Schmuck: Plattieren

Beim Plattieren wird ein unedleres Material (Metall bzw. Stoff) mechanisch durch ein edleres Material überdeckt. Plattieren ist also ein Oberflächenüberzug, bei dem ein Metall auf ein Grundmetall aufgetragen wird. Dieses Verfahren ist in der Metallverarbeitung sowie der Textiltechnik anzutreffen.

Geschichte

Plattieren wird bereits seit Hunderten von Jahren durchgeführt; auch für die moderne Technik ist es von Bedeutung. Plattieren wird verwendet, um Objekte zu schmücken, vor Korrosion zu schützen, die Lötbarkeit zu verbessern, zu härten, die Verschleißfestigkeit zu verbessern, die Reibung zu reduzieren, die Lackhaftung zu verbessern, die Leitfähigkeit zu ändern, den infraroten Reflexionsgrad zu verbessern, vor Strahlung zu schützen und für andere Zwecke.

Bei der Schmuckherstellung wird in der Regel eine Silber- oder Gold-Plattierung verwendet. Bei einer Dünnschicht werden Objekte mit so wenig wie einem Atom plattiert,[1] daher wird das Plattieren auch in der Nanotechnologie angewandt.

 

Plattierungsverfahren

Es gibt mehrere Plattierungsverfahren und verschiedene Arten. Bei einem Verfahren wird eine feste Oberfläche mit einem Metallblech abgedeckt und dann durch Hitze und Druck aufgebracht, um sie zu verschmelzen. Andere Plattierungstechniken sind Aufdampfen im Vakuum und Sputtern. Seit kurzem bezieht sich das Plattieren auch auf die Verwendung von Flüssigkeiten. Unter Metallisieren versteht man das Überziehen von nichtmetallischen Gegenständen mit Metall.

 

Elektroplattieren

Beim Elektroplattieren wird ein ionisches Metall mit Elektronen versorgt, um eine nicht-ionische Beschichtung auf einem Grundmetall zu formen. Beim häufigsten Verfahren wird 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 einer unlöslichen Anode (in der Regel Kohlenstoff, Platin, Titan, Blei oder Stahl), und schließlich eine Kathode (negativ geladen) verwendet, wobei Elektronen einen Film aus nicht-ionischem Metall erzeugen.

 

Stromlose Plattierung

Das stromlose Plattieren ist auch als chemisches oder autokatalytisches Plattieren bekannt. Es ist ein nicht-galvanisches Verfahren, bei dem gleichzeitig mehrere Reaktionen in einer wasserhaltigen Lösung auftreten, die ohne die Verwendung einer externen elektrischen Zufuhr ausgelöst werden. Die Reaktion wird durchgeführt, sobald Wasserstoff durch ein Reduktionsmittel, welches normalerweise Natriumhypophosphit ist (Hinweis: Der Wasserstoff wird als Hydrid-Ion freigegeben), trifft und oxidiert, wodurch eine negative Ladung auf der Oberfläche des entsprechenden Teils entsteht. Das üblichste stromlose Plattierungsverfahren ist die stromlose Vernickelung, obwohl Silber-, Gold- und Kupfer-Schichten ebenfalls auf diese Weise aufgebracht werden können, wie bei der Technik der Engelsvergoldung.

 

Sonderfälle

Goldplattierung

Die Goldplattierung ist ein Verfahren, bei dem eine dünne Goldschicht auf einer Glas- oder Metalloberfläche (meist aus Kupfer oder Silber) aufgebracht wird.

Die Goldplattierung wird häufig in der Elektronik verwendet, um eine korrosionsbeständige elektrisch-leitende Schicht auf Kupfer aufzubringen, typischerweise für elektrische Leiter und bedruckte Leiterplatten. Bei einer direkten Vergoldung auf Kupfer neigen die Kupferatome dazu durch die Goldschicht zu diffundieren, was zu einem Anlaufen der Oberfläche und Bildung einer Oxid-/Sulfid-Schicht führt. Daher wird eine weitere Schicht aus einem geeigneten Trennmetall aufgebracht. Diese ist in der Regel aus Nickel und muss auf das Kupfer-Grundmetall aufgebracht werden, wodurch ein Kupfer-Nickel-Gold-Sandwich entsteht.

Metalle und Glas können auch mit Gold für dekorative Zwecke beschichtet werden. Hierbei werden eine Vielzahl unterschiedlicher Prozesse verwendet, die in der Regel als Vergoldung bezeichnet werden.

Saphire, Kunststoffe und Kohlefaser sind einige andere Materialien, die unter der Verwendung von fortgeschrittener Plattierungstechniken plattiert werden können. Es gibt hierfür nahezu eine unbegrenzte Zahl von Grundmetallen. [2]

 

Silberplattierung

Ein Silberplattiertes Saxophon

Ein Silberplattiertes Saxophon

Für Anwendungen in der Elektronik wird Silber manchmal für die Beschichtung von Kupfer verwendet, da sein elektrischer Widerstand geringer ist. Variable Kondensatoren werden bei der höchsten Qualität berücksichtigt, wenn sie versilberte Platten haben. Ähnlich werden auch versilberte oder sogar Silberkabel bei audiophilen Anwendungen geschätzt, jedoch sind einige Experten der Ansicht, dass die Plattierung in der Praxis oft nur unzureichend umgesetzt wird, so dass das Ergebnis schlechter ausfällt, als wie bei gleichteuren Kupferkabeln.[3]

Bei Teilen, die hoher Luftfeuchtigkeit eingesetzt werden, ist Vorsicht geboten. Wenn die Silberschicht porös ist oder Risse hat, entsteht beim darunterliegenden Kupfer schnell eine galvanische Korrosion, wobei die Beschichtung abblättert und das Kupfer selbst zum Vorschein kommt; dieser Vorgang ist als rote Pest bekannt.

Historisch wurde die Silberplattierung verwendet, um eine billigere Version der Artikel herzustellen, die sonst aus purem Silber gemacht werden, wie z.B. Besteck und Leuchter. Die früheste Art war die Old Sheffield Plattierung, doch im 19. Jahrhundert kamen neue Produktionsmethoden auf (einschließlich dem der Elektroplattierung).

Eine andere Methode, die verwendet werden kann um eine dünne Silberschicht auf mehrere Objekte, wie z.B. Glas aufzubringen, ist Tollens-Reagenz in ein Glas zu geben, Glucose/Dextrose hinzuzugeben und die Flasche zu schütteln, um die Reaktion auszulösen.

AgNO3 + KOH → AgOH + KNO3

AgOH + 2 NH3 → [Ag (NH 3 ) 2] + + [ OH ] [Ag (NH3 ) 2] + + [ OH ] – + Aldehyd (meist Glukose/Dextrose ) → Ag + 2 NH3 + H2O

Rhodiumplattierung

Eine Rhodiumplattierung wird gelegentlich auf weißem Gold, Silber oder Kupfer und deren Legierungen angewandt. Eine Trennschicht aus Nickel wird üblicherweise zuerst auf Silber aufgetragen, obwohl in diesem Fall nicht die Verunreinigung von Silber durch Rhodium verhindern werden soll, sondern eine Verunreinigung des Rhodiumbads mit Silber und Kupfer. Diese Metalle lösen sich leicht in der Schwefellösung auf, die normalerweise in der Badzusammensetzung besteht.[4]

Chromplattierung

Chromplattierung ist eine Nachbehandlung unter Verwendung des elektrolytischen Aufbringens von Chrom. Die häufigste Form der Chromplattierung ist das dünne, helle Chrom, welches in der Regel in einer 10-µm Schicht auf einer Nickel-Platte aufgetragen wird. Wenn Eisen oder Stahl beschichtet werden, ermöglicht eine untere Beschichtung von Kupfer die Haftbarkeit von Nickel. Die Poren (kleine Löcher) in den Nickel- und Chrom-Schichten fördern die Korrosionsbeständigkeit. Das helle Chrom verleiht den beschichteten Artikeln, wie z.B. Metallrahmen für Möbel und Zierblenden, eine Spiegel-ähnliche Oberfläche. Dickere Schichten, also bis zu 1000 µm, werden als Hartchrom bezeichnet und für Industrieanlagen verwendet, um die Reibung und den Verschleiß zu reduzieren.

In der Lösung besteht Chrom als Chromsäure, welches als sechswertiges Chrom bekannt ist. Eine hohe Stromstärke wird verwendet, um eine dünne Schicht von Chrom (+2 ) auf der Oberfläche der plattierten Arbeit zu stabilisieren. Säure-Chrom hat eine schlechte Streufähigkeit, feine Details oder Löcher sind weiter weg und erhalten weniger Stromstärke, was zu einer schlechten Beschichtung führt.

Verzinken

Zinkbeschichtungen verhindern eine Oxidation des geschützen Metalls, indem eine Schutzschicht geformt wird. Zinkoxid ist ein feiner, weißer Staub, der (im Gegensatz zu Eisenoxid) während der Bildung nicht zu einem Zerfall der Oberfläche des Grundmaterials führt. Das Zinkoxid kann als eine Schutzschicht vor weiterer Oxidation agieren, so ähnlich wie die Schutzmaßnahmen für Aluminium und rostfreien Stählen durch ihre Oxidschichten. Die Mehrheit der Eisenwaren-Teile werden verzinkt, anstatt mit Cadmium plattiert zu werden.[5]

Verzinnen

Der Verzinnungsprozess wird vor allem als Schutzschicht bei Eisenoberflächen, aber auch für Nichteisen-Oberflächen angewandt. Zinn ist ein nützliches Metall für die lebensmittelverarbeitende Industrie, da es ungiftig, dehnbar und korrosionsbeständig ist. Die ausgezeichnete Verformbarkeit des Zinns ermöglicht es ein verzinntes Grundmetallblech in eine Vielzahl von Formen zu verbiegen, ohne die Zinnoberfläche zu beschädigen. Sie bietet einen kathodischen Schutz für Kupfer, Nickel und andere Nichteisenmetalle, doch nicht für Stahl.

Zinn wird vor allem aufgrund seiner Fähigkeit das Grundmetall vor Oxidation zu schützen auch in der Elektronikindustrie verwendet, da es die Lötbarkeit erhält. Bei elektronischen Anwendungen kann 3% bis zu 7% Blei zugegeben werden, um die Lötbarkeit zu verbessern und das Wachstum von metallischen „Bärten“ bei druckbeanspruchten Einlagen zu verhindern, die ansonsten zu elektrischen Kurzschlüssen führen. Allerdings erließ RoHS (Restriction of Hazardous Substances) Vorschriften ab 2006, die verlangen, dass kein Blei absichtlich zugesetzt und der Höchstsatz von 1% nicht überschritten werden darf. Einige Ausnahmen wurden bei den RoHS-Anforderungen für wichtige elektronische Anwendungen aufgrund von Fehlern hinzugefügt, die als Folge der Zinnhaarbildung/Zinn-Whiskerbildung aufgetreten sind.

Legierungsplattierung

In einigen Fällen ist es wünschenswert Schichten aus zwei oder mehreren Metallen aufzubringen, was zu einer elektroplattierten Legierungschicht führt. Je nach Legierungssystem kann eine elektroplattierte Legierung durch Wärmebehandlung mischkristallverfestigt oder ausscheidungsgehärtet werden, um die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Plattierung zu verbessern. Nickel-Kobalt ist eine häufige elektroplattierte Legierung.

 

Verbundplattierung

Metallmatrix-Verbundplattierung kann durch die Plattierung eines Grundmetalles in einem Bad mit einer Suspension aus keramischen Partikeln gefertigt werden. Die sorgfältige Auswahl der Größe und Zusammensetzung der Partikel kann die Plattierung auf Verschleißfestigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit oder die mechanische Festigkeit feinabstimmen. Wolframcarbid, Siliciumcarbid, Chromcarbid und Aluminiumoxid (Tonerde) werden häufig bei der zusammengesetzten Elektroplattierung verwendet .

 

Cadmium-Plattierung

Cadmium-Plattierung steht aufgrund der ökologischen Toxizität des Cadmiummetalls unter strenger Kontrolle. Allerdings wird die Cadmium-Plattierung immer noch häufig für einige Anwendungen verwendet, wie z.B. die Verbindungselemente für die Luftfahrt und für Militär- und Luftfahrt-Brillen. Doch aufgrund seiner Toxizität wird es immer seltener verwendet.[6]

Die Cadmium-Plattierung bietet viele technische Vorteile, wie z.B. eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit sogar bei relativ geringer Dicke und in Salz-Atmosphären, Weichheit und Geschmeidigkeit, Freiheit von klebrigen und/oder dicken Korrosionsprodukten, galvanische Kompatibilität mit Aluminium, Freiheit von Ruckgleiten, was wiederum das feste Anziehen der plattierten Fäden ermöglicht, es kann in vielen Farben oder klar gefärbt werden, hat eine gute Schmierfähigkeit und Lötbarkeit und funktioniert auch gut als letztes Finish oder als Lack-Basis.[5][7]

Wenn es ökologische Bedenken gibt, kann in den meisten Fällen die Cadmium-Plattierung direkt durch eine Vergoldung ersetzt werden, da Gold die meisten gemeinsamen Materialeigenschaften aufweist, doch ist das Gold teurer und dient nicht als Lack-Basis.

Nickel-Plattierung

Die chemische Reaktion für die Nickel-Plattierung ist :

An der Kathode : Ni → Ni2 + + 2e-

An Anode : H2PO2 + H2O → H2PO3 + 2 H +

Im Vergleich zur Cadmium-Plattierung bietet die Nickel-Plattierung einen glänzenderen und schwereren Überzug, aber auch eine niedrigere Korrosionsbeständigkeit, Schmierfähigkeit und Formbarkeit. Das Material neigt dann zu brechen oder abzublättern, wenn das Stück weiterverarbeitet wird.[5]

Chemische Nickel-Plattierung

Die chemische Nickel-Plattierung bietet viele Vorteile: gleichmäßige Schichtdicke über die kompliziertesten Oberflächen, direkte Plattierung von Eisenmetallen (Stahl), überlegene Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit bei elektroplattiertem Nickel oder Chrom. Ein Großteil der Chrom-Plattierung für die Luft-und Raumfahrtindustrie kann mit chemischer Nickel-Plattierung ersetzt werden. Auch hier sprechen die Umweltkosten, Kosten für die Entsorgung von sechswertigem Chrom und die notorische Neigung der ungleichmäßigen Stromverteilung für die chemische Nickel-Plattierung.[8]

Die chemische Nickel-Plattierung ist ein selbst-katalysierender Prozess. Die resultierende Nickelschicht ist eine NiP-Verbindung mit 7-11% Phosphorgehalt. Die Eigenschaften der resultierenden Schichthärte und Verschleißfestigkeit werden stark durch die Badzusammensetzung und Abscheidungstemperatur beeinflusst, die mit 1°C-Genauigkeit geregelt werden sollte. Diese liegt in der Regel bei 91°C.

Während der Badumwälzung werden auch alle enthaltenen Partikel vernickelt. Dieser Effekt wird in Prozessen der Ablagerungs-Plattierung mit Partikeln wie Siliziumkarbid (SiC) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) genutzt. Obwohl dieses Verfahren im Vergleich zu vielen anderen Plattierungsverfahren besser ist, ist es auch teurer, weil der Prozess komplex ist. Darüber hinaus ist das Verfahren auch bei dünnen Schichten langwierig. Wenn nur die Korrosionsbeständigkeit oder Oberflächenbehandlung wichtig sind, sind keine sehr strengen Badzusammensetzungs- und Temperaturregelungskontrollen erforderlich und das Verfahren kann für die Plattierung von vielen Tonnen in einem Bad auf einmal verwendet werden.

Chemische Nickel-Plattierungs-Schichten sind dafür bekannt eine extreme Oberflächenadhäsion aufzuweisen, sofern richtig plattiert wurde. Die chemische Nickel-Plattierung ist nicht magnetisch und amorph. Chemische Nickel-Plattierungs-Schichten können weder leicht verlötet werden, noch fassen sie sich mit anderen Metallen oder anderen chemisch vernickelten Werkstücken unter Druck. Dieser Effekt kommt chemisch vernickelten Schrauben aus Temperguss-Materialien, wie z.B. Titan, zu gute. Der elektrische Widerstand ist höher im Vergleich zur reinen Metallplattierung.

 

Quellen

[1] Kuo, Hong-Shi; Hwang, Ing-Shouh; Fu, Tsu-Yi; Lin, Yu-Chun; Chang, Che-Cheng; Tsong, Tien T. (7 November 2006). „Noble Metal/W(111) Single-Atom Tips and Their Field Electron and Ion Emission Characteristics“. Japanese Journal of Applied Physics 45 (11): 8972–8983. doi:10.1143/JJAP.45.8972.
[2] http://epner.com/default/index.cfm/applications/plating-on-plastics/
[3] Clint DeBoer (2009-07-23). „Silver Saboteurs – Are Silver Audio Cables Better?“. Audioholics. Retrieved 2011-12-11.
[4] Pushpavanam, M; Raman, V; Shenoi, B (1981). „Rhodium — Electrodeposition and applications“. Surface Technology 12 (4): 351.
[5] Cadmium vs. Zinc vs. Nickel Plating Comparison“ Finishing.com
[6] Why use cadmium plated fasteners in the aeronautical field. finishing.com
[7] Cadmium plating. Erie Plating Company
[8] Kanigen. schnarr.eu

 

Author: Lukas Steiner on 23. Juni 2013
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