Aufgrund der hohen Nachfrage nach Vernickelung in verschiedenen Branchen wie Dekoration, Luft- und Raumfahrt, Elektronik und Telekommunikation werden jährlich 150,000 Tonnen galvanisch vernickelt. Der Markt für galvanische Vernickelung betrug 2024 rund 2.80 Milliarden US-Dollar und soll bis 3.83 auf 2033 Milliarden US-Dollar anwachsen.
Inhalte
Was ist Vernickeln?
Beim Vernickeln wird eine Schicht aus Nickel oder Nickellegierungen auf andere Materialien wie Stahl, ABS, Messing, Kupfer oder Nylon aufgebracht. Ziel dieser Technik ist es, die mechanischen und physikalischen Eigenschaften der Oberfläche verschiedener Komponenten zu verbessern. Zwei Hauptmethoden sind die galvanische Vernickelung und die chemische Vernickelung.
Geschichte der Vernickelung
Luigi Brugnatelli erfand im 19. Jahrhundert das Verfahren der Galvanisierung. Ursprünglich wurde es zur Beschichtung von Gold und Silber für Dekorationsgegenstände und Schmuck eingesetzt. Später entwickelte Golding Bird eine Nickelsulfatlösung für die Galvanisierung medizinischer Instrumente. Im Laufe der Zeit entstanden verschiedene Nickellegierungen für die Galvanisierung. Heute wird die Vernickelung mit verschiedenen nickelbasierten Lösungen durchgeführt, die auf die Anforderungen spezifischer Komponenten und Branchen zugeschnitten sind.
Was ist der Vernickelungsprozess?
Hier ist der Galvanisierungsprozess Schritt für Schritt
- Oberflächenreinigung und Entfettung: In diesem Schritt werden Öl und Oxide mithilfe von Reinigungsmitteln, oft unterstützt durch Ultraschall, von der Metalloberfläche entfernt.
- Säureaktivierung und Beizen: Die Oberfläche wird mit Säuren wie Salzsäure und Schwefelsäure behandelt, um die gelösten Oxide zu entfernen und die Substratoberfläche zu aktivieren. Dabei wird der pH-Wert zwischen 3.5 und 4.5 kontrolliert.
- Elektrolytische Nickelabscheidung: In einer Elektrolysezelle werden das Substrat (Kathode) und die Anoden aus reinem Nickel in eine Nickellösung getaucht, deren Temperatur zwischen 40 und 70 °C gehalten wird. Dabei handelt es sich üblicherweise um ein Nickelsulfat- oder Sulfamatbad. Durch Anlegen eines Gleichstroms wandern Ni²⁺-Ionen und reduzieren sich auf der Kathodenoberfläche. Die Reaktion ist: Ni²⁺ + 2e⁻ → Ni (s).
Dadurch bildet sich eine dichte, festhaftende Nickelschicht.
- Nachbehandlung: Die beschichtete Oberfläche wird mit deionisiertem Wasser abgespült, um Elektrolytreste zu entfernen. Die Passivierung der Schicht erfolgt durch Behandlung mit Salpetersäure, wodurch eine stabile Oxidschicht entsteht. Abschließend wird mit Heißluft getrocknet.
Maßnahmen zur Qualitätskontrolle
- Messung der Schichtdicke: Um zu überprüfen, ob die Schichtdicke innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt oder nicht, werden Techniken wie XRF, magnetische Induktion und Wirbelstrom verwendet.
- Haftprüfung: Um die Haftfestigkeit der Beschichtung auf der Oberfläche des Substrats zu messen, werden Tests wie Abziehen, Kratzen und Abziehen durchgeführt.
- Visuelle und optische Inspektion: Hier erkennen Mikroskope oder 3D-Scanner Defekte wie Risse, Lochfraß oder ungleichmäßige Schichten.
- Korrosionsbeständigkeitsprüfung: Um zu prüfen, wie gut die galvanische Schicht dem Abbau unter rauen Bedingungen widersteht, Salzsprühtest, Feuchtigkeitstests und zyklische Korrosionstests werden durchgeführt.
Vorteile der Vernickelung
Korrosionsbeständigkeit
Die Vernickelung wirkt als Barriere gegen Feuchtigkeit, Chemikalien und Abrieb und macht das Metall korrosionsbeständig.
Leitfähigkeit
Da Nickel ein guter Leiter ist, wenn es auf die Oberfläche von Bauteilen aufgebracht wird, verbessert es deren Leitfähigkeit. Mit Nickel beschichtete Steckverbinder und Leiterplatten weisen eine effektivere elektrische Leistung auf.
Äussere Erscheinung
Nickel bietet eine glänzende oder matte Oberfläche mit einem hellen, polierten Aussehen. Diese Eigenschaft macht es ideal für dekorative Zwecke.
Haltbarkeit und Verschleißfestigkeit
Die Nickelbeschichtung erhöht die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit. Diese Eigenschaft macht die Komponenten langlebig und ideal für den Einsatz unter rauen Bedingungen.
Hitzebeständigkeit
Eine Vernickelung sorgt für eine höhere Hitzebeständigkeit und schützt die Komponenten vor Umgebungstemperaturen.
Schmierfähigkeit
Durch die Vernickelung kann außerdem die Gleitfähigkeit der Oberfläche eines Bauteils verbessert und so Reibung und Verschleiß beweglicher Teile verringert werden.
Arten der Vernickelung
Elektrolytische Vernickelung
Glanzvernickelung
Aufgrund seines hohen Glanzes und seiner Verlaufseigenschaften wird es hauptsächlich für dekorative Oberflächen verwendet. Bei dieser Art der Vernickelung kontrollieren organische Additive (Träger und Einebner) das Wachstum der Nickelkristalle. Diese organischen Additive verbessern den Glanz und die Verlaufseigenschaften der Beschichtung.
Satinierte Vernickelung
Satin-Nickel-Beschichtung, auch Perlnickel-Druck genannt, ist ein Verfahren, bei dem die galvanische Beschichtung durch Partikelabscheidung erfolgt. Dabei werden feine Partikel wie Siliziumdioxid in das Nickel eingebettet, was das Kristallwachstum stört und Licht streut. Satin-Nickel-Beschichtung wird häufig bei Türen, Möbeln und anderen Beschlägen verwendet, da sie eine schöne satinierte oder seidenmatte Oberfläche erzeugt.
Schwarze Vernickelung
Die Schwarzvernickelung erzeugt typischerweise eine dünne schwarze Schicht von etwa 0.2–1.0 µm Dicke. Sie weist eine geringe Korrosions- und Abriebfestigkeit auf. Bei dieser Technik wird eine Mischung aus Nickel und Zink sowie Schwefelverbindungen verwendet. Sie wird zu dekorativen Zwecken und zur Blendreduzierung in optischen und elektronischen Bauteilen eingesetzt.
Chemische Vernickelung
Was ist stromlose VernickelungEs handelt sich um einen chemischen Prozess, bei dem eine Nickel-Phosphor-Legierung auf einem Substrat abgeschieden wird. Dabei wird kein externer Stromkreis benötigt; es handelt sich um eine selbstkatalytische Reaktion. Je nach Phosphorzusammensetzung wird in drei Typen unterteilt:
Chemisch-Nickel-Beschichtung mit hohem Phosphorgehalt: Diese Art der chemischen Vernickelung enthält 10–12 % Phosphor. Die Beschichtung bietet die höchste Korrosionsbeständigkeit aller EN-Beschichtungen, insbesondere in sauren Umgebungen, gute Duktilität und eine Härte von ca. 45–57 HRC.
Mittelphosphorhaltig: Chemisch vernickelte Beschichtung: Enthält 6–9 % Phosphor. Diese weit verbreitete Beschichtungsart bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit.
Chemisch abgeschiedenes Nickel mit niedrigem Phosphorgehalt: Bietet die höchste Härte (58–62 HRC) und Verschleißfestigkeit unter den chemisch abgeschiedenen Nickelarten. Es enthält 1–4 % Phosphor.
Was ist eine Vernickelungslösung?
Diese Lösung ist ein chemisches Bad, das im Galvanisierungsprozess verwendet wird, um eine dünne Nickelschicht auf einem Substrat abzuscheiden. Die Art der Lösung und ihre Parameter wie pH-Wert, Temperatur und Stromdichte bestimmen die Qualität und die Eigenschaften der Nickelbeschichtung.
Verwendete Elektrolytarten
Watts Nickellösung (auf Sulfatbasis):
Die meisten Vernickelungslösungen, insbesondere für die dekorative Beschichtung, basieren auf der von Professor Oliver P. Watts entwickelten „Watts“-Formel.
Es ist eine Mischung aus Nickelsulfat (NiSO₄), Nickelchlorid (NiCl₂) und Borsäure (H₃BO₃).
| Komponente / Parameter | Wert |
|---|---|
| Nickelsulfat (NiSO₄·6H₂O) | 240 – 300 g/l |
| Nickelchlorid (NiCl₂·6H₂O) | 30 – 90 g/l |
| Borsäure (H₃BO₃) | 30 – 45 g/l |
| Temperaturen | 40 – 60 °C |
| pH | 3.5 - 4.5 |
| Kathodenstromdichte | 2 – 7 A/dm² |
| Ablagerungsrate | 25 – 85 µm/h |
Sulfamat-Nickel-Lösung
Es enthält eine Nickelsulfamatlösung (Ni(NH₂SO₃)₂) und ist ideal für die Herstellung dicker, spannungsarmer Nickelbeschichtungen mit glatter Oberfläche.
| Komponente/Parameter | Typischer Bereich |
|---|---|
| Nickelsulfamat (Ni(NH₂SO₃)₂) | 300 – 450 g/l |
| Borsäure (H₃BO₃) | 30 – 40 g/l |
| Temperaturen | 40 – 60 °C |
| pH | 3.5 - 4.5 |
| Kathodenstromdichte | 2 – 15 A/dm² |
Lösungen auf Chloridbasis
Hierbei handelt es sich um modifizierte Watts-Bäder mit höheren Nickelchlorid-Konzentrationen (NiCl₂). Diese Bäder bieten eine bessere Leitfähigkeit, Makrostreuleistung und Anodenauflösung. Sie arbeiten bei Temperaturen zwischen 40 und 70 °C.
Welche Materialien können vernickelt werden?
Stahl: Eine Vernickelung von Stahl verbessert die Korrosionsbeständigkeit, Härte und Festigkeit und macht ihn somit ideal für den Einsatz in technischen Anwendungen.
Zink und Zinklegierungen: Nickel verbessert die Haltbarkeit und Korrosionsbeständigkeit von Zink und macht es für Industriegüter und Automobile geeignet.
Kupfer: Durch die Beschichtung des Kupfers mit Nickel wird die Leitfähigkeit verbessert, was zu seiner Verwendung bei der Herstellung von Steckverbindern, Anschlüssen und Kabeln führt.
Aluminium: Obwohl es vor der Vernickelung vorbehandelt werden muss, führt die Beschichtung zu einer Erhöhung der Oberflächenfestigkeit und Haltbarkeit.
Messing: Eine Vernickelung von Messing sorgt für verbesserte Haltbarkeit, Korrosionsbeständigkeit und ein poliertes Aussehen. Sie wird häufig für Dekorationsartikel und elektrische Steckverbinder verwendet.
Wofür wird die Vernickelung verwendet?
Pulvermetallurgieteile
Verschleiß und Korrosion sind häufige Probleme bei Pulvermetallurgieteile, da ihre miteinander verbundene Porosität die Korrosion in den Poren fördert und so ihre potenziellen Anwendungen einschränkt. Durch galvanisches Vernickeln kann die Korrosionsbeständigkeit wirksam erhöht und die Oberflächenbeschaffenheit verbessert werden.
Bei der galvanischen Vernickelung müssen die Poren in PM-Teilen gefüllt werden, bei der chemischen Vernickelung hingegen nicht.
Automobilindustrie
Die Vernickelung wird zum Beschichten von Autoteilen wie Motorkomponenten, Kraftstoffsystemen und Zierteilen verwendet, da sie den Komponenten Korrosions- und Verschleißschutz bietet.
Luft- und Raumfahrt
Es wird für Luft- und Raumfahrtkomponenten wie Turbinenschaufeln, Zahnräder und Fahrwerke verwendet. Es bietet hervorragenden Korrosionsschutz, Verschleiß- und Erosionsbeständigkeit sowie Haftung und Härte.
Elektronik
Aufgrund der hohen Lötbarkeit und Korrosionsbeständigkeit wird bei Steckverbindern, Schaltern und Kontakten eine Vernickelung verwendet.
Medizintechnik
Da die Vernickelung der Oberflächen von Komponenten Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität verleiht, wird sie in medizinischen Geräten eingesetzt. Dies gewährleistet die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit von Geräten, die mit dem menschlichen Körper in Kontakt kommen.
FAQ
1. Was ist eine Zink-Nickel-Beschichtung?
Es handelt sich um ein korrosionsbeständiges Galvanisierungsverfahren, bei dem eine Nickel-Zink-Legierung auf ein Substrat aufgebracht wird. Es bietet einen verbesserten Korrosionsschutz im Vergleich zu herkömmlichen Verzinkung.
2. Was ist eine Nickel-Chrom-Beschichtung?
Ein zweischichtiges Galvanisierungsverfahren, bei dem zuerst eine Nickelschicht und anschließend eine dünne Chromschicht aufgetragen wird. Es bietet nicht nur hohe Korrosionsbeständigkeit und Haltbarkeit, sondern auch eine reflektierende, glänzende Oberfläche.
3. Welche Farbe hat die Vernickelung?
Es hat typischerweise eine silberweiße Farbe. Die Farbe kann je nach Art und verwendeten Zusatzstoffen variieren und ihre Helligkeit kann variieren.