Chemische Vernickelung oder Verchromung?

GESCHICHTLICHER HINTERGRUND UND EINFÜHRUNG IN DIE VERCHROMUNG

Galvani erfand 1791 die Batterie, die später die Entwicklung der Galvanik ermöglichte, d. h. die Abscheidung von Metall auf den leitfähigen Oberflächen. Die ersten Elektrolyte für die industrielle Verchromung wurden in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts eingeführt und Anfang des 20. Jahrhunderts perfektioniert. Abgesehen von geringfügigen Abweichungen in den Formulierungen der Verchromungselektrolyte ist die Grundkomponente des Verchromungsbades bis heute das Chromsäureanhydrid CrO₃, das in Lösung als Chromsäure bezeichnet wird. Das Chrom in diesem Elektrolyt ist in sechswertiger Form und seine Salze werden als Chromate bezeichnet.

Aufgrund der hohen Toxizität von Chrom in seiner sechswertigen Form (Cr VI) gibt es derzeit starke Einschränkungen bei der Verwendung. Metallisches Chrom hingegen, auch wenn es von Bädern aus sechswertigem Chrom abgelagert wird, hat keine Nutzungsbeschränkungen, da es inert ist und auch seine Auflösung in aggressiven Umgebungen nicht problematisch ist, denn es verwandelt sich von nullwertigem Chrom (Cr°) in ungiftiges dreiwertiges Cr (Cr III).

Aufgrund der Gefährlichkeit von sechswertigem Chrom hat die REACH-Verordnung seine Verwendung auf Unternehmen beschränkt, die eine Zulassung erhalten haben. Aus diesem Grund wurden in den letzten Jahren Elektrolyte entwickelt, die anstelle von sechswertigem Chrom dreiwertiges Chrom für die dekorative Verchromung verwenden. Bis heute gibt es keine Alternative zu sechswertigem Chrom für die Hartverchromung.

Die Eigenschaften von elektrolytisch abgeschiedenem Metallchrom sind bekannt und die Verwendung von Chrom ist nach wie vor eine der beliebtesten Methoden zum Schutz von Metallgegenständen vor Korrosion und Verschleiß.

Die Verchromung kann man technisch in zwei Arten von Beschichtungen unterscheiden, die für verschiedene Zwecke verwendet werden:

• Hartverchromung mit Dicke
• Dekorative Verchromung

HARTVERCHROMUNG MIT DICKE

Durch das Verchromungsverfahren wird eine funktionelle Chromschicht direkt auf Stahl oder ein anderes Basismetall abgeschieden, um eine hohe Oberflächenhärte zu verleihen und das Teil vor Verschleiß und Korrosion zu schützen.

Die Beschichtung mit Hartchrom ist weit verbreitet, insbesondere bei Teilen mit einfacher Geometrie, die einem abrasiven Verschleiß durch Gleiten ausgesetzt sind, wie hydraulische Zylinderstangen, Hydraulikzylinder, Kalandrierwalzen für Papierfabriken oder Grafiken und viele andere Anwendungen, bei denen die Härte und Gleitfähigkeit von Chrom unübertroffen sind.

Dicke

Die Hartverchromung wird mit Dicken von einigen Dutzend bis zu Hunderten von Mikrometern abgeschieden, abhängig von der Schwere des Einsatzes.

Bei Anwendungen mit hohen Gleitlasten oder starkem Verschleiß wird eine Schicht mit hoher Dicke abgelegt und anschließend geschliffen, um die Rauheit und die korrekten Abmessungen wiederherzustellen und die Unebenheiten der Beschichtung zu glätten.

Eine ziemlich wichtige Einschränkung des Verchromungsbades ist seine geringe Durchdringung in Bereichen mit geringer Stromdichte. Mit anderen Worten, der für die galvanische Abscheidung erforderliche Strom neigt dazu, Chrom an den äußersten Teilen des zu beschichtenden Werkstücks abzuscheiden. Daraus folgt, dass die Chromschicht an den äußeren Kanten viel dicker ist, während sie in den inneren Teilen eines komplexen mechanischen Werkstücks spärlich oder gar nicht vorhanden ist. Aus diesem Grund wird dieses Verfahren trotz seiner außergewöhnlichen Eigenschaften hauptsächlich für zylindrische Teile oder einfache Formen verwendet.

Härte und Verschleißfestigkeit

Die Härte von Chrom ist hoch und reicht von 800 bis 1000 HV, abhängig von der Art der Abscheidung.

Die Hartverchromung ist die Beschichtung der Wahl, wenn eine sehr gute Gleitfähigkeit in Verbindung mit einer maximalen Verschleißfestigkeit in sehr schweren Verschleißsituationen erforderlich ist. Die Chromschicht wird bei maximaler Härte mit diffusen Mikrorissen versehen. Diese Eigenschaft verringert einerseits die Korrosionsbeständigkeit, andererseits ermöglicht es den öligen Substanzen, sich in den Rissen anzusiedeln, was eine kontinuierliche leichte Schmierung bewirkt, die im Falle eines Gleitens auf Dichtungen wie in hydraulischen Zylindern einen großen Vorteil bietet.

Korrosionsbeständigkeit

Die Korrosionsbeständigkeit ist ziemlich gut, obwohl sie nicht hervorragend ist, wenn sie nicht durch eine darunter liegende Beschichtung unterstützt wird. Dies ist auf die Mikrorisse der Schicht zurückzuführen, die eine Korrosion des Grundmaterials nach wenigen Stunden Exposition gegenüber Salzsprühnebel ermöglichen.

DEKORATIVE VERCHROMUNG

Es handelt sich um die klassische glänzende Verchromung von Armaturen und Details, die zu dekorativen Zwecken verwendet werden. Das behandelte Teil zeigt ein glänzendes und attraktives Aussehen.

Es wird auch als Nickelverchromung bezeichnet, da es sich um eine Doppelbeschichtung handelt, die aus einer ersten Schicht elektrolytischer Vernickelung besteht, die Glätte und Glanz verleiht, und einer anschließenden Schicht aus Chrom, die aufgrund ihrer Härte eine konstante weiß-blaue Farbe und eine Abriebfestigkeit gegen Reinigung verleiht, wodurch der Glanz des Teils im Laufe der Zeit erhalten bleibt.

Nickel-Chrom-Elektrolyt ist kostengünstig und verleiht einen dekorativen und glänzenden Look, der ästhetisch mit anderen galvanischen Behandlungen nicht vergleichbar ist. Es kann an einer nicht ausgezeichneten Haftung auf dem Grundmetall leiden und wird daher auch aufgrund seiner für alle galvanischen Behandlungen typischen Unebenheit der Dicke fast nie für funktionelle Zwecke auf Teilen der Präzisionsmechanik verwendet.

Dicke

Die Dicke der dekorativen Verchromung beträgt normalerweise etwa 10–15 µm. Die elektrolytische Vernickelung hat eine Dicke von etwa 10 µm und die Verchromung wird mit sehr geringen Dicken, durchschnittlich im Mikrometerbereich, abgeschieden.

Korrosionsbeständigkeit

Die Chromschicht mit Mikrorissen ermöglicht keine gute Korrosionsbeständigkeit des Grundmaterials und daher hilft die elektrolytische Nickelschicht, die das Stück nicht nur dank der Aufhellungs- und Nivellierkraft der Beschichtung attraktiv macht, sondern auch die Rolle des Schutzes des Grundmetalls vor Korrosion erfüllt.

GESCHICHTLICHER HINTERGRUND UND EINFÜHRUNG IN DIE CHEMISCHE VERNICKELUNG

Bereits um 1844 wurde eine Nickel-Metall-Bildung aus einer Lösung mit Nickelsalzen und Hypophosphit beschrieben. Es dauert jedoch bis zu den Nachkriegsjahren, um ein industrielles Verfahren zur Abscheidung von Nickel-Phosphor-Legierung aus Lösungen zu definieren, die Natriumhypophosphit und Nickelsulfat oder -chlorid enthalten. Das erste industriell effiziente Verfahren wurde 1955 unter dem Namen Kanigen patentiert. Obwohl die Zusammensetzung der chemischen Vernickelungslösung im Wesentlichen gleichgeblieben ist, haben seitdem die ständigen Änderungen an der Formulierung der chemischen Vernickelungsbäder den Prozess immer zuverlässiger gemacht und heute ein Höchstmaß an Qualität und Beständigkeit der Oberflächeneigenschaften erreicht.

EIGENSCHAFTEN DER CHEMISCHEN VERNICKELUNG

Chemische Vernickelung ist ein Verfahren, das ohne den Einsatz von Strom auf der Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks eine Beschichtung auf der Basis einer Nickel-Phosphor-Legierung abscheidet. Es unterscheidet sich von elektrolytischen Prozessen gerade durch das Fehlen einer externen Energiequelle, sodass alle Oberflächen auch von Teilen mit komplexer Geometrie gleichmäßig beschichtet werden können. Die durch chemische Vernickelung verliehenen Oberflächeneigenschaften sind Gleichmäßigkeit der Dicke, Korrosionsbeständigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit.

Chemisches Nickel kann direkt alle Metalllegierungen beschichten, die in der Mechanik häufig verwendet werden (Stahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer, Messing), mit Ausnahme von Zinklegierungen wie Zamak, die vor dem Vernickeln unbedingt verkupfert werden müssen.

Gleichmäßigkeit der Dicke

Das chemische Nickelbad beginnt, Metall abzuscheiden, sobald das zu beschichtende Werkstück in die Vernickelungslösung eingetaucht wird, was eine chemische Reaktion zwischen dem Hypophosphit-Anion und dem Nickel-Kation auslöst. Seine Abscheidung erfolgt regelmäßig auf allen Oberflächen des eingetauchten Werkstücks mit einer konstanten Geschwindigkeit, die es ermöglicht, eine gleichmäßige Abscheidung von Nickel-Phosphor-Legierung zu erhalten, deren Dicke zwischen einem Punkt und dem anderen des Werkstücks innerhalb von ±10 % der erforderlichen Nenndicke variiert. Unter der Annahme einer Dicke von 20 µm beträgt die Dickenänderung zwischen einem Punkt und dem anderen der in das chemische Vernickelungsbad eingelegten Teile ±2 µm auf allen Oberflächen, die von der Vernickelungslösung erreicht werden und auf denen sie zirkulieren kann. Nur innerhalb der Sacklöcher ist die Beschichtung schlecht oder fehlt, da die Löcher durch den fehlenden Kontakt mit der Vernickelungsflüssigkeit beeinträchtigt werden, insbesondere wenn sie klein und tief sind.

Die Gleichmäßigkeit der Dicke ist ein einzigartiges Merkmal zwischen den verschiedenen Metallbeschichtungen und ermöglicht es, von vornherein eine für die Art der Verwendung des mechanischen Teils geeignete Dicke festzulegen, indem in der Entwurfsphase des Teils berechnet wird, wie viel das zusätzliche Metall betragen wird, das berücksichtigt werden muss, um die Toleranzen der endgültigen Maße des beschichteten Teils zu erfüllen.

Korrosionsbeständigkeit

Die chemische Vernickelung hat den enormen Vorteil, dass sie alle Oberflächen, die sie beschichtet, gleichmäßig schützt. Der Schutzgrad der Beschichtung unterscheidet sich geringfügig zwischen den verschiedenen Arten von chemischem Nickel und ist immer noch höher als die Vernickelung und galvanische Verchromung bei gleicher Dicke. Der Schutzgrad hängt stark von der Basismetalllegierung und dem Oberflächenzustand ab.

Beim Beispiel mit Aluminium hängt die Korrosionsbeständigkeit stark von der verwendeten Legierung, dem Herstellungsverfahren und der Oberflächenbeschaffenheit ab. Vollständig bearbeitete Teile haben sicherlich eine bessere Korrosionsbeständigkeit als Druckgussteile mit rohen Oberflächen. Gusseisen ist aufgrund seiner Porosität weniger widerstandsfähig als Stahl und mechanisch bearbeitete Oberflächen sind robuster als gezogene rohe Oberflächen.

Es können mehr oder weniger hohe Beschichtungsstärken gewählt werden, um mit mehr oder weniger aggressiven Umgebungen fertig zu werden. Die Dicke liegt normalerweise zwischen 5 µm und 50 µm.

NIPLATE® 500 ist am besten geeignet, um Teile aus Eisenlegierungen und Kupferlegierungen vor Korrosion zu schützen, während für Aluminium NIPLATE® eXtreme besser geeignet ist.

Härte und Verschleißfestigkeit

Ni-P-Legierungen haben je nach Art des abgelagerten chemischen Nickels Härten von etwa 500 HV bis 700 HV mit ausgezeichneter Verschleißfestigkeit, die proportional zur Härte ist. Sie können durch eine Wärmebehandlung bei Temperaturen über 250 °C und im Bereich von 400 °C weiter ausgehärtet werden, wodurch die Struktur der Metallbeschichtung aus Ni-P-Legierung verändert wird und kristalline Aggregate von Ni3P (Nickelphosphid) entstehen, die die Härte der Schicht auf über 1000 HV steigern und auch die Verschleißfestigkeit stark erhöhen.

Die mit der Verchromung vergleichbare Härte in Verbindung mit der Gleichmäßigkeit der Dicke führt dazu, dass chemisches Nickel in vielen Anwendungen bevorzugt wird, da es die Nachbearbeitung des Schleifens und die damit verbundenen Kosten vermeidet.

Für die Anforderungen der Verschleißfestigkeit ist das am besten geeignete chemische Nickel NIPLATE 600®, das eine Härte von etwa 700 HV hat und bis zu Werten von 1000–1050 HV gehärtet werden kann. Für viele Anwendungen erfüllt die Härte von etwa 700 HV die Anforderungen an die Verschleißfestigkeit und ermöglicht es, das Erreichen hoher Temperaturen zu vermeiden, die für einige Materialien, wie die Aluminiumlegierung 7000, schädlich sein können.

Es gibt auch eine chemische Vernickelungsbehandlung NIPLATE 600® SiC, die mit Siliziumkarbidpartikeln versetzt ist und eine Härte von 1150 HV erreicht, mit einer Verschleißfestigkeit, die sogar die von Hartchrom übertrifft.

ZUSAMMENFASSUNG

HARTVERCHROMEN

Vorteile:

• Hohe Härte, variabel zwischen 800 und 1000 HV je nach Abscheidungsprozess.
• Auch hohe Ablagerungsstärken über 100 µm für gravierende Verwendungen mit hohem Abrieb.
• Verschleißfestigkeit höher als bei gehärtetem chemischem Nickel (wenn auch niedriger als bei Nickel + Siliziumkarbid Co-Abscheidung NIPLATE®600 SiC)
• Kostengünstige Behandlung auf verschiedenen Stangen, Stäben oder Rollen, auch größerer Abmessungen.

Nachteile:

• Schlechtes Eindringen der Abscheidung in die Aussparungen mit der Notwendigkeit, spezielle Anoden zu verwenden, um diese Einschränkung zu umgehen.
• Nacharbeiten mit Schleifen aufgrund der Unebenheit der Schicht bei hohen Dicken erforderlich.
• Mäßige, nicht ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit.
• Einschränkungen bei der Verwendung von sechswertigem Chrom in industriellen Prozessen

DEKORATIVE VERCHROMUNG

Vorteile:

• Kostengünstige Behandlung.
• Glänzendes und gleichmäßiges Aussehen für dekorative Zwecke.

Nachteile:

• Dicken schlecht kontrollierbar und auf wenige Mikrometer begrenzt.
• Nicht für mechanische Funktionen geeignet.
• Geringe Korrosionsbeständigkeit für komplex geformte Teile.

CHEMISCHE VERNICKELUNG

Vorteile:

• Einheitliche Dicke des gesamten beschichteten Teils mit kalibrierten Dicken und engen Toleranzen.
• Hervorragende Korrosionsbeständigkeit.
• Hohe Härte und Verschleißfestigkeit.

Nachteile:

• Kosten der Behandlung für dekorative Zwecke nicht wettbewerbsfähig.
• Schwierigkeiten bei der Abscheidung von Dicken über 100 µm.
• Wärmebehandlung erforderlich, um maximale Härte zu erreichen.