DD202312A5

DD202312A5 - Verfahren zum schmelzen

Info

Publication number: DD202312A5
Application number: DD82236711A
Authority: DD
Inventors: Ady Joseph
Original assignee: Metafuse Ltd
Priority date: 1981-01-13
Filing date: 1982-01-13
Publication date: 1983-09-07
Also published as: PL234879A1; CA1187035A; EP0057505A3; AU7944882A; FI820063L; NO820075L; EP0057505A2; BR8200154A; PT74270B; PT74270A; IL64706A0; KR830009257A; EP0057505B1; GR75834B; DE3278814D1; DK11082A

Abstract

Ein Verfahren fuer das Verschmelzen eines zweiten leitfaehigen Elementes mit der Matrix eines ersten leitfaehigen Elementes wird zur Verfuegung gestellt, bei dem das zweite Element in Form einer dissoziierbaren Loesung mit dem ersten leitfaehigen Element in Kontakt gebracht wird und einem zerhackten elektrischen Signal einer bestimmten Frequenz ausgesetzt wird. Loesungen zur Ausfuehrung des Verfahrens werden dargelegt sowie mit Hilfe des Verfahrens erzeugte Produkte.

Description

Verschmelzungaverfahren

Anwendungsgebiet der Erfindung?

Die Erfindung betrifft-Verschmelzungsprozesse, Anlagen für die Durchführung derartiger Verfahren und Produkte aus aolchen Verfahren soviie Lösungen für die Verwendung bei dein Verfahren.

Diese Anmeldung.ist eine Teilteiterbehandlung der US-PA 224.762, eingereicht am 13. Januar 1981.

Für die Zwecke dieser Anmeldung soll unter dem Begriff "Verschmelzung" ein Verfahren zu verstehen sein, mit dessen Hilfe verschiedene Elemente chemisch oder physikalisch verbunden werden«

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen; Bisher mar es üblich, Substrate oder Matrizen in unterschiedlichster Weise zur Verbesserung der Kennwerte der Matrix für einen bestimmten Anwendungszweck zu behandeln. Manchmal wurde bei diesen Behandlungen' die Matrix als Körper aufgefaßt und bei anderen Techniken wurden nur die Oberflächenkennwerte erhöht.

Diese Techniken wiesen jedoch Grenzen auf. Das Werkstück oder die Matrix kann eine gewisse Porm haben, die sich nicht dafür eignet, daß ein bestimmter, die Kennwerte erhöhender Prozeß vorgenommen wird; durch das Verfahren können schon vorhandene erwünschte Eigenschaften des Werkstückes zerstört werden; oder das behandelte Werkstück kann, obwohl es bestimmte verbesserte Kennwerte aufweist, andere verringerte Eigenschaften erhalten.

Im allgemeinen hängt das angewandte Verfahren vom zu behandelnden Werkstück oder der zu behandelnden Matrix und den erwünschten Eigenschaften ab. Genauer ausgedrückt sind Beschichtungstechniken, Wärmebehandlung, Anodisierung, Lichtbogenspritzen, Vakuumverdampfung, chemische Ablagerung, Zerstäubung und Ionenplattierung insgesamt übliche Prozesse.

Nicht-Eisenmetalle können durch Alterung, Wärmebehandlung oder Anodisieren gehärtet werden.

Durch diese Techniken wird aber kein ausreichender Schutz gegen Trockenabriebverschleiß erzielt·

Durch. Spritzbeschichtungstechniken konnten die Korrosionsbeständigkeit oder die physikalischen Eigenschaften von eisenhaltigen Werkstoffen nicht verbessert werden*

Die Abriebfestigkeit von Nicht-Eisensubstraten konnte durch elektrochemische oder elektromechanische Plattierung mit Hartchrom verbessert werden, aber diese Maßnahme ist teuer und zeitaufwendig.

Die anderen Techniken wie Lichtbogenspritzen, Vakuumverdampfen und Zerstäuben weisen auch lachteile auf, weil die aufgebrachte Schicht gewöhnlich dünn ist, die Grenzflächenbindungsfestigkeit schlecht ist, oder sie nur zur Behandlung kleiner Oberflächenbereiche angewandt werden können·

Bei der praktischen Anwendung liegen die' Nachteile darin, daß Gastechniken oder Hochspannungen erforderlich sind, die Schwierigkeiten bereiten und ihre Vielseitigkeit einschränken,

Zur einfacheren Bezugnahme soll sich in dieser Beschreibung der Begriff "erstes leitfähiges chemisches Element" auf die Matrix beziehen, mit der die Verschmelzung erfolgen soll; und der Begriff "chemisches Element" soll ein derartiges Element oder eine Legierung davon kennzeichnen; der Begriff "zweites leitfähiges chemisches Element oder eine Legierung davon" soll das Element bezeichnen, das mit der Matrix verschmolzen werden soll.

Es ist auch beabsichtigt, daß mit dem in dieser Spezifikation verwendeten Begriff "Verschmelzung" eine Eindringung von Atomen oder Molekülen eines zweiten Elementes in die feste Matrix eines ersten Elementes oder einer Legierung desselben gemeint sein soll.

Ziel der Erfindung;

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zumindest teilweise auszuschalten, indem ein neuartiges Verfahren und eine Anlage für das Verschmelzen der verschiedensten leitfähigen Elemente mit entweder eisenhaltigen oder NichtEisen-Matrizen zur Verfügung gestellt wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung betrifft eine neuartige An**

- -> - L Ö Ό I S I U

lage und ein Verfahren unter Anwendung einer Auftragungstechnik bei Umgebungstemperaturen, durch die eine hohe Bindungsfestigkeit ohne Verzerrung oder Verlust von Werkstück- oder Matrizeneigenschaften erzielt wird.

Eine weitere erfindungsgemäße Aufgabe betrifft ein Verfahren, bei dem der Einsatz von Prozeßgas-Luft nicht erforderlich ist und bei dem keine Sicherheitsrisiken auftreten und durch das keine Wärmeverzerrungen hervorgerufen werden*

Hoch eine erfindungsgemäße Aufgabe betrifft ein Verfahren, das einen geringen Energieeinsatz verlangt und das Beschichtungsmaterial trotzdem wirksam angewandt wird.

Eine andere erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, eine Anlage zur Verfügung zu stellen, die billig und transportabel sowie leicht ist. Hoch eine erfindungsgemäße Aufgabe betrifft ein Verfahren, durch das eine feste Grenzflächenbindung geschaffen wird, und das für die Ausführung keine geübten Arbeiter erfordert«

Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Lösungen von leitfähigen chemischen Elementen zur Verfügung zu stellen, die für die Verschmelzung dieser chemischen Elemente mit festen Matrizen anderer leitfähiger Elemente oder Legierungen derselben eingesetzt werden können.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht auch darin, neue und verbesserte Produkte zu erzeugen, die verbesserte physikalische und chemische Eigenschaften haben werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Gemäß der Erfindung werden ein Verfahren, eine Anlage und Lösungen zur Verfügung gestellt, die für die Veränderung der Oberflächeneigenschaften eines Metalls oder einer Legierung desselben bei Umgebungstemperaturen durch physikalisches Auftragen eines zweiten leitfähigen chemischen Elementes auf die Oberfläche, deren Kennwerte verändert werden sollen, und das Anlegen eines zerhackten elektrischen Signals einer bestimmten Frequenz an beide Elemente, wenn die physikalischen Kontakt haben, eingesetzt werden»

-4- Z3b7 I 1 ü

Ea wird eine Anlage gea chaff en, die einen Schviingkreia zur Erzeugung eines Haibwellensignals am Ausgang sowie Mittel für die Verbindung eines zweiten Elementes, des geschmolzen werden soll, und des ersten chemischen Elementes, mit dem daa zweite verschmolzen werden soll, mit dem Ausgang aufweist·

Es werden auch Lösungen für den Einsatz bei dem Verfahren und in Verbindung mit der Anlage zur Verfügung gestellt. Diese Lösungen bestehen aus einer Lösung einer leitfähigen Chemikalie der in einer dissoziierbaren Form zu verschmelzenden Chemikalie, die in einer Menge von 0,10 bis 10 Massel vorhanden sein kann und einen im Bereich von 0,4 bis 14 liegenden pH-Wert aufweist. Es ist günstig, wenn der spezifische Widerstand der Lösung im Bereich von 5 bis 500 Ohm-cm liegt, vorzugsweise zwischen 10 und 80 0hm-cm.

Durch die Anwendung des Verfahrens für eisenhaltige und Hicht-Eiaenmatrizen werden neue Produkte erzeugt, in denen ein zweites chemisches leitfähiges Element in ein erstes chemisches leitfähiges Element bis zu einer Tiefe von mehr als 0,5/um eingeschmolzen wurde und eine Oberflächenschicht des zweiten chemischen leitfähigen Elementes in Dicken von über 0,5/um aufgebracht worden ist«

Ausführungsbeispiele?

Diese und andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden aua der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen deutlicher werden, in denen apezifiache Auaführungsbeiapiele der Prozeßanlage und von Produkten des Verfahrens zur Verdeutlichung der Erfindung erläutert werden.

In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 eine allgemeine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage, die für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird}

Fig. 2 eine allgemeine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage, die für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird;

Fig. 3 einen schematischen elektrischen Schaltkreis für die Er-

23 6 7 11 O

findang;

Pig« 4 ein Schaltdiagramm einea Oszillators, der für die Anlage "bei einer Ausfuhrungaform der Erfindung verwendet wird;

Fig. 5 eine Mikroaufnahme in einer 5OÖ-fachen Vergrößerung einer Stahlprobe, die erfindungsgemäß mit Titanmonokarbid behandelt wurde;

Pig. 6 eine Mikroaufnahme in einer 110-fachen Vergrößerung, die die Eindringung von Titan in den behandelten Prüfkörper von Fig. 5 zeigt;

Pig. 7 eine Röntgenatrahlenabtastung mit einem Elektronensondenmikroanalysator (EPMA) der Ti-K-Oberflächenschicht des Prüfkörpers, dessen Schnitt in den Pig. 5 und 6 gezeigt wird;

Pig. 8 eine Mikroaufnahme in einer 1100-fachen Vergrößerung des in Pig. 5 gezeigten Prüfkörpers nach starker Hickelplattierung und Polieren, die die Dicke der Ablagerung zeigen soll;

Pig. 9 bis 16 EPMA-Zeilenabtastungen von jeweils den Stellen 1 bis 8, wie in Pig. 5 angegeben;

Pig. 17 eine EPMA-Abtastung der mit Ti angereicherten, in Pig. markierten Zone;

Pig. 18 eine Verbund-Mikroaufnahme, aufgenommen mit einem Rastermikroskop (SM) mit rechter und linker Hälfte, einer Stahlmatrix, mit der Molybdän mit Hilfe des erfind ungs gemäß en Verfahrens von einer festen Molybdänelektrode verschmolzen wurde; die linke Hälfte ist eine 655-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte eine 1965-fache Vergrößerung des in der linken Hälfte markierten Bereichs;

Pig» 18A eine Verbund-Mikroaufnahme, mit rechter und linker Hälfte, einer weiteren Stahlmatrix, mit der Molybdän unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens von einer festen Molybdänelektrode verschmolzen wurde; die linke Hälfte ist eine 1310-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte eine 3930-fache Vergrößerung des in der linken Hälfte markierten Bereichs;

Pig. 19 ein Diagramm einer SEM/ΕΡΜΑ 'der in Pig. 18 gezeigten Probe, das die Verschmelzung von Molybdän mit dem Stahl zeigt;

%J KJ

Pig. 19A ein Diagramm einer Rastermikroskopabtastung der in Pig. 19 gezeigten Probe, caa die Verschmelzung von Molybdän mit dem Stahl zeigt;

Pig. 20 eine SEM-Mikroaufnahme in 1310-facher Vergrößerung einer Stahlmatrix mit der Wolfram mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens von einer festen Wolframelektrode verschmolzen wurde;

Pig. 21 ein Diagramm einer SEM/EPMA-Abtastung der in Pig. 20 gezeigten Probe, das die Verschmelzung von Wolfram mit dem Stahl zeigt;

Pig. 22 eine Ve rb und-SM-M ikro auf nähme, mit rechter und linker Hälfte, einer Kupfermatrix, mit der Molybdän unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer Molybdänlösung verschmolzen wurde. Die linke Hälfte ist eine 1250-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte eine 8-fache Vergrößerung der in der linken Hälfte markierten Pläche;

Pig. 23 ein Diagramm einer SEM/EPMA-Abtastung der in Pig. 22 gezeigten Probe, das die Verschmelzung von Molybdän mit Kupfer zeigt;

Pig. 24 eine Verbund-SEM-Mikroaufnahme, mit rechter und linker Hälfte, einer Stahlmatrix, mit der Molybdän unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer 1/lolybdänlösung verschmolzen wurde. Die linke Hälfte ist eine 1250-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte eine 8-fache Vergrößerung der in der linken Hälfte markierten Pläche;

Pig. 25 ein Diagramm einer SEM/EPMA-Abtastung der in Pig. 24 gezeigten Probe, das die Verschmelzung von Molybdän mit Stahl zeigt;

Pig. 26 eine Verbundmikroaufnahme, mit rechter und linker Hälfte, einer Kupfermatrix, mit der Wolfram unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer Wolframlösung verschmolzen wurde. Die linke Hälfte ist eine 1250-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte eine 8-fache Vergrößerung des in der linken Hälfte markierten Bereichs;

Pig. 27 eine weitere SEM-Mikroaufnahme der Probe von Pig. 26

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in einer 10 000-fachen Vergrößerung eines Teiles des in Fig. 26 markierten Bereichs;

Fig. 28 ein Diagramm einer SHI/ΕΡΜΑ-Abtastung der in den Fig» 2% und 287OI gezeigten Probe;

Fig. 29 eine Verbundmikroaufnähme, mit rechter.und linker Hälfte, einer Stahlmatrix, mit der Wolfram unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer Wolframlösung verschmolzen wurde. Die linke Hälfte ist eine 1310-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte ist eine 8-fache Vergrößerung des in der linken Hälfte markierten Bereichs;

Fig. 30 ein Diagramm einer SEM/EPMA-Abtastung der. in Fig. 29 gezeigten Probe, das die Verschmelzung von Wolfram mit Stahl zeigt;

Fig. 31 eine Verbund-Mikrοaufnähme, mit rechter und linker Hälfte, einer Kupfermatrix, mit der Indium mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer Indiumlösung verschmolzen wurde. Die linke Hälfte ist eine 1250-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte ist eine 8-fache Vergrößerung des in der linken Hälfte markierten Bereichs;

Fig. 32 ein Diagramm einer Elektronenmikrosondenabtastung der in Fig. 31 gezeigten Probe;

Fig. 33 eine Verbund-SEM-Mikroaufnahine, mit rechter und linker Hälfte, einer Stahlmatrix, mit der Indium unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer Indiumlösung verschmolzen wurde. Die linke Hälfte ist eine 625-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte eine 8-fache des in der linken Hälfte markierten Bereichs;

Fig· 34 ein Diagramm einer SEM/EPMA-Abtastung der in Fig. 33 gezeigten Probe;

Fig. 35 eine Verbund-SSM-Mikroaufnähme, mit rechter und linker Hälfte, einer Kupfermatrix, mit der Nickel unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer Uiekellösung verschmolzen vjurde. Die linke Hälfte ist eine 1250-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte ist eine 8-fache Vergrößerung des in der linken Hälfte markierten Bereichs;

Pig. 36 ein Diagramm einer SSLi/ΕΡΜΑ-Abtastung der in Fig. 35 gezeigten Probe;

Fig. 37 eine Verbund^-SEM-Mikroauf nähme, mit rechter und linker Hälfte, einer Stahlmatrix, mit der Nickel unter Anwendung des erfindungagemäßen Verfahrens aua einer Nickellösung verschmolzen wurde. Die linke Hälfte ist eine 1310-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte ist eine 8-fache Vergrößerung des in der linken Hälfte markierten Bereichs;

Fig. 38 ein Diagramm einer SEM/EPMA-Abtastung der in Fig. 37 gezeigten Probe;

Fig. 39 eine Verbundmikroaufnahme einer Kupfermatrix,' mit der Gold verschmolzen wurde» Die linke Hälfte ist eine 1310-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte ist eine 8-fache Vergrößerung des in der linken Hälfte markierten Bereichs;

Fig. 40 ein Diagramm einer SEM/EPMA-Abtastung der in Fig. 39 gezeigten Probe, das mit der Kupfermatrix verschmolzenes Gold zeigt;

Fig. 41 eine Verbundmikroaufnahme, mit rechter und linker Hälfte, einer Stahlmatrix, mit der Gold unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verschmolzen wurde« Die linke Hälfte ist eine 1310-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte ist eine 8-fache Vergrößerung des in der linken Hälfte markierten Bereichs;

Fig. 42 ein Diagramm einer SEH/EPMA-Abtastung der in Fig. 40 gezeigten Probe, das'in die Stahlmatrix eingeschmolzenes Gold zeigt;

Fig. 43 eine SEM-Mikroaufnähme in 10 000-facher Vergrößerung von einer Kupfermatrix, mit der Chrom unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer ersten Ghromlösung verschmolzen wurde·

Fig. 44 ein Diagramm einer SM/EPMA-Ab tastung der in Fig. 43 gezeigten Probe, das die Verschmelzung von Chrom mit Kupfer zeigt;

Fig. 45 eine SEM-Mikroaufnähme in einer 10 000-fachen Vergrößerung von einer Stahlmatrix, mit der Chrom unter Anwendung des

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erfind iingsgemäßen Verfahrena aus der oben genannten ersten Chromlösung verschmolzen wurde;

Pig. 46 ein Diagramm einer SM/EPMA-Abtastung der in Fig. 45 gezeigten Probe, das die Verschmelzung von Chrom mit Stahl zeigt;

Pig» 47 eine Verbund-SEM-Mikrοaufnähme, mit rechter und linker Hälfte, einer Kupfermatrix, mit der Chrom unter Anwendung des erfindungagemäßen Verfahrena aua einer zweiten Chromlösung verschmolzen wurde» Die linke Hälfte iat eine 625-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte eine 8-fache Vergrößerung dea in der linken Hälfte markierten Bereichs;

Pig. 47A eine stärker vergrößerte SEM-Mikroaufnähme des vergrößerten Bereicha von Fig. 47 in einer 10 000-fachen Vergrößerung;

Fig. 48 ein Diagramm einer SM/EPMA-Abtastung der in Flg. 47 gezeigten Probe, das die Verschmelzung von Chrom mit Kupfer zeigt;

Fig. 49 eine Ve rbund-SM-Mikro auf nähme, mit rechter und linker Hälfte, einer Stahlmatrix, mit der Chrom unter Anwendung dea erfindungsgemäßen Verfahrena aus einer zweiten Chromlösung verschmolzen wurde. Die linke Hälfte ist eine 1250-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte iat eine 8-fache Vergrößerung des in der linken Hälfte markierten Bereichs;

Fig. 49A eine stärker vergrößerte SEM-Mikroaufnahme dea vergrößerten Bereicha von Fig. 49 in einer 10 000-fachen Vergrößerung j

Fig. 50 ein Diagramm einer SMd/EPMA-Abtastung der in Fig. 48 gezeigten Probe, das die Verschmelzung von Chrom mit Stahl zeigt;

Fig. 51 eine Verbund-Mikroaufnahme, mit rechter und linker Hälfte, einer Kupfermatrix, mit der Cadmium unter Anwendung des erfind ungsgemäßen Verfahrens aus einer ersten Cadmiumlösung verschmolzen wurde; die linke Hälfte ist eine 1310-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte ist eine 5-fache Vergrößerung dea markierten Bereichs;

- ^iu - oo/ ι ι υ

Pig. 52 ein Diagramm einer SEM/EPMA-Abtastung der in Pig. 51 gezeigten Probe, das eine Verschmelzung von Cadmium mit Kupfer zeigt;

Fig. 53 eine Mikroaufnahme in 11 500-facher Vergrößerung von einer Stahlmatrix, mit der Cadmium unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrena aus einer zweiten Cadmiumlöaung verschmolzen wurde;

Pig· 54 ein Diagramm einer SEM/EPMA-Abtastung der in Pig. 53 gezeigten Probe, das die Verschmelzung von Cadmium mit Stahl zeigt;

Fig. 55 eine Verbundmikroaufnahme, mit rechter und linker Hälfte, einer Kupfermatrix, mit der Zinn unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrena aua einer ersten Zinnlösung verschmolzen- wurde; die linke Hälfte ist eine 655-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte ist eine 8-fache Vergrößerung des markierten Bereichs;

Fig. 56 eine SEM/EPMA-Abtastung der Probe von Pig· 55, das die Verschmelzung von Zinn mit Kupfer zeigt;

Pig· 57 eine Verbundmikroaufnahme, mit rechter und linker Hälfte, einer Kupfermatrix, mit der Zinn unter Anwendung des erfind unga gemäßen Verfahrens aus einer zweiten Zinnlösung verschmolzen wurde; die linke Hälfte ist eine 326-fache Vergrößerung und die rechte Hälfte eine 8-fache Vergrößerung des markierten Bereichs;

Fig. 58 eine SEM/EPMA-Abtastung der Probe von Pig. 57, das die Verschmelzung von Zinn mit Kupfer zeigt;

Pig. 59 eine Verbund-SEM-Mikroaufnähme, mit rechter und linker Hälfte, einer Stahlmatrix, mit der Zinn unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus der zweiten Zinnlösung verschmolzen wurde; die rechte Hälfte ist eine 1310-fache Vergrößerung und die linke Hälfte ist eine 8-fache Vergrößerung des markierten Bereichs;

Pig. 60 eine SEM/EPMA-Abtastung der in Pig. 59 gezeigten Probe, das die Verschmelzung von Zinn mit Stahl zeigt;

Pig. 61 eine SEM-Mikroaufnähme in einer 5200-fachen Vergrößerung

- 11 - LO Ό I \ I

von einer Kupfermatrix, mit der Kobalt unter Anwendung des erfind ungsgemäßen Verfahrens aua einer ersten Kobaltlösung verschmolzen wurde;

Pig· 62 eine SEM/ΕΡΜΑ-Abtastung der in Fig. 61 gezeigten Probe, das die Verschmelzung von Kobalt mit Kupfer zeigt;

Fig. 63 und 63A Mikroaufnahmen einer Kupfermatrix, mit der Silber unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aua einer ersten Silberlösung verschmolzen wurde;

Pig. 63 ein Verbund, wobei die linke Hälfte eine 625-fache Vergrößerung ist und die rechte Hälfte eine 8-fache Vergrößerung des markierten Bereichs ist;

Fig. 63A eine stärker vergrößerte SEM-Mikroaufnähme des vergrößerten Bereichs von Fig. 63 in einer 10 000-fachen Vergrößerung;

Fig· 64 eine SEM/EPMA-Abtastung der Probe von Fig. 63, das die Verschmelzung von Silber mit Kupfer zeigt;

Fig. 65 eine SEM-Mikroaufnähme in 10 000-facher Vergrößerung von einer Kupfermatrix, mit der Silber unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einer zweiten Silberlösung verschmolzen wurde;

Fig« 66 eine Elektronenmikrosondenabtastung der Probe von Fig.

65, die die Verschmelzung von Silber mit Kupfer zeigt;

In den Diagramme darstellenden Figuren, von Fig. 19 bis Fig.

66, ist die vertikale Achse logarithmisch, während die horizontale Achse linear ist. Und in diesen Diagrammen wurde die Oberflächenschicht an der Stelle ermittelt, an der die Konzentration (Massel) der Matrix und des damit verschmolzenen Elementes beide 50 % betragen, wie durch die Verlängerungen verdeutlicht wird.

Die Fig. 1 und Fig. 2 der Zeichnungen zeigen in allgemeiner perspektivischer Ansicht die erfindungsgemäße Anlage, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt wird»

In Fig. 1, die ein Feststoff-mit-Feststoff-Verfahren verdeutlicht, bezeichnet die Hummer 10 eine Energiequelle und 11 einen Oszillator»

ZJb/ Ί 1 U

Eine Seite des Qszillatorauagangea ist durch eine Passung 12 mit der Elektrode 13 verbunden· Die Passung 12 ist mit einem drehbaren Spannfutter versehen und besitzt einen Aualöseschalter, der die Drehgeschwindigkeit der Elektrode 13 steuert. Die Drehzahl ist zwischen 5000 bis 10 000 U/min variabel.

Die Elektrode 13 besteht aus dem mit der Matrix zu verschmelzenden Material. Die Matrix oder das Substrat, für die (das) das Verfahren angewandt und die (das) behandelt werden soll, ist mit 14 bezeichnet» Die Matrix ist auch mit der anderen Seite des Oazillatorausgangea durch eine Klemme 15 und Leitung 16 verbunden.

Durch diese Verbindungen wird die Elektrode positiv unö die Matrix negativ geladen, wenn das Signal angelegt wird.

In Pig. 2 sind die entsprechenden Bestandteile entsprechend numeriert. Aber bei dieser Ausführungsform kann das angewandte Verfahren als Plüssigkeit-mit-Peststoff-Prozeß charakterisiert werden* In dieser Anlage weist das zu verschmelzende Material e Porm^auf und befindet sich in einem Behälter 17· Der Behälter 17 ist durch ein Rohr 18 mit einer Elektrode 19 verbunden. Elektrode_19 ist eine Platte, die mit einem isolierten Griff 20 versehen iat, mit dem eine Seite des Ausganges von Oszillator 11 verbunden ist. Dieser Ausgang wird in einen Hauptkanal 21 in- Elektrode 19 geführt. Kanal 21 ist mit einer Reihe von Seitenkanälen 22 versehen, die zur Unterseite der Elektrode 20 hin offen sind. Das Fließen aus dem Behälter 17 erfolgt durch Schwerkraft oder "mit Hilfe einer Pumpe und kann durch ein Ventil wie bei 23 am Griff 20 reguliert werden. Zur weiteren Steuerung, zur gleichmäßigeren Verteilung der Lösung und zur Verhinderung des Einschlusses von Premdstoffen ist die Oberfläche von Elektrode 19 vorzugsweise mit einer durchlässigen Membran wie Baumwolle oder Hylon überzogen.

Es hat sich herausgestellt, daß zur Erzielung der Verschmel-

2 zung die Anlegung von 50 000 Watt/cm oder alternativ die Anlegung eines Stromes in der Größenordnung von 10 000 A/cm erforderlich ist.

Aus praktischen Erwägungen können 10 000 A/cm nicht konstant

-ο-

ohne Beschädigung der zu behandelnden Matrix angelegt werden·

Ea hat sich allerdings als durchführbar erwiesen, ein Impulasignal 2,5 Mikiroaekunden bis 28,6 Nanoaekunden lang mit einer Stärke von 3 A an die Elektrode anzulegen, wodurch die Ver-

2 Schmelzung auf einer Fläche von annähernd 0,3 mm erfolgt.

Um eine Verschmelzung auf einer Fläche mit der in Fig. 1 ge-.. zeigten Anlage durchzuführen, werden die Elektrode 13, Matrix 14 und der Oszillatorauagang wie gezeigt miteinander verbunden·

Der Arbeiter führt die sich drehende Elektrode 13» die mit der Oberfläche der Matrix in Berührung steht, mit einer bestimmten -\ Geschwindigkeit über die Matrixoberfläche, um das Elektrodenmaterial auf die Matrix aufzutragen und damit zu verschmelzen·

Ea hat sich ebenfalls gezeigt, daß die kontinuierliche Anlegung eines Wechselsignals beträchtliche Wärme in dem Substrat oder der Matrix erzeugt, und um diese Wärmeanaammlung zu beseitigen und Verschweißungen zu vermeiden, ist das in der erfindungsgemäßen Anlage erzeugte Signal ein Halbwellenaignal, das die Ableitung, von Wärme ermöglicht·

Wie dem Fachmann bekannt ist, hat jedea Material, sowohl die Matrix als auch daa aufzutragende Material, spezifische Widerstand skennwerte. So wird mit jeder Veränderung bei einem dieser _<Stoffe oder bei beiden eine Veränderung im spezifischen Wider- \ stand des Stromkreises verbunden sein.

In Fig. 3 sind R₁ = der Widerstand der Elektrode

R₂ = der Widerstand der Matrix und

R, = der Widerstand des Stromkreises von 10 und 11.

Eine Veränderung von R₁ und R₂ wird zu Veränderungen der Frequenz des erzeugten Signals und der Amplitude dieses Signals führen.

Wie bereits erwähnt, wird von einem Signal mit einer Amplitude von 3 A angenommen, daß es die bevorzugte Amplitude hat. Ist die Amplitude höher, tritt Entkohlung oder Verbrennen der Matrix auf und bei darunter liegender Amplitude werden in der Grenzfläche Hydroxide gebildet·

- η- LoÖ / ! I U

Fig, 4 iat ein achematischea Diagramm einer Oszillatorschaltung, viie sie bei einer erfindungagemäßen Anlage angewendet wird»

In dieaem Stromkreia'iat eine Energiequelle 30 mit dem Eingang verbunden und an den Eingang iat ein Kondensator 31 angeschlossen· Eine Seite dea Kondensators 31 iat mit dem LC-Stromkreis 32 verbunden, der eine Regeldroaaelspule 33 und einen Kondenaator 34 enthält, die parallel geschaltet aind.

Der LC-Stromkreis 32 ist mit einer Seite einer Kriatalloszillatorschaltung verbunden, die Kristall 35» Drosselspule 36» HPN-Transiator 37 und den RC-Stromkreis mit dem Regelvjiderstand 38 und.dem kapazitiven. Widerstand 39 umfaßt«

Dieser Oazillatorstromkreia is,t mit dem Ausgang 50 verbunden, und zwar an einer Seite durch den Kondensator 40 und an der anderen Seite durch Diode 41, um am Ausgang 50 ein Halbvjellenaignal. zu erzeugen«

In der tatsächlich benutzten Anlage hatten die einzelnen Bestandteile folgende Kennwerte j

31 = 1,2 ,u-Farad

32 = 0,3 "Pikofärad

33 * 0 - 25 Millihenry

35 = 400 - 30 kHz

36 = 20 Millihenry

37 = HPH

38 = 3,5 /u-Farad 39 = 0 - 500 0hm

40- = 400 /U-Farad 41 = Diode

Um die Amplitude des Signals auf 3 A zu halten, vsird R..-Widerstand 38 variiert; zur Veränderung der Frequenz viird Drosselspule 33 variiert.

Wenn G = die Kapazität der Schaltung von Fig. 3 und R^, R₂ und R^ die oben charakterisierten Widerstände sind, dann kann man davon ausgehen, daß die optimale Frequenz des Schmelzsignals F_Q aus folgender Formel bestimmt werden kann

23 67 11 O

ρ - J—— Formel I

⁰ n'f^y

worin bedeuten: L=R- ,Rg-Ro

and G = Kapazität dea Stromkreises.

L und G können nach jeder allgemein bekannten Methode bestimmt werden,

F ist von dem zu behandelnden Material und dem aufzubringenden Material abhängig, wird aber im Bereich von 400 Hz bia 35 MHz liegen· Man nimmt an, daß die Frequenz die Geschwindigkeit dea ^ Prozeaaea bestimmt»

Zum Verschmelzen einer bestimmten Fläche wird dieselbe gemessen.

ο Da durch jede Entladung annähernd 0,3 mm geschmolzen werden, wird die Vorschubgeschwindigkeit durch die folgende Formel bestimmt*

F₁ χ 0,3 σ 60 mm/Minute

Vorschubgeschwindigkeit = Formel II

und

ρ A = Zu beschichtende Fläche in mm .

F- = die Anzahl der Entladungen pro Sekunde·

Wie oben erläutert wurde, können die Widerstände R.. und R₂ nach ) jeder bekannten Methode gemessen werden.

Ea ist jedoch entdeckt worden, daß die Messung des Widerstandes in der flüssigen Phase möglicherweise nicht gleichbleibend ist· In diesem Fall wird der Widerstand mit Hilfe einer Standardme— thode gemessen. Zwei Elektroden in einem Abstand von 1 cm und

mit einer Fläche von 1 cm werden in ein Bad der flüssigen Phase eingesetzt und der Widerstand wird nach einer-Verzögerung von 20 Sekunden gemessen. Hachdem die variablen Parameter bestimmt worden sind und Anlage,· Matrix und Sonde wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt verbunden worden sind, wird die Sonde 13 mit der festgelegten Geschwindigkeit über die Oberfläche der Matrix geführt, wobei sie dieselbe berührt.

-₁₆ - I i b I 1 1 U

Von der Drehzahl nimmt man gleichfalls an, daß aie die Qualität einer Verschmelzung "beeinflußt, wobei "bei einer Drehzahl von 5000 U/min eine Oberflächenbeschaffenheit in einer ungleichmäßigen 200 bis 300 /um Ausführung erzielt' wird und bei einer Drehzahl von 10 000 U/min die Oberflächenbeachaffenheit im wesentlichen eine 15./tun Ausführung aufweist« Die Anlage von Pig. 2 wird in der gleichen Weiae wie die Anlage von Pig. 1 betrieben, und das Verfahren ist im wesentlichen das gleiche, nur wird eine Flüssigkeit mit einer festen Elektrode verwendet·

Aus den folgenden spezifischen Beispielen wird das Verfahren noch deutlicher werden.

Bei jedem dieser Beispiele war die Elektrode so angeschlossen, wie es aus der Beschreibung hervorgehen wird, so daß nach dem Laden die Elektrode positiv und die Matrix negativ geladen ist.

Der Feststoff-mit-Feststoff-Prozeß viird durch die Beispiele I, II, IIA, III und IV veranschaulicht»

Beispiel I

Werkzeugstahl Atlas A151 01 wurde als Matrix 14 mit der Anlage von Fig. 1 verbunden und als Elektrode 13 diente als Kennametal KI65 bezeichnetes Titancarbid*

Im folgenden sind die Kennwerte und die Behandlungsbedingungen aufgeführt:

Matrizwiderstand 0,002 0hm

Sondenwiderstand 0,026 0hm

Stromkreiswiderstand - 0,01 0hm

Frequenz (F₁) 12 kHz bei 4,62 /U-Farad

Spannung 3 Volt

Auftragungsgeschwindigkeit 50 cm/Minute

Behänd lungs tiefe »40 /um

Oberflächendickenzunahme ~0,5 /um

Die Ergebnisse von der Behandlung des Werkzeugstahles Atlas AI5I 01 mit dem Titankarbid sind in den Mikroaufnahmen und den ^Spektrometerabtastungen von Fig. 5 bis Fig. 17 wiedergegeben.

6 O / ! I U

Der polierte und mit Titankarbid behandelte Stahl wurde mit Hilfe von SEM/ΕΡΜΑ untersucht und zeigte das Aussehen von Fig· 5. Von jeder der in Pig, 1 angegebenen numerierten Stellen wurden Röntgenaufnahmen gemacht und diese werden in den Diagrammen der Fig» 9 bis 16 gezeigt und sie entsprechen jeweils den Stellen 1 bis 8·

Fig. 9, 10 und 11 geben Spektren des Grundmetalls wieder·

Fig. 12 bis 16 zeigen das Vorhandensein einer kleinen Titanspitze, deren. Höhe sich bei Überkreuzen. der Zone nicht merklich veränderte·

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, ist die annähernde Breite der Zone, in der Titan nachgewiesen wurde,· etwa 50 /um, obwohl sich diese Dimension mit der Prüfkörperlänge veränderte.

Eine Untersuchung der Oberflächenschicht unter Einsatz eines Hikrosondenanalysators ergab das in Fig. 7 wiedergegebene Ti-KoC-Röntgenbild, das zeigt, daß die Titanmenge bis zu einer gemessenen Tiefe von etwa 40 /um ziemlich konstant war.

Die Probe wurde anschließend mit einem dicken Nicke!überzug versehen und wieder poliert. Wie aus Fig. 5 zu sehen ist, zeigt die angefertigte Rastermikroaufnahme eine Oberflächenschicht von etwa V 2 Mikrometer. Fig. 17 ist ein Röntgenspektrum dieser Schicht·

Anschließend wurde eine Härteprüfung der beschichteten Stahlprobe vorgenommen, und es wurden die in Tabelle I aufgeführten Ergebnisse ermittelt*

Tabelle I

Knoop-Härtetests,	Belastung	100 Gramm	(2)
Entfernung zur Prüfkörperkante		K H Ii	516
(Zoll)	(D	728
0,0005 ; _Ti angereicherte Zone	578	770
0,001 )	650	872
0,0015	536	1006
0,002	655	1006
0,0025	790
0,003	863

ZJb/! I U

(Portsetzung der Tabelle I)	955	453
0,004	536	—
0,005	243	148
0,01

Wie man. feststellen wird, -waren die Härtekennwerte des Stahles erheblich verbessert worden·

Beispiel II

Stahl 1018 wurde mit der Anlage von Pig. 1 als Matrix 14 verbunden und als Elektrode 13 diente Molybdän, Typ Mo 1. Der Stahl war ϊ/2 Zoll breit, χ ¹/4 Zoll dick χ V/2 Zoll lang, das Molybdän 1 Zoll lang bei einem Durchmesser von 4 mm· Die angelegte Frequenz betrug 43,31 kHz und die Geschwindigkeit der Elektrodendrehung annähernd 12 000 U/min.

Die Oberfläche dea Stahls wurde bis zu einer Oberflächengüte mit einer Körnung von 600 abgeschliffen. Die Elektrodenspitze wurde mit der Hand über die Oberfläche der Stahlprobe in geraden nebeneinanderliegenden Linien geführt. Der Vorgang wurde in wiederholt, um die ganze Oberfläche zu bedecken. Unter dem Lichtmikroskop konnten bei einer 40-fachen Vergrößerung kleine Perlen von geschmolzenem und wieder verfestigtem Material nachgewiesen werden.

Wie aus Pig. 18 zu erkennen ist, ist die Verschmelzung des Molybdäns mit dem Stahl ganz deutlich zu sehen.

Die Ergebnisse einer Elektronenmikrosondenabtastung der Grenzfläche zeigten, daß Molybdän bis zu einer Tiefe von mindestens 15 /um vorhanden ist, wie aus nachstehender Tabelle und Fig.

hervorgeht.	Massel Mo	Massel Pe
Tiefe, /Um	6,9	93,1
1	7,6	92,4
2	7,0	93,0
3	7,5	92,5
4	6,6	93,4
10	6,0	94,0
15

ZJb/ 1 I U

Mikrohärtemessangen wurden am Probenquerschnitt vorgenommen and brachten folgende Ergebnisse:

Knoop Härtezahl " Belastung Tiefe von der Oberfläche 493 200 g- 30 yum

198 200 g 40 /um

Die durchschnittliche KBU des unbehandelten Stahles betrug 188, Die Härte des gleichen Stahls nach Erhitzer serabschreckung betrug 285 (KHII) bei 200 g,

Die Härte des gleichen Stahls nach Erhitzen auf 900 ⁰G und Waa-

Beiapiel HA ·

Die gleiche Matrix und Elektrode sowie die gleiche Verfahrensweise wie in- Beispiel II wurden bei einer Frequenz von 30,63 kHz und der gleichen Drehzahl angewandt.

Unter dem Lichtmikroakop wurden kleine Perlen von geschmolzenem und wieder verfestigtem Material nachgewiesen.

Wie aus Pig. 18A hervorgeht, war die Verschmelzung von Molybdän mit Stahl ganz eindeutig.

Die Ergebnisse einer Elektronenmikrosondenabtastung der Grenzfläche ergab, daß Molybdän bis zu einer Tiefe von mindestens 50 /tun vorhanden war, wie in der nachstehenden Tabelle und in

Pig.	1-9A gezeigt	wird:	Massel Mo	Masse/$ Pe
Tiefe	* /um	8,8	91,2
10		11,2	88,8
20		3,6	96,4
30		3,6	96,4
40		2,5	97,5
50

Knoop-Mikrohärtemessungen wurden am Querschnitt der Probe ausgeführt. Es wurden folgende Ergebnisse ermitteltί

Tiefe, /um KHE - Belastung

15 375 200

25 506 200

40 445 200

150 227 200.

500 - 188 200

L 6 D / I I U

Die Härtewerte in den Beispielen II und HA, die über KfIIi 285 liegen, resultieren aus dem Vorhandensein von Molybdän.

Beispiel III .

Stahl mit den gleichen Spezifikationen -wie in den Beispielen II und HA viurde als Matrix 14 mit der Anlage von Fig. 1 verbunden, und als Elektrode 13 diente Wolframcarbid (Kennametal Sorte Hr, 68). Diese Elektrode hatte einen Durchmesser von 5 ram und war 1 Zoll lang»

Die angelegte Frequenz betrug 26,20 kHz und die Geschwindigkeit der Blektrodendrehung lag bei annähernd 12 000 U/min·

Als Verfahrensweise wurde die gleiche wie in den Beispielen II und HA angewandt.

Wie aus Fig. 20 hervorgeht, wurde Wolfram mit der Stahlmatrix verschmolzen. Die Ergebnisse einer Elektronenmikroskopanalyse der Probe zeigen, daß Wolfram bis zu einer Tiefe von mindestens 80 /um vorhanden ist, wie aus Fig. 21 und der nachstehenden Tabelle zu erkennen ists

Tiefe, /um	Masse% TW	Massel Fe
1	24,4	75,6
5	27,5	72,5
10	1,7	• 98,3
20	1,8	98,2
50	1,1	98,9
80	1,7	98,3

Knoop-Mikrohärtemessungen wurden am Probenquerschnitt vorgenommen. Es wurden folgende Ergebnisse ermittelt:

Tiefe, ,um KHN Belastung

28 908 200 g

45 ' 718 200 g

75 329 200 g

120 220 200 g

Die Härte der unbehandelten Probe liegt bei annähernd 188 KHTT und nach Erhitzen auf 900 ⁰G und Abschrecken bei 285 KHI.

~ 21 - £00/11 U

Aus dem Vorstehenden wird eindeutig klar, daß durch die Behandlung der Stahlmatris: die Qberflächenhärte verbessert wird, und das ist für diejenigen. Anwendungafalle, bei denen die Oberflächenhärte eine wichtige Rolle spielt, sehr nützlich*

Für das Einschmelzen eines zweiten leitfähigen chemischen EIementes in die feste Matrix eines ersten leitfähigen chemischen Elementes unter Anwendung einer Lösung der zweiten leitfähigen Chemikalie sowie für ^ede Lösung wurde das Verfahren bei Umgebungstemperatur, 20 ⁰G, in folgender Weise ausgeführt.

Die Metallmatrize 14 wurde wie oben beschrieben mit dem Stromkreis verbunden. Die Frequenz wurde nach der oben angeführten Formel bestimmt, und die in dem Behälter 17 befindliche Lösung wurde dadurch aufgebracht, daß die Elektrode unterschiedlich lange, wie durch Formel II bestimmt wurde, über eine Oberfläche des ersten Metalls geführt wurde. Um eine gleichmäßige Verteilung der Lösung des zweiten Metalls auf der Oberfläche des ersten Metalls zu gewährleisten, wurde die Elektrode mit Baumwollgaze oder Nylon umhüllt. Es ist klar, daß auch andere Stoffe verwendet werden können. Diese Maßnahme diente auch dazu, die Verunreinigung der Lösung bei der Verwendung von Graphitelektroden zu begrenzen. Bei diesen besteht die Möglichkeit, daß sich Graphitteilchen im Laufe der Bewegung ablösen»

Die behandelten Proben wurden anschließend zeraägt, um eine Schnittprobe zu erhalten, in kaltem Wasser gewaschen, mit Ultraschall gesäubert, in Plaste eingebettet und geschliffen und poliert, um eine ebene Oberfläche und eine glatte Kante zu erhalten. Bei anderen Proben von weicheren Metallen, bei denen die Gefahr bestand, daß die Kante beim Schleifen abbricht, wurden zwei Schnitte mit den behandelten Flächen aneinanderliegend verbunden, wie zuvor eingebettet und geschliffen und poliert.

Nach dem Einbetten wurde die Probe geätzt, wobei für Stahl, das eisenhaltige Substrat, Nital und für Kupfer, das Hichteisen-Substrat, Ammoniumhydrogenperoxid verwendet wurde.

Im Laufe einiger Auftragungsarbeiten wurde festgestellt, daß manchmal Einstellungen von entweder der Frequenz oder der Auf tra*

j b / ι ι υ

gungsgeschwindigkeit erforderlich waren. Diese Tiaren infolge Veränderungen in der Löaungazusammensetzung oder Abweichungen bei der Matrix erforderlich geworden.

Eine halbquantitative Slektronensondeninikroanalyse der verachmolzenen Grenzflächen wurde unter Anwendung einer Energy Diaperaive X-Ray Spectroscopy (EDX) (Energiezerstreuungs-Röntgen-Λ spektroskopie) und eines Rastermikroskopea (SEM) durchgeführt·

Die Oberfläche dea Einbettungsplaata wurde leitend gemacht,' indem eine etwa 20 /um dicke Kohlenstoffschicht in einem Vakuumverdampfer auf sie aufgedampft wurde« Diese Maßnahme wurde zur Verhinderung dea Aufbauea elektrischer ladungen auf einem anaonsten nicht-leitenden Material und einer daraus reaultierenden.Instabilität des SEM-Bildea ergriffen· Kohlenstoff, der keine durch die EDX nachweisbare Strahlung erzeugt, wurde gegenüber einem herkömmlicheren Metallüberzug bevorzugt, um Interferenz einer derartigen Beschichtung bei der Elementaranalyse zu verhüten»

Die Betriebsbedingungen der SM wurden so gewählt, daß Störsignale und Kontinuumstrahlung auf ein Mindestmaß beschränkt waren und gleichzeitig die beste mögliche Raumauflösung erzielt wurde.

Die für die Elementaranalyse durch EDX allgemein angewandten Bedingungen waren wie folgt j

Beschleunigungspotential EndÖffnung

Fleckengröße Strahlstrom

Arbeitaabstand Vergrößerungafaktor Prüfkörperw inkel Ableitungawinkel Zählrate

Zeit unter Spannung

Die- Energieeichung wurde unter Anwendung von Al-Kd-Emission bei 1,486 keV und Cu-K bei 8,040 keV getestet.

10 -	20 kV	- 300 pA
200	- 300	34 mm
50 nm	- 10 000
100	zum Strahl
12 -
5000	- 2000 Hz
senkrecht	180 a
225°
800
60 -

23671 1

Eine standardloae halbquantitative Analyse wurde für die Bestimmung der Elementkonzentration herangezogen, bei der Bezugsstoffe mit Zertifikat (ITBS 478, 78 % Cu - 27 % Zn und WBS 479a, Hi, 11 %, Gr 18 $, Pe) zur Bestätigung der Ergebnisse verwendet wurden. Mehrfachanalysen von Bezugsstoffen stimmten ausgezeichnet mit den bestätigten Werten von NBS überein. Es wurde eine durchschnittliche Genauigkeit von + 1 % erzielt. Eine Größe von analysiertem Volumen wurda aus der folgenden Gleichung 1 berechnet $ . .

pR_(x) = 0,064 (E_O1⁶⁸ - E_C1⁶⁸)

worin bedeuteni

R/ ν der Massebereich (das Röntgenstrahl-Erzeugungsvolumen) ρ = Dichte des analysierten Materials

E_Q = das Beschleunigungapotential

E_ = eine kritische Erregungsenergie

Der Durchmesser von analysiertem Volumen wurde für typische analysierte Elemente berechnet und wie folgt ermitteltί Ui 0,46

Gu 0,39

Pe 0,55

W 0,30

Zur Ermittlung der Diffusionstiefe wurde ein statischer Strahl in Intervallen, die größer waren als der oben genannte Massebereich, über die Grenzfläche beführt. Dadurch war die Genauigkeit der Analyse gesichert*

Die Ergebnisse- der Elementkonzentration wurden für jeden an der Verschmelzungsgrenzfläche gemessenen Punkt in Massel angegeben·

In den verschiedenen Beispielen, die beschrieben werden, ist das zweite leitfähige chemische Element, d.h. das in die Matrix zu diffundierende Element, vorhanden. In einigen Lösungen

ι / ie

sind auch kleine Mengen von MetallipnenVvorhanden· Man nimmt an, daß diese Metallionen^v"als Komplexbildungsmittel vorhanden sein müssen, um die Verschmelzung zu erleichtern. Kleine Mengen organischer Katalysatoren wie Akaziengummi, Hydrochinon,

t- sJ KJ / I I VJ>

Knochenleim, Pepsin, Dextrin, Lakritze oder deren Äquivalente können gleichfalls vorhanden sein.

netzmittel wie Hatriumlaurylsulfat oder dessen Äquivalent werden normalerweise verwendet.

Wenn erforderlich, werden den pH-Wert verändernde Mittel wie Ammoniumhydroxid oder Schwefelsäure gewöhnlich zur Erreichung des verlangten pH-Wertes zugesetzt.

Einige weitere Lösungen erfordern Komplexbildungamittel für das zweite chemische leitfähige Element, die die Ausfällung des zweiten Elementes ausschließen. Solche Mittel sind beispielsweise Zitronensäure oder Hatriumpyrophosphat oder Äthyldiamintetraessigsäure oder deren Äquivalente.

In einigen Lösungen wird, wenn es erforderlich ist, auch ein geeigneter Puffer vorgesehen·

Das Wasser ist immer entmineralisiert.

Und für bestimmte Anwendungsfälle, bei denen das Äußere des Produktes ansprechend sein muß, können geringe Mengen von Aufhellungsmitteln wie Formaldehyd, Kohlenstoffdisulfid, Benzolsulfonsäure oder deren Äquivalente verwendet werden·

In diesen Beispielen wird, wenn nichts anderes angeführt wird, als Stahlmatrix ASA 1018 und als Kupfer Legierung 110 nach ASOM B-1333 verwendet.

Beispiel IV

Stahl Atlas A151 1020 wurde als Matrix 14 mit der Anlage von Fig. 2 verbunden, und eine 10 %ige Lösung von Ammoniummolybdat in Wasser wurde in den Behälter 17 gegeben.

Die folgenden Kennwerte und Behandlungabedingungen wurden angewandti

Matrixwiderstand 0,0018 0hm

⁺ Sondenwiderstand 150 Kiloohm

Stromkreiswiderstand 0,01 0hm

Frequenz 650 Hz bei 0,4 Pikofarad

Kontaktfläche 2 cm²

23 6 7 11 ü

Geschwindigkeit 60 cm/Minute

Behandlungstiefe « 0,5 /um

Oberflächenerhöhung " &15 /um

Bestimmt durch Messung von 1 cm Platten, die 1 cm auseinander lagen, nach einer "Verzögerung von 20 Sekunden·

Die Probe von Beispiel IY wurde einem Wännekorros ions teat unterzogen. 25 %ige Schwefelsäure konnte 20 Minuten lang bei 325 ⁰C auf die Oberfläche ohne irgendeine Oberflächenpenetration einwirken.

) Beispiel Y

Es wurde eine wäßrige Lösung mit folgender Zusammensetzung hergestellt!

Harne Gramm/Liter

Hatriummolybdat 37,8

Eisen(II)-ammoniumsulfat 7

EisenCIII)-ammoniumsulfat 8,6

Zitronensäure 66,0

Wasser (destilliert) 997 ml

Katriumlaurylsulfat 0,5 Ammoniumhydroxid . bis zum verlangten pH-Wert

Akaziengummi (Gummi arabicum) 0,1 - 0,2

/) Formaldehyd 7,5 ml

Die Lösung zeigte folgende Kennwerte:

pH-Wert =7,5

spezifischer Widerstand =19 Ohm-cm

Mo⁺ Konzentration .=1,8 Massel

=0,10 Massel . =0,10 Massel

Die Konzentration von Mo⁺ kann von 1,5 bis 2,5 Massel variiert werden; der pH-Wert kann von 7,2 bis 8,2 betragen und der spezifische Widerstehe kann zwischen 17 und 25 0hm-cm liegen.

Re akt ionsbe d indungen

Matrix i Kupfer

Elektrode : Graphit

1 1 U

Elektrodenüberzug : Baumwöligerebe

Frequenz : 9,09 kHz

Auftragungsgeachwindigkeit : 736,2 mm/Minute

Auftragungsdaaer ί 2 Minuten

Man nimmt an, daß in den in den Beispielen 7 und VI erläuterten Lösungen die Anwesenheit von Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen dazu dient, aen Wertigkeitszustand von Mo auf einen geringeren Wertigkeitszustand zu reduzieren.

Obwohl das Eisen anscheinend gleichzeitig übertragen wird, wie es in Fig. 23 gezeigt wird, übt das Eisen offensichtlich keinen Materialeinfluß auf die Kennwerte der Matrix oder des Molybdäns aus ·

Eine Untersuchung der Probe mit einem Lichtmikroskop zeigt eine durchgehende Molybdänbeschichtung, die frei von Grübchenbildung ist und eine dunkelsilberne Färbung aufweist.

Wie in der nachstehenden Tabelle und Pig. 23 gezeigt wird, geht aus einer SM/EPMA-Abtastung der Grenzfläche zwischen der Matrix und dem aufgebrachten Metall hervor, daß Molybdän bis zu einer Tiefe von mindestens 4 /um bei einer Oberflächenablagerung von annähernd 1 /um verschmolzen worden ist.

Tabelle

Konzentration (Massel)

Tiefe,	/um	Element	Konz
0,5		Mo Fe Gu	65,4 19,9 14,5
1,0		Mo Fe Gu	58,4 10,9 30,5
2,0		Mo "Pe Gu	6,6 0,8 92,5
3,0		Mo Fe Cu	2,9 0,4 96,6
4,0		Mo Fe Cu	0,9 0,0 98,9

ZJbV 1 } O

Beiapiel 71

Ba wurde eine wäßrige Lösung mit der gleichen Zusammensetzung wie in Beiapiel "V hergestellt und unter folgenden Bedingungen aufgebracht:

Reaktionabedingungen

Matrix

Elektrode

Elektrodenüberzug Fre quenz

Auftragungsgeschwindigkeit Auftragungadauer

= Stahl (ASA 1018) = Graphit = Baumwollgewebe = 4,11 kHz = 739,8 mm/Minute = 3 Minuten

Die Untersuchung unter dem Lichtmikroskop ergab eine durchgehende dunkelailber gefärbte Oberfläche.

Die Mikroaufnahme von Fig. 24 zeigt die Ablagerung einer im wesentlichen gleichmäßigen Schicht von Molybdän in einer Dicke von 1 /um und mit gleichmäßiger Dichte,

Wie aua Fig. 25 zu aehen ist, zeigt eine SEM/ΕΡΜΑ-Abtastung der Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem aufgebrachten Metall, daß Molybdän bis zu einer Tiefe von mindestens 10 Mikrometer vorhanden war, und zwar mit einem wie in der nachstehenden Tabelle aufgeführten älolybdängradienten·

• Tabelle

Tiefe, /um

Element

Konzentration (Massel)

81,0 19,0

2,2 97,8

0,8 99,2

0,6 99,4

Ea wurde eine wäßrige Lösung mit folgender Zusammensetzung hergestellti

0,5	Mo Fe
2	Mo Fe
3	Mo Fe
10	Mo Fe
Beiapiel VII

IT ame Gramm/Liter

Natriumvsolframat 31,40

EiaendlD-ämmoniumsulf at 8,63

Eisen(II)-sulfat 4,98

Zitronensäure 66,00

Wasser (destilliert) 1000 ml

Ammoniumhydroxid "bis zum erforderlichen pH-V/ert

Natriumlaurylsulfat 0,1

Formaldehyd 5 ml

Die Lösung hatte folgende Kennwerte; pH-Wert =7,99

spezifischer Widerstand = 22 Ohm-cm W*⁶ =1,75 Massel

Pe⁺² = 0,1 Massel

Pe⁺-³ =0,1 Massel

Die ViZ⁺ Konzentration kann zwischen 1,6 und 2,5 Massel variieren; der pH-Wert kann von 7,5 bis 8,5 betragen und der spezifische Widerstand kann zwischen 18 Ohm-cm und 24 Ohm-cm liegen.

Reakt ionsbe d indungen

Matrix = Kupfer

Elektrode = Graphit

Elektrodenüberzug = Baumvjollgaze

Frequenz =3,83 kHz

Auftragungsgeschviindigkeit = 689,4 mm/Minute

Auftragungsdauer = 3 Minuten

Wie aus den Mikroaufnahmen der Pig. 26 und 27 zu erkennen ist, zeigte die Probe eine gleichmäßige Wolframschicht mit einer Dikke.von annähernd 1 Mikrometer. Eine SEM/EPMA-Abtastung zeigte eine Verschmelzung von Wolfraum auf Kupfer bis zu einer Tiefe von mindestens 5,0 Mikrometer, vsie aus der nachstehenden Tabelle und Fig. 28 zu entnehmen ist.

Tabelle Tiefe, /um

1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

Konzentration (Masse	Pe	%)
W	38,5	Cu
37,3	2,1	24,2
4,8	0,3	93,1
0,5	0,2	99,2
0,7	0,2	99,1
0,3	99,5

1 J %J

Beispiel VIII

Ea wurde eine wäßrige Lösung mit folgender Zusammensetzung hergestellt J

IT ame ^v Gramm/Liter

Hatriumwolframat 34,00

Eisen(II)-sulfat¹ 4,98

Eisen(II)-ammoniumsulfat 7,02

Eisen(III)-ammoniumsulfat 8,62

Zitronensäure 66,00

Wasser (destilliert) 980

Ammoniumhydroxid "bis zum erforderlichen pH-Wert

Natriumlaurylsulfat 0,10-

Anmerkungj Es kann etweder 1 oder 2 verwendet werden·

Die Lösung hatte folgende Kennwerte:

pH-Wert = 8

spezifischer Widerstand = 20,9 Ohm-cm

W⁺⁶ = 1,9 Massel

Pe⁺² =0,1 Massel

Pe'¹'-' = 0,1 Massel

Die Konzentration von Wolfram kann zwischen 1,6 und 2,5 Massel variieren; der pH-Wert kann von 7,5 bis 8,5 betragen und der. spezifische Widerstand kann zwischen 18,8 Ohm-cm und 22,8 Ohm-cm liegen.

Reaktionsbedindungen

Matrix = Stahl (ASA 1018)

Elektrode = Graphit

Blektrodenüberzug = Baumwollgaze

Frequenz = 4,78

Auftragungageschwindigkeit =860,4 mm/Minute

Auftragungsdauer = 3 Minuten

Eine Untersuchung der Probe mit Hilfe de.r SEM/ΕΡΜΑ, Fig. 29, zeigte eine Wolframschicht von annähernd 0,5 /tun, und wie aus Fig. 30 und der nachstehenden Tabelle deutlich wird, konnte Wolfram bis zu einer Tiefe von mindestens 3 /ura nachgewiesen werden.

u / ι ι u

	Tabelle	Element	Konzentration (Massel)
Tiefe, /tun	W W W W	52 6 1 1,1
0,5 1 2 3
Beispiel IX

Es wurde eine wäßrige Lösung mit folgender Zusammensetzung hergestelltj

Harne Gramm/Liter

Indiumsulfat . 40,0 Aluminiumsulfat 9,6

Natriumsulfat 3,5

Gelatine 0,05 - 0,1

latriumlaurylsulfat 0,1 - 0,2

Wasser (destilliert) . 1000 ml

Die Lösung hatte folgende Kennwerte: pH-Wert " =1,60

spezifischer Widerstand = 51,8 Ohm-cm Konzentration In⁺ = 1,75 Massel

Konzentration Al⁺-³ = 0,077 Massel

Die Indiumkonzentration kann zwischen 0,2 und 2,2 Massel variieren; der pH-Wert kann von 1,60 bis 1,68 betragen und der spezifische Widerstand kann zwischen 48,8 0hm-cm und 54,8 0hm-cm liegen.

Reaktionsbedindungen

Matrix = Kupfer

Elektrode = Graphit

Elektrodenüberzug = Baumwollgaze

Frequenz =4,75

Auftragungsgeschwindigkeit = 855 nun/Minute

Auftragungadauer = 3 Minuten

Eine Untersuchung der Probe unter dem Lichtmikroskop und dem Rastermikroskop zeigte eine durchgehende Oberfläche, die frei von Gefügefehlern war, wie Pig. 31 zeigt«

Wie aus der nachstehenden Tabelle und Pig. 32 hervorgeht, ergab eine SEH/EPHA-Abtastung der Grenzfläche zwischen der Kupfermatrix und der Indiumschicht eine Auftragung von annähernd 1 /um und eine Verschmelzung von Indium bis zu einer Tiefe von mindestens 4 /um.

Tabelle

Tiefe, /um	Element	Konzentration von Indium (Massel)
1	In	90,3
2	In	5,5
3	In	4,3
4	In	3,6
Beispiel X

Es wurde die Lösung von Beispiel IX verwendet und auf eine Stahlmatrix aufgebrachti

Reaktionsbedingungen

Matrix = Stahl (ASA 1010)

Elektrode = Platin

Elektrodenüberzug = Hylongeviebe

!frequenz =6,29 kHz

Auftragungsgeschwindigkeit = 1132,2 mm/Minute

Auftragungsdauer = 3 Minuten

Wie aus den Fig. 33 und 34 zu erkennen ist, vmrde auf die Oberfläche der Matrix eine glatte durchgehende Schicht von Indium in einer Dicke von annähernd 1 /um aufgebracht. Eine SEM/EPMA-Abtastung, Fig. 34, der Grenzfläche und die nachstehende Tabelle zeigen eine Verschmelzung bis zu einer Tiefe von mindestens

Fe (Massed)

8,6 94,8 99,0 99,1

	Tabelle
Tiefe, /um	In (Massel)
0,5	91,4
1,0	5,2
2,0	1,0
3,0	0,9

236711 O

Pig. 35 zeigt eine feste Nickelschicht mit gleichmäßiger Dichte und einer Dicke von annähernd 1,5 /um. Wie die nachstehende Tabelle und Pig. 36 verdeutlichen, zeigte eine SM/EPMA-Ab tastung der Grenzfläche zwischen der Matrix und der Hickelschicht, daß liickel bia zu einer Tiefe von mindestens 4 /um verschmolzen

worden ist.	Element	Massel
Tiefe, ,um	Ni	92,6
/ 1	Hi	4,5
2	Ni	3,3
3	Hi	1,0
4

Beispiel XI

Es wurde eine -wäßrige Lösung mit folgender Zusammensetzung hergestellts

Harne Gramm/Liter

HickeKlD-sulfat 248,9

HickeKlD-chlorid 37,3

Borsäure 24,9

Formaldehyd 3 ml/Liter

Benzolaulfonaäure 10 ml/Liter

Hatriumlaurylaulfat 0,1

Wasser (destilliert) 900

Die Lösung hatte folgende Kennwerte:

pH-Wert =3,10

spezifischer Widerstand = 22,5 Ohm-cm

Konzentration von Ni = 6 Masse%

Die Nickelkonzentration kann zwischen 2 und 10 % variieren; der pH-Wert kann von 3,10 bis 3,50 betragen und der spezifische Widerstand kann zwischen 17 0hm-cm und 26 0hm-cm liegen.

Reaktionsbedingungen

Matrix = Kupfer

Elektrode = Graphit

Elektrodenüberzug = Baumwollgaze

Frequenz =7,50 kHz

• - 33 - I ό b 7 1 1 U

Auftragungsgeschwindigkeit = 1350 mm/Minute Auftragungadauer = 3 Minuten

Beispiel XII

Ea wurde die gleiche Lösung wie für Beispiel XI hergestellt und auf eine Stahlmatrix aufgetragen;

Reakt ionsbedingungen

Matrix = Stahl (ASA 1018)

Elektrode = Graphit

Elektrodenüberzug = Baumwollgaze

Frequenz =7,50 kHz

Auftragungageschwindigkeit = 1350 mm/Minute

Auftragungsdauer = 3 Minuten

Wie in Pig. 37 gezeigt wird, iat die Uickelschicht durchgehend und zeigt eine im wesentlichen einheitliche Dicke von etwa 1,5 /um.

Wie aus Fig. 38 und der nachstehenden Tabelle hervorgeht, wurde Hickel bis zu einer Tiefe von mindestens 3 /um verschmolzen.

Tiefe, /um	Element	Konzentration (Massel)
1	Hi	95,9
2	Ii	28,0
3	Ii	0,7
Beispiel Uli

Es vturde eine wäßrige Lösung mit folgender Zusammensetzung hergestellt:

I ame	Gramm/Liter
Goldchlorwasaeratoffsäure	2,5
Kaliumferrocyanid	15,0
Kaliumcarbonat	15,0
Wasser (destilliert)	1000 ml

Diese Lösung hatte folgende Kennwerte; pH-Wert =10,99

spezifischer Widerstand = 40 Ohm-cm Konzentration von Au⁺ -Ionen =0,14 Massel

- 34 - ^JU/ I I U

Der pH-Wert kann zwischen 3,70 und 11 variiert werden; die Konzentration von Au⁺ _Ionen kann von 0,1 bis 0,5 Masse% betragen und der spezifische Widerstand kann zwischen 40 Ohm-cm und 72 Ohm-cm liegen»

Reaktionsbedingungen

Matrix = Kupfer

Elektrode = Platin

Elektrodenüberzug = Baumviollgaze

Frequenz; = 4,33 kHz

Auftragungsgeschwindigkeit = 779,4 mm/Minute

Auftragungsdauer = 2 Minuten

Die Untersuchung mit Hilfe des Licht- und Rastermikroskops ergab eine Oberflächenschicht von Gold mit einer Dicke von annähernd 1,5 /um. Die Schicht war durchgehend und einheitlich dicht, wie es Pig. 39 zeigte

Eine SUM/EPMA-Abtastung der Grenzfläche zeigte eine Verschmelzung von Gold bis zu einer Tiefe von mindestens 3 /um, wie aus 'der nachstehenden Tabelle und Pig. 40 zu entnehmen ist«

Tiefe« /Um Element Konzentration (Massel)

0,5 Au 61,3

1,0 Au 9,6

2,0 Au 0,9

3,0 Au 0,5

Beispiel XIY

Es wurde eine wäßrige Lösung mit der gleichen Zusammensetzung wie für Beispiel XIII hergestellt:

Reaktionsbedingungen

Matrix . = Stahl

Elektrode = Graphit

Elektrodenüberzug = Baumviollgaze

Frequenz =3,95 kHz

Auftragungsgeschwindigkeit = 711,0 mm/Minute

Auftragungsdauer =2,0 Minuten

Untersuchungen mit dem Licht- und Rastermikroskop ergaben eine Goldschicht auf der Oberfläche mit einer Dicke von annähernd

- 35 - L· O Ό ί \

1,0 /um. Die Schicht war gleichmäßig dick und dicht, wie Pig» 41 zeigt»

Eine SEM/EPMA-Abtastung der Grenzfläche zeigte eine Verschmelzung von Gold Idls zu einer Tiefe von mindestens 4*0 /um, τι ie nachstehende Tabelle und Fig. 42 zeigen.

Tiefe, /um Element Konzentration (Massel)

0,5 Au 84,9

1,5 Au 10,6

2,0 Au 2,1

3,0 Au 0,8

4,0 Au 0,6

Beispiel XV

Es wurde eine wäßrige Lösung mit folgender Zusammensetzung hergestellti

Harne Gramm/Liter

Chromtrioxid 150

Chromsulfat 0,06

Schwefelsäure 2,15

Natriumhexyfluorosilikat 0,2

Kohlenstoffdisülfid, 2 - 3 ml

Uatriumlaurylsulfat 0,05

Wasser (destilliert) bis 1000 ml

Diese Lösung hatte folgende Kennwertes pH-Wert =0,6

spezifischer Widerstand =12 0hm-cm Konzentration von Cr⁺ =7,8 Massefo

Der pH-Wert kann zwischen 0,6 und 1,0 variiert werden; die Konzentration von Cr -Ionen kann zwischen 3 und 20 Massel betragen und der spezifische Widerstand kann zwischen 11 Ohm-cm und 14 0hm-cm liegen,

Re akt ionsb ed ingung en

Matrix = Kupfer

Elektrode = Graphit

Elektrodenüberzug = Baumwollgaze

Frequenz =6,25 kHz

- 36 - £ O O / I I U

Auftragungsgeschwindigkeit =1125 mm/Minute Auftragungsdauer =5,0 Minuten

Untersuchungen mit dem Licht- und Rastermikroskop haben eine Chromschicht auf der Oberfläche von annähernd 1 /um Dicke gezeigt. Die Oberfläche der Schicht war unregelmäßig, aber die Schicht schien frei von Fehlern zu sein und war durchgehend, vii.θ Pig. 43 zeigt·

Eine SMi/IPMA-Abtastung der Grenzfläche zeigte, daß Chrom bia zu einer Tiefe von mindestens 3,0 /um verschmolzen war, wie aus

der nachstehenden Tabelle	Element	und Fig. 44 hervorgeht·
Tiefe, /um	Cr	Konzentration (Masse%)
0,5	Cr	94,0
1,0	Cr	32,0
2,0	Cr	1,8
3,0		1,0
Beispiel XVI

Es wurde eine wäßrige Lösung mit der gleichen Zusammensetzung hergestellt wie sie in Beispiel XV verwendet wurde;

Re akt ionabe d indungen

Matrix = Stahl (ASA 1018)

Elektrode = Graphit

Elektrodenüberzug = Baumwollgaze

Frequenz =6,48 kHz

Auftragungageschwindigkeit = 1166,4 mm/Minute

Auftragungsdauer =5,0 Minuten

Untersuchungen mit dem Licht- und Rastermikroskop ergaben eine Chromschicht auf der Oberfläche mit einer Dicke von annähernd 3,0 ,um. Sie entsprach der in Fig. 45 gezeigten.

Eine SEM/EPMA-Abtastung der Grenzfläche zeigte eine Verschmelzung von Chrom bis zu einer Tiefe von mindestens 5,0 /Um, wie aus der nachstehenden Tabelle und Fig. 46 hervorgeht·

Element	Masse%
Gr	100
Cr	97,2
Gr	20,8
Cr	2,8
Cr	2,1

Tiefe, /tun

Beiapiel XVII

Ea wurde eine wäßrige Lösung mit folgender Zusammensetzung hergestellt:

Harne Gramm/Liter

Chrom(III)-Chlorid natriumchlorid Ammoniumchlorid Borsäure

Dimethylformamid 400 ml

Natriumacetat 3,0

Hatriumlatirylaulfat 0,5

Wasser (destilliert) bis 1000 ml

Diese Lösung zeigte folgende Kennwerte: pH-Wert =3,0

spezifischer Widerstand = 17,4 0hm-cm Konzentration von Gr =2,5 bis 3,5

Der pH-Wert kann zwischen 2,5 und 3»5 variiert werden; die Konzentration von Cr⁺ -Ionen kann zwischen.1,8 und 5 Massel liegen und der spezifische Widerkann kann 16 0hm-cm bis 0hm-cm betragen.

Reaktionsbedingungen

Matrix = Kupfer

Elektrode = Graphit

Elektrodenüberzug = Baumwollgaze

Frequenz =6,85 kHz

Auftragungsgeschwindigkeit = 1251 mm/Minute

Auftragungsdauer = 3,0 Minuten

Die Untersuchung mit dem Licht- und Rastermikroskop ergab eine Chromschicht auf der Oberfläche von annähernd 0,5 /Um Dicke.

ό ö / i I U

Die Schicht war feat und durchgehend, wie die Fig. 47 und 47A zeigen·

Eine SEM/ΕΡΜΑ-Abtastung der Grenzfläche ergab eine Verschmelzung von Chrom bis zu einer Tiefe von mindestens 3,0 /um, wie die nachstehende Tabelle und Fig. 48 zeigen·

Tiefe, /um Element Konzentration (Massel)

1 Cr - 21,2

2 Cr 4,0

3 Cr 0,9

Beispiel XVIII

Es wurde eine wäßrige Lösung mit der gleichen Zusammensetzung, wie sie für Beispiel XVII hergestellt wurde, verwendets

Reaktionsbedindungen

Matrix = Stahl (ASA 1018)

Elektrode = Graphit

Elektrodenüberzug = Baumwollgaze

Frequenz = 6,85-kHz

Auftragungsgeschwindigkeit = 1251 mm/Minute

Auftragungsdauer = 3,0 Minuten

Die Untersuchung mit dem Licht- und Rastermikroskop ergab eine Chromschicht auf der Oberfläche mit einer Dicke von annähernd 1,0 /um· Die Oberfläche der Schicht schien etwas unregelmäßig zu sein, aber die Schicht war fest und frei von Fehlern, wie die Fig. 49 und 49A zeigen«,

Eine SEM/EPHA-Abtastung der Grenzfläche zeigte eine Verschmelzung von Chrom bis zu einer Tiefe von mindestens 3,0 /Um, wie es aus-nachstehender Tabelle und Fig. 50 hervorgeht.

Tiefe, /um Element Konzentration (Massel)

0,5 Cr 97,2

1,0 Cr 97,6

1,5 Cr 22,2

2,0 Cr 1,5

3,0 Cr 0,8

\j / ι \

Beispiel

Ea wurde eine wäßrige Lösung mit folgender Zusammensetzung hergestellti

Harne Gramm/Liter

Gadmiumchlorid 6,74

Natriumd!phosphat 54

Wasser (destilliert) 1000 ml

Liese Lösung hatte folgende Kennwerteί pH-Wert = 10

spezifischer Widerstand = 33 Ohm-cm Konzentration von Cd = 0,32 Massel

Der pH-Wert kann zwischen 10 und 10,2 variiert werden; die Konzentration von Cd -Ionen kann zwischen 0,2 und 0,5 Massel liegen und der spezifische Widerstand kann 28 Ohm-cm bis 35 Ohm-cm betragen.

Reaktionsbedingungen

Matrix = Kupfer

Elektrode = Graphit

Elektrodenüberzug = Baumwollgäze

Frequenz ' = (1) 7,29 kHz; (2) 7,91 kHz

Auftragungsgeschwindigkeit = (1) 1312,2 mm/Minute;

(2) 1423,8 mm/Minute

Auftragungsdauer = (1) 1,0 min; (2) 3,0 min.

In diesem Beispiel handelte es sich bei der verwendeten Lösung anfangs um die oben erläuterte, die nach den als (1) gekennzeichneten Bedingungen aufgebracht wurde. Eine zweite Lösung, die in Beispiel XK angeführte, wurde anschließend unter den als (2) gekennzeichneten Bedingungen aufgebracht·

Die Untersuchung mit dem Licht- und Rastermikroskop ergab eine Cadmiumschicht auf der Oberfläche mit einer Dicke von annähernd 4 /um. Diese Schicht war, wie Pig. 51 zeigt, nicht homogen, aber eine SEM/EPMA-Abtastung der Grenzfläche zeigte eine Verschmelzung von Cadmium bis zu einer Tiefe von mindestens 9 /Um, wie die nachstehende Tabelle und Pig. 52 zeigen.

L. yj U /

» W

Tiefe, /um	Element	Konzentration (Massel)
2	Cd	77,4
3	Cd	65,2
4	Cd	6,7
VJl	Cd	1,2
6	Cd	0,48
7	Cd	2,1
8	Cd	2,9
9	Cd	0,89
Beispiel XX
Es wurde eine wäßrige Lösung mit	folgender Zusammensetzung
hergestellt:
Harne	Gramm/Liter
Cadmiumsulfat	26,65
Natriumchlorid	8,7
Borsäure	15,0
Al um ini ums ulf at	17,5
	0,25
	5,0
	2,5
	0,5
	1000 ml

Akaziengummi (Gummi arabicum)
Natriumtetraborat
Benzolsulfonsäure


Natriumlauryls ulfat
Wasser (destilliert)

Diese Lösung hatte folgende Kennwerte: pH-Wert =3,40

spezifischer V/iderstand = 54.0hm-cm Konzentration von Cd

+2

= 1,1 %

Der pH-Wert kann zwischen 3,2 und 3,5 variiert werden; die Kon-

+2 zentration von Cd -Ionen kann von 1 bis 4 Massel betragen und der spezifische Widerstand kann zwischen 45 Ohm-cm und 55 Ohm-cm liegen.

Reakt ionsbe d indungen

Matrix

Elektrode

Elektrodenüberzug Pre quenz

= Stahl = Platin = Nylontuch =13,7 kHz

L J Q / I \ U

Auftragungsgeschwindigkeit = 2466 mm/Minute Auftragungsdauer = 2 Minuten

Die Untersuchung mit dem Licht- und Rastermikroskop ergab eine Cadmiumschicht auf der Oberfläche mit einer Dicke von annähernd 1 /um. Die Oberfläche der Schicht mar unregelmäßig, aber sie war fest und durchgehend, wie aus Pig. 53 zu sehen ist.

Eine SEM/EPMA-Abtastung der Grenzfläche zeigte eine Verschmelzung von Cadmium bis zu einer Tiefe von mindestens 4 /um, wie aus nachstehender Tabelle und Pig. 54 zu sehen ist.

Tiefe, /um Element Konzentration (Maaae^)

73,3 8,8 1,4 1,2 1,1

Es wurde eine wäßrige Lösung mit folgender Zusammensetzung hergestellt:

IT ame Gramm/Liter

Zinndichlorid 77,3

Natriumhydroxid 66,0

Uatriumacetat 14,7

Wasser (destilliert) 1000 ml

Diese Lösung hatte folgende Kennwerte j pH-Wert =12,4

spezifischer Widerstand =8,6 Ohm-cm

+2

Konzentration von Sn -Ionen = 4 Masse%

Der pH-Wert kann zwischen 11,2 und 12,7 variiert werden; die

+ 2

Konzentration der Sn -Ionen kann zwischen 2 und 5 Massel liegen und der spezifische Widerstand kann 6,2 Ohm-cm bis 10,2-Ohm-cm betragen.

Reakt ionsbe d indungen

Matrix = Kupfer

Elektrode = Graphit

0,5	Gd
1,0	Gd
2,0	Cd
3,0	. Cd
4,0	Cd
Beispiel JU

Elektrodenüberzug = Baumwollgaze

Frequenz =9,85 kHz

Auf tragungsgeschwindigkeit = 1773 mm/Minute

Auftragungsdauer = 2 Minuten

Die Untersuchung mit dem Licht- und Rastermikroskop ergab eine Zinnschicht auf der Oberfläche mit einer Dicke von annähernd 1,2 /um. Die Schicht war einheitlich dick und homogen. Das geht aus Pig. 55 hervor«

Eine SEM/KPMA-Abtastung der Grenzfläche ergab eine Verschmelzung von Zinn bis zu einer Tiefe von mindestens 4 /um, wie aus der nachstehenden Tabelle und Fig. 56 zu sehen ist*

Tiefe, /um Element Konzentration (Massel)

i 1	Sn	91,4
2	Sn	4,4
3	Sn	0,9
4	Sn	0,5

Beispiel ΣΧΓΙ

Ea wurde eine wäßrige Lösung mit folgender Zusammensetzung hergestellts

Harne Gramm/Liter

Z inn (U)-Chlorid 9,4

Hatriumdiphoaphat 44,7

Dextrin 6,25

Wasser (destilliert) 1000 ml

Uatriumlaurylsulfat 0,5

Diese Lösung hatte folgende Kennwertes pH-Wert =9,05

spezifischer Widerstand = 34 Ohm-cm Konzentration von Sn = 0,50 Massel

Der pH-Wert kann zwischen 9 und 9,7 variiert werden; die Kon-

+ 2

zentration von Sn -Ionen kann zwischen 0,4 und 1 Massel betra gen und der spezifische Widerstand kann zwischen 30 0hm-cm und 36 0hm-cm liegen.

Reakt ionabe d indungen

Matrix = Kupfer

Elektrode = Graphit

Elektrodenüberzug = Baumwollgaze

Frequenz =9,85 kHz

Auftragungsgesch^iindigkeit = 1773 mm/Minute

Auftragungadauer = 2 Minuten

Die Untersuchung mit dem Licht- und Raatermikroakop ergab eine Zinnschicht auf der Oberfläche mit einer Dicke von annähernd 4 /Um. Diese Auftragung acheint aua einer tieferen einheitlichen und im wesentlichen homogenen Schicht mit einer Dicke von annähernd 1 /um und einer äußeren, leicht porösen Schicht mit einer Dicke von annähernd 3 /um zu bestehen, v?ie in Pig. 57 zu sehen ist.

Eine SEM/EPMA-Abtastung der Grenzfläche ergab eine Verschmelzung von Zinn bis zu einer Tiefe von mindestens 5 /um, wie die nachstehende Tabelle und Fig. 58 zeigen.

Tiefe, /um Element Konzentration (Massel)

97,3 94,3 1,0

Es wrde eine wäßrige Lösung mit der gleichen Zusammensetzung, wie sie für Beispiel 2XEI hergestellt viurde, verwendet:

Reaktionsbedindungen

Matrix = Stahl (ASA 1010)

Elektrode = Graphit

Elektrodenüberzug = Baumwollgaze

Frequenz '= 10,61 kHz

Auftragungsgeschwindigkeit = 1909,8 mm/Minute

Auftragungsdauer =- 3 Minuten

Die Untersuchung mit dem Licht- und Rastermikroskop ergab eine Zinnschicht auf der Oberfläche mit einer Dicke von über 2 /Um*

1	Sn
2	Sn
3	Sn
5	Sn
Beispiel iXEII

- 44 - L J D / i I ü

Diese Schicht war porös aber durchgehend, v»ie Fig. 59 zeigt.

Eine SEM/ΕΡΜΑ-Abtastung der Grenzfläche ergab eine Verschmelzung von Zinn bia zu einer Tiefe von mindestens 2 /um, wie aus nachstehender tabelle und Pig. 60 zu sehen ist»

Tiefe, /tun Element Massel

0,5 Sn 96,2

1,0 Sn 81,4

2,0 Sn 2,5

Beispiel 23ZV

Es wurde eine wäßrige Lösung mit folgender Zusammensetzung hergestellt;

Έ ame Gramm/Liter

Kobalt(II)-sulfat 252

liatriumf luorid 14

Borsäure 45

Dextrose 5

Natriumlaurylsulfat 0,2

Wasser (destilliert) · 1000 ml

Diese Lösung hatte folgende Kennwerteί

pH-Wert =6,03

spezifischer Widerstand = 28,5 Ohm-cm

+2

Konzentration von Co = 5»3 Massel

Der pH-Wert kann zwischen 4»5 und 6,5 variieren; die Konzentra-

+2

tion der Co -Ionen kann 2 bis 6 Massel betragen und der spezifische Widerstand kann zwischen 25 0hm-cm und 30 0hm-cm liegen.

Reaktionsbedingungen

Matrix · = Kupfer

Elektrode = Platin

Elektrodenüberzug = Uylontüll

Pre quenz = 5»1 kHz

Auftragungsgeschwindigkeit = 918 mm/Minute

Auftragungsdauer = 3»O Minuten

Die Untersuchung mit dem licht- und Raatermikroskop ergab eine Kobaltachicht auf der Oberfläche mit einer Dicke von annähernd 6,5 /um. Diese Schicht isar gleichmäßig und durchgehend, wie die Fig. 61 zeigt.

Eine SEM/ΕΡΜΑ-Abtastung der Grenzfläche zeigte eine Verschmelzung von Kobalt bis zu einer Tiefe von mindestens 20 /um, τη ie aus nachstehender Tabelle und Pig« 62 hervorgeht.

Tiefe» /um Element Konzentration (Massel)

10 Co 2,65

15 Co 1,6

20 Co 0,87

25 . Co 0,44

Aus der visuellen Untersuchung und den vorausgehenden Experimenten ging hervor, daß die Ablagerung von Kobalt bei einer Höhe von über 10 ,um extrem dicht war.

Beispiel XXV

Es wurde eine viäßrige Lösung mit folgender Zusammensetzung hergestellt :

Name Gramm/Liter

Silbercyanid 26

Kaliurneyanid 46

Kaliumcarbonat 37

üiatriumlauryi sulfat 1

Kohlenstoffdisulfid 1-2

Wasser (destilliert) 1000 ml

Diese Lösung hatte die folgenden Kennwerte: pH-Wert = 11,55

spezifischer Widerstand . =10,5 Ohm-cm Konzentration von Ag =2,09 Massel

Der pH-Wert kann zwischen 11,2 und 11,7 variiert werden; die Konzentration der Ag -Ionen kann von 1 bis 3 Massel betragen und der spezifische Widerstand kann zwischen 8 Ohm-cm und 13 Ohm-cm liegen«

- 46 - Z j D / I 1 U

Reakt ionabe dingungen

Matrix = Kupfer

Elektrode . = Platin

Elektrodenüberzug = Nylon

Frequenz = 7>7 kHz

Auf tragungageachviindigke it = 1386 mm/Minute

Auftragungsdauer =1,0 Minute

Die Unterauchung mit dem Licht- und Raatermikroakop ergab eine Silberschicht auf der Oberfläche mit einer Dicke von annähernd 5 /um. Daa Gefüge iat in Fig. 63 und 63A zu aehen*

Eine SEM/ΕΡΜΑ-Abtastung der Grenzfläche ergab eine Verachmelzung von Silber bia zu einer Tiefe von mindeatena 3 /um, vde aua der nachstehenden Tabelle und Fig. 64 zu erkennen iat·

Tiefe, /um Element Konzentration (Massel)

98,7 91,4 46,3 2,4 T,0

Ea wurde eine wäßrige Lö'aung mit folgender Zuaammenaetzung hergestellt:

Harne Gramm/Liter

Silbernitrat 29

Kaliumiodid 398

Zitronenaäure 6

Dextroae 5

Kohlenatoffdiaulfid 1,5

Ammoniumhydroxid bia zum pH-Wert

Waaaer (deatilliert) 1000 ml

Diese Lösung hatte folgende Kennwerte j

pH-Wert =5,6

spezifiacher Widerstand =6,6 Ohm-cm

' Ί

Konzentration von Ag = 1,84 %

	Ag
1	Ag
2	Ag
3	Ag
4	Ag
5
Beiapiel IXVl

-^4?- 16 b / l ι

Der pH-Wert kann zwischen 1,5 und 2 variiert werden; die Konzentration von Ag⁺ -Ionen kann von 0,5 Ma 2,5 Massel betragen and der spezifiache Widerstand kann zwischen 6 Ohm-cm und Ohm-cra liegen,

Reakt.ionabed indungen

Matrix = Kupfer

Elektrode = Graphit

Elektrodenüberzug = Baumwollgaze

Frequenz = 9,5 kHz

Auftragungageschwindigkeit = 1710 mm/Minute

Auftragungadauer . =2,0 Minuten

Die Unterauchung mit dem Licht- und Rastermikroskop zeigte eine Silberschicht auf der Oberfläche mit einer Dicke von annähernd 2 /um. Daa Gefüge wird in Pig. 65 gezeigt·

Eine SEM/EPMA-Abtastung der Grenzfläche ergab eine Verschmelzung von Silber bis zu einer Tiefe von mindeatena 2,00 /um, wie aus nachstehender Tabelle und Fig. 66 hervorgeht»

Konzentration (Massel)

97,7 97,5 28,0 3,8 2,8 1,0

Wie aus den vorstehenden Beispielen ersichtlich iat, werden durch die Erfindung ein neuartiges Verfahren, eine Anlage für die Durchführung des Verfahrens, Lösungen für den Einsatz bei dem Verfahren und neue Produkte, die für die vielseitigsten Anwendungszwecke und Einsatzbedingungen geeignet sind,, zur Verfügung gestellt.

Wenn sich auch die Beschreibung auf Beispiele beschränkt hat, in denen die Aufbringung auf der gesamten Oberfläche erfolgte, so ist doch zu beachten, daß die Aufbringung selbstverständlich auf spezifische Bereiche von Oberflächen je nach einem spezifischen verlangten Ergebnis begrenzt werden kenn *

Tiefe,- /um	Element
1	Ag
2	. Ag
3	Ag
4	Ag
5	Ag
6	Ag

-48- ZJb/ 1 I U

Beispielsweise können Zinn, Gold und Silber infolge der aasgezeichneten, für sie typischen Leitfähigkeitskennwerte für elektrische Anwendungsfälle ve ns end et werden, und Schaltungen können auf andere Substrate aufgeschmolzen werden· Auch die Anti-^ korrosionseigenschaften von Zinn, Gold", Silber, nickel, Chrom, Cadmium, Molybdän und Wolfram sind wertvoll. Und die Anwendung dieser Metalle bei Eisen- und ITichteisensubstraten wird deren Antikorrosionsverhalten verbessern·

Chrom, Nickel, Silber, Gold oder Zinn bieten auch die Möglichkeit, der Matrix ein angenehmes Äußeres zu verleihen. Chrom, Molybdän, Wolfram, Titan und Kobalt verleihen der Matrix Oberflächenhärte*

Indium verleiht der Matrix Festigkeit und dient auch als AntiScheuermittel. Eine mit Molybdän behandelte Eisen- oder Nicht·* eisenmatrix besitzt verbesserte Friktions-Verschleiß- und Hochtemperaturbeständigkeitskennwerte. Es ist auch als dielektrische Beschichtung geeignet.

Eine mit Cadmium verschmolzene Matrix weist nicht nur verbesserte Kennwerte hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit auf, sondern kann auch als Antifoulingmittel zur Behandlung von Schiffsrümpfen dienen»

Mit Silber verschmolzene Matrizen sind insgesamt als Reflexionsmedium wertvoll.

Es wird deutlich geworden sein, daß das Verfahren und die Anlage äußerst vielseitig ohne großen Kapitalaufwand und Anlagenaufwand eingesetzt werden können und die Verwendung von Werkstoffen bei Anwendungsfällen ermöglichen, die bisher bei geringerem Aufwand als früher nicht in Frage kamen, und außer den beschriebenen Anwendungsfällen und Einsatzmöglichkeiten werden dem Fachmann noch viele andere bekannt sein.

Es wird gleichfalls deutlich geworden sein, daß die verschiedenen Parameter des Verfahrens je nach den betreffenden Variablen und den verlangten Ergebnissen verändert werden können, ohne daß vom Inhalt und Geltungsbereich der Erfindung, die in den angefügten Ansprüchen definiert werden, abgewichen wird*

Claims

ο ό / \ \ υ Erfindungsanapruch;

1· Verfahren für das Verschmelzen mindestens eines zweiten leitfähigen chemischen Elementes mit einer Matrix eines ersten leitfähigen chemischen Elementes bei Umgebungstemperatur, gekennzeichnet dadurch, daß das zweite leitfähige Element mit einer benachbarten Fläche des ersten leitfähigen chemischen Elementes in Kontakt gebracht wird, wobei das zweite leitfähige Element in Form einer dissoziierbaren lösung eingesetzt wird, und ein zerhacktes elektrisches Signal einer bestimmten Frequenz an das erste und zweite chemische Element angelegt wird, wodurch das zweite chemische Element mit dem ersten chemischen Element verschmolzen wird*

2« Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Lösung des zweiten chemischen Elementes wäßrig ist»

3« Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Lösung des zweiten chemischen Elementes organisch ist* .

4* Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die wäßrige Lösung einen im Bereich von 0,4 bis 14 liegenden pH-Wert hat und das zweite Element in der Lösung im Bereich von 0,10 bis 10 Masse?» vorhanden ist.

5. Verfahren nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Lösung einen im Bereich von 10 bis 80 Ohm-cm liegenden spezifischen Widerstand hat„

6«, Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das · erste leitfähige chemische Element aus der Gruppe der Eisen- und Nichteisenmetalle oder einer Legierung derselben ausgewählt wird»

7. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das zweite leitfähige chemische Element aus der Eisen- und Nichteisenmetalle und deren Legierungen umfassenden Gruppe ausgewählt wird·

8. Verfahren nach Punkt 6, gekennzeichnet dadurch, daß das erste leitfähige Element aus der Nichteisenmetalle oder eine Legierung derselben umfassenden Gruppe ausgewählt wird»

--* '- ι i b / ι ι

9* Verfahren nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß das erste leitfähige Element aus der Eisenmetalle oder eine Legierung derselben umfassenden Gruppe ausgewählt wird·

10. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das zweite leitfähige chemische Element unter den Elementen der Gruppen Tb, 2b, 3a, 4b, 6b ,und 8 ausgewählt wird, und das erste leitfähige chemische Elemente aus der Eisen- oder nichteisenmetalle oder eine Legierung derselben umfassenden Gruppe ausgewählt wird·

11· Produkt, das nach dem Verfahren nach Punkt 1 gewonnen wurde, gekennzeichnet dadurch, daß es eine Matrix aus einem ersten leitfähigen chemischen Element mit einer Außenfläche und eine Zone innerhalb der Matrix an der Außenfläche aus einem zweiten, darin eingeschmolzenen leitfähigen Element besitzt, wobei das zweite leitfähige Element aus der Zinn, Indium, Zink, Cadmium, Kupfer, Silber, Gold, Uickel, Kobalt, Eisen oder Chrom umfassenden Gruppe ausgewählt wird·

12. Produkt, gekennzeichnet dadurch, daß es nach dem Verfahren nach einem der vorstehenden Punkte hergestellt wurde·

- Hierzu 36/ Bl- Zeichnungen -