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Galvanotechnik Optimale Schichtfunktionen erfordern eine galvanikgerechte Bauteikonstruktion

| Autor / Redakteur: Peter Winkel und Joachim Thürk / Josef-Martin Kraus

Galvanische Verfahren basieren auf elektrochemischen Prozessen in Tauchbädern. Das macht eine galvanikgerechte Konstruktion der zu beschichtenden Bauteile erforderlich, um optimierte Reaktionsabläufe in den einzelnen Behandlungs- und Beschichtungsbädern zu gewährleisten. Die Verfahren ermöglichen aber meist nicht, Oberflächenfehler aus der Bauteilfertigung zu kaschieren. Saubere Oberflächen sind für den Erfolg extrem wichtig.

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Bild 1: Galvanisieren von Einzelteilen an Gestellen. Die Teile sollten Bohrungen zur Aufhängung haben.
Bild 1: Galvanisieren von Einzelteilen an Gestellen. Die Teile sollten Bohrungen zur Aufhängung haben.
( Archiv: Vogel Business Media )

Fast alle Bauteilformen lassen sich galvanisch behandeln. Der Aufwand dazu kann aber erheblich sein und die Vorteile der Behandlung aus wirtschaftlichen Gründen in Frage stellen, falls man nicht bestimmte Kriterien bei der Konstruktion beachtet. Bei der galvanischen Behandlung handelt es sich immer um Tauchvorgänge in Flüssigkeiten. Die Bauteilgestaltung muss daher Schöpf- und Dombildung vermeiden.

Nur so lässt sich ein Flüssigkeitsaustrag und damit eine Verunreinigung nachfolgender Behandlungsmedien sowie die Bildung unbeschichteter Partien durch Luftblasen verhindern. Gegebenenfalls ist bei der Behandlung eine Drehbewegung einzuplanen. Sacklöcher, enge Spalten und Kapillare, in denen ein eingedrungener Elektrolyt nur schwer wieder zu entfernen ist, sind zu vermeiden.

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Die Ausbildung scharfer Kanten und Grate für die spätere Bauteilfunktion sollte so weit wie möglich vermieden werden. Sie lässt sich durch Abschirmen und Hilfselektroden kompensieren, doch erfordert das einen höheren Aufwand. Weil die galvanische Behandlung in flüssigen Medien erfolgt, sollten die Bauteile Bohrungen zum Aufhängen an den Galvanisier-Gestellen haben (Bild 1). Zwar ist es auch möglich, die Teile durch Klemmen zu fixieren, doch entstehen dadurch Fehlstellen in der Beschichtung, die dann konstruktiv an unkritischen Stellen vorzusehen sind.

Kleinteile in rotierenden Galvanisier-Trommeln behandeln

Kleinteile können als Schüttgut in rotierenden Galvanisier-Trommeln behandelt werden (Bild 2). Sie sollten dazu konstruktiv so gestaltet sein, dass sie sich nicht gegenseitig verhaken und während der Trommelrotation verbiegen. Eine weitere, beispielsweise bei der Herstellung von Leadframes für elektronische Bauelemente praktizierte Möglichkeit besteht in der Beschichtung im Coil als durchlaufendes, flaches Teileband, bei dem die Einzelteile erst nach dem Galvanisieren vereinzelt werden. Bei dieser Anwendung ist zu beachten, dass die Oberfläche an der späteren Trennstelle unbeschichtet bleibt.

Eine immer noch vorherrschende, aber falsche Überzeugung in der Industrie rückt die Oberflächenbehandlung meist ans Ende des Produktionsablaufs. Man meint, dass man mit der Beschichtung sämtliche anderen Fertigungsfehler zudecken kann. Jedoch lässt sich ein enormes Rationalisierungspotenzial dadurch erschließen, dass man den Galvanisierprozess an eine für die Oberflächenbehandlung möglichst kostengünstige Position innerhalb der Fertigungskette rückt. Denn abgeschiedene Schichten sind in fast allen Fällen gemeinsam mit dem Grundwerkstoff verformbar.

Wenn bestimmte Kriterien beim Umformwerkzeug und bei der Bauteilkonstruktion beachtet werden, besteht keine Gefahr durch Oberflächenbeschädigung. Konstruktiv be-deutet das für zu verformende Blechteile, dass keine zu engen Biegeradien (>0,5 mm) auftreten dürfen. Selbst Chromschichten zeigten in Versuchen Tiefziehfähigkeit. Ein flaches, gestanztes Blechteil lässt sich ohne Hilfsmittel weit gleichmäßiger beschichten als nach einer späteren Verformung. Auch Prägungen werden von den meisten Oberflächen ohne Beschädigung der Schicht überstanden – bei geeigneten Werkzeugen.

Nicht leitende Oberflächen benötigen eine Vorbehandlung

Bei metallischen und damit elektrisch leitenden Werkstoffen hat das Galvanisieren die längste Tradition. Ziel ist es, den Grundwerkstoff gegen Korrosion zu schützen, um die spätere Bauteilfunktion möglichst lange erfüllen zu können. Übliche Grundwerkstoffe sind Eisen und Stahl, aber auch Gusswerkstoffe, zum Beispiel Zinkdruckguss. Aus Gründen der Gewichtsersparnis werden heute – besonders bei Automobilen – auch Aluminiumlegierungen und Kunststoffe als Substratwerkstoffe verwendet.

Im Gegensatz zu Metall-Grundwerkstoffen, die man aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit direkt galvanisch beschichten kann, sind bei nichtleitenden Substraten wie Keramik und Kunststoff spezielle Vorbehandlungsschritte erforderlich (Bild 3). Sie bestehen in der Regel aus einem Beizvorgang, um die nötige Aufrauhung für eine gute Haftung der später aufzutragenden Metallschicht zu gewährleisten.

Danach folgt eine Behandlung mit einer dem Grundwerkstoff angepassten Lösung, die zu einer auf chemischer Reaktion – ohne Fremdstrom – basierenden dünnen Metallbeschichtung führt. In einem nachfolgenden Prozess wird diese Metallschicht galvanisch verstärkt. Beim Beschichten von Bauteilen aus Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen muss der galvanischen Abscheidung ein Beizvorgang vorausgehen, um die natürlich gebildete Oxidschicht zu entfernen.

Fast alle bekannten Metalle können abgeschieden werden

Die Palette der Schichtwerkstoffe umfasst nahezu alle in der heutigen Technik verwendeten Metalle. So gilt Zink – besonders in Verbindung mit einer chemischen passivierenden Nachbehandlung – als klassische Beschichtung für den nachhaltigen Korrosionsschutz, ohne die beim Feuerverzinken unumgängliche thermische Produktbelastung. Für dekorative Schichten mit gleichzeitigem Korrosionsschutz – wie sie im Automobilbau nötig sind – werden bewährte Dreifach-Schichten aus Kupfer, Nickel und Chrom abgeschieden. Zinnschichten sind vor allem im Elektrik-/Elektronik-Bereich gefragt: dort, wo nachfolgend gelötet werden muss.

Cadmium als sehr guter Korrosionsschutz ist heute wegen toxischer Eigenschaften nur noch im Flugzeugbau und beim Militär gestattet. In der Elektrik/Elektronik sind Edelmetalle wie Silber, Gold, Rhodium oder Palladium als elektrische Kontaktwerkstoffe sehr bedeutsam.

Die üblichen Schichtdicken liegen im Durchschnitt bei 5 bis 20 µm, bei den Edelmetallen niedriger, teilweise unter 1 µm. Hinzu kommen Legierungsschichten aus Messing und Bronze. Für die weitreichenden Korrosionsschutz-Forderungen im Automobilbau haben neue Entwicklungen zu Zink-Eisen- oder Zink-Nickel-Legierungen geführt, die in Verbindung mit einer passivierenden Nachbehandlung oder lackähnlichen Zusatzschicht einen sehr hohen Korrosionsschutz auch bei thermischer Belastung bieten. Solche Legierungsschichten sind zum Beispiel in Motorräumen von Automobilen infolge der immer komplexeren und kompakteren Einbauten nötig.

Hoher Verschleißschutz mit Eloxal-Oberflächen

Zur klassischen Galvanotechnik zählen auch elektrisch nicht oder wenig leitende Überzüge, die durch chemische Veränderung der Substratoberfläche entstehen: so Eloxal-Schichten (anodisch oxidiertes Aluminium). Beim Eloxieren wird der Aluminiumteil elektrisch als Anode geschaltet und an der Oberfläche Aluminium oxidiert. Durch Nachbehandlung kann die Eloxal-Oberfläche verschieden eingefärbt und dann in heißem Wasser nachverdichtet werden. Dabei schließt sich die beim Eloxieren entstehende wabenförmigen Struktur gegebenenfalls unter Einschluss der Farbstoffe und bildet eine sehr verschleiß- und korrosionsfeste nicht leitende Oberfläche.

Eloxal-Oberflächen werden im Bautenbereich für dekorative Zwecke, bei elektrischen Kondensatoren wegen der isolierenden Eigenschaften als auch bei hoher mechanischer Bauteilbeanspruchung als Hard-Eloxal mit Schichtdicken bis zu 50 µm eingesetzt. Dünnere Oxidschichten lassen sich in entsprechenden Lösungen ohne Fremdstrom durch chemisches Oxidieren erreichen. Sie können vielfältige Schichtfunktionen übernehmen – auch die des Haftvermittlers vor dem Lackieren.

Eisenoberflächen lassen sich im Brünierverfahren – einer Oberflächenehandlung in heißer alkalischer Lösung und anschließendes Ölen – dekorativ verändern. Durch chemisch, ohne Fremdstrom erfolgende Phosphatierung werden in phosphorsauren Lösungen auf der Bauteiloberfläche von Eisen- und Zink-Werkstoffen kristalline Schichten erzeugt. Diese Oberflächen eignen sich beispielsweise hervorragend zur Aufnahme von Fetten oder Ölen zwecks Korrosionsschutz oder auch zur mechanischen Schmierung. Sie fungieren aber insbesondere als Haftvermittler für eine nachfolgende Lackierung.

Eine weitere Oberflächenbehandlung besteht im Passivieren. Bei diesem Verfahren kommt es an der Oberfläche zu einer oxidativen Veränderung mit minimaler Tiefe. Diese oxidative, sehr dünne Randschicht kann äußerst wirksam sein. So lässt sich damit der Korrosionsschutz von Edelstahloberflächen durch Beizen und Passivieren in Salpetersäure steigern. Galvanisch abgeschiedene Zinkoberflächen werden dagegen insbesondere durch Chromatieren oder alternative Cr-VI-freie Lösungen nachbehandelt und damit der Korrosionsschutz wesentlich verstärkt.

Nickel-Phophor-Schicht erzeugt polierte Oberfläche

Die wachsenden Anforderungen in der Industrie haben zu kompakten, multifunktionalen Bauteilen geführt, die nicht nur kleiner werden, sondern zum Beispiel im Bereich Motorenelektronik des Automobilbaus einer steigenden thermischen Belastung ausgesetzt sind. Aus wachsenden Erkenntnissen des Gesundheitsschutzes resultierten Forderungen nach Substitution toxischer Elemente wie Cadmium, Blei und sechswertiges Chrom. Sie haben zur Entwicklung neuer Oberflächensysteme geführt, die nicht nur die Umwelt entlasten, sondern auch weiterreichende technische Ansprüche erfüllen können.

Beispielsweise hat der niederländische Beschichter PGE, Eindhoven, eine sehr harte, bis zu 14 % Phosphor enthaltende, galvanisch abscheidbare Nickel-Phosphor-Schicht entwickelt, die optimal zerspanbar ist (Bild 4). Diese NiP-Legierung mit einer Härte von etwa 500 HV lässt sich spanend im Ultra-Präzisionsverfahren bearbeiten. Die dabei erzielte Rautiefe liegt bei 2 bis 4 nm.

Sie entspricht damit einer hochglanzpolierten Oberfläche. Der Vorteil liegt darin, dass speziell sphärische Konfigurationen durch das „Polieren“ nicht verfälscht werden. Insbesondere in der Werkzeugfertigung zur Herstellung optischer Produkte, zum Beispiel Kontaktlinsen, spielt eine extreme, konturtreue Wiedergabe eine wichtige Rolle. Die Bedeutung des Verfahrens dokumentiert sich in der öffentlichen Förderung als F&E durch das BMBF. Im Gegensatz zu schmelzmetallurgisch erzeugten Legierungen, die von der eutektischen Gefügezusammensetzung bestimmt werden, lassen sich galvanisch auch Legierungen anderer Metallverteilung und damit auch anderer Eigenschaften abscheiden.

Dispersionsschichten zur Funktionsverbesserung

Neue Entwicklungen ermöglichen das Abscheiden so genannter 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 zum Beispiel eine Silberschicht mit eingelagerten Graphitpartikeln entwickelt, die – ohne die Kontakteigenschaften zu beeinträchtigen – eine Art von Selbstschmierung bewirkt und damit die Gebrauchsdauer der Kontakte merklich verbessert.

Zur Steigerung der Reibfestigkeit hat das Elektroschmelzwerk Kempten die Schicht Ekagrip entwickelt. Damit werden in Automobilen möglichst hohe Drehmomente übertragen. Grund dafür sind Keramikpartikel, die in eine Nickelschicht eingelagert sind und statt des konventionellen mechanischen Kraftschlusses an der Oberfläche von Kraft-Übertragungswellen eine Art Mikroverzahnung bewirken. Auf diese Weise können bis zu dreifach höhere Übertragungskräfte zugelassen. Gegenwärtige Entwicklungen zielen auf die Einlagerung nanoskalarer Partikel, die teilweise völlig neue Eigenschaften vermitteln.

Ein nachträgliches Tempern galvanisch abgeschiedener Schichten ermöglicht eine weitere Verbesserungen von Oberflächfunktionen – gegebenenfalls auch unter Legierungsbildung an den Grenzen zwischen den verschiedenen Metallen des Grundwerkstoffs und der galvanischen Schicht oder auch zwischen zwei galvanischen Schichten.

Dipl.-Ing. Peter Winkel ist Fachjournalist für Oberflächentechnik und Umweltschutz in Berlin. Dipl.-Ing. Joachim Thürk leitet ein gleichnamiges Ingenieurbüro in 13629 Berlin, Tel. (0 30) 38 30 54 07, Fax (0 30) 3 81 23 02, joachim.thuerk@it-berlin.info

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