Chemisch Nickel Beschichtung: Ein vollständiger technischer Leitfaden

Die stromlose Vernickelung kann als eines der genauesten, vielseitigsten und zuverlässigsten Verfahren im Bereich der Oberflächentechnik und Metallveredelung angesehen werden, mit dem sich die Oberflächeneigenschaften zahlreicher Materialien verbessern lassen. Im Gegensatz zur gewöhnlichen Galvanotechnik wird hier kein elektrischer Strom von außen benötigt. Es beruht stattdessen auf einer kontrollierten chemischen Reaktion, bei der eine gleichmäßige Schicht aus Nickel-Phosphor oder Nickel-Bor durch Legierung auf einer Oberfläche abgeschieden wird. Dieses Verfahren bietet die beste Korrosionsbeständigkeit, den besten Verschleißfaktor und eine gleichmäßige Schichtdicke, selbst bei komplizierten Formen.

Die stromlose Beschichtung wird von Herstellern, Ingenieuren und Konstrukteuren aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit und kosmetischen Vorteile häufig anderen Beschichtungsverfahren vorgezogen. Unabhängig davon, ob es sich um Teile für die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, Formen oder Industriemaschinen handelt, liefert das Verfahren wiederholbare Ergebnisse, die die Lebensdauer eines Bauteils verlängern und die Kosten für seine Wartung senken.

In diesem Tutorial werden wir in die Ins und Outs der Chemisch Vernickeln, seine positiven Eigenschaften, Verwendungen, die Schritte beteiligt, und wie es im Vergleich mit anderen Verfahren wie die Vernickelung, die harte Eloxieren von Aluminiumdruckguss, und die Verchromung mit Nickel, die in der heutigen Produktion verwendet werden.

Was ist Chemisch-Nickel-Beschichtung?

Unter stromlosem Vernickeln versteht man die Abscheidung einer Nickellegierung auf einer metallischen oder nichtmetallischen Oberfläche, da eine autokatalytische Reaktion abläuft. Das chemische Bad enthält Nickelsalze und ein Reduktionsmittel, in der Regel Natriumhypophosphit, das die Nickelionen in Metall umwandelt, so dass sie auf dem Substrat haften können.

Im Gegensatz zum galvanischen Abscheideverfahren, dem Vernickeln, bei dem das Nickel durch den Einsatz von elektrischem Strom abgeschieden werden muss, benötigt der Prozess beim stromlosen Vernickeln keine Energiezufuhr von außen. Dies führt zu einer gleichmäßigen Dicke der Beschichtung auch in Vertiefungen, Gewinden oder inneren Hohlräumen. Das Ergebnis ist eine porenfreie, harte und korrosionsbeständige Beschichtung, die auch anspruchsvollen industriellen Bedingungen standhält.

Die wichtigsten Vorteile des Vernickelns ohne Chemisch Nickel

1. Gleichmäßige Beschichtungsdicke

Die Abscheidung ist unabhängig von der Form oder Komplexität des Teils gleich.

2. Bessere Korrosionseigenschaften

Die Schicht aus einer Nickel-Phosphor-Legierung bietet einen hervorragenden Schutz gegen Oxidation und Angriffe durch Chemikalien.

3. Bessere Härte und Abnutzung

Nach einer Wärmebehandlung kann Chemisch Nickel eine Härte erreichen, die der von Hartchrom sehr ähnlich ist.

4. Maßhaltigkeit

Die Gleichförmigkeit der Dicke ist gering, so dass sie für feinmechanische Anwendungen geeignet ist.

5. Kompatibilität mit anderen Materialien

Es kann auf Stahl, Kupfer, Aluminium, Messing und auf einigen Kunststoffen mit nur geringer Oberflächenvorbereitung verwendet werden. 

Chemisch Vernickeln Typen

Chemisch vernickelte Schichten werden im Allgemeinen nach dem Phosphorgehalt in der Nickel-Phosphor-Legierung eingeteilt. Jeder Typ hat unterschiedliche Anforderungen an Härte, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit und eignet sich daher für verschiedene Anwendungen.

1. Chemische Vernickelung mit niedrigem Phosphorgehalt (2 bis 5 % Phosphor)

• Eigenschaften: Der schwierigste aller Typen, verschleißfest und mit hohem Reibungskoeffizienten.
• Korrosionsbeständigkeit: Medium kann dieses Material nur an Stellen eingesetzt werden, die nur begrenzt korrosionsfördernden Faktoren ausgesetzt sind.
• Anwendungen: Hydraulische Komponenten, Formen, feinmechanische Komponenten, bei denen die Härte wichtig ist.

2. Med-Phos Chemische Vernickelung (6-9 Prozent Phosphor)

• Eigenschaften: Mäßige Eigenschaften, gute Härte, Verschleißfestigkeit und Korrosionsschutz.
• Korrosionsbeständigkeit: Dieses Metall ist in Umgebungen mit geringer und mittlerer Umweltbelastung einsetzbar.
• Anwendungen: Automobilteile, Flugzeugteile und -anwendungen sowie allgemeine technische Komponenten.

3. Chemische Vernickelung mit hohem Phosphorgehalt (10 13 % Phosphor)

• Merkmale: Starke Korrosionsbeständigkeit in besonders säurehaltigen oder maritimen Umgebungen, glattere Oberfläche, mehr Latex und höhere Dehnbarkeit.
• Härte: Auch nicht so hart wie Beschichtungen mit niedrigem Phosphorgehalt, obwohl eine Wärmebehandlung die Härte erhöhen kann.
• Accessoire: Hardware für die Bereiche Schifffahrt, Öl/Gas und chemische Verarbeitung.

Verwendung von Chemisch Nickel Beschichtung

Chemisch vernickeln ist in der gesamten Industrie beliebt, weil es eine dicke, gleichmäßige Beschichtung, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißschutz bietet. Sie ist vielseitig einsetzbar und kann für zahlreiche technische und malerische Zwecke verwendet werden.

1. Luft- und Raumfahrtindustrie

• Anwendung: Zur Beschichtung von Turbinenschaufeln, Fahrwerksteilen und Teilen des Kraftstoffsystems.
• Vorteil: Es verträgt hohe Temperaturschwankungen, minimiert Abrieb und Korrosion durch Feuchtigkeit und Flugzeugtreibstoffe.

2. Autoindustrie

• Anwendung: Motorteile, Einspritzdüsen und Teile des Bremssystems.
• Vorteil: Es verbessert die Verschleißfestigkeit, den reibungslosen Betrieb und verlängert die Lebensdauer der Komponenten.

3. Elektronikindustrie

• Anwendung:  Gedruckte Schaltungen (PCB), Steckverbinder und Festplatten.
• Vorteil: Bietet elektrische Leitfähigkeit, Lötbarkeit und Oxidation.

4. Öl- und Gassektor

• Anwendungen: Ventile, Pumpen, Bohrausrüstung und Bohrlochausrüstung.
• Vorteil: Es schützt vor Abrieb, chemischen Angriffen und Salzwasserkorrosion.

5. Formen- und Werkzeugbauindustrie

• Anwendung: Plaketten, Spritzgussformen, Extrusionswerkzeuge, Präzisionswerkzeuge.
• Vorteil: Verbessert das Ablösen, reduziert das Verkleben und verlängert die Lebensdauer der Werkzeuge.

6. Marine Anwendungen

• Anwendung: Propeller, Wellen, Schiffsbefestigungen.
• Vorteil: Hohe Beständigkeit gegen Korrosion und Bewuchs durch Seewasser.

Chemisch Vernickeln - Schritt für Schritt

1. Oberflächenreinigung - Das Teil wird gründlich gereinigt, um es von Öl, Schmutz, Fett und Oxidation zu befreien. Dies kann in Form von Lösungsmittelentfettung, alkalischen Bädern, Ultraschallreinigung oder leichtem Säurebeizen erfolgen. Der beste Weg, um eine gute Haftung der Beschichtung zu erreichen, ist die Reinigung der Oberfläche.
2. Oberflächenaktivierung - Nach der Reinigung wird das Teil in ein saures oder katalytisches Medium getaucht, das eine leicht ätzende Wirkung hat und die verbleibende nicht umgesetzte Oxidschicht entfernt. Bei Nichtmetallen könnte ein dünner Katalysatorfilm aufgetragen werden, um die Beschichtungsreaktion zu ermöglichen.
3. Galvanikbad - Hier wird das Material in ein temperaturgesteuertes Bad (8595 °C) mit Nickelsalzen, Natriumhypophosphit (Reduktionsmittel), Stabilisatoren und Komplexbildnern getaucht. Durch die ständige Bewegung wird die chemische Konzentration gleichbleibend gehalten.
4. Ablagerungsreaktion - Das Reduktionsmittel bewirkt eine metallische Reaktion, die eine Nickellegierung gleichmäßig auf der Oberfläche ablagert und extrem komplizierte Formen und innere Begrenzungen ohne den Einsatz von Elektrizität überzieht.
5. Spülung und Trocknung - Das Spülen bezieht sich auf das Abwischen des beschichteten Bauteils in sauberem oder deionisiertem Wasser, um alle nicht absorbierten Chemikalien zu entfernen, und das Trocknen des Bauteils erfolgt mit warmer Luft oder Heizgeräten, damit es nicht zu Fleckenbildung oder Rostbildung kommt.
6. Wärmebehandlung (optional) - In Fällen, in denen die Anwendung eine hohe Verschleißfestigkeit erfordert, wird das beschichtete Teil bei 300-400 °C wärmebehandelt. Dadurch wird die Härte fast so hoch wie bei Hartchrom und der Korrosionsschutz verbessert.

Vergleiche zur Nickel-Chrom-Beschichtung

Bei der Nickelverchromung handelt es sich um eine Stufengalvanisierung, d. h., es wird zunächst eine Nickelschicht und dann eine Chromschicht aufgebracht. Dadurch entsteht eine großartige, spiegelnde Oberfläche, die sehr gut korrosionsbeständig ist.

Bei der stromlosen Vernickelung wird dagegen eine gleichmäßige Nickel-Phosphor-Schicht in einem nicht-elektrischen Verfahren aufgetragen. Dies ermöglicht die Metallisierung komplizierter Strukturen, vertiefter Bereiche und feiner Toleranzen, die bei der Nickel-Chrom-Beschichtung nicht gleichmäßig abgedeckt werden können.

Obwohl die Nickelverchromung eine bessere Ästhetik bietet, hat die stromlose Vernickelung eine bessere Gleichmäßigkeit der Schichtdicke, eine höhere Verschleißfestigkeit und eine größere Substratkompatibilität. Chemisch vernickeln wird in vielen Industriezweigen für leistungsrelevante Teile verwendet, verchromen hingegen wird für dekorative Gegenstände eingesetzt.

Chemische Vernickelung vs. elektrolytische Vernickelung

Obwohl beide Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche mit Nickel kategorisiert sind, unterscheiden sich ihre Funktionsprinzipien erheblich:

Vergleichstabelle Harteloxal

Wie bereits bei Aluminiumteilen erwähnt, wird insbesondere die Vernickelung häufig als Ersatz für das Harteloxieren von Aluminiumdruckguss angesehen. Allerdings bildet das Eloxieren eine Oxidschicht statt einer Ablagerung.

Vergleich mit Nickel-Chrom-Beschichtung

Bei der Nickelverchromung handelt es sich um eine zweistufige galvanische Behandlung, bei der die erste Schicht aus Nickel besteht, um Korrosion zu verhindern, und eine zweite Schutzschicht aus einer dünnen Chromschicht.

Einflüsse auf die Qualität der Beschichtung

Es gibt eine Reihe von Faktoren, die sich unmittelbar auf die Qualität der Leistung, das Aussehen und die Haltbarkeit einer Chemisch-Nickel-Beschichtung auswirken. Die Regulierung dieser Parameter führt zu gleichmäßigen Ergebnissen und einer geringeren Anzahl von Mängeln.

• Chemie im Bad - Die Menge an Nickelsalzen, Natriumhypophosphat, Stabilisatoren, Rs und Komplexbildnern muss sich streng an dieses Verhältnis halten. Verschmieren und ungleichmäßige Haftung, Dicke oder minimale Korrosionsbeständigkeit können alle auf das Ungleichgewicht zurückzuführen sein.
• Temperaturkontrolle -  Galvanische Bäder werden normalerweise bei 85-95 o C gehalten. Bei niedrigeren Temperaturen wird die Abscheidung verlangsamt, und eine Überhitzung kann zu unkontrollierten Reaktionen führen und die Lebensdauer des Bades verkürzen.
• PH-Wert - Der PH-Wert sollte leicht sauer sein, bei einem pH-Wert von 4,55 bis 5,5. Defekte können die Härte und den Phosphor sowie die Oberfläche der Beschichtung verändern.
• Erregung und Kreislauf - Das Mischen sorgt für eine vollständige chemische Verteilung und verhindert, dass die Oberfläche des Werkstücks durch unzureichendes Mischen an Nickelionen verarmt.
• Oberflächenvorbereitung - Eine unvollständige Reinigung oder Aktivierung führt zu Abblättern, Blasenbildung oder geringer Haftung. Dies ist besonders wichtig bei der Beschichtung von Aluminium oder Kunststoffen.
• Alter des Bades und Verschmutzung - Mit der Zeit bilden sich im Bad Nebenprodukte, die die Effizienz verringern. Häufiges Filtern und teilweises Auswechseln des Bades helfen, harte und fleckige Ablagerungen zu vermeiden.
• Beschichtungszeit - Eine längere Beschichtungszeit führt wahrscheinlich zu übermäßig dicken Schichten, die bei Belastung brechen, während eine zu kurze Zeit zu dünnen und empfindlichen Schichten führt.

Chemisch vernickelte Materialien

Nickel Quelle

Im Beschichtungsbad ist ein Nickelsalz, entweder Nickelsulfat oder Nickelchlorid, vorhanden. Diese geben die Nickel-Ionen, die die Beschichtung in der Reaktion zusammensetzen wird.

Reduktionsmittel

Das beliebteste Reduktionsmittel ist das Hypophosphit. Es reduziert Nickelionen ebenfalls chemisch zu metallischem Nickel, benötigt aber keinen Strom.

Stabilisatoren

Es werden nur wenige Metallsalze oder organische Stabilisatoren zugesetzt, damit sich das Bad nicht zersetzt oder zu schnell abbaut.

Komplexbildner

Zu den organischen Säuren gehören Milchsäure oder Zitronensäure, die dazu dienen, die Nickelionen in ihrem gelösten Zustand zu halten und das chemische Gleichgewicht des Bades aufrechtzuerhalten.

pH-Einsteller

Substanzen wie milde Säuren oder Ammoniumhydroxid werden zur Regulierung des pH-Bades verwendet, um eine gleichbleibende Qualität der Beschichtung zu gewährleisten.

Chemikalien für die Oberflächenvorbereitung

Alkalische Reiniger lösen Öle und Fette, und saure Aktivatoren verdünnen Oxide und ätzen das Metall an, um eine gute Verbindung mit dem Metall herzustellen.

Entionisiertes Wasser

Es wurde zum Waschen zwischen den Arbeitsgängen verwendet, um eine Verunreinigung durch Mineralien aus normalen Wasserquellen zu vermeiden.

Umweltbezogene Überlegungen

Obwohl die stromlose Vernickelung im Vergleich zu Verfahren, die gefährliche Stoffe wie sechswertiges Chrom verwenden, sicherer ist, sollte sie dennoch unter strengen Umweltkontrollen durchgeführt werden. Das Galvanisierbad enthält Nickelsalze, Natriumhypophosphit und andere Verbindungen, die vorsichtig gehandhabt werden müssen, um eine Verunreinigung von Boden und Wasser zu vermeiden.

Die wichtigsten Umweltfaktoren werden sein:

1. Abwasserbehandlung - Nickel- und Phosphorverbindungen sind im Wasser enthalten und werden in Galvanikbädern verwendet. Diese sollten durch chemische Fällung, Ionenaustausch oder Membranfiltration beseitigt und anschließend entsorgt werden.
2. Handhabung und Lagerung von Chemikalien -Die Chemikalien müssen in korrosionsfreien Behältern gelagert werden, und es müssen Vorkehrungen zur Eindämmung von Verschüttungen getroffen werden.
3. Luftqualität - Auch wenn bei der stromlosen Beschichtung im Vergleich zur Galvanisierung keine großen Mengen an Luftschadstoffen freigesetzt werden, sollte eine gut belüftete Umgebung vorhanden sein, um chemische Dämpfe zu vermeiden.
4. Einhaltung gesetzlicher Vorschriften - Die Einrichtungen befolgen auch Umweltvorschriften wie RoHS (Restriction of Hazardous Substances) und die in ihrem jeweiligen Gebiet vorgeschriebenen Abfallbewirtschaftungsrichtlinien, um jegliche Art von Abfallerzeugung zu vermeiden oder zu minimieren.
5. Grüne Optionen - Die derzeitige Forschung zielt auf die Herstellung von Bädern ab, die biologisch abbaubare Stabilisatoren, chloridreduzierende, weniger toxische Wirkstoffe und einen geringen Gehalt an Schwermetallen enthalten. Die Anwendung dieser Maßnahmen hilft der Industrie, hochwertige Oberflächen zu erhalten und die Umwelt weniger zu belasten. Diese Tatsache ist einer der Gründe, warum die stromlose Beschichtung im Vergleich zu anderen Stoffen, wie z. B. der Nickel-Chrom-Beschichtung, eine bessere Wahl ist.

Zukünftige Entwicklungstrends in der Chemisch-Nickel-Beschichtung

Der Bereich der Chemisch-Nickel-Beschichtung wird sich auch deshalb verändern, weil die Industrie eine bessere Leistung, ein höheres Maß an Nachhaltigkeit und ein effektiveres Verfahren verlangen wird. Einige wichtige Trends bestimmen die Zukunft:

1. Nanostrukturierte Beschichtungen - Bei den laufenden Arbeiten geht es um die Entwicklung einer Nickel-Phosphor-Beschichtung mit Nanokorngröße. Diese Beschichtungen sind härter, verschleißfester und bieten im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungsmaterialien einen besseren Korrosionsschutz.
2. Komposit-Beschichtungen - Durch die Zugabe von PTFE, Siliziumkarbid oder Bornitrid zu der Nickelbasis können besondere Effekte wie die Entwicklung von Selbstschmiermitteln, Antihaft-Oberflächen oder eine hohe Abriebfestigkeit erzielt werden.
3. Umweltverträgliche Badezusätze - Formulierung von Galvanikbädern mit biologisch abbaubaren Stabilisatoren, weniger toxischen Reduktionsmitteln und einem reduzierten Schwermetallgehalt, um sehr strenge Umweltstandards zu erfüllen.
4. Automatisierung und Robotik - In den automatisierten Beschichtungslinien werden Roboter eingesetzt, die eine wiederholbare Qualität der Beschichtung, die Ausschaltung menschlicher Fehler und eine höhere Produktivität der Maschine ermöglichen.
5. Selektive Beschichtungstechnologien - Es werden derzeit Technologien entwickelt, die eine selektive Beschichtung nur derjenigen Oberflächen eines Bauteils ermöglichen, die beschichtet werden müssen, wodurch Materialverschwendung und Nachbearbeitung vermieden werden.
6. Hybride Oberflächenbehandlungen - Anwendung anderer Techniken in Kombination mit chemischem Nickel (Beschichtung), um multifunktionale Oberflächen mit Merkmalen zu schaffen, die sehr spezifische Anforderungen in der High-Tech-Industrie erfüllen, z. B. “Harteloxieren von Aluminiumdruckguss” oder “Verchromen mit Nickel”.

Chemisch vernickeln wird auch in Zukunft eine nützliche Technologie für die Oberflächenveredelung sein, da sich die Innovationen zu einer breiteren Palette von Anwendungen weiterentwickeln und mehr Einsatzmöglichkeiten in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Elektronik, den erneuerbaren Energien und der Medizintechnik bieten.

Schlussfolgerung

Die stromlose Vernickelung ist ein hochwertiges Beschichtungsverfahren, das einen unvergleichlichen Gleichmäßigkeits-, Korrosions- und Verschleißschutz bietet. Im Gegensatz zur konventionellen Vernickelung basiert sie nicht auf elektrischem Strom, was eine gleichmäßige Abdeckung komplexer Formen und Innenflächen ermöglicht.

Im Vergleich zum Harteloxieren von Aluminiumdruckguss ist zumindest die Fähigkeit des Chemisch Vernickelns, neben Aluminium auch eine breite Palette anderer Metalle zu beschichten, eine Besonderheit dieses Verfahrens. In der Zwischenzeit, auch wenn die Produkt der Nickel-Chrom-Beschichtung hat eine glänzende Oberfläche, kann aber nicht in allen Fällen so gleichmäßig und vielseitig sein wie die stromlose Beschichtung.

Da sich die Bauindustrie Hochleistungsbeschichtungen zuwendet, wird diese Technologie auch in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Elektronik und im Formenbau eine wichtige Rolle spielen. Chemisch vernickeln wird aufgrund der kontinuierlichen Innovationen, die die Leistung und die Umweltverträglichkeit in den nächsten Jahrzehnten verbessern sollen, weiterhin eine der beliebtesten Optionen sein.

FAQs

1. Was bedeutet chemisches Vernickeln?

Der Begriff stromloses Vernickeln bezieht sich auf ein chemisches Verfahren, bei dem eine gleichmäßige Schicht aus einer Nickel-Phosphor- oder Nickel-Bor-Legierung ohne Strom auf eine Oberfläche aufgebracht wird. Es erhöht die Korrosionsbeständigkeit, die Verschleißfestigkeit und die Härte von Oberflächen.

2. Was sind die Unterschiede zwischen chemischer Vernickelung und Verchromung?

Im Gegensatz zur Nickelverchromung, bei der Nickel und Chrom durch Stromzufuhr abgeschieden werden, ist stromloses Nickel autokatalytisch und erzeugt selbst auf unregelmäßigen Formen und in Hohlräumen eine glatte Beschichtung.

3. Eignet sich Aluminium für chemisches Vernickeln?

Es kann. Aluminium und sogar nicht-metallische Substrate können ebenfalls beschichtet werden, wenn die Oberfläche richtig gereinigt/aktiviert wird. Meistens ist es mit der Kombination von hart eloxiertem Aluminiumdruckguss kombiniert, so dass die Objekte stark sein werden.

4. Welchen Vorteil hat die Wärmebehandlung bei der Beschichtung?

Die Nickelschicht wird einer Wärmebehandlung unterzogen, um sie hart und verschleißfest zu machen und vor Korrosion zu schützen. Je nach Phosphorgehalt kann sie so hart wie industrielles Hartchrom werden.