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Freitag, 22 Juli 2022 12:00

Informationen zur Dispersionsabscheidung

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Geschätzte Lesezeit: 3 - 6 Minuten
Windradgeneratoren sind wichtige Anwendungen für Dispersionsschichten Windradgeneratoren sind wichtige Anwendungen für Dispersionsschichten Fotos: Fotolia

Frage: Aufgrund von Kundenanfragen diskutieren wir in unserer Lohngalvanik, ob wir unser Programm mittelfristig um Dispesionsabscheidungen erweitern sollen. Leider verfügt niemand von uns über praktische Erfahrungen auf dem Gebiet und auch die Fachliteratur lässt sich nicht sonderlich darüber aus.

Antwort: Tatsächlich ist die Dispersionsabscheidung ein ziemlich weißer Fleck in der deutschsprachigen Literatur. Wenn überhaupt, wird lediglich darauf hingewiesen, dass es sie gibt. Über Details lassen sich nur wenige Autoren aus. Auch wir verfügen diesbezüglich nicht über praktische Erfahrungen und können leider nur das widergeben, was sich in unseren Archiven findet.

Von Dispersionsschichten spricht man, wenn dem Elektrolyt zugesetzte mechanische Partikel mit abgeschieden werden. In den 1930er Jahren wurde zum ersten Mal Diamantpulver zusammen mit Nickel eingesetzt. Hergestellt wurden damit unter anderem zahnärztliche Instrumente oder Nagelfeilen. Generell ist Nickel (galvanisch und chemisch) die Hauptanwendung für Dispersionsschichten.

Im Wesentlichen arbeitet das Verfahren so, dass man den mechanischen Zusatz in einer entsprechenden Suspension hält und gleichzeitig die Teile vernickelt.

Etwa mit Beginn der 1960er Jahre haben die Nickeldispersionsüberzüge weiter an Bedeutung gewonnen. Es werden alle denkbaren Feststoffe eingebaut, wie beispielsweise Siliciumcarbid, Korund, Quarz, Titandioxid, Titancarbid, Bornitrid, Oxide des Thors, des Urans oder Zirkons, daneben aber auch Graphit und Kunststoff, wie zum Beispiel Teflonpulver oder Molybdänsulfid. Die letzteren ergeben Nickelschichten mit einem hohen Selbstschmiereffekt. Die hervorstechendsten Eigenschaften der Nickeldispersionsüberzüge sind:

  • Abrieb- oder Verschleißfestigkeit
  • Temperaturbeständigkeit
  • Gleiteigenschaften
  • Duktilität
  • Festigkeit
  • Korrosionsbeständigkeit

Typische Einsatzgebiete sind die Waffentechnik und die Vernicklung von Motorenteilen, hier beispielsweise die Galvanisierung der Lauffläche von Kreiskolbenmotoren oder auch von Zylindern beziehungsweise Zylinderlaufbüchsen und Kolbenringen. An Kolbenringen ist die Hartverchromung allerdings noch überlegen. Weitere Einsatzgebiete sind Dentalwerkzeuge oder Knochenfräsen, in Bauteilen von Textil- oder Kunststoffspritzmaschinen, auf Zylinderkopfflächen oder Sägedrähten.

Neben Nickel werden auch Chrom, Eisen, Kupfer, Silber, Gold, Zink und Zinn-Elektrolyte eingesetzt.

Elektrolyte

Als Nickelelektrolyt kommen normale Watts- oder Sulfamatelektrolyte zum Einsatz [1], denen die zu dispergierenden Teilchen zugegeben und durch Bewegung und entsprechende Tenside als Suspension in Lösung gehalten werden. Dadurch sind die Teilchenmenge, die Teilchenmasse und damit die Korngröße begrenzt. Wichtig ist vor allem die Homogenisierung der Partikeleinlagerung, die durch verschiedene Konvektionsstrategien und modifizierte Partikel erreicht wird (siehe praktische Hinweise).

Hartstoff

Der gebräuchlichste Hartstoff ist Siliziumcarbid SiC, der in Korngrößen von 0,1 bis 3 μm und durchschnittlichen Gehalten von 150 g/L angewendet wird. Die dabei erreichbare Einbaurate liegt bei ca. 8 bis 10 Masse-%, die in der Regel ausreichend ist. Eine Erhöhung des Feststoffanteils im Elektrolyt bewirkt nur geringe Erhöhungen der Einbaurate.

Verwendet werden teilweise auch Aluminiumoxid (Al2O3) und Titanoxid (TiO2) Das Aluminiumoxid wird als Pulver mit einer Korngröße von 13 nm, Titanoxid mit einer Korngröße mit 21 nm zugegeben. Die Partikelkonzentration kann zwischen 1 und 10 Gew. % betragen. Diese Schichten haben gegenüber reinen Nickelschichten einen günstigeren Werkstoffaufbau und können somit günstigere Werkstoff- und Verschleißeigenschaften bieten. Besonders hervorzuheben sind die Gefügeverfeinerung, die Härtesteigerung, die Verminderung der Spannungen und die Erhöhung des Verschleißwiderstandes.

Praktische Hinweise

Es hat sich hinsichtlich der Haftfestigkeit der Schicht als günstig erwiesen, zuerst circa 10 μm Nickel ohne Feststoffanteil abzuscheiden.

Zur weiteren Härtesteigerung der Schicht sind entsprechende organische Verbindungen zusätzlich möglich.

Wesentlich für den gleichmäßigen Einbau der Teilchen ist außerdem deren gleichmäßige Verteilung im kathodennahen Bereich, weshalb eine entsprechende Elektrolytbewegung durch mechanische Rührwerke oder eine Lufteinblasung erforderlich ist. Ebenso kommen komplexere Pumpensysteme zum Einsatz.

Ein Problem bei kleinen Partikeln stellt die Agglomeration dar. Die Partikel werden in den Agglomeraten durch sogenannte Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten. Der Einschluss von Agglomeraten in der Dispersionsschicht ist unerwünscht, weil sie die Schichteigenschaften negativ beeinflussen. Somit wurden Strategien zur Deagglomeration entwickelt. [2] Um dies zu verhindern, werden Dispergiermittelmoleküle in die Lösung eingebracht, die ein Hydrathülle von ca. 20 µm um die Partikel bilden, damit die Partikel sich gegenseitig „nicht mehr sehen“ und so keine Agglomerate bilden. Bei der Abscheidung muss der Stabilisator wieder abgestreift werden.

Eine Filterung des Elektrolyten kann logischerweise nur nach dem Absetzen der dispergierten Phase erfolgen. Zu empfehlen ist auch in bestimmten Abständen ein Waschen und Aktivieren des Dispersionsmittels.

Bei der Herstellung von Dispersionsschichten mit Hartstoffen als Schleifkörper wirkt die Nickelschicht nur als Bindemittel. Das fertig beschichtete Bauteil stellt einen Schleifkörper dar, in dem größere Teilchen (Diamant, kubisches Bornitrit) mit Durchmessern von 5 bis > 100 μm von der Nickelschicht umwachsen werden. Zuerst wird dazu das zu beschichtende Teil kurz ohne Hartstoffanteil vorvernickelt. Anschließend werden die Hartstoffteilchen meist als Monoschicht auf das Teil aufgebracht und von der wachsenden Nickelschicht so eingeschlossen, dass sie noch aus der Nickelschicht ragen, aber bei Beanspruchung nicht herausbrechen.

Ni/P-Dispersionsschichten

Natürlich sind auch Dispersionsschichten im ChemischNickel möglich und werden in der Praxis entsprechend durchgeführt. Zum Einsatz kommen vorwiegend Ni/P+Diamant und Ni/P+PTFE. Diese verfügen über 20 Vol.-% PTFE und werden für Leichte Hydraulik- und Pneumatik-Bauelemente, Türschließer, Düsen Hülsen, Pumpenteile, Choke-Führungen für Vergaser bis 300 °C belastbar, Kugelküken, Lager-, Getriebeteile, Dichtungen, Druckmaschinenteile Guss-, Pressformen für Kunststoffe, Gummi u. ä. eingesetzt. Hinzu kommen Ni/P+SiC (Kfz-Lamellen, Vergaserteile, Bremsscheiben, Kupplungsteile, Zahnräder, Zylinder, Al-Kolben etc.) und Ni/P+Graphit.

Ni/P+Diamant-Schichten mit Phosphorgehalten um 6 bis 7 % bieten ein Optimum an Verschleißfestigkeit. Für höchste abrasive Werkzeuge haben sich Ni/P-Dispersionsschichten mit DiamantEinlagerungen der Korngröße 2 bis 6 µm als brauchbar erwiesen.

Bei den Anwendungen von Ni/P+SiC-Schichten im Bereich der Luftfahrt stehen Schienen, Laufflächen, Laufbuchsen, Bolzen oder Kupplungsstücke im Vordergrund. Durch die Verlängerung der Lebensdauer dieser Teile können Wartungszyklen an Flugzeugen verringert werden. Dies senkt nicht nur die Kosten für Neubeschichtungen, sondern führt auch zu einer deutlichen Verringerung der teueren Stillstandszeiten der Flugzeuge. Ni/P+SiC-Schichten werden von Wasser, Säuren, Laugen und Öl nicht angegriffen. Sie sind weitgehend temperaturbeständig und preiswert.

Ni/P+PTFE-Schichten finden überall dort Anwendung, wo es auf geringe Reibungskoeffizienten und gute Abriebfestigkeit ankommt. Sie werden insbesondere bei Formen, Verbindungselementen und Pumpenteilen eingesetzt, wo also gleitender Verschleiß und anti-adhäsives Verhalten gefordert wird. Aufgrund der besonderen Eigenschaften dieser Schichten lassen sich auch schwer zugängliche Teile wie Getriebe-, Lager- oder Kolbenbaugruppen mit extrem engen Toleranzen mit einer dauerhaften, selbstschmierenden Schicht versehen.

Weiterführende Informationen

[1] Online-Kurs: Die galvanische Vernickelung https://www.galvanotechnik-for-you.de/uebersicht-kurse/die-galvanische-vernickelung/
[2] Dispersionsabscheidung – ZOG-Seminar in Aalen Galvanotechnik 02/2022 Eugen G. Leuze Verlag

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 7
  • Jahr: 2022
  • Autoren: B. C.
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