Metaal beplating uitgelegd: typen, voordelen & toepassingen

Wat is metaal beplating?

Metaal beplating is een dunne laag metaal die aan de buitenkant van een materiaal is toegevoegd. Het is een oppervlaktebedekkingsproces waarbij een metaal op een geleidend oppervlak wordt neergezet. Beplaten wordt al honderden jaren gedaan; het is ook kritiek voor moderne technologie.

Beplaten wordt gebruikt om objecten te versieren, voor corrosiebeperking, om solderbaarheid te verbeteren, te verharden, slijtvastheid te verbeteren, wrijving te verminderen, verfhechting te verbeteren, geleidbaarheid te veranderen, IR-reflectiviteit te verbeteren, voor stralingsafscherming, en voor andere doeleinden. Sieraden gebruiken typisch beplating om een zilver- of goudfinish te geven.

De dunne-film depositie heeft voorwerpen geplateerd zo klein als een atoom, daarom vindt beplating toepassing in nanotecnologie.

Er zijn verschillende beplatingsmethoden en veel variaties. In één methode wordt een vast oppervlak bedekt met een metaalfolie, en daarna worden warmte en druk toegepast om ze te smeden. Andere beplatingstechnieken omvatten electroplatin, dampdepositie onder vacuüm, en sputter depositie. Recent, verwijst beplaten vaak naar het gebruik van vloeistoffen. Metalliseren verwijst naar het beplaten van metaal op niet-metallische objecten.

Voordelen van metaal beplating

Metaal beplating biedt veel voordelen aan producten gemaakt van metaal en andere materialen. Dit wordt meestal bereikt door electroplatin, wat een elektrische stroom vereist, of door electroless beplating, wat een autocatalytisch chemisch proces is. Deze technieken, alsook een paar andere, resulteren in een of meerdere van de volgende voordelen:

• Verbeterde corrosieweerstand
• Decoratieve aantrekkingskracht
• Verhoogde solderbaarheid
• Verhoogde hardheid
• Verminderde wrijving
• Gewijzigde geleidbaarheid
• Verbeterde verfhechting
• Materiaal depositie
• Verhoogd magnetisme

Typen metaal beplating

Er zijn veel verschillende typen metaal beplating zoals hieronder beschreven:

1. Electroplatin
2. Electroless beplating
3. Immersie beplating
4. Vergassen (Carburizing)
5. Fysieke Damp Depositie (PVD)
6. Plasma Spuit Coating

1. Electroplatin

Electroplatin is de meest gangbare methode van beplating. Electroplatin gebruikt een elektrische stroom om positief geladen metaaldeeltjes (ionen) in een chemische oplossing op te lossen. De positief geladen metaalionen worden aangetrokken tot het te beplaten materiaal, wat de negatief geladen zijde van de circuit is.

Het onderdeel of product dat beplaatst moet worden, wordt dan in deze oplossing geplaatst, en de opgeloste metaaldeeltjes worden naar het oppervlak van het materiaal getrokken. Electroplatin resulteert in een gladde, gelijkmatige, en snelle bekleding voor het materiaal dat beplaatst wordt, effectief het oppervlak van het materiaal veranderend.

Er zijn een aantal verschillende stappen en processen die betrokken kunnen zijn bij electroplatin, inclusief reinigen, aanslag (striking), electrochemische depositie, puls-elektroplatin, en borstel-elektroplatin.

Effecten:

Electroplatin wordt gebruikt om een beschermende bekleding, een decoratieve uitstraling, of de eigenschappen van een materiaal voor engineering te veranderen. Electroplatin verbetert de chemische, fysieke, en mechanische eigenschappen van het werkstuk wat de manier beïnvloedt waarop het presteert wanneer bewerkt.

Beplaten van het werkstuk kan gebruikt worden om het op te bouwen van een kleinere maat, het makkelijker te maken om te bewerken, en solderbaarheid, geleidbaarheid, of reflectiviteit te verhogen.

2. Electroless beplating

Electroless beplating heet zo omdat het een beplatingsmethode is die geen externe elektrische stroom gebruikt. Electroless beplating omvat een chemische reactie die metaalatoomreductie induceert.

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

Effecten

Electroless of autocatalytische beplating is geschikt voor diverse maten en vormen van materialen en vereist geen externe elektriciteit of beplatingbadden, wat kosten verlaagt. Echter, electroless beplating is langzamer, kan geen dikke platen maken, en is moeilijker te controleren dan electroplatin.

De meest gangbare methode van autocatalytische beplating is electroless nikkelbeplating. Echter, beplating in zilver, goud, en koper kan ook met deze techniek toegepast worden.

Effecten van electroless beplating op het eindproduct omvatten bescherming van het basismetaal tegen corrosie, vergroting van de werkstukgrootte, en wijzigen van solderbaarheid, reflectiviteit, en geleidbaarheid.

3. Immersie beplating

Immersie beplating omvat het onderdompelen van een 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 metaalionen van het minder edele metaal te verplaatsen met een dunne laag van de edelere metaalionen.

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

Effecten

Immersie beplating resulteert in alleen een dunne dekking van beplating, waarna het beplatingproces stopt. Immersie beplating lijkt ook van mindere hechtingkwaliteit, waar de beplating niet zo stevig aan het basismetaal 'klijft'.

De effecten van immersie beplating op het eindproduct omvatten verbeterde corrosieweerstand, gewijzigde elektrische geleidbaarheid, veranderde uiterlijk, grotere hardheid, draai-moment tolerantie, en gewijzigde bindingseigenschappen.

4. Vergassen (Carburizing)

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

Vergassen is geschikt voor complexe vormen van lagere-kost materialen die gemakkelijk bewerkt kunnen worden om een erg hard oppervlak te geven. Het proces omvat het verwarmen van het onderdeel in een putoven of een afgedichte atmosfeeroven.

Dan worden vergassingsgassen (meestal koolstofmonoxide maar ook natriumcyanide en bariumcarbonaat) bij temperatuur geïntroduceerd, met de warmte en temperatuur die de diepte van koolstofdiffusie beïnvloeden. Het onderdeel wordt dan ofwel langzaam afgekoeld voor later aanharden of direct in olie gehard.

5. Fysieke Damp Depositie (PVD)

PVD is een familie van bekledingsprocessen waarin dunne films op het substraat gedeponeerd worden. In het fysieke damp depositieproces wordt vast bekledingsmateriaal zoals titanium, chroom, of aluminium verdampt door warmte of door bombardement met ionen.

Tijdens het proces wordt een reactief gas zoals stikstof geïntroduceerd, vormend een verbinding met de metaaldamp en depositie op het metaaloppervlak als een erg dunne bekleding. Dit resulteert in een extrem sterke binding tussen de bekleding en het metaalonderdeel.

Enkele van de voordelen van PVD zijn; erg hard en corrosieweerstand oppervlak, hoge-temperatuurweerstand, en goede impactssterkte.

Ideaal voor een breed scala aan toepassingen:

• Luchtvaart
• Auto-industrie
• Snijgereedschappen
• Medisch
• Vuurwapens
• Optica
• Dunne films zoals venstertint, voedselverpakking

6. Plasma Spuit Coating

Plasma spuit coating is een van de minder bekende typen metaal beplating. In dit beplatingsproces, ook wel thermisch spuiten genoemd, wordt vloeibaar of warmte verzacht materiaal op een oppervlak gesproeid om de bekleding te bieden.

Het bekledingsmateriaal wordt geïnjeecteerd in een erg hoge-temperatuur plasma-vlam (tot 10.000 K in hitte), het wordt snel verhit en dan versneld tot een hoge snelheid op het oppervlak van het onderdeel en koelt snel af om een bekleding op het oppervlak van het onderdeel te vormen.

Het proces produceert een bekleding, meestal op structurele materialen, om bescherming te bieden tegen erg hoge temperaturen, bijvoorbeeld in uitlaat warmtebeheer. Het biedt ook weerstand tegen corrosie en slijtage. De bekleding kan ook de uiterlijk en elektrische eigenschappen van het onderdeel veranderen.

Metalen gebruikt in beplating

Zink beplating

Zink is een goedkoop materiaal dat gebruikt wordt om een gegalvaniseerde bekleding op veel metalen substraten te bieden. Naast electroplatin, wordt het element toegepast via het Sherardiseren-proces, door gesmolten bad duiken, en door spuiten.

In het electrolytische, of koude proces, wordt het te beplaten artikel opgesteld als een kathode in een electrolytisch bad van oplosbare zinkzouten samen met een anode van metalen zink. Het proces produceert een hoog buigzame bekleding 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 bekleden. Items worden in een vat geladen samen met zinkstof en verhit tot ongeveer 260°C (500°F). De onderdelen worden in het vat getumbled wat een bekleding produceert die ongeveer 90% zink en 10% ijzer is.

Gesmolten zink kan ook toegepast worden door duiken of handmatige bekleding van grotere items. Soms wordt een kleine hoeveelheid aluminium aan het bad toegevoegd om de vloeibaarheid te verbeteren en de bekleding van oneffen vormen te verbeteren.

Evenzo helpt een klein percentage tin in het bad een uniforme bekleding van het substraat te bereiken en een verbeterde afwerking. Het warm-duikproces produceert een laag zink-ijzer legering angrenzend aan het basismetaal wat enigszins broos kan zijn en de hechting van de buitenste lagen beïnvloeden.

Metaalspuiten, of metalliseren, gebruikt een vlam om metaalpoeders of draad te smelten en op een substraatoppervlak te projecteren, wat een mechanische binding tussen de bekleding en het basismetaal produceert. Het oppervlak van het basismetaal moet enigszins ruw zijn voor de mechanische binding om plaats te vinden, maar redelijk dikke bekledingen kunnen op deze manier toegepast worden.

De bekledingen kunnen ook porieus zijn, maar omdat zink anodisch is ten opzichte van ijzer en staal, beïnvloedt dit de vermogen van de bekleding om corrosie af te weren niet. De porieuze aard van het gespoten metaal maakt het ook goed in het vasthouden van verf.

Cadmium beplating

Cadmium beplating was op een tijd een substituut voor zink en vaak beplaatst op diverse auto-items. Vliegtuigfabrikanten specificeren het voor zijn offerbeschermingskenmerken en natuurlijke slijtbaarheid voor componenten die frequent verwijderd en hergeïnstalleerd werden.

Het was bijzonder geschikt voor mariene omgevingen waar het goed bestand is tegen zoet en zoutwater. Vanwege veiligheidsbedenken, is het gebruik als beplatingsmateriaal de afgelopen jaren afgenomen, hoewel het nog beschikbaar is. Veel luchtvaartfabrikanten zijn overgeschakeld op zink-nikkel legering beplating.

Chroom beplating

Chroom beplating dient vaak een puur decoratief doel, maar het bevordert ook verhoogde corrosieweerstand en hardheid, wat het nuttig maakt voor industriële toepassingen waar slijtage een zorg is. Hier wordt het aangeduid als hard chroom beplating, en het wordt soms gebruikt om toleranties op gesleten onderdelen te herstellen.

Chroom wordt meest frequenter over nikkel beplaatst in de productie van staalmeubels, auto-trim, etc. Nikkel zelf wordt meestal over koper beplaatst, 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 actie. Dus, de beplating moet correct toegepast worden om geschikte corrosiebescherming te bereiken.

Chroom beplating is een electroplatinproces dat meest frequent het gebruik van een chroomzuur betreft bekend als zeswaardig chroom. Driewaardige chroombaden, die grotendeels bestaan uit chroomsulfaat of chloorchloride, zijn een andere optie voor industriële doeleinden.

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

Nikkel beplating

Nikkel is een populair beplatingsmetaal, vooral omdat het nuttig is in electroless beplating. Nikkel beplating bedekt vaak huishoudelijke producten zoals deurknopen, bestek, en douchearmaturen voor verbeterde decoratie en slijtvastheid.

Nikkelplaten binden vaak met koper en aluminium, maar werken ook op een breed scala aan metalen en dienen als onderliggende beplatingen voor chroom.

In electroless beplating wordt een nikkel-fosfor legering gebruikt. Het percentage fosfor in de oplossing kan variëren tussen 2 en 14%. Hogere fosforniveaus verhogen hardheid en corrosieweerstand. Lagere fosforniveaus staan hogere solderbaarheid en magnetisme toe.

Koper beplating

Koper is een ander populair beplatingsmetaal voor toepassingen die hoge geleidbaarheid en kostenefficiëntie vereisen. Koper beplating dient vaak als een aanslagbekleding (strike coating) pre-treatment voor opvolgende metaalbeplatingen, zoals hierboven besproken.

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

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

Goud beplating

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

Bij het beplaten van koper met goud, is vertering een kwestie en kan het makkelijkst opgelost worden door de depositie vooraf te gaan met een nikkelaanslag. Overweeg ook de hardheid en zuiverheid van het goud bij het bepalen van factoren zoals optimale badmengsel en lengte van onderdompeling.

Zilver beplating

Zoals goud, wordt zilver gebruikt in beplatingsapplicaties die decoratieve aantrekkingskracht en verbeterde elektrische geleidbaarheid vragen. In het algemeen dient zilver als een meer kosteneffectieve beplatingsoplossing omdat het goedkoper is dan goud en koper goed beplaatst.

Kwesties die zilver beplating als een haalbare beplatingsoplossing kunnen beperken zijn vochtigheid en galvanische corrosie. Specifiek, zilver beplating werkt niet goed voor toepassingen die blootgesteld zijn aan hoge vochtigheid, omdat zilver geneigd is tot kraken en schillen, wat uiteindelijk het basissubstraat kan blootleggen.

Tin beplating

Tin-geplateerd staal wordt al lang gebruikt voor de verpakking van voedsel en dranken. Naast het bieden van corrosieweerstand, is tin non-toxisch en biedt een bekleding die helpt het staal gemakkelijk te vormen (door de slijtbaarheid die tin biedt) en letsels en solderen gemakkelijk te maken.

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

Tinplaat wordt in andere verpakkingsapplicaties ook gebruikt, van verfblikken tot vetblikjes. Tinplaat wordt bijna altijd geproduceerd met het warm-duikproces. Tin beplating wordt ook gebruikt in de productie van elektronische componenten.

Een ander tin-gebaseerde beplating, bekend als terneplaat, traditiegetrouw een tin-lood legering gebruikt als corrosieremmer over staal. Geverfd, kon het metaal 90 jaar duren als regelmatig onderhouden, wat het ideaal maakte voor gebruik voor tin-daken.

Vandaag de dag is het lood geëlimineerd en wordt de tin over roestvrij staal aangebracht om corrosievast dakbedekking te creëren die een verzachte patina ontwikkelt. Het materiaal kan twee keer zo lang duren als koperdaken.

Rhodium beplating

Rhodium is een type platina dat vlekweerstand, schuurweerstand, en een schitterende, witte glanzende uiterlijk biedt. Rhodium beplating is ook gebruikelijk in sieradenproductie, vooral in situaties waar witgoud beplating vereist. Zilver, platina, en koper zijn ook populaire basismetalen voor rhodium beplating.

Een nadeel van rhodium beplating 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 beplating na een paar jaar vereisen.