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Nickelbeschichtungen - allgemein

2018-07-26T22:44:03

Nickel und Nickellegierungen zählen sowohl in galvanisch als auch in chemisch abgeschiedener Form zu den wichtigsten Metallen der Galvanotechnik. Sie zeichnen sich insbesondere durch ihre gute Korrosionsbeständigkeit und den breiten Bereich der herstellbaren Härten aus. Aus Elektrolyten auf Basis von Nickelsulfamat wird sehr duktiles Nickel mit geringsten Anteilen an Fremdstoffen abgeschieden. Dabei kann die Abscheidung durch Auswahl der Arbeitsparameter so gewählt werden, dass die Schicht Druck- oder Zugspannungen aufweist. Diese Eigenschaft eignet sich insbesondere zur Herstellung Teilen durch das sogenannte Galvanoforming. Hierbei wird auf die Urform Nickel bis zu Dicken von mehreren Millimetern abgeschieden und anschließend die Urform entfernt, wodurch ein Bauteil hergestellt werden kann, das eine komplexe Form und komplexe Oberflächenstruktur besitzen kann. Nickel aus Sulfamatelektrolyten weist ein Härte zwischen etwa 200 HV und etwa 500 HV (je nach gewählten Arbeitsparameter), eine Zugspannung zwischen 500 N/mm2 und  900 N/mm2 sowie eine Dehnung zwischen 5 % und 20 % (beides durch eine Wärmbehandlung beeinflussbar). 

Glänzende Schichten sind die am häufigsten eingesetzt galvanischen Beschichtungen mit Nickel. Aufgrund von Zusätzen zu den verschiedenen Elektrolyten, in der Regel auf Basis von Nickelsulfat und Nickelchlorid, lassen sich Mikrorauheiten der Oberfläche im Bereich von einigen Mikrometern Tiefe und Breite geometrisch einebnen. Dies bedeutet, dass in den Vertiefungen der Oberfläche mehr Nickel abgeschieden wird als an den Spitzen. Dadurch wird die Oberfäche im Laufe der Abscheidung zunehmend glatter und damit auch glänzender. Allerdings ist der Glanz nicht ausschließlich auf die Abnahme der Mikrorauheit zurückzuführen. Dies zeigt sich unter anderem auch daran, dass sogenannte Halbglanznickelschichten ebenfalls zu einer Einebnung der Oberfläche führen, allerdings ein seidig mattes Aussehen haben. Über den Einsatz von Halbglanznickel muss insbesondere dann nachgedacht werden, wenn eine Oberfläche beispielsweise durch Strahlen (meist mit Glasperlen) oder mechanisches Mattieren eine Struktur verliehen wird, die optische oder haptische Eigenschaften erzeugen sollen. Hier wird der reine Einsatz von Glanznickel die Mattierung zerstören oder zumindest beeinträchtigen. Noch weitaus wichtiger ist ein kombinierter Einsatz von Halbglanz- und Glanznickel aus Gründen des Korrosionsschutzes. Diese beiden Nickelarten unterscheiden sich in ihrer Korrosionsbeständigkeit: Halbglanznickel ist beständiger als Glanznickel. Da Nickelschichten fast ausschließlich mit einer zusätzlichen Chromschicht versehen werden, wird mit dieser Schichtenkombination ein besonderer Korrosionsschutz erreicht. Chrom verhält sich edler als Nickel, so dass im Falle einer oberflächlichen Beschädigung durch den Korrosionsangriff zunächst die darunter liegende Nickelschicht aufgelöst wird und sich unter der Chromschicht eine Kaverne bildet. Sobald die Korrosion soweit fortgeschritten ist, dass das Korrosionsmedium auf die Halbglanznickelschicht trifft, wird der Angriff gestoppt und breitet sich in beschränktem Maße lateral unter der Chromschicht aus. Oftmals führen die entstehenden Korrosionsprodukte zum Verstopfen der Kaverne und reduzieren dadurch die Korrosionsgeschwindigkeit deutlich. Insgesamt stellt das System aus den beiden Nickelschichten und der Deckschicht aus Chrom eines der wirkungsvollsten Korrosionsschutzsysteme dar. Glanz- und Halbglanznickel sind deutlich härter als reines Nickel aus zusatzfreien Sulfamatelektrolyten und besitzen zugleich einer geringere Dehnung, was sich insbesondere im Fall von Glanznickel durch die Gefahr der Rissbildung (bei dicken Schichten von z.B. mehr als 50 µm) bemerkbar macht. Die Zugspannungen liegen je nach Anteil der in die Schicht eingebauten Zusätze (Glanzzusätze) zwischen etwa 350 N/mm2 und bis zu 1500 N/mm2 bei Dehnungen von 4 % bis 10 % und Härten zwischen 200 HV und 500 HV. In Kombination mit einer Deckschicht (im Bereich zwischen 0,5 und 2 µm) aus Chrom besitzen Nickelschichten Vorteile im Hinblick auf Verschleiß und Korrosion. Vor allem hochglänzende Nickel-Chrom-Schichten sind außerordentlich dekorativ, korrosionsbeständig, kratzunempfindlich, verschleißbeständig, im Gebrauch gut zu reinigen und kaum anfällig für bakteriellen Befall. Vor alle aufgrund dieser Eigenschaftenkombination stellen sie nach wie vor ein kaum verzichtbares Beschichtungssystem für Sanitäreinrichtungen, Gegenstände im Bereich der Möbelindustrie oder Haushaltseinrichtungen dar. 

Eine weitere wichtige Nickelbeschichtung ist das stromlos abgeschiedene Nickel, das vorwiegend (systembedingt) mit Phosphor legiert ist. Daneben wird (relativ selten) auch Nickel mit Bor als Legierungselement angeboten. Die chemische Abscheidung arbeitet ohne äußeren Strom (daher auch die zweite Bezeichnung außenstromlose Abscheidung). Der Ladungsaustausch erfolgt direkt an der zu beschichtenden Oberfläche des Grundwerkstoffes durch Übergang von elektrischen Ladungen von einem Reduktionsmittel (z.B. Natriumhypophosphid) auf das gelöste Nickelion. Das entstehende Nickelmetall bildet auf der Oberfläche den Metallfilm wobei Phosphor aus dem Reduktionsmittel mit in die Schicht eingebaut wird. Dieser Reduktionsvorgang läuft an allen Bereiche des zu beschichtenden Grundmaterials in gleichem Umfang ab (solange der Elektrolyt überall die selbe Zusammensetzung hat, die durch eine Umwälzung im Elektrolyten gewährleistet ist) und in der Folge ist die Geschwindigkeit des Schichtaufbaus auf der gesamten Oberfläche gleich. Chemisch abgeschiedene Nickelschichten zeichnen sich damit durch eine absolut gleichmäßige Schichtdicke über die gesamt Oberfläche des Grundmaterials aus. Eine weitere positive Eigenschaft der chemisch abgeschiedenen Nickelschichten besteht darin, dass der Phosphorgehalt zwischen etwa 1 % und mehr als 15 % über die Wahl des Elektrolytsystems und der Arbeitsparameter gesteuert werden kann. Der Anteil an Phosphor bestimmt ganz entscheidend die mechanischen Eigenschaften der Nickelschicht, die zudem durch eine thermische Behandlung verändert werden kann. Damit lassen sich beispielsweise Härte, Duktilität, Verschleiß, Korrosionsbeständigkeit, Löt- und Bondbarkeit beeinflussen. Dadurch bieten diese Arten der Nickel-Phosphor-Schichten in vielen Bereichen der Produktherstellung von der Elektrotechnik, über die Werkzeugherstellung, den Korrosionsschutz bis zur Medizintechnik Einsatzmöglichkeiten. Im Prinzip lassen sich die Schichten beliebig dick abscheiden, allerdings ist hierbei die geringe Abscheidegeschwindigkeit von 10 µm bis 20 µm pro Stunde zu berücksichtigen. Zudem steigt mit der Schichtdicke die Oberflächenrauheit an, was sich bei Dicken von deutlich über 100 µm bis 200 µm bemerkbar macht.

Tab: Eigenschaften von chemisch abgeschiedenem Nickel-Phosphor im Vergleich zu Glanznickel

Parameter NiP (< 5 % P) NiP (5-9 % P) NiP (> 9 %P) Glanz-Ni
Zugfestigkeit ca. 200 N/mm2 800-900 N/mm2 750-900 N/mm2 350-1500 N/mm2
Dehnung 0,5 % 0,7 % 1,5 % 4-10 %
Härte 650-700 HV 550-600 HV 500-550 HV 200-500 HV
Härte nach Wärmebeh. 1000-1200 HV (400 °C)

Chemisch vernickelter Formeinsatz mit Hochglanzpolitur (Bild: NovoPlan)