Metallbeschichtung erklärt: Arten, Vorteile und Anwendungen

Was ist Metallbeschichtung (Plating)?

Metallbeschichtung ist eine dünne Metallschicht, die auf die Außenseite eines Materials aufgebracht wird. Es ist ein Oberflächenbeschichtungsverfahren, bei dem ein Metall auf eine leitfähige Oberfläche abgeschieden wird. Beschichten wird seit hunderten Jahren praktiziert und ist auch für moderne Technologie entscheidend.

Beschichten dient der Dekoration, Korrosionshemmung, Verbesserung der Lötbarkeit, Härtung, Verschleißfestigkeit, Reibungsminderung, Verbesserung der Lackhaftung, Leitfähigkeitsänderung, IR-Reflexionsverbesserung, Strahlenschutz und weiteren Zwecken. Schmuck nutzt Beschichtung typischerweise für Silber- oder Goldfinish.

Die Dünnschichtabscheidung hat Objekte bis zur Größe eines Atoms beschichtet – daher findet Beschichtung auch in der Nanotechnologie Anwendung.

Es gibt diverse Beschichtungsmethoden und viele Varianten. Bei einer Methode wird eine feste Oberfläche mit einem Metallblech belegt und dann unter Hitze und Druck verschmolzen. Andere Techniken umfassen Galvanisieren (Elektrobeschichtung), Gasphasenabscheidung unter Vakuum (PVD) und Sputtern. In jüngerer Zeit bezieht sich „Plating“ oft auf flüssigkeitsbasierte Verfahren. Metallisieren bezeichnet das Beschichten nicht-metallischer Objekte mit Metall.

Vorteile der Metallbeschichtung

Metallbeschichtung bietet viele Vorteile für Produkte aus Metall und anderen Materialien. Dies wird meist durch Galvanisieren (erfordert Strom) oder chemisches Beschichten (autokatalytischer chemischer Prozess) erreicht. Diese Techniken und einige andere ergeben einen oder mehrere der folgenden Vorteile:

• Verbesserte Korrosionsbeständigkeit
• Dekorativer Reiz
• Erhöhte Lötbarkeit
• Erhöhte Härte
• Reduzierte Reibung
• Veränderte Leitfähigkeit
• Verbesserte Lackhaftung
• Materialabscheidung / Aufbau
• Erhöhter Magnetismus

Arten der Metallbeschichtung

Es gibt viele verschiedene Arten der Metallbeschichtung wie folgt:

1. Galvanisieren (Elektrobeschichtung / Electroplating)
2. Chemisches Beschichten (Electroless Plating)
3. Tauchbeschichtung (Immersion Plating)
4. Aufkohlen / Einsatzhärten (Carburizing)
5. Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD – Physical Vapor Deposition)
6. Plasma-Spritzbeschichtung (Plasma Spray Coating)

1. Galvanisieren (Electroplating)

Galvanisieren ist die häufigste Beschichtungsmethode. Es nutzt elektrischen Strom, um positiv geladene Metallteilchen (Ionen) in einer chemischen Lösung zu lösen. Die positiv geladenen Metallionen werden zum zu beschichtenden Material gezogen, das die negativ geladene Seite des Stromkreises bildet.

Das zu beschichtende Teil wird in diese Lösung getaucht, und die gelösten Metallteilchen lagern sich auf der Materialoberfläche ab. Galvanisieren ergibt eine glatte, gleichmäßige und schnelle Beschichtung, die die Materialoberfläche effektiv verändert.

Beim Galvanisieren können diverse Schritte und Prozesse involviert sein: Reinigen, Anlösen (Striking), elektrochemische Abscheidung, Pulsgalvanisieren und Pinselgalvanisieren (Brush Plating).

Wirkungen:

Galvanisieren dient als Schutzschicht, dekoratives Erscheinungsbild oder zur Änderung von Materialeigenschaften für technische Zwecke. Es verbessert chemische, physikalische und mechanische Eigenschaften des Werkstücks, was dessen Bearbeitungsverhalten beeinflusst.

Beschichten kann das Werkstück von kleinerer Größe aufbauen, die Bearbeitung erleichtern und Lötbarkeit, Leitfähigkeit oder Reflexionsvermögen erhöhen.

2. Chemisches Beschichten (Electroless Plating)

Chemisches Beschichten heißt so, weil es keine externe elektrische Energie nutzt. Es basiert auf einer chemischen Reaktion, die Metallatome reduziert.

Anders ausgedrückt: Die Lösung von Metallionen (Teilchen), gemischt mit einem Reduktionsmittel, wandelt sich in festes Metall um, wenn sie mit dem katalysierenden Metall (Reaktionsauslöser) in Kontakt kommt. Dies ergibt eine feste Beschichtungsschicht des Beschichtungsmetalls.

Wirkungen:

Chemisches/autokatalytisches Beschichten eignet sich für diverse Größen und Formen ohne externe Stromquelle oder Beschichtungsbäder, was Kosten senkt. Allerdings ist es langsamer, kann keine dicken Schichten erzeugen und ist schwieriger zu kontrollieren als Galvanisieren.

Die gängigste Methode ist chemisches Nickelbeschichten. Auch Silber, Gold und Kupfer lassen sich damit beschichten.

Auswirkungen auf das Endprodukt: Schutz des Grundmetalls vor Korrosion, Vergrößerung des Werkstücks, veränderte Lötbarkeit, Reflexionsvermögen und Leitfähigkeit.

3. Tauchbeschichtung (Immersion Plating)

Bei der Tauchbeschichtung wird ein Metall in eine Lösung von Metallionen eines edleren Metalls getaucht. Die Ionen des edleren Metalls sind stabiler, weshalb ein natürlicher „Zug“ besteht, die Oberflächenionen des weniger edlen Metalls durch eine dünne Schicht der edleren Metallionen zu verdrängen.

Tauchbeschichtung ist langsamer und nur für das Beschichten weniger edler Metalle mit edleren Metallen nutzbar. Edle Metalle sind chemisch inert – z. B. Gold, Platin, Silber.

Wirkungen:

Tauchbeschichtung ergibt nur eine dünne Beschichtung, woraufhin der Prozess stoppt. Die Haftqualität scheint schlechter – die Beschichtung „klebt“ weniger fest am Grundmetall.

Auswirkungen auf das Endprodukt: verbesserte Korrosionsbeständigkeit, veränderte elektrische Leitfähigkeit, verändertes Erscheinungsbild, höhere Härte, Drehmomenttoleranz, modifizierte Bindungsfähigkeit.

4. Aufkohlen / Einsatzhärten (Carburizing)

Auch als Einsatzhärten bekannt, ist Aufkohlen ein Wärmebehandlungsverfahren, das eine verschleißfeste Oberfläche erzeugt, während die Kernfestigkeit erhalten bleibt. Meist an niedriglegiertem Stahl nach der Bearbeitung sowie an hochlegierten Zahnrädern, Lagern etc. angewendet.

Aufkohlen eignet sich für komplexe Formen günstigerer Materialien, die sich leicht bearbeiten lassen, um eine sehr harte Oberfläche zu erhalten. Der Prozess: Erhitzen des Teils in einer Grubenofen- oder Schutzgasofen-Atmosphäre.

Dann werden Aufkohlungsgase (meist Kohlenmonoxid, aber auch Natriumcyanid und Bariumcarbonat) bei Temperatur zugeführt; Hitze und Temperatur beeinflussen die Kohlenstoffdiffusionstiefe. Das Teil wird dann entweder langsam abgekühlt für spätere Härtung oder direkt in Öl gehärtet.

5. Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD – Physical Vapor Deposition)

PVD ist eine Familie von Beschichtungsprozessen, bei denen Dünnschichten auf dem Substrat abgeschieden werden. Beim PVD-Prozess wird festes Beschichtungsmaterial wie Titan, Chrom oder Aluminium durch Hitze oder Ionenbeschuss verdampft.

Während des Prozesses wird ein reaktives Gas wie Stickstoff zugeführt, das mit dem Metall-Dampf eine Verbindung bildet und als extrem dünne Schicht auf der Metalloberfläche abscheidet. Dies ergibt eine extrem starke Bindung zwischen Beschichtung und Metallteil.

Einige PVD-Vorteile: sehr harte, korrosionsbeständige Oberfläche, hohe Temperaturbeständigkeit, gute Schlagfestigkeit.

Ideal für breite Anwendungen:

• Luft- und Raumfahrt
• Automobil
• Schneidwerkzeuge
• Medizintechnik
• Waffen
• Optik
• Dünnschichten wie Fenstertönung, Lebensmittelverpackung

6. Plasma-Spritzbeschichtung (Plasma Spray Coating)

Plasma-Spritzbeschichtung ist eine der weniger bekannten Metallbeschichtungsarten. Bei diesem Verfahren, auch Thermisches Spritzen genannt, wird geschmolzenes oder wärmeerweitertes Material auf eine Oberfläche gespritzt, um die Beschichtung zu erzeugen.

Das Beschichtungsmaterial wird in eine extrem heiße Plasmalflamme (bis 10.000 K) injiziert, schnell erhitzt und mit hoher Geschwindigkeit auf die Teileoberfläche beschleunigt, wo es rasch abkühlt und eine Beschichtung bildet.

Das Verfahren erzeugt eine Beschichtung, meist auf Strukturmaterialien, als Schutz vor extrem hohen Temperaturen, z. B. im Abgashitzemanagement. Es bietet auch Korrosions- und Verschleißschutz. Die Beschichtung kann auch Erscheinungsbild und elektrische Eigenschaften des Teils ändern.

Bei der Beschichtung verwendete Metalle

Zinkbeschichtung

Zink ist ein kostengünstiges Material für galvanische Beschichtung auf vielen Metallsubstraten. Neben Galvanisieren wird es durch Sherardisieren, Tauchbad in geschmolzenem Zink und Spritzen aufgebracht.

Im elektrolytischen (kalten) Prozess wird das zu beschichtende Teil als Kathode in einem elektrolytischen Bad löslicher Zinksalze mit einer Zinkanode aufgebaut. Das Verfahren erzeugt einen hochduktilen Reinzink-Überzug, dessen Dicke und Gleichmäßigkeit präzise steuerbar sind.

Das Sherardisieren-Verfahren dient zum Beschichten kleiner Hardware wie Schrauben und Nägel. Teile werden mit Zinkstaub in einem Fass auf ca. 500 °F (260 °C) erhitzt. Durch Tumbling entsteht ein Überzug aus ca. 90 % Zink und 10 % Eisen.

Geschmolzenes Zink kann auch durch Tauchen oder manuelles Beschichten größerer Teile aufgebracht werden. Manchmal wird wenig Aluminium zum Bad gegeben, um Fließfähigkeit und Beschichtung komplexer Formen zu verbessern.

Ein kleiner Zinnanteil im Bad hilft bei gleichmäßiger Beschichtung und verbesserter Oberfläche. Das Tauchbadverfahren (Hot-Dip) erzeugt eine Zink-Eisen-Legierungsschicht am Grundmetall, die etwas spröde sein und die Haftung der Außenschichten beeinflussen kann.

Metallspritzen (Metallisieren) nutzt Flamme zum Schmelzen von Metallpulver oder -draht und prallt diese auf das Substrat, wodurch eine mechanische Bindung zwischen Beschichtung und Grundmetall entsteht. Die Grundmetalloberfläche muss etwas rau sein für die mechanische Bindung, aber ziemlich dicke Schichten sind so aufbringbar.

Beschichtungen können porös sein, aber da Zink zu Eisen und Stahl anodisch ist, beeinträchtigt dies die Korrosionsschutzwirkung nicht. Die poröse Natur des gespritzten Metalls macht es auch gut für Lackhaftung.

Cadmiumbeschichtung

Cadmiumbeschichtung wurde früher als Zinkersatz verwendet, oft für diverse Automobilteile. Flugzeughersteller spezifizierten sie für opfernden Korrosionsschutz und natürliche Schmierfähigkeit bei häufig demontierten und wiedermontierten Komponenten.

Besonders geeignet für Meeresumgebungen, wo sie gegen Süß- und Salzwasser beständig ist. Aufgrund von Sicherheitsbedenken hat die Nutzung als Beschichtungsmaterial über die Jahre abgenommen, ist aber noch verfügbar. Viele Luftfahrt-Hersteller sind auf Zink-Nickel-Legierungsbeschichtung umgestiegen.

Chrombeschichtung

Chrombeschichtung dient oft rein dekorativen Zwecken, fördert aber auch Korrosionsbeständigkeit und Härte – nützlich für industrielle Anwendungen mit Verschleiß. Hier als Hartchrom bezeichnet, wird es manchmal zur Toleranzwiederherstellung an verschlissenen Teilen genutzt.

Chrom wird meist über Nickel in der Herstellung von Stahlmöbeln, Autozierteilen etc. aufgebracht. Nickel selbst wird meist über Kupfer geschichtet, und die Kombination dieser drei Schichten schützt das Grundmetall vor Korrosion nur durch Ausschluss von Luft und Feuchtigkeit – keine anodische Wirkung. Daher muss die Beschichtung korrekt aufgebracht werden für geeigneten Korrosionsschutz.

Chrombeschichtung ist ein Galvanisierungsprozess, der meist Chromsäure (sechswertiges Chrom) nutzt. Dreiwertige Chrombäder (Chromsulfat/-chlorid) sind eine Alternative für industrielle Zwecke.

Chromat wird manchmal über Zinkbeschichtung aufgebracht, um das Zink zu schützen und in manchen Fällen die Farbe zu ändern – z. B. grün oder schwarz chromatiertes Zink.

Nickelbeschichtung

Nickel ist ein beliebtes Beschichtungsmetall, besonders weil es für chemisches Beschichten nützlich ist. Nickelbeschichtung überzieht oft Haushaltsprodukte wie Türgriffe, Besteck, Duscharmaturen für dekorative Verschleißfestigkeit.

Nickel bindet gut mit Kupfer und Aluminium, funktioniert aber auf vielen Metallen und dient als Unterlage für Chrom.

Beim chemischen Beschichten wird eine Nickel-Phosphor-Legierung verwendet. Der Phosphoranteil in der Lösung variiert zwischen 2 und 14 %. Höhere Phosphorgehalte erhöhen Härte und Korrosionsbeständigkeit. Niedrigere Gehalte ermöglichen höhere Lötbarkeit und Magnetismus.

Kupferbeschichtung

Kupfer ist ein weiteres beliebtes Beschichtungsmetall für Anwendungen mit hoher Leitfähigkeit und Kosteneffizienz. Kupferbeschichtung dient oft als Anlaufbeschichtung (Strike Coat) für nachfolgende Metallbeschichtungen.

Beliebt für Elektronikbauteile wie Leiterplatten. Hohe Abscheideeffizienz und niedrige Materialkosten machen Kupfer zu einem der günstigeren Beschichtungsmetalle.

Es gibt drei Kupferbeschichtungsprozesse: alkalisch, schwach alkalisch und sauer. Höhere Alkalinität liefert besseres Wurfvermögen, erfordert aber niedrigere Stromdichten und erhöhte Sicherheitsvorkehrungen. Gesundheitsbehörden haben Cyanid in alkalischen Kupferbädern mit Gesundheitsrisiken in Verbindung gebracht – diese Werte überwachen.

Goldbeschichtung

Gold wird für seine hohe Oxidationsbeständigkeit und elektrische Leitfähigkeit geschätzt. Goldbeschichtung (anders als Vergolden/Goldauflage, da kein Folienaufbringen) ist eine der einfachsten Methoden, diese Eigenschaften auf Metalle wie Kupfer und Silber zu übertragen. Oft für Schmuckdekoration und Verbesserung der Leitfähigkeit von Elektronikbauteilen wie elektrischen Steckverbindern genutzt.

Beim Goldbeschichten von Kupfer ist Anlaufen ein Problem, leicht lösbar durch vorangehenden Nickel-Anlauf (Nickel Strike). Auch Härte und Reinheit des Golds bei optimaler Badmischung und Tauchdauer beachten.

Silberbeschichtung

Wie Gold wird Silber für dekorativen Reiz und verbesserte elektrische Leitfähigkeit genutzt. Generell ist Silber eine kostengünstigere Beschichtungslösung, da es billiger als Gold ist und Kupfer gut beschichtet.

Einschränkungen der Silberbeschichtung: Feuchtigkeit und Kontaktkorrosion. Speziell funktioniert Silberbeschichtung nicht gut für Anwendungen mit hoher Luftfeuchtigkeit, da Silber zu Rissbildung und Abblättern neigt, was das Grundmaterial freilegen kann.

Zinnbeschichtung

Zinnbeschichteter Stahl wird seit langem für Lebensmittel- und Getränkeverpackungen genutzt. Neben Korrosionsschutz ist Zinn ungiftig und bietet eine Beschichtung, die Stahl leichter formbar macht (durch Schmierwirkung des Zinns) und gut schweiß- und lötbar macht.

Ein Passivierungsprozess überzieht die Zinnschicht mit lebensmittelechtem Öl, was auch die Lackhaftung verbessert. Zinnbleche können mit unterschiedlichen Zinndicken auf jeder Seite spezifiziert werden, um Innen- und Außenflächen optimal an ihre Umgebung anzupassen.

Zinnblech wird auch in anderen Verpackungen genutzt: Farbdosen, Fettdosen. Fast immer im Tauchbadverfahren (Hot-Dip) hergestellt. Zinnbeschichtung auch in Elektronikbauteilen.

Eine weitere zinnbasierte Beschichtung, Terneblech, nutzte traditionell Zinn-Blei-Legierung als Korrosionsschutz auf Stahl. Lackiert hielt das Metall 90 Jahre bei regelmäßiger Wartung – ideal für Zinkdächer.

Heute wurde Blei eliminiert; Zinn wird auf Edelstahl aufgebracht für korrosionsbeständige Dächer mit weicher Patina. Das Material hält doppelt so lange wie Kupferdächer.

Rhodiumbeschichtung

Rhodium ist ein Platinmetall, das Anlaufbeständigkeit, Kratzfestigkeit und einen glänzend weißen Glanz bietet. Rhodiumbeschichtung ist in der Schmuckherstellung üblich, besonders wenn Weißgold beschichtet werden muss. Silber, Platin und Kupfer sind ebenfalls beliebte Grundmetalle für Rhodiumbeschichtung.

Ein Nachteil: Die Schutzbarriere aus Rhodium nutzt sich bei Anwendungen mit hohem Verschleiß schließlich ab. Dies kann zu Verfärbung führen und nach einigen Jahren eine erneute Beschichtung erfordern.