Nickel und seine Elektrolyte


Nickel kann sowohl als Endschicht als auch als Zwischenschicht genutzt werden. 

Beliebte Eigenschaften in der Galvanotechnik ist der Korrosionsschutz und der hohe Glanz-grad.

Weiterhin wird zwischen galvanisch und chemisch Nickel unterschieden.

 

Also schau dir jetzt an, wie einer der am häufigsten genutzten Elektrolyte in der Galvanotechnik funktioniert!

Inhaltsangabe


Steckbrief Nickel

Steckbrief Nickel

Welche Nickel Elektrolyte gibt es?

Welche Nickel Elektrolyte gibt es?

Aufbau des Watt'sche Nickel Elektrolyts

Aufbau des Watt'sche Nickel Elektrolyts

Spezial-Nickel

Spezial-Nickel

Nickel-Elektrolyt pflegen

Nickel-Elektrolyt pflegen

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Steckbrief Nickel

  • Löst sich in HNO3
  • Läuft bei Luft an
  • Härte Galvanisch 200-600 HV
    • Ist je nach Elektrolyt unterschiedlich
    • Kann durch härten oder weichglühen stark verändert werden
  • Metallisch glänzend
  • Polierbar (mühsam)
  • Magnetisch
  • Lässt sich schweißen
  • Silberähnliche Farbe
  • Dichte 8,9 g/dm3 
        
  • Funktion in der Galvanik:
    • Technisch
      • Verschleißschutz
      • Korrosionsschutz
      • Zwischenschicht/ Diffusionssperre
    • Dekorativ (meist in Verbindung mit einer Chromschicht)
    • Dickschichten
      • Formenbau
      • Galvanoformung
      • Verschleißschutz von Lagern
         
  • Nickel schützt Eisen erst ab Schichtdicken von 25µm bis 50 µm. Davor sind die Poren zu groß um einen 100%igen Korrosionsschutz zu gewährleisten.
  • Darum werden oftmals Schichtkombinationen genutzt wie beispielsweise Kupfer – Nickel. Oder halbglanznickel – glanznickel – chrom.
  • Messing und Kupfer wird direkt vernickelt.
  • Bei Stahl und Eisen ist dies auch möglich, jedoch ist es hier oftmals sinnvoller vorzuverkupfern.
  • Welche galvanischen Nickel Elektrolyte gibt es?

    • Watt’sche Nickelbad mit verschiedenen organischen Zusätzen
      • Mattnickel
      • Halbglanznickel
      • Hochglanznickel
      • Perglanznickel usw.
    • Mikrosrissiges/ Mirkosporöses Nickel
    • Schwarznickel
    • Nickel-Strike (Vorvernicklung)
    • Hochgeschwindigkeitselektrolyte
      • Nickelsulfamat Elektrolyt
      • Nickelfluorborat Elektrolyt
    • (Chemisch Nickel)
    • Dispersionsnickel

    Das Watt’sche Nickelbad ist am häufigsten im Einsatz. Der Ansatz geht zurück auf O.P. Watts, der 1916 den ersten funktionierenden Nickel Elektrolyten auf Basis von Nickelsulfat entwickelte. Die sich heute im Einsatz befindlichen Nickelbäder sind abgewandelte Varianten dieser Entwicklung von 1916. Darum spricht man auch bei den modernen Bädern noch von Watt’sche Nickel Elektrolyt.

    Ansatz eines modernen Watt'sche Nickelbad

    • NiSO4 x 7 H2O 300 g/l
    • NiCl2 x 6 H2O 50 g/l
    • H3BO3 40 g/l
    • Organik
    • Temperatur    40-65 °C
    • ph Wert 3,8 – 4,2
    • Stromdichte 3-5 A/dm²

    Solche Ansätze sind immer als ungefähre Vorschläge zu verstehen. Den man muss jeden Ansatz an seinen Einsatz anpassen. Oftmals findet man darauf auch Hinweise in den Betriebsanleitungen der Badhersteller.

    Funktion der einzelnen Bestandteile des Elektrolyten

    Wofür genau die verschiedenen Bestandteile des Watt’schen Nickelelektrolytes da sind, wird im folgenden erklärt.

    Metallsalze

    Nickelsulfat (NiSO4) und Nickelchlorid (NiCl2)

    • Liefern die erforderlichen Nickelionen
    • SO42– und Cl–
      • sind dafür da, damit sich die Anoden auflösen können
      • Erhöhen die Leitfähigkeit des Elektrolyten

    Was passiert bei zu wenig Metallsalzen im Elektrolyt?

    Wenn am Bauteil mehr als doppelt so viele Elektronen als Nickelionen zur Verfügung stehen, entsteht Wasserstoff

    2 H+ + 2e– –> H2

    Wie wir im Kapitel „Was ist Galvanotechnik“ gesehen haben, verbindet sich das gelöste Nickel am Bauteil mit den zur Verfügung stehenden Elektronen.

    Ni2+ + 2e– –>Ni

    Jeweils zwei Elektronen verbinden sich mit einem Nickelion. Wenn aber viel mehr Elektronen zur Verfügung stehen als passende Nickelionen, entsteht Wasserstoff. Das hat verschiedene Folgen. Die Schichteigenschaften verändern sich. Je nach Stromstärke verbrennt die Schicht, was bedeutet dass überhaupt keine brauchbare Nickelabscheidung mehr statt findet.

    Was passiert bei zu viel Metallsalzen im Elektrolyt?

    Bei viel zu hoher Konzentration wird die Löslichkeit überschritten und verschiedene Salze fallen aus. Was zu rauen Schichten führen würde, da sich die Salze dann teilweise in die Schicht mit einbauen.

    Zuvor wird bei hohem Nickelgehalt die Makrostreufähigkeit immer schlechter.

    Chlorid | Cl-

    Chlorid verhindert passive Anoden. Nickel löst sich in Verbindung von Sulfat (SO42-) nur bedingt gut. Chlorid erhöht die Anodenlöslichkeit um das auszugleichen. Chlorid ist relativ aggressiv und löst Nickel auch ohne dass Strom anliegt auf. Wird als Ni(Cl2) oder als HCl zugegeben.

    Puffersubstanzen (H3BO3)

    Bei der Abscheidung wird Wasserstoff mit eingebaut. Somit steigt der pH-Wert an. Bei zu hohen Werten bildet sich Ni(OH)2, welches ausfällt und sich in die Schicht einbauen kann, was wiederum zu rauen Schichten führt.

    Der pH-Wert muss konstant gehalten werden.

    Dafür wird ein Puffer benötigt. Borsäure (H3BO3) dissoziiert wenn der pH-wert steigt und gleicht diesen somit aus.

    H3BO3 –> H+ + H2BO3–

    Wenn dann der pH-Wert mittels Säurezugabe gesenkt wird, nimmt die Borsäure wieder ein Wasserstoff Ion auf.

    H+ + H2BO3– –>H3BO3

     

    So hält die Borsäure den pH-Wert stabil

    Nickel Spezialelektrolyte

    Außer dem Watt’sche Nickel Elektrolyt gibt es noch eine andere Varianten von Nickelbädern. Diese sind deutlich weniger verbreitet aber trotzdem auch im Einsatz.

    Es geht um folgende Bäder:

    • Dispersionsnickel
    • Hochgeschwindigkeitsnickelektrolyte
    • Schwarznickel

    Dispersionsnickel

    Beim Dispersionsnickel werden feste Teile mit in die Schicht eingebaut. Grundelektrolyt ist meistens der Watt‘sche Nickelektrolyt.

    Die Feststoffe werden dem Elektrolyt zugesetzt und werden in Suspension gehalten.

    Um den Elektrolyten zu filtern muss man die Feststoffe absetzen lassen. Dauerhaftes filtern ist somit unmöglich.

    Einige Beispiele für Feststoffe

    • Diamantpulver
    • Siliziumcarbid
    • Korund
    • Quarz
    • Titanoxid
    • Titancarbid
    • Bornitrit
    • Graphite
    • Kunststoffe

    Eigenschaften der Schichten

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

    Anwendungsbeispiele

    • Waffentechnik für eine höhere Härte
    • Zahnbohrer
    • Nagelfeilen
    Das Funktionsprinzip von Dispersionsnickel mit eingebauten Teilen die schleifen sollen
    Dispersionsnickel hart
    Das Funktionsprinzip von Dispersionsnickel mit eingebauten Teilen die für eine bessere Gleitfähigkeit sorgen sollen.


    Hochgeschwindigkeitselektrolyte

    Durch den hohen Nickelgehalt kann mit einer höheren Stromdichte produziert werden, was ein schnellerer Schichtaufbau bedeutet. Dabei gibt es zwei verschiedene gängige Varianten.

     

    Nickelfluorborat

    Ansatz:

    • Nickelfluorborat       300-450g/l
    • Freie Borflußsäure     5-  40g/l
    • Freie Borsäure         30-  40g/l
    • pH Wert                       2,0-3,5
    • Temperatur                40-80°C

    Der Nickelfluorborat Elektrolyt konnte sich aber in der Praxis nicht gegen den Sulfamatelektrolyten durchsetzten aufgrund Handhabungs- und Entsorgungsprobleme sowie aus finanzieller Sicht. Darum gehen wir hier gar nicht weiter darauf ein und schauen uns die bessere Variante an.

     

    Nickelsulfamat

    Der Nickelsulfamat Eleketrolyt findet seine Anwendungen in der Galvanoformung bis 3000µm (3mm), beim Dickvernickeln und als Verschleißschutz (abgenutzte Teile wieder in brauchbaren Zustand versetzten). Beispielweise Maschinen-/ Motorenbau, Flugzeugbau. Kritische Stellen bzw. abgenutzte Teile wie an Triebwerken werden verstärkt.

    Teilweise als Alternative zum Hartverchromen.

    Grundsätzlich immer wenn man eine hohe Schichtdicke in kurzer Zeit will.

    Aufgrund der sehr hohen Abscheidegeschwindigkeit!

     

    Ansatz

    • Nickelsulfamat  350g/l (bis 200g/l Nickel)
    • Nickelchlorid      10 g/l
    • Borsäure             40g/l
    • organische Zusätze
    • 20-30A/dm2, höchstens 50A/dm2
    • pH 3-4
    • Temperatur 35-50°C
      • (nicht höher wie 80°C da sich Nickelsulfamat zersetzt)
    • Besonders anfällig für Verunreinigungen

    Schwarznickel

    Schwarznickel ist eine rein dekorative Schicht, mit sehr schlechtem Korrosionsschutz. Aus diesem Grund findet Schwarznickel in der Praxis keine große Anwendung. Die Alternativen sind meist besser und günstiger. Wie Beispielweise Schwarzverzinken oder brünieren.

     

    Es gibt drei verschiedene Schwarznickelansätze

    • Mit Zink versetzt
    • Mit Komplexbildnern versetzt
    • Mit organischen Verbindungen versetzt

    Schwarznickel Ansatz Variante Zink

    • Nickelsulfat                   75 g/l
    • Nickelammoniumsulfat 44 g/l
    • Zinksulfat                      37 g/l
    • Natriumrhodanid           15 g/l
    • Netzmitel
    • Temperatur         20 – 50 °C
    • Stromdichte    0,3 – 1 A/dm²
    • pH- Wert                5,6 – 5,9
    • Anoden Nickel oder Kohle

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    Nickel Elektrolyte pflegen


    Ein gut gepflegter Nickel Elektrolyt kann viele Jahrzehnte, ja theoretisch unendlich viele Jahre, alt werden.

    Jedoch gibt es einiges zu beachten damit es soweit kommt.

    Schau dir jetzt an was du alles beachten musst…

    Betriebsanleitung des Herstellers beachten

    Es klingt zu einfach um wahr zu sein. Trotzdem ist es so. Die Betriebsanleitungen der Bad Hersteller werden immer besser und ausführlicher. Es gibt natürlich gravierende Unterschiede zwischen den einzelnen Fachfirmen, jedoch werden sie im Schnitt immer besser.

    In jedem Fall sollte man sich die Dokumente einmal angeschaut haben. Weil sich oftmals hier einige wichtige Informationen herauslesen lassen. Von Sollwerten der Elektrolyte, über Analysenvorschriften bis zu Fehlerbilder kann man hier vieles finden. Fakt ist, wenn der Elektrolyt nicht ordnungsgemäß betrieben wird, hilft auch die beste Pflege nichts.


    Filtration

    Der Nickel Elektrolyt sollte kontinuierlich gefiltert und umgewälzt werden. Es gibt hier auch Ausnahmen, wie Beispielweise Dispersionsnickel. Darum ist auch hier die Betriebsanleitung zu beachten.

    Durch die ständige Filtration wird jegliche feste Verunreinigung sofort wieder entfernt. Gleichzeitig ist eine Umwälzung förderlich bei der Abscheidung.


    Aktivkohlereinigung

    Eine Aktivkohlereinigung muss nur bei Bedarf durchgeführt werden, Beispielsweise wenn organische Verunreinigungen im Elektrolyt vorhanden sind.

    Das kann passieren wenn falsche organische Zusätze in den Elektrolyten gelangt sind oder man das Bad umstellen möchte. Beispielweise von Glanznickel auf Halbglanznickel.


    Selektivreinigung

    Bei zu hohem Kupfergehalt kann die Selektivreinigung eingesetzt werden. Dabei werden Bleche als Kathode (Werkstück) eingefahren. Im Idealfall komplett flach und so groß wie das Warenfenster. Dann wird mit 0,1 – 0,3 A/dm² abgeschieden.

    Dabei wird vor allem Kupfer und kaum Nickel abgeschieden. Organische Verunreinigungen werden teilweise so auch entfernt.

    Die Selektivreinigung ersetzt keine vollständige Aktivkohlereinigung. Es werden zwar auch organische Verbindungen aus dem Bad entfernt, aber nicht vollständig wie bei der Aktivkohlereinigung. Es kommt auf die Organik und die Menge, an ob eine Selektivreinigung ausreicht.


    Anoden


    Reine Nickelanoden

    Nickelanoden mit mindestens 99% Nickelgehalt verwenden um Verunreinigungen gar nicht erst zuzulassen. Denn um so weniger Fremdmetalle eingeschleppt, werden um so weniger müssen später aufwändig entfernt werden.

    Aktive Anoden

    Sogenannte aktive Anoden haben Schwefel mit eingebaut und lösen sich besser. Nicht aktive Anoden sind ohne Schwefel, benötigen jedoch unbedingt Chlorid im Elektrolyt. Ansonsten werden sie sofort passiv und funktionieren nicht.

    Es gibt Elektrolyte in denen Schwefel komplett unerwünscht ist, darum sollte man eben darauf achten.

    Im Zweifelsfall Betriebsanleitung durchlesen. Solche Informationen sind dort in aller Regel aufgeführt.

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