Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Evaluation der Gefüge- und Eigenschaftsentwicklung chemisch abgeschiedener und

wärmebehandelter NiP-Schichten auf Basis blei- und cadmiumfreier Elektrolytsysteme

Chemisch abgeschiedene Nickel-Phosphor-Schichten zeichnen sich durch ein breites Eigenschaftsspektrum aus und werden weltweit im Automobil-, Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Elektrotechnik und Elektronik eingesetzt.

Die Elektrolyte zur chemischen Vernickelung unter industriellen Fertigungsbedingungen wurden vielfach durch Zugabe von blei- und cadminiumhaltigen Verbindungen stabilisiert, um eine spontane Selbstzersetzung bzw. Fremdabscheidungen zu verhindern. Geänderte gesetzliche Rahmenbedingungen schränkten die erlaubten Konzentrationen dieser Verbindungen in den Schichten stark ein.

Ziel des Vorhabens ist die Bestimmung abscheidungsbedingter (Elektrolyt, Prozessführung)

Struktur- und Eigenschaftsmerkmale chemischer Nickelschichten im abgeschiedenen Zustand

wie auch nach der Wärmebehandlung. Der Schwerpunkt wird auf den

Wärmebehandlungsprozess und dessen Auswirkung auf die Eigenschaften blei- und

cadmiumfreier Schichten gelegt. Der Einfluss dieser als Stabilisatoren eingesetzten

Verbindungen auf die Schichteigenschaften wurde in Vorversuchen bestätigt. Um diesen

Einfluss innerhalb weiter Grenzen fassen und bewerten zu können, soll ein Abscheidungs- und

Wärmebehandlungskatalog zur effizienten, sicheren und reproduzierbaren Herstellung

verschleißbeständiger niedrig-, mittel- und hochphosphorhaltiger NiP-Schichten erstellt werden.

Als Eingangsgröße dienen industriell gefertigte NiP-Schichten mit reproduzierbaren

Eigenschaften, die mittels eines aktuell eingesetzten Grundelektrolyts- bzw. Stabilisatorsystems

hergestellt wurden.

Die Ergebnisse versetzen die Beschichtungsunternehmen in die Lage, auch künftig Chemisch-Nickelschichten aufzubringen, da bisherige Elektrolytzusammensetzungen gesetzlich verboten sind. Damit werden die Lieferfähigkeit wieder hergestellt und aufgrund der dann vorliegenden Kenntnisse über die Schichteigenschaften gegenüber Wettbewerbern auch international Vorteile erzielt.

Ergebniszusammenfassung:

Aus der umfassenden Untersuchung der blei- und cadmiumfreien Schichtsysteme mit ca. 250 Parametersätzen der Wärmebehandlung konnten Hinweise zum

Ausscheidungsmechanismus, der die Grundlage für die technische Wärmebehandlung darstellt, erhalten werden. Es konnte einzig die Phase Ni3P nachgewiesen werden, weitere in der Literatur diskutierten Phasen konnten nicht detektiert werden. Weiterhin konnte ein Wärmebehandlungskatalog erstellt werden, der den Anwender befähigt, das Wärmebehandlungsregime nach individuellen Kriterien zu wählen und Parameter reproduzierbar einzustellen. In Abhängigkeit des Phosphorgehaltes können so besonders von KMU's zum Erreichen der höchsten Härte individuelle, d. h. auf den Phosphorgehalt angepasste Temperatur-Zeit-Kombinationen gewählt werden, die beispielsweise auf eine kurze Wärmebehandlungszeit optimiert sind. Für viele Anwendungen ist oftmals bereits eine geringere Härte ausreichend. Für diese Anwendungen ist ein gegenüber den Prozessparametern tolerantes Regime ohne große Gradienten vorteilhaft. Besonders für KMUs stellt dies eine Möglichkeit dar, mit günstigeren Öfen ohne hohe Wärmekonstanz eine sichere Ausscheidungshärtung durchzuführen. Ein Substrateinfluss konnte durch die Beschichtung von Stahl- und Aluminium durch statistische Analysen eindeutig belegt werden, jedoch liegen die ermittelten Unterschiede im unteren einstelligen Bereich, der nicht praxisrelevant sein dürfte. Die wärmebehandelten Schichten zeigen weiterhin in potentiodynamischen Messungen eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit, die wahrscheinlich auf eine oxidische Passivierung zurückzuführen sind. Eine Erniedrigung der Dauergebrauchseigenschaften bei hohen Temperaturen konnte nicht festgestellt werden.