Basics der Galvanik

Diese Übersicht umfasst wesentliche Begriffe und Verfahren, die in der Galvanik verwendet werden.

Grundlagen der Galvanik

Galvanik:

Ein elektrochemisches Verfahren zur Abscheidung von Metallschichten auf einem elektrisch leitenden Substrat.
Verwendet eine elektrolytische Zelle, um Metallionen aus einer Lösung auf ein Substrat zu übertragen.

Elektrolyt:

Eine leitfähige Flüssigkeit, die Metallionen enthält, die abgeschieden werden sollen.
Beispiele: Kupfersulfatlösung für Kupferabscheidung, Nickelsulfatlösung für Nickelabscheidung.

Anode:

Die Elektrode, an der die Oxidation stattfindet.
In der Galvanik oft das Metall, das abgeschieden werden soll (z.B. eine Kupferanode für Kupferabscheidung). Eine Ausnahme stellt Chrom dar. Bei Chromelektrolyt (auf Basis des dreiwertigen Chroms) dürfen keine Chromanoden verwendet werden, da hierbei hochgiftiges sechswertiges Chrom (Chrom VI) entstehen kann!
Für den Fall, dass aus dem Elektrolytmaterial keine Anoden verfügbar sein sollten, stellt die Verwendung inerter Anoden wie beispielsweise Platin (platinierte Titananode) oder Graphit eine Option dar.
Graphitanoden haben den Nachteil, dass der Widerstand in der Anode stark ansteigen kann, wodurch diese unbrauchbar wird. Grafitanoden sind zwar sehr universell verwendbar, dennoch raten wir davon ab, da sie sich zwar chemisch nicht lösen, aber durch die Sauerstoffentwicklung an der Anode Partikel in das Bad gelangen und dieses trüben. Im fortschreitenden Prozess werden diese Partikel mit abgeschieden und die erzeugte Oberfläche dunkler. Daher sind Metallanoden zu bevorzugen.

Kathode:

Die Elektrode, an der die Reduktion stattfindet.
Das Substrat, auf das das Metall abgeschieden wird.

Stromquelle:

Eine Gleichstromquelle, die die notwendige Energie liefert, um die elektrochemische Reaktion zu treiben.

Wichtige Begriffe und Prozesse

Elektrolyse:

Der Prozess, bei dem durch Anlegen eines elektrischen Stroms chemische Reaktionen in der Elektrolytlösung ausgelöst werden.

Reduktion:

Ein chemischer Prozess, bei dem ein Atom oder Ion Elektronen gewinnt.
Bei der Metallabscheidung wird ein Metallion (z.B. Cu²⁺) zu einem Metallatom (Cu) reduziert.

Oxidation:

Ein chemischer Prozess, bei dem ein Atom oder Ion Elektronen verliert.
Bei der Metallabscheidung wird oft die Anode oxidiert, um Metallionen in die Lösung freizusetzen.

Stromdichte:

Der Strom pro Flächeneinheit der Elektrode.
Wichtiger Parameter, der die Qualität und Geschwindigkeit der Metallabscheidung beeinflusst.
Dabei ist die kathodische Stromdichte für die Qualität der Überzüge auf dem Werkstück (Kathode) wichtig. Bei jedem Elektrolyten gibt es einen optimalen Stromdichtebereich, innerhalb dessen die Abscheidung mit gutem Ergebnis erzielt wird. Ist hier die Stromdichte außerhalb der Parameter kann die Schicht matt werden.
Auf der Seite der Anode gibt es die anodische Stromdichte. Diese ist für die Stabilität des Elektrolyts besonders wichtig. Es sollte sich so viel Metall lösen, wie an der Kathode (Werkstück) abgeschieden wird.
Im Idealfall löst sich die Anode genauso schnell, wie das Metall an der Kathode abgeschieden wird, der Elektrolyt würde somit besonders lange halten. In der Praxis besteht dabei aber eine Abweichung.
Zum Beispiel werden saure Zinkelektrolyte schneller angereichert als Metall abgeschieden wird, dies führt nach längerer Zeit zur Trübung der Elektrolyte.
Bei Nickel löst sich wiederum die Anode langsamer, dabei wird der Elektrolyt langsam immer ärmer an Nickelionen. In diesem Fall könnte man geeignete Nickelsalze zufügen, um den Gehalt wieder zu erhöhen. Allerdings dürfen Nickelsalze aufgrund der Gefahreneinstufung nicht frei verkauft werden. Um die Anodenlöslichkeit zu verbessern und Passivierung zu reduzieren werden vom Hersteller zusätzlich Chlorid-Ionen zum Elektrolyten zugefügt.

Überpotential:

Der zusätzliche Spannungsbedarf, der über das theoretische Gleichgewichtspotential hinaus notwendig ist, um die elektrochemische Reaktion zu treiben.
Beeinflusst die Effizienz und die Eigenschaften der abgeschiedenen Metallschicht.

Badzusammensetzung:

Die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten, die die Eigenschaften der abgeschiedenen Metallschicht beeinflusst.
Zusätze wie Glanzbildner, Netzmittel und Pufferlösungen werden häufig verwendet, um die Schichteigenschaften zu verbessern.

Arten von Galvanischen Beschichtungen

Verzinkung:

Abscheidung von Zink auf Stahl oder Eisen zur Korrosionsbeständigkeit.

Vernickelung:

Abscheidung von Nickel für dekorative Zwecke oder als Unterlage für weitere Beschichtungen.

Vergoldung:

Abscheidung von Gold für dekorative Zwecke oder für elektrische Kontakte aufgrund der hervorragenden Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Versilbern:

Abscheidung von Silber, oft für elektrische Kontakte oder zur Verbesserung der Leitfähigkeit.

Kupferbeschichtung:

Abscheidung von Kupfer, häufig als Zwischenschicht oder für Leiterbahnen in der Elektronik.

Wichtige Parameter und Kontrolle

pH-Wert:

Der Säuregrad der Elektrolytlösung, der die Effizienz und Qualität der Abscheidung beeinflusst.

Temperatur:

Die Betriebstemperatur des Elektrolytbades, die die Reaktionsgeschwindigkeit und die Schichteigenschaften beeinflusst.

Damit bestmögliche Ergebnisse erzielt werden, sollte die Arbeitstemperatur des jeweiligen Elektrolyten beachtet werden. Zahlreiche Elektrolyte arbeiten bereits optimal bei Raumtemperatur. Somit bedarf es keines externen Heizmittels.

Im Allgemeinen lässt sich sagen, dass nahezu kein Elektrolyt unter 15°C gut funktioniert, daher ist es wichtig auf die Temperatur zu achten, sollte man Probleme mit dem Elektrolyt bemerken. Auch zu beachten ist die Temperatur des Werkstücks – dies besonders bei Stiftgalvanik.