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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum galvanischen Beschichten eines
Bauteiles mit einer Chromschicht und darin angeordneten Partikeln.
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Der
Bedarf an maßgeschneiderten
und kostengünstigen
Schichten für
tribologische Anwendungen steigt stetig. Neue Erzeugnisse im Bereich
der Kraftfahrzeugausrüstung
müssen
ihre Funktion bei deutlich höheren
Belastungen und gleichzeitig kleinerer Bauweise über die geforderte Lebensdauer
erfüllen.
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Im
Zuge eines ständig
ansteigenden Kostendrucks im Automobilbereich wird die Entwicklung
von preiswerten Verschleißschutzschichten
mit hervorragenden funktionellen Eigenschaften angestrebt, die z.B.
bei gleicher Qualität
alternativ zu den etablierten aber teuren PVD- und CVD-Schichten
eingesetzt werden können.
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Die
Herstellung von Dispersionsschichten mit eingelagerten mikroskaligen
Feststoffpartikeln in tribologisch beanspruchten Werkstoffoberflächen wird
seit mehreren Jahrzehnten in der Industrie angewendet. Sie dient
der Verbesserung des Verschleißverhaltens
und der Gleiteigenschaften. Beispielsweise können Nickel-Siliciumcarbid-Schichten
für Zylinderlaufflächen genannt
werden.
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Versuche
zur Herstellung von Chrom-Dispersionsschichten mit ähnlichen
Methoden waren dagegen bisher erfolglos.
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Eine
Ausnahme bildet dagegen das aus der
EP 0 217 126 A1 beschriebene Verfahren zur
Herstellung einer galvanischen Hartchromschicht, bei der eine Chromabscheidung
auf einer Oberfläche
eines Bauteiles mit einem so genannten Pulsverfahren durchgeführt wird.
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Dabei
erfolgt die Abscheidung von Chrom aus einem Elektrolyten, der im
Wesentlichen sechswertige Chromsäure
enthält.
Während
der galvanischen Abscheidung bildet sich ein Kathodenfilm aus, der
sechs-, drei- und zweiwertige Chromionen enthält und im Elektrolyten dispergierte
Partikel von dem die Kathode darstellenden Bauteil bzw. deren Oberfläche abschirmt.
Weiterhin werden die Partikel durch den an der Kathode während der
Abscheidung von Chrom auf der Oberfläche des Bauteiles freiwerdenden
Wasserstoff (Nebenreaktion) abgedrängt.
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Bei
dem beschriebenen Verfahren wird nicht in der üblichen Art und Weise während der
galvanischen Abscheidung ein Gleichstrom angelegt, sondern es wird
eine Pulsabscheidung eingesetzt. Nach einem kathodischen Strompuls,
während
dem Chrom auf einem zu beschichtenden Bauteil abgeschieden wird,
wird ein wesentlich kürzerer
anodischer Strompuls vorgesehen, bei dem die während des kathodischen Strompulses
auftretende Wasserstoffentwicklung unterbunden wird. Zusätzlich verstärkt die
Pulsabscheidung die Rissbildung in der abgeschiedenen Chromschicht
und weitet die in der abgeschiedenen Chromschicht vorhandenen Mikrorisse
auf. Partikel mit Korngrößen zwischen
0,5 μm bis
15 μm gelangen während des
anodischen Strompulses in die Mikrorisse, werden dort fixiert und
während
eines sich an den anodischen Strompuls anschließenden kathodischen Strompuls,
bei der wiederum Chrom abgeschieden wird und die Chromschicht weiter
anwächst,
in den Mikrorissen eingeschlossen. In der während des weiteren kathodischen
Strompulses neu erzeugten Chromschicht bilden sich wiederum Mikrorisse,
wobei sich während
des sich an dem kathodischen Strompuls wiederum anschließenden nächsten anodischen
Strompulses aufgrund der unterbrochenen Wasserstoffentwicklung Partikel
in diese Mikrorisse einlagern und durch eine weitere während eines
sich wiederum anschließenden
kathodischen Strompulses erzeugte Chromschicht in den Mikrorissen
eingeschlossen werden.
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Mit
dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellte Schichtsysteme, die
mit Hartstoffpartikeln mit den oben genannten Korngrößen aufgebaut
sind, sind nachteilhafterweise durch eine große Rauhigkeit gekennzeichnet.
Zusätzlich
führen
aus derartigen Schichtsystemen bzw. Dispersionsschichten herausragende
Hartstoffpartikel in tribologischen Systemen zu einer unerwünscht starken
Abrasion am Gegenkörper.
Weiterhin können
aus einem solchen Schichtsystem freigesetzte und im tribologischen
System vagabundierende Partikel Funktionsstbrungen wie eine Beschädigung von
Dichtungungen, eine Verstopfung von Einspritzlöchern von Kraftstoffeinspritzsystemen usw.,
bewirken.
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Technische Aufgabe
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum galvanischen Beschichten eines Bauteiles mit einer Chromschicht und
darin angeordneten Partikeln zur Verfügung zu stellen, mittels welchem
ein Bauteil eines vorzugsweise tribologischen Systems auf kostengünstige Art und
Weise mit einer an den jeweils vorliegenden Anwendungsfall optimierten
Schutzschicht versehen werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum galvanischen Beschichten eines Bauteiles mit einer Chromschicht
und darin angeordneten Partikeln werden Chromatome während eines
kathodischen Strompulses mit definierter Pulsdauer und definierter Stromdichte
auf der Oberfläche
des Bauteiles abgeschieden. An den kathodischen Strompuls schließt sich
ein anodischer Strompuls mit ebenfalls definierter Pulsdauer sowie
definierter Stromdichte an, während
dem sich auf der Oberfläche
abgeschiedene Chromatome wieder von der Oberfläche ablösen und in einen das Bauteil
umgebenden Elektrolyten übergehen
und während
dem sich die in dem Elektrolyten vorhandenen Partikel an der mit
der chrombeschichteten Oberfläche
des Bauteiles anlagern. Auf jeden kathodischen Puls folgt jeweils
ein anodischer Strompuls, wobei die Abfolge mehrmals hintereinander durchgeführt wird.
Die Partikel sind vorteilhafterweise als Nanopartikel mit Korngrößen zwischen
2 nm bis 400 nm ausgebildet, wobei wenigstens ein Anteil der Nanopartikel
in der Chrom-Matrix der Chromschicht eingebettet ist.
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Mit
dem vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ist im Vergleich
zu aus dem Stand der Technik bekannten PVD- und CVD-Beschichtungsverfahren
eine Chrom-Nanodispersionsschicht
auf der Oberfläche
eines Bauteiles kostengünstiger
herstellbar, da galvanische Beschichtungsverfahren mit geringerem
apparativem Aufwand realisierbar sind. Zusätzlich sind Chrom-Nanodispersionsschichten
im Vergleich zu Chromdispersionsschichten, welche mit eingebauten
Partikeln, deren Korngrößen größer als 0,5
nm sind, durch eine geringere Rauhigkeit gekennzeichnet, wodurch
auf einfache Art und Weise eine Verlängerung der Lebensdauer des
mit dem beschichten Bauteiles zusammenwirkenden Gegenkörpers eines
tribolo gischen Systems aufgrund eines reduzierten Abriebs bzw. einer
herabgesetzten Abrasion erzielt wird.
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Darüber hinaus
verursachen im tribologischen System vagabundierende Partikel mit
Korngrößen zwischen
2 nm bis 400 nm, welche nachfolgend als Nanoteilchen bezeichnet
werden, aufgrund ihrer Korngrößen keine
die Funktionsweise eines tribologischen Systems in wesentlichem
Umfang herabsetzende Störungen.
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Grundsätzlich wird
bei dem Verfahren nach der Erfindung während eines sich an einen kathodischen
Strompuls anschließenden
anodischen Strompuls, der einen so genannten anodischen Ätzpuls darstellt,
eine blanke Chromoberfläche
erzeugt, an der im Elektrolyten dispergierte Nanopartikel anhaften,
wobei die Haftung der Partikel an der blanken Chromschicht durch
elektrostatische und durch kovalente Bindungskräfte erfolgt.
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Dabei
ist es nicht notwendig, dass eine während eines kathodischen Strompulses
auf der Oberfläche
des Bauteiles erzeugte Chromschicht Mikrorisse aufweist, in die
die Nanopartikel eingelagert werden. Vielmehr findet die Anlagerung
der Nanopartikel während
der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
auch in völlig
rissfreien Bereichen der Chromschicht statt. Damit ist eine Einlagerung von
Nanopartikeln in eine Chromschicht bzw. in deren Chrom-Matrix möglich. Dies
bietet auf einfache Art und Weise die Möglichkeit, Chromdispersionsschichten
gezielt mit den für
den jeweiligen Anwendungsfall erforderlichen Schichteigenschaften
auszuführen,
die im Vergleich zu Chromdispersionsschichten, die mit in Mikrorissen
einer Chromschicht eingelagerten Partikeln mit Partikelgrößen größer als
0,5 μm ausgebildet
sind, über
die flächige
Erstreckung einer Chromschicht mit gleichmäßigeren Schichteigenschaften
vorliegt, da die Partikel in der gesamten Schicht, d. h. nicht nur
in den Mikroassen, eingelagert und eingebettet sind.
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Die
an der blanken Chromschicht haftenden Nanopartikel werden auch bei
einer erneuten Wasserstoffentwicklung während eines sich an einen anodischen
Strompuls anschließenden
kathodischen Strompulses, während
dem eine erneute Chromabscheidung stattfindet, nicht von der Chromschicht
abgedrängt.
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Mit
dem vorbeschriebenen Verfahren besteht nunmehr auf einfache Art
und Weise die Möglichkeit,
Nanopartikel, wie Nanodiamant, Grundteilchen von wenigen Nanometern,
Hartstoffpartikel auf Basis von Aluminiumoxid, Titanoxid, Siliziumoxid,
Zirkoniumoxid, Siliziumcarbid, Wolframcarbid, Chromcarbid, Borcarbid,
Siliziumnidrid, aber auch Metall- und Metalllegierungspartikel aus
bzw. basierend auf Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt,
Nickel, Kupfer, Zink, Aluminium, Silizium, Gallium, Germanium, Rubidium,
Strontium, Yttrium, Zirkonium, Niob, Molybdän, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Silber,
Cadmium, Indium, Zinn, Antimon, Barium, Lanthan, Cer, Neodym, Tantal,
Wolfram, Osmium, Iridium, Platin, Gold, Blei, Wismut und ihre Verbindungen,
Feststoffschmierpartikel wie Graphit, hexagonales Bornitrid, Molybdänsulfid
oder auch polymere Teilchen wie Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid,
Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyethylen in eine wachsende Chromschicht
bzw. in die Chrom-Matrix der Chromschicht einzubetten, wobei die
vorgenannten Partikelmaterialien jeweils einzeln oder in Kombination
in der Schicht vorgesehen werden können.
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Zusätzlich ist
es bei einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, dass auf der Oberfläche
des Bauteils eine mit in der Chrom-Matrix eingebetteten Nanopartikeln
ausgebildete Schicht erzeugt wird, die mehrlagig ist, wobei die
verschiedenen Schichtlagen in Abhängigkeit der eingebetteten
Nanopartikel mit unterschiedlichen Schichteigenschaften aufgeführt sind.
So ist beispielsweise eine Verschleiß- und Reibungsminimierung
durch Ausbilden von Einlauf- und Lebensdauerschichten auf einfache
Art und Weise realisierbar.
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Zusätzlich oder
alternativ hierzu ist es bei einer weiteren vorteilhaften Variante
des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, dass auf der Oberfläche
des Bauteils eine mit in der Chrom-Matrix eingebetteten Nanopartikeln ausgebildete
Schicht erzeugt wird, bei der ein Konzentrationsgradient der Partikel
in der Schicht über
der Schichtdicke variiert, um eine an die Lebensdauer eines tribologischen Systems
angepasste Schicht zu erzeugen. Dabei sind Chromschichten mit völlig neuen
Farbeigenschaften sowie Chromschichten mit erhöhter Beständigkeit gegenüber einer
Schlag-, Stoß-
und Vibrationsbelastung ausführbar,
wenn entsprechende Nanopartikel in eine Chromschicht mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
in die Chrom-Matrix eingebettet werden.
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So
ist beispielsweise eine Verschleißschutzanzeigemittel mit in
die Chromschicht eingebetteten und als Farbindikatoren ausgebildeten
Nanopartikel realisierbar, während
die Schlag-, Stoß-
und Vibrationsbelastung durch das Einbetten duktiler Metalle und/oder
Metalllegierungen verbessert werden kann.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes nach
der Erfindung sind den Patentansprüchen, der Beschreibung sowie
der Zeichnung entnehmbar.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
einzige Figur der Zeichnung zeigt ein stark schematisiertes Ablaufschema
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsform
der Erfindung
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In
der Figur ist ein stark schematisiertes Ablaufschema des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum galvanischen Beschichten eines Bauteiles mit einer Chromschicht
mit darin angeordneten Partikeln bzw. als Nanopartikeln mit Korngrößen zwischen
2 nm bis 400 nm, dargestellt, wobei wenigstens ein Anteil der Nanopartikel
in der Chrom-Matrix der Chromschicht eingebettet ist.
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Während eines
Schrittes S1 wird die Oberfläche
des Bauteiles mittels eines herkömmlichen
Reinigungsprozesses gereinigt und für eine sich daran anschließende galvanische
Stromabscheidung vorbereitet. Gleichzeitig werden die für die nachfolgenden
Prozessschritte erforderlichen Prozessparameter definiert und an
den Prozess übergeben.
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Während eines
sich an den Schritt S1 anschließenden
Schrittes S2 wird eine Pulszahl n auf den Wert 1 gesetzt und während eines
sich wiederum daran anschließenden
Schrittes S3 das in einem handelsüblichen Elektrolyten angeordnete
Bauteil während
eines kathodischen Strompulses mit Chrom beschichtet. Dabei wird
vorliegend ein so genannter Chromelektrolyt, der aus 250 g/l CrO3 und 2,5 g/l H2SO4 mit 10 g/l Al2O3-Dispersion besteht, verwendet. Die im Chromelektrolyten
dispergierten Partikel weisen bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel
einen mittleren Durchmesser d50 von 32 nm
auf. Die Chromschichten werden unter Rührung mit 800 U/min abgeschieden.
Die Abscheidung von Chromatomen auf der Oberfläche des Bauteiles erfolgt während des
Schrittes S3 mit einer Stromdichte zwischen 50 A/dm2 bis
100 A/dm2. Als Pulsdauer wird für den kathodischen
Strompuls jeweils ein Zeitraum von 5 Minuten bis 60 Minuten, vorzugsweise
von 10 Minuten bis 30 Minuten, vorgesehen.
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Während eines
darauffolgenden Schrittes S4 wird ein anodischer Strompuls mit einer
Stromdichte zwischen 75 A/dm2 bis 200 A/dm2, vorzugsweise zwischen 100 A/dm2 bis 150 A/dm2,
durchgeführt,
bei dem eine Wiederauflösung
der während
des Schrittes S3 abgeschiedenen Chromschicht beginnt und eine blanke
Chromoberfläche
erzeugt wird. Während des
anodischen Strompulses bzw. des anodischen Ätzpulses lagern sich sowohl
in völlig
rissfreien Bereichen der Chromschicht als auch in Mikrorissen der Chromschicht
die Al2O3-Partikel
an bzw. ein.
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Dabei
wird der anodische Puls zwischen 10 s bis 60 s durchgeführt. Die
Pulsdauer des kathodischen Strompulses und des sich daran anschließenden anodischen
Strompulses sind derart aufeinander abgestimmt, dass während des
kathodischen Strompulses mehr Chrom abgeschieden wird, als während des
darauffolgenden anodischen Pulses wieder aufgelöst wird.
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Nach
Beendigung des anodischen Strompulses wird die Pulzzahl n während eines
Schrittes S5 um den Wert 1 erhöht
und während
eines Abfrageschrittes S6 überprüft, ob die
Pulszahl n kleiner als eine während
des Schrittes S1 vordefinierte maximale Pulszahl n_max ist. Bei
negativem Abfrageergebnis wird vor den Schritt S3 zurückverzweigt
und während
eines weiteren kathodischen Strompulses erneut Chrom auf der zuvor
abgeschiedenen Chromschicht und den nunmehr an der Chromschicht
anhaftenden Al2O3-Partikel
abgeschieden, wobei die während
des letzten anodischen Strompulses abgeschiedenen Al2O3-Partikel durch die während des erneuten kathodischen
Strompulses beginnenden Wasserstoffentwicklung, die parallel mit
der erneuten Chromabscheidung stattfindet, nicht abgedrängt werden.
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An
den zweiten kathodischen Strompuls schließt sich ein zweiter anodischer
Strompuls an, um weitere Al2O3-Partikel
mit den vorgenannten Korngrößen an der
erzeugten Chromschicht anzulagern. Nach Beendigung des zweiten anodischen Strompulses
wird die Pulszahl n im Schritt S5 um den Wert 1 erhöht.
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Die
vorbeschriebene Vorgehensweise wird solange wiederholt, bis während des
Abfrageschrittes S6 ermittelt wird, dass die Pulszahl n größer als die
maximale Pulszahl n_max ist. Mit Überschreiten der maximalen
Pulszahl n_max wird zum Schritt S7 verzweigt, während dem das Verfahren beendet
wird.
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Die
maximale Pulszahl wird in Abhängigkeit des
jeweils vorliegenden Anwendungsfalles auf Werte zwischen 3 bis 30
eingestellt, um die jeweils angestrebten Schichteigenschaften zu
erreichen, wobei bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
eine maximale Pulszahl n_max von 15 vorgesehen ist.
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Mit
dem vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren sind diverse
metallische und nichtmetallische Stoffe sowie Partikel an einer
metallischen Chromschicht aufgrund der großen Bin dungskräfte der
freien Chromatome, die ein intensives Haften gewährleisten, abscheidbar. Während des
erfindungsgemäßen Verfahrens
in der Chromschicht auftretende Mikrorisse sind für die Einbettung
von Nanopartikel in die Chrom-Matrix der Chromschicht nicht erforderlich.
Derartige Mikrorisse behindern den Prozess jedoch nicht, so dass
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch eine Abscheidung von mikrorissigen Chrom-Nanodispersionsschichten
möglich
ist.