lang=de|mini|Galvanische Verkupferung eines Metalls (Me) im Kupfersulfatbad
Galvanotechnik oder Galvanik bezeichnet die elektrochemische Abscheidung metallischer Niederschläge, also von Überzügen auf Substrate (Werkstücke) in einem elektrolytischen Bad.
Bei der Galvanik wird elektrischer Strom (Gleichstrom) durch ein elektrolytisches Bad geleitet. Am Pluspol (Anode) befindet sich in der Regel ein Metall wie Kupfer oder Nickel, welches aufgelöst und zum Minuspol (Kathode) transferiert wird. Die im elektrolytischen Bad gelösten Metallionen lagern sich durch Reduktion auf einem Werkstück ab, das mit dem Minuspol elektrisch verbunden ist und so als Kathode dient. Alternativ können die Metallionen auch bereits im Elektrolyt als Lösung enthalten sein.
Die Metallionen lagern sich relativ gleichmäßig auf dem Werkstück am Minuspol ab, die Schichtdicke nimmt mit der Zeit zu. Häufig ist vor dem galvanischen Prozess eine Vorbehandlung des Substrats nötig.
Das Elektroplattieren (auch Galvanostegie, engl. ) ist die häufigste Anwendung der Galvanotechnik. Dieses Beschichtungsverfahren dient der Herstellung metallischer Überzüge auf Substratkörpern.
Der zweite Bereich der Galvanotechnik ist die Galvanoplastik (auch Galvanoformung oder Galvanoforming, engl. ). Größere Schichtdicken lassen hierbei solide metallische Körper entstehen. Das Verfahren wurde ab dem 19. Jahrhundert zur Herstellung künstlerischer Skulpturen sowie von Gussformen eingesetzt. Heute wird es im Formenbau zum Spritzgießen von Kunststoffen sowie in jüngster Zeit in der Mikrosystemtechnik als Mikrogalvanoformung angewendet, siehe Lithografisch-galvanische Abformungstechnik (LIGA).
Als Galvano wird einerseits ein Druckverfahren bezeichnet, bei dem der hölzerne Druckstock durch eine galvanisch erzeugte Faksimile-Druckform ersetzt wird. Andererseits bezeichnet Galvano auch die Kopie einer Münze oder Medaille sowie gelegentlich auch Skulpturen, die auf galvanischem Wege hergestellt wurden.
Auch die Anwendung niederfrequenten („galvanischen“) Stroms in der medizinischen Galvanotherapie wird missverständlich als Galvanisation bezeichnet.Wolfgang Miehle: Gelenk- und Wirbelsäulenrheuma. Eular Verlag, Basel 1987, ISBN 3-7177-0133-9, S. 174.
Geschichte mini|Die voltasche Säule ermöglichte die ersten Versuche zur Galvanik.
Die Geschichte der Galvanik, wie die Galvanotechnik umgangssprachlich bezeichnet wird, geht zurück auf den italienischen Arzt Luigi Galvani (1737–1798), der Ende des 18. Jahrhunderts den nach ihm benannten Galvanismus entdeckte, als er bei Versuchen mit Froschschenkeln bemerkte, dass diese beim Berühren mit zwei Elektroden aus verschiedenen miteinander verbundenen Metallen zuckten.
Alessandro Volta erkannte, dass der Effekt durch die verschiedenen Metalle verursacht wurde. Diese erzeugen in Kombination mit einem Elektrolyten eine elektrische Spannung, die sich im Tiermuskel entlädt. Er baute daraufhin seine Batterie, die Voltasäule, die eine wichtige Rolle bei der Begründung der Elektrotechnik spielte. Wahrscheinlich war sie die erste Batterie überhaupt, auch wenn es Vermutungen gibt, Menschen hätten schon vor Jahrtausenden Batterien gebaut: Bestimmte Tongefäße, die bei Bagdad gefunden worden sind und in denen ein Kupferzylinder mit Eisenstab eingelassen war, wurden als die ersten Batterien gedeutet. Der verwendete Elektrolyt ist unbekannt. Sie werden auf ca. 2000 v. Chr. datiert und werden gewöhnlich als „Batterie von Bagdad“ bezeichnet. Heute zweifelt man allerdings an, dass es sich wirklich um eine Batterie gehandelt hat. Dementsprechend ist auch fraglich, ob das Galvanisieren schon im Altertum möglich war. Die Vermutung, dass in der Antike die Vergoldung von Gegenständen mithilfe von Galvanotechniken bekannt gewesen sei, ist daher nicht bewiesen.
mini|Historischer Galvanikbetrieb, um 1900
Die erste belegte galvanische Vergoldung fand 1805 durch einen Schüler Voltas statt. 1840 erhielt der englische Unternehmer George Richards Elkington ein Patent auf ein Verfahren zum galvanischen Versilbern mit cyanidhaltigen Lösungen. In der mit seinem Cousin gegründeten Firma nutzte er das Verfahren. Sie beschäftigte 1865, als Elkington starb, fast tausend Arbeiter und galt damals als führender Galvanikbetrieb. Ab der Mitte des 19. Jahrhunderts wurden lebensgroße Statuen wie Reiterstandbilder galvanoplastisch hergestellt, beispielsweise auch die bekannte Statue des Großen Kurfürsten in Berlin, die nach Entwürfen von Andreas Schlüter entstand.Darstellung der Galvanoplastik mit Nennung konkreter metallisierter Figuren, abgerufen am 26. Dezember 2020.
Das relativ ungiftige Aufbringen metallischer Überzüge konnte weitgehend die Technik der Feuervergoldung bzw. -versilberung ablösen, die durch das hierbei verwendete Quecksilber gesundheitsschädlich ist.
Anwendungen Teilweise wird zwischen dekorativer und funktionaler Galvanotechnik unterschieden. Erstere dient vorwiegend der Verschönerung von Gegenständen und muss für diesen Zweck gewisse technische Mindesteigenschaften aufweisen. Beispiele für die dekorative Galvanotechnik sind die Kunststoffgalvanisierung, die Verchromung von Stahlrohrmöbeln, Armaturen und Motorrädern sowie die Vergoldung von Schmuck und Essbesteck.
Die funktionelle Galvanotechnik dient dem Korrosionsschutz, dem Verschleißschutz, der Katalyse, der Verbesserung elektrischer Leitfähigkeit und der Reduzierung von Friktionskräften. Auch die Duktilität und Verformbarkeit von Werkstücken kann durch galvanische abgeschiedene Überzüge verbessert werden. Folgend einige Beispiele:
Verzinkung von Schrauben (Korrosionsschutz) Beschichtung von Maschinenteilen mit Hartchrom (Verschleißschutz) Beschichtung mit metallischen, meist nickel- oder platinhaltigen Katalysatoren für die chemische Industrie oder Brennstoffzellen (Katalyse) Vergoldung und Versilberung elektrischer Kontakte (elektrische Leitfähigkeit) Blei-Zinn-Kupfer Schichten für Gleitlager (Reduzierung der Friktion) Verkupfern beim Drahtziehen (Verbesserung der Verformbarkeit) Rhodinieren von Ringen und Brillengestellen
Hartchromschichten können aufgrund ihrer Verschleißfestigkeit und ihren guten Gleiteigenschaften auch als Beschichtung von Hydraulikzylindern oder für Tauchrohre in Federgabeln genutzt werden. Die Endeigenschaften dieser Bauteile sind nach der Beschichtung erheblich besser als z. B. die ihrer Grundmaterialien.
Galvanotechnik in der Praxis Allgemeines mini|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.
Wirtschaftliche Bedeutung Die Zahl der Galvanikanlagen in der EU wurde 2005 mit ca. 18.000 angegeben. Die Zahl der Beschäftigten liegt nach Angaben des Branchenverbandes im Jahr 2020 europaweit bei rund 440.000. In der Schweiz sind etwa 80 Galvanikbetriebe im Branchenverband Swissgalvanic organisiert. Nach einer Branchenanalyse aus dem Jahr 2006 arbeiteten zu dieser Zeit in Deutschland in ungefähr 2100 Betrieben etwa 49.000 Menschen in der Galvanotechnik. Zu den Betrieben gehörten etwa 50 Fachlieferanten für Galvanik-Chemikalien, 550 Dienstleistungs-Galvaniken aus dem Bereich Handwerk und 1500 industrielle Lohn- und inhouse-Galvaniken. Der Gesamtumsatz dieser Betriebe in Deutschland wurde damals auf fast 6 Mrd. Euro geschätzt, im Jahr 2020 wurde er bei einer Mitarbeiterzahl von rund 60.000 mit 8,3 Mrd. Euro angegeben. Ferner wurde als Schätzwert angegeben, dass die galvanischen Schutzschichten Korrosionsschäden und damit Kosten von 150 Mrd. Euro pro Jahr verhindern würden.
Grundmaterial 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.
Glanz 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
Einebnung 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.
Galvanogerechtes Konstruieren