DD249495A1 - Verfahren und vorrichtung zur chemisch-reduktiven abscheidung von nickel - Google Patents

Abstract

Ziel der Erfindung ist eine umweltfreundliche, wirtschaftliche chemische Vernickelung. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Vermeidung eines Aufheizens von Behaelterwaenden und Gesamtvolumen des Arbeitsbades. Das Wesen der Erfindung ist bei einem Verfahren unter Verwendung saurer oder alkalischer waessriger Vernickelungsbaeder mit darin geloestem Nickelsalz und Reduktionsmittel dadurch gekennzeichnet, dass man zur Erzielung der erforderlichen Arbeitstemperatur unmittelbar an der Werkstueckoberflaeche ein magnetisches Wechselfeld auf das die metallischen Werkstuecke enthaltende Vernickelungsbad einwirken laesst. Zum Wesen der Erfindung gehoert ausserdem eine Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens, bei welcher ein nichtleitender, unmagnetischer Behaelter fuer die Vernickelungsloesung von einer Induktionsspule umgeben ist. Die Erfindung findet im Maschinen- und Apparatebau zum Aufbringen von Nickelschichten auf Bauteilen zwecks Erhoehung der Korrosions- und Verschleissfestigkeit Anwendung.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur chemisch-reduktiven Abscheidung von Nickel speziell auf metallischen Werkstücken. Sie kann zum Abscheiden gleichmäßig dicker Nickelschichten im Maschinen- und Apparatebau zum Zweck des Verschleißschutzes und der Erhöhung der Korrosionsfestigkeit überall dort angewendet werden, wo eine galvanische Vernickelung ungeeignet oder zu aufwendig ist. Ihre Anwendung empfiehlt sich besonders im Kleinserienbau und bei diskontinuierlich im Produktionsablauf anfallenden Teilen.

-Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Verfahren und Vorrichtungen zur stromlosen katalytischen Vernickelung metallischer Gegenstände durch chemisch-reduktive Nickelabscheidung sind seit langem bekannt.

Als Vernickelungsbäder kommen dabei saure oder alkalische wäßrige Lösungen zur Anwendung, die im wesentlichen Nickel(ll)-salz, insbesondere Nickelsulfat oder Nickelchlorid, Komplexbildner, vorwiegend organische Säuren wie Milchsäure, Zitronensäure usw., ein Reduktionsmittel, vorzugsweise Natriumhypophosphit, und Stabilisatoren sowie ggf. weitere Zusätze, z. B. Puffersubstanzen und Beschleuniger, enthalten.

Insbesondere die sauren Vernickelungsbäder auf der Basis von Hypophosphit als Reduktionsmittel sind in ihrer Badzusammensetzung so optimiert, daß bei Einhaltung eines pH-Wertes im Bereich zwischen 4 und 5 (z. B. durch Zugabe von Natronlauge) und einer Arbeitstemperatur oberhalb von 90 °C, vorzugsweise 90 bis 95 ⁰C, eine optimale Abscheidungsrate und relativ hohe Badstabilität gewährleistet wird. Die erforderliche Arbeitstemperatur wird durch Beheizen der Lösung mittels elektrischer Heizeinrichtung (z. B. Tauchheizkörper) oder Wärmeaustauscher erreicht. Zur Erhöhung der Lebensdauer (Standzeit) der Vernickelungsbäder werden diese durch Ergänzender verbrauchten Chemikalien regeneriert, was bei kleinen Anlagen wegen des sonst hohen apparativen Aufwandes meist diskontinuierlich, bei großen Anlagen kontinuierlich geschieht. Bei kontinuierlicher Arbeitsweise wird die Vernickelungslösung zwischen dem Arbeitsbehälter und einem Regenerierungsbehälter sowie einer Filtriereinrichtung zum Entfernen von Verunreinigungen zur Vermeidung von Spontanzersetzungen der Vernickelungslösung und Fremdabscheidung von Nickel im Kreislauf gepumpt (z. B. DE-AS 1 145 889, DE-AS 1 191 654). Das ist mit einem erheblichen Energieaufwand verbunden, da die Vernickelungslösung nach Verlassen des Arbeitsbehälters abgekühlt werden muß, um thermische Schäden und eine Nickelabscheidung an den nachfolgenden Anlagenteilen zu verhindern, und bei Wiedereintritt in den Arbeitsbehälter wieder auf Arbeitstemperatur gebracht werden muß.

Dennoch kommt es neben der gezielten Nickelabscheidung an den zu vernickelnden metallischen Werkstücken zur unerwünschten Vernickelung der von dem Vernickelungsbad umspülten, Arbeitstemperatur aufweisenden Arbeitsbehälterwände und Anlagenarmaturen.

Technische Lösungen zum Schutz der mit dem Arbeitsbad in Berührung kommenden Anlagenteile vor Metallisierung sind zwar bekannt, jedoch bieten sie keinen dauerhaften, zuverlässigen Schutz.

In der AT-PS 208 174 istz. B. als Schutzmaßnahme eine chemische Passivierung der aus rostfreien Cr-Ni-Stählen gefertigten Anlagenteile durch Behandlung mit Salpetersäure, Flußsäure oder Gemischen beider Säuren beschrieben, die jedoch auf Grund der starken Reduktionswirkung der Vernickelungslösung nur kurze Zeit anhält.

Ein besserer, jedoch ebenfalls nicht unbegrenzter Schutz wird durch Anlegen eines anodischen Schutzpotentials an die gefährdeten Anlagenteile unter Verwendung von Potentiostaten erreicht (z. B. DE-AS 1 277 642, DE-AS 1 521 246).

Die Behälter und Armaturen der Vernickelungsapparatur müssen daher regelmäßig gereinigt werden, da der Nickelbelag katalytisch wirkt und die Spontanzersetzung des Vernickelungsbades fördert. Für diese Reinigung werden große Mengen z. B. an Salpetersäure benötigt. Zur Entsorgung der entstehenden sauren Nickelnitratlösung sind weitere Chemikalien erforderlich. Nicht zuletzt wird die Umwelt mit dem deponierten Schwermetallschlamm und mit Neutralsalz belastet.

Außerdem wird durch die Spontanzersetzung das Vernickelungsbad unbrauchbar und erfordert einen Neuansatz.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur chemisch-reduktiven Nickelabscheidung hohe Chemikalien- und Energieaufwände sowie Aufwände an Arbeits- und Wartuhgszeit bei gleichzeitiger Belastung der Umwelt und Reduzierung der Anlagenverfügbarkeit verbunden sind. Insbesondere bei geringem oder diskontinuierlichem Teiledurchsatz ist daher die Wirtschaftlichkeit des Verfahren zur stromlosen, chemischen Vernickelung stark beeinträchtigt.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, durch Reduzierung der Aufwände an Arbeits- und Wartungszeit sowie an Energie und Chemikalien eine umweltfreundliche und auch bei geringem oder diskontinuierlichem Teiledurchsatz wirtschaftliche chemische Vernickelung zu gewährleisten.

Darlegung des Wesens der Erfindung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur chemisch-reduktiven Abscheidung von Nickel zu schaffen, bei der auf einfache Weise ein Aufheizen der Behälterwände und Armaturenteile der Vernickelungsapparatur und des Gesamtvolumens des Vernickelungsbades vermieden wird. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur chemisch-reduktiven Abscheidung von Nickel, bei dem aus einer wäßrigen, sauren oder alkalischen Vernickelungslösung, enthaltend Nickel(ll)-salz, Komplexbildner, Reduktionsmittel und Stabilisator, bei einer erhöhten Arbeitstemperatur von vorzugsweise 60 bis 95 ⁰C durch katalytisch^ Reduktion der Nickel-Ionen auf der Oberfläche von darin eingetauchten metallischen Werkstücken Nickel abgeschieden wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der die Werkstücke enthaltenden Vernickelungslösung ein magnetisches Wechselfeld zur Erzielung der für die Nickelabscheidung erforderlichen Arbeitstemperatur unmittelbar an der Oberfläche der Werkstücke durch die in den Werkstücken infolge Induktionsstromfluß hervorgerufene Erwärmung erzeugt wird.

Die Lösung der Aufgabe gelingt weiterhin durch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, bei welcher erfindungsgemäß der aus einem nichtleitenden, unmagnetischen Material bestehende Behälter für die Vernickelungslösung innerhalb einer mit einer Wechselspannungsquelle verbundenen Induktionsspule angeordnet ist.

Die Erfindung beruht auf der Ausnutzung des Induktionsgesetzes, wonach bekanntlich in Leitern, die sich in einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld befinden, eine Spannung induziert wird. Diese Spannung bewirkt einen Stromfluß, der nach dem Ohmschen Gesetz von der induzierten Spannung und dem Widerstand des Leiters abhängig ist (Wirbelstrom). Der Stromfluß ruft eine Wärmeentwicklung im Leitermaterial hervor, so daß für ein in einem Vernickelungsbad befindliches metallisches Werkstück unter Einwirkung eines magnetischen Wechselfeldes, realisiert durch eine den Behälter mit der Vernickelungslösung umgebende Induktionsspule, die für die Nickelabscheidung erforderliche Arbeitstemperatur erreicht wird, d. h. Nickel auf der Oberfläche dieses Werkstückes abgeschieden wird. Um eine Abschirmung des Magnetfeldes gegenüber der Vernickelungslösung durch den Behälter zu verhindern, muß dieser aus einem nichtleitenden und unmagnetischem Material gefertigt sein, z. B. aus Glas. Da der spezifische Widerstand eines metallischen Werkstückes wesentlich (etwa 100mal) größer ist als der spezifische Widerstand der Vernickelungslösung wird diese zwar auch durch das magnetische Wechselfeld erwärmt, aber wesentlich langsamer als das-Leitermaterial. Nur in der unmittelbaren Umgebung der Werkstücke erfährt die Vernickelungslösung auf Grund der Wärmeübertragung eine Aufheizung auf Arbeitstemperatur. Es wird nicht mehr, wie etwa bei bekannten Verfahren, das gesamte Badvolumen auf Arbeitstemperatur gebracht. Dieser Umstand wirkt sich positiv auf die Stabilität der Vernickelungslösung aus und führt somit zu einer deutlichen Erhöhung ihrer Standzeit. Außerdem findet keine unerwünschte Nickelabscheidung an den mit dem Vernickelungsbad in Berührung kommenden Behälterwänden oder Armaturen der Vernickelungsapparatur statt, da diese auch im Arbeitszustand nicht die dazu nötige Abscheidungstemperatur erlangen.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.

Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

Die in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt eine Induktionsspule 1, deren Wickelungsenden 2 mit einer nicht näher dargestellten Wechselspannungsquelle verbunden sind sowie einen in der Induktionsspule 1 angeordneten Behälter 3.

Der Behälter 3, dessen Wandung aus einem nichtleitenden, unmagnetischen Material besteht, enthält eine Vernickelungslösung 4, in welche ein zu vernickelndes metallisches Werkstück 5 mit Hilfe einer nicht näher dargestellten Haltevorrichtung 6 eingetaucht

Über die Wechselspannungsquelle wird an die Induktionsspule 1 eine Wechselspannung angelegt, wodurch sich um die Induktionsspule 1 ein Magnetfeld ausbildet, daß in Abhängigkeit von der Zeit seine Richtung ändert. Zur Sichtbarmachung des prinzipiellen Feldverlaufs des magnetischen Wechselfeldes sind in der Zeichnung fiktive Feldlinien 7 dargestellt.

In dem metallischen Werkstück 5 wird eine Spannung induziert, die zu einem Stromfluß und infolge des chemischen Spannungsabfalls zu einer Erwärmung führt. Durch die lokale Temperaturerhöhung wird unmittelbar an der Oberfläche des Werkstücks 5 die für die Nickelabscheidung erforderliche Arbeitstemperatur erreicht, so daß hier Nickel abgeschieden wird.

Zur versuchsweisen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur chemisch-reduktiven Nickelabscheidung wurden als metallisches Werkstück 5 ein Eisen- und Aluminiumring mit Hilfe eines Messingdrahtes in die Vernickelungslösung 4 der beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung eingehängt.

Die beiden Ringe wurden zuvor materialspezifisch in bekannter Weise einer chemischen Oberflächenbehandlung durch Beizen unterzogen. Der Eisenring wurde z. B. in Salzsäure blankgebeizt. Eine wäßrige saure Lösung₍bestehend aus

• 20 g Nickelsulfat, Ni 5O₄ 7 H₂O

• 30 g Milchsäure, 90%ig •15 g Natriumhypophosphit

• 3 mg Propionsäure

• 10 mg Bleinitrat

bezogen auf 1 I Wasser, wurde als Vernickelungslösung 4 eingesetzt. Durch dosierte Zugabe von Natronlauge wurde diese auf einem p-Wert zwischen 4 und 5 gehalten. Die Induktionsspule 1 wurde mit 6-V-Wechselspannung und einer Stromstärke von 9 A betrieben. Nach 7 Minuten waren sowohl der Aluminiumring als auch der Eisenring einschließlich des eintauchenden Messingdrahtes vernickelt. Die mit der Vernickelungslösung in Berührung kommende Wandung des Behälters 3 blieb dagegen von einer Nickelbeschichtung verschont.

Claims (2)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur chemisch-reduktiven Abscheidung von Nickel, bei dem aus einer wäßrigen, sauren oder alkalischen Vernickelungslösung, enthaltend Nickel(ll)-salz, Komplexbildner, Reduktionsmittel und Stabilisator, bei einer erhöhten Arbeitstemperatur von vorzugsweise 60 bis 95⁰C durch katalytische Reduktion der Nickel-Ionen auf der Oberfläche von darin eingetauchten metallischen Werkstücken Nickel abgeschieden wird, gekennzeichnet dadurch, daß in der die Werkstücke enthaltenden Vernickelungslösung ein magnetisches Wechselfeld zur Erziehung der für die Nickelabscheidung erforderlichen Arbeitstemperatur unmittelbar an der Oberfläche der Werkstücke durch die in den Werkstücken infolge Induktionsstromfluß hervorgerufene Erwärmung erzeugt wird.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der aus einem nichtleitenden, unmagnetischen Material bestehende Behälter für die Vernickelungslösung innerhalb einer mit einer Wechselspannungsquelle verbundenen Induktionsspule angeordnet ist.