Chemisch-Nickel-Schichten

Chemisch-Nickel-Schichten sind chemisch, d. h. mittels einer Redox-Reaktion erzeugte Beschichtungen aus Nickel und i. d. R. einem weiteren Legierungspartner wie Phosphor oder Bor auf einem Substrat mit einer katalytisch aktiven Oberfläche.

Verfahren

Die Chemisch-Nickel-Abscheidung erfolgt autokatalytisch, d. h. die abgeschiedene Nickel-Legierung katalysiert selbst die weitere Abscheidung, so dass die abscheidbare Schichtdicke aus Verfahrenssicht nicht limitiert ist. Üblicherweise werden als Reduktionsmittel Hypophosphit PH₂O₂^- oder Boranat BH₄^- bzw. organische Borane wie Dimethylaminoboran (H₃C)₂HNBH₃ verwendet.

Die abgeschiedenen Schichten weisen einen in weiten Bereichen einstellbaren Gehalt an Phosphor bzw. Bor auf und sind je nach P- bzw. B-Gehalt kristallin bis amorph. Die Ni/P-Schichten werden in die Kategorien niedrig- (low-phos, 1–3 % P, kristallin im Abscheidezustand), mittel- (mid-phos, 4–9 % P, teilkristallin im Abscheidezustand) und hochphosphorhaltig (high-phos, mind. 10 % P, röntgenamorph im Abscheidezustand) eingeteilt. Sie zeigen eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit, welche mit zunehmendem Phosphorgehalt steigt. Im Bereich der Ni/B-Schichten werden niedrig- (1–2 % B) und hochborhaltige Schichten (5–6 % B) unterschieden. Sowohl Ni/P- als auch Ni/B-Schichten sind darüber hinaus bereits im Abscheidezustand sehr hart. Durch Wärmebehandlung im Bereich von 350–400 °C über 1–2 Stunden (je nach Bauteilmasse) lässt sich die Härte nochmals deutlich erhöhen, so dass für (mittel- und hochphosphorhaltige) Ni/P- bzw. (hochborhaltige) Ni/B-Schichten Werte um 1000 HV bzw. 1400 HV erreicht werden können, was fast bzw. deutlich mehr als der Härte von Hartchromschichten (circa 1100 HV) entspricht. Die Härtesteigerung wird bedingt durch Phasenausscheidungen von Ni₃P bzw. Ni₃B und Ni, was zu einem Dispersionshärtungseffekt führt. Im Abscheidezustand weisen unter den Ni/P-Schichten die niedrigphosphorhaltigen Schichten die höchste Härte auf, welche bis zu 700 HV betragen kann. Unter den Ni/B-Schichten ist bei hoch-B-haltigen Schichten die Abscheidehärte am höchsten, sie liegt im Bereich 800–850 HV.

Chemisch Nickel-Dispersionsschichten

Chemisch Nickel-Schichten eignen sich für viele Dispersoide als ideale Matrix zur Abscheidung von Dispersionsschichten. Die so erhaltenen Kompositschichten vereinen synergetisch die Eigenschaften der Matrix (hohe Schichthärte, Korrosionsbeständigkeit und Maßhaltigkeit) und der jeweils eingelagerten Dispersoide, z. B. Hartstoffe wie Diamant oder Siliciumcarbid zur Erzeugung von abrasiven, verschleißbeständigen oder mikrostrukturierten Oberflächen oder Trockenschmierstoffe wie hexagonales Bornitrid h-BN oder perfluorierte Polymere wie Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Perfluoralkoxycopolymer (PFA).

Um eine ausreichende Abscheiderate zu erzielen, werden die Elektrolyte während der Abscheidung deutlich über Raumtemperatur erhitzt, z. B. auf bis zu 90 °C. Die Abscheiderate steigt dabei nach der RGT-Regel exponentiell zur Temperatur. Je nach Prozessführung kann die Abscheiderate z. B. bei mittelphosphorhaltigem Chemisch Nickel bis zu rund 25 µm/h betragen. Eine zu hohe Abscheiderate führt zu ungleichmäßigem, blumenkohlartigem Schichtwachstum, welches sich negativ auf den Schichtglanz und andere Schichteigenschaften auswirken kann. Außerdem läuft bei zu hohen Elektrolyttemperaturen auch die Zersetzung aus homogener Lösung zu schnell ab. Sind auf diesem Wege erst einmal zu viele Ni/P-Keime im kolloidalen Zustand gebildet, kommt es zu einer spontanen Selbstzersetzung des Elektrolyten, was einen Abbruch und eine Wiederholung des Beschichtungsvorgangs erfordert. Da die Abscheidung unabhängig von einem elektrischen Feld erfolgt, sind die Abscheideraten auch auf komplexen geometrischen Bauteilen lokal sehr homogen ausgebildet, so dass sich, im Gegensatz zu galvanischen Verfahren, welche mit Außenstrom arbeiten, über das gesamte Bauteil nur geringste Abweichungen in der Schichtdicke ergeben. Über die Dauer der Abscheidung lässt sich darüber hinaus eine vorgegebene Zielschichtdicke sehr genau erreichen, wobei Übermaßbeschichtungen vermieden werden können. Dies führt zu einem weiteren Vorteil auf Bauteilen mit hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit.

Auch rotationssymmetrische, geometrisch komplexe Bauteile wie Auflösewalzen von Spinnmaschinen (Open-End-Spinnverfahren) oder Aluminium-Verdichterräder von Turboladern können auf diesem Wege nach dem Wuchtvorgang beschichtet werden, ohne durch den Beschichtungsvorgang eine erneute Unwucht zu erhalten.

Einsatzanforderungen und Schichtauswahl

Am häufigsten werden mittelphosphorhaltige Schichten eingesetzt. Diese decken ca. 60 %, hochphosphorhaltige Schichten 30–35 % und niedrigphosphorhaltige Schichten 5–10 % des Marktes ab. Soll die Chemisch Nickel-Schicht eine möglichst hohe Härte aufweisen und lässt sich jedoch keine zur Ausscheidungshärtung erforderliche Wärmebehandlung im Bereich um 350 °C durchführen, wie dies zum Beispiel bei vielen Aluminium-Legierungen oder gehärteten Stählen der Fall ist, werden i. d. R. niedrigphosphorhaltige Chemisch Nickel-Schichten verwendet. Erlaubt das Substratmaterial eine entsprechende Wärmebehandlung, können mittel- oder hochphosphorhaltige Schichten verwendet werden. Letztere werden jedoch i. d. R. vor allem aufgrund ihres im Abscheidezustand amorphen Gefüges primär für Korrosionsschutzanwendungen verwendet, weshalb hier zum Erhalt des amorphen Zustandes keine Wärmebehandlung zur Härtesteigerung durchgeführt wird.

Eine Wärmebehandlung an hochphosphorhaltigen Schichten wird dann durchgeführt, wenn die dadurch erzielbaren hohen Härten in Kombination mit der höheren Bruchdehnung von hochphosphorhaltigen Schichten eingesetzt werden sollen. Werden sowohl eine hohe Härte als auch eine gute Korrosionsbeständigkeit benötigt, finden die am weitesten verbreiteten mittelphosphorhaltigen Schichten Verwendung. Diese sind aufgrund der nahezu doppelten Abscheiderate in der Regel bei gleicher Schichtdicke auch günstiger als die hochphosphorhaltigen Schichten. Um einen möglichst hohen Korrosionsschutz zu erzielen, dürfen die Schichten keine bis zum Grundmaterial hindurchreichenden Poren aufweisen, was ab Schichtdicken von 20–25 µm der Fall ist. Poren können gebildet werden, da während der Abscheidung immer auch elementarer Wasserstoff entsteht, der durch Blasenbildung den Ursprung einer Pore bilden kann, falls keine geeigneten Maßnahmen wie die Verwendung von Tensiden oder eine ausreichende Konvektion ergriffen werden.

Chemisch Nickel-Schichten werden also immer eingesetzt, wenn eine oder mehrere der nachfolgenden Verfahrens- oder Schichteigenschaften gefordert sind:

Hohe Maßhaltigkeit, vor allem auf geometrisch anspruchsvollen Substraten (kein „Hundeknochen“-Effekt)
Sehr hohe Korrosionsbeständigkeit, u. a. auch gegen alkalische Medien
Sehr hohe Härte und damit hohe Beständigkeit gegen Abrasivverschleiß

Die hohe Maßhaltigkeit ist in Verbindung mit der sehr hohen Korrosionsbeständigkeit bzw. der sehr hohen Härte einmalig für Chemisch Nickel. Der in der Praxis erzielbare Schutz ist wie bei allen Schichten abhängig vom jeweiligen konkreten Belastungskollektiv und der applizierten Schichtdicke. Der Korrosionsschutz von Chemisch Nickel-Schichten ist auf eisenhaltigen Substraten i. d. R. anodischer Natur, wie z. B. auch Zinn/Nickel-Schichten. Alternativen aus dem Bereich des kathodischen Korrosionsschutzes sind hier beispielsweise Zink- und Zink-Legierungsschichten. In Bezug auf Punkt 3 weisen nur galvanisch erzeugte Hartchromschichten eine höhere Schichthärte auf. Zusammenfassend lasst sich jedoch feststellen, dass eine Chemisch Nickel-Schicht, wie grundsätzlich jedes andere Schichtsystem, in ihrem Eigenschaftskollektiv einzigartig ist, so dass je nach Belastungskollektiv, Anforderungen an Maßhaltigkeit und Schichtdicke sowie an die anfallenden Schichtkosten Chemisch Nickel die Anforderungen in einzigartiger Weise erfüllen kann.

Ni/P-Schichten auf Leichtmetall-Bauteilen

Leichtmetalle wie Aluminium- und Magnesiumlegierungen sind unter atmosphärischen Bedingungen als Werkstoffe verwendbar, weil eine dichte Oxidschicht das reaktive Grundmaterial gegen aggressive Umgebungseinflüsse abschirmt. Für zahlreiche Anwendungen übersteigt aber das chemische und mechanische Belastungsprofil eines Bauteils die Widerstandsfähigkeit dieser Oxidschichten. Für solche Anwendungen ist eine Oberflächenveredelung unabdingbar. Da komplizierte geometrische Formen für Leichtmetallbauteile die Regel sind, kommt hierfür bevorzugt die aussenstromlose Metallabscheidung, insbesondere die chemische Vernickelung, zum Einsatz. Optimierten Vorbehandlungssequenzen für das Grundmaterial kommt dabei die Aufgabe zu, die Bildung partieller Oxidschichten in der Anfangsphase der Beschichtung zu unterdrücken. Oxidische Inseln begrenzen die Haftung zwischen Basismetall und Beschichtung und können damit zu Bauteilversagen führen. Ist dieser verfahrenstechnische Schlüsselschritt unter Kontrolle, so steht die gesamte Bandbreite der Eigenschaften von Ni/P-Legierungsschichten für die Optimierung des Bauteils zur Verfügung.

Anwendungen von Ni/P-Schichten

Häufig werden Chemisch-Nickel-Schichten aufgrund ihrer hervorragenden Maßhaltigkeit, ihrer sehr hohen Härte und ihrem exzellenten Korrosionsschutz in folgenden Bereichen eingesetzt:

Automobil- und Luftfahrtindustrie, Maschinenbau:Komponenten für Einspritzsysteme, Klimakompressoren, Kühlmittelpumpen, Airbagsysteme, Synchronringe, Servoventile, Fahrwerkskomponenten, Lagerzapfen, Flansche, Verdichterräder, Textilmaschinenbauteile etc.
Chemische Industrie, Petrochemie: Wärmeübertrager, Turbinenschaufeln, Sprühköpfe, Druckbehälter, Reaktoren etc.
Elektronik: PC-Laufwerkskomponenten, Steckverbindungen, Basisschicht für Lötverbindungen, elektromagnetische Abschirmung sensibler Bauteile etc.
Humanmedizin: Basisschichten für Metall-Keramik-Lötverbindungen (Gelenkprothesen) etc.
Kunststoffmetallisierung:Dekorative und funktionale Schichten
Optik: Beschichtung Metallischer Grundkörper mit Hochphosphor haltigen Schichten zur Herstellung von Spiegeloptiken durch Polieren, Diamantdrehen oder Diamantfräsen[1]

Literatur

G. O. Mallory, J. B. Hajdu (eds.), Electroless Plating – Fundamentals and applications, American Electroplaters and Surface Finishers Society, Orlando, 1990
N. Kanani, Chemische Vernicklung, Leuze-Verlag, 2007
Info-CD Chemisch Nickel des Fachausschuss Chemische Metallabscheidung der Deutschen Gesellschaft für Galvano- und Oberflächentechnik DGO: https://www.dgo-online.de/fachausschuesse/fa-chemische-metallabscheidung.html
T. Sörgel, J. Meyer, WOMag 2013 (9), 2, 24, WOMag-online: Chemische und elektrochemische Dispersionsbeschichtung, doi:10.7395/2013/Soergel1
TU Dresden, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Institut für Automatisierungstechnik: Ergebnisse der Umfrage zum Chemisch-Nickel-Verfahren und der dabei eingesetzten Messtechnik.
Chemisch Nickel für optische Funktionsflächen – Primus Oberflächentechnik (primus-ot.de): https://www.primus-ot.de/oberflaechenveredelung/chemisch-nickel-fuer-optische-funktionsflaechen/

Einzelnachweise

Chemisch Nickel für optische Funktionsflächen. In: Primus Oberflächentechnik. Abgerufen am 4. Februar 2022 (deutsch).

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[1] Chemisch Nickel für optische Funktionsflächen. In: Primus Oberflächentechnik. Abgerufen am 4. Februar 2022 (deutsch).