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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Werkstucks, auf dem elektrochemisch eine Schicht hergestellt wird, in die Partikel eines Feststoffes eingebaut werden.
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Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist beispielsweise gemaß der
DE 602 25 352 T2 beschrieben. Es ist gemaß diesem Verfahren moglich, die Oberflache elektrochemisch beispielsweise mittels Brush Plating zu beschichten. Hierbei wird ein Fließ, offenporiger Schwamm oder eine Burste als Ubertrager verwendet, um ein Elektrolyt auf die zu beschichtende Oberflache zu ubertragen. Dort wird durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Substrat und einer im Bereich des Ubertragers fur den Elektrolyten angeordneten Elektrode aus dem Elektrolyt ein metallischer Werkstoff auf der Oberflache abgeschieden. Dabei können gleichzeitig in dem Elektrolyt Partikel zum Einsatz kommen, die mittels des Ubertragers ebenfalls auf die zu beschichtende Oberflache aufgebracht und mit dem metallischen Material zusammen abgeschieden werden können, indem diese in die sich ausbildende metallische Matrix eingebaut werden. Zu diesem Zweck mussen die abzuscheidenden Partikel in dem verwendeten Elektrolyt dispergiert werden, wobei hierbei beachtet werden muss, dass eine Grenzkonzentration an dispergierten Partikeln im Elektrolyt nicht uberschritten wird. Sonst fallen die Partikel aus dem Elektrolyt wieder aus und bilden einen Schlamm, der den elektrochemischen Abscheideprozess stort. Wegen der Grenzkonzentration an dispergierbaren Partikeln im Elektolyt ist auch die Konzentration der in der Schichtmatrix abscheidbaren Partikel begrenzt.
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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.
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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.
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In der
JP 1-258805 A ist eine Walze beschrieben, auf die mittels eines thermischen Spritzverfahrens eine Carbid-Cermet-Beschichtung und darüber mittels elektrochemischer Beschichtung eine Beschichtung aus Nickel oder einer Nickel-Eisen-Legierung aufgebracht wurde. Dadurch entsteht eine zweilagigie Schicht.
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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 fur die abgeschiedenen Partikel hinsichtlich der Konzentration in der Beschichtung, des Materials und des intendierten Verwendungszweckes erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelost, dass die einzubauenden Partikel mit einem thermischen Spritzverfahren auf das Werkstuck 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 hierfur ein gesondertes Beschichtungsverfahren vorzusehen. Hierzu eignen sich vorteilhaft die thermischen Spritzverfahren, wobei die Partikel durch Spritzen auf die Oberflache aufgebracht werden. Um die Einlagerung von Partikeln zu gewahrleisten, ist es dabei erforderlich, durch das thermische Spritzen keine geschlossene Schicht darzustellen, sondern vielmehr die Partikel einzeln auf der Oberflache zu deponieren, wo sie sich mechanisch mit der Oberflache verkrallen. Anschließend konnen die zumindest im Wesentlichen auf der Oberflache 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 großerer Spielraum entsprechend der oben angefuhrten Aufgabe zur Schichtgestaltung zur Verfugung steht. Zum einen konnen auch Partikel verarbeitet werden, die sich nicht oder nur schlecht in Form von Dispersionen mit dem Elektrolyt verarbeiten lassen. Als Beispiel hierfur seien CNT (Carbon Nanotubes) oder BNNT (Bornitrid Nanotubes) genannt.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die Konzentration der Partikel in der sich ausbildenden Schicht leicht variiert werden kann und vor allem hohere Konzentrationswerte erreichbar sind. Die Konzentration der Partikel in der Schicht hangt vorrangig von zwei Parametern ab. Zum einen kann wahrend des thermischen Spritzens die Belegungsdichte der einzelnen Partikel auf der Oberflache 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 durchgefuhrt werden. Die elektrochemische Schicht entsteht somit in mehreren Lagen, deren jeweilige Dicke fur 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 vollstandig abgedeckt werden, wenn die folgende Anzahl von Partikeln auf die Oberflache mittels thermischen Spritzens aufgebracht wird. Allerdings ist in diesem Fall die Belegungsdichte der aktuellen Oberflache an Partikeln derart zu wahlen, dass es nicht zu haufig zu einer Verbindung zwischen Partikeln benachbarter Lagen kommt.
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Gemaß 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 Oberflache haften bleiben. Diese wird mittels einer Kaltspritzduse in einem Kaltgasstrahl erzeugt, wobei eine Erwarmung der Partikel nicht oder nur in geringem Maße erfolgt. In jedem Fall reicht die Erwarmung nicht aus, um, wie bei anderen thermischen Spritzverfahren, die Partikel aufzuschmelzen. Der Vorteil bei der Anwendung des Kaltgasspritzens ist daher, dass die Integritat des Gefuges der verwendeten Partikel durch das Kaltgasspritzen nicht beeintrachtigt 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.
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Selbstverstandlich ist es vorteilhaft moglich, dass in die einzelnen Lagen Partikel unterschiedlicher Art und/oder Große und/oder Form (Oberflachenbeschaffenheit wie Rauheit, Gestalt wie globular, abgeflacht, rohrenformig) in unterschiedlicher Konzentration eingebaut werden. Hierdurch konnen vorteilhaft Schichten hergestellt werden, die komplexen Anforderungsprofilen genugen. Insbesondere lassen sich auch Multilayer- und Gradientenschichten herstellen. Multilayerschichten erhalt man, wenn in den einzelnen elektrochemisch hergestellten Lagen sprunghafte Anderungen der Partikelbeschaffenheit oder Konzentration vorgenommen werden. Demgegenuber lassen sich Gradientenschichten erzeugen, indem sich die genannten Parameter von hergestellter Lage zu hergestellter Lage allmahlich andern. 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 lasst. Werden die Lagen hinreichend dunn gewahlt, so entsteht durch die allmahlich sich andernden Parameter in den einzelnen Lagen de facto eine Gradientenschicht.
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Gemaß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass dass das thermische Spritzen und das elektrochemische Beschichten gleichzeitig, jedoch jeweils an unterschiedlichen Stellen des Werkstuckes durchgefuhrt wird. Hierdurch lasst sich vorteilhaft eine besonders hohe Effizienz bei der Beschichtung des Werkstuckes erreichen. Voraussetzung ist, dass das Werkstuck mit beiden Beschichtungsverfahren jeweils nur partiell und dafur 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 gewahlt werden, bei dem eine partielle Beschichtung des Bauteils moglich ist, d. h. bei dem nicht das ganze Bauteil in den Elektrolyten eintaucht. Dies ist bevorzugt beim Anwenden des Brush Platings moglich, wobei hier lediglich der Teilbereich des Werkstucks aktuell elektrochemisch beschichtet wird, welcher mit dem Ubertrager des Elektrolyten in Kontakt steht.
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Besonders bevorzugt lasst sich das gleichzeitige Beschichten des Werkstuckes mit beiden Beschichtungsverfahren anwenden, wenn als Werkstuck ein zylindrischer Korper, insbesondere eine Arbeitswalze fur 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 lasst sich beispielsweise bewerkstelligen, indem das zylindrische Werkstuck nur mit einem Teil seiner Umfangsflache in den Elektrolyten eingetaucht wird. Fur ein gleichmaßiges Beschichten sorgt dann die gleichmaßige Drehung des zylindrischen Werkstuckes, durch das nach und nach die gesamte Mantelflache beschichtet werden kann. In dem Bereich, welcher nicht in den Elektrolyten eintaucht, kann das thermische Beschichten vorgenommen werden.
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Auch unter Anwendung des Brush Platings ist die Drehung der Walze sehr vorteilhaft. Der Ubertrager fur das Brush Plating muss dann lediglich an das Werkstuck herangefuhrt werden, wobei eine Relativbewegung zwischen dem Werkstuck und dem Ubertrager durch die standige Drehung des zylindrischen Werkstuckes zustande kommt.
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Das Verfahren kann besonders vorteilhaft fur Arbeitswalzen eines Walzwerks zum Kaltwalzen angewendet werden. Diese dienen dem Transport des zu walzenden Gutes, z. B. einem Blech, welches durch die Fuhrung zwischen den Arbeitswalzen beispielsweise in seiner Wandstarke verringert wird. Daher unterliegen die Arbeitswalzen eines Walzwerks einem enormen Verschleiß. Dieser kann durch die erfindungsgemaß aufgetragenen Beschichtungen verringert werden. Zu diesem Zweck werden in die Beschichtung bevorzugt Partikel eines Hartstoffs eingebettet. Dies konnen 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 konnen 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) konnen verwendet werden.
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Die verwendeten Hartstoffe in der Matrix der hergestellten Schicht verringern zum einen vorteilhaft deren Abrieb, so dass deren Verschleißfestigkeit steigt. Weiterhin erfullen die Hartstoffe jedoch auch den Zweck, die Oberflachenrauhigkeit der Schicht zu vergroßern, welche erforderlich ist, damit das Drehmoment der Arbeitswalzen auf das zu walzende Blech ubertragen werden kann. Werden die Hartstoffe durch den mehrlagigen Aufbau der Walze uber 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 Oberflachenrauhigkeit der Walze erhalten bleibt. Dies bedeutet, dass vorteilhaft ein Bauteil geschaffen wird, welches uber seine gesamte vorgesehen Lebensdauer die Anforderungen an die Oberflachenrauhigkeit in vollem Maß erfullt.
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Gemaß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Elektrolyt fur das elektrochemische Beschichten eine ionische Flussigkeit verwendet wird. Dies hat den Vorteil, dass auch unedlere Metalle aus einem nicht wassrigen Medium, namlich der Salzschmelze des ionischen Beschichtens, abgeschieden werden konnen. Bei ionischen Flussigkeiten handelt es sich um organische Flussigkeiten, 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.
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Da ionische Flussigkeiten auch eine hohe elektrochemische Stabilitat besitzen, konnen vorteilhaft unter anderem die Metalle Ti, Ta, Al und Si abgeschieden werden, die sich aus wassrigen Elektrolyten aufgrund der starken Wasserstoffentwicklung nicht abscheiden lassen. Geeignete Metallsalze, die auch in der eingangs erwahnten
WO 2006/061081 A2 genannt werden, sind beispielsweise Halogenide (Chloride, Bromnide, Fluoride), Imide, Amide, Alkoholate und Salze von ein-, zwei- und mehrwertigen organischen Sauren, wie Acetate, Oxalate oder Tartrate. Die Metalle, die elektrochemisch abgeschieden werden sollen, werden durch anodische Auflosung in die geeignete ionische Flussigkeit gebracht. Als Gegenelektrode zum zu beschichtenden Bauteil wird eine lösliche Elektrode verwendet. Diese besteht aus dem Metall, mit dem 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.
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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 Auflosung, die dabei zu erreichen ist, entspricht dem Einflussbereich des thermischen Beschichtungsstrahls, beispielsweise des Kaltgasstrahls und ist daher vorteilhaft vergleichsweise genau einstellbar.
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Auf diese Weise konnen beispielsweise lokale Schichtbereiche hergestellt werden, die anschließend zum Erfassen von Betriebszustanden des Bauteils, wie z. B. der Drehzahl, dienen konnen. Vorteilhaft konnen 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 Stahle. Die Anderung der magnetischen Eigenschaften, beispielsweise bei Drehung eines Bauteils, kann dann z. B. mit einer Feldspulenanordnung ausgelesen werden.
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Vorteilhaft ist es auch moglich, als Partikel Kunststoffe und/oder keramische Werkstoffe einzubauen. Hier konnen beispielsweise Teflon oder PTFE als Kunststoffe oder Aluminiumoxid oder Siliziumoxid als keramischer Werkstoff zum Einsatz kommen. Die Einlagerung in die metallische Schichtmatrix andert die Dielektrizitatskonstante und damit die Kapazitat im Bereich der Einlagerung, so dass beispielsweise bei Drehung einer Welle mit derartig partiell eingelagerten Partikeln die Drehzahl mittels elektrischer Kondensatorplatten ausgelesen werden kann.
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Vorteilhaft konnen die Partikel auch derart ausgewahlt werden, dass sie das optische Reflexionsverhalten der Oberflache der Schicht verandern, wobei diese derart in die Schicht eingebaut werden, dass sie einen Teil der Oberflache bilden. Das damit sich andernde Reflexionsverhalten bei einer Bewegung des Bauteils kann dann fur eine optische Auslegung von reflektierter elektromagnetischer Strahlung erhalten werden. Das Reflexionsverhalten kann beispielsweise durch Anderung der Oberflachenrauheit oder auch durch eine Farbanderung des Materials durch Einbringen der Partikel beeinflusst werden. Eine Farbanderung lasst sich beispielsweise durch geeignete keramische Substanzen, wie Spinelle, erreichen. Als Spinelle konnen Magnesium- oder Aluminiumoxide mit Beimischungen von Chrom, Zink, Eisen, Kobalt oder Mangan zum Einsatz kommen.
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Wie bereits erwahnt, konnen 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 bezuglich der Drehachse gesehen, mit Teilen der Schicht ohne diese Partikel einander abwechseln. Hierdurch gibt es eine zyklische Veranderung des eingesetzten Sensorsignals, welches zur Drehzahlauswertung herangezogen werden soll.
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Alternativ ist es vorteilhaft auch moglich, dass die Partikel antimikrobielle Eigenschaften aufweisen und derart in die Schicht eingebaut werden, dass sie einen Teil der Oberflache der Schicht bilden. Hierdurch kann beispielsweise ein Algenbefall bei Bauteilen verhindert werden, die der atmospharischen Witterung ausgesetzt sind. Als antimikrobielle Materialien konnen beispielsweise Silber oder Manganoxid zum Einsatz kommen.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn die Partikel derart ausgewahlt werden, dass sie die Benetzbarkeit der Oberflache der Schicht verandern, und derart in die Schicht eingebaut werden, dass sie einen Teil dieser Oberflache bilden. Hierdurch lassen sich sogenannte Easy-to-Clean-Oberflachen herstellen, die selbstreinigende Eigenschaften aufweisen. Als Partikel lassen sich beispielsweise Teflonpartikel in die Schicht einbauen.
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Nachfolgend werden mogliche Beschichtungsprozesse anhand von zwei Ausfuhrungsbeispielen beschrieben.
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Erstes Ausfuhrungsbeispiel:
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Zunachst wird an dem zu beschichtenden Werkstuck eine Oberflachenreinigung 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 Schwefelsaure, 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 durchgefuhrt. Als Elektrolyt kann beispielsweise ein Watts-Elektrolyt verwendet werden. Der Ubertrager des Brush Platings, der ein mit dem Elektrolyt getrankter oder Schwamm sein kann, wird dabei uber die zu beschichtende Flache bewegt. In dem Ubertrager 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 auflost und regelmaßig ersetzt werden muss, oder eine inerte Anode, beispielsweise aus Platin.
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Je nach Werkstuckgeometrie 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 Oberflache verkrallen und daher haften bleiben. Beim Kaltgasspritzen wird die elektrochemisch hergestellte Oberflache dabei vorteilhaft kaum thermisch beansprucht. Daher kann diese sofort wieder dem elektrochemischen Beschichtungsschritt zugefuhrt werden. Es kann eine dichte Folge von elektrochemischen sowie thermischen Beschichtungsschritten realisiert werden. Hierdurch ist ein schneller Schichtaufbau moglich, was vorteilhaft einer hoheren Wirtschaftlichkeit der hergestellten Teile zugute kommt.
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Zweites Ausfuhrungsbeispiel:
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Zunachst erfolgt die Beschichtung in einem nicht wassrigen Elektrolyt. Die Oberflachenreinigung und -aktivierung des zu beschichtenden Werkstucks 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 durchgefuhrt. Der benutzte Elektrolyt zur Abscheidung von Titan ist 1-Butyl-3-Methylimidazoliumtetrafluoroborat, in dem als Ionentrager Titantetrafluoroborat gelost wird. Ein Filz oder Schwamm wird mit diesem Elektrolyt getrankt und uber die zu beschichtende Flache des Bauteils bewegt. Der durch den Filz oder Schwamm gebildete Ubertrager ist in der bereits beschriebenen Weise mit einer Elektrode ausgestattet. Diese kann aus Titan oder einem inerten Material, wie Platin, bestehen.
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Je nach Werkstuckgeometrie kann im Wechsel mit dem elektrochemischen Beschichten oder auch gleichzeitig an einer Stelle, an der das elektrochemische Beschichten aktuell nicht durchgefuhrt wird, der zweite Beschichtungsschritt vorgenommen werden. Hier werden Hartstoffteilchen mit dem genannten Kaltgasspritzen mechanisch in die Schichtoberflache implantiert bzw. ein Beschichten derart durchgefuhrt, dass die einzelnen Partikel zumindest im Wesentlichen einzeln auf der zu beschichtenden Oberflache 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 konnen die bereits genannten Substanzen zum Einsatz kommen.
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Die Vorteile des erfindungsgemaßen 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, moglich, wenn eine ionische Flussigkeit als Elektrolyt ausgewahlt wird. Eine kostengunstige Abscheidung ist insbesondere durch Auswahl des Brush Plating-Verfahrens moglich, da hierbei ein vergleichsweise schnelles Schichtwachstum erreicht werden kann. Ein Partikeleintrag in die sich ausbildende metallische Schicht ist lokal gezielt moglich und es konnen hohe Partikelkonzentrationen in der Schicht erreicht werden. Das Verfahren ist auch partiell an großen Werkstucken ausfuhrbar, da dieses beim Brush Plating nicht in ein Elektrolyt eingetaucht werden mussen. Insbesondere kann das Verfahren auch zu Reparaturzwecken angewendet werden, wobei das Beschichtungssystem (bestehend aus einer Kaltspritzpistole und einem Ubertrager fur das Brush Plating) transportabel ist und daher auch z. B. auf Baustellen eingesetzt werden kann.
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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 erlautert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
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1 ein Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemaßen Verfahrens zur Beschichtung einer Arbeitswalze fur ein Werkstuck,
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2 und 3 ein Bewegungsmuster, wie die Kaltspritzduse gemaß 1 gefuhrt werden kann und
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4 bis 6 Schichtaufbauten, die sich mit Ausfuhrungsbeispielen des erfindungsgemaßen Verfahrens herstellen lassen.
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Bei dem Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemaßen Verfahrens gemaß 1 wird als Werkstuck 11 die Arbeitswalze eines Walzwerks mit einer Verschleißschutzschicht versehen. Das Werkstuck 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 wahrend des Beschichtens das Werkstuck 11 mittels eines nicht dargestellten Antriebs mit konstanter Geschwindigkeit gedreht wird.
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In 1 ist eine Aufsicht auf das Werkstuck 11 von oben nach senkrecht unten dargestellt. Wahrend des Beschichtens wird von der einen Seite ein Ubertrager 15 an das Werkstuck herangefuhrt, der aus einem Schwamm mit offenen Poren 16 besteht. Durch diese wird in nicht naher dargestellter Weise uber ein Zufuhrsystem 17 ein Elektrolyt auf die Oberflache 18 des Werkstucks aufgetragen, welches sich unter dem Ubertrager hinweg bewegt. Dabei findet ein elektrochemisches Beschichten statt, wobei zu diesem Zweck das Werkstuck 11 und der Ubertrager an eine Spannungsquelle 19 angeschlossen wird.
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Gleichzeitig findet auf der gegenuberliegenden Seite des Werkstucks ein Kaltgasspritzen statt. Eine Kaltspritzduse 20 wird hierzu auf die Oberflache 18 des Werkstuckes gerichtet und mit konstanter Geschwindigkeit ungefahr in Richtung der Drehachse 13 uber die Oberflache gefuhrt. Hierbei bleiben einzelne Partikel aus dem Kaltgasstrahl 21 an der Oberflache haften und werden aufgrund der Drehung des Werkstucks anschließend in die sich danach ausbildende Schicht am Ubertrager 15 in die Schichtmatrix eingebaut.
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Zu erkennen ist in 1 auch, dass ein Bewegungsbereich 22 der Kaltspritzduse 20 etwas geringer ausfallt als die Lange des Werkstuckes, da beispielsweise bei Arbeitswalzen als zu beschichtende Werkstucke der jeweils stirnseitige Bereich am Walzprozess nicht beteiligt ist und daher auch nicht der starken Verschleißbeanspruchung ausgesetzt ist. Wird der Bewegungsbereich 22 der Kaltspritzduse 20 so gewahlt, dass dieser nicht bis zum Rand des zu beschichtenden Werkstuckes reicht, hat dies Vorteile fur die Verfahrensfuhrung. Das Bewegungsmuster der Kaltspritzduse ist in 2 dargestellt. Dieser nimmt einen Verlauf, der einer acht entspricht, wobei hierbei die standige Bewegung 24 des Werkstuckes aufgrund der Drehung berucksichtigt wird. Durch den acht-formigen Verlauf wird auf der Oberflache 18 des Werkstuckes 11 namlich eine Linie 25 gemaß 3 beschrieben, so dass es zu einer gleichmaßigen Beladung der Oberflache mit Partikeln kommt.
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In 4 ist ein Beispiel fur 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 Grenzflachen 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 Grenzflachen der Lagen liegen, da sie erfindungsgemaß jeweils zwischen den einzelnen lageweisen Beschichtungsschritten durch Kaltgasspritzen auf die jeweils aktuelle durch die Grenzflache 29 gebildete Oberflache aufgebracht wurden. Der gradientenformige Verlauf der Konzentration an Partikeln kommt dadurch zustande, dass die Belegung der einzelnen Grenzflachen 29 mit Partikeln 27 von Lage zu Lage abnimmt. Nach abgeschlossener Beschichtung wird die endgultige Oberflache 18 des Werkstuckes dann noch einmal durch Kaltgasspritzen mit einzelnen Partikeln 27a versehen. Diese Partikel 27a konnen beispielsweise antimikrobielle Eigenschaften haben, um eine antimikrobielle Oberflache 18 zu schaffen. Die anderen Partikel 27 konnen mit ihrem steigenden Konzentrationsgradienten zum Bauteil selbst hin beispielsweise eine Anpassung der Schichteigenschaften, an das Bauteil bewirken, um die Haftung zu verbessern.
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In 5 ist ein Ausfuhrungsbeispiel fur eine Schicht 26 dargestellt, wie sie auf eine Arbeitswalze gemaß 1 aufgetragen werden kann. Die beiden dem Werkstuck 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 daruber liegenden Lagen 28 sind Hartstoffpartikel 30 eingelagert, welche den Verschleißwiderstand der Schicht 26 deutlich erhohen. Außerdem ist zu erkennen, dass die die endgultige Oberflache 18 des Werkstucks 11 bildende Lage 28 so dunn ausgefuhrt ist, dass die auf die darunter liegende Lage 28 aufgebrachten Hartstoffpartikel 30 aus der Oberflache 18 herausragen. Hierdurch wird die Oberflachenrauhigkeit des als Arbeitswalze zum Einsatz kommenden Werkstucks 11 vergroßert, wobei diese funktionsbedingt gefordert wird. Bei einem fortschreitendem Verschleiß der Schicht 26 durch Abtrag werden die Hartstoffpartikel aus der sich im Verschleiß befindlichen Oberflache 18 herausgelost, wobei jedoch auch die in 5 dargestellten Hartstoffpartikel 18 im Inneren der Schicht 26 freigelegt werden und auf diese Weise fur eine gleichbleibende Oberflachenrauhigkeit sorgen. Die Funktionstauglichkeit der Arbeitswalze wird daher bei fortschreitendem Schichtabtrag uneingeschrankt zur Verfugung gestellt, bis die farbigen Partikel 27 freigelegt werden und damit die Notwendigkeit eines Austauschs der Arbeitswalze anzeigen.
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In 6 ist ein Ausfuhrungsbeispiel fur eine Welle als Werkstuck 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 fur eine messbare Anderung der Schichteigenschaften, die mittels eines Sensors 33 gemessen werden konnen, so dass sich bei Drehung der Welle auf die Drehzahl schließen lasst. Die Partikel 27 konnen beispielsweise aus einem hartmagnetischen Werkstoff bestehen.
