DE102009043594A1

DE102009043594A1 - Verfahren zum elektrochemischen Beschichten und Einbau von Partikeln in die Schicht

Info

Publication number: DE102009043594A1
Application number: DE102009043594A
Authority: DE
Inventors: Jens Dahl Dr. Jensen; Stefan Lechner; Marinko Dipl.-Wirtsch. Lekic-Ninic; Oliver Dr. Stier; Peter Mag. Wieser; Gabriele Chem.-Ing. Winkler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2009-09-25
Publication date: 2011-03-31
Anticipated expiration: 2029-09-26
Also published as: WO2011036004A1; DE102009043594B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks (11), vorzugsweise der Arbeitswalze eines Walzwerkes, wobei das Beschichten elektrochemisch beispielsweise mittels Brush Plating durch einen Überträger (15) erfolgt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in die Schicht Partikel eingebaut werden, indem die einzubauenden Partikel mit einem thermischen Spritzverfahren, beispielsweise mit einer Kaltspritzdüse (20) auf die Oberfläche (18) des Werkstückes (11) aufgetragen werden. Hierdurch lässt sich vorteilhaft die Konzentration der Partikel in der Schicht genau einstellen. Nach dem Aufbringen der Partikel wird wieder elektrochemisch beschichtet, so dass die Partikel in die Schichtmatrix eingebaut werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks, auf dem elektrochemisch eine Schicht hergestellt wird, in die Partikel eines Feststoffes eingebaut werden.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist beispielsweise gemäß der DE 602 25 352 T2 beschrieben. Es ist gemäß diesem Verfahren möglich, die Oberfläche elektrochemisch beispielsweise mittels Brush Plating zu beschichten. Hierbei wird ein Fließ, offenporiger Schwamm oder eine Bürste als Überträger verwendet, um ein Elektrolyt auf die zu beschichtende Oberfläche zu übertragen. Dort wird durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Substrat und einer im Bereich des Überträgers für den Elektrolyten angeordneten Elektrode aus dem Elektrolyt ein metallischer Werkstoff auf der Oberfläche abgeschieden. Dabei können gleichzeitig in dem Elektrolyt Partikel zum Einsatz kommen, die mittels des Überträgers ebenfalls auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht und mit dem metallischen Material zusammen abgeschieden werden können, indem diese in die sich ausbildende metallische Matrix eingebaut werden. Zu diesem Zweck müssen die abzuscheidenden Partikel in dem verwendeten Elektrolyt dispergiert werden, wobei hierbei beachtet werden muss, dass eine Grenzkonzentration an dispergierten Partikeln im Elektrolyt nicht überschritten wird. Sonst fallen die Partikel aus dem Elektrolyt wieder aus und bilden einen Schlamm, der den elektrochemischen Abscheideprozess stört. Wegen der Grenzkonzentration an dispergierbaren Partikeln im Elektolyt ist auch die Konzentration der in der Schichtmatrix abscheidbaren Partikel begrenzt.
Gemäß der WO 2006/061081 A2 ist es außerdem bekannt, dass eine elektrochemische Abscheidung von Metall auch mit ionischen Flüssigkeiten vorgenommen werden kann, die einem wässerigen Elektrolyten ersetzen. Der Einsatz ionischer Flüssigkeiten, also Salzschmelzen, die im Bereich von unter 100°C, vorzugsweise sogar bei Raumtemperatur flüssig vorliegen, hat den Vorteil, dass sich bei deren Verwendung größere Prozessfenster für die Abscheidung von Metallen ergeben, die sich mittels wässriger Elektrolyte aufgrund ihrer Position in der Spannungsreihe der Metalle nicht oder nur schwer abscheiden lassen. Ein Beispiel für ein solches Metall ist Ta. Es ist zu beachten, dass die aus der Salzschmelze auf der zu beschichtenden Oberfläche abgeschiedenen Metallionen durch neue in die Salzschmelze eingebrachte Metallionen ersetzt werden müssen, damit der Abscheideprozess nicht zum Erliegen kommt. Ein Verfahren für das Konstanthalten der Konzentration an Metallionen ist beispielsweise in der DE 43 44 387 A1 beschrieben.
Aus der DE 103 48 896 A1 geht hervor, dass es bei verschiedenen Anwendungsfällen wünschenswert ist, die Oberflächeneigenschaften von Bauteilen nur auf Teilbereichen dieser Oberfläche zu verändern. Als Beispiel wird eine Reflektorscheibe genannt, die in Rotorspinnvorrichtungen eingebaut werden kann und zur Drehzahlbestimmung verwendet wird. Zu diesem Zweck kann die Reflektorscheibe mit einer Einfärbung versehen werden, die vorzugsweise nicht nur auf der Oberfläche, sondern auch in den oberflächennahen Bereichen der Reflektorscheibe vorhanden ist.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein elektrochemisches Beschichtungsverfahren dahingehend zu verbessern, dass die elektrochemisch abgeschiedenen Schichten mit eingelagerten Partikeln hergestellt werden können, wobei ein möglichst großer Spielraum für das elektrochemisch abgeschiedene Material und für die abgeschiedenen Partikel hinsichtlich der Konzentration in der Beschichtung, des Materials und des intendierten Verwendungszweckes erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die einzubauenden Partikel mit einem thermischen Spritzverfahren auf das Werkstück aufgebracht werden und anschließend durch das elektrochemische Beschichten in die Schicht eingebaut werden. Der Erfindungsgedanke liegt also darin, den Einbau der Partikel nicht durch Einbringen derselben in das Elektrolyt zu vollziehen, sondern hierfür ein gesondertes Beschichtungsverfahren vorzusehen. Hierzu eignen sich vorteilhaft die thermischen Spritzverfahren, wobei die Partikel durch Spritzen auf die Oberfläche aufgebracht werden. Um die Einlagerung von Partikeln zu gewährleisten, ist es dabei erforderlich, durch das thermische Spritzen keine geschlossene Schicht darzustellen, sondern vielmehr die Partikel einzeln auf der Oberfläche zu deponieren, wo sie sich mechanisch mit der Oberfläche verkrallen. Anschließend können die zumindest im Wesentlichen auf der Oberfläche vorliegenden Partikel in einem elektrochemischen Beschichtungsschritt in die im Aufbau befindliche Schicht eingebaut werden. Somit wird die Schichtmatrix durch das elektrochemische Beschichten erzeugt und die Einlagerung der Partikel wird mittels der Prozessparameter beim thermischen Beschichten eingestellt. Der Vorteil der Aufgabentrennung beim Beschichten ist, dass ein größerer Spielraum entsprechend der oben angeführten Aufgabe zur Schichtgestaltung zur Verfügung steht. Zum einen können auch Partikel verarbeitet werden, die sich nicht oder nur schlecht in Form von Dispersionen mit dem Elektrolyt verarbeiten lassen. Als Beispiel hierfür seien CNT (Carbon Nanotubes) oder BNNT (Bornitrid Nanotubes) genannt.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Konzentration der Partikel in der sich ausbildenden Schicht leicht variiert werden kann und vor allem höhere Konzentrationswerte erreichbar sind. Die Konzentration der Partikel in der Schicht hängt vorrangig von zwei Parametern ab. Zum einen kann während des thermischen Spritzens die Belegungsdichte der einzelnen Partikel auf der Oberfläche variiert werden. Hierdurch wird der mittlere Abstand der einzelnen Partikel in lateraler Schichtrichtung eingestellt. Er ist lediglich dadurch begrenzt, dass die gespritzten Partikel sich ab einer bestimmten Belegungsrate zu einer geschlossenen Schicht verbinden. Der zweite Parameter ist die Dicke der elektrochemisch erzeugten Schicht. Diese bestimmt den mittleren Abstand der Partikel in Richtung der Schichtbildung. Besonders bevorzugt wird dabei die Schicht in mehreren Lagen hergestellt, indem das thermische Spritzverfahren und das elektrochemische Beschichten mehrfach im Wechsel durchgeführt werden. Die elektrochemische Schicht entsteht somit in mehreren Lagen, deren jeweilige Dicke für den Abstand der Partikel gesehen in Richtung des Schichtbildungsprozesses verantwortlich ist. Es ist nicht einmal erforderlich, dass die Partikel durch die anschließend elektrochemisch hergestellte Lage vollständig abgedeckt werden, wenn die folgende Anzahl von Partikeln auf die Oberfläche mittels thermischen Spritzens aufgebracht wird. Allerdings ist in diesem Fall die Belegungsdichte der aktuellen Oberfläche an Partikeln derart zu wählen, dass es nicht zu häufig zu einer Verbindung zwischen Partikeln benachbarter Lagen kommt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als thermisches Spritzverfahren ein Kaltgasspritzen angewendet wird. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die Beschichtungspartikel vorrangig aufgrund ihrer kinetischen Energie auf der Oberfläche haften bleiben. Diese wird mittels einer Kaltspritzdüse in einem Kaltgasstrahl erzeugt, wobei eine Erwärmung der Partikel nicht oder nur in geringem Maße erfolgt. In jedem Fall reicht die Erwärmung nicht aus, um, wie bei anderen thermischen Spritzverfahren, die Partikel aufzuschmelzen. Der Vorteil bei der Anwendung des Kaltgasspritzens ist daher, dass die Integrität des Gefüges der verwendeten Partikel durch das Kaltgasspritzen nicht beeinträchtigt wird. Außerdem hat dieses Verfahren den Vorteil, dass insbesondere bei einer weichen elektrochemisch hergestellten Schichtmatrix der vorangehenden Lage die Partikel in die Schicht eindringen, wodurch eine bessere Verteilung der Partikel in der ausgebildeten Schicht erreicht wird.
Selbstverständlich ist es vorteilhaft möglich, dass in die einzelnen Lagen Partikel unterschiedlicher Art und/oder Größe und/oder Form (Oberflächenbeschaffenheit wie Rauheit, Gestalt wie globular, abgeflacht, röhrenförmig) in unterschiedlicher Konzentration eingebaut werden. Hierdurch können vorteilhaft Schichten hergestellt werden, die komplexen Anforderungsprofilen genügen. Insbesondere lassen sich auch Multilayer- und Gradientenschichten herstellen. Multilayerschichten erhält man, wenn in den einzelnen elektrochemisch hergestellten Lagen sprunghafte Änderungen der Partikelbeschaffenheit oder Konzentration vorgenommen werden. Demgegenüber lassen sich Gradientenschichten erzeugen, indem sich die genannten Parameter von hergestellter Lage zu hergestellter Lage allmählich ändern. Dass die Lagen an sich einzeln hergestellt werden, ist hierbei nicht von Bedeutung, da die Schichtmatrix der einmal hergestellten Schicht die Grenzen zwischen den Lagen nicht mehr erkennen lässt. Werden die Lagen hinreichend dünn gewählt, so entsteht durch die allmählich sich ändernden Parameter in den einzelnen Lagen de facto eine Gradientenschicht.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dass das thermische Spritzen und das elektrochemische Beschichten gleichzeitig, jedoch jeweils an unterschiedlichen Stellen des Werkstückes durchgeführt wird. Hierdurch lässt sich vorteilhaft eine besonders hohe Effizienz bei der Beschichtung des Werkstückes erreichen. Voraussetzung ist, dass das Werkstück mit beiden Beschichtungsverfahren jeweils nur partiell und dafür gleichzeitig beschichtet wird. Beim thermischen Spritzen ist dies ohnehin erforderlich, weil immer nur der Punkt des Auftreffens des Beschichtungsstrahls gerade beschichtet wird. Beim elektrochemischen Beschichten muss ein Beschichtungsverfahren gewählt werden, bei dem eine partielle Beschichtung des Bauteils möglich ist, d. h. bei dem nicht das ganze Bauteil in den Elektrolyten eintaucht. Dies ist bevorzugt beim Anwenden des Brush Platings möglich, wobei hier lediglich der Teilbereich des Werkstücks aktuell elektrochemisch beschichtet wird, welcher mit dem Überträger des Elektrolyten in Kontakt steht.
Besonders bevorzugt lässt sich das gleichzeitige Beschichten des Werkstückes mit beiden Beschichtungsverfahren anwenden, wenn als Werkstück ein zylindrischer Körper, insbesondere eine Arbeitswalze für Walzwerke, beschichtet wird, wobei dieser in Rotation um seine Mittelachse versetzt wird und an einer Stelle seines Umfanges das elektrochemische Beschichten und an einer anderen Stelle seines Umfanges das thermische Spritzen vorgenommen wird. Dies lässt sich beispielsweise bewerkstelligen, indem das zylindrische Werkstück nur mit einem Teil seiner Umfangsfläche in den Elektrolyten eingetaucht wird. Für ein gleichmäßiges Beschichten sorgt dann die gleichmäßige Drehung des zylindrischen Werkstückes, durch das nach und nach die gesamte Mantelfläche beschichtet werden kann. In dem Bereich, welcher nicht in den Elektrolyten eintaucht, kann das thermische Beschichten vorgenommen werden.
Auch unter Anwendung des Brush Platings ist die Drehung der Walze sehr vorteilhaft. Der Überträger für das Brush Plating muss dann lediglich an das Werkstück herangeführt werden, wobei eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Überträger durch die ständige Drehung des zylindrischen Werkstückes zustande kommt.
Das Verfahren kann besonders vorteilhaft für Arbeitswalzen eines Walzwerks zum Kaltwalzen angewendet werden. Diese dienen dem Transport des zu walzenden Gutes, z. B. einem Blech, welches durch die Führung zwischen den Arbeitswalzen beispielsweise in seiner Wandstärke verringert wird. Daher unterliegen die Arbeitswalzen eines Walzwerks einem enormen Verschleiß. Dieser kann durch die erfindungsgemäß aufgetragenen Beschichtungen verringert werden. Zu diesem Zweck werden in die Beschichtung bevorzugt Partikel eines Hartstoffs eingebettet. Dies können beispielsweise die Oxyde von Al, Co, Mg, Ti, Si oder Zr, die Nitride von Al, B oder Si und die Carbide von B, Cr, Bi, Si oder W sein. Weiterhin können Kohlenstoff als Graphit, Diamant oder Glassy-Carbon oder Gemische aus allen genannten Stoffen zum Einsatz kommen. Besonders bevorzugte Hartstoffe sind die Folgenden: TiC, B₄C, Cr₃C₂, SiC, WC, TiN, TiB₂, Al₂O₃, CrO₃, TiO₂. Auch Partikel aus Hartmetallen (WC, TiC oder TiN mit einem Anteil von ≥ 90 Gew.-% in einer Matrix aus Co, Ni, oder Mo) können verwendet werden.
Die verwendeten Hartstoffe in der Matrix der hergestellten Schicht verringern zum einen vorteilhaft deren Abrieb, so dass deren Verschleißfestigkeit steigt. Weiterhin erfüllen die Hartstoffe jedoch auch den Zweck, die Oberflächenrauhigkeit der Schicht zu vergrößern, welche erforderlich ist, damit das Drehmoment der Arbeitswalzen auf das zu walzende Blech übertragen werden kann. Werden die Hartstoffe durch den mehrlagigen Aufbau der Walze über die gesamte Schichtdicke vorgesehen, so wird weiterhin vorteilhaft sichergestellt, dass auch bei einem Abrieb der Schicht mit fortlaufendem Verschleiß durch Freilegen immer neuer Hartstoffpartikel die Oberflächenrauhigkeit der Walze erhalten bleibt. Dies bedeutet, dass vorteilhaft ein Bauteil geschaffen wird, welches über seine gesamte vorgesehen Lebensdauer die Anforderungen an die Oberflächenrauhigkeit in vollem Maß erfüllt.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Elektrolyt für das elektrochemische Beschichten eine ionische Flüssigkeit verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass auch unedlere Metalle aus einem nicht wässrigen Medium, nämlich der Salzschmelze des ionischen Beschichtens, abgeschieden werden können. Bei ionischen Flüssigkeiten handelt es sich um organische Flüssigkeiten, die aus einem Kation wie einem alkylierten Imidazolium, Pyridinium-, Ammonium- oder Phosphoniumionen und einem Anion, wie z. B. einfachen Hallogeniden, Tetrafluorboraten oder Hexafluorphospaten, Bi(trifluoromethylsulfonyl)imiden oder Tri(pentafluorethyl)-Trifluorphospaten bestehen.
Da ionische Flüssigkeiten auch eine hohe elektrochemische Stabilität besitzen, können vorteilhaft unter anderem die Metalle Ti, Ta, Al und Si abgeschieden werden, die sich aus wässrigen Elektrolyten aufgrund der starken Wasserstoffentwicklung nicht abscheiden lassen. Geeignete Metallsalze, die auch in der eingangs erwähnten WO 2006/061081 A2 genannt werden, sind beispielsweise Halogenide (Chloride, Bromnide, Fluoride), Imide, Amide, Alkoholate und Salze von ein-, zwei- und mehrwertigen organischen Säuren, wie Acetate, Oxalate oder Tartrate. Die Metalle, die elektrochemisch abgeschieden werden sollen, werden durch anodische Auflösung in die geeignete ionische Flüssigkeit gebracht. Als Gegenelektrode zum zu beschichtenden Bauteil wird eine lösliche Elektrode verwendet. Diese besteht aus dem Metall, das beschichtet werden soll. Alternativ kann das abzuscheidende Metall auch als Salz der ionischen Flüssigkeit zugefügt werden. Als Gegenelektrode zum Substrat kann dann beispielsweise eine Platinelektrode verwendet werden. In diesem Fall muss dafür gesorgt werden, dass die Konzentration der abzuscheidenden Metallionen in der ionischen Flüssigkeit aufrechterhalten wird, was beispielsweise in der eingangs bereits erwähnten DE 43 44 387 A1 näher beschrieben wird. Außerdem können die Metalle bei Verwendung von ionischen Flüssigkeiten auch als nanokristalline Metallschichten abgeschieden werden. Hierzu sind der ionischen Flüssigkeit geeignete Kationen, wie z. B. Pyrroliniumionen, hinzuzufügen, die grenzflächenaktiv sind und daher als Kornverfeinerer beim elektrochemischen Abscheiden wirken. Vorteilhaft ist es, dass unter diesen Bedingungen häufig auf die Zugabe von Netzmitteln oder Glanzmitteln verzichtet werden kann.
Gemäß einer weiterführenden Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Partikel nur in einen Teil der beschichteten Fläche eingebaut werden, während der andere Teil der beschichteten Fläche ohne diese Partikel hergestellt wird. Hierdurch ist vorteilhaft eine Beschichtung eines Bauteils mit einer Schicht möglich, die nur partiell durch Einbringen geeigneter Partikel in ihrem Anforderungsprofil verändert wird. Gleichzeitig können andere Bereiche der Schicht durch andere Partikel modifiziert werden. Es ist aber auch möglich, dass Teilbereiche der Schichtfläche ohne Einlagerung von Partikeln hergestellt werden (natürlich ist es auch möglich, Teile des Höhenprofils mit Partikeln zu versehen, und dies über die gesamte Schichtfläche – hierdurch entsteht dann ein mehrlagiger Aufbau oder ein Gradienten-Aufbau des Schichtprofils). Die Einbringung der Partikel wird durch die lokale Anwendung des thermischen Beschichtungsverfahrens direkt gesteuert. Die Auflösung, die dabei zu erreichen ist, entspricht dem Einflussbereich des thermischen Beschichtungsstrahls, beispielsweise des Kaltgasstrahls und ist daher vor teilhaft vergleichsweise genau einstellbar.
Auf diese Weise können beispielsweise lokale Schichtbereiche hergestellt werden, die anschließend zum Erfassen von Betriebszuständen des Bauteils, wie z. B. der Drehzahl, dienen können. Vorteilhaft können als Partikel beispielsweise hartmagnetische Werkstoffe in die Schicht eingebaut werden. Hierzu eignen sich beispielsweise Kobalt-, Samarium-, Neodym-, Eisen- und Borverbindungen, wie z. B. SmCo₅-, Nd₂Fe₁₄B-, AlNi-Co-, PtCo-, CuNiFe-, CuNiCo-, FeCoCr- oder MnAlC-Legierungen sowie marthensitische Stähle. Die Änderung der magnetischen Eigenschaften, beispielsweise bei Drehung eines Bauteils, kann dann z. B. mit einer Feldspulenanordnung ausgelesen werden.
Vorteilhaft ist es auch möglich, als Partikel Kunststoffe und/oder keramische Werkstoffe einzubauen. Hier können beispielsweise Teflon oder PTFE als Kunststoffe oder Aluminiumoxid oder Siliziumoxid als keramischer Werkstoff zum Einsatz kommen. Die Einlagerung in die metallische Schichtmatrix ändert die Dielektrizitätskonstante und damit die Kapazität im Bereich der Einlagerung, so dass beispielsweise bei Drehung einer Welle mit derartig partiell eingelagerten Partikeln die Drehzahl mittels elektrischer Kondensatorplatten ausgelesen werden kann.
Vorteilhaft können die Partikel auch derart ausgewählt werden, dass sie das optische Reflexionsverhalten der Oberfläche der Schicht verändern, wobei diese derart in die Schicht eingebaut werden, dass sie einen Teil der Oberfläche bilden. Das damit sich ändernde Reflexionsverhalten bei einer Bewegung des Bauteils kann dann für eine optische Auslegung von reflektierter elektromagnetischer Strahlung erhalten werden. Das Reflexionsverhalten kann beispielsweise durch Änderung der Oberflächenrauheit oder auch durch eine Farbänderung des Materials durch Einbringen der Partikel beeinflusst werden. Eine Farbänderung lässt sich beispielsweise durch geeignete keramische Substanzen, wie Spinelle, erreichen. Als Spinelle können Magnesium- oder Aluminiumoxide mit Beimischungen von Chrom, Zink, Eisen, Kobalt oder Mangan zum Einsatz kommen.
Wie bereits erwähnt, können die partiell eingelagerten Partikel vorteilhaft zur Drehzahlmessung genutzt werden. Hierzu wird vorteilhaft das Bauteil, das eine Drehachse aufweist, so hergestellt, dass die mit den Partikeln versehenen Teile der Schicht in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse gesehen, mit Teilen der Schicht ohne diese Partikel einander abwechseln. Hierdurch gibt es eine zyklische Veränderung des eingesetzten Sensorsignals, welches zur Drehzahlauswertung herangezogen werden soll.
Alternativ ist es vorteilhaft auch möglich, dass die Partikel antimikrobielle Eigenschaften aufweisen und derart in die Schicht eingebaut werden, dass sie einen Teil der Oberfläche der Schicht bilden. Hierdurch kann beispielsweise ein Algenbefall bei Bauteilen verhindert werden, die der atmosphärischen Witterung ausgesetzt sind. Als antimikrobielle Materialien können beispielsweise Silber oder Manganoxid zum Einsatz kommen.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Partikel derart ausgewählt werden, dass sie die Benetzbarkeit der Oberfläche der Schicht verändern, und derart in die Schicht eingebaut werden, dass sie einen Teil dieser Oberfläche bilden. Hierdurch lassen sich sogenannte Easy-to-Clean-Oberflächen herstellen, die selbstreinigende Eigenschaften aufweisen. Als Partikel lassen sich beispielsweise Teflonpartikel in die Schicht einbauen.
Nachfolgend werden mögliche Beschichtungsprozesse anhand von zwei Ausführungsbeispielen beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel:
Zunächst wird an dem zu beschichtenden Werkstück eine Oberflächenreinigung und -aktivierung vorgenommen. Dies kann beispielsweise durch ein sogenanntes Brush Cleaning mittels eines alkalischen und/oder zyanidischen Elektrolyten und Brush Etching mittels eines sauren Elektrolyten, wie z. B. Salz- oder Schwefelsäure, erfolgen. Dann erfolgt der erste Beschichtungsschritt, bei dem ein duktiles Basismaterial, wie z. B. Nickel oder Nickel-Kobalt, abgeschieden wird. Dieser Prozess wird mittels Brush Plating durchgeführt. Als Elektrolyt kann beispielsweise ein Watts-Elektrolyt verwendet werden. Der Überträger des Brush Platings, der ein mit dem Elektrolyt getränkter oder Schwamm sein kann, wird dabei über die zu beschichtende Fläche bewegt. In dem Überträger kann eine Anode in Form eines Stabes, Drahtgeflechtes oder aus Kugeln enthalten sein. Das Material der Anode ist entweder der Grundwerkstoff der abzuscheidenden Schicht, wobei diese sich dann auflöst und regelmäßig ersetzt werden muss, oder eine inerte Anode, beispielsweise aus Platin.
Je nach Werkstückgeometrie kann anschließend an das elektrochemische Beschichten bzw. gleichzeitig an einer Stelle der weitere Beschichtungsschritt erfolgen. Hierbei werden Zusatzwerkstoffe, wie z. B. Hartstoffteilchen, mittels des thermischen Spritzens, bevorzugt Kaltgasspritzen aufgetragen, wobei die Partikel mechanisch mit der frisch beschichteten Oberfläche verkrallen und daher haften bleiben. Beim Kaltgasspritzen wird die elektrochemisch hergestellte Oberfläche dabei vorteilhaft kaum thermisch beansprucht. Daher kann diese sofort wieder dem elektrochemischen Beschichtungsschritt zugeführt werden. Es kann eine dichte Folge von elektrochemischen sowie thermischen Beschichtungsschritten realisiert werden. Hierdurch ist ein schneller Schichtaufbau möglich, was vorteilhaft einer höheren Wirtschaftlichkeit der hergestellten Teile zugute kommt.
Zweites Ausführungsbeispiel:
Zunächst erfolgt die Beschichtung in einem nicht wässrigen Elektrolyt. Die Oberflächenreinigung und -aktivierung des zu beschichtenden Werkstücks erfolgt in der bereits beschriebenen Weise durch Brush Cleaning und Brush Etching. Nach einer Trocknung bei 100°C erfolgt der erste Beschichtungsschritt, wobei eine Metallschicht beispielsweise aus Titan abgeschieden wird. Dieser Prozess wird mittels Brush Plating durchgeführt. Der benutzte Elektrolyt zur Abscheidung von Titan ist 1-Butyl-3-Methylimidazoliumtetrafluoroborat, in dem als Innenträger Titantetrafluoroborat gelöst wird. Ein Filz oder Schwamm wird mit diesem Elektrolyt getränkt und über die zu beschichtende Fläche des Bauteils bewegt. Der durch den Filz oder Schwamm gebildete Überträger ist in der bereits beschriebenen Weise mit einer Elektrode ausgestattet. Diese kann aus Titan oder einem inerten Material, wie Platin, bestehen.
Je nach Werkstückgeometrie kann im Wechsel mit dem elektrochemischen Beschichten oder auch gleichzeitig an einer Stelle, an der das elektrochemische Beschichten aktuell nicht durchgeführt wird, der zweite Beschichtungsschritt vorgenommen werden. Hier werden Hartstoffteilchen mit dem genannten Kaltgasspritzen mechanisch in die Schichtoberfläche implantiert bzw. ein Beschichten derart durchgeführt, dass die einzelnen Partikel zumindest im Wesentlichen einzeln auf der zu beschichtenden Oberfläche vorliegen. Im nachfolgenden elektrochemischen Behandlungsschritt werden die Partikel dann in der bereits beschriebenen Weise in die Metallmatrix eingebunden, indem wieder Titan elektrochemisch abgeschieden wird. Als Hartstoffe können die bereits genannten Substanzen zum Einsatz kommen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sollen an dieser Stelle noch einmal zusammengefasst werden. Es ist eine galvanische Abscheidung auch von elektrochemisch unedlen Metallen, wie Ti, Ta, Si, Al oder Mg, möglich, wenn eine ionische Flüssigkeit als Elektrolyt ausgewählt wird. Eine kostengünstige Abscheidung ist insbesondere durch Auswahl des Brush Plating-Verfahrens möglich, da hierbei ein vergleichsweise schnelles Schichtwachstum erreicht werden kann. Ein Partikeleintrag in die sich ausbildende metallische Schicht ist lokal gezielt möglich und es können hohe Partikelkonzentrationen in der Schicht erreicht werden. Das Verfahren ist auch partiell an großen Werkstücken ausführbar, da dieses beim Brush Plating nicht in ein Elektrolyt eingetaucht werden müssen. Insbesondere kann das Verfahren auch zu Reparaturzwecken angewendet werden, wobei das Beschichtungssystem (bestehend aus einer Kaltspritzpistole und einem Überträger für das Brush Plating) transportabel ist und daher auch z. B. auf Baustellen eingesetzt werden kann.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Beschichtung einer Arbeitswalze für ein Werkstück,
2 und 3 ein Bewegungsmuster, wie die Kaltspritzdüse gemäß 1 geführt werden kann und
4 bis 6 Schichtaufbauten, die sich mit Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellen lassen.
Bei dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß 1 wird als Werkstück 11 die Arbeitswalze eines Walzwerks mit einer Verschleißschutzschicht versehen. Das Werkstück 11 ist mit seiner Mittelachse 12 drehbar gelagert, wobei die Drehachse 13 mit der Mittelachse 12 identisch ist. Eine Lagerung 14 ist schematisch dargestellt, wobei während des Beschichtens das Werkstück 11 mittels eines nicht dargestellten Antriebs mit konstanter Geschwindigkeit gedreht wird.
In 1 ist eine Aufsicht auf das Werkstück 11 von oben nach senkrecht unten dargestellt. Während des Beschichtens wird von der einen Seite ein Überträger 15 an das Werkstück herangeführt, der aus einem Schwamm mit offenen Poren 16 besteht. Durch diese wird in nicht näher dargestellter Weise über ein Zuführsystem 17 ein Elektrolyt auf die Oberfläche 18 des Werkstücks aufgetragen, welches sich unter dem Überträger hinweg bewegt. Dabei findet ein elektrochemisches Beschichten statt, wobei zu diesem Zweck das Werkstück 11 und der Überträger an eine Spannungsquelle 19 angeschlossen wird.
Gleichzeitig findet auf der gegenüberliegenden Seite des Werkstücks ein Kaltgasspritzen statt. Eine Kaltspritzdüse 20 wird hierzu auf die Oberfläche 18 des Werkstückes gerichtet und mit konstanter Geschwindigkeit ungefähr in Richtung der Drehachse 13 über die Oberfläche geführt. Hierbei bleiben einzelne Partikel aus dem Kaltgasstrahl 21 an der Oberfläche haften und werden aufgrund der Drehung des Werkstücks anschließend in die sich danach ausbildende Schicht am Überträger 15 in die Schichtmatrix eingebaut.
Zu erkennen ist in 1 auch, dass ein Bewegungsbereich 22 der Kaltspritzdüse 20 etwas geringer ausfällt als die Länge des Werkstückes, da beispielsweise bei Arbeitswalzen als zu beschichtende Werkstücke der jeweils stirnseitige Bereich am Walzprozess nicht beteiligt ist und daher auch nicht der starken Verschleißbeanspruchung ausgesetzt ist. Wird der Bewegungsbereich 22 der Kaltspritzdüse 20 so gewählt, dass dieser nicht bis zum Rand des zu beschichtenden Werkstückes reicht, hat dies Vorteile für die Verfahrensführung. Das Bewegungsmuster der Kaltspritzdüse ist in 2 dargestellt. Dieser nimmt einen Verlauf, der einer acht entspricht, wobei hierbei die ständige Bewegung 24 des Werkstückes aufgrund der Drehung berücksichtigt wird. Durch den acht-förmigen Verlauf wird auf der Oberfläche 18 des Werkstückes 11 nämlich eine Linie 25 gemäß 3 beschrieben, so dass es zu einer gleichmäßigen Beladung der Oberfläche mit Partikeln kommt.
In 4 ist ein Beispiel für eine Schicht 26 dargestellt, die einen Gradientenverlauf von Partikeln 27 aufweist. Es wird deutlich, dass die Schicht 26 in vier Lagen 28 hergestellt wurde, wobei die Grenzflächen 29 zwischen den Lagen nur gestrichelt dargestellt sind, da diese in der Schichtmatrix in Wirklichkeit nicht mehr zu erkennen sind. Es wird jedoch deutlich, dass die Partikel 27 jeweils an den Grenzflächen der Lagen liegen, da sie erfindungsgemäß jeweils zwischen den einzelnen lageweisen Beschichtungsschritten durch Kaltgasspritzen auf die jeweils aktuelle durch die Grenzfläche 29 gebildete Oberfläche aufgebracht wurden. Der gradientenförmige Verlauf der Konzentration an Partikeln kommt dadurch zustande, dass die Belegung der einzelnen Grenzflächen 29 mit Partikeln 27 von Lage zu Lage abnimmt. Nach abgeschlossener Beschichtung wird die endgültige Oberfläche 18 des Werkstückes dann noch einmal durch Kaltgasspritzen mit einzelnen Partikeln 27a versehen. Diese Partikel 27a können beispielsweise antimikrobielle Eigenschaften haben, um eine antimikrobielle Oberfläche 18 zu schaffen. Die anderen Partikel 27 können mit ihrem steigenden Konzentrationsgradienten zum Bauteil selbst hin beispielsweise eine Anpassung der Schichteigenschaften, an das Bauteil bewirken, um die Haftung zu verbessern.
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Schicht 26 dargestellt, wie sie auf eine Arbeitswalze gemäß 1 aufgetragen werden kann. Die beiden dem Werkstück 11 nahen Lagen 28 sind mit Partikeln 27 versehen, die eine charakteristische Farbe haben und daher, sobald sie durch ein Abtragen der Schicht 26 freigelegt werden, das Erreichen des Endes der Standzeit der Arbeitswalze anzeigen. In den darüber liegenden Lagen 28 sind Hartstoffpartikel 30 eingelagert, welche den Verschleißwiderstand der Schicht 26 deutlich erhöhen. Außerdem ist zu erkennen, dass die die endgültige Oberfläche 18 des Werkstücks 11 bildende Lage 28 so dünn ausgeführt ist, dass die auf die darunter liegende Lage 28 aufgebrachten Hartstoffpartikel 30 aus der Oberfläche 18 herausragen. Hierdurch wird die Oberflächenrauhigkeit des als Arbeitswalze zum Einsatz kommenden Werkstücks 11 vergrößert, wobei diese funktionsbedingt gefordert wird. Bei einem fortschreitendem Verschleiß der Schicht 26 durch Abtrag werden die Hartstoffpartikel aus der sich im Verschleiß befindlichen Oberfläche 18 herausgelöst, wobei jedoch auch die in 5 dargestellten Hartstoffpartikel 18 im Inneren der Schicht 26 freigelegt werden und auf diese Weise für eine gleichbleibende Oberflächenrauhigkeit sorgen. Die Funktionstauglichkeit der Arbeitswalze wird daher bei fortschreitendem Schichtabtrag uneingeschränkt zur Verfügung gestellt, bis die farbigen Partikel 27 freigelegt werden und damit die Notwendigkeit eines Aus tauschs der Arbeitswalze anzeigen.
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Welle als Werkstück 11 dargestellt, deren Drehzahl gemessen werden soll. Zu diesem Zweck sind die Partikel 27 in radialen Zonen 31 in die Schicht 26 eingebracht, wobei zwischen den Zonen 31 radiale Zonen 32 liegen, in denen keine Partikel vorgesehen sind. Die Partikel 27 sorgen für eine messbare Änderung der Schichteigenschaften, die mittels eines Sensors 33 gemessen werden können, so dass sich bei Drehung der Welle auf die Drehzahl schließen lässt. Die Partikel 27 können beispielsweise aus einem hartmagnetischen Werkstoff bestehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60225352 T2 [0002]
WO 2006/061081 A2 [0003, 0016]
DE 4344387 A1 [0003, 0016]
DE 10348896 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks (11), auf dem elektrochemisch eine Schicht (26) hergestellt wird, in die Partikel (27, 30) eines Feststoffes eingebaut werden, dadurch gekennzeichnet, dass die einzubauenden Partikel (27, 30) mit einem thermischen Spritzverfahren auf das Werkstück (11) aufgebracht werden und anschließend durch das elektrochemische Beschichten in die Schicht (26) eingebaut werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Spritzverfahren ein Kaltgasspritzen angewendet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (26) in mehreren Lagen (28) hergestellt wird, indem das thermische Spritzverfahren und das elektrochemische Beschichten mehrfach im Wechsel durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die einzelnen Lagen (28) Partikel unterschiedlicher Art und/oder Größe und/oder Form und/oder in unterschiedlicher Konzentration eingebaut werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen und das elektrochemische Beschichten gleichzeitig, jedoch jeweils an unterschiedlichen Stellen des Werkstückes (11) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstück (11) ein zylindrischer Körper, insbesondere eine Arbeitswalze für Walzwerke, beschichtet wird, wobei dieser in Rotation um seine Mittelachse (12) versetzt wird und an einer Stelle seines Umfanges das elektrochemische Beschichten und an einer anderen Stelle seines Umfanges das thermische Spritzen vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyt für das elektrochemische Beschichten eine ionische Flüssigkeit verwendet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (27, 30) nur in einen Teil der beschichteten Fläche eingebaut werden, während der andere Teil der beschichteten Fläche ohne diese Partikel (27, 30) hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Partikel (27, 30) hartmagnetische Werkstoffe in die Schicht eigebaut werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Partikel (27, 30) Kunststoffe und/oder keramische Werkstoffe eingebaut werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (27, 30) derart ausgewählt werden, dass sie das optische Reflexionsverhalten der Oberfläche (18) der Schicht (26) verändern, und derart in die Schicht (26) eingebaut werden, dass sie einen Teil der Oberfläche (18) bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (27, 30) eine Drehachse (13) aufweist, und die mit den Partikeln (27, 30) versehenen Teile der Schicht in Umfangsrichtung bezüglich der Drehachse (13) gesehen mit Teilen der Schicht ohne diese Partikel (27, 30) einander abwechseln.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (27, 30) antimikrobielle Eigenschaften aufweisen und derart in die Schicht (26) eingebaut werden, dass sie einen Teil der Oberfläche (18) der Schicht (26) bilden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (27, 30) derart ausgewählt werden, dass sie die Benetzbarkeit der Oberfläche (18) der Schicht (26) verändern, und derart in die Schicht (26) eingebaut werden, dass sie einen Teil dieser Oberfläche (18) bilden.