Beschichtung - Plating

Plattieren ist eine Oberflächenbeschichtung, bei der ein Metall auf einer leitfähigen Oberfläche abgeschieden wird. Plattieren wird seit Hunderten von Jahren durchgeführt; es ist auch entscheidend für die moderne Technologie. Plattieren wird verwendet, um Gegenstände zu dekorieren, zur Korrosionsinhibierung, zur Verbesserung der Lötbarkeit, zum Härten, zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit, zur Verringerung der Reibung, zur Verbesserung der Lackhaftung, zur Änderung der Leitfähigkeit, zur Verbesserung des IR-Reflexionsvermögens, zum Strahlenschutz und für andere Zwecke. Schmuck verwendet normalerweise eine Beschichtung, um ein Silber- oder Goldfinish zu erzielen.

Die Dünnschichtabscheidung hat plattierte Objekte, die so klein wie ein Atom sind, daher findet die Plattierung Anwendung in der Nanotechnologie .

Es gibt mehrere Beschichtungsverfahren und viele Variationen. Bei einem Verfahren wird eine feste Oberfläche mit einem Metallblech bedeckt und dann werden Hitze und Druck angewendet, um sie zu verschmelzen (eine Version davon ist die Sheffield-Platte ). Andere Plattierungstechniken umfassen Elektroplattieren , Dampfabscheidung unter Vakuum und Sputterabscheidung . In letzter Zeit bezieht sich Plattieren oft auf die Verwendung von Flüssigkeiten. Unter Metallisieren versteht man das Beschichten von nichtmetallischen Gegenständen mit Metall.

Galvanisieren

Beim Galvanisieren wird einem ionischen Metall Elektronen zugeführt , um eine nicht-ionische Beschichtung auf einem Substrat zu bilden . Ein übliches System umfasst eine chemische Lösung mit der ionischen Form des Metalls, eine Anode (positiv geladen), die aus dem zu plattierenden Metall bestehen kann (eine lösliche Anode) oder eine unlösliche Anode (normalerweise Kohlenstoff, Platin, Titan, Blei oder Stahl). ) und schließlich eine Kathode (negativ geladen), der Elektronen zugeführt werden, um einen Film aus nichtionischem Metall zu erzeugen.

Stromloses Plattieren

Die stromloses Plattieren, die auch als chemische oder auto- bekannte katalytische Beschichtung, ist ein nicht - galvanische Plattierung Verfahren , das gleichzeitig mehrere Reaktionen in einer beinhaltet wässrigen Lösung , die ohne die Verwendung von externer elektrischer Leistung auftreten. Die Reaktion wird durchgeführt, wenn Wasserstoff durch ein Reduktionsmittel, normalerweise Natriumhypophosphit (Hinweis: der Wasserstoff geht als Hydridion) oder Thioharnstoff freigesetzt und oxidiert wird, wodurch eine negative Ladung auf der Oberfläche des Teils erzeugt wird. Das gebräuchlichste stromlose Beschichtungsverfahren ist das stromlose Vernickeln , obwohl auch Silber-, Gold- und Kupferschichten auf diese Weise aufgebracht werden können, wie bei der Technik der Engelsvergoldung .

Spezifische Fälle

Vergoldung

Goldplattieren ist ein Verfahren zum Abscheiden einer dünnen Goldschicht auf der Oberfläche von Glas oder Metall, meistens Kupfer oder Silber.

In der Elektronik wird häufig eine Vergoldung verwendet, um eine korrosionsbeständige elektrisch leitende Schicht auf Kupfer bereitzustellen , typischerweise in elektrischen Verbindern und Leiterplatten . Bei der direkten Gold-auf-Kupfer-Beschichtung haben die Kupferatome die Tendenz, durch die Goldschicht zu diffundieren, was zu einem Anlaufen ihrer Oberfläche und zur Bildung einer Oxid-/Sulfidschicht führt. Daher muss auf dem Kupfersubstrat eine Schicht aus einem geeigneten Barrieremetall , meist Nickel, abgeschieden werden, das ein Kupfer-Nickel-Gold-Sandwich bildet.

Metalle und Glas können auch zu dekorativen Zwecken mit Gold beschichtet werden, wobei eine Reihe verschiedener Verfahren verwendet werden, die normalerweise als Vergoldung bezeichnet werden .

Saphire, Kunststoffe und Kohlefasern sind einige andere Materialien, die mit fortschrittlichen Beschichtungstechniken plattiert werden können. Die verwendbaren Substrate sind nahezu grenzenlos.

Versilberung

Ein versilbertes Altsaxophon

Versilbern ist seit dem 18. Jahrhundert verwendet billigere Versionen von Haushaltsgegenständen, die sonst aus massivem Silber gemacht werden würden, einschließlich Besteck , Gefäße verschiedener Art, und Leuchter. In Großbritannien verwenden die Analyseämter und Silberhändler und -sammler den Begriff "Silberplatte" für Gegenstände aus massivem Silber, die lange vor der Erfindung der Versilberung vom spanischen Wort für Silber "Plata" abgeleitet wurde, Beschlagnahmen von Silber von spanischen Schiffen Silber aus Amerika zu tragen, das zu dieser Zeit eine große Silberquelle war. Dies kann zu Verwirrung führen, wenn es um Silbergegenstände geht. Platte oder plattiert. In Großbritannien ist es illegal, versilberte Gegenstände als "Silber" zu bezeichnen. Es ist nicht illegal, versilberte Gegenstände als "Silberplatte" zu bezeichnen, obwohl dies ungrammatisch ist und auch vermieden werden sollte, um Verwechslungen zu vermeiden.

Die früheste Form der Versilberung war die Sheffield-Platte , bei der dünne Silberschichten mit einer Schicht oder einem Kern aus unedlem Metall verschmolzen werden, aber im 19. Jahrhundert wurden neue Produktionsverfahren (einschließlich Galvanik) eingeführt. Britannia-Metall ist eine Legierung aus Zinn, Antimon und Kupfer, die als Grundmetall für die Versilberung entwickelt wurde.

Eine andere Methode, die verwendet werden kann, um eine dünne Silberschicht auf Gegenstände wie Glas aufzutragen, besteht darin, Tollens' Reagenz in ein Glas zu geben, Glukose/Dextrose hinzuzufügen und die Flasche zu schütteln, um die Reaktion zu fördern.

AgNO 3 + KOH → AgOH + KNO 3
AgOH + 2 NH 3 → [Ag(NH 3 ) 2 ] + + [OH] (Hinweis: siehe Tollens' Reagens )
[Ag(NH 3 ) 2 ] + + [OH] + Aldehyd (normalerweise Glucose/Dextrose) → Ag + 2 NH 3 + H 2 O

Für Anwendungen in der Elektronik wird manchmal Silber zum Plattieren von Kupfer verwendet, da sein elektrischer Widerstand geringer ist (siehe Widerstand verschiedener Materialien ); bei höheren Frequenzen aufgrund des Skin-Effekts umso mehr . Variable Kondensatoren gelten als von höchster Qualität, wenn sie versilberte Platten haben. Ebenso werden versilberte oder sogar massive Silberkabel in audiophilen Anwendungen geschätzt ; Einige Experten sind jedoch der Meinung, dass die Plattierung in der Praxis oft schlecht umgesetzt wird, wodurch das Ergebnis ähnlich teuren Kupferkabeln unterlegen ist.

Bei Teilen, die Umgebungen mit hoher Luftfeuchtigkeit ausgesetzt sind, ist Vorsicht geboten, da in solchen Umgebungen, wenn die Silberschicht porös ist oder Risse enthält, das darunterliegende Kupfer einer schnellen galvanischen Korrosion unterliegt , die die Beschichtung abblättert und das Kupfer selbst freilegt; ein Prozess, der als rote Pest bekannt ist . Versilbertes Kupfer, das in einer feuchtigkeitsfreien Umgebung aufbewahrt wird, unterliegt dieser Art von Korrosion nicht.

Verkupfern

Verkupfern ist der Prozess der elektrolytischen Bildung einer Kupferschicht auf der Oberfläche eines Gegenstands.

Rhodiniert

Rhodium Beschichtung ist auf weißem Gold, Silber oder Kupfer und seine Legierungen gelegentlich verwendet. Auf Silber wird in der Regel zunächst eine Sperrschicht aus Nickel abgeschieden, die hier jedoch nicht die Wanderung des Silbers durch das Rhodium verhindert, sondern eine Verunreinigung des Rhodiumbades mit Silber und Kupfer, die sich in der üblicherweise in der Schwefelsäure enthaltenen Schwefelsäure leicht lösen die Badzusammensetzung.

Verchromung

Die Verchromung ist eine Endbehandlung, bei der die elektrolytische Abscheidung von Chrom verwendet wird . Die gebräuchlichste Form der Verchromung ist das dünne, dekorative Glanzchrom , bei dem es sich typischerweise um eine Schicht von 10 µm über einer darunterliegenden Nickelplatte handelt . Beim Plattieren auf Eisen oder Stahl ermöglicht eine darunterliegende Kupferplattierung das Anhaften des Nickels. Die Poren (kleine Löcher) in den Nickel- und Chromschichten wirken, um Spannungen zu verringern, die durch die Fehlanpassung der Wärmeausdehnung verursacht werden, aber auch die Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung beeinträchtigen. Die Korrosionsbeständigkeit beruht auf der sogenannten Passivierungsschicht , die durch die chemische Zusammensetzung und Verarbeitung bestimmt und durch Risse und Poren geschädigt wird. In einem speziellen Fall können Mikroporen helfen, das elektrochemische Potential , das die galvanische Korrosion beschleunigt, zwischen den Nickel- und Chromschichten zu verteilen . Je nach Anwendung erfordern Beschichtungen unterschiedlicher Dicke unterschiedliche Ausgewogenheiten der oben genannten Eigenschaften. Dünne, helle Chrom verleiht ein Spiegel -ähnliche Oberfläche , um Elemente wie Metall Möbelrahmen und Fahrzeugverkleidung. Dickere Ablagerungen bis 1000 µm werden als Hartchrom bezeichnet und werden in Industrieanlagen zur Reduzierung von Reibung und Verschleiß verwendet.

Die herkömmliche Lösung für die industrielle Hartverchromung besteht aus ca. 250 g/L CrO 3 und ca. 2,5 g/L SO 4 . In Lösung liegt das Chrom als Chromsäure vor, bekannt als sechswertiges Chrom . Ein hoher Strom wird verwendet, um teilweise eine dünne Chromschicht (+2) an der Oberfläche des plattierten Werkstücks zu stabilisieren. Saures Chrom hat ein schlechtes Streuvermögen, feine Details oder Löcher sind weiter entfernt und erhalten weniger Strom, was zu einer schlechten Beschichtung führt.

Verzinkung

Zinkbeschichtungen verhindern die Oxidation des geschützten Metalls, indem sie eine Barriere bilden und als Opferanode wirken, wenn diese Barriere beschädigt wird. Zinkoxid ist ein feiner weißer Staub, der (im Gegensatz zu Eisenoxid ) die Oberflächenintegrität des Substrats bei seiner Bildung nicht beeinträchtigt. Tatsächlich kann das Zinkoxid, wenn es ungestört ist, als Barriere gegen weitere Oxidation wirken, ähnlich wie der Schutz, den Aluminium und rostfreie Stähle durch ihre Oxidschichten bieten . Die meisten Hardwareteile sind verzinkt und nicht kadmiert .

Zink-Nickel-Beschichtung

Die Zink-Nickel-Beschichtung ist eine der besten verfügbaren korrosionsbeständigen Oberflächen und bietet einen mehr als 5-fach höheren Schutz als herkömmliche Verzinkung und bis zu 1.500 Stunden neutrale Salzsprühtest-Leistung. Diese Beschichtung ist eine Kombination aus einer Zink-Nickel-Legierung mit hohem Nickelgehalt (10–15% Nickel) und einigen Chromatvarianten. Die gebräuchlichsten Mischchromate umfassen sechswertiges irisierendes, dreiwertiges oder schwarzes dreiwertiges Chromat. Diese Säurebeschichtung wird zum Schutz von Stahl, Gusseisen, Messing, Kupfer und anderen Materialien verwendet und ist eine umweltfreundliche Option. Sechswertiges Chromat wurde von der EPA und OSHA als krebserregend für den Menschen eingestuft.

Verzinnen

Das Zinn -plating Verfahren verwendet wird , umfassend sowohl zum Schutz der Eisen- und Nichteisen - Oberflächen. Zinn ist ein nützliches Metall für die Lebensmittelindustrie , da es ungiftig, duktil und korrosionsbeständig ist. Die ausgezeichnete Duktilität von Zinn ermöglicht es, ein mit Zinn beschichtetes Grundmetallblech in eine Vielzahl von Formen zu bringen, ohne die Oberflächenzinnschicht zu beschädigen. Es bietet einen Opferschutz für Kupfer, Nickel und andere Nichteisenmetalle, jedoch nicht für Stahl .

Zinn wird aufgrund seiner Fähigkeit, das Grundmetall vor Oxidation zu schützen und so seine Lötbarkeit zu erhalten, auch in der Elektronikindustrie häufig verwendet . Bei elektronischen Anwendungen können 3% bis 7% Blei zugesetzt werden, um die Lötbarkeit zu verbessern und das Wachstum von metallischen "Whiskers" in druckbeanspruchten Ablagerungen zu verhindern, die ansonsten einen elektrischen Kurzschluss verursachen würden. Die ab 2006 erlassenen RoHS- Vorschriften (Restriction of Hazardous Substances) schreiben jedoch vor, dass absichtlich kein Blei hinzugefügt wird und der maximale Anteil 1 % nicht überschreiten darf. Einige Ausnahmen wurden von den RoHS-Anforderungen in kritischen Elektronikanwendungen aufgrund von Ausfällen erlassen, die bekanntermaßen als Folge der Bildung von Zinnwhiskern aufgetreten sind.

Legierungsbeschichtung

In einigen Fällen ist es wünschenswert, zwei oder mehr Metalle gemeinsam abzuscheiden, was zu einer elektroplattierten Legierungsabscheidung führt. Je nach Legierungssystem kann eine galvani Legierung feste Lösung verstärkt oder ausgehärtet durch Wärmebehandlung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Beschichtung zu verbessern. Nickel-Kobalt ist eine gängige galvanische Legierung.

Verbundbeschichtung

Eine Metallmatrix-Verbundplattierung kann hergestellt werden, wenn ein Substrat in einem Bad plattiert wird, das eine Suspension von Keramikteilchen enthält. Durch eine sorgfältige Auswahl der Größe und Zusammensetzung der Partikel kann die Abscheidung hinsichtlich Verschleißfestigkeit, Hochtemperaturleistung oder mechanischer Festigkeit fein abgestimmt werden. Wolframkarbid , Siliziumkarbid , Chromkarbid und Aluminiumoxid (Aluminiumoxid) werden üblicherweise bei der Verbundgalvanisierung verwendet.

Cadmium-Beschichtung

Die Cadmiumplattierung steht wegen der Umwelttoxizität des Cadmiummetalls auf dem Prüfstand. Kadmiumplattierung wird in einigen Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Militär und in der Luftfahrt weit verbreitet verwendet. Aufgrund seiner Giftigkeit wird es jedoch eingestellt.

Cadmiumplattieren (oder Cadmiumplattieren ) bietet eine lange Liste von technischen Vorteilen wie ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit auch bei relativ geringer Dicke und in Salzatmosphäre, Weichheit und Formbarkeit , Freiheit von klebrigen und/oder voluminösen Korrosionsprodukten, galvanische Kompatibilität mit Aluminium, Freiheit von Stick-Slip und ermöglicht somit ein zuverlässiges Anziehen von plattierten Gewinden, ist in vielen Farben einfärbbar und klar, hat eine gute Gleit- und Lötbarkeit und eignet sich sowohl als Endlackierung als auch als Lackbasis .

Wenn Umweltbedenken eine Rolle spielen, kann die Kadmiumbeschichtung in den meisten Aspekten direkt durch eine Vergoldung ersetzt werden, da sie die meisten Materialeigenschaften aufweist, aber Gold ist teurer und kann nicht als Lackbasis dienen.

Vernickelung

Die chemische Reaktion beim Vernickeln ist:

An der Kathode: Ni → Ni 2+ + 2 e

An der Anode: H 2 PO 2 + H 2 O → H 2 PO 3 + 2 H +

Im Vergleich zur Kadmiumbeschichtung bietet die Vernickelung eine glänzendere und härtere Oberfläche, aber eine geringere Korrosionsbeständigkeit, Gleitfähigkeit und Formbarkeit, was bei der Weiterverarbeitung zu Rissen oder Abblättern führt .

Chemische Vernickelung

Chemisches Vernickeln, auch bekannt als Ennickel und NiP , bietet viele Vorteile: gleichmäßige Schichtdicke über komplizierteste Oberflächen, direktes Plattieren von Eisenmetallen (Stahl), überlegene Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu galvanisiertem Nickel oder Chrom. Ein Großteil der in der Luft- und Raumfahrtindustrie durchgeführten Verchromung kann durch stromlose Vernickelung ersetzt werden, wiederum Umweltkosten, Kosten für die Entsorgung von sechswertigem Chrom und die notorische Tendenz einer ungleichmäßigen Stromverteilung begünstigen die stromlose Vernickelung.

Die stromlose Vernickelung ist ein selbstkatalysierender Prozess, die resultierende Nickelschicht ist eine NiP-Verbindung mit 7–11% Phosphorgehalt. Die Eigenschaften der resultierenden Schichthärte und Verschleißfestigkeit ändern sich stark mit der Badzusammensetzung und der Abscheidungstemperatur, die mit einer Genauigkeit von 1 °C, typischerweise bei 91 °C, geregelt werden sollte.

Während der Badumwälzung werden alle darin enthaltenen Partikel ebenfalls vernickelt; Dieser Effekt wird vorteilhaft bei Prozessen genutzt, bei denen Plattierungen mit Partikeln wie Siliziumkarbid (SiC) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) abgeschieden werden. Obwohl es vielen anderen Plattierungsverfahren überlegen ist, ist es teuer, da das Verfahren komplex ist. Außerdem ist der Prozess selbst bei dünnen Schichten langwierig. Wenn nur Korrosionsbeständigkeit oder Oberflächenbehandlung von Bedeutung sind, ist eine sehr strenge Badzusammensetzung und Temperaturkontrolle nicht erforderlich, und das Verfahren wird zum gleichzeitigen Plattieren vieler Tonnen in einem Bad verwendet.

Es ist bekannt, dass stromlose Nickelplattierungsschichten eine extreme Oberflächenhaftung bereitstellen, wenn sie richtig plattiert werden. Chemisch vernickeln ist nicht magnetisch und amorph. Chemisch vernickelte Schichten sind weder leicht lötbar, noch klemmen sie sich mit anderen Metallen oder einem anderen chemisch vernickelten Werkstück unter Druck. Dieser Effekt kommt stromlos vernickelten Schrauben aus formbaren Materialien wie Titan zugute. Der elektrische Widerstand ist im Vergleich zu einer reinen Metallisierung höher.

Siehe auch

Verweise

Externe Links