Schwer, aber nicht unmöglich: Kleben von Nickel

Schwer, aber nicht unmöglich: Kleben von Nickel

Schwer zu verklebende Materialien Teil 3

Sowohl bei Kunststoffen als auch Metallen gibt es einige Werkstoffe, die als schwierig zu verkleben gelten. Einer davon: Nickel. Wann Klebstoffe dennoch hohe Festigkeiten auf Nickel erreichen und wann der Haftungsaufbau besonders kniffelig ist, wird nachfolgend beleuchtet.

Die Gründe, warum Nickel und vernickelte Oberflächen schwierig zu verkleben sind, sind vielfältig: (1) Nickel ist von Natur aus ein reaktionsträges Material. Dadurch können adhäsive Bindungen zum Substrat schwer aufgebaut werden. (2) Eine Rautiefe von 15 µm gilt als optimal für Klebungen, Nickelschichten sind allerdings eher glatt und haben deshalb eine weniger effektive Oberfläche. (3) Die Nickelschicht interagiert mit Feuchtigkeit. Das führt dazu, dass Klebstoffe über den Zeitverlauf an Festigkeit verlieren, da die Feuchtigkeit von außen in die Klebschicht migriert. (4) Hinzu kommt, dass sowohl Werkstoffgüte als auch Vernicklungsverfahren einen Einfluss auf die Klebverbindung haben. Bei Versuchen zu den Haftungseigenschaften zeigten sich sogar zwischen zwei Chargen desselben Lieferanten deutliche Unterschiede.

Gute Festigkeiten bei hoher Aushärtungstemperatur

Was die Versuche aber auch zeigten: Einige Klebstoffe, die bei hohen Temperaturen ausgehärtet werden, haften sehr gut auf vernickelten Oberflächen. Der Epoxidharzklebstoff DELO MONOPOX AD286 beispielsweise erreicht initial eine Druckscherfestigkeit von 55 MPa (vgl. Diagramm 1). Um die Nickelhaftung auch nach simulierter Alterung zu bewerten, wurden die gereinigten und verklebten Bauteile anschließend sieben Tage lang bei 85°C und 85% relativer Luftfeuchtigkeit gelagert. Dieser Test ist typisch für Automobil-Alterungssimulationen. Hier erreicht der Klebstoff noch Festigkeitswerte von 40 MPa, wobei die Aushärtung des Epoxidharzes bei 150°C in 60 Minuten erfolgte. Aufgrund dieser hohen Aushärtungstemperaturen vernetzt sich der Klebstoff zuverlässig mit der Oberfläche. Die Differenz zwischen Initialwert und den Ergebnissen nach dem Testzeitraum hängt unter anderem mit der Diffusion von Wasser entlang der Grenzfläche zwischen Klebstoff und Substrat zusammen.

Diagramm 1: Der warmhärtende Epoxidharzklebstoff DELO MONOPOX AD286 zeigt auch
nach standardisierten Alterungstests (7 Tage bei 85 °C und 85% Luftfeuchtigkeit) gute Festigkeiten auf vernickelten Oberflächen.

Herausforderung bei niedrigen Aushärtungstemperaturen

Herausfordernd wird die Verklebung von Nickel besonders dann, wenn die Aushärtung des Klebstoffs werkstoffbedingt bei +100 °C und weniger erfolgen muss. Der erschwerte Haftungsaufbau bei Epoxidharzklebstoffen, die im niedrigen Temperaturbereich ausgehärtet werden können, hängt unter anderem mit der geringeren Glasübergangstemperatur (Tg) dieser Klebstoffe zusammen. Die Glasübergangstemperatur ist ein Maß für die Stabilität des Polymernetzwerks – je niedriger der Tg, desto weniger dicht ist das Polymernetzwerk, was einen Einfluss auf die Widerstandsfähigkeit der Verbindung hat.

Die Ursachen, warum die Verklebung von vernickelten Oberflächen auch mit Acrylat-Klebstoffen – denen eine andere Chemie und ein anderer Aushärtungsmechanismus zugrunde liegen – schwierig ist, sind weitgehend unbekannt. Um hier Erkenntnisse zu erlangen, beschäftigt sich DELO in Grundlagenprojekten intensiv mit dieser Thematik und hat bereits erste Lösungen entwickelt.

Im Rahmen der Projekte werden ausgewählte Klebstoffe gezielt auf ihre Haftungseigenschaften auf Nickel untersucht. Ein Acrylat, das für eine Aushärtung im niedrigen Temperaturbereich entwickelt wurde und mit dem sich vernickelte Bauteile zuverlässig verkleben lassen, ist DELO DUALBOND SJ4750. Der Klebstoff eignet sich zum Beispiel für Verklebungen von Mini-Lautsprechern oder Kameras. Das einkomponentige, dualhärtende Acrylat erreicht initial Festigkeiten von über 30 MPa (vgl. Diagramm 2). Nach standardisierten Alterungstests (sieben Tage Lagerung bei 85% Temperatur und Luftfeuchtigkeit) zeigen sich stabile Festigkeiten von mehr als 20 MPa. Der Klebstoff kann mit Licht vorfixiert und anschließend mit Wärme bis zur Endfestigkeit ausgehärtet werden. Eine Aushärtung nur mit Licht oder Wärme ist ebenfalls möglich. Für den Test erfolgte die Aushärtung bei 100°C in 60 Minuten.

Diagramm 2: Gute Festigkeiten bei niedrigen Aushärtungstemperaturen zeigt
DELO DUALBOND SJ4750, ein Klebstoff auf Acrylatbasis.

Anspruchsvoll, aber möglich

Das Verkleben von Nickel ist extrem anspruchsvoll. Nicht zuletzt deshalb, weil es noch viele Unbekannte gibt. Die Ursache zum Beispiel, ob die Aushärtung in einem hohen Temperaturbereich die Reaktionsträgheit von Nickel überwindet oder ob diese „nur“ den Klebstoff fester macht, ist nicht geklärt. Hierfür fehlt bislang auch eine Methodik, um dies vollumfänglich zu ergründen. Ausgiebige Tests mit ausgewählten Klebstoffen zeigen jedoch gute Festigkeiten auf dem Metall und sorgen in den entsprechenden Anwendungen für zuverlässige Verbindungen. 

Linsen lassen sich mit DELO DUALBOND SJ4750 zuverlässig in vernickelte Barrel kleben.