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.
Die Entwicklung des Marktes und der Technologien hat unweigerlich zur Suche und Nachfrage nach immer besseren Eigenschaften geführt, auch in Bezug auf die Oberflächeneigenschaften. Die drei genannten Legierungen weisen oftmals unzureichende Oberflächeneigenschaften auf, wie z. B. in Bezug auf Korrosionsbeständigkeit oder Verschleißfestigkeit. Es ist daher sehr oft notwendig, einige Oberflächeneigenschaften durch das Auftragen von Beschichtungen zu verbessern, die verschiedene technische und/oder ästhetische Anforderungen erfüllen können.
Die chemische Vernickelung eignet sich besonders für Bauteile der Präzisionsmechanik, da sie mehrere Eigenschaften vereint: eine gleichmäßige Schichtdicke, hohe Härte, Verschleißfestigkeit und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit.
Das chemische Vernickeln erfolgt durch Eintauchen in eine Nickellösung und beruht auf einer autokatalytischen chemischen Reaktion ohne Einsatz von elektrischem Strom. Auf der Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks wird eine Nickel-Phosphor-Legierung mittels der Redoxreaktion zwischen dem Ni²⁺-Ion aus Nickelsulfat und dem H₂PO₂⁻-Ion aus dem Natriumhypophosphit (Reduktionsmittel) abgeschieden.
Dieses Verfahren ermöglicht eine Beschichtung mit gleichmäßigen und kalibrierten Dicken auf allen Oberflächen, auch in Innenbereichen und bei komplexen Geometrien. Dadurch können enge Toleranzen eingehalten werden, ohne dass kritische Oberflächen isoliert oder nachbearbeitet werden müssen. Die komplette Beschichtung des Werkstücks ermöglicht außerdem den Schutz aller Innenflächen vor Korrosion und Verschleiß, wie z. B. Bohrungen und Hinterschneidungen.
Bei galvanischen bzw. elektrolytischen Verfahren, wie der Verchromung oder der elektrolytischen Vernickelung, wird dagegen elektrischer Strom zur Abscheidung der Metallbeschichtung verwendet, was unweigerlich zu größeren Schichtdicken an den Kanten und geringeren Schichtdicken in den Innenbereichen führt.
Die chemische Vernickelung und die elektrolytische Vernickelung haben im Grunde genommen nur die Art des Metalls gemeinsam. Die Behandlungsverfahren sind völlig unterschiedlich, ebenso wie die Oberflächeneigenschaften und Anwendungsbereiche.
Die elektrolytische Vernickelung wird vor allem, aber nicht nur, im dekorativen Bereich verwendet, um Korrosionsbeständigkeit und ein silbriges metallisches Aussehen zu verleihen. Sie wird normalerweise mit einer darunter liegenden Kupferbeschichtung kombiniert, um die Haftung zu erhöhen und ein glänzendes und brillantes Aussehen zu erzielen. Sie hat eine mittlere Härte und eine geringere Korrosionsbeständigkeit als die chemische Vernickelung.
Die chemische Vernickelung wird im technischen Bereich gewählt, um die Härte auf bis zu 1000 HV zu erhöhen, die Verschleißfestigkeit zu verstärken, den Reibungskoeffizienten zu reduzieren und eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit zu gewährleisten. Sie ist auf Legierungen aus Eisen, Aluminium, Kupfer und Titan anwendbar.
Die technischen Normen und internationalen Normen für chemisches Nickel lauten wie folgt:
| Norm/Standard | Titel |
|---|---|
| ISO 4527 | Metallic coatings - Autocatalytic (electroless) nickel-phosphorus alloy coatings - Specification and test methods |
| ASTM B733 | Standard Specification for Autocatalytic (Electroless) Nickel-Phosphorus Coatings on Metal |
| MIL-C-26074 | Coatings, Electroless Nickel, Requirement for |
| AMS C26074 | Electroless Nickel Coatings |
| AMS 2404 | Plating, Electroless Nickel |
| AMS 2405 | Electroless Nickel Plating Low Phosphorus |
Die am häufigsten verwendete und anerkannte Norm ist ISO 4527, die Anforderungen und Prüfverfahren für autokatalytische Beschichtungen aus Nickel-Phosphor-Legierungen definiert, die auf metallische Substrate aufgebracht werden.
Die Beschichtungen unterscheiden sich hinsichtlich der Menge an Phosphor in der Legierung:
| % Phosphor | Art der chemischen Vernickelung | Info |
|---|---|---|
| 1-4 % P | Phosphorarmes chemisches Nickel | Industriell wenig genutzt |
| 5-9 % P | Chemisches Nickel mit mittlerem Phosphorgehalt Niplate 600 | Aufgrund der höheren Härte und Verschleißfestigkeit sowie der geringeren Kosten zu bevorzugen |
| >10 % P | Chemisches Nickel mit hohem Phosphorgehalt Niplate 500 | Aufgrund erhöhter Korrosionsbeständigkeit zu bevorzugen |
Um die Oberflächeneigenschaften von chemischen Nickelbeschichtungen zu verbessern, wurden Beschichtungen entwickelt, die Partikel mit besonderen Eigenschaften enthalten, wie zum Beispiel:
Chemisches Nickel hat ein glänzendes metallisches Aussehen von einer ähnlichen Farbe wie Edelstahl. Es besitzt eine hohe Oxidationsbeständigkeit und behält daher die Farbe und Brillanz über einen langen Zeitraum bei.
Die Oberflächenmorphologie des Werkstücks und die Rauheit werden durch die Beschichtung nicht verändert, so dass das endgültige ästhetische Erscheinungsbild das ursprüngliche widerspiegelt.
Ein mattes Finish kann durch Sandstrahlen, Kugelstrahlen oder Strahlmittelbehandlung erreicht werden.
Chemisches Nickel + PTFE hat eine metallgraue Farbe.
Chemisches Nickel + SiC hat eine hellgraue Färbung.
Chemische Vernickelung kann auf die meisten Legierungen angewendet werden, die üblicherweise im mechanischen Bereich verwendet werden:
Die Dicke der chemischen Nickelbeschichtung ist auf der gesamten Oberfläche des Werkstücks gleichmäßig.
Es werden Beschichtungsdicken zwischen 5 µm und 50 µm mit einer Toleranz von ±10 % und einem Mindestwert von ±2 µm verwendet. Die Standarddicken sind die Folgenden:
Für einige Anwendungen mit schwerem Verschleiß oder starker erforderlicher Korrosionsbeständigkeit, wie zum Beispiel in der Schifffahrt, können Stärken von 30±3 µm oder 50±5 µm gewählt werden, die es ermöglichen, die Festigkeit proportional zur Dicke zu erhöhen.
Die Wahl der idealen Dicke muss in Abhängigkeit von den Anforderungen, dem Grundmaterial und den Einsatzbedingungen, wie zum Beispiel Verschleiß oder Aggressivität der Umgebung, beurteilt werden. Micron Srl steht Planern, Designern und mechanischen Werkstätten bei der Auswahl und Definition der richtigen Dicke zur Verfügung.
Die chemische Vernickelungsbeschichtung hat eine sehr hohe Härte, die höher ist als bei fast allen anderen Metalllegierungen. Wärmebehandlungen auf chemischen Nickelbeschichtungen ermöglichen eine signifikante Erhöhung der Härte, wodurch eine Härte von 1000 HV (69 HRC) erreicht wird, die die Härte von zementiertem oder nitriertem Stahl übersteigt. Dies ermöglicht eine signifikante Erhöhung der Verschleißfestigkeit der beschichteten Bauteile, auch dank des niedrigen Reibungskoeffizienten von chemischem Nickel.
Während des chemischen Vernickelungsprozesses kommt es zu einer Diffusion von atomarem Wasserstoff innerhalb der Metallmatrix, sowohl in der Beschichtung als auch im Substrat. Hochfeste Stähle können aufgrund dieses Phänomens eine sogenannte Versprödung durch Wasserstoff aufweisen. Während der chemischen Vernickelung, bei der die Abscheidung des Metalls ohne Stromzufuhr erfolgt, ist der Wasserstoffgehalt, der in das Metall diffundieren kann, deutlich geringer als derjenige, der bei herkömmlichen galvanischen Metallbeschichtungen wie Verchromung oder elektrolytischer Vernickelung diffundiert. Es wird normalerweise eine Wärmebehandlung bei 180 °C für 4 Stunden durchgeführt, die als Dehydrierung bezeichnet wird, und es ermöglicht, den Wasserstoff zu entfernen und die Schichthaftung zu verbessern.
Wärmebehandlungen zur Härtung, die eine Erhöhung der Härte der Beschichtung ermöglichen, werden in der Regel bei einer Temperatur von 260-280 °C für eine Härte von etwa 800 HV und 340 °C für eine Härte von etwa 1000 HV durchgeführt. Die Wärmebehandlung bei 260-280 °C kann zu einer leichten Gelbfärbung der Oberfläche der Werkstücke aufgrund einer leichten Oxidation der Oberfläche bei diesen Temperaturen führen. Die Behandlung zur Härtung bei 340 °C wird üblicherweise im Heißluftofen durchgeführt und führt zu einer schillernden gelb-blauen Färbung auf der Oberfläche der Werkstücke. Die gleiche Behandlung zur Härtung kann alternativ in einem Ofen unter kontrollierter Atmosphäre durchgeführt werden, wodurch das metallische Erscheinungsbild des chemischen Nickels erhalten bleibt.
Chemische Vernickelung ist eine Beschichtung, die eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit bietet. Das Korrosionsverhalten hängt stark von der beschichteten Metalllegierung ab, weshalb einige Präzisierungen angebracht sind.
Auf Eisenlegierungen hat man die beste Korrosionsbeständigkeit bei Verzinkungsbehandlungen, da Zink opferfähig ist und zuerst korrodiert, wodurch die Korrosion des Eisens vermieden wird. Chemisches Nickel wird anstelle von Verzinkung gewählt, wenn es notwendig ist, auch die inneren Bereiche zu schützen, enge Toleranzen einzuhalten, eine bessere Haftung und Beständigkeit gegen Verschleiß und Kratzer zu haben und wenn das Werkstück mit leicht sauren oder alkalischen Substanzen in Kontakt kommt.
Auf Aluminiumlegierungen konkurriert chemisches Nickel mit dem Anodisieren und unterscheidet sich durch eine höhere Oberflächenhärte, eine bessere chemische Beständigkeit in nicht-neutralen Umgebungen, einen niedrigeren Reibungskoeffizienten und eine geringere Rauheit, elektrische Leitfähigkeit und Beschichtung aller Oberflächen, einschließlich der Innenflächen.
Auf Kupferlegierungen (Messing) verleiht die chemische Vernickelung eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und hält mehr als 1000 Stunden im neutralen Salzsprühtest (NSS) ohne Korrosionserscheinungen stand.
Chemisches Nickel hat eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit bei Kontakt mit neutralen oder leicht aggressiven Umgebungen, oxidiert schwer und bewahrt das metallische Aussehen der Oberfläche. Es ist beständig gegen den Kontakt mit Kohlenwasserstoffen, Alkohol, neutralen Salzlösungen, verdünnten reduzierenden Säuren und verdünnten Basen. Weniger geeignet ist es bei Kontakt mit konzentrierten Säuren und Basen, insbesondere oxidierenden Medien.
Chemisches Nickel mit mittlerem Phosphorgehalt (5-9 % P) zeigt ein ferromagnetisches Verhalten. Chemisches Nickel mit hohem Phosphorgehalt (>10 % P) ist dagegen amorph und weist in diesem Zustand keinen nennenswerten Ferromagnetismus auf. Wird es jedoch Wärmebehandlungen oberhalb von etwa 250-300 °C unterzogen, neigt die amorphe Phase zur Kristallisation und bildet Verbindungen (zum Beispiel Ni3P), die ferromagnetische Eigenschaften verleihen. Wenn also jegliche Form von Magnetismus vermieden werden soll, muss eine Beschichtung mit hohem Phosphorgehalt (wie Niplate 500) gewählt werden, ohne eine Härtungsbehandlung bei Temperaturen durchzuführen, die eine Kristallisation auslösen.
Die chemische Vernickelung verändert die durch die mechanische Bearbeitung erzeugte Oberflächenrauheit nicht; die Rauheitswerte bleiben daher nahezu unverändert.
Einige spezielle Anwendungen erfordern ein Schleifen nach der chemischen Vernickelung, beispielsweise Hydraulik-Kolbenstangen, für die sehr enge Toleranzen und präzise Passungen erforderlich sind.
Chemisches Nickel ist zwar sehr hart, lässt sich aber recht leicht schleifen. Es wird sogar die Härtungsbehandlung auf 800 HV oder 1000 HV bevorzugt, da sich die Bearbeitbarkeit und Spanabnahme verbessert.
Das chemische Nickel Niplate eignet sich gut zum Löten. Es wird häufig auf Kupferleitern verwendet, um die Oberflächenoxidation von Kupfer zu verhindern und eine hervorragende Lötbarkeit elektronischer Komponenten zu ermöglichen. Chemisches Nickel schützt Kupfer nicht nur vor Korrosion, sondern behält auch die Oberflächeneigenschaften im Laufe der Zeit bei, da es nicht oxidiert und nicht korrodiert.
Die chemischen Vernickelungsbeschichtungen von Niplate entsprechen der REACH-Verordnung und der RoHS-Richtlinie, da es keine Stoffe mit Verwendungsbeschränkungen gibt, die über die maximal zulässigen Konzentrationen hinausgehen, und keine SVHC in Mengen von mehr als 0,1 Massenprozent vorhanden sind.
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Vollständige technische Referenz für die chemische Vernickelung in der Präzisionsmechanik
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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Saubere Energie hat für Regierungen und die Industrie weltweit höchste Priorität, da die Verringerung der Treibhausgasemissionen der Schlüssel zur Begrenzung der Auswirkungen des Klimawandels ist. In diesem Zusammenhang entwickelt sich Wasserstoff zu einer vielversprechenden sauberen Energiequelle für Fahrzeuge und weitere Anwendungen.
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