DE2247956C3

DE2247956C3 - Werkstück mit galvanisch aufgebrachtem Nickelüberzug und Bad zu dessen Abscheidung

Info

Publication number: DE2247956C3
Application number: DE19722247956
Authority: DE
Inventors: Takao Hiroshima Sasame; Toshihiko Kure Hiroshima Shigeta; Toshio Hiroshima Yamada
Original assignee: Toyo Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1972-09-29
Filing date: 1972-09-29
Publication date: 1980-11-06
Also published as: DE2247956B2; DE2247956A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein mit verschleißfestem, galvanisch aufgebrachtem Nickelüberzug, der feinverteiltes keramisches Material enthält, versehenes Werkstück und ein Bad zu dessen Abscheidung.

Die Oberfläche eines derartigen Werkstücks soll ausreichende Äbriebfestigkeit und Ölretention aufweisen, damit keine unerwünschten oder ungünstigen Reibungskräfte infolge eines mit der Oberfläche in gleitendem Eingriff zusammenwirkenden Teils ausgeübt werden können, wenn das Werkstück nicht in geeigneter Weise oberflächenbehandelt oder geölt wird.

Mit einem zusammenwirkenden Teil in gleitendem Eingriff stehende Oberflächen, die im folgenden als »Gleitoberflächen« bezeichnet werden, finden sich beispielsweise bei verschiedenen mechanischen und/ oder strukturellen Elementen wie Lagern, Ventilsitzen, Kolbenringen, Zylindern, Wellen und Zylinderbuchsen.

Zur Herstellung des eingangs beschriebenen Werkstückes sind Verfahren bekannt aus der japanischen Patentschrift 3 806/1961 und den US-Patentschriften 14 389 und 36 40 799. Gemäß dem Verfahren dieser Patentschriften wird die Galvanisierung der Gleitoberfläche eines Werkstückes so durchgeführt, daß ein gepulvertes keramisches Material, wie etwa Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid, einem galvanischen Bad zugesetzt wird, um die Gleitoberfläche mit einer hohen Verschleißfestigkeit auszustatten.

Die aus den genannten Patentschriften bekannten Verfahren und Vorrichtungen arbeiten zufriedenstellend. Es hat sich jedoch gezeigt, daß immer noch ein Problem ungelöst ist, und zwar im Zusammenhang mit de^r Ölretention, die die Gleitoberfläche des Werkstükkes aufweisen muß, damit sie mit ihrem zusammenwirkenden Teil, welches in Berührung mit der Gleitoberfläche gleitet, in ebenmäßigen gleitenden Eingriff kommen kann.

Demgemäß besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Werkstück mit verschleißfestem Nickelüberzug zu schaffen, der ein wesentlich verbessertes Aufnahme- und Festhaltevermögen für Öl bzw. flüssige Schmiermittel aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Nickelüberzug zur Erhöhung der Schmiermittelretention eine poröse Struktur aufweist, wobei pro Flächeneinheit von 10 000 μπι² des Nickelüberzuges 15 oder mehr Porer, mit einem Durchmesser von 5 μιη oder mehr vorhanden sind.

Dadurch ist es möglich, daß das Werkstück eine derartige Oberfläche erhält, die eine ausreichend hohe Verschleißfestigkeit und eine ausreichend hohe Ölretention aufweist. Dies konnte erreicht werden, ohne daß die Anzanl der Fertigungsschritte und damit die Kosten für die Fertigung des Werkstückes erhöht wurden.

Ein bevorzugtes galvanisches Bad zum Abscheiden eines verschleißfesten Nickelüberzuges für ein Werkstück, enthaltend eine Nickelverbindung, pulverförmiges, keramisches Material in einer Menge von 50 bis 500 g/l und einem Zusatz aus einer organischen Verbindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz aus einem nichtionischen Äther von Polyäthylenglykol in einer Menge von 0,5 bis 5,0 Gew.-% des Bades besteht.

Damit kann erfindungsgemäß in vorteilhafter Weise eine galvanisierte Oberfläche mit einer festen und porösen Struktur auf einem Werkstück erhalten werden, die sehr verschleißfest ist und ausreichende Schmierung für ein Teil bieten kann, mit welchem das Werkstück mit der galvanisierten Oberfläche in gleitendem Eingriff steht. Es ist insbesondere die Tatsache zu beachten, daß die galvanisch aufgebrachte Nickelschicht eine Vielzahl von Poren aufweist, welche sich im wesentlichen im rechten Winkel zu der Oberfläche des zu galvanisierenden Werkstückes erstrecken. Diese Poren wirken so, daß die Ölretention in der galvanisierten Oberfläche erreicht wird. In Anbetracht dieser Tatsache ist ein Schmieren bzw. Ölen der als Gleitoberfläche wirkenden galvanisierten Oberfläche im wesentlichen nicht länger erforderlich, sobald die Poren der galvanisierten Oberfläche mit Öl imprägniert worden sind.

Derartige erfindungsgemäße Werkstücke, die eine ausreichend hohe Verschleißfestigkeit und eine ausreichend hohe Ölretention aufweisen, können besonders vorteilhaft in einer Vorrichtung oder Maschine verwendet werden, wo das Schmieren bzw. Ölen unmöglich oder schwierig durchzuführen ist, und zwar aus Gründen, die für den Hersteller solcher Vorrichtungen oder Maschinen offensichtlich sind, z. B. aus Konslruktionsgründen.

Diese und andere Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand von bevorzugten Ausführungsformen, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird. Es zeigt

Fig. 1 eine Mikrofotografie in I15facher Vergrößerung einer Seitenansicht im Schnitt einer galvanisierten

Oberfläche, weiche gemäß dem im Beispiel I beschriebenen Verfahren erhalten worden ist,

F i g. 2 eine Mikrofotografie in 460facher Vergrößerung einer Draufsicht im Schnitt der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform,

F i g. 3 eine Mikrofotografie in 115facher Vergrößerung einer Seilenansicht im Schnitt einer gemäß dem im Beispiel II beschriebenen Verfahren erhaltenen galvanisierten Oberfläche, und

Fig.4 eine Mikrofotografie in 460facher Vergrößerung einer Draufsicht im Schnitt der Ausführungsform der Fig.3.

Ein bekannter Tenk (nicht dargestellt) zur Aufnahme eines galvanischen Bades zum Abscheiden eines verschleißfesten Nickelüberzuges für ein Werkstück umfaßt ein perforiertes Rohr, durch das komprimierte Luft in den Elektrolyten in dem Tank eingeblasen werden kann, um diesen in kontinuierlicher Bewegung zu halten, sowie eine Regeneriervorrichtung, um den Elektrolyten vor dem Boden des Tanks zu dessen oberem Ende mittels einer hydraulischen Pumpe zirkulieren zu lassen, damit der Elektrolyt, falls erforderlich, in Bewegung gehalten oder regeneriert werden kann.

Um die verschiedenen Ziele der Erfindung zu erreichen, wird der Elektrolyt bzw. das galvanische Bad unter Verwendung von einer Nickelverbindung, wie Nickelsulfat, Nickelchlorid und Nickelsulfamat hergestellt, und zwar unter Zusatz von Ammoniumchlorid, um den passiven Zustand der verwendeten Nickelverbindung zu vermeiden, sowie unter Verwendung eines pH-Regulators, z. B. Borsäure. Die Verwendung von Nickelsulfamat für die Nickellösung ist besonders vorteilhaft in den Fällen, wo es erwünscht ist, das Nickel in heller Form abzuscheiden, so daß nur wenig oder überhaupt nicht poliert werden muß.

Die so hergestellte Nickellösung muß ein bekanntes pulverförmiges keramisches Material oder eine Mischung desselben enthalten, welches Metalloxide einschließt, z. B. Aluminiumoxid, metallische Carbide wie Siliciumcarbid und Titancarbid sowie metallische Nitride wie Bornitrid und Titannitrid. Die Menge des gepulverten keramischen Materials muß im Bereich von 50 bis 500 g/l, vorzugsweise 50 bis 300 g/l, bezogen auf die Nickellösung, betragen. Wenn diese Menge kleiner als die unterste Grenze von 50 g ist, kann man nicht eine Nickelabscheidung mit einer ausreichenden Verschleißfestigkeit erhalten. Wenn die Menge größer als die oberste Grenze von 500 g ist, werden die Bedingungen der galvanischen Abscheidung nachteilig beeinflußt, ohne daß sich eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit proportional zu der Zunahme ergibt. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine oberste Grenze von 300 g/l, so daß das gepulverte keramische Material gleichmäßig in der Nickellösung dispergiert werden kann.

Das verwendete gepulverte kei amische Material soll eine Teilchengröße von 0,5 bis 9 μπι, vorzugsweise 1 bis 5 μηι, betragen. Der Zusatz des keramischen Materials in einer besonderen Größe und in einer besonderen Menge ist erforderlich, um die hohe Verschleißfestigkeit f>o in der resultierendengalvan'.:. abgeschiedenen Nickelschicht zu erhalten, welche die keramischen Teilchen in einer Menge im Bereich von 250 bis 2000 Teilchen pro 10 000 μπι2 enthält.

Vorteilhafterweise soll die Nickellösung ebenfalls ein oberflächenaktives Mittel im Bereich von 0,5 bis 5,0 Gew.-%, berechnet auf die Gesamtmenge der Nickellösung, enthalten. Beispiele für dieses oberflächenaktive Mittel sind nichtionische Äther des Polyathylenglykols, wie sekundäre alkoholische Athoxylate und Polypropylenglykol-polyäthyle.nglykol-äther. Die Zugabe dieses oberflächenaktiven Mittels in dem angegebenen Mengenbereich ist im wesentlichen erforderlich, da die poröse Struktur der galvanisch abgeschiedenen Schichten mit mindestens 15 Poren von mehr als 5 μηι Durchmesser, vorzugsweise mehr als Όμηι Durchmesser, pro ΙΟΟΟΟμπι² nur dann auf der Oberfläche eines Werkstücks erhalten werden kann, wenn irgendeiner der nichtionischen Äther des Polyathylenglykols verwendet wird. Genauer gesagt, erhält man keine befriedigende poröse Struktur, wenn die Menge des verwendeten oberflächenaktiven Mittels kleiner als 0,5 Gew.-°/o ist. Beträgt die Menge mehr als 5 Gew.-°/o, beobachtet man keine wesentliche Verbesserung der porösen Struktur, sondern es tritt lediglich eine Verschwendung des oberflächenaktiven Mittels auf.

Das auf diese Weise der Nickellösung zugesetzte oberflächenaktive Mittel muß in dem galvanischen Bad mittels geeigneter Rührvorrichtungen gleichförmig dispergiert bzw. verteilt werden, beispielsweise durch Einblasen von komprimierter Luft in die Nickellösung bei einer Strömungsgeschwindigkeit von beispielsweise 10 l/min durch das perforierte Rohr. Wie bekannt ist, muß die Zufuhr der komprimierten Luft durch das perforierte Rohr während der Galvanisierungsoperation fortgesetzt werden, um die Nickellösung in kontinuierlicher Bewegung zu halten.

Um die poröse Struktur in der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht auf der Oberfläche des Werkstükkes zu erhalten, zusätzlich zu der Verwendung des oberflächenaktiven Mittels, soll der an die Anode angelegte Strom eine Stromdichte im Bereich von 5 bis 30 A/dm² betragen, während die Temperatur des galvanischen Bades im Bereich von 40 bis 70°C und der pH-Wert im Bereich von 3,5 bis 5,3 gehalten wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel I

Die Oberfläche eines Werkstückes aus einer Aluminiumlegierung, welche gewöhnlicherweise als Material für das Gehäuse einer Kreiskolbenmaschine verwendet wird, wurde in einem galvanischen Bad galvanisiert, und zwar unter Verwendung eines Stroms mit einer Stromdichte von 20 A/dm² innerhalb von zwei Stunden und bei einer Badtemperatur von 60°C. In dieser Zeit wurde die Druckluft mit einer Geschwindigkeit von 10 l/min in bezug auf zwei Liter des galvanischen Bades zugeführt. Der pH-Wert wurde auf 5,0 eingestellt. Das Bad wies die folgende Zusammensetzung auf:

Zusammensetzung	g/l
Ni(SO₃NH₂) · 4 H2O	444
NiCb · 6 H2O	lO
H3BO3	35
Saccharin	1
SiC	100

Das oberflächenaktive Mittel war ein sekundäres alkoholisches Äthoxylat, das in einer Menge von 1.0 Gew.-% verwendet wurde.

Das Ergebnis dieses Beispiels I ist in den F i g. 1 und 2 gezeigt, welche Mikrofotografien einer Seitenansicht im Schnitt und einer Draufsicht im Schnitt der erhaltenen

.Λ\

Nickelabscheidung mil einer Schichtdicke von etwa 0,44 mm zeigen. Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, ist die Nickelabscheidung mit einer Vielzahl von Poren ausgebildet, welche von den verlängerten dunklen Bereichen wiedergegeben werden, die sich im rechten Winkel zu der (»berfläche des Werkstückes erstrecken. Unter diesen Poren verleih erkennt man die keramischen Teilchen, die den regellos verteilten dunklen Bereichen entsprechen.

Die Kreiskolbenmaschine, deren innere Oberfläche der peripheren Wandung gemäß dem Verfahren dieses Beispiels I galvanisiert worden war, wurde getestet. Vor diesem Test und während des Zusammenbaus der Kreiskolbenmaschine wurde die innere Oberfläche der r*f»rjr>hgr£n Wsndun¹¹ so behandelt, daß die Poren in der galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht Schmieröl aufnehmen konnten. Das Ergebnis dieses Tests zeigte, daß nach dem Auseinandernehmen der Maschine kein anormaler Abrieb an der inneren Oberfläche der peripheren Wandung beobachtet werden konnte, nachdem ein mit dieser Maschine ausgerüstetes Fahrzeug etwa 100 000 km gelaufen war. Andererseits zeigte ein ähnlicher Test mit einer Kreiskolbenmaschine, deren innere Oberfläche in bekannter Weise ohne Zusatz des oberflächenaktiven Mittels galvanisiert worden war, daß der Betrieb des Fahrzeugs nach 10 000 bis 20 000 km zu einer erheblichen Ausbildung von anormalen Abriebspuren auf der inneren Oberfläche der peripheren Wandung des Motorengehäuses führte.

Beispiel II

Die Galvanisierung wurde unter den gleichen Bedingungen wie in dem vorstehenden Beispiel I durchgeführt, wobei jedoch eine andere Art eines oberflächenaktiven Mittels in Form des Polypropylcnglykol-polyälhylenglykol-älhers im einer Menge von 2,5 Gew.-% verwendet wurde.

Das Ergebnis dieses Beispiels ist in den F i g. 3 und 4 gezeigt, die Mikrofotografien von Seitenansichten und Draufsichten im Schnitt der erhaltenen Nickelabscheidung mit einer Dicke von'etwa 0,47 mm sind.

Das Ergebnis eines ähnlichen Tests mit einer Kreiskolbenmaschine, deren innere Oberfläche der

ίο peripheren Wandung gemäß dem Verfahren des vorliegenden Beispiels bearbeitet worden war, war ähnlich dem des Ergebnisses des vorhergehenden

Beispiels.

Gemäß beiden vorstehend beschriebenen Beispielen enthält die poröse Struktur mehr als 15 Poren mit einem Durchmesser von 5 μιη oder mehr pro 10 000 μιη². Dies reicht aus, um zusätzlich zu der Verschleißfestigkeil die Ölretenlion auf der Oberfläche eines Werkstückes zu erreichen, die daraus resultieren, daß eine galvanisch abgeschiedene Nickelschichl mit einem Gehalt an keramischem Material mit einer Teilchengröße von 0,5 bis 9,0 μιη, vorzugsweise 1 bis 5 μπι, und mit einer Porenzahl im Bereich von 250 bis 2000 pro 10 000 μιη-' vorgesehen wird. Die poröse Struktur weist weiterhin

befriedigend große Eigenschaften bezüglich der Ölretenlion auf, da die Poren sich jeweils im wesentlichen im rechten Winkel zu der Oberfläche des Werkstückes erstrecken und im wesentlichen, wie aus den F i g. 2 und 4 ersichtlich, unabhängig voneinander sind.

jo Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich, kann eine Verbesserung der Abriebfestigkeit und eine Bereitstellung der porösen Struktur in wirtschaftlicher und vorteilhafter Weise erreicht werden, wenn man die oberflächenaktiven Mittel dem Nickelbad zusetzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mit verschleißfestem, galvanisch aufgebrachtem Nickelüberzug, der feinverteiltes keramisches Material enthält, versehenes Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß der Nickelüberzug zur Erhöhung der Schmiermittelretention eine poröse Struktur aufweist wobei pro Flächeneinheit von 10 000 μΐη² des Nickelüberzuges 15 oder mehr Poren ι ο mit einem Durchmesser von 5 μηι oder mehr vorhanden sind.

2. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pro Fläche von ΙΟΟΟΟμπι² des Nickelüberzuges 250 bis 2000 Teilchen des keramisehen Materials von 0,5 bis 9 μίτι vorhanden sind.

3. Werkstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren der porösen Struktur voneinander isoliert sind und sich im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Nickelüberzuges erstrecken.

4. Galvanisches Bad zum Abscheiden eines verschleißfesten Nickelüberzuges für ein Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3, enthaltend eine Nickelverbindung, pulverförmiges, keramisches Malerial in einer Menge von 50 bis 500 g/l und einen Zusatz aus einer organischen Verbindung, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz aus einem nichtionischen Äther von Polyäthylenglykol in einer Menge von 0,5 bis 5,0 Gewichtsprozent des Bades besteht.

5. Galvanisches Bad nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtionische Äther des Polyäthylenglykols ein sekundäres alkoholisches Äthoxylat und/oder Polypropylenglykol-polyäthylenglykol-äther ist.