Artikelarchiv

Einleitung


In den Vereinigten Staaten hatte der Bereich des Kunststoffgalvanisierens in den letzten fünf Jahren eine Zuwachsrate von ca. 8,4 %. Bis zum Ende des Jahrzehnts wird eine weitere kontinuierliche Wachstumsrate von 6 % erwartet [1]. Das größte Wachstum wird auf dem Bereich der technischen Kunststoffe erwartet, da diese einen sehr großen Anwendungsbereich, besonders in der elektrischen und elektronischen Industrie haben. Die andauernde Entwicklung neuer, technisch interessanter Kunststoffe mit besonderen physikalischen Eigenschaften ist eine konstante Herausforderung für die Galvanotechnik. Sowohl die Kunststoffhersteller wie auch die Endverbraucher arbeiten mit der galvano- technischen Industrie mit dem Ziel zusammen, neue Vorbehandlungsverfahren für diese Kunststoffe zu entwickeln.

1 Einleitung

Die chemische Abscheidung zählt zu den modernen Herstellungsverfahren von heute, mit denen in verschiedenen technischen Bereichen sowohl Überzüge aus reinen Metallen, als auch Dispersions- schichten erzeugt werden. Die chemische Metallisierung ist nicht von der elektrischen Stromdichteverteilung abhängig, was die Abscheidung einer gleichmäßigen Schichtdicke auf Teile mit komplizierter Kontur ermöglicht, vorausgesetzt, dass die Lösung die zu überziehende Oberfläche erreichen kann. Aus diesem Grunde kommt der Prozessuntersuchung und der Entwicklung von stromlosen Abscheidungsverfahren für Dispersionsschichten, insbesondere für solche mit Nickelmatrix, im Hin- blick auf höhere Härte und Verschleißfestigkeit von Teilen mit kompliziertem Profil, wie etwa Press- formen, Schneidwerkzeuge u.a.m. eine aussichts- reiche Bedeutung zu.

Teil II: Untersuchungen zur Aufklärung der Schichtstruktur:
Problematik: Die Struktur chemisch niedergeschlagener Nickelschichten mit Phosphorgehalten von 7–10 Gew.-% wurde erstmals 1957 von Goldenstein, Rostoker und Schossberger näher untersucht. Auf Grund von Röntgenstrukturanalysen und Elektronenbeugungsaufnahmen schrieben sie frisch hergestellten Nickel-Phosphorschichten auf Metallen und Nichtmetallen die Struktur einer amorphen Festsubstanz mit flüssigkeitsähnlicher Unordnung der Atome zu. Diese Struktur schien sich unabhängig von der Struktur und der Vorbehandlung des Basismaterials sowie von den Herstellungsbedingungen und der Dicke des Niederschlags auszubilden. Metallographische Untersuchungen 25–250 µm dicker Schichten zeigten ein dichtes, fast fehlerfreies Material mit lamellarer Textur parallel zur Unterlage, deren Oberflächenprofil genau nachgebildet wurde. Fehler in der Schichtausbildung führten diese Forscher auf Unregelmäßigkeiten in der Substratoberfläche zurück, da sich die Fehler stets in Richtung der Schichtnormalen erstreckten.

Teil I; Herstellung unmagnetischer Schichten mit Glättungseffekt: Die stromlose Abscheidung phosphorhaltiger Nickelschichten aus sauren oder alkalischen Bädern mit Hypophosphit als Reduktionsmittel basiert auf Arbeiten von Brenner und Riddell vor mehr als zwanzig Jahren. Obwohl diesen ersten Bädern noch eine hinreichende Stabilität fehlte, fanden sie dennoch bald Eingang in die Praxis und werden heute in verbesserter Form beim Kanigen-Verfahren hauptsächlich für Zwecke des Korrosionsschutzes benutzt. Dieses Verfahren ergänzt zusammen mit dem Nibodur-Verfahren, das Boranate oder Borazane als Reduktionsmittel verwendet, die galvanische Vernickelung mit äußerer Stromquelle. Wesentliche Vorteile der stromlosen Nickelabscheidung gegenüber der normalen galvanischen Vernickelung sind bekanntlich, daß sich auch Nichtleiter relativ haftfest und direkt vernickeln lassen und die Schichten hohen Ansprüchen hinsichtlich gleichmäßiger Schichtdicke, Härte und Korrosionsfestigkeit genügen. Diese Vorteile werden heute in verschiedenen Variationen auch in der Elektrotechnik und Elektronik ausgenutzt.

Teil 1: Mikroskalige Dispersoide

1 Einleitung

In den letzten Jahren stellte die stürmische Entwicklung auf dem Gebiet der Anwendung von Kunststoffen in Industrie, Bauwesen so-wie für den täglichen Bedarf neue Anforderungen an die Qualität von Kunststoffoberflächen. So genügt es z.B. nicht nur, die Oberfläche eines Nichtleiters durch metallische Beschichtung leitfähig zu machen oder Polymeren mittels einer Metallbeschichtung metallischen Charakter mit attraktivem Äußeren zu verleihen. Vielmehr besteht für die Fertigung verschiedener innovativer Produkte aktueller Bedarf, die Oberfläche von Kunststoffen durch gezielte Beschichtung derartig zu vergüten, daß sie sowohl dekorativen als auch speziellen funktionellen Anforderungen genügen. Insbesondere sind neben einem dekorativen und korrosionsbeständigen Äußeren auch spezielle tribologische Eigenschaften erwünscht. Für die Erfüllung solcher Forderungen erweisen sich auf Grund ihres strukturellen Erscheinungsbildes besonders strom- los abgeschiedene Nickelschichten als geeignet.

Teil 2: Nanoskalige Dispersoide


1 Einleitung


In [1] wurde über Ergebnisse berichtet, die im Rahmen von Untersuchungen zur stromlosen Abscheidung von NiP-SiC-Dispersionsschichten aus alkalischen Elektrolyten auf ABS- Kunststoffen erhalten wurden. Es konnte gezeigt werden, dass mit SiC als Dispersoid die stromlose Abscheidung von NiP-SiC-Dispersionsschichten auf ABS-Kunststoffen möglich ist und sich dabei eine Einlagerungquote von etwa 15 % erreichen lässt. Für die relativ dünnen Schichten der stromlosen Kunststoffbeschichtung erwiesen sich jedoch Dispersoide mit Teilchengrößen von 1 bis 5 pm als nicht besonders vorteilhaft, da ihre Einbettung in die Nickel/Phosphor-Matrix insbesondere bei größeren Partikeln nicht mehr vollständig erreicht wird. Es erscheint deshalb als zweckmäßig, weiterführende Untersuchungen mit nanoskaligen Dispersoiden vorzunehmen.


Einleitung

Die ersten elektrochemisch abgeschiedenen Dispersionsschichten stammen aus den frühen sechziger Jahren des vorigen Jahrhunderts. Sie riefen ein wachsendes Interesse hervor, da sie eine Reihe wertvoller Eigenschaften mit für die Praxis wichtigen Vorteilen der in die Metallmatrix ein- gelagerten Nichtmetallstoffe besitzen. So weisen z.B. die Dispersionsschichten verbesserte Härte- und Festigkeitswerte bei Raum- und erhöhten Temperaturen sowie eine höhere Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit auf. Bei einigen Schicht- arten ist der Reibungskoeffizient auch wesentlich geringer. Diese optimierten Eigenschaftskennwerte der Metalle sollten natürlich in Zusammenhang mit ihren übrigen Merkmalen verglichen werden, bei denen die Einlagerung der Dispersionsphase in die Metallmatrix eine schlechtere Charakteristik zur Folge hätte. Ein umfassender und tiefgehen- der, analytischer Überblick der elektrolytischen Abscheidung von Dispersionsschichten ist in [1] veröffentlicht. Auch in den letzten Jahren wurde dieser Trend intensiver Forschungen fortgesetzt. Etwas später verlagerte sich der Gegenstand wissenschaftlicher und technologischer Unter- suchungen auf die stromlose Abscheidung von Dis- persionsschichten. Wie bekannt ist, zeichnen sich die chemisch abgeschiedenen Überzüge durch eine höhere Härte- und Verschleißbeständigkeitscharak- teristik, sowie durch geringere Porosität und eine gleichmäßige Schichtdicke auf Teile mit kompli- zierter Konfiguration aus. Die angeführten Vorteile, aber auch weitere wertvolle Eigenschaften, sind durch die Einlagerung einer harten Dispersions- phase in die Metallmatrix positiv zu beeinflussen. Abgesehen von den zu erwartenden günstigeren Eigenschaften dieser neuen Schichtarten ist deren stromlose Abscheidung noch immer ungenügend untersucht. Lediglich in Kurzberichten wurde in

der Fachliteratur über die chemische Abscheidung von Dispersionsschichten aus einem alkalischen Kupferelektrolyten einige Male berichtet. Wie bereits in [2] erläutert, finden als Dispersoide z.B. Boride, Karbide oder Nitride Verwendung. Besondere Aufmerksamkeit ist den Kupferüber- zügen mit eingelagerten Diamantenpulverteilchen kleiner Abmessungen gewidmet [3]; Information über stromlos abgeschiedene Dispersionsschichten verschiedener Metallen (einschließlich Kupfer) und Legierungen mit einer PTFE-Dispersionsphase ist in [4] zu finden. Die Schichten zeichnen sich durch größere Hydrophobie und ausgezeichnete tribologi- sche Eigenschaften aus.

 Einleitung

Die rasante Entwicklung von praktischen Berei- chen wie Elektronik und Kunststoff-Galvanisierung führten um die Mitte des vorigen Jahrhunderts zu einem außerordentlichen Interesse für die strom- lose Verkupferung von Nichtmetalloberflächen. In diesem Zeitabschnitt richteten die Forscher ihre Untersuchungen auf:

– das vorherige Aufrauen der Kunststoffoberflä- che, um die notwendige Haftfestigkeit des darauf abgeschiedenen Kupferüberzugs zu sichern;

– die notwendige Entwicklung von wirksamen Aktivierungslösungen, die eine katalytisch aktive Kunststoffoberfläche gewähren;

– die Schaffung von stabilen Elektrolyten, die mit einer genügenden Geschwindigkeit Kupferüber- züge stromlos abscheiden. Diese Elektrolyte ent- halten Kupfer(II)salze, Reduktor, Komplexbild- ner, Puffer und verschiedene Zusätze als Stabili- satoren, Netzmittel, Glanzbildner u.a.m.

Die Probleme der stromlosen Kupferabscheidung erscheinen als Hauptthemen in einer Reihe von Monographien [1-5], sowie in einer beträchtlichen Anzahl von Artikeln und Patentschriften.

Ein neuer Bereich in diesem Problemkreis ist die Gewinnung von Kupfer-Dispersionsschichten. Sie werden beispielsweise durch die Einlagerung von Molybdänsulfid (MoS2), Graphit oder einigen Kunststoffen in die Metallmatrix erzielt [6]. Viele Verfasser untersuchten die in einem alkalischen Ver- kupferungselektrolyten stromlos abgeschiedenen Dispersionsüberzüge. Zu diesem Zweck kommen als Dispersoide Boride, Karbide, Nitride, sehr oft aber auch feinkörniges Diamantenpulver zum Ein- satz [7]. In [8] erörtert man die Ergebnisse von ver- schiedenen stromlos abgeschiedenen Metallüber- zügen mit einer PTFE-Dispersionsphase.

Ein bedeutender Vorteil der Abscheidungsverfah- ren für Dispersionsüberzüge besteht darin, dass die

Arbeitsbedingungen sehr wenig von der jeweiligen stromlosen Vernicklung, Verkupferung usw. abwei- chen. Im Vergleich zur Plasmametallisierung oder zu den pulvermetallurgischen Verfahren weisen die Dispersionsüberzüge im Hinblick auf Dicke und Strukturbeschaffenheit eine größere Gleichmäßig- keit auf, die Vorbehandlung der Formteile ist dem- entsprechend feiner und das Grundmaterial ist nur sehr schwach beansprucht.

In der einschlägigen Literatur fand die Autorin keinerlei Daten über etwaige stromlose Abschei- dungsverfahren für Kupfer-Dispersionsschichten auf Kunststoffen. Das ist ein sehr interessanter Pro- blemkreis in der Praxis, wenn an die Formteile erhöhte Anforderungen im Hinblick auf mecha- nische Verschleißfestigkeit, Härte oder niedrigen Reibungskoeffizienten gestellt werden. Aus diesem Grunde wurde als Untersuchungsgegenstand der vorliegenden Forschungsreihe eben die stromlose Abscheidung von Kupfer-Dispersionsüberzügen auf Kunststoffen mit eingelagertem mikroskaligem Siliziumkarbid gewählt.

Diamantbeschichtungen bestehen aus einer nach stromlosen Galvanisierverfahren hergestellten regenerativen Matrix, normalerweise aus einer Nickel-Legierung, in der winzige Diamantpartikel (0,1-10 Mikrometer) gleichmäßig verteilt sind. Die Überzugsmatrix vermag bis zu 60 Volumenprozent Diamantmaterial aufzunehmen, obwohl der Partikelanteil gewöhnlich nur 20-30 % beträgt. Die Ni-Legierungs-Matrix besteht in der Regel aus 90- 93 % Nickel und 7-10 % Phosphor.
Winzige Partikel synthetischer Diamanten oder ähnlicher Hartmaterialien werden dazu in einer substratverträglichen Matrix, d.h. vorzugsweise der erwähnten Ni-Legierung suspendiert, um eine Art Verbundüberzug zu erzeugen, der zahlreiche wünschenswerte Eigenschaften besitzt. Aus dem stromlosen Bad abgeschiedene Ni-Überzüge sind aufgrund ihrer amorphen Beschaffenheit außerordentlich korrosionsbeständig. Diamantpartikel erhöhen ihre Härte und Verschleißfestigkeit; sie bewirken zudem einheitliche Reibungscharakteristika.

Senkung der Strombezugskosten durch optimalen Einkauf

Die Kosten für elektrische Energie sind nicht so unabänderlich, wie häufig angenommen wird. Im folgenden Beitrag soll aufgezeigt werden, wie sie sich durch optimale Gestaltung und Ausnutzung des Stromlieferungsvertrages senken lassen.
Die Tabelle 1 vermittelt eine Übersicht, welche grundsätzlichen Möglichkeiten existieren und in welchen Bereichen sie angreifen.
Eine Möglichkeit ist natürlich die Energieeinsparung, z.B. durch teilweises Abschalten von Verbrauchern. Diese Art der Kostensenkung soll hier nicht weiter betrachtet werden. Die anderen beiden Möglichkeiten, nämlich die optimale Vertragsgestaltung und die Änderung der Abnahmeverhältnisse, greifen im vertraglichen Bereich an.

Ein neues Stromleiterseil des amerikanischen Mischkonzerns 3M soll den notwendigen Ausbau der Stromnetze deutlich beschleunigen. Mit der Aluminum Conductor Composite Reinforced (ACCR)- Technologie hat 3M ein vollständig auf Aluminium aufbauendes Hochleistungsleiterseil entwickelt, das selbst bei extremen Bedingungen und Umgebungen die Übertragungskapazität erhöht.

Galvanische Bindung von Diamant und Bornitrid (Einnickelung)

Werkzeuge mit hoher Schleifleistung und Präzision sind abhängig von der Einnickeltiefe und Festigkeit des Diamantbelages. Gewährleistung dieser Kriterien bieten präzise Stromquellen hoher Konstanz und Zuverlässigkeit. // 

Tools with high grinding power and precision are dependent on the nickel plating depth and strength of the diamond coating. Warranting these criteria enables precise current sources of a high consistency and reliability

Der Anteil Erneuerbarer Energien im deutschen Strommix nahm im Jahr 2023 im Vergleich zu den Vorjahren weiter zu. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE wertete die Daten zur Stromerzeugung aus. Noch nie wurde so viel Strom aus Erneuerbaren Energien erzeugt wie im vorigen Jahr, nämlich 59,7 Prozent. Seit dem Jahr 2016 ist die installierte Leistung aus Erneuerbaren Energien im Stromnetz größer als die aus fossilen und nuklearen Quellen. So nahm 2023 die Erzeugung aus Braun- und Steinkohle um 29,6 Prozent ab, was der CO₂-Bilanz zugutekommt. Trotzdem wird die Kohle noch gebraucht, denn 26,4 Prozent des erzeugten Stromes wird mit ihr bereitgestellt. Die Windkraft lieferte schon 32,2 Prozent und ist damit auch der wichtigste Energieträger für die Stromerzeugung. Dennoch mahnt das ISE, dass der Ausbau der Windenergie nicht wie geplant voranschreitet.

Das Jahr 2022 war von extremen Preisen und einem starken Wachstum bei den erneuerbaren Energien geprägt, das hat die Strom-Jahresauswertung des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE für Deutschland ergeben. Auch der Stromhandel mit den Nachbarländern zog an. Der Anteil der erneuerbaren Energien an der Nettostromerzeugung, d.h. dem Strommix, der tatsächlich aus der Steckdose kommt, lag bei 49,6 % und ihr Anteil an der Last lag bei 50,3%. Einzig die Photovoltaik erreichte die von der Bundesregierung vorgegebenen Ausbauziele und konnte ihren Beitrag zur Stromerzeugung um 19 % steigern. Die deutschen Photovoltaikanlagen erzeugten 2022 etwa 58 TWh, wovon ca. 53 TWh ins öffentliche Netz eingespeist und 5 TWh selbst verbraucht wurden. Der Zubau von EEG-Anlagen mit 6,1 GW erhöhte die installierte Leistung auf ca. 66 GW (Stand November). Dies war der höchste Photovoltaik-Zubau seit 2013.

Der überwiegende Teil der heute hergestellten durchmetallisierten Leiterplatten wird nach wie vor nach dem „kombinierten Verfahren“ gefertigt und zwar außenstromloses (chemisches) Metallisieren und galvanischer Metallauftrag wie etwa Kupfer, Zinn, Zinn-Blei, Gold und Goldlegierungen.
Nach dem Bohren werden die Lochwände durch ein außenstromlos arbeitendes Kupferbad elektrisch leitfähig gemacht, dabei scheidet sich je nach Verfahren eine Kupferschicht von 0,5-2,5 ym Dicke ab.
Es stehen zwei verschiedene Techniken zur Verfügung. Die Flächengalvanisierung (Panel-Plating) mit Anschlagverkupferung und Flächenverkupferung sowie die Leiterbildgalvanisierung (Pattern- Plating).

Die Regelung mit Badkennlinien ist zur Konstanthaltung der Stromdichte bei Galvano-Gleichrichtern nur für metallabscheidende Bäder anwendbar. Sie ist dort vorteilhaft, wo häufig verschiedenartige Warenteile mit unterschiedlichen Oberflächen mit gleicher Stromdichte galvanisiert werden müssen. Die Abstände von Warenteil zur Anode sollen in diesen Fällen möglichst nicht verändert werden. Es werden die Möglichkeiten zur Konstanthaltung der Stromdichte behandelt, die sich durch dieses Regelverfahren ergeben.

The maintenance of constant current density with electroplating rectifiers by control based on bath characteristics can only be used for metal depositing baths. It is advantageous where different types of components having varying surfaces must be plated at similar current densities. The distance of the articles from the anodes should, as far as possible, not change in such cases. The possibilities of maintaining current density by this method of control are examined.

Mehr und mehr gehen heute die Abnehmer galvanisierter Waren dazu über, gewisse Mindestschichtstärken vorzuschreiben. Während früher meist nur dekorative Wirkungen angestrebt wurden, wird heute bei fast allen Waren Korrosionsschutz verlangt. Dies erfordert naturgemäß auch eine Umstellung der Arbeitsmethoden. Viele Galvaniseure arbeiten aber auch heute noch nach der Methode: Bad mit Ware beschicken, eine bestimmte Spannung einstellen und eine gewisse Zeit galvanisieren.

Für den Klimaschutz so viel wie nötig, aus Effizienzgründen so wenig wie möglich

Steigende Anforderungen an den Klimaschutz, wie im Koalitionsvertrag zwischen Union und SPD vereinbart, erfordern langfristig den gezielten Einsatz strom- basierter synthetischer Brennstoffe und den Ausstieg aus fossilem Öl und Gas. Damit die gegenwärtig sehr hohen Kosten für die Herstellung solcher strombasierten Energieträger sinken, sollte frühzeitig und kontinuierlich in den Bau von Erzeugungsanlagen investiert werden, empfehlen die beiden Thinktanks Agora Energiewende und Agora Verkehrswende. Es geht um „eine internationale 100-Gigawatt-Herausforderung“ und um einen „Öl- und Gaskonsens“, heißt es in einer gemeinsamen Analyse der beiden Stiftungs-Initiativen.

Die Menge Metall, die beim Stromdurchgang durch ein galvanisches Bad an der Kathode tatsächlich abgeschieden wird, bezeichnet man als die kathodische Stromausbeute. Dieser tatsächlich erreichte Wert weicht oft sehr erheblich vom theoretischen Stromausbeute-Wert ab, denn in einigen galvanischen Bädern verläuft parallel zur Metallabscheidung noch eine sehr lebhafte Wasserstoff-Entwicklung, die auch Strom erfordert, der dann aber für die Metallabscheidung verloren ist. Besonders deutlich tritt dies im Hart-Chrombad in Erscheinung, in dem Stromausbeuten erreicht werden, die etwa 20 % des theoretischen Wertes betragen. Es ist bekannt, daß in Hartchrombädern die Stromausbeute sich nur selten längere Zeit hindurch konstant halten läßt.

Politische Entscheidungen haben den beispiellosen Boom der Solartechnik und der anderen erneuerbaren Energien in Deutschland erst möglich gemacht. Die politischen und gesetzlichen Randbedingungen, vor allem in Form des Erneuerbare- Energien-Gesetzes (EEG) werden auch zukünftig dafür sorgen, dass deutsche Firmen und deutsche Verbraucher von der Nutzung der Solarenergie profitieren...