DE1521075A1

DE1521075A1 - Elektrolytische Vernickelung von Titan

Info

Publication number: DE1521075A1
Application number: DE19661521075
Authority: DE
Inventors: Brown Ralph Ernest
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1965-06-23
Filing date: 1966-05-21
Publication date: 1971-02-18
Also published as: DE1521075C3; DE1521075B2; GB1088820A; SE344765B

Description

Beschreibung zu der Patentanmeldung der Firma

United Aircraft Corporation, 400 Main Street, East Hartford

Connecticut, U.S.A.

betreffend
Elektrolytische Vernickelung von Titan

Priorität: 23. Juni 1965 - USA

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen fester Nickelschichten auf Titan, um insbesondere die Oberfläche desselben gegen Abrieb zu schützen« Die Erfindung läßt sich außer für Titan auch für Titanlegierungen verwenden.

Trotz der ausgedehnten Verwendung für Bauteile in der Flugzeugindustrie und verwandten Gebieten wird Titan selten in Fällen verwendet, in denen eine dynamische Berührung zwischen bewegten Teilen stattfindet, und zwar wegen der bekannten Empfindlichkeit gegen Oberflächenabrieb. Es sind zwar bereits verschiedene Plattierungstechniken unter Verwendung einer Vielzahl von Materialien und Verfahrensparameter versucht worden, um Titan mit einer gegen Reibung und Abnutzung unempfindlichen Oberfläche zu versehen, diese waren jedoch sämtlich nicht voll befriedigend. Bei den bisher vorgeschlagenen Verfahren haftete die Plattierung nicht genügend fest

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an der Metallunterlage, um die Verwendung in empfindlichen Flugzeuganwendungen zu erlauben, oder aber die Plattierung war nicht genügend hart, gleichmäßig oder glatt, um als Lagerfläche dienen zu können.

Außerdem wird bei vielen der bekannten Verfahren die Haftung oder Plattierung auf Kosten des plattierten Metalle erreicht, indem die metallurgischen Eigenschaften desselben beeinträchtigt werden. Ganz allgemein findet man insbesondere bei solchen Plattierungsverfahren, bei denen das Plattierungsmaterial nicht wirksam niedergeschlagen ist, eine ausgedehnte Wasserstoffabsorption an dem plattierten Metall, welche durch ihre Versprödungswdrkung besonders nachteilig auf die Festigkeit wirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen von fest haftenden, abriebbeständigen Plattierungen auf Titan oder Titanlegierungen zu schaffen. Das Verfahren soll insbesondere die Elektroplattierung von Titan mit Nickel ermöglichen, wobei die Nickelplattierung eine gute Haftfähigkeit an dem Titanmetall aufweist, so daß Gegenstände» die nach diesem Verfahren plattiert sind, sich für empfindliehe Flugzeugteile verwenden lassen.

Die durch die Plattierung nach d«&r> Erfindung geschaffenen Nickeloberflächen sollen glatt, hart und gleichmäßig sein, so daß sie für Lagerzwecke bei Titangegenständen verwendet werden können.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Beispielen näher beschrieben .

Das Plattierverfahren nach der Erfindung umfaßt die Üblichen, bei Elektroplattierungen verwendeten Verfahrensschritte, d.h. das Desoxydieren der Oberfläche, das elektrochemische Niederschlagen des

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Plattierungeraaterials, eine Wärmebehandlung sowie die erforderlichen, dazwischenliegenden SpQl- und Trockenvorgänge. Es wurde nun gefunden, daß eine besondere Korabination von Materialien für das Verfahren und von Verfahrensparametern ein plattiertes Produkt mit überragenden Eigenschaften ergibt. Die dadurch erzielte Hickelplattierung ergibt eine ungewöhnliche Haftfestigkeit auf einer Titanunterlage und zeichnet sich auch durch eine außergewöhnliche Gleichmäßigkeit und Qualität der Plattierung aus.

Da die Plattierung durch das Verfahren nach der Erfindung wirksam und schnell auf der aktiven Oberfläche des Titans gebildet wird, wird die Wasserstoffabsorption und die dadurch hervorgerufene Versprödung verringert.

Titan hat im reinen Zustand eine beeerkenswerte Affinität zu Wasserstoff und zu den vorherrschenden atmosphärischen Gasen, so daß aus Titan hergestellte Teile bei Anwendung üblicher Herstellungstechniken daher eine beträchtliche Oberflächenverunreinigung in Form einer Haut aufweisen. Da diese Haut die Bildung einer fest haftenden Plattierung auf der darunterliegenden Schicht verhindert, muß sie vor den Niederschlagen des aufzutragenden Materials entfernt werden. Zu diesem Zweck können übliche Entfettungs- und Oberflächenreinigungsverfahren angewendet werden, wobei das Dampfblasverfahren besonders wirksam ist.

Vor dem Entfetten und Säubern wird die zu plattierende Oberfläche außerdem durch Beizen behandelt, und zu diesen Zweck werden vorzugsweise die Stoffe und Techniken nach der USA-Patentschrift 3 006 827, angemeldet am 6. Januar 1959, verwendet. Das Beizbad nach diesem Patent greift die plattierende Oberfläche nicht nur weniger heftig an, sondern hat auch selektivere Eigenschaften beim Abbeizen des Oxydfilms, der nach dem Säubern übrigbleibt. Da Oberflächenfehler und Unterbrechungen in der Plattierung die lokale Abnutzung fördern, ist «s var) * ..ismäßig wichtig, Oberflächenfehler zu begrenzen, die sich beim Säubern der Oberfläche

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ergeben können. .Es trifft zwar zu, daß das Verfahren nach der Erfindung nicht besonders empfindlich gegenüber Oberflächenrauhigkeiten ist, und zwar wegen der Dicke der Plattierung, die sich auf die Oberfläche aufbringen läßt, jedoch führen ernstliche Unvollkommenheiten der Oberfläche zu einer fehlerhaft plat· tierten Oberfläche, die dazu führen kann, daß das plattierte Teil vorzeitig ausfällt.

Es ist ganz üblich, die Oberfläche des zu plattierenden Metalls absichtlich aufzurauhen, um die Haftfähigkeit der Plattierung an diesem zu vergrößern. Dies gilt besonders für diejenigen Verfahren, bei denen die Haftung der Plattierung in erster Linie auf einer mechanischen Bindung mit dem Grundmetall beruht. Es hat sich zwar herausgestellt, daß es vorteilhaft ist, eine begrenzte Oberflächenrauhigkeit zu schaffen, jedoch ist dies bei dem Verfahren nach der Erfindung weniger von Bedeutung, da sich eine starke metallurgische Bindung bildet, welche ein"festes Haften der Nickelplattierung auf dem Titan verursacht. Da daher eine weniger große Rauhigkeit der zu plattierenden Oberfläche erforderlich ist, sind diese auch glatter, gleichmäßiger und frei von Diskontinuitäten.

Nach dem Beizen entsteht eine hochaktive Titanoberfläche. Obgleich von anderer Seite angegeben worden ist, daß es vorteilhaft sei, die Nickelplattierung über eine dünne, fest haftende, absichtlich aufgebrachte oberflächige Oxydschicht aufzutragen, ergeben sich bei dem Verfahren nach der Erfindung die besten Ergebnisse beim Auftragen der Plattierung direkt auf die aktive Titanoberfläche. Da Titan in diesem Zustand in Luft selbst bei Raumtemperatur sehr schnell wieder oxydiert, muß die Übertragungszeit zwischen den Bädern nach der Beizbehandlung auf einem Minimum gehalten werden. Vorzugsweise ist die Zeit kleiner als 5 bis IO Sekunden, und die zu plattierenden Teile bleiben vor der Plattierung immer vollständig benetzt.

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Nach dem Abspülen wird der zu plattierende Gegenstand in ein Plattierungsbad gebracht, welches im wesentlichen aus einer wässrigen Lösung von Nickelsulfamat, Borsäure und einem Benetzungsmittel besteht. Dieses Plattierungsbad ist besonders günstig, da es einen harten, nicht porösen Nickelüberzug ergibt, der eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit aufweist.

Da das Sulfamat-Nickelplattierungsverfahren einen Wirkungsgrad von etwa 99 % aufweist, geschieht das Niederschlagen von Nickel so schnell, daß die Wasserstoffabsorption durch Titan bestimmt unter einem Wert bleibt, bei dem eine Versprödung auftritt. Zur Vermeidung derselben muß die Wasserstoffabsorption durch das zu plattierende Metall auf einen Wert von 150 χ 10 begrenzt werden, wahrend metallurgische Analysen der gemäß dem Verfahren nach der Erfindung plattierten Proben einen Wasserstoffgehalt von 3 bis 6 χ 10~ zeigten.

Nach dem Plattieren wird der Gegenstand gespült, getrocknet und auf eine Temperatur von 218 bis 538°C erhitzt, um die Plattierung mit dem plattierten Metall metallurgisch zu verbinden. Die enge Einhaltung dieser Vergütungstemperatur ist sehr kritisch. Wenn die Vergütung ausgelassen wird oder bei anderen als den angegebenen Temperaturen ausgeführt wird, geht die Haftfestigkeit der Plattierung an dem plattierten Metall ebenso verloren wie die Lagereigenschaften.

Obgleich die Vergütungstemperatur zur Herstellung der metallurgischen Bindung etwas von der Dicke der aufgebrachten Plattierung abhängt, ist die Bindung bei Temperaturen von 218 bis 538°C im allgemeinen ausreichend. Ein bevorzugter Bereich der Vergütungstemperatur liegt bei 232 bis »*27^OC, insbesondere bei 2t6 bis ⁰C,

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Obwohl eine Vergütungsteinperatur von 218°C für Plattierungsdicken bis zu 0,0127 mn ausreichend ist, reicht diese Temperatur für darüber hinausgehende Plattierungedicken nicht aus, da die dann entstehende Bindung zwischen Plattierung und Untergrund nicht die gewünschte Haftfestigkeit aufweist. Da normalerweise Titangegenstände mit einer Nickelplattierung von wenigstens 0,025t na Dicke, gewöhnlich 0,0508 bis 0,127 mn Dicke zur Erreichung einer genügenden Abnutzungsfestigkeit versehen werden, wendet man unter diesen Umständen vorzugsweise eine Vergütungsteinperatur von wenigstens 232°C an.

Gegenstände, die bei Temperaturen oberhalb 538°C vergütet werden, zeigen eine beträchtliche Zerstörung der Nickelplattierung, wobei deren Oberfläche rauh wird und sich verfärbt. Obgleich die Haftfestigkeit der Plattierung nach Behandlung mit derartigen Temperaturen noch befriedigend ist, ist die äußere Oberfläche der plattierten Gegenstände zur Verwendung als Lager nicht genügend glatt, so daß der wesentliche Zweck der Kickelplattierung verlorengeht. Aus diesem Grunde wird die Vergütung nach dem Plattieren vorzugsweise bei 216 bis 27H°C ausgeführt.

Beispiel

Es wurden zahlreiche Titanprobetafeln und Flugzeugteile in der folgenden Weise plattiert:

Die Teile wurden zuerst entfettet und gesäubert mittels üblicher Techniken. Danach wurden sie elektrolytisch desoxydiert unter Verwendung des Verfahrens nach dem USA-Patent 3 006 827 und unter bevorzugter Verwendung eines darin beschriebenen Beizbades folgender Zusammensetzung:

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Wasser 88,5 Volumenprozent

Salpetersäure (50-80%) 10,5 Volumenprozent Flußsäure (48 - 60%) 10 Volumenprozent Amidoschwefelsäure 7-13 Gewichtsprozent der

Flüssigkeiten Kadraiumsulfat 2 - 3,5 Gewichtsprozent der

Flüssigkeiten

Die eingetauchten Teile wurden in dem Bad als Anode verwendet und eine Gleichspannung von 6 bis 30 V angelegt.

Nach dem Desoxydieren wurden die Teile mit Wasser abgespült und aus dem Beizbad in ein Plattierungsbad folgender Zueaaeensetzung gebracht:

Nickelsulfamat	450	g/l Wasser
(Nickelmetallgehalt desselben)	75,5	g/i
Borsäure	30	g/i
Benetzungsmittel	0,375	g/i
Nickelsulfamat-
Spannungsreduziermittel	15	g/i

Die Übertragung geschah in 5 bis 10 Sekunden, wobei die Teile naß waren. Das Plattierungsbad hatte eine Betriebstemperatur von 38 bis 54°C und die zu plattierenden Gegenstände wurden als Kathode geschaltet und mit einer Plattierung von 0,0254 bis 0,127 mm Dicke versehen unter Anwendung einer Stromdichte von 215 bis 540 A/m².

Nach dem Abspülen mit Wasser und nach den Trocknen wurde eine Wärmebehandlung in Luft ausgeführt bei einer Temperatur von 246 bis 274°C während wenigstens eir~r Stunde.

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Die erzielte Plattierung hatte eine halbglänzende, glatte, gleichmäßige, fehlerfreie Oberfläche und eine ausgezeichnete Haftung an dem Gründmetall, Es trat keine Abspaltung der Plattierung auf, wenn die Titantafeln um 18O°C über einen Dorn gebogen wurden, der 1,5 bis 2 mal so dick wie die Titantafeln war. Wie erwartet, nahm die Haftfestigkeit oder anders ausgedrückt die Widerstandsfähigkeit der Plattierung gegen eine schichtenartige Abtrennung mit zunehmender Plattierungsdicke ab. Die Haftfestigkeit der Plattierung ist jedoch in jedem Fall größer als bei Verwendung anderer Verfahren.

Ferner wurden Versuche an einer Vielzahl von Titangegenständen unterschiedlicher Gestalt vorgenommen, wobei die Dicke der Plattierung zwischen dünnsten Schichten und Dicken von 0,127 on lag und
wurden.

lag und Vergütungstemperaturen von 204 bis 6^9°C angewendet

Da wie bekannt bei der Bildung der Diffusionsbindung zwischen Nickel und Titan im allgemeinen die Diffusionsgeschwindigkeit temperaturabhängig ist, ist bei Anwendung höherer VergUtungsteraperaturen innerhalb der oben genannten Grenzen die zum Ausbilden der metallurgischen Bindung erforderliche Zeit geringer.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Aufbringen einer fest haftenden Nickelplattierung auf Titangegenständen, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberflächen der Gegenstände gesäubert, insbesondere entfettet und entzundert werden, daß die Oberflächen sodann in einem Beizbad elektrolytisch desoxydiert werden, welches im wesentlichen aus einer wässrigen Lösung von Salpetersäure, Flußsäure, Aminoschwefelsäure und einem Sulfat eines Metalls aus der Gruppe II des periodischen Systems besteht, daß die Gegenstände nach dem Desoxydieren schnell durch ein Wasserbad in das Plattierungsbad gebracht werden, wobei die desoxydierten Oberflächen der Gegenstände während der Oberführung vollständig benetzt gehalten werden, daß eine Nickelschicht in dem Plattierungsbad elektrolytisch auf die Gegenstände aufgebracht wird, daß die Gegenstände sodann zum Entfernen der Plattierungslösung gespült und anschließend getrocknet werden, und daß sie bei einer Temperatur von 218 bis 538°C vergütet werden, um eine feste metallurgische Bindung zwischen der Nickelplattierung und dem Titanmetall zu schaffen.

net, daß eine Vergütungstemperatur zwischen 232 und U27 C

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eini

verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein'

verwendet wird.

net, daß eine Vergütungstemperatur zwischen 2H6 und 27** C

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1> I I U

H. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet i daß das Plattierungebad im wesentlichen aus Nickelsulfamat, Borsäure und einem Benetzungsmittel in wässriger Lösung besteht.

5, Verfahren nach Anspruch 1 bis **, dadurch gekennzeichnet» daß die Nickelplattierung in einer Starke von wenigstens 0,0254 mm aufgetragen und die Gegenstände während etwa einer Stunde bei der Vergütungstemperatur gehalten werden.

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