Ideale Oberflächenveredelung für Konstruktionsbauteile
Von Uwe Franz, Key Account Automotive, AHC Oberflächentechnik GmbH, Kerpen
Die Anwendungsvielfalt von Aluminiumlegierungen hat speziell im Automobilbau deutlich zugenommen. Der Grund liegt vor allem in der leichten Verarbeitbarkeit, dem geringen Gewicht und der Festigkeit von Aluminiumlegierungen. Für manche Anwendungen sind Aluminiumwerkstoffe jedoch zu wenig korrosi- ons- und verschleißbeständig, oder eine weitere Eigenschaft ist unzureichend, so dass ein zusätzlicher Oberflächenschutz notwendig wird.
Die chemische Vernickelung nach dem DURNI-COAT®-Verfahren (DNC-AL- Verfahren) von AHC Oberflächentechnik hat sich bei der Verwendung von Aluminiumwerkstoffen für Konstruktionsbauteile als ideale Oberflächenveredelung herausgestellt. Bei diesem so genannten Chemisch Nickel-Verfahren wird nach geeigneten Vorbehandlungsmaßnahmen eine Nickel-Phosphor-Legierungsschicht auf einer Oberfläche haftfest abgeschieden. Die Auswahl der geeigneten Schichtvariante sollte in einer engen Zusammenarbeit zwischen dem Anwender und dem Beschichter erfolgen. Nur so ist neben der Qualität der Chemisch Nickel-Überzüge auch deren Wirtschaftlichkeit zu erzielen. Bei der chemischen Vernickelung erfolgt die Abscheidung in einem wässrigen Elektrolyten mit gelösten Nickelionen. Ein Reduktionsmittel liefert den Phosphor, der gleichmäßig in die Nickelschicht eingebaut wird. Die Höhe der Phosphorkonzentration kann durch Variation der Elektrolytkomponenten und der Verfahrensbedingungen zwischen drei und 14 Prozent eingestellt werden. Chemisch Nickel-Schichten mit geringem Phosphorgehalt haben sich besonders bei hohen Verschleißbeanspruchungen bewährt. Auch ist die Korrosionsbeständigkeit gegenüber hochkonzentrierter Natronlauge ausgesprochen gut. Schichten mit mittlerem Phosphorgehalt etwa zwischen neun und zwölf Prozent verfügen über einen Korrosionsschutz und eine Abriebfestigkeit, die für die meisten Anwendungs- fälle ausreichen. Bei hohem Phosphorgehalt sind die Schichten etwas duktiler und korrosionsbeständiger. Sie sind außerdem gut beständig gegen moderate chloridhaltige Medien bei gleichzeitiger mechanischer Belastung. Die Abscheidung von Chemisch Nickel- Schichten findet auf aktivierten Oberflächen, hier Aluminiumlegierungen, statt. Der Vorgang des chemischen Vernickelns läuft so lange, bis das Bauteil aus dem Elektrolyten entfernt wird. Die Schicht wächst überall auf dem Bauteil gleichmäßig schnell auf. So sind auch tiefe Bohrungen und Hohlräume zu beschichten, sofern ein Elektrolytaustausch erfolgt. Ecken und Kanten weisen keine Verdickungen und Innenbereiche sowie Hinterschneidungen keine Schichtverminderungen auf. Die konturengetreue Abbildung der Oberfläche ist ein wesentliches Kriterium für den Einsatz von Chemisch Nickel- Schichten. Auf Aluminiumwerkstoffen kommen alle Vorzüge einer Chemisch Nickel- Schicht zum Tragen: Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, Duktilität, konturentreue Nachbildung der Grundwerkstoffoberfläche, porenfreie Oberfläche. Bei der Wahl der DURNI- COAT®-Varianten und der Schichtdicke sind jedoch Korrosionsbedingungen, Art und Beschaffenheit des Grundwerkstoffes und seiner Oberfläche, das Tribosystem und die erforderliche Lebensdauer zu berücksichtigen. Für Verschleiß- und Korrosionsbeanspruchungen sind nach DIN EN ISO 4527 folgende Schichtdickenbereiche üblich:
>> mildeVerschleißbeanspruchung: 5 bis 10 μm
>> mildeKorrosionsbeanspruchung: 2 bis 10 μm
>> mäßige Beanspruchung: 10 bis 25 μm
>> starke Beanspruchung: 25 bis 50 μm
>> sehr starke Beanspruchung: > 50 μm
Das Problem der Kontaktkorrosion nach der Montage von Werkstoffen mitunterschiedlichem elektrochemischen Verhalten kann durch eine chemische Vernickelung gelöst werden. So können beschichtete Aluminiumteile durchaus mit Edelstahlschrauben befestigt wer- den. Wesentliche Voraussetzung ist allerdings eine geschlossene Chemisch Nickel-Schicht.
Im Automobilbereich kommen mit DNC-AL behandelte Werkstücke beispielsweise als PKW-Dieselkolben zum Einsatz. Die Beschichtung schützt diese Fahrzeugteile sicher gegen Kavitationserosion. Ferner werden Aluminium- Grundplatten für den Einsatz in der Kfz-Elektronik zur Verbesserung der Lötfähigkeit chemisch vernickelt.
Ebenfalls zur Automotive-Branche gehören Aluminium-Verdichterräder
für Turbolader, die auf Europas größter Chemisch Nickel-Anlage für Serien- und Kleinteile bei AHC produziert werden. Durch den Einsatz von Turboladern oder Kompressoren haben Konstrukteure mehr Möglichkeiten zur Hubraumreduzierung (Downsizing). Durch die chemische Vernickelung wird die thermomechanische Belastbarkeit der Verdichterräder deutlich erhöht. Dies wirkt sich vor allem bei der Zuführung von Abgasen auf der Verdichterseite eines Turboladers aus, da hier feinste Teilchen das Verdichterrad bei immensen Drehzahlen über Gebühr beanspruchen. Ein weiteres Anwendungsbeispiel aus der Automobilindustrie sind Steuerkolben für CO2-reduzierende Hydrauliksysteme. Hier werden besonders kleine Spaltmaße gefordert. Die Verringerung der Spaltmaße ermöglichen niedrigere Hydraulikdrücke und geringere Ölumlaufvolumen. Dadurch können kleinere kostengünstigere Ölpumpen gebaut wer- den, die einen reduzierten CO2-Ausstoß ermöglichen. Die Steuerkanten der Kolben werden konturengetreu nach dem DURNI-COAT®- Verfahren beschichtet. Die Schicht wird anschließend maßgenau eingeschliffen. Es gibt kein Abplatzen der Schicht im Kantenbereich, was wiederum das Risiko für Getriebeausfälle signifikant reduziert. Bei einer Schichtdicke von zum Beispiel 20 μm weist die Schicht eine Härte von mehr als 850 HV 0,05 auf. Diese hohe Härte ist durch eine nachträgliche Wärmebehandlung erzielt worden. Durch die Beschichtung wird das Risiko von „Kolbenklemmern“ durch Fremdpartikel reduziert und die tribologischen Eigenschaften des Kolbens werden verbessert. Die drei am meisten geforderten Eigenschaften bei der Anwendung von Chemisch Nickel-Schichten sind der Verschleißschutz, die Korrosionsbeständigkeit und die Konturentreue. Es folgen Lötbarkeit, günstiges Reibverhalten, eine hohe Duktilität und bestimmte magnetische Eigenschaften. Oft werden gleich- zeitig mehrere der aufgeführten Eigenschaften verlangt. Obwohl die Chemisch Nickel-Schichten sehr vielseitig sind, ist es kaum möglich, mit einer Schicht allein die mehrdimensionalen Anforderungen in der Praxis optimal zu erfüllen. Von daher ist es ein großer Vorteil, die Eigenschaften von Chemisch Nickel-Schichten in gewissen Grenzen einstellen und kombinieren zu können.