DE19854793B4 - Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks und Verfahren zur Herstellung einer solchen - Google Patents

Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstücks und Verfahren zur Herstellung einer solchen Download PDF

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Abstract

Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstückes (12) in einer Elektrolytumgebung, mit einem metallischen Elektrodenkörper (16) dessen Oberfläche teilweise mit einer thermisch gespritzten Keramikschicht (18) beschichtet ist, wobei die Keramikschicht (18) mit einer Lackschicht (22) überzogen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstückes in einer Elektrolytumgebung, mit einem metallischen Elektrodenkörper, dessen Oberfläche teilweise mit einer Isolierschicht versehen ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Elektrode.
  • Elektroden zur elektrochemischen Bearbeitung von metallischen Werkstücken (Elektroden zur elektrochemischen Metallbearbeitung, im folgenden kurz ECM-Elektroden genannt) werden in der automatischen Fertigungstechnik einerseits zum Entgraten von innen liegenden und mit herkömmlichen Werkzeugen schwer zugänglichen Bohrgraten und andererseits zur Einarbeitung von Bohrungen und Konturen, wie Ringkanälen, Schmiernuten und ähnlichem eingesetzt. Der Materialabtrag erfolgt durch anodische Auflösung des elektrisch leitenden Werkstückes. Zur Bearbeitung wird ein Stromkreis zwischen Anode (Werkstück) und Kathode (Elektrode) über eine Elektrolytlösung, z.B. eine 20-%-ige Kochsalzlösung, geschlossen. Das Verfahren arbeitet in der Regel mit einer Gleichspannung zwischen etwa 10 und 60 Volt bei Temperaturen um 40 °C. Die Intensität des Materialabtrages wird dabei über die elektrische Spannung und die Zeit, in der der geschlossene Stromkreis auf die zu bearbeitende Stelle einwirkt, gesteuert.
  • Das abgetragene Material geht in Form von Ionen in Lösung und bildet dort Metallhydroxide, die ausfallen und durch eine Reinigungsapparatur dem Elektrolytkreislauf kontinuierlich entzogen werden.
  • Die Geometrie von ECM-Elektroden ist an die Geometrie der zu bearbeitenden Werkstücke sowie an die zu lösende Bearbeitungsaufgabe und an die angestrebte Endkontur des Werkstücks angepaßt. Sie ist meist stabförmig, wobei Größe und Durchmesser herkömmlicher ECM-Elektroden etwa einer Kugelschreibermine vergleichbar sein können.
  • Für eine störungsfreie Funktion der ECM-Elektroden müssen diese präzise gearbeitete Bohrungen und Isolierungen besitzen. Nur an bestimmten Stellen wird die Isolierung entfernt und das darunter liegende metallische Elektrodenmaterial kommt zum Vorschein und somit zur Wirkung bei der Bearbeitungsaufgabe. Die Qualität der Werkstückbearbeitung hängt dabei entscheidend von der präzisen geometrischen Form der Elektrodenisolierung ab, da nur an den elektrisch leitenden Oberflächenanteilen durch Wechselwirkung mit dem Elektrolyt ein Ladungsaustausch stattfindet.
  • Bei herkömmlichen ECM-Elektroden wurde die Isolierschicht durch eine spritzgegossene Kunststoffummantelung realisiert, die in der Fertigung zu Problemen führt.
  • Aus der DE-OS 1 565 362 ist ferner eine ECM-Elektrode bekannt, die mit einem keramischen Überzug aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Chromoxid, Magnesiumoxid oder Kalziumoxid versehen ist, der durch thermisches Spritzen aufgetragen ist.
  • Darüber hinaus sind ECM-Elektroden bekannt, die mit einer Epoxidharz-Beschichtung, einer PVC-Beschichtung oder mit einer Silikon-Kunstharzbeschichtung versehen sind ( US 3 285 844 und "Werkzeuge für das elektrochemische Bearbeiten" in: wt-Z. ind. Fertig. 59 (1969) Nr. 7, Seite 361 bis 362).
  • Während die erst genannten Elektroden mit einer thermisch gespritzten keramischen Isolierschicht im Dauerbetrieb häufig nicht die notwendige chemische Beständigkeit aufweisen, besitzen die übrigen Elektroden mit Epoxidharzbeschichtungen, PVC-Beschichtungen oder Silikon-Kunstharzbeschichtungen meist keine ausreichende Verschleißfestigkeit, so daß diese schon nach kurzer Zeit unbrauchbar werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht demnach darin, eine verbesserte Elektrode und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer solchen anzugeben, womit eine verbesserte Formstabilität und Verschleißbeständigkeit und eine allgemein verbesserte Stabilität gegen mechanische und thermische Einwirkungen während des Einsatzes erreicht wird. Die Isolierschicht sollte ferner eine ausreichende chemische Stabilität gegenüber dem Elektrolyten aufweisen, einen ausreichend hohen elektrischen Widerstand gewährleisten und weitgehend diffusionsdicht gegenüber den Bestandteilen des Elektrolyten sein.
  • Ferner sollen die Elektroden möglichst zu einer weiteren Miniaturisierung von den derzeit üblichen Durchmessern geeignet sein und möglichst hohe Stromdichten erlauben, um so einen hohen Materialabtrag zu gewährleisten und die Wirtschaftlichkeit gleichermaßen zu erhöhen. Dies bedingt darüber hinaus eine erhöhte Temperaturbeständigkeit gegenüber herkömmlichen Polymerwerkstoffen oder geklebten Strukturen, da lokal hohe Stromdichten zu entsprechender Erwärmung führen können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstückes in einer Elektrolytumgebung gelöst, mit einem metallischen Elektrodenkörper, dessen Oberfläche teilweise mit einer thermisch gespritzten Keramikschicht beschichtet ist, wobei die Keramikschicht mit einer Lackschicht überzogen ist.
  • Es wurde festgestellt, daß eine derartige Elektrode eine ausreichend hohe Verschleißfestigkeit besitzt und gleichzeitig eine gute Widerstandsfähigkeit gegen mechanische und thermische Beeinflussung. Während die Keramikschicht für die notwendige Verschleißfestigkeit sorgt, wird durch die zusätzlich aufgetragene Lackschicht die notwendige chemische Beständigkeit gegen den Elektrolyten erreicht, eine gute elektrische Isolation sichergestellt und eine diffusionshemmende Schicht gewährleistet. Die Lackschicht dringt beim Auftragen in die teilweise noch rauhe Außenoberfläche der thermisch gespritzten Keramikschicht ein und versiegelt diese somit und führt zu einer glatten Oberfläche, die kaum nachbearbeitet werden muß.
  • Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen ECM-Elektrode wird insgesamt die Bearbeitungsgüte des Werkstückes und die Prozeßstabilität verbessert und eine hohe Maßhaltigkeit gewährleistet.
  • Die Keramikschicht wird vorzugsweise aus Al2O3, Cr2O3, TiO2, ZrO2, Tialit (Al2TiO5), Mullit oder Mischungen bzw. Phasengemischen hiervon hergestellt. Dabei wird die Keramikschicht vorzugsweise mit einer Schichtdicke zwischen etwa 50 und 150 Mikrometer aufgetragen.
  • Mit einer derartigen Schichtdicke lassen sich eine ausreichende Diffusionsbeständigkeit und ausreichende Isolatoreigenschaften gewährleisten.
  • Bei den zuvor genannten Materialien ist ferner eine hohe chemische Beständigkeit gegen den Elektrolyten sichergestellt.
  • Der Auftrag der Keramikschicht mittels thermischem Spritzen erfolgt vorzugsweise durch atmosphärisches Plasmaspritzen eines Pulvers, wodurch sich eine geringe Porosität der Keramikschicht erreichen läßt, die als offene Porosität unter 2%, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1% liegen kann. Bei mechanisch und thermisch ausreichend stabilem Elektrodenkörper kann auch das Überschall-Pulverflammspritzverfahren (HVOF) zum Einsatz kommen, das eine deutliche Verringerung der Porosität ermöglicht.
  • Je nach den Anforderungen an die Oberflächengüte der Elektrode ist eine mechanische Nachbearbeitung, z.B. durch Schleifen oder Polieren vorteilhaft.
  • Die Oberfläche des metallischen Elektrodenkörpers wird in an sich bekannter Weise vorzugsweise vor dem Aufbringen der Keramikschicht durch Reinigen, Entfetten und anschließendes Aufrauhstrahlen vorbehandelt, wozu vorzugsweise Edelkorund verwendet wird.
  • Hierbei kann Problemen durch Verzug bei besonders miniaturisierten Elektroden, der infolge des Aufrauhstrahlens auftreten kann, durch eine geeignete Strahlgutauswahl und Prozeßführung, insbesondere der Kinematik von Bauteil und Strahldüse, und durch eine Herabsetzung des Druckes beim Aufrauhstrahlen begegnet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird eine Haftvermittlerschicht auf den Elektrodenkörper aufgetragen, be= vor die Keramikschicht aufgespritzt wird.
  • Durch den Auftrag einer solchen Haftvermittlerschicht, bei der es sich vorzugsweise um eine metallische Schicht handelt, etwa um eine korrosionsbeständige Chrom-Nickel-Legierung, die vorzugsweise gleichfalls durch thermisches Spritzen aufgetragen wird, kann eine deutlich verbesserte Haftung zwischen der Keramikschicht und dem metallischen Grundkörper erreicht werden, wodurch darüber hinaus auch Probleme, die etwa durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des metallischen Grundkörpers einerseits und der Keramikbeschichtung andererseits vermieden oder kompensiert werden können.
  • Insgesamt läßt sich durch den Auftrag einer derartigen Haftvermittlerschicht eine mechanisch und thermisch besonders hoch belastbare Elektrode herstellen, die auch für erhöhte Stromdichten und miniaturisierte Ausführungen geeignet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Elektrodenkörper während des thermischen Spritzens durch einen Gasstrom gekühlt.
  • Durch diese Maßnahme wird Verzugsproblemen, die beim thermischen Spritzen durch Wärme- und Impulsaustausch auftreten können, entgegengewirkt. Hierzu kann der verwendete Brenner mit geeigneten Gaslanzetten versehen sein, durch die während des Spritzvorgangs ein Gasstrom, z.B. Luft oder Kohlendioxid, auf die zu bearbeitenden Stelle zur Kühlung gerichtet wird. Zusätzlich oder alternativ können Hohlelektroden mittels Gas oder Flüssigkeit während des Beschichtungsprozesses von innen gekühlt werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird in alternativer Weise durch eine Elektrode gelöst, mit einem metallischen Elektrodenkörper, dessen Oberfläche teilweise mit einer Schutzschicht beschichtet ist, die aus einem präkeramischen Polymer, das Silizium, Bor, Kohlenstoff und Stickstoff enthält (Si-B-C-N) oder aus einem Fluor-Polymer-Lack hergestellt ist, gelöst.
  • Auch auf diese Weise wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst.
  • Mit der Erfindung wurde erkannt, daß sich auch durch eine Lakkierung mit einem geeigneten Material eine ausreichend beständige Isolierschicht an der Oberfläche der metallischen Elektrode erzeugen läßt.
  • Während mit den herkömmlichen Beschichtungen aus Epoxidharz, aus PVC oder aus Silikon-Kunstharz nicht die notwendige Beständigkeit, insbesondere mechanische Beständigkeit erreicht wird, zeichnet sich die erfindungsgemäße Elektrode, die eine Beschichtung aus einem präkeramischen Polymer oder aus einem Fluor-Polymer-Lack aufweist, durch eine gute mechanische Beständigkeit bei ausreichender chemischer Beständigkeit aus. Sofern die Beschichtung aus einem Fluor-Polymer-Lack, z.B. aus einem Lack auf PTFE-Basis hergestellt ist, ergibt sich eine äußerst geringe Benetzbarkeit gegenüber dem Elektrolyten. Dabei kann durch den Zusatz von Füllstoffen und anderen feindispersen Feststoffen zu der polymeren Schutzschicht deren Eigenschaften zusätzlich in positivem Maße beeinflußt werden, wobei insbesondere ein verbesserter Verschleißwiderstand erreicht werden kann, in dem z.B. SiO2, TiO2 oder dergleichen zugesetzt wird.
  • Eine derartige Beschichtung kann auch als zusätzliche Schutzschicht auf die zuvor erzeugte Keramikschicht aufgetragen werden.
  • In diesem Fall läßt sich bei Verwendung von gut verlaufenden Beschichtungsmaterialien eine äußerst glatte Oberfläche erzeugen, wodurch eine mechanische Nachbearbeitung z.B. durch Schleifen oder Polieren überflüssig wird.
  • Außerdem kann auch bei sehr dünnen Keramikschichten eine ausreichende Diffusionsdichtheit erreicht werden. Ferner lassen sich durch eine solche Kombination die elektrischen Isoliereigenschaften und die chemische Stabilität gegenüber der Elektrolytlösung verbessern.
  • Die Schutzschicht wird in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung aus einem Silikonharzlack, vorzugsweise aus einem Siloxanlack hergestellt, der auch organisch modifiziert sein kann, z.B. durch Ethoxy- oder Methoxy-Gruppen. Neben Si-C-O-Polymeren können bevorzugt auch präkeramische Polymere, die Silizium, Bor, Kohlenstoff und Stickstoff (Si-B-C-N) enthalten, gleichermaßen als Beschichtungsmaterialien verwendet werden.
  • Derartige Silikonharzlacke zeichnen sich durch eine hohe thermische Beständigkeit und eine hohe elektrische Isolationsfähigkeit aus, weshalb sie für eine solche Schutzschicht besonders geeignet sind.
  • Da sie in sehr dünnflüssiger Form angewendet werden können, ergibt sich ein besonders guter Verlauf und damit eine hohe Präzision beim Auftrag, ohne daß eine zusätzliche Nachbehandlung erforderlich ist.
  • Vorzugsweise werden derartige Lacke bei einer Temperatur zwischen etwa 100 °C und 300 °C, insbesondere im Bereich um etwa 200 °C eingebrannt.
  • Durch die zusätzliche Auftragung einer Haftvermittlerschicht vor der Auftragung der Schutzschicht auf den metallischen Elektrodenkörper oder auf die Keramikschicht kann zusätzlich die Haftung der polymeren Schutzschicht verbessert werden. Hierzu wird in der Regel eine Primerschicht aufgetragen, deren Bestandteile so gewählt sind, daß sich eine verbesserte Haftung zum Untergrund ergibt. Bei dichtem Auftrag der polymeren Schutzschicht auf den metallischen Grundkörper kann die Haftung der Schutzschicht durch Erzeugung einer Konversionsschicht, etwa durch Phosphatierung, Chromatierung usw. verbessert werden.
  • Sowohl die polymere Schutzschicht als auch die Haftvermittlerschicht können durch ein Sprüh- oder Tauchlackierverfahren aufgetragen werden.
  • Insbesondere bei solchen ECM-Elektroden, bei denen eine Keramikschicht aufgespritzt wird, kann die Schutzschicht auch durch ein Imprägnierverfahren, etwa durch Druckimprägnieren oder durch Vakuumimprägnieren, derart aufgetragen werden, daß die Schutzschicht auch bis in tiefere Bereiche der Keramikschicht eindringt, so daß ein ausgezeichneter Oberflächenschutz und verbesserte Eigenschaften erzielt werden.
  • Um die Beschichtung für den elektrischen Stromfluß notwendigen elektrisch leitenden Oberflächenanteile an der Außenoberfläche der Elektrode zu verhindern, wird in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ein Maskierverfahren verwendet, bevor die Keramikschicht bzw. eine zusätzliche Schutzschicht aufgebracht werden..
  • Statt dessen können die metallischen, nicht isolierten Bereiche an der Oberfläche des Elektrodenkörpers auch durch eine mechanische Nachbearbeitung freigelegt werden.
  • Obwohl die Aufbringung der Keramikschicht auf den metallischen Elektrodenkörper durch thermisches Spritzen wirtschaftlich gesehen eine besonders vorteilhafte Lösung darstellt, erscheint es grundsätzlich auch möglich, die Keramikschicht durch andere Verfahren aufzutragen, wie etwa durch PVD- oder CVD-Beschichtung.
  • Hierdurch lassen sich sehr hochwertige Beschichtungen erzielen, was allerdings mit erhöhten Kosten verbunden ist.
  • Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Elektrode weist vorzugsweise mindestens einen Hohlraum zur Zu- bzw. Abfuhr von Elektrolytflüssigkeit und mindestens eine Durchtrittsöffnung für Elektrolytflüssigkeit auf.
  • Durch eine derartige Ausführung wird die Zu- und Abfuhr des mit Metallionen angereicherten Elektrolyts an einer schlecht zugänglichen Bearbeitungsstelle erleichtert.
  • Die Erfindungwird anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Elektrode im Einsatz, die für die Einarbeitung einer ringförmigen Nut in einer tiefen Sacklochbohrung geeignet ist, in schematischer, nicht maßstabsgerechter Darstellung und
  • 2 eine alternative Ausführung einer erfindungsgemäßen Elektrode im Längsschnitt, die zur Erzeugung einer innenliegenden Kavität in einer tiefen Sacklochbohrung geeignet ist, in schematischer, nicht maßstabsgerechter Darstellung.
  • In 1 ist eine erfindungsgemäße ECM-Elektrode insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.
  • Im dargestellten Beispiel dient die Elektrode 10 zur Bearbeitung eines metallischen Werkstückes 12 innerhalb eines Hohlraums 30 in Form eines Sackloches, in dem an einer bestimmten Stelle ein ringförmiger Kanal oder eine allgemein mit der Ziffer 14 bezeichnete Kavität erzeugt werden soll.
  • Der Materialabtrag erfolgt hierbei durch anodische Auflösung des metallischen Werkstückes 12, wobei ein Stromkreis zwischen dem Werkstück 12 und der als Kathode geschalteten Elektrode über eine Elektrolytlösung, im dargestellten Fall 20-%-ige Kochsalzlösung, geschlossen wird. Das Verfahren arbeitet bei einer Gleichspannung zwischen etwa 10 und 60 Volt und bei Temperaturen um 40 °C. Die Intensität des Materialabtrags wird dabei über die elektrische Spannung und die Zeit, in der der geschlossene Stromkreis auf die zu bearbeitende Stelle einwirkt, gesteuert. Das abgetragene Material geht in Form von Ionen in Lösung und bildet dort Metallhydroxide, die ausfallen und durch eine Reinigungsapparatur dem Elektrolytkreislauf kontinuierlich entzogen werden.
  • Die Zuführung des Elektrolyten erfolgt durch einen Hohlraum 28 der im wesentlichen stabförmig ausgebildeten Elektrode 10, indem der Elektrolyt in Richtung des Pfeiles 32 innerhalb der Elektrode 10 zugeführt wird und über kreisförmige Öffnungen 26 in der Mantelfläche der Elektrode 10 nach außen in den Hohlraum 30 des Werkstückes 12 austritt. Es erfolgt eine anodische Auflösung des Materials an der mit 14 bezeichneten, unmittelbar gegenüberliegenden Stelle, woraufhin angereicherter Elektrolyt in dem verbleibenden ringförmigen Spalt zwischen der Elektrode 10 und dem Werkstück 12 nach außen in Richtung des Pfeiles 36 abströmt.
  • Um eine präzise und störungsfreie Funktion der Elektrode 10 zu gewährleisten, muß deren Oberfläche eine präzise Isolierung besitzen und nur an bestimmten Stellen freiliegende Bereiche 24 aufweisen, an denen das metallische Elektrodenmaterial zum Vorschein kommt.
  • Im dargestellten Fall ist die Elektrode 10 als Stiftelektrode mit einer zylinderförmigen Mantelfläche ausgebildet, deren Ende eine geringe Querschnittsverjüngung aufweist und vollständig dichtend abgeschlossen ist.
  • Die Elektrode 10 besitzt einen metallischen Elektrodenkörper 16, der nach außen hin vollständig mit einer Isolierschicht umschlossen ist, die aus verschiedenen Schichten 18, 20, 22 besteht, deren Funktion nachfolgend noch im einzelnen erläutert wird. Von der Isolierung ausgenommen ist lediglich ein freiliegender Bereich 24, der als Ringsteg an einer vorbestimmten Stelle des Elektrodenkörpers 16 ausgebildet ist. Dieser frei liegende Bereich 24 ist in gleichmäßigen Winkelabständen von Radialbohrungen durchsetzt, wodurch die Öffnungen 26 gebildet sind, durch die die Elektrolytlösung radial nach außen ausströmen kann.
  • Im dargestellten Fall hat die Elektrode 10 einen Außendurchmesser von etwa 2 mm. Der metallische Elektrodenkörper 10 besteht aus Edelstahl und kann aus einem nahtlos gezogenen Rohr hergestellt sein, an dessen Ende der verjüngte Bereich 17 z.B. durch Laserschweißen angeschweißt ist, dessen äußeres Ende wiederum z.B. durch Aufschweißen eines kreisförmigen Deckels dichtend verschlossen ist.
  • Alternativ ist es möglich, den metallischen Elektrodenkörper z.B. durch spanabhebende Bearbeitungsverfahren herzustellen und die Oberfläche anschließend z.B. durch Schleifen nachzubearbeiten. Für die Herstellung besonders kleiner Durchmesser sind spezielle Herstellungsverfahren erforderlich, die jedoch nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.
  • Zur Auftragung der Isolierung wird wie folgt vorgegangen:
    Zunächst wird die Oberfläche des metallischen Grundkörpers 16, soweit erforderlich, mechanisch bearbeitet, bis die notwendigen Oberflächentoleranzen und die notwendige Oberflächenbeschaffenheit erreicht sind. Anschließend wird der metallische Elektrodenkörper 16 gereinigt, entfettet und durch Aufrauhstrahlen mit Edelkorund aufgerauht. Durch eine geeignete Strahlgutauswahl und Prozeßführung, insbesondere der Kinematik von Bauteil und Strahldüse und einen geringen Druck wird der Verzug des metallischen Grundkörpers 16 durch den beim Aufrauhstrahlen auftretenden Druck gering gehalten.
  • Unmittelbar nach dieser Vorbehandlung kann eine Keramikschicht 18, die z.B. aus Aluminiumoxid besteht, durch thermisches Spritzen, vorzugsweise durch Plasmaspritzen aufgetragen werden. Die Keramikschicht 18 wird dabei vorzugsweise mit einer Schichtdicke zwischen etwa 50 und 150 μ im dargestellten Beispiel mit etwa 100 μ aufgetragen.
  • Während des thermischen Spritzens erfolgt vorzugsweise gleichzeitig eine Kühlung des Elektrodenkörpers, um lokale Überhitzungen und damit einhergehenden Verzug zu vermeiden. Hierzu können beispielsweise am Brennerkopf eine oder mehrere Gaslanzen vorgesehen sein, aus denen während des thermischen Spritzens ein Gasstrom, z.B. Luft oder Kohlendioxid, auf die Elektrode gerichtet wird, um diese zu kühlen. Durch eine Innenkühlung kann bei hohlen Elektrodenkörpern Verzugsproblemen zusätzlich entgegengewirkt werden.
  • Die Keramikschicht 18 wird mit einer möglichst geringen Porosität erzeugt, wobei durch Verwendung geeigneter Ausgangspulver beim Plasmaspritzen Porositäten von 1% oder weniger erreichbar sind.
  • Um die Haftung der Keramikschicht 18 auf der Oberfläche des metallischen Elektrodenkörpers 16 zu verbessern, kann vor dem Auftragen der Keramikschicht 18 noch eine dünne, metallische Haftvermittlerschicht 20, die z.B. aus einer Chrom-Nickel-Legierung bestehen kann, gleichfalls durch thermisches Spritzen aufgetragen werden. Eine derartige Haftvermittlerschicht verbessert einerseits die Haftung der nachfolgend aufgetragenen Keramikschicht und wirkt andererseits ausgleichend für die unterschiedlichen Materialeigenschaften der Keramikschicht 18 einerseits und des metallischen Elektrodenkörpers 16 andererseits, also z.B. für unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten.
  • Eine so aufgetragene Keramikschicht 18 weist eine besonders hohe Stabilität gegen mechanische und thermische Beanspruchung auf .
  • Nach dem Auftragen der Keramikschicht 18 erfolgt bei einer ersten Variante der Erfindung eine mechanische Nachbearbeitung z.B. durch Schleifen oder Polieren, wodurch eine äußerst genaue Maßhaltigkeit erzielt werden kann und gleichzeitig am metallischen Elektrodenkörper 16 die Bereiche 24 wieder frei gelegt werden können.
  • Die Keramikschicht 18 wird mit einer Schutzschicht 22 versehen, die aus einem Silikonharzlack, vorzugsweise aus einem Siloxanlack, der auch organisch modifizierte Gruppen enthalten kann, oder aus einem präkeramischen Polymer, oder aus einem Fluor-Polymer-Lack, z.B. einem PTFE-Lack hergestellt sein kann.
  • Die Verwendung eines Siloxanlackes hat den Vorteil, daß dieser die Isolationswirkung der Keramikschicht 18 nochmals deutlich verbessert, da Siloxanlacke gut isolierend sind. Außerdem sind derartige Lacke besonders temperaturbeständig, was insbesondere bei miniaturisierten Elektroden von besonderer Bedeutung ist, bei denen lokal besonders erhöhte Stromdichten auftreten können, was wieder mit einer entsprechenden Erwärmung verbunden sein kann.
  • Dagegen führt die Verwendung von Fluor-Polymer-Lacken zu einer besonders geringen Benetzbarkeit durch den Elektrolyten an der Oberfläche der Elektrode 10.
  • Als Auftragsverfahren für die Schutzschicht 22 eignen sich alle bekannten Lackierverfahrens beispielsweise Spühlackieren oder Tauchlackieren. Darüber hinaus kann die Schutzschicht 22 auch als Imprägnierschicht etwa mittels Druckimprägnieren oder Vakuumimprägnieren auf die Keramikschicht 18 aufgetragen werden, wodurch die Schutzschicht 22 tiefer in die Oberfläche der Keramikschicht 18 eindringt und so eine verbesserte Haftung und eine nochmals verbesserte chemische Stabilität, elektrische Isolierung und Diffusionsdichte gewährleistet.
  • Da eine zusätzliche Schutzschicht 22 auf die Keramikschicht 18 aufgetragen wird, kann in der Regel auf eine mechanische Nachbearbeitung der Keramikschicht 18 verzichtet werden, da die erforderliche Oberflächengüte durch die dünnflüssig auftragbare Schutzschicht 22 erreicht werden kann.
  • Verbesserte Eigenschaften ergeben sich durch die zusätzliche Kombination mit einer Haftvermittlerschicht 20 und der Schutzschicht 22.
  • In alternativer Ausführung der Erfindung kann auf die Keramikschicht 18 auch vollständig verzichtet werden und statt dessen lediglich die Schutzschicht aus einem anorganischen oder organischen Material auf die Oberfläche des metallischen Elektrodenkörpers aufgetragen werden, wie dies schematisch bei der Ausführung gemäß 2 dargestellt ist.
  • Die in 2 dargestellte Ausführung der erfindungsgemäßen Elektrode ist insgesamt mit der Ziffer 10a bezeichnet. Wiederum handelt es sich um eine stiftförmige Elektrode mit einem metallischen Elektrodenkörper 16a aus Edelstahl, der an seinem Ende verschlossen ist.
  • In Abwandlung von der zuvor anhand von 1 beschriebenen Ausführung ist der freiliegende Bereich 24 des metallischen Elektrodenkörpers 16a hierbei jedoch an der Stirnfläche der Elektrode 10a ausgebildet, wobei die Stirnfläche von den kreisförmigen Öffnungen 26a siebartig durchsetzt ist, so daß der Elektrolyt aus der Stirnfläche austreten kann und somit die Elektrode 10a zur Erzeugung einer tiefen Sacklochbohrung geeignet ist. Schematisch ist am Werkstück 12a gegenüber der Stirnfläche der Elektrode 10a bereits eine entsprechende Kavität 14a angedeutet.
  • Im Unterschied zu der zuvor anhand von 1 beschriebenen Ausführung wurde bei der Elektrode gemäß 2 vollständig auf eine Keramikschicht verzichtet. Statt dessen wurde lediglich eine polymere Schutzschicht 18a auf die Oberfläche des metallischen Grundkörpers 16a vorzugsweise durch Spritzlackieren oder Tauchlackieren aufgetragen.
  • Wegen der besonders guten Isolierwirkung und mechanischen Beständigkeit solcher Lacke lassen sich auch auf diese Weise Elektroden 10a mit guten Eigenschaften herstellen.
  • Gegebenenfalls kann vor dem Auftrag der Schutzschicht 18a auf den metallischen Grundkörper 16a zuvor noch eine Haftvermittlerschicht, vorzugsweise eine Primerschicht oder Konversionsschicht aufgetragen werden, um die Haftung der Schutzschicht 18a zu verbessern (nicht dargestellt).
  • Statt durch mechanische Nachbearbeitung können bei sämtlichen zuvor genannten Ausführungsformen die frei liegenden Bereiche 24 bzw. 24a des metallischen Grundkörpers 16 bzw. r auch durch ein Maskierverfahren erzeugt werden.

Claims (22)

  1. Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstückes (12) in einer Elektrolytumgebung, mit einem metallischen Elektrodenkörper (16) dessen Oberfläche teilweise mit einer thermisch gespritzten Keramikschicht (18) beschichtet ist, wobei die Keramikschicht (18) mit einer Lackschicht (22) überzogen ist.
  2. Elektrode nach Anspruch 1, bei der die Keramikschicht (18) aus Al2O3, Cr2O3 Tialit (Al2TiO5) , ZrO2, TiO2, Mullit oder Mischungen bzw. Phasengemischen hiervon hergestellt ist.
  3. Elektrode nach Anspruch 1 oder 2, bei der zwischen dem Elektrodenkörper (16) und der Keramikschicht (18) eine Haftvermittlerschicht (20) vorgesehen ist.
  4. Elektrode nach Anspruch 3, bei der die Haftvermittlerschicht (20) als metallische Schicht, vorzugsweise als Chrom-Nickel-Legierung ausgebildet ist.
  5. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Keramikschicht (18) eine offene Porosität von höchstens 2%, vorzugsweise von höchstens 1% aufweist.
  6. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Keramikschicht (18) mechanisch nachbearbeitet ist, vorzugsweise geschliffen oder poliert ist.
  7. Elektrode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Keramikschicht (18) eine Schichtdicke zwischen etwa 50 und 150 Mikrometer aufweist.
  8. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: – Herstellen eines metallischen Elektrodenkörpers (16), – Aufbringen einer Keramikschicht (18) zumindest auf einen Teil der Oberfläche des Elektrodenkörpers (16) durch thermisches Spritzen und – Auftragen einer Lichtschicht (22) auf die Keramikschicht (18) durch ein Lackauftragungsverfahren.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Oberfläche des Elektrodenkörpers (16) zumindest durch Reinigen, Entfetten oder Aufrauhstrahlen vorbehandelt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem der Elektrodenkörper (16) während des thermischen Spritzens durch einen Fluidstrom gekühlt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der hohl ausgebildete Elektrodenkörper (16) durch Zuführung eines Fluidstromes von innen gekühlt wird.
  12. Elektrode zur elektrochemischen Bearbeitung eines metallischen Werkstückes (12) in einer Elektrolytumgebung, mit einem metallischen Elektrodenkörper (16a), dessen Oberfläche teilweise mit einer Schutzschicht (18a) beschichtet ist, die aus einem präkeramischen Polymer, das Silizium, Bor, Kohlenstoff und Stickstoff enthält (Si-B-C-N), oder aus einem Fluor-Polymer-Lack hergestellt ist.
  13. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder 12, die mindestens einen Hohlraum (28) zur Zu- bzw. Abfuhr von Elektrolytflüssigkeit und mindestens eine Durchtrittsöffnung (26, 26a) für Elektrolytflüssigkeit aufweist.
  14. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach Anspruch 12 oder 13, umfassend die Schritte: – Herstellen eines metallischen Elektrodenkörpers (16a) und – Beschichten zumindest eines Teils der Oberfläche des Elektrodenkörpers (16a) mit einer Schutzschicht (18a) aus einem präkeramischen Polymer, das Silizium, Bor, Kohlenstoff und Stickstoff enthält (Si-B-C-N), oder aus einem Fluor-Polymer-Lack durch ein Lackauftragverfahren.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 oder 14, bei dem vor der Auftragung der Schutzschicht (18a) eine Haftvermittlerschicht, vorzugsweise eine Primerschicht aufgetragen wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, 14 oder 15, bei dem die Schutzschicht (18a) oder die Haftvermittlerschicht durch Druckimprägnieren oder durch Vakuumimprägnieren aufgetragen wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 oder 14 bis 16, bei dem Loch- bzw. die Schutzschicht (18, 18a) oder die Haftvermittlerschicht durch Sprüh- oder Tauchlackieren aufgetragen wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 oder 14 bis 17, bei dem die Schutzschicht (18, 18a) aus einem Silikonharzlack, vorzugsweise aus einem Siloxanlack oder einem organisch modifizierten Siloxanlack hergestellt wird.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , bei dem die Schutzschicht (18) eingebrannt wird, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen etwa 100 °C oder 300 °C.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 oder 14 bis 19, bei dem der Loch- bzw. Schutzschicht (18, 18a) verschleißminßernde Zusätze zugesetzt werden.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 oder 14 bis 20, bei dem die Oberfläche des Elektrodenkörpers (16, 16a) vor dem Aufspritzen der Keramikschicht (18) oder der Schutzschicht (18a) durch ein Maskierverfahren teilweise abgedeckt wird, um nicht isolierte Teile (24, 24a) an der Oberfläche des Elektrodenkörpers (16, 16a) freizulegen.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 oder 14 bis 21, bei dem nicht isolierte Teile (24, 24a) an der Oberfläche des Elektrodenkörpers (16, 16a) durch mechanische Nachbearbeitung freigelegt werden.
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