Die chemische Vernickelung ist eine Oberflächenbehandlung, die das Werkstück gleichmäßig mit einer Nickel-Phosphor-Legierung beschichtet. Durch eine Änderung der Badzusammensetzung entstehen chemisch abgeschiedene Nickelschichten mit unterschiedlichen Phosphoranteilen und entsprechend unterschiedlichen Eigenschaften.
Es können drei Arten von chemischen Vernickelungsbeschichtungen unterschieden werden:
Je höher der Phosphorgehalt der Legierung, desto stärker wird die Bildung der kristallinen Struktur der Legierung während der Abscheidung gehemmt. So entsteht bei chemischem Nickel mit mittlerem Phosphorgehalt eine teilweise kristalline und teilweise amorphe Struktur, bis hin zu einer vollständig amorphen Struktur bei chemischem Nickel mit hohem Phosphorgehalt.
Die typische magnetische Suszeptibilität von Nickel-Metall sinkt mit steigendem Phosphorgehalt bis nahe Null bei hochphosphorigem chemischem Nickel (mehr als 10 % P).
Mit der Zunahme des Phosphors in der Legierung geht auch eine leichte Verringerung der Schichthärte einher, von etwa 650 HV bei mittlerem Phosphorgehalt bis etwa 550 HV bei hohem Phosphorgehalt.
Es können zwei Klassen von Wärmebehandlungen nach chemischer Vernickelung unterschieden werden:
Für die mit chemischem Nickel beschichteten Werkstücke wird üblicherweise eine Wärmebehandlung bei 150-180 °C, durchgeführt, die als Entwasserstoffung bezeichnet wird und es ermöglicht, den Wasserstoff zu entfernen, der während der Behandlung in die Metallmatrix diffundiert sein könnte. Wasserstoff, der während des Vernickelns und Säurebeizens vor dem Vernickeln aufgenommen werden könnte, kann in Stähle diffundieren und das Phänomen der Wasserstoffversprödung verursachen. Diese Wärmebehandlung ermöglicht das Entweichen des im Grundmaterial oder an der Schnittstelle zur Beschichtung vorhandenen Wasserstoffs an die Luft.
Die frisch abgeschiedene chemische Nickelschicht besitzt innere Spannungen, die Druck- oder Zugspannungen sein können und ihre Haftung vor allem bei hochharten oder wärmebehandelten Stählen begrenzen können. Die Temperierung der beschichteten Bauteile führt zu einer Entspannung und zum Abbau der inneren Spannungen zwischen der Beschichtung und dem Grundmetall, wodurch auch die Haftung erhöht wird.
Abhängig von der Legierung, auf der das chemische Nickel abgeschieden wird, werden Aluminiumlegierungen für 2 bis 4 Stunden bei einer Temperatur von etwa 160 °C behandelt. Bei Eisen- oder Kupferlegierungen kann die Temperatur bei gleicher Behandlungsdauer höher liegen, etwa bei 180 °C.
Für die chemische Vernickelung gibt es zwei typische Wärmebehandlungen zur Aushärtung. Sie finden bei unterschiedlichen Temperaturen statt:
Da die amorphe Ni-P-Phase instabil ist, wird beim Glühen von chemischem Nickel oberhalb von 260 °C die erste Aktivierungsenergie der Kristallisation erreicht. Dadurch können sich die in der Nickelmatrix verteilten Phosphoratome umlagern. Die beiden Elemente reorganisieren sich über die metastabilen kristallinen Zwischenphasen Ni₇P₃ und Ni₅P₂ bis zur stabilen kristallinen Phase Ni₃P, die sich ab 280-290 °C bildet.
Um die maximale Härte von ca. 1000 HV zu erreichen, wird eine Wärmebehandlung bei 340 °C für mindestens 4 Stunden durchgeführt. Die endgültige Struktur der Beschichtung ist ein feines Netzwerk von Ni₃P-Nickelphosphid-Hartkristallen, die in der verbleibenden Nickelmetallmatrix dispergiert sind.
Die Härte von 1000±50 HV, die durch die Aushärtungsbehandlung erreicht werden kann, ermöglicht die Verwendung von chemischer Vernickelung als Alternative zur Verchromung, wobei die Tatsache genutzt wird, dass die Schicht auf allen Oberflächen, auch in den inneren Teilen, gleichmäßig ist und nicht erneut bearbeitet werden muss, wie dies bei der Chromabscheidung der Fall ist.
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Mit der Wärmebehandlung zur Härtung von chemischem Nickel wird auch die Haftung der Beschichtung auf dem Grundmetall stark verbessert. Um eine ausreichende Haftung auf nitrierten oder karbonitrierten Stählen oder auf rostfreien Stählen zu gewährleisten, ist es notwendig, nach dem Vernickeln eine Behandlung im Ofen bei Temperaturen über 260 °C durchzuführen.
Bei einer Temperatur von 270 °C reagiert chemisches Nickel zunehmend mit Sauerstoff, wodurch goldgelbe Farbtöne entstehen. Mit steigender Temperatur kann die Oberfläche durch die Lichtinterferenz an den entstehenden nanometerdünnen Nickeloxidschichten blau irisierende Färbungen annehmen, ähnlich der Anlassfarbe beim Erhitzen von Edelstahl mit einer Flamme.
Durch die Behandlung von chemischem Nickel in Öfen mit kontrollierter Atmosphäre wird eine Oberflächenoxidation vermieden, und es kann die maximale Härte erreicht werden, wobei die metallisch-weiße Färbung des Nickels beibehalten wird.
Chemisches Nickel ist ferromagnetisch, wenn der Phosphorgehalt weniger als 10 % beträgt. Es muss jedoch daran erinnert werden, dass bei Wärmebehandlungen über 250 °C die magnetische Suszeptibilität der hochphosphorhaltigen chemischen Nickelschicht aufgrund der Umwandlung von einer amorphen in eine kristalline Struktur wiederhergestellt wird. Wenn nichtmagnetisches Verhalten erforderlich ist, muss die chemische Vernickelung mit hohem Phosphorgehalt Niplate 500 gewählt werden und es kann nur die Entwasserstoffungsbehandlung durchgeführt werden.
Mit zunehmender Härte steigt die Verschleißfestigkeit kontinuierlich an. Die Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß wird mit dem „Taber-Abraser-Test“ gemessen. Dabei rotiert eine beschichtete Probe gegen zwei Gummiräder, die ein Strahlmittel mit festgelegter Körnung enthalten. Alle 1000 Umdrehungen wird der Gewichtsverlust der Beschichtung bestimmt; nach 10.000 Umdrehungen ergibt sich der als Taber-Index bezeichnete Verschleißwert. Die Werte der verschiedenen Niplate®-Beschichtungen sind den jeweiligen Beschichtungsbeschreibungen zu entnehmen:
Die Abriebfestigkeit kann im Vergleich zu gehärtetem chemischem Nickel mit NIPLATE® 600 SiC, das Siliziumkarbidpartikel enthält, um mindestens das Zehnfache erhöht werden. Mit dieser Beschichtung wird eine Härte von etwa 1100 HV erreicht, aber der große Vorteil der NIPLATE® 600 SiC-Verbundbeschichtung ist ihre außergewöhnliche Abriebfestigkeit, da der Reibpartner bei Gleitkontakt an der Oberfläche auf Siliziumkarbidpartikel trifft, die eine hohe Härte haben und nur von Diamant übertroffen werden.
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Entwasserstoffung, Härtung und Zusammenhang mit Härte und Magnetismus
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