DE10240291A1

DE10240291A1 - Process for coating electrically conductive substrates

Info

Publication number: DE10240291A1
Application number: DE10240291A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Kern; Guenter Krueger; Uwe Schindler; Andreas Knote
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2001-09-20
Filing date: 2002-08-31
Publication date: 2003-04-24

Abstract

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, über mehrere Verfahrensschritte eine Stoffverbundschicht zu erzeugen, die die vorteilhaften Materialeigenschaften der verwendeten Stoffe miteinander vereint. DOLLAR A Diese Aufgabe wird durch die Verfahrensschritte elektrophoretische Beschichtung, Sinterung, galvanisches Auffüllen der Schichtporen mit Metall und anschließende Glühbehandlung zur Anbindung der Schicht an den Trägerwerkstoff gelöst. DOLLAR A Die erfindungsgemäßen Stoffverbundschichten werden zum Schutz gegen Korrosion, Verschleiß o. ä. auf vorzugsweise metallischen leitfähigen Trägerwerkstoffen aufgebracht.The object of the invention is to produce a composite material layer over several process steps, which combines the advantageous material properties of the materials used with one another. DOLLAR A This task is solved by the process steps of electrophoretic coating, sintering, galvanic filling of the layer pores with metal and subsequent annealing treatment for connecting the layer to the carrier material. DOLLAR A The composite material layers according to the invention are applied to preferably metallic conductive carrier materials for protection against corrosion, wear or the like.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von elektrisch leitfähigen Trägerwerkstoffen mit einer Stoffverbundschicht. The invention relates to a method for coating electrically conductive carrier materials with a Material composite layer.

Es ist bekannt, dass insbesondere metallische Werkstoffe zum Schutz gegen Korrosion, Verschleiß oder aus ästhetischen Gründen beschichtet werden. Hierfür gibt es je nach Art und Funktion der Schicht die unterschiedlichsten Verfahren, bspw. Lackieren, Plasmabeschichten, Galvanisieren. It is known that in particular metallic materials for Protection against corrosion, wear or from aesthetic Reasons to be coated. There are depending on the type and Function of the layer the most varied of processes, e.g. Painting, plasma coating, electroplating.

Bekannt sind auch elektrophoretische Verfahren für das Auftragen von Schichten, z. B. das elektrophoretische Tauchlackieren, für das eine ganze Reihe von Patenten angemeldet wurde. So werden in den deutschen Patenten DE 43 30 002 C1 ein Verfahren zur Lackierung von metallischen Substraten oder in DE 41 42 997 C1 eine Vorrichtung zum elektrophoretischen Tauchlackieren beschrieben. Electrophoretic processes for the are also known Applying layers, e.g. B. the electrophoretic Dip coating, for which a whole series of patents has been registered. So in the German patents DE 43 30 002 C1 a process for painting metallic Substrates or in DE 41 42 997 C1 a device for electrophoretic dip painting described.

Stand der Technik ist auch die Anwendung der Elektrophorese für die Herstellung keramischer Schichten auf metallischen Werkstoffen. So beschreibt das europäische Patent EP 0381179 die Abscheidung einer keramischen Schutzschicht auf Edelmetallen, mit dem Ziel, den Materialverlust bei Anwendungen im Hochtemperaturbereich zu verringern. Ein anderes europäisches Patent EP 0204339 beinhaltet das Auftragen einer Glas/Keramik-Schicht auf einen Metallgrundkörper, um den Verschleißwiderstand des Bauteils zu verbessern. State of the art is also the use of electrophoresis for the production of ceramic layers on metallic Materials. This is how the European patent EP 0381179 describes it the deposition of a ceramic protective layer Precious metals, with the aim of reducing material loss Reduce high temperature applications. On another European patent EP 0204339 contains this Apply a glass / ceramic layer to one Metal body to the wear resistance of the component to improve.

Auch die Realisierung von Mehrfachbeschichtungen ist bekannt. So beschreiben das Patent US 5741596 die Herstellung einer dreilagigen Oxydationsschutzschicht und das Patent JP 06287798 A eine mehrlagige Oberflächenbeschichtung auf einer Magnesiumlegierung. The realization of multiple coatings is also known. The patent US 5741596 describes the production of a three-layer oxidation protection layer and the patent JP 06287798 A a multi-layer surface coating on one Magnesium alloy.

Für alle diese Beschichtungen ist charakteristisch, dass die stoffliche Zusammensetzung der Schicht, oder bei Mehrlagenbeschichtung, die einer Lage in einem Verfahrensschritt gebildet wird. It is characteristic of all these coatings that the material composition of the layer, or at Multi-layer coating, one layer in one Process step is formed.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, über mehrere Verfahrensschritte eine Schicht zu erzeugen, die aus verschiedenen Stoffen besteht und somit einen Stoffverbund darstellt. The object of the invention is over several Process steps to create a layer that consists of different materials and therefore a composite represents.

Der Vorteil dieses Stoffverbundes gegenüber dem Stand der Technik besteht darin, dass innerhalb einer Schicht zwei verschiedene Materialien, bspw. Metall und Keramik, nebeneinander vorliegen. Jede Komponente für sich stellt bei diesem Schichtwerkstoff quasi eine eigenständige zusammenhängende Schicht dar, deren Porosität durch die andere Komponente aufgefüllt ist. Diese Durchdringung zweier Schichten bedeutet einen Wechsel der Komponenten über submikrometergroße Abmessungen. Es ergibt sich ein neuer Werkstoff, der die Eigenschaften beider Komponenten miteinander verbindet, z. B. die hohe Härte und Verschleißfestigkeit der Keramik mit der Duktilität der Metalle. The advantage of this composite over the state of the Technique consists of two within a shift various materials, e.g. metal and ceramics, exist side by side. Each component provides for itself this layer material is almost an independent one coherent layer, the porosity of which other component is filled. This penetration of two Layers means switching components over Submicron-sized dimensions. A new one emerges Material that has the properties of both components connects with each other, e.g. B. the high hardness and Wear resistance of the ceramic with the ductility of the Metals.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass in einem ersten Verfahrensschritt ein elektrisch leitfähiger Grundkörper, vorzugsweise aus Metall, in eine Dispersion mit keramischen Partikeln getaucht wird und durch Zuschalten eines elektrischen Feldes elektrophoretisch beschichtet wird. Die Dispersion setzt sich zusammen aus dem Dispergiermedium, dem Pulver sowie Zusätzen, die den elektrophoretischen Effekt verstärken und die für das Handling notwendige Grünfestigkeit der Schicht sichern. Als Pulver werden Oxide, wie TiO₂, SiO₂, Al₂O₃, ZrO₂, aber auch andere nichtmetallisch - anorganische Verbindungen mit Korngrößen vorzugsweise < 1 µm eingesetzt. Nach dem Trocknen der Schicht an der Luft werden in einem zweiten Verfahrensschritt die organischen Bestandteile ausgeheizt und die Teilchen an den Korngrenzen soweit versintert, dass ein Skelettkörper mit einer offenen Porosität von 30 bis 60 Volumenprozent und einem gleichmäßigen Porengefüge im Submikrometerbereich entsteht. Bei oxydationsempfindlichen Unterlagen erfolgt die Temperaturbehandlung im Vakuum oder unter Schutzgas. According to the invention, the object is achieved in that, in a first method step, an electrically conductive base body, preferably made of metal, is immersed in a dispersion with ceramic particles and is electrophoretically coated by switching on an electric field. The dispersion is composed of the dispersing medium, the powder and additives that enhance the electrophoretic effect and ensure the green strength of the layer necessary for handling. Oxides, such as TiO ₂ , SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , ZrO ₂ , but also other nonmetallic-inorganic compounds with grain sizes preferably <1 μm are used as the powder. After drying the layer in air, the organic components are baked out in a second process step and the particles are sintered at the grain boundaries to such an extent that a skeleton body with an open porosity of 30 to 60 percent by volume and a uniform pore structure in the submicron range is formed. In the case of substrates sensitive to oxidation, the temperature treatment is carried out in a vacuum or under protective gas.

In einem dritten Verfahrensschritt erfolgt das Auffüllen der offenen Porosität mit Metall. Als bevorzugtes Verfahren kommt die Galvanotechnik zum Einsatz. In a third process step, the open porosity with metal. The preferred method is the electroplating technology used.

In einem weiteren Verfahrensschritt werden Maßnahmen zur Verbesserung der Schichthaftung durchgeführt. So empfiehlt sich bei den galvanisch verfüllten Keramik-Metall- Kompositschichten eine thermische Behandlung, bei der eine stoffschlüssige Anbindung der Schicht an das Substrat durch Diffusionsprozesse erreicht wird. Dadurch ist eine sehr gute Substrathaftung der Kompositschicht an das Substrat gewährleistet. Die Schicht zeichnet sich außerdem durch eine hohe Schadenstoleranz gegenüber mechanischer Beanspruchung aus. In a further procedural step, measures for Improved layer adhesion. So recommends the galvanically filled ceramic-metal Composite layers a thermal treatment in which a cohesive connection of the layer to the substrate Diffusion processes is achieved. This makes it a very good one Substrate adhesion of the composite layer to the substrate guaranteed. The layer is also characterized by a high damage tolerance to mechanical stress out.

Merkmale und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles (Fig. 1). Features and details of the method according to the invention result from the following description of an exemplary embodiment ( FIG. 1).

Für die Herstellung von Keramik-Metall-Verbundschichten auf Stahl wird zunächst eine Dispersion hergestellt, die Ethanol, Wasser, stabilisiertes ZrO₂-Pulver mit einer Primärkorngröße von 40 nm sowie 4-Hydroxybenzoesäure als wesentliche Bestandteile enthält. Damit eine homogene Verteilung von Individualpartikeln in der Dispersion erreicht wird, sollten diese in einem Dissolver oder unter Zuhilfenahme von Ultraschall aufbereitet werden. Die Oberfläche des Stahlsubstrates ist vor der Beschichtung mit einem Entfettungsmittel zu reinigen. For the production of ceramic-metal composite layers on steel, a dispersion is first produced which contains ethanol, water, stabilized ZrO ₂ powder with a primary grain size of 40 nm and 4-hydroxybenzoic acid as essential components. To achieve a homogeneous distribution of individual particles in the dispersion, they should be processed in a dissolver or with the help of ultrasound. The surface of the steel substrate must be cleaned with a degreasing agent before coating.

Die eigentliche Beschichtung der Bauteile folgt in vier Verfahrensschritten. Im ersten Verfahrensschritt wird das Stahlteil in die Dispersion eingetaucht und durch Zuschalten eines elektrischen Gleichfeldes elektrophoretisch mit den keramischen Partikeln beschichtet. The actual coating of the components follows in four Process steps. In the first step of the process Steel part immersed in the dispersion and by switching on of an electrical direct field electrophoretically with the ceramic particles coated.

Nachdem die gewünschte Schichtdicke erreicht ist, wird das Bauteil der Dispersion entnommen und an der Luft getrocknet. Im zweiten Verfahrensschritt wird die aufgebrachte Schicht thermisch fixiert. In diesem Prozess werden die organischen Bestandteile ausgeheizt und die Oberflächen der Teilchen soweit versintert, bis eine stabile Keramikmatrix mit einer offenen Porosität von ca. 50 Volumenprozent entsteht. Wegen der geringen Oxydationsbeständigkeit von Stahl erfolgt das Sintern im Vakuum oder unter Schutzgas. After the desired layer thickness has been reached, this will be Part of the dispersion removed and air-dried. In the second step, the applied layer thermally fixed. In this process, the organic Components are heated and the surfaces of the particles sintered until a stable ceramic matrix with a open porosity of approx. 50 percent by volume arises. Because of This is due to the low resistance to oxidation of steel Sintering in a vacuum or under protective gas.

Im dritten Verfahrensschritt wird die offene Porosität galvanisch mit Metall aufgefüllt. Besonders gut bewährt hat sich das Auffüllen mit Nickel, dem weitere Metalle zur Ausbildung spezieller Eigenschaften zugesetzt sein können. In the third step, the open porosity galvanically filled with metal. Has proven particularly good filling up with nickel, the other metals Training special properties can be added.

Nach dem galvanischen Prozess erfolgt eine Glühbehandlung, mit der die Haftfestigkeit der Schicht zum Stahl verbessert wird. Genutzt wird hierbei die gute Löslichkeit des Nickels im Eisen, die zur Ausbildung einer Diffusionsschicht und damit zur Ausbildung von chemischen Bindungen zwischen Schicht und Substrat führt. After the galvanic process, an annealing treatment is carried out, with which the adhesive strength of the layer to the steel improves becomes. The good solubility of nickel is used here in iron, which is used to form a diffusion layer and thus for the formation of chemical bonds between Layer and substrate leads.

Die so erzielten Schichten stellen einen Metall-Keramik- Verbund dar, bei dem Metall und Keramik in submikrometergroßen Abständen wechseln. The layers obtained in this way represent a metal-ceramic Composite, in which metal and ceramic in Change submicron distances.

Claims

1. A method for coating electrically conductive carrier materials, in particular with ceramic metal layers, characterized by a combination of the electrophoretic and galvanic deposition, characterized in that firstly in a first process step, a ceramic layer is formed on the electrically conductive carrier material by electrophoretic deposition, in a second Process step the layer is thermally solidified to such an extent that an open porosity of 30 to 60 percent by volume remains, then in a third process step the porous ceramic layer is filled with a metallic component and the resulting metal-ceramic composite layer is cohesively bonded with the material by a final heat treatment Substrate is connected.

2. The method according to claim 1, characterized in that preferably for the production of the ceramic layer non-metallic-inorganic particles with grain sizes < 1 µm can be used.

3. The method according to any one of claims 1 or 2 thereby characterized that the filling of the open porosity with a metallic component through electrochemical or galvanotechnical processes.

4. The method according to any one of claims 1 to 3 thereby characterized that after the galvanic filling of the porous matrix with a metallic component thermal treatment for connecting the composite layer to the substrate by diffusion of the metal component is carried out.