Metaalplatering uitgelegd: typen, voordelen en toepassingen

Wat is metaalplatering?

Metaalplatering is een dunne laag metaal die aan de buitenkant van een materiaal wordt aangebracht. Het is een oppervlaktebehandelingsproces waarbij een metaal wordt gedeponeerd op een geleidend oppervlak. Platering wordt al honderden jaren toegepast en is ook cruciaal voor moderne technologie.

Platering wordt gebruikt om voorwerpen te decoreren, voor corrosiebescherming, om soldeerbaarheid te verbeteren, om te verharden, om slijtvastheid te verbeteren, wrijving te verminderen, verfhechting te verbeteren, geleiding te veranderen, IR-reflectiviteit te verbeteren, voor stralingsscherming, en voor andere doeleinden. Sieraden gebruiken doorgaans platering om een zilveren of gouden afwerking te geven.

De dunne-filmdepositie heeft voorwerpen geplateerd die zo klein zijn als een atoom, daarom vindt platering toepassing in nanotechnologie.

Er zijn verschillende plateringsmethoden en veel variaties. Bij één methode wordt een vast oppervlak bedekt met een metaalplaat, waarna warmte en druk worden toegepast om ze te smelten. Andere plateringstechnieken omvatten galvaniseren, dampdepositie onder vacuum, en sputterdepositie. Recentelijk verwijst platering vaak naar het gebruik van vloeistoffen. Metalliseren verwijst naar het aanbrengen van een metalen laag op niet-metalen objecten.

Voordelen van metaalplatering

Metaalplatering biedt veel voordelen voor producten gemaakt van metaal en andere materialen. Dit wordt voornamelijk bereikt door galvaniseren, wat een elektrische stroom vereist, of door chemische platering (electroless plating), wat een autocatalytisch chemisch proces is. Deze technieken, evenals een paar anderen, resulteren in een of meerdere van de volgende voordelen:

• Verbeterde corrosiebestendigheid
• Decoratieve uitstraling
• Verhoogde soldeerbaarheid
• Verbeterde hardheid
• Verminderde wrijving
• Gewijzigde geleiding
• Verbeterde verfhechting
• Materiaaldepositie
• Verhoogd magnetisme

Typen metaalplatering

Er zijn veel verschillende typen metaalplatering, zoals hieronder beschreven:

1. Galvaniseren (Electroplating)
2. Chemische platering (Electroless Plating)
3. Immersion Plating (Onderdompelplatering)
4. Carbureren
5. Fysieke Dampdepositie (PVD)
6. Plasma-spuitcoating

1. Galvaniseren (Electroplating)

Galvaniseren is de meest voorkomende plateringsmethode. Bij galvaniseren wordt een elektrische stroom gebruikt om positief geladen metaaldeeltjes (ionen) in een chemische oplossing op te lossen. De positief geladen metaalionen worden aangedaan door het te plateren materiaal, dat de negatief geladen zijde van het circuit is.

Het te plateren onderdeel of product wordt in deze oplossing geplaatst, en de opgeloste metaaldeeltjes worden naar het oppervlak van het materiaal getrokken. Galvaniseren resulteert in een gladde, gelijkmatige en snelle coating voor het geplateerde materiaal, wat effectief het oppervlak van het materiaal verandert.

Er zijn een aantal verschillende stappen en processen die bij galvaniseren kunnen betrokken zijn, waaronder reinigen, striking, electrochemische depositie, pulsgalvaniseren, en borstelgalvaniseren.

Effecten:

Galvaniseren wordt gebruikt om een beschermende coating, een decoratieve uitstraling te bieden, of om de eigenschappen van een materiaal te veranderen voor technische doeleinden. Galvaniseren verbetert de chemische, fysieke en mechanische eigenschappen van het werkstuk, wat invloed heeft op de manier waarop het presteert bij bewerking.

Het plateren van het werkstuk kan worden gebruikt om het op te bouwen vanaf een kleinere maat, het makkelijker te maken om te bewerken, en de soldeerbaarheid, geleiding of reflectiviteit te verhogen.

2. Chemische platering (Electroless Plating)

Chemische platering heet zo omdat het een plateringsmethode is die geen externe elektrische stroom gebruikt. Chemische platering omvat een chemische reactie die metaalatoomreductie induceert.

Met andere woorden, de oplossing van metaalionen (deeltjes) wanneer gemengd met een reducerend middel wordt omgezet in een vast metaal wanneer ze in contact komen met het katalyserende metaal (dat de reactie triggert). Dit resulteert in het plateren van het metaal met een vaste laag van het plateringsmetaal.

Effecten:

Chemische of autocatalytische platering is geschikt voor diverse formaten en vormen van materialen en vereist geen externe elektriciteit of plateringsbaden, wat de kosten verlaagt. Chemische platering is echter langzamer, kan geen dikke platen maken, en is moeilijker te controleren dan galvaniseren.

De meest voorkomende methode van autocatalytische platering is chemische nikkelplatering. Platering in zilver, goud en koper kan echter ook met deze techniek worden toegepast.

Effecten van chemische platering op het eindproduct omvatten het beschermen van het basismetaal tegen corrosie, het vergroten van de afmetingen van het werkstuk, en het veranderen van soldeerbaarheid, reflectiviteit en geleiding.

3. Immersion Plating (Onderdompelplatering)

Onderdompelplatering omvat het dompelen van één metaal in een oplossing van metaalionen van een edeler metaal. De ionen van het edelere metaal zijn stabieler, en dus is er een natuurlijke 'trekking' om de oppervlakte-metalionen van het minder edele metaal te verplaatsen met een dunne laag van de edelere metaalionen.

Onderdompelplatering is een langzamer proces, en kan alleen worden gebruikt voor het plateren van minder edele metalen met edelere metalen. Edelere metalen zijn metalen die chemisch inert zijn. Bijvoorbeeld goud, platina of zilver.

Effecten:

Onderdompelplatering resulteert in slechts een dunne dekking van platering, waarna het plateringsproces stopt. Onderdompelplatering lijkt ook van mindere hechtingkwaliteit, waarbij de platering niet zo stevig 'plakt' aan het basismetaal.

De effecten van onderdompelplatering op het eindproduct omvatten verbeterde corrosiebestendigheid, gewijzigde elektrische geleiding, veranderde uitstraling, grotere hardheid, draaimomenttolerantie, en gewijzigde hechtingscapaciteiten.

4. Carbureren

Ook bekend als randverharding, is carbureren een warmtebehandelingsproces dat een slijtvast oppervlak produceert terwijl de kernsterkte behouden blijft. Meestal toegepast op laagkoolstofstaal na bewerking, evenals op hoge, toelaag tandwielen, lagers, etc.

Carbureren is geschikt voor complexe vormen van lager gekostmaterialen die gemakkelijk bewerkt kunnen worden om een heel hard oppervlak te geven. Het proces omvat het verwarmen van het onderdeel in een putoven of een gesloten atmosfeeroven.

Vervolgens worden carbureringsgassen (meestal koolstofmonoxide, maar ook natriumcyanide en bariumcarbonaat) bij temperatuur toegevoegd, waarbij de warmte en temperatuur de diepte van koolstofdiffusie beïnvloeden. Het onderdeel wordt vervolgens ofwel langzaam afgekoeld voor later aanbranden of direct in olie gehaard.

5. Fysieke Dampdepositie (PVD)

PVD is een familie van coatingprocessen waarbij dunne films worden gedeponeerd op het substraat. In het fysieke dampdepositieproces wordt vast coatingmateriaal zoals titanium, chroom of aluminium verdampt door warmte of door bombardement met ionen.

Tijdens het proces wordt een reactief gas zoals stikstof geïntroduceerd, wat een verbinding vormt met de metaaldamp en op het metaaloppervlak neerslaat als een zeer dunne coating. Dit resulteert in een extrem sterke binding tussen de coating en het metaalonderdeel.

Enkele voordelen van PVD zijn: zeer hard en corrosiebestendig oppervlak, hoge temperatuurbestendigheid, en goede slaanweerstand.

Ideaal voor een breed scala aan toepassingen:

• Luchtvaart
• Automotive
• Snijgereedschappen
• Medisch
• Vuurwapens
• Optica
• Dunne films zoals venstertint, voedselverpakking

6. Plasma-spuitcoating

Plasma-spuitcoating is een van de minder bekende typen metaalplatering. In dit plateringsproces, ook bekend als thermisch spuiten, wordt gesmolten of warmte-zaamgemaakt materiaal op een oppervlak gespoten om de coating te bieden.

Het coatingmateriaal wordt geïnjiceerd in een zeer hoogtemperatuur plasma-vlam (tot 10.000 K), het wordt snel verhit en vervolgens versneld tot een hoge snelheid naar het oppervlak van het onderdeel en koelt snel af om een coating op het oppervlak van het onderdeel te vormen.

Het proces produceert een coating, meestal op structurele materialen, om bescherming te bieden tegen zeer hoge temperaturen, bijvoorbeeld in uitlaatwarmtebeheer. Het biedt ook weerstand tegen corrosie en slijtage. De coating kan ook de uitstraling en elektrische eigenschappen van het onderdeel veranderen.

Metalen gebruikt in platering

Zinkplatering

Zink is een goedkoop materiaal dat wordt gebruikt om een galvaniseerde coating op veel metalen substraat te bieden. Naast galvaniseren wordt het element toegepast via het Sherardiseren-proces, door smeltdipping, en door spuiten.

In het elektrolytische, of koude proces, wordt het te plateren artikel ingesteld als een kathode in een elektrolytisch bad van oplosbare zinkzouten samen met een anode van metalen zink. Het proces produceert een hoog buigzame coating van zuiver zink wiens dikte en uniformiteit precies gecontroleerd kan worden.

Het Sherardiseren-proces wordt gebruikt om kleine hardware-items zoals schroeven en nagels te coaten. Items worden in een vat geladen samen met zinkstof en verhit tot ongeveer 260°C. De onderdelen worden in het vat getumbled, wat een coating produceert die ongeveer 90% zink en 10% ijzer is.

Gesmolten zink kan ook worden aangebracht door dipping of door een handmatige coating van grotere items. Soms wordt een kleine hoeveelheid aluminium aan het bad toegevoegd om de vloeibaarheid te verbeteren en de coating van onevenvormige vormen te verbeteren.

Evenzo helpt een klein percentage tin in het bad bij het bereiken van een uniforme coating van het substraat en een verbeterde afwerking. Het warmte-dipproces produceert een laag zink-ijzerlegering angrenzend aan het basismetaal wat enigszins bros kan zijn en de hechting van de buitenste lagen kan beïnvloeden.

Metaalspuiten, of metalliseren, gebruikt een vlam om metaalpoeders of draad te smelten en op een substraatoppervlak te laten botsen, wat een mechanische binding tussen de coating en het basismetaal produceert. Het oppervlak van het basismetaal moet enigszins ruw zijn voor de mechanische binding, maar vrij dikke coatings kunnen op deze manier worden aangebracht.

De coatings kunnen ook poriën zijn, maar omdat zink anodisch is ten opzichte van ijzer en staal, beïnvloedt dit niet de vermogen van de coating om corrosie te weerstaan. De poreuze aard van het gespoten metaal maakt het ook goed in het vasthouden van verf.

Cadmiumplatering

Cadmiumplatering werd vroeger gebruikt als vervanger voor zink en vaak geplateerd op diverse auto-onderdelen. Vliegtuigfabrikanten specificeren het voor zijn offerbeschermingseigenschappen en zijn natuurlijke smering voor componenten die vaak worden gedemonteerd en hermontageerd.

Het was met name geschikt voor mariene omgevingen waar het goed bestand is tegen zoet en zout water. Vanwege veiligheidszorgen is het gebruik als plateringsmateriaal imid gedaald, hoewel het nog steeds beschikbaar is. Veel luchtvaartfabrikanten zijn overgeschakeld op zink-nikkellegeringsplatering.

Chroomplatering

Chroomplatering dient vaak slechts een decoratief doel, maar het bevordert ook verhoogde corrosiebestendigheid en hardheid, wat het nuttig maakt voor industriële toepassingen waar slijtage een probleem is. Hier wordt het aangeduid als hardchroomplatering, en het wordt soms gebruikt om tolerances op gesleten onderdelen te herstellen.

Chroom wordt meestal over nikkel geplateerd bij de productie van staalmeubels, auto-trim, etc. Nikkel zelf wordt meestal over koper geplateerd, en de combinatie van deze drie elementenlagen beschermt het onderliggende metaal tegen corrosie door lucht en vocht uit te sluiten; dat wil zeggen, er is geen anodische werking. Daarom moet de platering correct worden aangebracht om geschikte corrosiebescherming te bereiken.

Chroomplatering is een galvaniseringsproces dat meestal het gebruik van een chroomzuur betreft, bekend als hexavalent chroom. Trivalente chroombaden, die grotendeels uit chroomsulfaat of chroomchloride bestaan, zijn een andere optie voor industriële doeleinden.

Chromaat wordt soms over zinkplatering aangebracht om het zink te beschermen en, in sommige gevallen, de kleur van het metaal te veranderen, zoals bij groene of zwarte zinkplatering.

Nikkelplatering

Nikkel is een populair plateringsmetaal, vooral omdat het nuttig is in chemische platering. Nikkelplatering coat vaak huishoudproducten zoals deurklinken, bestek, en douchearmaturen voor verbeterde decoratie en slijtvastheid.

Nikkel platen hechten meestal aan koper en aluminium, maar werken ook op een breed scala aan metalen en dienen als onderliggende plateringen voor chroom.

Bij chemische platering wordt een nikkel-fosforlegering gebruikt. Het percentage fosfor in de oplossing kan variëren tussen 2 en 14%. Hogere fosforniveaus verbeteren hardheid en corrosiebestendigheid. Lagere fosforniveaus laten hogere soldeerbaarheid en magnetisme toe.

Koperplatering

Koper is een ander populair plateringsmetaal voor toepassingen die hoge geleiding en kostenefficiëntie vereisen. Koperplatering dient vaak als een striking coating voorbehandeling voor daaropvolgende metaalplateringen, zoals hierboven besproken.

Het is ook een populair plateringsmetaal voor elektronische componenten zoals printplaten. Hoge platingsefficiëntie en lage materiaalkosten maken koper een van de minder dure metalen om mee te plateren.

Er zijn drie typen koperplateringsprocessen: alkalisch, matig alkalisch, en zuur. Hogere alkalische niveaus leveren superieure werpvermogen, maar vereisen lagere stroomdichtheden en verbeterde veiligheidsmaatregelen. Gezondheidsinspecteurs hebben cyanide in alkalische koperbaden gekoppeld aan bepaalde gezondheidsrisico's, dus het is belangrijk om deze niveaus te monitoren.

Goudplatering

Goud wordt gewaardeerd voor zijn hoge weerstand tegen oxidatie en elektrische geleiding. Goudplatering, wat verschilt van vergulden in dat het goud geen folie is, is een van de eenvoudigste manieren om deze kenmerken over te dragen op metalen zoals koper en zilver. Het proces wordt vaak gebruikt voor sieradd decoratie en voor het verbeteren van de geleiding van elektronische onderdelen zoals elektrische connectoren.

Bij het goudplateren van koper is aanlopen een probleem en kan het gemakkelijkst worden opgelost door de depositie vooraf te laten gaan door een nikkel striking. Overweeg ook de hardheid en zuiverheid van het goud bij het bepalen van factoren zoals optimale badmengsel en duur van de immersie.

Zilverplatering

Zoals goud, wordt zilver gebruikt in plateringstoepassingen die decoratieve uitstraling en verbeterde elektrische geleiding vereisen. Over het algemeen dient zilver als een meer kosteneffectieve plateringsoplossing omdat het goedkoper is dan goud en koper goed plateert.

Problemen die zilverplatering als levensvatbare oplossing kunnen beperken, zijn vochtigheid en galvanische corrosie. Specifiek werkt zilverplatering niet goed voor toepassingen die blootgesteld zijn aan hoge vochtigheid, omdat zilver gevoelig is voor barsties en afschilfering, wat uiteindelijk het basissubstraat kan blootleggen.

Tinplatering

Getinplaatstaal wordt al lang gebruikt voor de verpakking van voedsel en dranken. Naast het bieden van corrosiebestendigheid, is tin niet-giftig en biedt een coating die helpt het staal gemakkelijk te vormen (door de smering die het tin biedt) en gemakkelijk te lassen en te solderen.

Een passivatieproces coat de tinplaat met voedselkwaliteit olie, wat ook de hechting van lakken verbetert. Tinplaatvelden kunnen worden gespecificeerd met verschillende diktes tin op elk gezicht om de behoeften van de binnen- en buitencontaineroppervlakken beter aan hun omgevingen aan te passen.

Tinplaat wordt ook in andere verpakkings-toepassingen gebruikt, van verfblikken tot vetblikken. Tinplaat wordt bijna altijd geproduceerd met het warmte-dipproces. Tinplatering wordt ook gebruikt bij de fabricage van elektronische componenten.

Een andere tin-gebaseerde platering, bekend als terneplaat, gebruikte traditioneel een tin-loodlegering als corrosieremmer over staal. Geschilderd, kon het metaal 90 jaar mee gaan als het regelmatig onderhouden werd, wat het ideaal maakte voor tin-daken.

Vandaag is het lood geëlimineerd en wordt het tin over roestvrij staal aangebracht om corrosiebestendige dakbedekking te creëren die een zachte patina ontwikkelt. Het materiaal kan twee keer zo lang meegaan als koperen dakbedekking.

Rhodiumplatering

Rhodium is een type platina dat vlekbestendigheid, schuurbestendigheid, en een glanzende, witte uiterlijk biedt. Rhodiumplatering is ook gebruikelijk in sieraddproductie, vooral in situaties waar witgoud platering vereist. Zilver, platina, en koper zijn ook populaire basismetalen voor rhodiumplatering.

Een nadeel van rhodiumplatering is dat de beschermende barrière van rhodium uiteindelijk zal verslijten in toepassingen die blootgesteld zijn aan hoge slijtniveaus. Dit kan uiteindelijk leiden tot verkleuring, en zal waarschijnlijk een tweede ronde platering na een paar jaar vereisen.