Nickel/Bor-Legierungen erzeugt. Die komplexe Abscheidungsreaktion läuft nur an einer katalytisch aktiven Oberfläche ab.

Die Teilreaktion der Nickelabscheidung lautet:
NiSO₄ + 3NaH₂PO₂  •  H₂O + 3NaOH  →  Ni + 2H₂ + H₂SO₄ + 3Na₂HPO₃ + 3 H₂O
Die Teilreaktion der Phosphorabscheidung:
3NaH₂PO₂  •  H₂O  →  2P + Na₂HPO₃ + NaOH + 5 H₂O

Das folgende vielleicht etwas ungewöhnliche Reaktionsschema mit Masseangaben gibt den vereinfachten Ablauf wieder:

4,5 g NiSO₄ + 5 g NaH₂PO₂ + 0,6 ml H₂O (MeOH/Me₂CO₃)  →
1 g Ni⁰ + 0,1 g P + 5,4 g Na₂HPO₃ + 1,7g H₂SO₄ + 0,5 l H₂

Abbildung 4: Festplatte

Es wird deutlich, dass elementarer Phosphor in Form einer Nickel/Phosphorlegierung entsteht. Diese Legierung ist die Ursache für den ausgezeichneten Verschleiß- und Korrosionsschutz von chemisch Nickel Schichten. Die Härte und vor allem die Korrosionsbeständigkeit wird durch den Phosphorgehalt bestimmt. Man unterscheidet niedrig (2... 5%), mittel (5...8%) und hochphosphorhaltige (9...12%) chemisch Nickelschichten.
Anders als bei der elektrolytischen Nickelabscheidung wird die Schichtdickenverteilung NICHT von der Geometrie des zu beschichtenden Werkstücks beeinflusst. Das bedeutet, dass selbst kompliziert geformte Teile gleichmäßig beschichtet werden können. Einsatzgebiete sind deshalb: Getriebeteile, Gehäuse, Kupplungsteile, Pumpenteile, Kühlgehäuse für Leistungselektronik, Bauteile in der Medizintechnik und vieles mehr. Hochphosphorhaltige chemisch Nickelschichten sind amorph, korrosionsbeständig und nichtmagnetisch. Sie werden u.a. zur Beschichtung von Festplatten eingesetzt.

Für die Beschichtung von Werkstücken gibt es grundsätzlich zwei anlagentechnische Philosophien: Gestell- und Trommelgalvaniserung. Hochwertige Einzelstücke werden meist auf einem Gestell durch die verschiedenen Galvanisierstufen gefahren (Bild 5 links). Massenteile wie Schrauben können in sogenannten Galvanotrommeln beschichtet (Bild 5 rechts) werden.

Jedem Aktivbad sind in der Regel Spülbäder nachgeschaltet, da man den anhaftenden Elektrolytreste vor der nächsten Verfahrensstufe gründlich entfernen muss. Es gibt nur wenige Bäder, die untereinander kompatibel sind, so dass kein Spülschritt benötigt wird. Die Gestelle mit den Werkstücken werden an einem Transportsystem in Form von Warenträgern und Transportwagen von Station zu Station bzw. von Spüle zu Spüle gefahren, in die Behälter abgesenkt und wieder herausgehoben. Die Tragesysteme für eine oder zwei Galvanotrommeln werden ebenfalls mit einem Transportwagen durch die Anlage bewegt. Große Gestellanlagen können bis zu 3000m² Werkstückfläche pro Tag beschichten. Trommelanlagen vermögen hunderte Tonnen Schrauben pro Tag zu veredeln.

Abbildung 5: Gestellanlage (links), Trommelanlage (rechts)

Bänder, aus denen Kontakte, Stecker oder ähnlich Bauteile gefertigt werden, können in sogenannten Durchzugsanlagen von Rolle zu Rolle beschichtet werden. In dem Fall benötigt man kein weiteres Transportsystem. Nach diesem Schema sind auch große Bandverzinkungsanlagen zur beidseitigen Verzinkung von Stahlblechen für die Automobilindustrie gebaut.

Müssen kleine Teile maßgerecht oder nur partiell beschichtet werden, greift man meist auf speziell für die Teile konzipierte Beschichtungsautomaten zurück, die vollkommen gekapselt in einer Produktionshalle stehen können. Dieser Typ von Anlagen wird in der Zukunft an Bedeutung gewinnen. Diese Einzelreaktoren ermöglichen eine weit höhere Abscheidegeschwindigkeit - sprich Stromstärke pro Teil oder Fläche - im Vergleich zu konventionellen Anlagen. Der dazu notwendige schnelle Stofftransport wird durch gezielte Konvektion mittels hohen Strömungsgeschwindigkeiten erreicht.

Galvanisch erzeugte Oberflächen werden sehr oft noch durch weitere chemische oder physikalische Verfahren wie Tempern, Härten, Laserhärten, PVD oder CVD weiter veredelt, um spezielle Eigenschaften wie Korrosionsfestigkeit, Härte, Struktur, definierte Legierungszusammensetzung oder Farbe zu erzielen. Das Lackieren oder Aufbringen eines Anlaufschutzes ist vor allem bei dekorativen Überzüge üblich.

Zu guter Letzt findet man in galvanotechnischen Anlagen pH-Messgeräte, ionensensitive Elektroden, Einrichtungen zur Potentialmessungen, Potentiostaten zum anodischen Schutz von Edelstahlwannen für chemisch Nickel und in den Laboratorien zur Produktionskontrolle eine Vielzahl elektrochemischer Analysenmethoden. Zu nennen sind hier insbesondere die Zyklovoltammetrie, Einschaltmessungen unter Aufprägen eines Potentials und Registrieren der Stromantwort und die polarografische Bestimmung von Metallen in sehr niedriger Konzentration.

Klassische elektrochemische Grundlagen und Verfahren sind die Basis für einen Industriezweig, der als Querschnittsdisziplin fast alle Bereiche des modernen Lebens tangiert und dieses überhaupt erst ermöglicht. Die Bedeutung dieser Branche wird weiter zunehmen, da neue Einsatzgebiete wie die Beschichtung von Bauteilen für Brennstoffzellen, die galvanische Erzeugung von Dünnschichtsolarzellen, weitere Beiträge zu mikro- und nanoelektronischen Anwendungen und generell neue dekorative und funktionelle Schichten im Entwicklungstadium sind.
Gesucht werden dringend Fachkräfte in der galvanotechnischen Produktion. Es werden zur Zeit zu wenig Facharbeiter und Ingenieure in diesem interessanten Feld ausgebildet. Die galvanotechnische Industrie hat sich grundlegend gewandelt. Sie ist sauber, umweltbewusst und innovativ geworden.