right|thumb|upright|Galvanische verkopering van een metaal (Me) in een kopersulfaatbad right|thumb|upright|Schema van elektrochemisch verzinken
Galvaniseren (ook: galvanisatie, galvanotechniek of elektroplating) is een methode die gebruikmaakt van elektriciteit om een voorwerp te bedekken met een laagje metaal.
Door middel van galvaniseren kan bijvoorbeeld een ijzeren plaat worden voorzien van een laagje zink (elektrolytisch verzinken), nikkel (vernikkelen) of chroom (verchromen) om het meer corrosiebestendig te maken of mooier te laten glanzen.
Binnen de branche wordt de term galvanotechniek of galvano gebruikt. Met deze termen worden alle elektrochemische bedekkingstechnieken aangeduid, inclusief de autokatalytische processen.
In het spraakgebruik wordt 'galvaniseren' heel vaak gebruikt als synoniem voor verzinken. Verzinken kan echter met twee totaal verschillende processen worden uitgevoerd, elektrolytisch verzinken en thermisch verzinken. Dat laatste is eigenlijk helemaal geen galvaniseren, omdat het geen gebruik maakt van elektrische stroom.
Het doel van galvaniseren thumb|right|200px|Een thermisch/vuur verzinkt voorwerp Door een metalen werkstuk van een deklaag van een ander metaal te voorzien, kan men profiteren van de eigenschappen van beide metalen.
De voordelen van de deklaag kunnen zijn: minder gevoelig voor corrosie (bijvoorbeeld roesten) een fraaier uiterlijk (glans en kleur) krasbestendigheid, wat samenhangt met de hardheid van het materiaal gewenste elektrische eigenschappen, zoals de geleidbaarheid.
De nadelen van de deklaag kunnen zijn: De dunne laagdikten van ca. 5 tot maar ca. 40 µm (waar thermisch verzinken een dikte van 50-200 µm haalt); Met name het optreden van het effect van de kooi van Faraday leidt ertoe dat de binnenkant van een (open) bak in bepaalde gevallen toch niet of in slechte kwaliteit verzinkt wordt; De verdeling van de stroomdichtheid over het product is helaas niet uniform. Dit betekent dat de laagdikte op bepaalde plaatsen hoger is (buitenzijde/uitstekende delen) en op bepaalde plaatsen lager (binnenhoeken/binnenzijden). De stroom zoekt altijd de weg van de minste weerstand; Wanneer men geen glansmiddelen gebruikt wordt een zinklaag met een poederig uiterlijk gevormd hetgeen de corrosiebestendigheid nadelig kan beïnvloeden; Bij het elektrolytisch verzinken ontstaat waterstofgas, wat vooral bij geharde staalsoorten in de materiaalstructuur opgenomen kan worden. Hierdoor ontstaat 'waterstofbrosheid'; Minder bestand tegen zeewater.
Natuurlijk zou men hetzelfde fraaie uiterlijk of dezelfde corrosiebestendigheid kunnen bereiken door bijvoorbeeld een voorwerp uit massief nikkel of chroom te maken. Dan zou het product echter duurder worden, omdat de meeste metalen die voor deklagen worden gebruikt vele malen duurder zijn dan ijzer. Bovendien hebben die metalen mogelijk niet de benodigde materiaalsterkte.
Geschiedenis van het galvaniseren De begrippen galvaniseren en galvanotechniek zijn vernoemd naar de Italiaanse natuurkundige Luigi Galvani. Galvani beschreef in de 18e eeuw de elektrische verschijnselen die de basis vormen voor alle elektrische processen, dus ook van het galvaniseren.
Ook door Alessandro Volta wordt belangrijk werk verricht. Hij vindt de batterij uit waardoor galvanotechniek ook praktisch uitvoerbaar wordt. De grondlegger van de galvanotechniek is de Duitser Moritz Hermann Jacobi (1801-1874). In het begin houdt hij zich met name bezig met galvanoplastiek, het vormen van met name munten door middel van galvanotechniek. Hij schrijft in 1838 het eerste galvanoboek, Der Galvanoplastik.
Het bedrijf WMF (Koffiemachines en bestek) begint in 1838 met galvanoplastiek op industriële schaal. Men heeft op deze manier zelfs complete koperen deuren gevormd. In 1854 lukt het Robert Wilhelm Bunsen als eerste chroom neer te slaan. In 1867 ontwikkelt Siemens de dynamomachine, hierdoor komt de galvanotechniek in een stroomversnelling.
In 1900 slaat men voor het eerst nikkel neer. Anodiseren (het elektrochemisch oxideren van aluminium, dus geen neerslaan van een ander metaal) vanaf 1910. Galvanisch verchromen wordt commercieel op grote schaal toegepast vanaf 1924. De ontwikkeling van de glansmiddelen vindt plaats tussen de beide wereldoorlogen; hierdoor wordt het arbeidsintensieve polijsten sterk teruggedrongen. Kort na de Tweede Wereldoorlog wordt chemisch nikkel in de markt gezet.
De baden die gebruikt worden bij het galvaniseren kunnen een grote belasting voor het milieu vormen en zijn daarom tegenwoordig aan zeer strenge regels gebonden. Menig galvaniseerbedrijf gebruikt tegenwoordig steeds meer milieuvriendelijkere grondstoffen. Het gebruik van cyanide, zes-waardig chroom en hoge concentraties van ontvettingsmiddelen is sterk gereduceerd bij veel moderne galvanobedrijven.
De werking van het galvaniseren Het basisprincipe Er zijn twee methoden van galvaniseren: Galvanisatie met behulp van een externe stroombron, Galvanisatie door middel van een reductiemiddel dat in de elektrolyt aanwezig is.
Galvanisatie met een externe stroombron Bij deze vorm van galvanisatie wordt het voorwerp in een zoutoplossing ondergedompeld (met het metaal als ion in het zout), waardoorheen via een externe bron een stroom wordt geleid, waarbij het voorwerp als kathode wordt gebruikt. Er treedt dan een redoxreactie op.
De volgende procedure wordt hierbij gevolgd: Een zout van het metaal dat het laagje moet vormen, bijvoorbeeld zinkchloride, wordt opgelost in een bak met water. Dit betekent, dat het zout uiteenvalt in ionen. Bijvoorbeeld zinkchloride (ZnCl2) vormt Zn^2+-kationen en Cl--anionen. Het voorwerp dat van een metaallaagje moet worden voorzien, wordt aangesloten op de negatieve pool van een stroombron (de 'min') en wordt de kathode genoemd. De externe stroombron stuurt dus extra elektronen naar deze pool. Een ander metalen voorwerp wordt op de positieve pool aangesloten (de 'plus') en wordt de anode genoemd. Beide voorwerpen worden in de vloeistof gedompeld, waarna er een stroom gaat lopen. Doordat het voorwerp, dat van een metaallaagje moet worden voorzien kathode is, worden de metaalionen gereduceerd tot het metaal. Deze metaalionen nemen, naargelang hun valentie, elk een of meer van de door de stroombron aangeboden elektronen op en slaan het metaal neer op het voorwerp.
In het voorbeeld met zinkchloride treedt de volgende halfreactie op: Zn^2+ + 2e- -> Zn In feite gebeurt hier precies het omgekeerde als in een batterij of accu.
Galvanisatie zonder externe stroombron Een stroom doorvoeren is niet noodzakelijk. Er zijn ook zogenaamde stroomloze processen waarbij een reductiemiddel in de elektrolyt aanwezig is. Dit wordt vooral toegepast bij de nikkelafscheiding. Maar ook bij de afscheiding van metalen als zilver, goud en koper. Dit zijn autokatalytische processen; het afgescheiden metaal zelf is de katalysator voor het reductieproces. Een voorbeeld van dit proces is het zogenaamde "chemisch nikkel".
Praktische aspecten Door het opgeloste zout is de vloeistof waarin wordt gegalvaniseerd geleidend voor elektriciteit. Soms wordt er extra elektrolyt toegevoegd voor de geleiding, bijvoorbeeld zwavelzuur aan een kopersulfaatoplossing. Dat geeft een betere spreiding van het metaal koper over het kathodeoppervlak. Bij het vernikkelen doet men dat niet want daarbij is voor de metaalafscheiding een veel grotere overspanning nodig en dat bevordert de gelijkmatige stroomverdeling over het kathodeoppervlak.
Het metaal dat op het werkstuk moet worden neergeslagen, kan aanwezig zijn in de vorm van kationen, bijvoorbeeld nikkelionen, als anionen, bijvoorbeeld chromaationen en kopercyanide ionen.
In de industrie gaat het proces min of meer als volgt: Een goede voorbehandeling van het te bedekken metaal is belangrijk: wassen met een alkalisch product Vervolgens activatie van het oppervlak door onderdompeling in een zure oplossing Daarna aanbrengen van een laagje koper, teneinde nadien een betere aanhechting te krijgen van nikkel: eerst via een elektrolyse in een koper(I)cyanide-oplossing (CuCN), nadien in een koper(II)sulfaat-oplossing (CuSO4) Uiteindelijk aanbrengen van een laag nikkel via nikkel(II)chloride- en nikkel(II)sulfaat-oplossing (NiCl2 en NiSO4)
Belangrijke aspecten hierbij zijn: Het gebruik van additieven: geven ductiliteit, glans en meer evenredige bedekking. De temperatuur wordt in bepaalde baden gehouden op ongeveer 60 graden Celsius. Roeren in de oplossing versnelt het proces, via het inblazen van lucht of het fysiek voortbewegen van de kathode. De baden moeten continu gefilterd worden.
Verschillende materialen Het is in principe mogelijk om alle metalen uit een waterige oplossing van hun zout neer te slaan. In sommige gevallen zijn de procesparameters echter zo extreem dat zich op economische gronden (nog) geen commerciële processen hebben gevormd. De volgende metalen worden op grote schaal toegepast: Zink- en zinklegeringen Nikkel Chroom Koper Tin
Zink- en zinklegeringen Zink is waarschijnlijk het meest neergeslagen metaal. Zink kan worden neergeslagen uit sterk zure (zwavelzuur), mild zure/neutrale (kaliumchloride/boorzuur), alkalische (natronloog en kaliumhydroxide) en cyanidische (kalium- en natriumcyanide)oplossingen. De laatstgenoemde verdwijnt in rap tempo en wordt meest vervangen door alkalische zinkbaden. De zinklagen worden gecombineerd gebruikt met de zogenaamde conversielagen. Deze chemisch aangebrachte lagen beschermen de zinklaag tegen de eerste corrosieverschijnselen, het zogenaamde 'witroest'. Deze lagen bestaan onder andere uit chroomhoudende verbindingen, zirkoniumverbindingen of siliciumhoudende verbindingen.
Met name de zeswaardig chroomhoudende verbindingen (die kankerverwekkend zijn) hebben de zinklagen altijd hun kleur gegeven. Zo kent men blauw, geel, groen en zwart passiveren. Door deze kleuren heeft het galvaniseren ook een decoratieve betekenis.
Op zoek naar betere corrosiebestendigheid is men, met name in de automobielbranche, terechtgekomen bij de zinklegeringen. Meest toegepast zijn zink-ijzer en zink-nikkel maar ook zink-kobalt en zink-mangaan worden toegepast.
Nikkel Nikkel wordt veel toegepast en kent een aantal toepassingsgebieden: decoratief en als onderlaag voor chroom, technisch als eindlaag, bijvoorbeeld in chloridehoudende milieus, technisch als onderlaag voor hardchroom, corrosiewerende functie in maritieme milieus.
Galvanotechnisch gezien wordt nikkel op twee manieren ingezet, elektrolytisch en autokatalytisch (chemisch nikkel). Elektrolytisch nikkel wordt in hoofdzaak toegepast in de decoratieve markt, daarnaast onder hardchroom met een corrosiewerende betekenis.
Chemisch nikkel wordt zonder stroom afgezet in een autokatalytisch proces. Het bad bevat een reductor die de benodigde energie levert voor de afzetting van nikkel op het product. Feitelijk is chemisch nikkel een nikkelfosforlegering. Afhankelijk van het fosforgehalte spreekt men van laag (3-5%), midden (5-10%) en hoog (10-12%) fosfor.