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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausbilden von Beschichtungen
von reinen Metallen, Metalllegierungen oder Metallmatrix-Kompositen
auf einem Werkstück,
welches elektrisch leitfähig
ist oder eine elektrisch leitfähige
Oberflächenschicht
enthält,
oder Ausbilden von freistehenden Auflagen von nanokristallinen Metallen,
Metalllegierungen oder Metallmatrix-Kompositen durch Verwendung
von Puls-Elektroabscheidung. Das Verfahren verwendet ein Trommel-Abscheideverfahren
für die
kontinuierliche Herstellung von nanokristallinen Folien von reinen
Metallen, Metalllegierungen oder Metallmatrix-Kompositen oder ein
selektives Abscheide-(Bürstenabscheide)-Verfahren,
wobei die Verfahren Puls-Elektroabscheidung und eine nicht stationäre Anode
oder Kathode einbeziehen. Neue nanokristalline Metallmatrix-Komposite
sind ebenfalls offenbart. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein
Puls-Abscheideverfahren für
die Herstellung oder Beschichtung von Mikrokomponenten. Die Erfindung
bezieht sich auch auf Mikrokomponenten mit Korngrößen unter 1000
nm.
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Das
neue Verfahren kann angewandt werden, um verschleißresistente
Auflagen und Folien von reinen Metallen oder Legierungen von Metallen,
ausgewählt
aus der Gruppe von Ag, Au, Cu, Co, Cr, Ni, Fe, Pb, Pd, Pt, Rh, Ru,
Sn, V, W und Zn und anderen legierenden Elementen, ausgewählt aus
C, P, S und Si, und Metallmatrix-Komposite reiner Metalle oder Legierungen
mit Partikelzusätzen
herzustellen, wie etwa Metallpulvern, Metalllegierungspulvern und
Metalloxidpulvern von Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn;
Nitriden von Al, B und Si; C (Graphit oder Diamant); Carbide von
B, Cr, Bi, Si, W; und organische Materialien wie PTFE und Polymerkugeln.
Das selektive Abscheideverfahren ist besonders geeignet für in-situ
oder Außenanwendungen, wie
etwa die Reparatur oder Aufbereitung von Düsen und Formen, Turbinenschaufeln,
Dampferzeugungsröhren,
Reaktorkernkopf-Durchbrechungen von Kernkraftwerken. Der kontinuierliche
Abscheideprozess ist besonders geeignet zur Herstellung nanokristalliner
Folien, z.B. für
magnetische Anwendungen. Das Verfahren kann auf hochfeste, gleichachsige
Mikrokomponenten zur Verwendung in der Elektronik, Biomedizin, Telekommunikation,
im Automobilbereich, Weltraum und in Verbraucheranwendungen angewandt
werden.
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Beschreibung des Standes
der Technik/Hintergrund der Erfindung
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Nanokristalline
Materialien, auf welche auch als ultrafein gekörnte Materialien Bezug genommen
wird, Nanophasenmaterialien oder Nanometer-große Materialien, welche Durchschnittskorngrößen kleiner
oder gleich 100 nm zeigen, werden durch eine Anzahl von bekannten
Verfahren hergestellt, einschließlich Sputtern, Laserabtragung,
Inertgas-Kondensation, Hochenergie-Kugelfräsen, Sol-Gel-Ablagerung und Elektroabscheidung.
Elektroabscheidung bietet die Fähigkeit,
eine große
Anzahl an hochdichten Metallen und Metalllegierungs-Zusammensetzungen
bei hohen Herstellungsgeschwindigkeiten und niedrigen Kapitalinvestitionsanforderungen
in einem einzelnen Syntheseschritt herzustellen.
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Der
Stand der Technik beschreibt primär die Verwendung von Puls-Elektroabscheidung
zur Herstellung nanokristalliner Materialien.
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Erb
beschreibt in
US 5 352 266 (1994)
und in
US 5 433 797 (1995)
ein Verfahren zur Herstellung nanokristalliner Materialien, insbesondere
von nanokristallinem Nickel. Das nanokristalline Material wird auf
einer Kathode in einer wässrigen
sauren elektrolytischen Zelle elektrodisch abgeschieden durch Aufbringung
eines gepulsten Gleichstroms. Die Zelle enthält optional auch spannungssenkende
Mittel. Die Produkte der Erfindung schließen abriebsresistente Schichten,
magnetische Materialien und Katalysatoren für Wasserstoffbildung ein.
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Mori
beschreibt in
US 5 496 463 (1996)
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Komposit-Elektroplattierung
eines metallischen Materials, welches SiC, BN, Si
3N
4, WC, TiC, TiO
2,
Al
2O
3, ZnB
3, Diamant, CrC, MoS
2, Färbematerialien,
Polytetrafluorethylen (PTFE) und Mikrokapseln enthält. Die
festen Partikel werden in feiner Form in den Elektrolyten eingeführt.
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Adler
beschreibt in
US 4 240 894 (1980)
einen Trommelplattierer für
eine elektroabgeschiedene Cu-Folienherstellung. Cu wird auf eine
rotierende Metalltrommel plattiert, welche teilweise eingetaucht
ist und sich dreht in einer Kupferplattierlösung. Die Kupferfolie wird
von der Trommeloberfläche,
welche aus dem Elektrolyt auftaucht, abgezogen, welche mit elektro-geformtem
Cu plattiert ist. Die Drehgeschwindigkeit der Trommel und die Stromstärke werden
verwendet, um die gewünschte
Dicke der Kupferfolie einzustellen. Die von der Trommeloberfläche abgezogene
Kupferfolie wird nachfolgend gewaschen und getrocknet und in eine
geeignete Spule gewickelt.
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Icxi
offenbart in
US 2 961 395 (1960)
ein Verfahren zum Elektroplattieren eines Artikels ohne die Notwendigkeit,
die Oberfläche,
welche behandelt wird, in einen Abscheidetank einzusenken. Die handbetriebene Appliziereinrichtung
dient als Anode und führt
chemische Lösungen
zu der Metalloberfläche
des zu plattierenden Werkstücks
zu. Das zu plattierende Werkstück
dient als Kathode. Die Hand-Appliziereinrichtungs-Anode mit
dem Geflecht, welches den Elektrolyt enthält, und die Werkstück-Kathode
sind mit einer Gleichstromquelle verbunden, um eine Metallschicht
auf dem Werkstück
durch Durchlassen eines Gleichstromes zu erzeugen.
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Das
Dokument
EP 0 670 916
B1 beschreibt ein Verfahren zum elektrochemischen Abscheiden
metallischen Materials in nanokristalliner Form, wobei die Verfahrensparameter
Elektrolyttemperatur, maximale Stromdichte und Strompuls-Zeitdauern zur Abscheidung
von Material mit einer Korngröße von weniger
als 100 nm einer Kathode angegeben sind. Optional kann das verwendete
Elektrolyt zumindest gemäß einer
Ausführungsform
des dort beschriebenen Verfahrens auch umgerührt werden.
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Das
Dokument WO 00/28114 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ablagern nanokristalliner
Partikel eines katalytischen Materials auf einem Substrat unter
Verwendung von elektrolytischer Abscheidung unter Verwendung von
Pulsstrom mit Arbeitszyklen kathodischer Pulse von weniger als 40%
und einem Pulsfrequenzbereich von 10 Hz bis 5000 Hz.
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Mikromechanische
Systeme (MEMS) sind Maschinen, welche konstruiert sind aus kleinen,
sich bewegenden und stationären
Teilen, welche eine Gesamtdimension aufweisen, die von 1 bis 1000 μm reicht,
z.B. zur Verwendung in Elektronik, Biomedizin, Telekommunikation,
Automobil-, Weltraum- und Verbrauchertechnologien.
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Solche
Komponenten werden z.B. durch Fotoelektroabformung hergestellt,
was ein Additiv-Verfahren ist, in welchem Pulver in Schichten abgelagert
werden, um die gewünschte
Struktur, z.B. durch Laser verbessertes elektroloses Abscheiden
zu bilden. Lithografie, Elektroabformen und Gießen (LIGA) und andere Fotolithografie
verwandte Verfahren werden verwendet, um Längenverhältnis (Teilehöhe zu Breite)
betreffende Probleme zu überwinden.
Andere angewandte Techniken schließen Silizium-Mikrobearbeitung
durch Maskenplattieren und Mikrokontaktdrucken ein.
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Zusammenfassung:
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässiges und flexibles Verfahren
zum kathodischen elektrolytischen Abscheiden zum Ausbilden von Beschichtungen
oder freistehenden Ablagerungen von nanokristallinen Metallen, Metalllegierungen
oder Metallmatrix-Kompositen zu bieten.
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Durch
die Erfindung können
Mikrokomponenten mit deutlich verbesserter eigenschaftsabhängiger Beständigkeit
und maßgeschneiderten
gewünschten
Eigenschaften für
in der Gesamtleistung verbesserte Mikrosysteme hergestellt werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen
gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.
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In
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der Elektrolyt umgerührt mit
einer Umrührrate
bzw. Geschwindigkeit in einem Bereich von 0,0001 bis 10 Liter pro
Minute und pro cm2 Anoden- oder Kathodenfläche oder
mit einer Umrührrate
bzw. Geschwindigkeit im Bereich von 1 bis 750 Milliliter Lösung pro
Minute und pro Ampere durchgelassenen Durchschnittstrom, bevorzugt
mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 500 ml/min/A, bevorzugt mittels
Pumpen, Quirlen oder Ultraschallanregung.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Abscheideverfahren bereit, welches
aus einer einzelnen kathodischen An-Zeit oder mehrfachen kathodischen
An-Zeiten unterschiedlicher Stromdichten und einzelnen oder mehreren
Aus-Zeiten pro Zeitintervall besteht. Periodische Pulsumkehr, eine
bipolare Wellenform, welche zwischen kathodischen Pulsen und anodischen
Pulsen hin und her wechselt, kann optional auch verwendet werden.
Die kathodischen Pulse können
in die Wellen form vor, nach oder zwischen den An-Pulsen und/oder
vor, nach oder in der Aus-Zeit
eingefügt
sein. Die anodische Pulsstromdichte ist allgemein gleich oder größer als die
kathodische Stromdichte. Die anodische Ladung (Qanodisch)
des "Rückwärtspulses" pro Zeitintervall
ist immer kleiner als die kathodische Ladung (Qanodisch).
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Die
An-Zeiten kathodischer Pulse reichen von 0,1 bis 50 ms (1–50), Aus-Zeiten
von 0 bis 500 ms (1–100)
und anodische Pulszeiten reichen von 0 bis 50 ins, vorzugsweise
von 1 bis 10 ms. Der Arbeitszyklus, ausgedrückt als die kathodischen An-Zeiten
geteilt durch die Summe der kathodischen An-Zeiten, der Aus-Zeiten
und der anodischen Zeiten reicht von 5 bis 100%, bevorzugt von 10
bis 95%, und bevorzugter von 20 bis 80%. Die Frequenz der kathodischen
Pulse reicht von 1 Hz bis 1 kHz und bevorzugter von 10 Hz bis 350
Hz.
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Nanokristalline
Beschichtungen oder freistehende Ablagerungen von metallischen Materialien
werden erhalten durch Variierung von Prozessparametern wie der Stromdichte,
Arbeitszyklus, Werkstücktemperatur, Beschichtungslösungstemperatur,
Lösungsumwälzgeschwindigkeiten, über einen
weiten Bereich von Bedingungen. Die folgende Auflistung beschreibt
geeignete Betriebsparameter-Bereiche zur Durchführung der Erfindung:
Durchschnittliche
Stromdichte (falls bestimmbar, anodisch oder kathodisch): 0,01 bis
20 A/cm2, bevorzugt 0,1 bis 20 A/cm2, bevorzugter 1 bis 10 A/cm2
Arbeitszyklus
5 bis 100%
Frequenz: 0 bis 1000 Hz
Elektrolytlösungstemperatur: –20 bis
85° C
Elektrolytlösungsumwälzungs-/Umrühr-Geschwindigkeiten: ≤ 10 Liter
pro Minute pro cm2 Anoden- oder Kathodenfläche (0,0001
bis 10 l/min. cm2)
Werkstücktemperatur: –20 bis
45° C
Anodenschwingungsgeschwindigkeit:
0 bis 350 Schwingungen/min Lineare Geschwindigkeit Anode gegen Kathode:
0 bis 200 m/min (Bürste)
0,003 bis 0,16 m/min (Trommel).
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Die
vorliegende Erfindung stellt bevorzugt ein Verfahren bereit zur
Abscheidung nanokristalliner Metalle, Metallmatrix-Kompositen und
Mikrokomponenten mit Abscheidegeschwindigkeiten von mindestens 0,05 mm/h,
bevorzugt von mindestens 0,075 mm/h, und bevorzugter von mindestens
0,1 mm/h.
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In
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann optional ein Kornverfeinerungsmittel
oder ein Spannungsabbaumittel zu dem Elektrolyt zugefügt sein,
ausgewählt
aus der Gruppe von Saccharin, Cumarin, Natriumlaurylsulfat und Thio-Harnstoff.
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Diese
Erfindung stellt ein Verfahren zur Abscheidung von nanokristallinen
Metallmatrix-Kompositen auf einem permanenten bzw. dauerhaften oder
einem zeitweiligen Substrat bereit, optional zumindest 5 Vol.% aus
Partikeln bestehender Stoffe enthaltend, bevorzugt 10 Vol.% aus
Partikeln bestehende Stoffe, bevorzugter 20 Vol.% aus Partikeln
bestehender Stoffe, noch bevorzugter 30 Vol.% aus Partikeln bestehender
Stoffe und am meisten bevorzugt 40 Vol.% aus Partikeln bestehender
Stoffe, für
Anwendungen, wie etwa harte Deckschichten, Projektil-Abstumpf-Panzerung,
Ventil-Auffrischung, Ventil- und Drehwerkzeug-Beschichtungen, Energie-absorbierende
Panzerungsplatten, Geräuschdämmsysteme,
Verbinder an Rohrleitungsverbindungen, z.B. verwendet bei Ölbohranwendungen,
Auffrischung von Rollenlagerachsen in der Eisenbahnindustrie, Computerchips,
Reparatur von elektrischen Motor- und Generatorteilen, Reparatur
von Rillen in Druckrollen, unter Verwendung von Tank-, Trommel-,
Gestell-, selektiven (z.B. Bürstenabscheidung)
und kontinuierlichen (z.B. Trommelabscheidung) Abscheideverfahren,
welche Puls-Elektroabscheidung verwenden. Die aus Partikeln bestehenden
Stoffe können
ausgewählt
werden aus der Gruppe von Metallpulvern, Metalllegierungspulvern und
Metalloxidpulvern von Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn;
Nitride von Al, B und Si; C (Graphit oder Diamant), Carbi de von
B, Bi, Cr, Si, W; MoS2; und organischen
Materialien wie etwa PTFE oder Polymerkugeln. Die durchschnittliche
Partikelgröße der aus
Partikeln bestehenden Stoffe ist typischerweise unter 10 μm, bevorzugt
unter 1000 nm (1 μm),
bevorzugt 500 nm, und bevorzugter unter 100 nm.
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Das
Verfahren dieser Erfindung bietet optional ein Verfahren zum kontinuierlichen
(Trommel oder Band) Abscheiden nanokristalliner Folien, welche optional
feste Partikel in Lösung
enthalten, ausgewählt
aus Metallpulvern, Metalllegierungspulvern und Metalloxidpulvern
aus Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitriden von Al, B
und Si; C (Graphit oder Diamant); Carbide von B, Bi, Si, W; MoS2, und organische Materialien wie PTFE und
Polymerkugeln, um gewünschte
Eigenschaften zu verleihen, einschließlich Härte, Abnutzungswiderstand,
Schmierung, magnetische Eigenschaften. Die Trommel oder das Band
stellt ein zeitweises Substrat bereit, von welchem die plattierte
Folie leicht und kontinuierlich entfernt werden kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist es auch möglich,
nanokristalline Schichten herzustellen durch Elektroabscheiden ohne
die Notwendigkeit, den zu beschichtenden Gegenstand in ein Beschichtungsbad
unterzutauchen. Bürsten-
oder Tampon-Abscheiden ist eine geeignete Alternative zum Tank-Abscheiden,
insbesondere, wenn nur ein Teil des Werkstücks zu plattieren ist, ohne
die Erfordernis, Bereiche zu maskieren, welche nicht plattiert werden
sollen. Die Bürsten-Abscheide-Vorrichtung
verwendet typischerweise eine lösliche
bzw. sich auflösende
oder eine dimensional stabile Anode, die in ein absorbierendes Abstandstück-Filz
gewickelt ist, um die Anodenbürste
auszubilden. Die Bürste
wird gegen die zu plattierende Oberfläche gerieben, in einer manuellen
oder mechanisierten Art und Weise, und eine Elektrolytlösung, welche Ionen
des Metalls oder von Metalllegierungen enthält, die plattiert werden sollen,
wird in das Abstandstück-Filz eingespritzt.
Optional enthält
diese Lösung
auch feste Partikel in Lösung,
ausgewählt
aus Metallpulvern, Metalllegierungspulvern und Metalloxidpulvern
von Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitride von Al, B und Si;
C (Graphit oder Diamant); Carbide von B, Bi, Si, W; MoS2,
und organische Materialien wie PTFE und Polymerkugeln, um gewünschte Eigenschaften
zu verleihen, einschließlich
Härte,
Abnutzungswiderstand, Schmierung.
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Im
Fall des Trommel-, Band- oder Bürsten-Abscheidens
reicht die relative Bewegung zwischen Anode und Kathode von 0 bis
600 Metern pro Minute, bevorzugt von 0,003 bis 10 Metern pro Minute.
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Im
Verfahren dieser Erfindung können
Mikrokomponenten für
Mikrosysteme, einschließlich
mikromechanischer Systeme (MEMS) und mikrooptischer Systeme, mit
Korngrößen gleich
oder kleiner als 1000 nm hergestellt werden. Die maximale Abmessung
des Mikrokomponententeils ist gleich oder unter 1 min, und das Verhältnis zwischen
der maximalen äußeren Abmessung
des Mikrokomponententeils und der Durchschnittskorngröße ist gleich
oder größer als
10, bevorzugt größer als
100.
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Die
Mikrokomponenten der vorliegenden Erfindung weisen bevorzugt eine
gleichachsige Mikrostruktur über
die plattierte Komponente auf, welche verhältnismäßig unabhängig von der Dicke und der
Struktur der Komponente ist.
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Es
ist ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung, Mikrokomponenten
vorzusehen, bei denen die durchschnittliche Korngröße eine
Größenordnung
kleiner bleibt als die äußere Abmessung
des Teils, wodurch ein hoher Grad an Festigkeit erhalten ist.
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Die
Mikrokomponenten gemäß dieser
Erfindung haben eine deutlich verbesserte eigenschaftsabhängige Beständigkeit
und verbesserte maßgeschneiderte
gewünschte
Eigenschaften der MEMS-Strukturen für in ihrer Gesamtleistungsfähigkeit
verbesserte Mikrosysteme durch bevorzugte gleichachsige Elektroabscheidungen,
welche das feine Korn ausschließen
von säulenförmigem Kornübergang in
der Mikrokomponente, und gleichzeitigem Reduzieren der Korngröße der Ablagerungen
unter 1000 nm.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung:
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Andere
Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden klarer werden in der
folgenden detaillierten Beschreibung und Beispielen der bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung, zusammen mit den beigefügten schematischen Zeichnungen,
in welchen:
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1 eine
Querschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Trommel-Abscheidevorrichtung
zeigt;
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2 eine
Querschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Bürsten-Abscheidevorrichtung
zeigt; und
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3 eine
Draufsicht einer mechanisierten Bewegungseinrichtung zur Erzeugung
eines mechanisierten Hubs der Anodenbürste zeigt.
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1 zeigt
schematisch einen Abscheidetank oder Behälter 1, der mit einem
Elektrolyt 2 gefüllt
ist, welcher die Ionen des zu plattierenden metallischen Materials
enthält.
Teilweise in den Elektrolyt eingetaucht ist die Kathode in Form
einer sich drehenden Trommel 3, welche elektrisch mit einer
Stromquelle 4 verbunden ist. Die Trommel wird durch einen
elektrischen Motor (nicht gezeigt) über einen Riemenantrieb gedreht
und die Drehgeschwindigkeit ist variabel. Die Anode 5 kann
eine Platte oder eine angepasste Anode, wie gezeigt, sein, welche
elektrisch mit der Stromquelle 4 verbunden ist. Drei unterschiedliche
Anoden-Anordnungen
können verwendet
werden: angepasste Anoden, wie in 1 gezeigt,
welche der Kontur des eingetauchten Abschnitts der Trommel 3 folgen,
vertikale Anoden, welche an den Wänden des Tanks 1 positioniert
sind, und horizontale Anoden, die am Boden des Tanks 1 positioniert
sind. Im Falle einer Folie 16 aus metallischem Material,
welches an der Trommel 3 elektro-abgeschieden wird, wird
die Folie 16 von der Trommeloberfläche, welche aus dem Elektrolyt 2 auftaucht,
gezogen, welche mit dem elektro-ausgeformten metallischen Material
bedeckt ist.
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2 zeigt
schematisch ein zu plattierendes Werkstück 6, welches mit
dem negativen Ausgang der Stromquelle 4 verbunden ist.
Die Anode 5 umfasst einen Griff 7, mit einer leitenden
Anodenbürste 8.
Die Anode enthält
Kanäle 9 zur
Zufuhr der Elektrolytlösung 2 aus
einem temperaturgesteuerten Tank (nicht gezeigt) zu dem Anodengeflecht
(absorbierendes Abstandstück) 10.
Der von dem absorbierenden Abstandstück 10 tropfende Elektrolyt
wird optional in einer Schale 11 gesammelt und zum Tank
zurückgeführt. Das
absorbierende Abstandstück 10,
welches den Elektrolyt 2 enthält, isoliert die Anodenbürste 8 auch
elektrisch vom Werkstück 6 und
stellt den Abstand zwischen Anode 5 und Kathode 6 ein.
Der Anodenbürstengriff 4 kann über das
Werkstück 6 manuell
während
des Abscheidevorgangs bewegt werden, alternativ kann die Bewegung
motorisiert sein, wie in 3 gezeigt.
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3 zeigt
schematisch ein Rad 12, welches durch einen Motor mit einstellbarer
Geschwindigkeit (nicht gezeigt) angetrieben wird. Ein querbeweglicher
Arm 13 kann drehbar (Drehachse A) an das drehende Rad 12 an
verschiedenen Positionen x an einem Schlitz 14 angebracht
sein mit einer Laufbuchse und einer Justierschraube (nicht gezeigt),
um einen gewünschten
Hub bzw. Strich zu erzeugen. Die Hublänge kann eingestellt werden
durch die Position x (Radius), bei welcher die Rotationsachse A
des querbeweglichen Arms am Schlitz 14 befestigt ist. In 3 ist
der querbewegliche Arm 13 so gezeigt, dass er in einer
Nicht-Hub, neutralen Position mit der Rotationsachse A in der Mitte
des Rades 12 ist. Der querbewegliche Arm 13 weist
eine zweite Schwenkachse B auf, welche durch ein Lager (nicht gezeigt)
definiert ist, die gleitend in einer Führungsbahn 15 angebracht
ist. Wenn sich das Rad 12 dreht, veranlasst die Drehung
des querbeweglichen Arms 13 um Achse A bei Position x den
querbeweglichen Arm 13, sich in der Führungsbahn 15 hin
und her zu bewegen und um Achse B zu schwenken. Eine Anode 5,
welche die gleichen Merkmale wie in 2 gezeigt
aufweist, ist an dem querbeweglichen Arm 13 angebracht,
und bewegt sich über
das Werkstück 6 in
einer Bewegung, die von der Position x abhängt. Gewöhnlich hat die Bewegung die
Form der Ziffer 8. Die Anode 5 und das Werkstück 6 sind
jeweils mit positiven und negativen Ausgängen der Stromquelle (nicht
gezeigt) verbunden. Das kinematische Verhältnis ist sehr ähnlich zu
dem einer Dampfmaschine.
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Diese
Erfindung bezieht sich auf die Herstellung nanokristalliner Beschichtungen,
Folien und Mikrosystem-Komponenten durch Puls-Elektroabscheidung.
Optional sind feste Partikel in dem Elektrolyt gelöst und werden
in die Ablagerung eingefügt.
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Nanokristalline
Beschichtungen für
abnutzungsresistente Anwendungen sind heutzutage gerichtet auf Erhöhung von
Abnutzungswiderstandsfähigkeit
durch Erhöhung
der Härte
und Verringerung des Reibungskoeffizienten durch Korngrößenverringerung
unter 100 nm. Es wurde nun gefunden, dass eine Einbringung eines ausreichenden
Volumenanteils an harten Partikeln die Abnutzungswiderstandsfähigkeit
von nanokristallinen Materialien weiter verbessern kann.
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Die
Materialeigenschaften können
auch durch z.B. die Beimengung von Schmiermitteln (so wie MoS2 und PTFE) verändert werden. Allgemein können die
aus Partikeln bestehenden Stoffe aus der Gruppe von Metallpulvern,
Metalllegierungspulvern und Metalloxidpulvern gewählt werden
aus Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitride von Al, B
und Si; C (Graphit und Diamant), Carbide von B, Bi, Si, W; MoS2 und organischen Materialien wie etwa PTFE
und Polymerkugeln.
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Beispiel 1
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Nanokristalline
NiP-B4C-Nanozusammensetzungen wurden auf
Ti und unlegierten Stahlkathoden abgeschieden, die in einem modifizierten
Watts-Bad für
Nickel eingetaucht sind, unter Verwendung einer löslichen
Anode, die aus einer Nickel platte hergestellt war, und einer Dynatronix-(Dynanet
PDPR 20-30-100)-Pulsstromversorgung.
Die folgenden Bedingungen wurden verwendet:
Anode/Anodenfläche: Lösliche Anode:
Ni-Platte, 80cm2
Kathode/Kathodenfläche: Ti
oder unlegierte Stahltafel/ca. 5cm2
Kathode:
fest
Anode: fest
Lineare Geschwindigkeit Anode gegen Kathode:
nicht zutreffend
Durchschnittliche kathodische Stromdichte:
0.06A/cm2
tkathodisch-an/tkathodisch-aus: 2ms/6ms
Frequenz: 125
Hz
Arbeitszyklus: 25%
Ablagerungszeit: 1 Stunde
Ablagerungsgeschwindigkeit:
0,09 mm/h
Elektrolyttemperatur: 60° C
Elektrolytumwälzgeschwindigkeit:
kräftiges
Umrühren
(mechanisches Zweirich
tungs-Flügelrad)
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Basis-Elektrolyt-Formulierung:
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- 300g/l NiSO4 × 7H2O
- 45g/l NiCl2 × 6H2O
- 45g/l H3BO3
- 18 g/l H3PO4
- 0,5–3
ml/l Grenzflächen-aktiver
Stoff zu einer Oberflächenspannung
von < 30 Dyn/cm
- 0–2g/l
Natriumsaccharinat
- 360 g/l Borcarbid, 5 μm
durchschnittlicher Partikeldurchmesser pH 1,5–2,5.
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Die
Härtewerte
von Metallmatrix-Kompositen, welche eine nanokristalline Matrixstruktur
besitzen, sind typischerweise doppelt so hoch wie herkömmliche
grob gekörnte
Metallmatrix-Komposite. Zusätzlich
werden die Härte-
und Abnutzungseigenschaften von nanokristallinen NiP-B
4C-Kompositen,
welche 5,9 Gew.% P und 45 Vol.% B
4C enthalten,
mit denen von reinem grobkörnigen
Ni, reinen nanokristallinen Ni und elektro-abgelagertem Ni-P einer äquivalenten
chemischen Zusammensetzung in der anliegenden Tabelle verglichen.
Die Materialhärtung
wird durch Hall-Petch-Korngrößenverstärkung gesteuert,
während
die Abriebs-Abnutzungswiderstandsfähigkeit gleichzeitig durch
Beimengung von aus B
4C-Partikeln bestehendem
Stoff optimiert wird. Tabelle:
NiP-B
4C-Nanokomposit-Eigenschaften
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Beispiel 2
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Nanokristalline
Co-basierte Nanokomposite wurden auf Ti- und unlegierten Stahlkathoden
abgeschieden, die in einem für
Kobalt modifizierten Watts-Bad eingetaucht waren, unter Verwendung
einer löslichen
Anode, die aus einer Kobaltplatte hergestellt war, und einer Dynatronics-(Dynanet
PDPR 20-30-100)-Pulsstromversorgung.
Die folgenden Bedingungen wurden verwendet:
Anode/Anodenfläche: lösliche Anode
(Co-Platte)/80cm2
Kathode/Kathodenfläche: Ti-(oder
unlegierte Stahl)-Tafel/ca. 6,5 cm2
Kathode:
fest
Anode: fest
Lineare Geschwindigkeit Anode gegen Kathode:
nicht zutreffend
Kathodische Spitzenstromdichte: 0,100 A/cm2
Anodische Spitzenstromdichte: 0,300
A/cm2
Kathodische tkathodisch-an/tkathodisch-aus/anodische tanodisch-an(tanodisch): 16ms/0ms/2ms
Frequenz: 55,5
Hz
Kathodischer Arbeitszyklus: 89%
Anodischer Arbeitszyklus:
11 %
Ablagerungszeit: 1 h
Ablagerungsgeschwindigkeit:
0,08 mm/h
Elektrolyttemperatur: 60° C
Elektrolytumwälzgeschwindigkeit:
0,15 Liter/min/cm2 Kathodenfläche (kein
Pumpenfluss; Umrühren)
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Elektrolyt-Formulierung:
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- 300 g/l CoSO4 × 7H2O
- 45 g/l CoCl2 × 6H2O
- 45 g/l H3BO3
- 2 g/l C7H4NO3SNa Natriumsaccharinat
- 0,1 g/l C12H25O4SNa Natriumlaurylsulfat (SLS)
- 100 g/l SiC, < 1μm durchschnittlicher
Partikeldurchmesser pH 2,5
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In
der angefügten
Tabelle werden die Härte
und Abriebseigenschaften eines nanokristallinen Co-SiC-Komposits,
welches 22 Vol.% SiC enthält,
verglichen mit denen von reinem grobkörnigem Co und reinem nanokristallinen
Co. Hall-Petch-Korngrößenverstärkung steuert
eine Materialhärtung,
während
eine Abriebsabnutzungs-Widerstandsfähigkeit gleichzeitig optimiert
wird durch die Beimengung von einem aus SiC-Partikeln bestehendem
Stoff. Tabelle:
Co-Nanokomposit-Eigenschaften
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Kontinuierliches
Abscheiden ist ausgeführt
worden, um Folien herzustellen, z.B. unter Verwendung von Trommelabscheiden
nanokristalliner Folien, welche optional feste Partikel in Lösung enthalten,
ausgewählt
aus reinen Metallen oder Legierungen aus reinen Metallen oder Legierungen
mit aus Partikeln bestehenden Stoffzusätzen, wie etwa Metallpulver,
Metalllegierungspulver und Metalloxidpulver von Al, Co, Cu, In,
Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitride von Al, B und Si; C (Graphit oder
Diamant); Carbide von B, Bi, Si, W; und organische Materialien wie
etwa PTFE und Polymerkugeln, um gewünschte Eigenschaften zu verleihen,
einschließlich
Härte,
Abnutzungswiderstandsfähigkeit,
Schmierung, magnetischen Eigenschaften. Nanokristalline Metallfolien
wurden an einer rotierenden Ti-Trommel
abgelagert, die teilweise in einem Abscheide-Elektrolyten eingetaucht
war. Die nanokristalline Folie wurde auf der Trommel kathodisch
elektroausgebildet, unter Verwendung einer löslichen Anode, die aus einem
Titanbehälter
hergestellt war, der mit einem Anodenmetall gefüllt war, und unter Verwendung
einer Pulsstromversorgung. Für
eine Legierungsfolien-Herstellung wurde ein Strom von zusätzlichen
Kationen mit einer vorbestimmten Konzentration kontinuierlich der
Elektrolytlösung
zugesetzt, um eine Gleichgewichtszustandskonzentration der legierenden
Kationen in Lösung
zu etablieren. Zur Metall- und Legierungsfolien-Herstellung, Matrixkomposite
enthaltend, wurde ein Strom des Komposit-Zusatzes dem Abscheidebad
mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit zugefügt, um einen Gleichgewichtsinhalt
des Zusatzes zu etablieren. Drei unterschiedliche Anodenanordnungen
können
verwendet werden: Konforme Anoden, welche der Kontur des untergetauchten
Abschnitts der Trommel folgen, vertikale Anoden, die an den Wänden des
Behälters
positioniert sind, und horizontale Anoden, die am Boden des Behälters positioniert
sind. Folien wurden bei durchschnittlichen kathodischen Stromdichten
hergestellt, welche von 0,01 bis 5 A/cm2 und bevorzugt
von 0,05 bis 0,5 A/cm2 reichten. Die Drehgeschwindigkeit
wurde verwendet, um die Foliendicke einzustellen, und diese Geschwindigkeit
reichte von 0,003 bis 0,15 Upm (oder 20 bis 1000 cm/h) und bevorzugt von
0,003 bis 0,05 Upm (oder 20 bis 330 cm/h).
-
Beispiel 3: Metallmatrix-Komposit-Trommelabscheiden
-
Nanokristalline
Co-basierte Nanokomposite wurden auf einer drehenden Ti-Trommel abgelagert,
wie in Beispiel 2 beschrieben, eingetaucht in ein für Kobalt
modifiziertes Watts-Bad. Die nanokristalline Folie, 15 cm breit,
wurde auf der Trommel kathodisch elektro-ausgebildet, unter Verwendung
einer löslichen
Kobaltanode, enthalten in einem Ti-Drahtkorb, und einer Dynatronix-(Dynanet
PDPR 20-30-100)-Pulsstromversorgung. Die folgenden Bedingungen wurden
verwendet:
Anode/Anodenfläche:
konforme lösliche
Anode (Co-Stücke
in Ti-Korb)/nicht bestimmt
Kathode/Kathodenfläche: Ti
600cm2
Kathode: drehend
Anode:
fest
Lineare Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 0,018 Upm
Durchschnittsstromdichte:
0,075 A/cm2
Kathodische Spitzenstromdichte:
0,150 A/cm2
Anodische Spitzenstromdichte:
nicht zutreffend
Kathodische tkathodisch-an/tkathodisch-aus/anodische tan(tanodisch-an): 1 ms/1 ms/0 ms
Frequenz:
500 Hz
Kathodischer Arbeitszyklus: 50%
Anodischer Arbeitszyklus:
0%
Ablagerungszeit: 1 h
Ablagerungsgeschwindigkeit: 0,05
mm/h
Elektrolyttemperatur: 65° C
Elektrolytumwälzgeschwindigkeit:
0,15 Liter/min/cm2 Kathodenfläche (kein
Pumpenfluss; Umrühren)
-
Elektrolyt-Formulierung:
-
- 300 g/l CoSO4 × 7H2O
- 45 g/l CoCl2 × 6H2O
- 45 g/l H3BO3
- 2 g/l C7H4NO3SNa Natriumsaccharinat
- 0,1 g/l C12H25O4SNa Natriumlaurylsulfat (SLS)
- 5 g/l phosphorige Säure
- 35 g/l SiC, < 1 μm mittlerer
Partikeldurchmesser
- 5 g/l Dispersionsmittel
- pH 1,5
-
Die
Co/P-SiC-Folie weist eine Korngröße von 12
nm, eine Härte
von 690 VHN auf, enthaltend 1,5% P und 22 Vol.% SiC.
-
Beispiel 4
-
Nanokristalline
Nickel-Eisen-Legierungsfolien wurden abgeschieden auf einer drehenden
Ti-Trommel, welche teilweise eingetaucht war in ein modifiziertes
Watts-Bad für
Nickel. Die nanokristalline Folie, 15 cm breit, wurde kathodisch
auf der Trommel elektro-ausgebildet, unter Verwendung einer löslichen
Anode, hergestellt aus einem Titandrahtkorb, gefüllt mit Ni-Rundmaterial und
einer Dynatronics-(Dynanet PDPR 50-250-750)-Pulsstromversorgung.
Die folgenden Bedingungen wurden verwendet:
Anode/Anodenfläche: angepasste
lösliche
Anode (Ni-Rundstücke
in einem Metallkäfig)/unbestimmt
Kathode/Kathodenfläche: untergetauchte
Ti-Trommel/ungefähr
600cm2
Kathode: drehend mit 0,018 Upm
(oder 120 cm/h)
Anode: fest
Lineare Geschwindigkeit Anode
gegen Kathode: 120 cm/h
Durchschnittliche kathodische Stromdichte:
0,07 A/cm2
tkathodisch-an/tkathodisch-aus: 2 ms/2 ms
Frequenz:
250 Hz
Arbeitszyldus: 50%
Herstellungslaufzeit: 1 Tag
Ablagerungsgeschwindigkeit:
0,075 mm/h
Elektrolyttemperatur: 60° C
Elektrolytumwälzgeschwindigkeit:
0,15 Liter/min/cm2 Kathodenfläche
-
Elektrolyt-Formulierung:
-
- 260 g/l NiSO4 × 7H2O
- 45 g/l NiCl2 × 6H2O
- 12 g/l FeCl2 × 4H2O
- 45 g/l H3BO3
- 46 g/l Natriumitrat
- 2 g/l Natriumsaccharinat
- 2,2 ml/l NPA-91
- pH 2,5
-
Eisenspeisungs-Formulierung:
-
- 81 g/l FeSO4·7H2O
- 11 g/l FeCl2·4H2O
- 13 g/l H3BO3
- 9 g/l Natriumcitrat
- 4 g/L H2SO4
- 0,5 g/l Natriumsaccharinat
- pH 2,2
- Geschwindigkeit der Beimengung: 0,3 l/h
- Zusammensetzung: 23–27
Gew.% Fe
- Durchschnittliche Korngröße: 15 nm
- Härte:
750 Vickers
-
Selektives
oder Bürsten-Abscheiden
ist ein tragbares Verfahren zum selektiven Abscheiden lokalisierter
Flächen
auf einem Werkstück,
ohne den Artikel in einen Abscheidetank unterzutauchen. Es bestehen
dabei deutliche Unterschiede zwischen selektivem Abscheiden und
Tank- und Trommel-Abscheide-Anwendungen. Im Fall selektiven Abscheidens
ist es schwierig, die Kathodenfläche
genau zu bestimmen, und daher ist die kathodische Stromdichte und/oder
Spitzenstromdichte veränderbar
und im Allgemeinen unbekannt. Die anodische Stromdichte und/oder
Spitzenstromdichte kann bestimmt werden, unter der Voraussetzung,
dass die gleiche Anodenfläche
während
des Abscheidebetriebs verwendet wird, z.B. im Fall von flachen Anoden.
Im Fall ausgeformter Anoden kann die Anodenfläche nicht genau bestimmt werden,
z.B. ändert
sich im Fall einer ausgeformten Anode und einer ausgeformten Kathode
die "effektive" Anodenfläche auch
während
des Abscheidevorgangs. Selektives Abscheiden wird durchgeführt durch
Bewegung der Anode, welche mit einem absorbierenden Abstandstück-Geflecht
umgeben ist und den Elektrolyten enthält, vor und zurück über das
Werkstück,
was typischerweise von einer Bedienungsperson durchgeführt wird,
bis die gewünschte
Gesamtfläche auf
die erforderliche Dicke beschichtet ist.
-
Selektive
Abscheidetechniken sind insbesondere geeignet zur Reparatur und
zum Aufarbeiten von Artikeln, da die Bürstenabscheideaufbauten transportabel
sind, leicht zu betreiben, und keine Zerlegung des Systems erfordern,
welches das zu plattierende Werkstück enthält. Bürstenabscheiden erlaubt auch
das Abscheiden von Teilen, die zu groß zum Eintauchen in Abscheidetanks
sind. Bürstenabscheiden
wird verwendet, um Beschichtungen vorzusehen für verbesserte Korrosionswiderstandsfähigkeit,
verbesserte Abnutzung, verbesserte äußere Erscheinung (dekoratives
Abscheiden) und es kann verwendet werden, um abgenutzte oder fehlbearbeitete
Teile zurückzugewinnen.
Bürstenabscheidesysteme
und Abscheidelösungen
sind kommerziell verfügbar,
z.B. von Sifco Selective Plating, Cleveland, Ohio, die auch mechanisierte
und/oder automatisierte Werkzeugbestückung zur Verwendung für Produktionsarbeiten
großen
Umfangs anbietet. Die verwendeten Abscheidewerkzeuge umfassen die
Anode (DSA oder löslich),
umgeben von einem Absorbierungsmittel, ein elektrisch nicht leitfähiges Material
und einen isolierten Griff. Im Fall von DSA-Anoden sind Anoden typischerweise
hergestellt aus Graphit oder Pt-beschichtetem Titan und sie können Mittel
enthalten zur Regulierung der Temperatur mittels eines Wärmetauschersystems.
Beispielsweise kann das verwendete Elektrolyt geheizt oder gekühlt werden
und durch die Anode geführt
werden, um den gewünschten
Temperaturbereich beizubehalten. Das absorbierende Abstandstück-Material
enthält
und verteilt die Elektrolytlösung
zwischen der Anode und dem Werkstück (Kathode), verhindert Kurzschlüsse zwischen
Anode und Kathode und bürstet
gegen die Oberfläche
der zu plattierenden Fläche.
Diese mechanische Reibe- oder Bürstenbewegung,
welche auf das Werkstück
während
des Abscheidevorgangs aufgebracht wird, beeinflusst die Qualität und das
Oberflächenfinish
der Beschichtung und erlaubt schnelle Abscheidegeschwindigkeiten.
Selektiv-Abscheide-Elektrolyte werden formuliert, um akzeptable
Beschichtungen über
einen weiten Temperaturbereich herzustellen, welcher von niedrigen,
etwa –20° C bis 85° C reicht.
Da das Werkstück
häufig
groß ist
im Vergleich zu der Fläche,
welche beschichtet wird, wird selektives Abscheiden oft auf ein
Werkstück
bei Umgebungstemperatur angewendet, reichend von niedrigen, etwa –20° C bis etwa
hohen 45° C.
Anders als "typische" Elektroabscheidevorgänge kann
im Fall des selektiven Abscheidens die Temperatur der Anode, der
Kathode und des Elektrolyten wesentlich variieren. Aussalzen von
Elektrolytbestandteilen kann bei niedrigen Temperaturen auftreten
und der Elektrolyt kann periodisch oder kontinuierlich wieder aufgeheizt
werden müssen,
um alle ausgefällten
Chemikalien aufzulösen.
-
Eine
Sifco-Bürstenabscheideeinheit
(Modell 3030 – 30
A max.) wurde aufgebaut. Die Graphit-Anodenspitze wurde in ein Baumwollbeutel-Abstandstück eingefügt und entweder
an einen mechanisierten, querbeweglichen Arm angebracht, um die "Bürstenbewegung" zu erzeugen, oder
bewegt durch eine Betriebsperson von Hand zurück und vor über das Werkstück, oder
wie anders bezeichnet. Die Anodenanordnung wurde in der Abscheidelösung getränkt und
die Beschichtung wurde durch Bürsten
des Abscheidewerkzeugs gegen die kathodisch aufgeladene Arbeitsfläche abgelagert,
die aus verschiedenen Substraten zusammengesetzt war. Eine peristaltische
Pumpe wurde verwendet, um den Elektrolyten mit vorbestimmten Geschwindigkeiten
in das Bürstenabscheidewerkzeug
zu speisen. Es wurde dem Elektrolyten ermöglicht, von dem Werkstück in eine Schale
abzutropfen, die auch als ein "Abscheidelösungs-Reservoir" diente, wovon es
in den Elektrolyttank zurückgeführt wurde.
Die Anode wies Durchflusslöcher/Kanäle in der
Bodenoberfläche
auf, um gute Elektrolytverteilung und guten Elektrolyt/Werkstück-Kontakt
sicherzustellen. Die Anode war an einem querbeweglichen Arm befestigt
und die kreisförmige
Bewegung wurde eingestellt, um gleichförmige Hübe der Anode gegenüber der
Substratoberfläche
zu ermöglichen.
Die Drehgeschwindigkeit wurde eingestellt, um die relative Anoden-/Kathoden-Bewegungsgeschwindigkeit
ebenso zu erhöhen
oder zu erniedrigen, wie die Anode/Substrat-Kontaktzeit an irgendeinem
einzelnen Ort. Bürstenabscheiden
wurde normalerweise ausgeführt
bei einer Rate von ungefähr
35–175
Oszillationen pro Minute, mit einer Geschwindigkeit von 50–85 Oszillationen
pro Minute, welche optimal ist. Elektrische Kontakte wurden am Bürstenhandgriff
(Anode) und direkt am Werkstück (Kathode)
hergestellt. Beschichtungen wurden abgelagert auf einer Anzahl von
Substraten, einschließlich
Kupfer, 1018 niedrigkohlenstofihaltigem Stahl, 4130 hoch-kohlenstoffhaltigem
Stahl, 304 Edelstahl, einer 2,5 Inch (6,35 cm) Außendurchmesser-Stahlröhre und
einer Schweißnahtbedeckten
I625-Röhre.
Die Kathodengröße war 8
cm2 mit Ausnahme der 2,5 Inch Außendurchmesser-Stahlröhre, wo
ein 3 cm breiter Streifen um den äußeren Durchmesser ausgesetzt
war, und der Schweißnaht-bedeckten
I625-Röhre,
an welcher ein Schaden-Reparaturvorgang durchgeführt wurde.
-
Eine
Dynatronics-programmierbare Pulsabscheide-Stromversorgung (Dynanet
PDPR 20-30-100) wurde eingesetzt.
-
Von
Sifco vorgesehene Standard-Substrat-Reinigungs- und Aktivierungsvorgänge wurden
verwendet.
-
Beispiel 5:
-
Nanokristallines
reines Nickel wurde auf einer 8 cm2 Flächenelektrode
abgeschieden mit einer 35 cm2 Anode, unter
Verwendung des beschriebenen Aufbaus. Gewöhnlich weist das Werkstück eine
wesentlich größere Fläche als
die Anode auf. In diesem Beispiel wurde ein Werkstück (Kathode)
ausgewählt,
wesentlich kleiner zu sein als die Anode, um sicherzustellen, dass
die überdimensionierte
Anode, obwohl dauernd in Bewegung gehalten, immer das gesamte Werkstück bedeckte,
um die Bestimmung der Kathodenstromdichte zu ermöglichen. Da eine nichtlösliche Anode
verwendet wurde, wurde NiCO3 periodisch
dem Abscheidebad zugeführt,
um die gewünschte
Ni2+-Konzentration aufrecht zu erhalten.
Die folgenden Bedingungen wurden verwendet:
Anode/Anodenfläche: Graphit/35
cm2
Kathode/Kathodenfläche: unlegierter
Stahl/8 cm2
Kathode: stationär
Anode:
mechanisch automatisiert mit 50 Schwingungen pro Minute oszillierend
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 125 cm/min
Durchschnittliche
kathodische Stromdichte: 0,2 A/cm2
tkathodisch-an/tkathodisch-aus:
8 ms/2 ms
Frequenz: 100 Hz
Arbeitszyklus: 80%
Ablagerungszeit:
1 h
Ablagerungsgeschwindigkeit: 0,125 mm/h
Elektrolyt-Temperatur:
60° C
Elektrolyt-Umwälzgeschwindigkeit:
10 ml Lösung
pro Minute pro cm2 Anodenfläche oder
220 ml Lösung
pro Minute pro Ampere durchgelassenem durchschnittlichem Strom
-
Elektrolyt-Formulierung:
-
- 300 g/l NiSO4 × 7H2O
- 45 g/l NiCl2 × 6H2O
- 45 g/l H3BO3
- 2 g/l Natriumsaccharinat
- 3 ml/l NPA-91
- pH 2,5
- Durchschnittliche Korngröße: 19 nm
- Härte:
600 Vickers
-
Beispiel 6:
-
Nanokristallines
Co wurde unter Verwendung des gleichen beschriebenen Aufbaus unter
den folgenden Bedingungen abgeschieden:
Anode/Anodenfläche: Graphit/35
cm2
Kathode/Kathodenfläche: unlegierter
Stahl/8 cm2
Kathode: stationär
Anode:
mechanisch automatisiert mit 50 Schwingungen pro Minute oszillierend
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 125 cm/min
Durchschnittliche
kathodische Stromdichte: 0,10 A/cm2
tkathodisch-an/tkathodisch-aus:
2 ms/6 ms
Frequenz: 125 Hz
Arbeitszyklus: 25%
Ablagerungszeit:
1 h
Ablagerungsgeschwindigkeit: 0,05 mm/h
Elektrolyt-Temperatur:
65° C
Elektrolyt-Umwälzgeschwindigkeit:
10 ml Lösung
pro Minute pro cm2 Anodenfläche oder
440 ml Lösung
pro Minute pro Ampere durchgelassenem durchschnittlichem Strom
-
Elektrolyt-Formulierung:
-
- 300 g/l NiSO4 7H2O
- 45 g/l NiCl2 6H2O
- 45 g/l H3BO3
- 2 g/l Natriumsaccharinat
- 0,1 g/l Natriumlaurylsulfat (SLS)
- pH 2,5
- Durchschnittliche Korngröße: 13 nm
- Härte:
600 Vickers
-
Beispiel 7:
-
Nanokristallines
Ni/20%Fe wurde unter Verwendung des zuvor beschriebenen Aufbaus
abgeschieden. Ein 1,5 Inch (3,81 cm) breites Band wurde auf dem äußeren Durchmesser
einer 2,5 Inch (6,35 cm)-Röhre plattiert
durch Drehung der Röhre
entlang ihrer longitudinalen Achse, während eine feste Anode unter
den folgenden Bedingungen beibehalten wurde:
Anode/Anodenfläche/effektive
Anodenfläche:
Graphit/35 cm2/unbestimmt
Kathode/Kathodenfläche: 2,5
Inch (6,35 cm) Außendurchmesser-Stahlröhre, hergestellt
aus 2101A1 Kohlenstoffstahl/unbestimmt
Kathode: rotierend mit
12 Upm
Anode: stationär
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 20 cm/min
Durchschnittliche
kathodische Stromdichte: unbestimmt
Durchgelassener Gesamtstrom:
3,5 A
tkathodisch-an/tkathodisch-aus:
2 ms/6 ms
Frequenz: 125 Hz
Arbeitszyklus: 25%
Ablagerungszeit:
1 h
Ablagerungsgeschwindigkeit: 0,05 mm/h
Elektrolyt-Temperatur:
55° C
Elektrolyt-Umwälzgeschwindigkeit:
0,44 l Lösung
pro Minute pro durchgelassenem Ampere
-
Elektrolyt-Formulierung:
-
- 260 g/l NiSO4 × 7H2O
- 45 g/l NiCl2 × 6H2O
- 7,8 g/l FeCl2 × 4H2O
- 45 g/l H3BO3
- 30 g/l Na3C6H5O7.2H2O
Natriumcitrat
- 2 g/l Natriumsaccharinat
- 1 ml/l NPA-91
- pH 3,0
- Durchschnittliche Korngröße: 15 nm
- Härte:
750 Vickers
-
Beispiel 8:
-
Ein
Defekt (Kerbe) in einem Schweißnaht-belegten
Röhrenabschnitt
wurde mit nanokristallinem Ni gefüllt, unter Verwendung des gleichen
Aufbaus wie in, Beispiel 1. Die Kerbe war etwa 4,5 cm lang, 0,5
cm breit und hatte eine durchschnitt liche Tiefe von ungefähr 0,175
mm, obwohl es das raue Finish des Defekts unmöglich machte, seine genaue
Oberflächenfläche zu bestimmen.
Die den Defekt umgebende Fläche
wurde abgedeckt, und Nano Ni wurde auf die Defektfläche abgeschieden,
bis ihre originale Dicke wieder hergestellt war.
Anode/Anodenfläche: Graphit/35
cm2
Kathode/Kathodenfläche: I625/unbestimmt
Kathode:
stationär
Anode:
mechanisch automatisiert mit 50 Schwingungen pro Minute oszillierend
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 125 cm/min
Durchschnittliche
kathodische Stromdichte: unbestimmt
tkathodisch-an/tkathodisch-aus: 2 ms/6 ms
Frequenz:
125 Hz
Arbeitszyklus: 25%
Ablagerungszeit: 2 h
Ablagerungsgeschwindigkeit:
0,087 mm/h
Elektrolyt-Temperatur: 55° C
Elektrolyt-Umwälzgeschwindigkeit:
0,44 l Lösung
pro Minute pro Ampere durchgelassenem Durchschnittsstrom
-
Elektrolyt-Formulierung:
-
- 300 g/l NiSO4 × 7H2O
- 45 g/l NiCl2 × 6H2O
- 45 g/l H3BO3
- 2 g/l Natriumsaccharinat
- 3 ml/l NPA-91
- pH 3,0
- Durchschnittliche Korngröße: 20 nm
- Härte:
600 Vickers
-
Mikrokomponenten,
welche Dimensionen bzw. Abmessungen über alles von unter 1000 μm (1 mm) aufweisen,
gewinnen steigende Bedeutung zur Verwendung in elektronischen, biomedizinischen,
Telekommunikations-, Automobil-, Weltraum und Verbraucher-Anwendungen.
Metallische Makrosystemkomponenten mit einer maximalen Abmessung über alles
von 1 cm bis über
1 m, welche Materialien herkömmlicher
Korngröße (1–1000 μm) enthalten,
zeigen ein Verhältnis
zwischen maximaler Abmessung und Korngrößenbereichen von 10 bis 106. Diese Zahl spiegelt die Zahl der Körner über die
maximale Teile-Abmessung wider. Wenn die maximale Größe der Komponente
auf unter 1 mm reduziert wird, wobei Material herkömmlicher
Korngröße verwendet
wird, kann die Komponente potentiell nur aus einigen Körnern hergestellt
sein, oder einem einzelnen Korn, und das Verhältnis zwischen der maximalen
Abmessung der Mikrokomponente und der Korngrößenbereiche geht auf 1. Mit
anderen Worten, ein einzelnes oder nur ein paar Körner erstrecken
sich entlang des gesamten Teils, was nicht wünschenswert ist. Um die Bauteilzuverlässigkeit
von Mikrokomponenten zu erhöhen, muss
das Verhältnis
zwischen maximaler Bauteilabmessung und Korngrößenbereichen auf über 10 erhöht werden,
durch die Verwendung eines kleinkörnigeren Materials, da diese
Materialklasse typischerweise Korngrößenwerte zeigt 10 bis 10000
mal kleiner als diejenigen herkömmlicher
Materialien.
-
Für herkömmliche
LIGA- und andere plattierte Mikrokomponenten beginnt Elektroabscheidung
anfangs mit einer feinen Korngröße an dem
Substratmaterial. Mit steigender Abscheidungsdicke in der Wachstumsrichtung
wird gewöhnlich
der Übergang
zu säulenartigen
Körnern
beobachtet. Die Dicke der säulenartigen Körner reicht
typischerweise von einigen bis zu einigen zehn Mikrometern, während ihre
Länge einige
Hunderte von Mikrometern erreichen kann. Die Konsequenz solcher
Strukturen ist die Entwicklung von anisotropen Eigenschaften mit
zunehmender Ablagerungsdicke, und das Erreichen einer kritischen
Dicke, bei welcher nur ein paar Körner den gesamten Querschnitt
der Komponenten bedecken, mit Breiten unter 5 bis 10 μm. Ein weiterer
Abfall in der Dicke einer Kom ponente führt zu einer Bambus-Struktur,
welche zu einem signifikanten Verlust in Festigkeit führt. Daher
ist die Mikrostruktur elektro-abgelagerter Mikrokomponenten, welche
momentan in Gebrauch sind, völlig
unangemessen bezüglich
Eigenschaftsanforderungen sowohl über die Breite als auch die
Dicke der Komponente auf Basis der Kornform und durchschnittlichen
Korngröße.
-
Bisher
waren Teile, hergestellt aus Materialien herkömmlicher Korngröße, welche
bekannt waren, an gravierenden Zuverlässigkeitsproblemen hinsichtlich
mechanischer Eigenschaften wie dem Young-Modul, Umformfestigkeit,
Grenzzugfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit
und Kriechverhalten zu leiden, bekannt, dass sie extrem empfindlich
auf Verarbeitungsparameter sind, die mit dem Aufbau dieser Komponenten
verbunden sind. Viele der auftretenden Probleme wurden bewirkt durch
unangemessene Skalierung der Haupt-Mikrostruktur-Merkmale (d.h.
Korngröße, Kornform,
Kornorientierung) mit der äußeren Größe der Komponente,
was zu ungewöhnlichen
Eigenschaftsvariationen führte,
die normalerweise bei makroskopischen Komponenten aus dem gleichen
Material nicht beobachtet wurden.
-
Ausführungsformen
-
- 1. Verfahren zum kathodischen Elektroablagern
eines ausgewählten
metallischen Materials auf einem dauerhaften oder zeitweisen Substrat
in nanokristalliner Form als Beschichtung oder freistehende Auflage
mit einer Durchschnittskorngröße von weniger
als 100 nm, unter Verwendung von Puls-Elektroablagerung, mit einer
Ablagerungsrate von wenigstens 0,05 mm/h, aufweisend:
Vorsehen
eines wässrigen
Elektrolyts, welcher Ionen des metallischen Materials enthält, Halten
des Elektrolyts bei einer Temperatur im Bereich zwischen 0 bis 85° C, Vorsehen
einer Anode und einer Kathode in Kontakt mit dem Elektrolyt, Durchlassen
von einzelnen oder mehrfachen Gleichspannungs-Kathodenstrompulsen
zwischen der Anode und Kathode mit einer Kathodenstrom-Pulsfrequenz
im Bereich von etwa 0 bis 1000 Hz, während gepulsten Intervallen,
während
denen der Strom für
eine Tkathodisch-an-Zeitperiode im Bereich von etwa 0,1
bis 50 ms fließt
und für
eine Tkathodisch-aus-Zeitperiode im Bereich
von etwa 0 bis 500 ms nicht fließt, und Durchlassen einzelner
oder mehrfacher Gleichspannungs-Anodenstrompulse
zwischen der Kathode und der Anode während Intervallen, während denen
der Strom für
eine Tanodisch-an-Zeitperiode im Bereich
von 0 bis 50 ms fließt,
wobei ein Arbeitszyklus im Bereich von 5 bis 100% ist und eine kathodische Ladung
(Qkathodisch) pro Intervall immer größer ist
als eine anodische Ladung (Qanodisch).
- 2. Verfahren nach Ausführungsform
1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen oder mehrfachen Gleichspannungs-Kathodenstrompulse
zwischen der Anode und der Kathode eine Spitzenstromdichte im Bereich
von etwa 0,01 bis 20 A/cm2 aufweisen.
- 3. Verfahren nach Ausführungsform
2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzenstromdichte der Kathodenstrompulse
im Bereich von etwa 0,1 bis 20 A/cm2, bevorzugt
im Bereich von etwa 1 bis 10 A/cm2 liegt.
- 4. Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass das ausgewählte metallische
Material (a) ein reines Metall oder eine Legierung von Metallen
ist, ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Ag, Au, Cu, Co, Cr, Ni, Fe, Pb, Pd,
Rt, Rh, Ru, Sn, V, W, Zn oder (b) eine Legierung, bestehend aus
zumindest einem der Elemente der Gruppe (a) und legierenden Elementen,
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus C, P, S und Si.
- 5. Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass die Tkathodisch-an-Zeitperiode
im Bereich von etwa 1 bis etwa 50 ins liegt, die Tkathodisch-aus-Zeitperiode
im Bereich von etwa 1 bis 100 ms liegt und die Tanodisch-an-Zeitperiode
im Bereich vgekennon etwa 1 bis 10 ms liegt.
- 6. Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, dass der Arbeitszyklus bevorzugt im Bereich von
10 bis 95% liegt, und bevorzugter im Bereich von 20 bis 80% liegt.
- 7. Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Kathodenstrom-Pulsfrequenz von 10 Hz bis
350 Hz reicht.
- 8. Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ablagerungsrate bevorzugt zumindest 0,075
mm/h und bevorzugter zumindest 0,1 mm/h ist.
- 9. Verfahren nach einer der Ausführungsformen 1 bis 8, gekennzeichnet
durch Umrühren
des Elektrolyten bei einer Umrührrate
im Bereich von 0 bis 750 ml/min/A, bevorzugt im Bereich von 0 bis
500 ml/min/A.
- 10. Verfahren nach Ausführungsform
9, gekennzeichnet durch Umrühren
des Elektrolyten mittels Pumpen, Rührwerken oder Ultraschallanregung.
- 11. Verfahren nach irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 10, gekennzeichnet
durch eine relative Bewegung zwischen der Anode und Kathode.
- 12. Verfahren nach Ausführungsform
11, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der relativen Bewegung
zwischen Anode und Kathode von 0 bis 600 m/min reicht, bevorzugt
von 0,003 bis 10 m/min.
- 13. Verfahren nach Ausführungsform
11, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Bewegung durch Drehung
der Anode und der Kathode relativ zueinander erreicht wird.
- 14. Verfahren nach Ausführungsform
13, gekennzeichnet durch eine Rotationsgeschwindigkeit der Rotation
der Anode und der Kathode relativ zueinander, welche von 0,003 bis
0,15 Upm und bevorzugt von 0,003 bis 0,05 Upm reicht.
- 15. Verfahren nach Ausführungsform
11 oder Ausführungsform
12, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Bewegung durch einen
eine mechanisierte Bewegung erzeugenden Hub der Anode und der Kathode relativ
zueinander erreicht wird.
- 16. Verfahren nach Ausführungsform
11 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode in ein absorbierendes
Abstandstück
gewickelt ist.
- 17. Verfahren nach irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, dass der Elektrolyt ein spannungssenkendes Mittel
oder ein Kornverfeinerungsmittel enthält, ausgewählt aus der Gruppe von Saccharin,
Cumarin, Natriumlaurylsulfat und Thiourea.
- 18. Verfahren nach irgendeiner der Ausführungsformen 1 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, dass der Elektrolyt aus Partikeln bestehende Zusätze in Lösung enthält, ausgewählt aus
reinen Metallpulvern, Metalllegierungspulvern oder Metalloxidpulvern
von Al, Co, Cu, In, Ng, Ni, Si, Sn, V und Zn, Nitriden von Al, B
und Si, Kohlenstoff C (Graphit oder Diamant), Carbide von B, Bi,
Si, W oder organische Materialien wie etwa PTFE und Polymerkugeln,
wobei das elektro-abgeschiedene metallische Material zumindest 5%
der aus Partikeln bestehenden Zusätze enthält.
- 19. Verfahren nach Ausführungsform
18, dadurch gekennzeichnet, dass das elektro-abgeschiedene metallische
Material zumindest 10% der aus Partikeln bestehenden Zusätze enthält.
- 20. Verfahren nach Ausführungsform
18, dadurch gekennzeichnet, dass das elektro-abgeschiedene metallische
Material zumindest 20% der aus Partikeln bestehenden Zusätze enthält.
- 21. Verfahren nach Ausführungsform
18, dadurch gekennzeichnet, dass das elektro-abgeschiedene metallische
Material zumindest 30% der aus Partikeln bestehenden Zusätze enthält.
- 22. Verfahren nach Ausführungsform
18, dadurch gekennzeichnet, dass das elektro-abgeschiedene metallische
Material zumindest 40% der aus Partikeln bestehenden Zusätze enthält.
- 23. Verfahren nach irgendeiner der Ausführungsformen 18 bis 22, dadurch
gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Partikelgröße der aus
Partikeln bestehenden Zusätze
unter 10 μm
liegt, bevorzugt unter 1000 nm, bevorzugter unter 500 nm, und am
bevorzugtesten unter 100 nm.
- 24. Mikrokomponente hergestellt durch ein Puls-Elektroablagerungsverfahren,
insbesondere hergestellt durch ein Puls-Elektroablagerungsverfahren
wie in irgendeiner der Ausführungsformen
1 bis 22 beansprucht, welche eine maximale Abmessung von 1 mm aufweist,
eine Durchschnittskorngröße gleich
oder kleiner als 1.000 nm, wobei das Verhältnis zwischen der maximalen
Abmessung und der Durchschnittskorngröße größer als 10 ist.
- 25. Mikrokomponente nach Ausführungsform 24, dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis
zwischen der maximalen Abmessung der Mikrokomponente und der Durchschnittskorngröße größer als
100 ist.
- 26. Mikrokomponente nach Ausführungsform 24 oder 25, gekennzeichnet
dadurch, dass sie eine gleichachsige Mikrostruktur aufweist.