Beschichtung optischer Funktionsbauteile mittels „Chemisch Nickel“

RENNER GmbH – Pumpen und Filtertechnik für höchste Qualitätsansprüche

Galvanisch beschichtete Bauteile sind heutzutage aus allen Bereichen des täglichen Lebens nicht mehr wegzudenken. Dabei werden die Anforderungen an die Bauteile immer höher, sind aber je nach Anwendung auch völlig unterschiedlich. RENNER ist mit seiner Produktpalette breit aufgestellt und liefert Pumpen- und Filtertechnik für alle Nassprozesse der galvanischen Beschichtung. Die Anforderungen an das Fluid-Management sind dabei ebenso hoch wie die an die Prozesstechnik und an das Bauteil in seiner späteren Verwendung.

Gründe für eine Oberflächenbeschichtung sind dekorative oder funktionale Anforderungen. Diewichtigste funktionelle Anforderung ist der Korrosionsschutz.
Aber auch eine gute Verschleißbeständigkeit, besondere Gleiteigenschaften sowie eine definierte thermische oder elektrische Leitfähigkeit haben große Bedeutung.
Die dekorativen Anforderungen lassen sich in Farbe, Rauheit, Glanz und Haptik unterteilen, wobei die meisten Oberflächen gleichzeitig funktionale und optische Ansprüche erfüllen. Durch eine Kombination von unterschiedlichen Verfahren und einem entsprechenden Schichtaufbau können daher auch mehrere Anforderungen an demselben Bauteil realisiert werden. Häufig erfolgt die Herstellung von metallischen Schichten auf Bauteilen durch elektrochemische
Abscheidung. Eine Vorgehensweise, bei der generell zwischen galvanischer Metallabscheidung (über einen äußeren Stromkreis) und chemischer Metallabscheidung (stromlos) unterschieden wird und die es ermöglicht, die Eigenschaften des Grundwerkstoffs zu ändern oder zu erweitern.
Eine der wichtigsten Aufgaben der Metallabscheidung besteht heute in der Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit – zum Beispiel bei Eisenwerkstoffen. Ein weiterer interessanter Aspekt ist die Steigerung der Verschleißbeständigkeit, die vor allem durch die Abscheidung von Chrom oder Nickel-Phosphor möglich ist.
Schließlich bietet die Abscheidung von Mehrfachschichten aus Nickel-Chrom oder aus Edelmetallen wie Gold, Palladium oder Silber die Möglichkeit, die Farbe und die Haptik zu ändern.
Genutzt wird dies insbesondere im Automobilbereich bei der Beschichtung von Kunststoffteilen für den Innenbereich von Fahrzeugen – also dort, wo Farbe und Haptik im Vordergrund stehen.

Nickel ist ein Allrounder der Oberflächentechnik, der aufgrund seiner vielfältigen Eigenschaften und beinahe universellen  Anwendbarkeit
zu den wichtigsten und häufig eingesetzten Überzügen zählt. Nickelschichten zeichnen sich durch ihre hohe Resistenz gegenüber Korrosion sowie gegenüber  vielen Säuren, Seewasser und Alkalilösungen aus. Ihre chemische Beständigkeit wird durch das Ausbilden einer Oxidschicht nochmals erhöht. Und: Nickel wird auch für seine tribologischen Vorzüge wie Verschleißschutz und Gleitfähigkeit geschätzt. Zudem eignet sich die silbrig weiße Optik mit leicht gelblichem Ton, der von matt bis glänzend eingestellt werden kann, hervorragend für dekorative Anwendungen. In Abhängigkeit von den gewünschten Anforderungen kann Nickel elektrochemisch oder chemisch abgeschieden werden. Beide Beschichtungsverfahren bieten eigene spezifische Eigenschaften, die nicht in Konkurrenz zueinander stehen, sondern sich in technischer und wirtschaftlicher Hinsicht ergänzen. RENNER bietet sowohl für die galvanische Nickel-Abscheidung als auch für die wesentlich anspruchsvollere chemische Nickel-Abscheidung die passende Pumpen- und Filtertechnik.
Während für das Verfahren der galvanischen Nickel-Abscheidung Kunststoff-Magnetkreiselpumpen sowie trockenlaufsichere Kunststoff- Tauchkreiselpumpen eingesetzt werden können, muss bei der chemischen Nickel-Abscheidung die komplette Nassprozesstechnik in elektropoliertem Edelstahl ausgeführt sein.
Neben dem Werkstoff der Pumpen- und Filterbauteile sind Pumpenleistung, Strömungsführung und die geeignete Wahl der Filtrationstechnik von entscheidender Bedeutung.

Galvanisch Vernickeln

Galvanisch Vernickeln ist eines der ältesten Verfahren der Galvanotechnik. Das elektrolytische Beschichtungsverfahren kommt auf
Buntmetallen sowie Stahl zum Einsatz und ist als Basisschicht unverzichtbar. Die Vernickelung dient dabei als Grundlage für weitere Schichten, zum Beispiel aus Chrom, Gold oder Zinn. Die abgeschiedenen Schichten können matt oder glänzend sein. Galvanisch Vernickeln dient zum Beispiel als Diffusionssperre beim  Vergolden oder als Glanzschicht beim Verchromen. Ebenso findet es Anwendung zur Verhinderung von Whiskerwachstum – zum Beispiel als Zinnschichten
in Steckern, Kontakten und weiteren Produkten der Elektroindustrie.

Chemisch Vernickeln

Die optisch funktionelle Oberfläche Chemisch Nickel, auch Nickel Phosphor (NiP) genannt, zeichnet sich durch eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie durch gute Maßhaltigkeit aus. Chemisch Nickel ist zudem konturtreu in der Abscheidung. Bei dieser Beschichtung handelt es sich um eine Nickel-Phosphor-Legierung die vor allem in funktionellen Bereichen verwendet wird. Über den in der Schicht abgeschiedenen Phosphor lassen sich unterschiedliche Schichteigenschaften steuern. Hierbei ist zu unterscheiden zwischen einem hohen (10 bis 14 Prozent), mittleren (bis 10 Prozent) und niedrigen (3 bis 7 Prozent) Phosphorgehalt. Dieses Verfahren wird auch stromlos Nickel genannt. Der Unterschied zum galvanisch Nickel liegt unter anderem darin, dass zur Abscheidung kein äußerer elektrischer Strom, etwa aus einem Gleichrichter, verwendet wird. Die zur Abscheidung (Reduktion) der Nickelionen
notwendigen Elektronen werden mittels chemischer Oxidationsreaktion im Bad selbst erzeugt.
Die Metallreduktion läuft an allen Bereichen des zu beschichtenden Bauteils gleich schnell ab, solange ausreichende Mengen an Metallionen und Reduktionsmittel vorhanden sind – also solange die Festkörperoberfläche von dem Elektrolyten umspült wird. Dadurch ergeben sich beim chemischen Vernickeln konturentreue Beschichtungen. Um bei besonders komplexen Bauteilgeometrien eine sehr gute und homogene Schichtverteilung zu erlangen, ist es extrem wichtig, die Bauteile so optimal zu umströmen, dass auch die innenliegenden Flächen und die verborgenen Ecken und Kanten noch vollständig erreicht werden können. Dazu bedarf es einer auf die jeweilige Bauteilgeometrie angepassten Pumpensteuerung. RENNER bietet dafür nicht nur die Pumpentechnik selbst, sondern auch das Know-how und die Beratung für das korrekte Fluid-Management. Denn nur durch das Zusammenspiel all dieser Randbedingungen
ist es möglich, die prozesstechnisch mögliche Abscheidung des Chemisch-Nickel- Überzugs maßhaltig, mit gleichmäßiger Schichtdickenverteilung auf nahezu  allen Metallen und Metalllegierungen zu erreichen. Durch die gleichmäßige Schichtdicke sind autokatalytisch erzeugte Nickelüberzüge sehr gut für Werkstücke mit komplizierter Geometrie geeignet – auch Innenbeschichtungen sind bis zu einem gewissen Grad realisierbar. Chemisch-Nickel-Schichten sind zudem
sehr verschleißfest. Das heißt, die Chemisch- Nickel-Oberfläche bietet einen hohen Verschleißschutz. Auch der Korrosionsschutz ist beim Electroless Nickel (EN), wie die chemische Vernickelung von Metallen auch bezeichnet wird, sehr hoch. Darüber hinaus sind Chemisch-Nickel-Überzüge leitfähig. Als Chemisch-Nickel-Hochphosphor (High Phos), mit einem Phosphorgehalt von über 10 Prozent, sind die Schichten nicht magnetisch.
Weiterhin sind sie röntgenamorph, besitzen eine hohe Dichtigkeit und halten Druckspannungen gut Stand. Röntgenamorphe Schichtdicken bis 800 μm eignen sich aufgrund ihrer hohen Reinheit und Homogenität auch zur Diamantbearbeitung. Zudem bieten sie eine gute Lötbarkeit. Ziel ist es, mit der Hochphosphor-Nickel- Beschichtung eine geschlossene Schicht zu erhalten, die anschließend mit entsprechenden Diamantwerkzeugen ohne Rissbildung mechanisch
bearbeitet werden kann (Ultrapräzisionsbearbeitung im Nanometerbereich).

Anforderungen an die Pumpen und Filtertechnik

Bei jedem Beschichtungsprozess muss eine partikelfreie Oberfläche gegeben sein, das heißt, es dürfen keinerlei Schmutzpartikel vorhanden sein, die sich auf den Bauteilen ablegen können. Generell sind die Ansprüche an die Anlagen und Bäder ebenso wie an die Anlagenkomponenten beim Chemisch Nickel deutlich
höher und aufwändiger als beispielsweise bei galvanischen Verfahren. Eine Herausforderung: Der Elektrolyt „blutet aus“. Mit steigendem Badalter müssen
Stabilisatoren und PH-Wert im Bad konstant gehalten werden, was über Nachdosierpumpen und eine regelmäßige Kontrolle der Werte realisiert werden kann. Auch die Temperatur von etwa 90 °C im Bad muss konstant sein, was entsprechende Anforderungen an die Umwälzpumpen sowie die entsprechende Rohrleitungsführung stellt. Zudem muss die Pumpentechnik so flexibel sein, dass eine variable Anpassung der Bad-Durchströmung in Abhängigkeit der zu
beschichtenden Bauteile jederzeit möglich ist.
Erreichen lässt sich dies in der Regel durch den Einsatz einer entsprechenden Pumpentechnik mit zusätzlicher Drehzahlsteuerung. Um eine Nickel-Abscheidung auf den Pumpen- und Filterbauteilen zu unterbinden, werden bei RENNER alle Komponenten aus Edelstahl hergestellt und künstlich passiviert.
Aber nicht nur die Ausführung der Pumpentechnik spielt eine große Rolle für eine optimale Beschichtung. Auch die richtige Wahl der Filtrationstechnik ist entscheidend. Um all diesen Anforderungen sowie den immer komplexer werdenden Bauteilen gerecht werden zu können, müssen auch die Beschichtungsanlagen, deren Pumpen- und Filtertechnik sowie die Prozesstechnik stetig optimiert und weiterentwickelt werden. Das Unternehmen RENNER bietet hierfür alles aus einer Hand und unterstützt seine Kunden mit entsprechender Kompetenz, Know-how und Flexibilität.

Von Karin Renner