Chemisch abgeschiedene Nickel-Dispersionsschichten mit eingelagertem hexagonalem Bornitrid

Oberflächen 10. 09. 2013

Von Erik Herrmann, Stefan Geyer und Jürgen Schmidt, Innovent e. V., Jena

Chemisch abgeschiedene Nickelschichten können durch die mögliche Variation des eingebauten Phosphoranteils und eine nachfolgende Temperaturbehandlung in ihren Eigenschaften bezüglich Korrosion und Verschleiß sehr gut variiert werden. Durch den zusätzlichen Einbau von Dispersionsstoffen lassen sich die Eigenschaften in Bezug auf Reibung und Verschleiß zusätzlich verändern und ­anpassen. Hexagonales Bornitrid ist ein möglicher Partner für die Dispersionsschicht, der eine gute Trockenschmierung ermöglicht.

Electroless Nickel Composite Coatings with Embedded Hexagonal Boron Nitride

By varying the phosphorus content as well as post-deposition heat treatment, the properties of electroless nickel deposits in terms of their corrosion and wear resistance, can vary widely. The incorporation of a second species into an electroless nickel matrix offers still further scope for modification of deposit properties, specifically in terms of friction and wear. Hexagonal boron nitride (cBN) is an attractive candidate in this application, possessing as it does, good dry lubrication properties.

1 Einleitung und Motivation

Standzeit! Preis! Effizienz! Diese Schlagworte fallen bei der Entwicklung von neuen Produkten. Der Markt verlangt dabei beständig nach immer besseren und kostengünstigeren Erzeugnissen, bei wachsenden Anforderungen. Dies gilt auch für die Anforderungen an die Oberflächentechnik, insbesondere auch, weil die ablaufenden Grenzflächenreaktionen zwischen Festkörper und seiner Umgebung über das Versagen des Bauteils entscheiden können. Dementsprechend bietet die Oberfläche allerdings auch die Chance, Substratwerkstoffe dahingehend zu modifizieren, dass deren entstehende Eigenschaften die des Grundwerkstoffs übertreffen [1].

Im Bereich des Korrosions- und Verschleißschutzes haben sich chemisch abgeschiedene Nickelschichten über Jahre auf dem Markt zu einer festen Größe etabliert. Wenn allerdings ein Tribosystem in stark reibungs- und verschleißbeanspruchten Bauteilen, bei erhöhter Temperatur und Korrosivität, bestehen muss, ist der Einsatz von Flüssigschmiermitteln problematisch. Ebenso in Bereichen, in denen konstruktiv bedingt eine Mangelschmierung zu erwarten ist, beziehungsweise Notlaufeigenschaften gefordert werden. Unter solchen Bedingungen sind auch reine Nickel/Phosphor-Schichten den Anforderungen nicht gewachsen, weshalb hier eine weitere Optimierung erforderlich ist.

Der vorliegende Beitrag bietet einen Überblick der Entwicklung von chemisch abgeschiedenen Nickel-Dispersionsschichten mit hexagonalem Bornitrid (hBN) als eingelagertem Trockenschmierstoff.

2 Verfahren

Die chemische Nickelabscheidung ist eine außenstromlose Abscheidung, bei der reduzierende (als Metallionen) und oxidierende Bestandteile in einer Lösung vorliegen. Für die Untersuchungen wurde ein kommer­ziell verfügbarer Elektrolyt mit den Hauptbestandteilen Nickelsulfat (NiSO4) und Natriumhypophosphit (NaH2PO2) verwendet. Es handelt sich dabei um ein auto­katalytisch ablaufendes Verfahren, dass durch die Oxidation des Reduktionsmittels an der Substratoberfläche gestartet wird. Das Nickelsulfat fungiert dabei als Lieferant der Nickelionen und das Natriumhypophosphit wirkt als Reduktionsmittel. Genauer betrachtet oxidiert der Reduktor an der Substratoberfläche und setzt zum einen die für die Reduktion der Nickelionen benötigten Elektronen frei und zum anderen wird der dabei entstehende elementare Phosphor als Legierungselement in die Nickelmatrix eingebaut. Der Anteil an Phosphor ist in Grenzen steuerbar und ermöglicht die Variation der Schichteigenschaften in einem weiten Spektrum [1]. Eine Klassifizierung der Elektrolyttypen erfolgt nach ihrem Phosphorgehalt in drei Klassen (Tab. 1).

Für die Untersuchungen wurde ein hoch phosphorhaltiger Elektrolyt eingesetzt, dessen Schichten sich durch eine sehr hohe Korrosionsstabilität auszeichnen.

Ein solcher Elektrolyt dient als Basis für die Herstellung des Ni/P-Dispersionselektrolyten. Als disperse Phase wird der Trockenschmierstoff hexagonales Bornitrid (hBN) genutzt. Dabei handelt es sich um eine keramische Verbindung mit einer hexagonalen Struktur, deren Reibungskoeffizient mit steigendem Druck weiter abnimmt und sich dementsprechend hervorragend als Trockenschmierstoff eignet [2]. Um während der Abscheidung einen homogenen Einbau des hexagonalen Bornitrids zu gewährleisten, muss dieses homogen im Elektrolyt
dispergiert sein. Allerdings ist hexagonales Bornitrid im Ausgangszustand teilweise hydrophob, sodass es für einen erfolgreichen Schichteinbau mit einem dafür entwickelten Dispergator modifiziert werden muss. Die so ausgerüsteten Partikel lagern sich im Laufe des Prozesses auf der Substratoberfläche an und werden schließlich von der sich bildenden Nickel/Phosphor-Schicht umschlossen [1].

Die wesentlichen Vorteile gegenüber der galvanischen Vernicklung (also mit einem von außen angelegten Stromfluss unter Einsatz von Gleichstrom) liegen unter anderem in den gleichmäßigen Schichtdicken auch bei komplexer Geometrie der Bauteile oder der Möglichkeit der Beschichtung von nicht leitfähigen Substraten [1].

3 Ergebnisse und Diskussion

Den Grundstein für die erfolgreiche Abscheidung von Dispersionsschichten mit eingelagertem hexagonalem Bornitrid bildete die Entwicklung einer sehr guten Stabilisierung der Bornitridpartikel im Nickelelektrolyten. Dadurch ist es möglich, den Dispersionselektrolyten ohne gesteigerten Prozessaufwand gegenüber dem Nickelelektrolyten im Grundzustand (also ohne Zusatzstoffe) zu betreiben, weil eine Schaumbildung durch eine erhöhte Oberflächenspannung ausbleibt. Bei herkömmlichen tensidstabilisierten Systemen entsteht hingegen aufgrund der herabgesetzten Oberflächenspannung und des sich während der Beschichtung bildenden Wasserstoffs kontinuierlich Schaum, der die Elektrolytbestandteile austrägt und somit die Prozessstabilität gefährdet.

Der so modifizierte Dispersionselektrolyt ermöglicht reproduzierbar homogen verteilte Bornitrideinlagerungen von mehr als 20 % in der Nickel/Phosphor-Schichtmatrix. Die Maßtoleranz liegt dabei auf dem hohen Niveau von chemisch abgeschiedenen Nickelschichten. In den Abbildungen 1 und 2 sind typische Schichtaufbauten entsprechender Dispersionsschichten dargestellt. Durch die so erzeugten Schichten konnte der Verschleiß gegenüber reinen Nickel/Phosphor-Schichten signifikant reduziert werden.

Abb. 1: Rasterelektronenmikroskopie-Aufnahme: Ni/P(grau) + hBN (schwarz) 

Abb. 2: Querschliff durch eine Ni/P + hBN-Dispersionsschicht

In Abbildung 3 sind die Verschleißbeträge von hoch phosphorhaltigen Nickel/Phosphor- und Nickel/Phosphor-hBN-Schichten im getemperten und ungetemperten Zustand gegenübergestellt. Daraus wird ersichtlich, dass der Verschleiß sowohl im Abscheidungszustand, als auch im wärmebehandelten Zustand durch das eingelagerte hexagonale Bornitrid stark verringert wird.

Abb. 3: Taber-Abrasions-Test (CS-10 Rollen und eine Last von 1000 g pro Rolle) an einer hochphosphorhaltigen Nickelschicht mit 10 % bis 12 % Phosphor; R = Einlagerungsrate für hBN 

4 Anwendungen

Das Anwendungsspektrum von Nickel/Phosphor-hBN-Dispersionsschichten ist aufgrund der Kombination von chemisch abgeschiedenem Nickel/Phosphor und hexagonalem Bornitrid sehr vielseitig. Die Verschleißbeständigkeit der Matrix aus Nickel/Phosphor sowie die Trockenschmierwirkung des Bornitrids ermöglichen den Einsatz in stark reibungs- und verschleißbeanspruchten Tribosystemen bei Einsatztemperaturen von bis zu 750 °C in sauerstoffhaltiger Atmosphäre [3, 4].

Weiterhin ist ein Einsatz in Bereichen denkbar, in denen konstruktionsbedingt eine Mangelschmierung zu erwarten ist beziehungs­weise Notlaufeigenschaften gefordert werden. Diese Eigenschaften, vereint mit dem sehr guten Korrosionswiderstand der hochphosphorhaltigen Schichten eröffnen ein breites Anwendungsfenster.

So haben sich Nickel/Phosphor-hBN-Dispersionsschichten bereits in ersten Untersuchungen bei Zylinderlaufbuchsen in Motoren (Abb. 4) und als Kolbenstangen (Abb. 5) im Hydraulikbereich bewährt.

Abb. 4: Laufbuchse in Motorenzylinder / Enerlyt Technik GmbH 

Abb. 5: Kolbenstange eines Hydraulikzylinders

Literatur

[1] N. Kanani: Chemische Vernicklung – Nickel-Phosphor-Schichten; Herstellung, Eigenschaften, Anwendungen; 1. Auflage, Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau, 2007

[2] R. Hartung, J. Schmidt, S. Both: Tribologische Nickel-Dispersionsschichten mit hexagonalem Bornitrid; Galvanotechnik (2008)12, S. 2931–2939

[3] Jochen Kress: Auswahl und Einsatz von polykristallinem kubischem Bornitrid beim Drehen, Fräsen und Reiben; Vulkan-Verlag GmbH, Essen, 2007

[4] N. Wiberg, E. Wiberg, A. F. Holleman: Lehrbuch der Anorganischen Chemie; 102. Auflage, Walter de Gruyter, Berlin, 2007

DOI: 10.7395/2013/Herrmann1

 
 

 

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