DE102014211385B3 - Process for coating a substrate - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats umfassend ein Leichtmetall und/oder Molybdän und/oder Tantal, wobei die Schicht mittels plasmachemischer anodischer Oxidation in einem wässrigen Elektrolyten erzeugt wird, wobei der wässrige Elektrolyt umfasst: – Ammoniumheptamolybdat oder Ammoniumheptamolybdathexyahydrat, – Eisencitrat oder Ammoniumeisen(III)citrat, – einen Komplexbildner.The invention relates to a method for coating a substrate comprising a light metal and / or molybdenum and / or tantalum, the layer being produced by means of plasma-chemical anodic oxidation in an aqueous electrolyte, wherein the aqueous electrolyte comprises: ammonium heptamolybdate or ammonium heptamolybdate hexyahydrate, iron citrate or ammonium iron (III) citrate, - a complexing agent.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats zur Herstellung einer hochabsorbierenden Schicht. The invention relates to a method for coating a substrate for producing a highly absorbent layer.
Oberflächeneigenschaften von Bauteilen, insbesondere aus Leichtmetalllegierungen können durch eine Vielzahl technischer Verfahren gezielt beeinflussen werden. Besonders elektrochemische Verfahren, wie anodische Oxidation und deren Untergruppe, die plasmachemische Oxidation, spielen bei der Erzielung funktioneller Oberflächeneigenschaften wie Farbe, Verschleiß- und Korrosionsschutz eine immer größere Rolle. Surface properties of components, in particular of light metal alloys can be influenced in a targeted manner by a variety of technical processes. Particularly electrochemical processes, such as anodic oxidation and its subgroup, the plasma-chemical oxidation, play an increasingly important role in achieving functional surface properties such as color, wear and corrosion protection.
Neben der reinen Erzeugung von funktionellen Schichten treten bei den angewendeten Verfahren auch immer mehr gesundheits- und umweltrelevante Aspekte und gesetzliche Auflagen in den Vordergrund. So werden z. B. Cr(VI)-haltige Verbindungen künftig nur noch für Ausnahmeanwendungen erlaubt sein. In addition to the pure generation of functional layers, the methods used also increasingly focus on health and environmental aspects and legal requirements. So z. B. Cr (VI) -containing compounds will be allowed in the future only for exceptional applications.
Zu plasmachemischer Oxidation, plasma electrolytic oxidation, micro arc oxidation sowie auch anodischer Oxidation unter Funkenentladung sind eine Vielzahl von Verfahren bekannt, welche verschiedene Funktionalitäten auf den Leichtmetallen Aluminium, Magnesium, Titanium und deren Legierungen realisieren. So werden diese Schichten als Implantatbeschichtung, für den Verschleiß- und Korrosionsschutz und für die Anwendung in der optischen Industrie als schwarze Beschichtung eingesetzt. For plasma chemical oxidation, plasma electrolytic oxidation, micro arc oxidation as well as anodic oxidation under spark discharge, a variety of methods are known which realize various functionalities on the light metals aluminum, magnesium, titanium and their alloys. Thus, these layers are used as implant coating, for wear and corrosion protection and for use in the optical industry as a black coating.
In der
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Aus der
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit einer hochabsorbierenden Schicht anzugeben. The invention is based on the object to provide an improved method for coating a substrate with a highly absorbent layer.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. The object is achieved by a method having the features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Beschichtung eines Substrats umfassend ein Leichtmetall und/oder Molybdän und/oder Tantal wird die Schicht mittels plasmachemischer anodischer Oxidation in einem wässrigen Elektrolyten erzeugt, wobei der wässrige Elektrolyt umfasst:
- – Ammoniumheptamolybdat oder Ammoniumheptamolybdathexyahydrat,
- – Eisencitrat oder Ammoniumeisen(III)citrat,
- – einen Komplexbildner.
- Ammonium heptamolybdate or ammonium heptamolybdate hexyahydrate,
- Iron citrate or ammonium iron (III) citrate,
- - a complexing agent.
Unter Leichtmetallen sind solche Metalle und Legierungen zu verstehen, deren Dichte kleiner als 5 g/cm3 ist. Insbesondere sind dies Aluminium, Magnesium und Titan, aber auch andere Alkalimetalle, Erdalkalimetalle und Metalle der Scandiumgruppe. Das Verfahren eignet sich jedoch auch zur Beschichtung von Substraten aus Molybdän oder Tantal. By light metals are meant those metals and alloys whose density is less than 5 g / cm 3 . In particular, these are aluminum, magnesium and titanium, but also other alkali metals, alkaline earth metals and metals of the scandium group. However, the method is also suitable for coating substrates of molybdenum or tantalum.
Als Komplexbildner kann mindestens eine der Verbindungen Ethylendiamin, Zitronensäure, Ethylendiamintetraacetat (EDTA), Diethylentriaminpentaessigsäure (DTPA) und Triethanolamin verwendet werden. As the complexing agent, at least one of ethylenediamine, citric acid, ethylenediaminetetraacetate (EDTA), diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA) and triethanolamine can be used.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann der wässrige Elektrolyt ferner Natriumwolframat umfassen. In one embodiment of the invention, the aqueous electrolyte may further comprise sodium tungstate.
Ferner kann der wässrige Elektrolyt zur Unterstützung der Schichtbildung zumindest ein Phosphat, Carbonat, Borat oder Silikat umfassen. Insbesondere kommt als Phosphat Kaliumdihydrogenphosphat und als Carbonat Natriumcarbonat in Frage. Furthermore, the aqueous electrolyte may comprise at least one phosphate, carbonate, borate or silicate to aid in film formation. In particular, as phosphate potassium dihydrogen phosphate and as carbonate sodium carbonate in question.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der wässrige Elektrolyt ferner Ammoniakwasser zur Einstellung bestimmter pH-Werte der Elektrolyte. In one embodiment of the invention, the aqueous electrolyte further comprises ammonia water for adjusting certain pH values of the electrolytes.
In einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung wird im wässrigen Elektrolyten:
- – ein Anteil von 25 g/l bis 30 g/l Kaliumdihydrogenphosphat,
- – ein Anteil von 15 g/l bis 20 g/l Natriumcarbonat,
- – ein Anteil von 17,5 ml/l bis 37,5 ml/l Ammoniakwasser (beispielsweise in Form eines Anteils von 70 ml/l bis 150 ml/l fünfundzwanzigprozentigem Ammoniakwasser),
- – ein Anteil von 5 g/l bis 15 g/l Ammoniumheptamolybdathexyahydrat,
- – ein Anteil von 2 g/l bis 10 g/l Natriumwolframat,
- – ein Anteil von 25 m/l bis 50 ml/l Ethylendiamin, und
- – ein Anteil von 10 g/l bis 25 g/l Ammoniumeisen(III)citrat verwendet.
- A proportion of 25 g / l to 30 g / l of potassium dihydrogen phosphate,
- A proportion of 15 g / l to 20 g / l of sodium carbonate,
- A proportion of 17.5 ml / l to 37.5 ml / l of ammonia water (for example in the form of a proportion of 70 ml / l to 150 ml / l of twenty-five per cent ammonia water),
- A proportion of 5 g / l to 15 g / l ammonium heptamolybdate hexyahydrate,
- A proportion of 2 g / l to 10 g / l of sodium tungstate,
- A proportion of 25 m / l to 50 ml / l of ethylenediamine, and
- A proportion of 10 g / l to 25 g / l of ammonium iron (III) citrate is used.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die plasmachemische anodische Oxidation mit folgenden Parametern durchgeführt:
- – Gleichstrom oder Wechselstrom mit einer Stromdichte von 0,05 A/dm2 bis 15 A/dm2,
- – Spannungen von 200 V bis 500 V (vorzugsweise gemessen am Ausgang einer Stromversorgung, so dass Leitungsverluste außer Betracht bleiben)
- – Elektrolyttemperatur von 15 °C bis 45 °C
- – pH-Wert des Elektrolyten von 9,0 bis 11,0, insbesondere 10,2
- – Leitfähigkeit des Elektrolyten von 20 mS/cm bis 40 mS/cm, insbesondere 33,7 mS/cm.
- - direct or alternating current with a current density of 0,05 A / dm 2 to 15 A / dm 2 ,
- - Voltages from 200 V to 500 V (preferably measured at the output of a power supply, so that line losses are ignored)
- - electrolyte temperature from 15 ° C to 45 ° C
- - pH of the electrolyte from 9.0 to 11.0, in particular 10.2
- - Conductivity of the electrolyte from 20 mS / cm to 40 mS / cm, in particular 33.7 mS / cm.
Der pH-Wert und die Leitfähigkeit des Elektrolyten können durch die Zusammensetzung des Elektrolyten beeinflusst werden. The pH and conductivity of the electrolyte can be influenced by the composition of the electrolyte.
Der Gleichstrom oder Wechselstrom kann mit einer Frequenz von 10 Hz bis 2000 Hz gepulst werden. Durch gepulstes Bestromen wird eine gleichmäßigere Abscheidung erreicht. Das zu beschichtende Substrat kann beispielsweise als Anode in den wässrigen Elektrolyten getaucht werden. Als Gegenelektrode kann beispielsweise ein Blech aus einem hochlegierten Chrom-Nickel-Stahl oder aus einer Aluminiumlegierung verwendet werden. Anschließend wird das zu beschichtende Substrat bis zu einer Endspannung von 200 V bis 500 V und einem gepulsten Gleichstrom, beispielsweise mit einer Stromdichte von 0,5 A/dm2 bis 15 A/dm2 und einer Frequenz von 10 kHz bis 1500 kHz, schwarz beschichtet. Alternativ ist die Verwendung von ungepulstem Gleichstrom oder gepulstem oder ungepulstem Wechselstrom möglich. Bei Verwendung von Wechselstrom können zwei zu beschichtende Substrate als Elektroden in den Elektrolyt getaucht, und eine Wechselspannung daran angelegt werden. The DC or AC can be pulsed at a frequency of 10 Hz to 2000 Hz. By pulsed energizing a more uniform deposition is achieved. The substrate to be coated can be immersed, for example, as an anode in the aqueous electrolyte. As a counter electrode, for example, a sheet of a high-alloy chromium-nickel steel or an aluminum alloy can be used. Subsequently, the substrate to be coated is black to a final voltage of 200 V to 500 V and a pulsed direct current, for example, with a current density of 0.5 A / dm 2 to 15 A / dm 2 and a frequency of 10 kHz to 1500 kHz coated. Alternatively, the use of unpulsed DC or pulsed or unpulsed AC is possible. When AC is used, two substrates to be coated may be immersed as electrodes in the electrolyte, and an AC voltage may be applied thereto.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann nach der plasmachemischen anodischen Oxidation eine nanoskalige (beispielsweise 50 nm bis 200 nm dick) transparente Schicht, beispielsweise SiOx mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD), beispielsweise durch Einspeisung eines siliziumhaltigen Precursors, insbesondere HMDSO in eine Flamme oder ein Plasma, auf dem Substrat abgeschieden werden. Die mittels der plasmachemischen anodischen Oxidation (PCO) abgeschiedenen Schichten weisen typischerweise Rauheiten im µm-Bereich auf. Durch die chemische Gasphasenabscheidung wird der Rauheit der PCO-Schicht eine Rauheit im Nanometerbereich überlagert, so dass die Absorption weiter erhöht wird. Die chemische Gasphasenabscheidung kann bei Atmosphärendruck oder bei Niederdruck durchgeführt werden. In one embodiment of the invention, after the plasma-chemical anodic oxidation, a nanoscale (for example 50 nm to 200 nm thick) transparent layer, for example SiO x by chemical vapor deposition (CVD), for example by feeding a silicon-containing precursor, in particular HMDSO in a flame or a plasma , are deposited on the substrate. The layers deposited by means of the plasma-chemical anodic oxidation (PCO) typically have roughnesses in the μm range. The chemical vapor deposition superimposes on the roughness of the PCO layer a roughness in the nanometer range, so that the absorption is further increased. The chemical vapor deposition can be carried out at atmospheric pressure or at low pressure.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann vor der plasmachemischen anodischen Oxidation eine mechanische und/oder chemische Vorbehandlung des Substrats, beispielsweise durch Beizen, zur Aufrauung der Oberfläche des Substrats, beispielsweise in einem Bereich von 10 µm bis 100 µm durchgeführt werden. In Verbindung mit der PCO-Schicht und optional der mittels CVD abgeschiedenen Schicht kann mittels der Rauheit in mehreren, das heißt mindestens zwei oder drei Skalierungsstufen eine breitbandige Streuung und Absorption erreicht werden, so dass der Absorptionsgrad weiter erhöht wird. Mittels der optisch hochabsorbierenden Beschichtung kann eine Gesamtreflexion der damit beschichteten Substrate minimiert werden. In one embodiment of the invention, before the plasma-chemical anodic oxidation, a mechanical and / or chemical pretreatment of the substrate, for example by pickling, for roughening the surface of the substrate, for example in a range of 10 .mu.m to 100 .mu.m. In conjunction with the PCO layer and optionally the layer deposited by means of CVD, broadband scattering and absorption can be achieved by means of roughness in a plurality, that is to say at least two or three scaling stages, so that the degree of absorption is further increased. By means of the optically highly absorbent coating, a total reflection of the substrates coated therewith can be minimized.
Optional können vor der PCO-Beschichtung eine Vorbehandlung des Substrats in Form eines Reinigungsprozesses und/oder ein chemischer Beizprozess durchgeführt werden. Optionally, before the PCO coating, a pretreatment of the substrate in the form of a cleaning process and / or a chemical pickling process can be carried out.
Die erfindungsgemäße Beschichtung eignet sich besonders für Bauteile, die vorwiegend aus Leichtmetall oder Leichtmetalllegierungen, aber auch aus Molybdän oder Tantal gebildet sind. The coating according to the invention is particularly suitable for components which are formed predominantly of light metal or light metal alloys, but also of molybdenum or tantalum.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann mittels plasmachemischer Oxidation für die Werkstoffgruppe der Leichtmetalllegierungen eine einheitliche funktionelle schwarze Beschichtung auch auf kompliziert geformten Bauteilen erzielt werden, die sowohl im sichtbaren Wellenlängenspektrum als auch im nahen Infrarotbereich über einen niedrigen Reflexionsgrad von beispielsweise mehr als 90% verfügt. By means of the method according to the invention, by means of plasma chemical oxidation for the material group of light metal alloys, a uniform functional black coating can be achieved even on complicatedly shaped components which have a low reflectance of, for example, more than 90% both in the visible wavelength spectrum and in the near infrared range.
Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet eine Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften des Substrats in oberflächennahen Bereichen. Weiter unterbleibt durch das erfindungsgemäße Verfahren die Verwendung von schwermetallhaltigen Elektrolytbestandteilen und chromhaltigen Verbindungen. The inventive method avoids impairment of the mechanical properties of the substrate in near-surface areas. Further omitted by the inventive method, the use of heavy metal-containing electrolyte components and chromium-containing compounds.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden näher erläutert. Embodiments of the invention will be explained in more detail below.
Beispiel 1 example 1
Ein Substrat aus einer sprühkompaktierten hochsiliziumhaltigen Aluminiumlegierung mit einem Siliziumgehalt von ca. 35% wird in einer wässrigen mildalkalischen Reinigungslösung entfettet. Anschließend erfolgt ein zweimaliges Spülen mit entionisiertem Wasser und eine Nachbehandlung in einem Ultraschallbad mit einer Frequenz von 45 kHz über drei Minuten. Nach einem weiteren Spülschritt mit entionisiertem Wasser wird das Substrat als Anode in einem wässrigen Elektrolyten, bestehend aus
Nach dem Abfall der Stromstärke auf 50% der Ausgangsstromstärke kann der Prozess durch Abschalten der äußeren Spannungsquelle beendet werden. Die so erhaltene schwarze oxidkeramische Beschichtung hat eine Dicke von 12 µm. Die diffuse Reflexion dieser Schicht beträgt bei der Wellenlänge von 540 nm 4 %. After dropping the current to 50% of the output current, the process can be stopped by turning off the external power source. The black oxide ceramic coating thus obtained has a thickness of 12 μm. The diffuse reflection of this layer is 4% at the wavelength of 540 nm.
Beispiel 2 Example 2
Ein Substrat aus der Aluminiumlegierung AlMgSi1 wird in einer wässrigen mildalkalischen Reinigungslösung entfettet. Anschließend erfolgt ein zweimaliges Spülen mit entionisiertem Wasser und eine Nachbehandlung im Ultraschallbad mit einer Frequenz von 45 kHz über drei Minuten. Nach einem weiteren Spülschritt mit entionisiertem Wasser wird das Substrat als Anode in einem wässrigen Elektrolyten, bestehend aus
Nach dem Abfall der Stromstärke auf 50% der Ausgangsstromstärke kann der Prozess durch Abschalten der äußeren Spannungsquelle beendet werden. Die so erhaltene schwarze oxidkeramische Beschichtung hat eine Dicke von 22 µm. Die Reflexion dieser Schicht beträgt bei der Wellenlänge von 1200 nm 6,7 %. After dropping the current to 50% of the output current, the process can be stopped by turning off the external power source. The black oxide ceramic coating thus obtained has a thickness of 22 μm. The reflection of this layer is 6.7% at the wavelength of 1200 nm.
Beispiel 3 Example 3
Ein Substrat aus der Titanlegierung TiAl6V4 wird in einer wässrigen Reinigungslösung entfettet. Anschließend erfolgt ein zweimaliges Spülen mit entionisiertem Wasser und eine Nachbehandlung im Ultraschallbad mit einer Frequenz von 45 kHz über drei Minuten. Nach einem weiteren Spülschritt mit entionisiertem Wasser wird das Substrat als Anode in einem wässrigen Elektrolyten, bestehend aus
Nach dem Abfall der Stromstärke auf 50% der Ausgangsstromstärke kann der Prozess durch Abschalten der äußeren Spannungsquelle beendet werden. After dropping the current to 50% of the output current, the process can be stopped by turning off the external power source.
Die so erhaltene schwarze oxidkeramische Beschichtung hat eine Dicke von 40 µm. Die diffuse Reflexion dieser Schicht beträgt bei der Wellenlänge von 1200 nm 4,6 %. The black oxide ceramic coating thus obtained has a thickness of 40 μm. The diffuse reflection of this layer is 4.6% at the wavelength of 1200 nm.
Nach der plasmachemischen anodischen Oxidation kann in allen Ausführungsbeispielen eine nanoskalige, transparente Schicht mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf dem Substrat abgeschieden werden, um die Absorption weiter zu erhöhen. After the plasma-chemical anodic oxidation, in all embodiments a nanoscale, transparent layer can be deposited on the substrate by means of chemical vapor deposition in order to further increase the absorption.
Vor der plasmachemischen anodischen Oxidation kann in allen Ausführungsbeispielen eine mechanische und/oder chemische Vorbehandlung des Substrats zur Aufrauung seiner Oberfläche in einem Rauhigkeitsbereich von 10 µm bis 100 µm durchgeführt werden. Before the plasma-chemical anodic oxidation, a mechanical and / or chemical pretreatment of the substrate for roughening its surface in a roughness range of 10 .mu.m to 100 .mu.m can be performed in all embodiments.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
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R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |