Chemische Vernickelung von Aluminium

Die chemische Vernickelung wird üblicherweise erfolgreich für alle Aluminiumlegierungen verwendet. Die erzielte gleichmäßige Dicke, Korrosionsbeständigkeit und hohe Härte sind eine effiziente Barriere gegen korrosive Stoffe und in Situationen, in denen Verschleiß eine wichtige Rolle spielt.

Unter den in der Präzisionsmechanik verwendeten Metallen eignet sich Aluminium am besten für das Konzept der funktionalen und energetischen Verbesserung von Maschinen dank der hervorragenden mechanischen Eigenschaften einiger Legierungen, die mit denen von Stählen vergleichbar sind, der Möglichkeit der Extrusion, des Schwerkraftgusses oder Druckgusses und der unbezahlbaren Leichtigkeit mit einem spezifischen Gewicht von etwa 2,7 g/cm³ gegenüber 7,9 g/cm³ von Stahl. Dies kommt den beweglichen Teilen zugute, bei denen die wirkenden Kräfte und die daraus resultierende Reibung und der Energieverbrauch reduziert werden.

Aluminiumlegierungen weisen jedoch einige Schwächen in Bezug auf die Oberflächeneigenschaften auf:

• Geringe Korrosionsbeständigkeit: Aluminiumlegierungen sind besonders anfällig für galvanische Korrosion und haben keine chemische Beständigkeit bei Kontakt mit sauren oder alkalischen Substanzen;
• Geringe Verschleißfestigkeit: Die geringe Oberflächenhärte und die Neigung zum Festfressen machen sie für den gleitenden Kontakt mit anderen Bauteilen ungeeignet;
• Neigung zum Festfressen: Gleitphänomene von Aluminiumteilen neigen leicht zum Festfressen.

Insbesondere zwei Beschichtungen kommen zum Einsatz, um die Oberflächeneigenschaften zu verbessern und die Nachteile des Grundmetalls zu beseitigen: Anodisieren und chemische Vernickelung.

Abgesehen vom Anodisieren in seinen technischen und dekorativen Formen, was einen eigenen Themenbereich darstellt, konzentrieren wir uns auf die Eigenschaften und Anwendungsmethoden der chemischen Vernickelung.

Alle Aluminiumlegierungen können vernickelt werden

Die erste großartige Eigenschaft der chemischen Vernickelung ist ihre Anwendbarkeit auf alle Aluminiumlegierungen. Die daraus resultierenden technischen Oberflächeneigenschaften sind daher für alle Legierungen gleich. Das Anodisieren hingegen liefert bei bestimmten Legierungen keine zufriedenstellenden Ergebnisse, sei es wegen der unattraktiven Ästhetik, sei es wegen der Korrosionsbeständigkeit oder wegen der schlechten Verschleißfestigkeit. Besonders betroffen sind Druckgusslegierungen mit hohem Silizium- und Kupfergehalt.

Um Aluminium zu vernickeln, muss die Oberfläche der Teile mit einer sogenannten Zinkatbehandlung aktiviert werden, bei der vor dem Vernickeln eine leichte Zinkschicht von wenigen Nanometern auf das Teil aufgebracht wird. Jede Aluminiumlegierung erfordert, abhängig von den jeweiligen Legierungselementen wie Cu, Si, Mg oder Zn, geeignete und differenzierte Verfahren für die Bildung der Zinkschicht. Dieser Schritt ist sehr wichtig, da die Schichthaftung der chemischen Nickelbeschichtung und ihre daraus resultierenden Schutzfunktionen stark von der Qualität der Zinkschicht, ihrer Dicke, Verteilung und Gleichmäßigkeit beeinflusst werden.

Korrosionsbeständigkeit der chemischen Vernickelung auf Aluminiumlegierungen

Chemisch abgeschiedenes Nickel schützt die Oberflächen, die es beschichtet, weil es ein im Vergleich zu Aluminium edleres Metall ist, das wenig anfällig für den Angriff durch Salzlösungen und industrielle Schadstoffe ist. Seine Schutzwirkung hängt vom Grad der Abdeckung und der Abdichtung gegenüber dem Basismetall ab.

Es muss jedoch die Rolle von Aluminium als Opfermetall im Vergleich zu chemisch abgeschiedenem Nickel in einer korrosiven Situation berücksichtigt werden. In Gegenwart von Nasskorrosion entsteht aufgrund der elektrochemischen Potentialdifferenz zwischen Al und Ni ein galvanisches Element, das die Korrosion des Grundmetalls beschleunigt und dazu neigt, sie entlang der Ni-Al-Schnittstelle voranzutreiben, wodurch die Ni-Beschichtung unterwandert und abgelöst wird.

Um dieser Situation entgegenzuwirken, werden geeignete Schichtdicken der chemischen Vernickelung festgelegt, die der Aggressivität der Einsatzumgebung angemessen sind, und es werden chemische Nickelelektrolyte mit modifizierter Legierungszusammensetzung verwendet, um die intrinsische Porosität der Überzugsschicht zu reduzieren.

Die Vernickelungsbeschichtung Niplate® eXtreme ist ein chemisch abgeschiedenes Nickel, das für Aluminiumlegierungen entwickelt wurde, um eine maximale Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten und das Abblättern bei auftretender Korrosion zu vermeiden. Bei gleicher Dicke bietet Niplate® eXtreme im Vergleich zu anderen chemischen Nickeln einen besseren Schutz, da es fast keine Restporosität aufweist. Darüber hinaus bleibt mit Niplate® eXtreme die Korrosion auf den Auslösepunkt begrenzt und schreitet nur in seiner Nähe voran.

Bei der Wahl der besten Lösung für ein Korrosionsproblem sind neben dem am besten geeigneten chemischen Nickeltyp mit der richtigen Dicke folgende Faktoren zu berücksichtigen, die sich auf das Endergebnis auswirken:

• die inhärenten Porositäten der Al-Legierung, für die Gasblasen in Druckgussteilen ein häufiges Beispiel sind,
• mögliche inerte Einschlüsse in der Aluminiumlegierung, die zu Diskontinuitäten in der Nickelbeschichtung führen,
• die mehr oder weniger feine mechanische Bearbeitung mit Material, das vom Werkzeug sauber geschnitten und nicht ausgerissen wird,
• die Kanten, die eher abgerundet als scharf sind,
• die Handhabung der Werkstücke nach der Behandlung, die zu Dellen des Werkstücks mit Rissbildung in der harten chemischen Nickelbeschichtung führen kann, mit daraus folgenden Auswirkungen.

Durch die Anwendung der richtigen Vernickelungsvorbereitungszyklen und der entsprechenden Elektrolyte werden auf kompakten und fein verarbeiteten Legierungen gute Korrosionsbeständigkeiten von mehr als 100 Stunden mit dem Salzsprühtest ISO 9227 bei Dicken von 10-15 µm und bis zu 720 Stunden Beständigkeit bei Dicken von 30-35 µm erzielt.

Verschleißfestigkeit von vernickeltem Aluminium

Wie oben erwähnt, sind die Oberflächeneigenschaften von chemisch vernickeltem Aluminium diejenigen, die sich auf chemisch abgeschiedenes Nickel beziehen. Die Härte der Beschichtung liegt zwischen 550 und 650 HV, abhängig von der Art des gewählten chemischen Nickels, mit einer Verschleißfestigkeit, die in den technischen Datenblättern von Niplate® 500 und Niplate® 600 angegeben ist, auf die zur Vertiefung verwiesen wird.

Die weitere Aushärtung des chemisch abgeschiedenen Nickels, was zu einer Erhöhung der Verschleißfestigkeit führt, erfolgt durch Wärmebehandlungen. Die Temperaturen, bei denen chemisch abgeschiedenes Nickel üblicherweise für einige Stunden ausgehärtet wird, nämlich 280 °C und 340 °C, ermöglichen es, 800±50 HV bzw. 1000±50 HV zu erreichen, können aber bei einigen Aluminiumlegierungen die mechanischen Eigenschaften beeinflussen.

Bei der Bewertung und Planung eines Teils aus chemisch vernickeltem Aluminium, das Verschleiß ausgesetzt ist, werden die lokalen Belastungen berücksichtigt, denen das Werkstück beim Gleiten auf dem mechanischen Gegenstück standhalten muss, um zu überprüfen, ob die Dicke und Härte des Nickels angemessen sind.

In der Praxis werden viele Teile in fast allen Aluminiumlegierungen hergestellt und mit chemischem Nickel beschichtet, um Verschleißfestigkeit zu gewährleisten, auch dank der hervorragenden Gleitfähigkeit, die es sowohl auf Metallgegenstücken als auch auf Gummidichtungen oder Gummidichtelementen besitzt.