Galvanotechnik

Industrielle Galvanikanlage zur Herstellung von Leiterplatten

Die Galvanotechnik kann in den Produktionsablauf eines metallverarbeitenden Betriebs integriert sein (Betriebsgalvanik) oder aber als Dienstleister, – also durch Fertigung von Auftragsarbeiten (Lohngalvanik) – fungieren. Im weiteren Sinne werden auch Eloxalanlagen und andere (meist stromgetriebene) Verfahren als Galvanik bezeichnet.

Galvanische Anlagen sind in der Regel eine sehr lange Reihe von Wannen, in denen die verschiedenen Prozessschritte nacheinander erfolgen. Moderne Anlagen sind mehr oder weniger vollständig automatisch gesteuert. Sie werden von Oberflächentechnikern bedient. Die frühere Bezeichnung Galvaniseur wurde durch die Berufsbezeichnung Oberflächenbeschichter ersetzt. Es wird zwischen den Verfahren Stückgalvanisierung (Warenträger mit Waren werden getaktet durch einzelne Becken befördert), Massengalvanisierung (Schüttgut in rotierenden Trommeln wird durch unterschiedliche Becken befördert) und Durchlaufgalvanisierung (Permanentes Durchlaufen von Bauteilen durch eine Anlage ohne einzelne Takte) unterschieden.[8]

Die Zahl der Galvanikanlagen in der EU wurde 2005 mit ca. 18.000 angegeben.[9] Die Zahl der Beschäftigten liegt nach Angaben des Branchenverbandes im Jahr 2020 europaweit bei rund 440.000.[10] In der Schweiz sind etwa 80 Galvanikbetriebe im Branchenverband Swissgalvanic organisiert.[11] Nach einer Branchenanalyse aus dem Jahr 2006 arbeiteten zu dieser Zeit in Deutschland in ungefähr 2100 Betrieben etwa 49.000 Menschen in der Galvanotechnik.[12] Zu den Betrieben gehörten etwa 50 Fachlieferanten für Galvanik-Chemikalien, 550 Dienstleistungs-Galvaniken aus dem Bereich Handwerk und 1500 industrielle Lohn- und inhouse-Galvaniken.[12] Der Gesamtumsatz dieser Betriebe in Deutschland wurde damals auf fast 6 Mrd. Euro geschätzt[12], im Jahr 2020 wurde er bei einer Mitarbeiterzahl von rund 60.000 mit 8,3 Mrd. Euro angegeben.[10] Ferner wurde als Schätzwert angegeben, dass die galvanischen Schutzschichten Korrosionsschäden und damit Kosten von 150 Mrd. € pro Jahr verhindern würden.[12][13]

Labortechnisch lassen sich heutzutage alle gängigen Grundwerkstoffe aus Metall sowie die meisten nichtleitenden Polymere (Kunststoffe) und Keramiken beschichten.

Bei der Kunststoffgalvanisierung haben sich großtechnisch nur zwei gängige Verfahren der Polymerbeschichtung etabliert. Direktmetallisieren nach dem sogenannten Futuron-Verfahren, sowie die konventionelle Prozessreihenfolge über die aktivierte stromlose Metallisierung als erste metallische Prozessstufe (Schichtfolge: Vornickel, Glanzkupfer, Glanznickel, Chrom) sind hier speziell im dekorativen Segment anzutreffen. In der Automobilbranche ist man durch hohe Qualitätsmerkmale und Forderungen der Hersteller gezwungen, bis zu vier verschiedene Nickelschichten im Verbund abzuscheiden, um optimale Beständigkeit, Funktion und Aussehen zu erreichen.

Die Qualität eines Werkstückes wird oft anhand des Glanzes bestimmt. Dabei ist der physiologische Eindruck des Glanzes metallischer Schichten nicht ohne weiteres mit physikalischen Messmethoden (Reflexionsgrad o. ä.) bestimmbar. Die Wahrnehmung des Menschen kann von diesen physikalisch bestimmten Größen abweichen. Speziell bei dekorativen Anwendungen ist er von hoher Bedeutung. Für einen hohen Glanz werden in den verschiedenen Verfahren spezielle Glanzbildner eingesetzt. Es muss darauf geachtet werden, dass ein hoher Glanz andere physikalische Eigenschaften (z. B. elektrische Leitfähigkeit, Härte, Lötfähigkeit) einer Schicht verändern kann.

Metallüberzüge können Gegenständen Glanz und ein eindrucksvolles Aussehen verleihen. So kann z. B. Besteck, das aus billigem Metall besteht, mit einem teureren Metall überzogen werden. Um beispielsweise einen Löffel aus Nickel zu versilbern, wird der Löffel zuerst gereinigt und dann mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle verbunden. Der Löffel ist dann also die Kathode. Als Anode dient ein Silberstab. Beide Elektroden werden in eine Silbernitrat-Lösung getaucht. Nach dem Anlegen der Spannung gehen Silberatome durch Abgabe von Elektronen als Silberionen in die Lösung über. Diese Ionen werden von der Kathode angezogen und scheiden sich auf dem Löffel, unter Elektronenaufnahme, ab. So wird der Löffel aus Nickel mit einer dünnen Silberschicht überzogen. Die Reaktionsgleichungen lauten:

Anode: Ag → Ag⁺ + e⁻

Kathode: Ag⁺ + e⁻ → Ag

Ist ein Grundmaterial rau, kann durch die geeignete Auswahl des galvanischen Verfahrens die Oberfläche geebnet werden. Der technisch bessere Ausdruck für Einebnung ist der Begriff Mikrostreufähigkeit. Diese Eigenschaft wird beispielsweise bei Lagern, Walzen oder dekorativen Anwendungen (Glanz) genutzt.

Bei der Einebnung muss zwischen geometrischer Einebnung (Mögliche Einebnung durch Geometrie der Unebenheit) sowie zwischen einer echten Einebnung unterschieden werden. Bei einer echten Einebnung wird in tieferen Stellen „Tälern“ mehr Material als an den erhobenen Stellen „Bergen“ abgeschieden. Die Einebnung kann durch die Zugabe von Additiven, den sogenannten „Einebnern“ verbessert werden.[14]

Ein Werkstück konstruiert man galvanogerecht, indem man bestimmte Grundsätze berücksichtigt, welche den geplanten Galvanisierprozess begünstigen und mögliche Probleme vermeiden. Die Notwendigkeit für galvanogerechtes Konstruieren beruht beispielsweise auf der Ausbildung von Feldlinien im elektrischen Feld und einer damit verbundenen unterschiedlich schnellen (inhomogenen) Abscheidung des Materials.

• Durchgangslöcher sind günstiger als Sacklöcher. Letztere können je nach Durchmesser und Tiefe das Eindringen und Auslaufen der Prozessflüssigkeiten erschweren oder verhindern (Luftblasen). Verspätetes Austreten von Flüssigkeiten aus den Sacklöchern erschwert die Spülprozesse und kann zu nachträglicher Korrosion führen.
• Abgerundete Konturen sind günstiger als scharfkantige Außen- und Innenwinkel: Erhöhte Abscheidung (bis hin zu Grat- oder Knospenbildung) an scharfen Außenkanten. Verminderte oder keine Abscheidung an scharfen Innenwinkeln.
• Eine durchgehende V-Naht ist günstiger als ein Überlappungsstoß oder eine punktgeschweißte Verbindung: Werden zwei Flächen nicht dicht verschweißt, dann werden die Flüssigkeiten mittels Kapillarwirkung im Spalt festgehalten. Die Schicht wird beim Trocknen durch diese Flüssigkeiten wieder zerstört. Dasselbe gilt für Bördelungen und Nietverbindungen.
• Faradayscher Käfig: Bei einem rundherum geschlossenen Werkstück mit zu kleinen Öffnungen kann in dem Werkstück kein elektrisches Feld entstehen. In diesem Bereich wirken nur rein chemische Prozesse. Bei einem elektro-chemischen Verfahren ist die Eindringtiefe normalerweise gleichzusetzen mit der Öffnung, d. h., bei einem Rohr mit einem Innendurchmesser von 2 cm wird eine Beschichtung bis zu der Tiefe von 2 cm in das Rohr erreicht.
• Werkstoffauswahl: Stähle mit hohem Kohlenstoffgehalt können die Haftfähigkeit der Schicht verschlechtern. Bei hochfestem Stahl besteht die Gefahr der Versprödung. Kombinationen verschiedener Werkstoffe an einem Werkstück können zu Problemen führen, z. B. wenn es bei der Vorbehandlung verschiedene Indikationen und eine gegenseitige Kontraindikation gibt.

Konstruktion und Werkstoffauswahl haben sehr großen Einfluss auf einen späteren Galvanisierprozess in Bezug auf mögliche Probleme und Wirtschaftlichkeit. Deshalb sollte bei Neukonstruktionen von Beginn an eine interdisziplinäre Arbeitsweise gewählt werden.

Zu den Nachbehandlungsverfahren, beispielsweise bei verzinkten Waren, kann das Aufbringen einer Konversionsschicht (durch Phosphatierung oder Chromatieren) gehören, sowie eine Lackierung.

Bei der Bandgalvanik wird ein Metallband als Vollband oder mit vorher ausgestanzten, jedoch noch aneinanderhängenden Teilen kontinuierlich durch alle nötigen Bäder gezogen.

Die Vorteile der Bandgalvanik sind:

• die Schichtdicke variiert nur wenig.
• die Teile müssen nicht einzeln kontaktiert oder eingehängt werden.
• mit unlöslichen Anoden ist eine sehr schnelle Beschichtung mit hoher Qualität (z. B. über 1 µm/s bei Silber) möglich
• durch Abdecken mit Riemen ist es möglich, nur einzelne Streifen vom Band zu beschichten (Selektiv-Beschichtung). Dadurch wird weniger Beschichtungsmaterial verbraucht.

Die Bandgalvanik wird unter anderem zur Vergoldung elektrischer Kontakte und zur Beschichtung von Halbleiter-Kontakt-Unterlagen (siehe Chipbonden) verwendet.

Bandgalvanik-Anlagen sind meist weniger gesundheitsschädlich als andere Galvanik-Anlagen, da die Anlagen meist vollständig abgedeckt und mit Luft-Absaugungen versehen sind und keine Handarbeit nötig ist. Dadurch werden giftige Gase und Dämpfe vom umgebenden Raum ferngehalten.

Mit der Galvanotechnik kann in der Zahntechnik Zahnersatz hergestellt werden, der aus dünnen Goldkappen besteht und mit Keramik verblendet wird. Durch den elektrochemischen Prozess werden selbsttragende Metallgerüste aus Gold hergestellt. Beim Auro-Galvano-Crown-Verfahren (AGC) wird im zahntechnischen Laboratorium auf die mit Silberpulver vorbereiteten Zahnstümpfe eine Goldschicht von ca. 200 µm abgeschieden. Die Gerüste haben eine Reinheit von 99,99 % Gold. Die Galvanotechnik eignet sich für die Herstellung von Einzelkronen, Prothesenbasis, keramisch verblendete Teilkronen und Einlagefüllungen (Inlays/Onlays), Teleskopkronen, Zahnbrücken für den Ersatz eines Zahnes und Zahnimplantat-Suprastrukturen.[15]

Das Galvanisieren ist eine Elektrolyse, bei der chemische Vorgänge (Redoxreaktionen; siehe chemische Reaktion) unter Einwirkung von elektrischem Strom ablaufen. Die Metallabscheidung, die beim Galvanisieren abläuft, ist eine Umkehrung der Metallauflösung. Beispielsweise kann man die Vorgänge bei der galvanischen Verzinkung als Umkehrung der Auflösung einer Zinkelektrode betrachten, die in vielen galvanischen Zellen stattfindet, z. B. im Daniell-Element oder in der Zink-Kohle-Zelle.

In der Versuchsanordnung und im realen Betrieb der Elektrolyse legt man eine Gleichspannung an zwei Elektroden an, die dadurch polarisiert werden. Es entstehen Kathode und Anode. Befinden sie sich in einer leitenden Flüssigkeit, fließt Strom. Flüssigkeiten, z. B. Säuren, Laugen oder Wasser mit gelösten Salzen, leiten Strom. Diese Substanzen heißen auch Elektrolyte. Legt man eine Spannung an, bewegen sich die positiven Kationen zur Kathode (daher deren Name) und die negativen Anionen zur Anode. Dabei findet an der Anode eine Oxidation statt. Kationen, die nahe genug an die Kathode gelangen, nehmen von der Kathode Elektronen auf. Sie werden also reduziert und lagern sich als Metall an der Kathode an.

Lösliche Anoden sind nur bei Silber-, Kupfer- oder Nickelbädern üblich. Auch Zinn, Zink, Cadmium (heute verboten) und Legierungsanoden wie Zinn/Blei (Lötzinn) wurden bzw. werden oft verwendet. In das Bad wird der entsprechende Elektrolyt gegeben, bei Silber z. B. Silbercyanid und Kaliumcyanid. Die Anode besteht in diesem Fall aus Feinsilberblech. Während der Elektrolyse überzieht sich die Kathode mit einer reinen Silberschicht, wobei sich die Anode auflöst.

Bei allen löslichen Anoden gibt das Metall (vor allem Kupfer, Silber oder Nickel, im Labor auch Zink oder Gold) Elektronen ab und wird oxidiert. Im Idealfall würden an der Anode gleichviele Ionen (z. B. Ag⁺ beim Silber) in Lösung gehen, wie an der Kathode durch Reduktion verbraucht werden. In diesem Idealfall würde also die Konzentration der Lösung während der Elektrolyse unverändert bleiben, solange das Metall an der Anode noch nicht komplett gelöst ist.

An der Kathode erfolgt wie immer bei der Galvanik die Reduktion der Metallionen zum Metall. Es wird jedoch eine unlösliche Anode, beispielsweise aus Edelstahl, verwendet. Die Kationen, die nach der Reaktion das Metall des Überzugs bilden, befinden sich im Bad, z. B. im Vergoldungsbad als Goldchlorid. Legt man eine Spannung an, wird der Stromkreis durch die Oxidation der Anionen im Elektrolyten geschlossen. Bei Chloridlösungen entsteht dabei Chlor, ansonsten entsteht Sauerstoff. Der Vorgang läuft solange, bis die Konzentration der Metallionen (der Goldionen im Beispiel) im Bad zu klein wird. Daher muss zum Aufrechterhalten des Prozesses immer wieder Metallsalz zugegeben werden.

Die Berechnung der umgesetzten Stoffmengen erfolgt wie bei jeder Elektrolyse mit Hilfe der Gleichung, die aus den Faradayschen Gesetzen folgt und dort angegeben ist. In der Regel muss dabei die Stromausbeute berücksichtigt werden.