Fachwörter-Lexikon

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Metallabscheidung – galvanische

Als galvanische Metallabscheidung wird die Umwandlung von gelöstem Metall in den festen Metallzustand durch Einsatz von elektrischem Strom über einen äußeren Stromkreis bezeichnet. Die galvanische Metallabscheidung erfolgt in den meisten Fällen aus einer wässrigen Lösung eines Metallsalzes – z. B. Nickelchlorid, Nickelsulfat, Kupfersulfat, Zinkchlorid. Die wässrige Lösung enthält neben dem gelösten Metallsalz je nach Art der Metallabscheidung zusätzlich Stoffe zur Erzeugung eines stabilen Säuregrades (pH-Wert), zur Herstellung von glatten und glänzenden Metallschichten (Glanzbildner) oder auch zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit (Leitsalze) der wässrigen Lösung. Die Abscheidung von Metall erfolgt, indem die positiv geladenen Metallionen – z. B. zweifach positiv geladenen Nickelionen (Ni²⁺) oder zweifach positiv geladene Kupferionen (Cu²⁺) – an der als Kathode bezeichneten Elektrode zum reinen Metall reduziert werden. Zur Erzeugung des notwendigen Stromkreises befindet sich im selben Behältnis eine zweite Elektrode (Anode), an der der umgekehrte Prozess abläuft und ein Metall durch den Entzug von Elektronen aus dem Metall ein Metallion entsteht: Nickel wird zum Nickelion (Ni²⁺). Für diesen Prozess wird in den meisten Fällen Gleichstrom verwendet. Die Höhe des Stroms hängt von der Größe der Oberfläche ab, die mit einer galvanisch abgeschiedenen Metallschicht überzogen wird. Je nach Art und Eigenschaft des abgeschiedenen Metalls liegen die Stromdichten (Strom pro Abscheidefläche) bei Werten zwischen 0,1 A/dm² und bis zu 100 A/dm²; in Ausnahmefällen auch darunter oder darüber. Daraus ergeben sich Abscheidegeschwindigkeiten zwischen 0,1 µm pro Minute und bis zu 10 µm pro Minute. Unterschiede ergeben sich vor allem aufgrund unterschiedlicher Ladungszahlen der eingesetzten Metallionen (Wertigkeit der Elemente – zwischen einer und bis zu sechs Elementarladungen) sowie dem Anteil an unerwünschten Nebenreaktionen, im Falle der Metallabscheidung ist dies zum Beispiel die Wasserstoffentwicklung. 

        Prinzip der galvanischen Abscheidung

Magnesiumlegierungen

Magnesiumlegierungen vereinigen die Forderungen nach geringem spezifischem Gewicht, guter Be- und Verarbeitbarkeit und hohem Recyclingpotenzial. Dennoch steht das Magnesium in seiner Anwendung noch immer weit hinter Aluminium und den Kunststoffen. Die Gründe liegen im höhere Preis, einer beschränkten Anzahl von Magnesiumlegierungen sowie oft fehlende Kennwerte und fehlendes Know-how bei der Ver- und Bearbeitung, insbesondere aufgrund seiner hohen chemischen Reaktionsfähigkeit. Als Leichtbauwerkstoffe kommen Magnesiumlegierungen überall dort zum Einsatz, wo der Vorteil der Gewichtseinsparung den hohen Werkstoffpreis kompensiert. So beträgt bei der europäischen Automobilindustrie der durchschnittliche Magnesiumanteil ca. 1 % der Fahrzeugmasse. Insbesondere im Automobilbau wäre durch den Einsatz von Magnesiumwerkstoffen noch eine deutliche Massenreduktion möglich.

Anodisation

Anodisation ist die Erzeugung von Oxidschichten mit Hilfe des elektrischen Stroms. Dabei wird das Metall, auf dem die Oxidschichten gebildet werden, als Pluspol (Anode) in einer elektrisch leitenden, wässrigen Lösung (Elektrolyt) geschaltet. In derselben Lösung befindet sich eine zweite Elektrode, die Kathode. Bei Anlegen einer Spannung fließt zwischen beiden Elektroden ein elektrischer Strom. Das anodisch kontaktierte Metall wird oxidiert und gibt Elektronen ab. Dabei entsteht an der Kathode Wasserstoff, der entweicht. Das verbleibende Hydroxidion reagiert an der Anode mit dem ionisierten Metall zu einem Oxidhydrat mit amorpher Stöchiometrie, entsprechende folgender Gesamtreaktion (vereinfacht):

Me + nH₂O → Me(OH)_n + n/2H₂

Anodisierbar sind die eine kompakte Sperrschicht bildenden Metalle Aluminium, Titan und Magnesium. Die Oxidschicht ist sehr stabil und schützt das darunter liegende Metall vor einem weiteren Angriff durch Oxidation oder Korrosion. Anodisierte Metalloberflächen zeigen sich deshalb im Gebrauch als sehr beständig. Sie behalten je nach Verfahren auch ihr metallisches Aussehen, da die Oxidschicht dünn und transparent ist.
Durch das Anodisieren in sauren wässrigen Lösungen kann die natürlich vorhandene Oxidschicht verstärkt werden. Dies wird in großem Umfang bei Aluminium und Aluminiumlegierungen durchgeführt. Speziell bei Aluminium wird Anodisieren auch als Eloxieren bezeichnet – Eloxieren ist eine Kurzfassung des Begriffes elektrolytisches Oxidieren. Die Dicke der Oxidschicht hängt unter anderem von der beim Anodisieren verwendeten elektrischen Spannung ab. Im Prinzip besteht das beim Anodisieren hergestellte Aluminiumoxid aus zwei Phasen: einer Sperrschicht von einigen Nanometern direkt an der Metallgrenze und einer deutlich dickeren, aus hexagonalen Röhren aufgebauten Oxidschicht. Die Poren mit Durchmessern von 20 nm bis 40 nm befinden sich im Zentrum von so genannten Zellen und stehen annähernd senkrecht auf dem Grundmaterial. Die Struktur der Zellen sowie der Aufbau der Oxidschicht hängen vom Anteil an Fremdstoffen im Aluminium ab.

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