Galvani erfand 1791 die Batterie, die später die Entwicklung der Galvanostegie ermöglichte, d. h. die Abscheidung von Metall auf leitfähigen Oberflächen. Die ersten Elektrolyte für die industrielle Verchromung wurden in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts eingeführt und Anfang des 20. Jahrhunderts perfektioniert.
Abgesehen von geringfügigen Abweichungen in den Formulierungen der Verchromungselektrolyte ist die Grundkomponente des Verchromungsbades bis heute das Chromsäureanhydrid CrO₃, das in Lösung als Chromsäure bezeichnet wird. Das Chrom in diesem Elektrolyt ist in sechswertiger Form und seine Salze werden als Chromate bezeichnet.
Aufgrund der hohen Toxizität von Chrom in seiner sechswertigen Form (Cr VI) gibt es derzeit starke Einschränkungen bei der Verwendung. Metallisches Chrom hingegen, auch wenn es aus Bädern mit sechswertigem Chrom abgeschieden wird, unterliegt keinen Nutzungsbeschränkungen, da es inert ist; auch seine Auflösung in aggressiven Umgebungen ist nicht problematisch, denn es wandelt sich von nullwertigem Chrom (Cr°) in ungiftiges dreiwertiges Cr (Cr III) um.
Aufgrund der Gefährlichkeit von sechswertigem Chrom hat die REACH-Verordnung seine Verwendung auf Unternehmen beschränkt, die eine Zulassung erhalten haben. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren Elektrolyte entwickelt, die anstelle von sechswertigem Chrom dreiwertiges Chrom für die dekorative Verchromung verwenden. Bis heute gibt es keine Alternative zu sechswertigem Chrom für die Hartverchromung mit hoher Schichtdicke.
Die Eigenschaften von elektrolytisch abgeschiedenem Metallchrom sind bekannt und die Verwendung der Verchromung ist nach wie vor eine der beliebtesten Methoden zum Schutz von Metallgegenständen vor Korrosion und Verschleiß.
Die Verchromung kann man technisch in zwei Arten von Beschichtungen unterscheiden, die für verschiedene Zwecke verwendet werden:
Durch das Verchromungsverfahren wird eine funktionelle Chromschicht direkt auf Stahl oder ein anderes Basismetall abgeschieden, um eine hohe Oberflächenhärte zu verleihen und das Teil vor Verschleiß und Korrosion zu schützen.
Die Beschichtung mit Hartchrom ist weit verbreitet, insbesondere bei Teilen mit einfacher Geometrie, die einem abrasiven Verschleiß durch Gleiten ausgesetzt sind, wie Kolbenstangen von Hydraulikzylindern, oleodynamischen Zylindern, Kalandrierwalzen für die Papierindustrie oder die grafische Industrie und viele andere Anwendungen, bei denen die Härte und Gleitfähigkeit von Chrom unübertroffen sind.
Die Hartverchromung wird mit Dicken von einigen Dutzend bis zu Hunderten von Mikrometern abgeschieden, abhängig von der Schwere des Einsatzes.
Bei Anwendungen mit hohen Gleitlasten oder starkem Verschleiß wird eine Schicht mit hoher Dicke abgeschieden und anschließend geschliffen, um die erforderliche Rauheit und die korrekten Abmessungen zu erreichen und dabei die Unebenheiten der Beschichtung zu glätten.
Eine ziemlich wichtige Einschränkung des Verchromungsbades ist seine geringe Tiefenstreuung in Bereichen mit geringer Stromdichte. Mit anderen Worten, der für die galvanische Abscheidung erforderliche Strom neigt dazu, Chrom an den äußersten Teilen des zu beschichtenden Werkstücks abzuscheiden. Daraus folgt, dass die Chromschicht an den äußeren Kanten viel dicker ist, während sie in den inneren Teilen eines komplexen mechanischen Werkstücks spärlich oder gar nicht vorhanden ist. Aus diesem Grund wird dieses Verfahren trotz seiner außergewöhnlichen Eigenschaften hauptsächlich für zylindrische Teile oder einfache Formen verwendet.
Die Härte von Chrom ist hoch und reicht von 800 bis 1000 HV, abhängig von der Art der Abscheidung.
Die Hartverchromung ist die Beschichtung der Wahl, wenn eine sehr gute Gleitfähigkeit in Verbindung mit einer maximalen Verschleißfestigkeit in sehr schweren Verschleißsituationen erforderlich ist. Die Chromschicht ist bei maximaler Härte mikrorissig, mit fein verteilten Rissen. Diese Eigenschaft verringert einerseits die Korrosionsbeständigkeit, andererseits ermöglicht sie öligen Substanzen, sich in den Rissen anzulagern, was eine kontinuierliche leichte Schmierung bewirkt, die im Falle eines Gleitens auf Dichtungen wie in hydraulischen Zylindern einen großen Vorteil bietet.
Die Korrosionsbeständigkeit ist ziemlich gut, obwohl sie nicht hervorragend ist, wenn sie nicht durch eine darunter liegende Beschichtung unterstützt wird. Dies ist auf die Mikrorisse der Schicht zurückzuführen, die eine Korrosion des Grundmaterials nach wenigen Stunden Exposition gegenüber Salzsprühnebel ermöglichen.
Es handelt sich um die klassische glänzende Verchromung von Armaturen und Bauteilen für dekorative Anwendungen. Das behandelte Teil erhält ein glänzendes und attraktives Aussehen.
Sie wird auch als Nickel-Chrom-Beschichtung bezeichnet, da sie aus zwei Schichten besteht: einer ersten elektrolytisch abgeschiedenen Nickelschicht, die eine glatte und glänzende Oberfläche erzeugt, und einer anschließenden Chromschicht. Diese verleiht eine beständige weiß-blaue Farbe und schützt die Oberfläche dank ihrer Härte vor Abrieb bei der Reinigung, sodass der Glanz langfristig erhalten bleibt.
Die elektrolytische Nickel-Chrom-Beschichtung ist kostengünstig und erzeugt eine dekorative, glänzende Optik, die von anderen galvanischen Behandlungen ästhetisch kaum erreicht wird. Ihre Haftung auf dem Grundmetall kann jedoch unzureichend sein. Daher und aufgrund der für galvanische Verfahren typischen ungleichmäßigen Schichtdicke wird sie bei Präzisionsbauteilen kaum für funktionelle Anwendungen eingesetzt.
Die Dicke der dekorativen Verchromung beträgt normalerweise etwa 10-15 µm. Die elektrolytische Vernickelung hat eine Dicke von etwa 10 µm und die Verchromung wird mit sehr geringen Dicken, durchschnittlich im Mikrometerbereich, abgeschieden.
Die mikrorissige Chromschicht allein bietet dem Grundmaterial keinen ausreichenden Korrosionsschutz. Deshalb übernimmt die elektrolytische Nickelschicht zwei Aufgaben: Sie erzeugt durch ihre glanzbildende und einebnende Wirkung eine attraktive Oberfläche und schützt zugleich das Grundmetall vor Korrosion.
Bereits um 1844 wurde eine Nickel-Metall-Bildung aus einer Lösung mit Nickelsalzen und Hypophosphit beschrieben. Erst in den Nachkriegsjahren wurde jedoch ein industrielles Verfahren zur Abscheidung von Nickel-Phosphor-Legierungen aus Lösungen definiert, die Natriumhypophosphit und Nickelsulfat oder -chlorid enthalten. Das erste industriell effiziente Verfahren wurde 1955 unter dem Namen Kanigen patentiert. Obwohl die Zusammensetzung der chemischen Vernickelungslösung im Wesentlichen gleichgeblieben ist, haben seitdem die ständigen Änderungen an der Formulierung der chemischen Vernickelungsbäder den Prozess immer zuverlässiger gemacht und heute ein Höchstmaß an Qualität und Beständigkeit der Oberflächeneigenschaften erreicht.
Chemische Vernickelung ist ein Verfahren, das ohne den Einsatz von Strom auf der Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks eine Beschichtung auf der Basis einer Nickel-Phosphor-Legierung abscheidet. Es unterscheidet sich von elektrolytischen Prozessen gerade durch das Fehlen einer externen Energiequelle, sodass alle Oberflächen auch von Teilen mit komplexer Geometrie gleichmäßig beschichtet werden können. Die durch chemische Vernickelung erzielten Oberflächeneigenschaften sind eine gleichmäßige Schichtdicke, Korrosionsbeständigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit.
Chemisches Nickel kann direkt alle Metalllegierungen beschichten, die in der Mechanik häufig verwendet werden (Stahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Messing), mit Ausnahme von Zinklegierungen wie Zamak, die vor dem Vernickeln unbedingt verkupfert werden müssen.
Das chemische Nickelbad beginnt, Metall abzuscheiden, sobald das zu beschichtende Werkstück in die Vernickelungslösung eingetaucht wird, was eine chemische Reaktion zwischen dem Hypophosphit-Anion und dem Nickel-Kation auslöst. Seine Abscheidung erfolgt regelmäßig auf allen Oberflächen des eingetauchten Werkstücks mit einer konstanten Geschwindigkeit, die es ermöglicht, eine gleichmäßige Abscheidung von Nickel-Phosphor-Legierung zu erhalten, deren Dicke zwischen einem Punkt und dem anderen des Werkstücks innerhalb von ±10 % der erforderlichen Nenndicke variiert. Unter der Annahme einer Dicke von 20 µm beträgt die Dickenänderung zwischen einem Punkt und dem anderen der in das chemische Vernickelungsbad eingelegten Teile ±2 µm auf allen Oberflächen, die von der Vernickelungslösung erreicht werden und auf denen sie zirkulieren kann. Nur innerhalb der Sacklöcher ist die Beschichtung schlecht oder fehlt, da die Löcher durch den fehlenden Kontakt mit der Vernickelungsflüssigkeit beeinträchtigt werden, insbesondere wenn sie klein und tief sind.
Die gleichmäßige Schichtdicke ist ein Alleinstellungsmerkmal unter den verschiedenen Metallbeschichtungen. Sie ermöglicht es, bereits vorab eine für den Verwendungszweck des mechanischen Bauteils geeignete Schichtdicke festzulegen. So kann schon bei der Konstruktion der durch die Beschichtung entstehende Materialauftrag berücksichtigt werden, um die Maßtoleranzen des fertig beschichteten Bauteils einzuhalten.
Die chemische Vernickelung hat den enormen Vorteil, dass sie alle Oberflächen, die sie beschichtet, gleichmäßig schützt. Der Schutzgrad der Beschichtung unterscheidet sich geringfügig zwischen den verschiedenen Arten von chemischem Nickel und ist immer noch höher als die Vernickelung und galvanische Verchromung bei gleicher Dicke. Der Schutzgrad hängt stark von der Basismetalllegierung und dem Oberflächenzustand ab.
Beim Beispiel mit Aluminium hängt die Korrosionsbeständigkeit stark von der verwendeten Legierung, dem Herstellungsverfahren und der Oberflächenbeschaffenheit ab. Vollständig bearbeitete Teile haben sicherlich eine bessere Korrosionsbeständigkeit als Druckgussteile mit rohen Oberflächen. Gusseisen ist aufgrund seiner Porosität weniger widerstandsfähig als Stahl und mechanisch bearbeitete Oberflächen sind robuster als gezogene rohe Oberflächen.
Es können mehr oder weniger hohe Beschichtungsstärken gewählt werden, um mit mehr oder weniger aggressiven Umgebungen fertig zu werden. Die Dicke liegt normalerweise zwischen 5 µm und 50 µm.
NIPLATE® 500 ist am besten geeignet, um Teile aus Eisenlegierungen und Kupferlegierungen vor Korrosion zu schützen, während für Aluminium NIPLATE® eXtreme besser geeignet ist.
Ni-P-Legierungen weisen je nach Art der abgeschiedenen chemischen Nickelschicht Härten von etwa 500 bis 700 HV sowie eine ausgezeichnete, mit der Härte zunehmende Verschleißfestigkeit auf. Durch Wärmebehandlungen oberhalb von 250 °C bis zu einer Obergrenze von etwa 400 °C können sie weiter ausgehärtet werden. Dabei verändert sich die Struktur der metallischen Ni-P-Beschichtung; es bilden sich kristalline Ni3P-Ausscheidungen (Nickelphosphid), welche die Schichthärte auf über 1000 HV steigern und die Verschleißfestigkeit deutlich erhöhen.
Die mit der Verchromung vergleichbare Härte in Verbindung mit der gleichmäßigen Schichtdicke macht chemisches Nickel für viele Anwendungen zur bevorzugten Lösung, da eine Nachbearbeitung durch Schleifen und die damit verbundenen Kosten entfallen.
Für die Anforderungen der Verschleißfestigkeit ist das am besten geeignete chemische Nickel NIPLATE 600®, das eine Härte von etwa 700 HV hat und bis zu Werten von 1000-1050 HV gehärtet werden kann. Für viele Anwendungen erfüllt die Härte von etwa 700 HV die Anforderungen an die Verschleißfestigkeit und ermöglicht es, das Erreichen hoher Temperaturen zu vermeiden, die für einige Materialien, wie die Aluminiumlegierung 7000, schädlich sein können.
Es gibt auch eine chemische Vernickelungsbehandlung NIPLATE 600® SiC, die mit Siliziumkarbidpartikeln versetzt ist und eine Härte von 1150 HV erreicht, mit einer Verschleißfestigkeit, die sogar die von Hartchrom übertrifft.
Vorteile:
Nachteile:
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Nachteile:
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Nachteile:
Eine der häufigsten Fragen von Kundinnen und Kunden, die sich zum ersten Mal mit einer technischen Oberflächenbehandlung beschäftigen, lautet: „Was kostet das pro Kilo?“ Ob es sich um chemisches Vernickeln oder um Eloxieren handelt - die einzig seriöse Antwort lautet: Es kommt darauf an.
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Eine der Haupteigenschaften der chemischen Vernickelung ist ihre Korrosionsbeständigkeit. Die chemische Vernickelung wird auf mechanischen Metallteilen (Stähle, Aluminium- oder Kupferlegierungen) verwendet, wenn ein Schutz vor Oxidation und Korrosion durch äußere Einflüsse erforderlich ist.
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In der Präzisionsmechanik werden hauptsächlich Legierungen aus Eisen, Aluminium und Kupfer verwendet. Ausschlaggebend dafür sind ihre mechanischen Eigenschaften ebenso wie ihre gute Verfügbarkeit, Wirtschaftlichkeit und einfache Bearbeitbarkeit.
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