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Legierungsabscheidung

2018-07-27T22:50:19

Durch kathodische Abscheidung von Metallen aus Elektrolyten (chemische oder galvanische Abscheidung) lassen sich sowohl Schichten aus reinen Metallen als auch Legierungen herstellen. Die an der Oberfläche eines stromleitenden Festkörpers reduzierten Metallatome ordnen sich in den meisten Fällen zu Metallkristallen, die den selben Grundsätzen in Bezug auf die Entstehung von Kristallen unterworfen sind, wie diese auch bei der schmelzmetallurgischen Herstellung von Metallen gelten. Auch bei der Metallabscheidung entstehen Metallkristalle, bei denen die einzelnen Atome auf energetisch günstigen Plätzen sitzen. 

Die hauptsächliche Herausforderung bei der Legierungsabscheidung besteht darin, die zu mischenden Metalle in einem Elektrolyten in ausreichender Menge gelöst zu halten und diese in der richtigen Zusammensetzung an der Festkörperoberfläche aus der ionischen Form zum Metall reduzieren zu können. 

Eine große Zahl an abscheidbaren Legierungen sind in der Gruppe der Edelmetalle verfügbar. Gold und Silber beispielsweise sind mit relativ vielen Metallen in weiten Konzentrationsbereichen mischbar. Zudem kann durch Legierungsbildung die Härte der reinen, weichen Metalle Gold und Silber erhöht werden. Bei Gold kann durch geringe Anteile an Kobalt, Nickel, Indium, Eisen, Silber, Kupfer, Kadmium oder Zink die Härte von deutlich unter 100 HV bei reinem Gold auf Werte bis 250 HV gesteigert werden. Zur Änderung der Farbe von Gold sowie zur Härtesteigerung und Reduzierung der Schichtkosten können Legierungen mit Kupfer, Nickel, Silber, Indium, Kobalt, Kadmium, Eisen oder Palladium abgeschieden, bei denen die Farben von kräftigem Gelb über Rosefarben bis zu Hellgelb und Weiß veränderbar sind. Die Härten reichen bis etwa 350 HV. Im Falle von Palladium kommt vor allem eine Legierung mit 25 % Nickel zum Einsatz, die sich durch eine höhere Härte gegenüber reinem Palladium auszeichnet. 

Kupfer kann zusammen mit Zink oder Zinn abgeschieden werden. Das resultierende Messing im Falle von Kupfer-Zink mit 25 % bis 35 % Zink wird in Dicken bis etwa 30 µm abgeschieden. Galvanisch abgeschiedene Bronzen (Kupfer-Zinn) besitzen eine gute Korrosionsbeständigkeit und sind sehr verschleißbeständig. Die Zinnanteile können nahezu beliebig eingestellt werden und variieren hierbei die Farbe von Rot über Gelb bis zu Weiß. Die höchsten Härte werden bei einem Zinnanteil von etwa 60 % erreicht und können von deutlich unter 100 HV für reines Kupfer auf bis zu 200 HV für Bronze mit 60 % Zinn gesteigert werden. 

Eine der wichtigsten technischen Legierungen im Bereich der Galvanotechnik ist Nickel-Phosphor. Die Abscheidung erfolgt bevorzugt durch chemische Abscheidung und zeichnet sich dadurch auch durch eine außerordentlich gleichmäßige Schicht über die gesamte zu beschichtende Oberfläche aus. Die Einteilung erfolgt drei Bereiche für Phosphorgehalte in der Legierung. Diese unterscheiden sich deutlich in ihrem mechanischen und chemischen Verhalten. Bis zu Gehalten von etwa 10 % lassen die Schichten eine kristallines Gefüge erkennen, während bei mehr als 10 % ein röntgenamorpher (glasartig) Aufbau mit gleichmäßig verteilten Phasen an Ni3P vorliegt. Die Nickel-Phosphor-Legierung kann durch eine Wärmebehandlung bei Temperaturen über 300 °C in den mikrokristallinen Zustand überführt werden, was mit einer deutlichen Härtesteigerung verbunden ist. Damit stehen sehr korrosions- und verschleißbeständige Oberflächen zur Verfügung, deren Härte zwischen etwa 500 HV (Abscheidezustand) und mehr als 1000 HV (nach Wärmebehandlung) betragen. Weitere ebenfalls sehr verschleiß- und korrosionsbeständige Schichten bestehen aus Nickel-Kobalt (bis 50 % Kobalt). 

Die Korrosionsschutzschichten aus Zink können durch Legieren mit Nickel (10 % bis 15 %) härter und korrosionsbeständiger gemacht werden. Vor allem in der Automobilindustrie wird seit einigen Jahren für Verbindungselemente vorzugsweise Zink-Nickel als Korrosionsschutz eingesetzt. Daneben wird Zink-Eisen mit etwa 0,5 % Eisen aufgrund einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit und höheren Härte (im Vergleich zu Reinzink) verwendet.