DE2700721C3

DE2700721C3 - Verfahren und Vorrichtung zur galvanischen Schnellabscheidung von Oltaschen aufweisenden Chromschichten auf zylindrischen Werkstücken

Info

Publication number: DE2700721C3
Application number: DE2700721A
Authority: DE
Inventors: Hitoshi Karasawa; Hiroshi Urawa Suzuki; Shoji Omiya Saitama Suzuki; Isao Yaguchi; Keiichi Hiratsuka Kanagawa Yoda
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1976-07-13
Filing date: 1977-01-10
Publication date: 1980-11-06
Also published as: DE2700721A1; JPS539236A; DE2700721B2; JPS5644958B2; US4080268A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanischen Schnellabscheidung von Öltaschen aufweisenden Chromschichten auf zylindrischen Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie eine Vorrichtung zu seiner Durchführung.

In der GB-PS 7 86 743 ist ein Verfahren zur galvanischen Schnellabscheidung metallischer Schichten auf zylindrischen Werkstücken beschrieben, bei dem die Badlösung durchgerührt wird, damit sie bei der Werkstückoberfläche nicht an Ionen verarmt. Hierzu ist die umlaufende Anode mit aufgesetzten Schaufeln aus elektrisch nicht leitendem Material versehen. Dieses bekannte Verfahren dient insbesondere zur Beschichtung von Lagerbüchsen mit Blei.

Durch die vorliegende Erfindung soll dagegen ein Verfahren zur galvanischen Schnellabscheidung einer Chromschicht auf einem zylindrischen Werkstück angegeben werden, welche Öltaschen aufweist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.

Beim Bewegen der Anode mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 1 bis 4 m/s wird das Bad mit fortschreitender Abscheidung mit zunehmender Intensität gerührt: Zunächst ist die Werkstückoberfläche verhältnismäßig glatt, so daß nur wenig gerührt wird. Damit findet an der Werkstückoberfläche zunächst eine wilde Chromabscheidung mit vielen unregelmäßig verteilten Keimen statt. Je größer diese Keime dann werden, um so größer ist die Oberflächenrauhigkeit des Werkstückes und um so stärker wird das Bad gerührt. Infolgedessen stehen genügend Chromionen zur Verfügung, um ein Weiterwachsen der schon gebildeten Keime sicherzustellen; die wilde Keimbildung ist nun beendet. Auf diese Weise erhält man — ggfs. nach sanftem Verdichten der Chromschicht — dicht beieinanderliegende Öltaschen im wesentlichen gleicher Größe.

Wählt man die Stromstärke kleiner als 200 A/dm², so erhält man auch ohne Rühren immer einen glatten Überzug; ist die Stromstärke größer als 600 A/dm², ist ein Rühren der Badlösung nur über die bei der Abscheidung erhaltenen Oberflächenrauhigkeiten nicht ausreichend.

An sich würde man im Hinblick auf den Temperaturgang der Beweglichkeit der Ionen und der Viskosität der Badlösung erwarten, daß das Arbeiten bei mittleren Temperaturen die Bildung mittlerer Oberflächenrauhigkeiten und gleichförmiger Öltaschen begünstigt Dies ist jedoch überraschenderweise gerade nicht der Fall.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung zur Schnellabscheidung einer Öltaschen enthaltenden Chromschicht auf die äußere, zylindrische Mantelfläche eines Werkstücks,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1,

Fig.3 eine schematische Aufsicht auf eine andere Vorrichtung zur Schnellabscheidung einer Chromschicht mit Öltaschen,

F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 in F i g. 3,

Fig.5 eine abgewandelte Form einer Anode zur Verwendung bei den Vorrichtungen gemäß F i g. 1 bis 4,

F i g. 6 eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung zum Verchromen des Innenumfangs eines Werkstücks,

F i g. 7 einen Schnitt längs der Linie 7-7 in F i g. 6,

F i g. 8 eine abgewandelte Anodenform zur Verwendung bei der Vorrichtung gemäß F i g. 6 und 7,

F i g. 9 eine schematische Aufsicht auf eine weitere

Vorrichtung zum Verchromen des Außenumfangs eines Werkstücks unter zwangsweisem Rühren des Verchromungsbads mit Hilfe eines am Werkstück angebrachten Flügelrads,

F i g. 10 einen Schnitt längs der Linie 10-10 in F i g. 9,

F i g. 11 eine schematische Aufsicht auf eine Vorrichtung zum Verchromen des Innenumfangs eines Werkstücks unter zwangsweisem Rühren des Behandlungsbads mittels eines Flügelrads,

Fig. 12 einen Schnitt längs der Linie 12-12 in Fig. 11 und

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Bildungsgeschwindigkeit und der Oberflächenrauhigkeit der Chromschicht von der Badtemperatur beim Srhnellverchromen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem eine Verchromung auf den Außenumfang eines Werkstücks mit zylindrischer Form bzw. kreisförmigem Querschnitt aufgebracht wird. Das zu verchromende Werkstück 1 (d. h. die Kathode) dreht sich auf einer Welle 4, die von nicht dargestellten Lagern getragen wird und die mit einem nicht dargestellten Antrieb mit regelbarer Drehzahl verbunden ist, so daß die Außenumfangsgeschwindigkeit des Werkstücks je nach seinem Durchmesser zwischen 1 m/s und 4 m/s variiert werden kann. Bei einer Umfangsgeschwindigkeit von unter 1 m/s wird an oder nahe der Werkstücksoberfläche keine ausreichend starke Turbulenzströmung erzeugt, während es mit den gegebenen technischen Mitteln physikalisch und mechanisch praktisch unmöglich ist, die Umfangsgeschwindigkeit auf mehr als 4 m/s zu erhöhen. Bei Einstellung der Außenumfangsgeschwindigkeit auf 1 bis 4 m/s ist das Verchromen mit hoher Stromdichte möglich, wobei auf wirtschaftliche Weise eine Verchromungsschicht mit überlegener Verschleißfestigkeit erhalten werden kann. Die Stromdichte sollte dabei im Bereich von 200 bis 600 A/dm² liegen. Unter 200 A/dm² ist der Verchromungswirkungsgrad nahezu derselbe wie bei den bisherigen Verfahren. Über 600 a/dm² nimmt andererseits die

Wirksamkeit bzw. der Wirkungsgrad beim Verchromen nicht mehr nennenswert zu. Auf der Welle 4 ist ein nicht gezeigter Stromkollektor angeordnef durch den das Werkstück an den Minuspol einer nicht dargestellten elektrischen Stromquelle angeschlossen ist

Die Anoden 6 können, wie bei den bisherigen Verfahren, eine zylindrische Gestalt besitzen. Zur wirksamen Erzeugung einer Turbulenzström-.uig in einem im Behälter 8 enthaltenen Verchromungsbad 10 ist es jedoch vorteilhaft, den Anoden 6 eine flache, plattenförmige Gestalt mit einer Dicke t (cm) und einer Breite w (vgl. F i g. 3 und 4) zu erteilen und die Anoden radial um das umlaufende Werkstück herum anzuordnen. Die Dicke t der Anode wird nach der Größe des Werkstücks entsprechend gewählt, und die Breite ist so bemessen, daß w > t gilt Der Abstand d zwischen der Außenfläche des Werkstücks und dem Innenende der Anode (d. h. der Elektrodenabstand) so'lte so festgelegt werden, daß das Behandlungsbad frei zwischen den Elektroden zu strömen vermag und eine effektive Turbulenzströmung erzeugt wird. Versuche haben ergeben, daß dieser Abstand d vorzugsweise 0,1 cm bis 4 ί (cm) betragen sollte. Wenn der Elektrodenabstand weniger als 0,1 cm beträgt, kann das Behandlungsbad nicht zufriedenstellend zwischen den Elektroden strömen, und wenn dieser Abstand mehr als 4 t (cm) beträgt, wird im Bad keine ausreichende Turbulenzströmung erzielt.

Das Werkstück 4 wird von Spannelementen 12 getragen. Zur Erzielung einer Verchromungssclueht mit gleichmäßiger Dicke in lotrechter Richtung bei gleichzeitiger Verhinderung sowohl einer Verchromung dieser Spannelemente als auch der Bildung einer lokal verdickten Verchromung in den Bereichen nahe der Spannelemente ist es vorteilhaft, die Innenflächen der Enden der Anoden 6 mit einem Dicht- oder Isoliermittel 16, wie Polyäthylen, abzudecken, das sich von der planen Grenzfläche 14 zwischen Werkstück und Spannelementen nach außen erstreckt bzw. auswärts davon angeordnet ist.

Anstelle der flachen, radial angeordneten, plattenartigen Anoden kann eine Anode der Art gemäß F i g. 5 angewandt werden, die aus einem Ringkörper 18 und einer Anzahl von flachen, plattenförmigen, zum Zentrum hin verlaufenden Ansätzen 20 an der Innenfläche des Ringkörpers besteht.

Die F i g. f und 7 veranschaulichen schematisch ein Ausführungsbeispiel zum Verchromen der Innenumfangsfläche eines Werkstücks. Bei diesem und bei den folgenden Ausführungsbeispielen sind den Teilen von Fig. 1 und 2 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeichnet.

Bei der Vorrichtung gemäß F i g. 6 und 7 können ebenfalls die zylindrischen Anoden nach F i g. 1 und 2

Tabelle 1

verwendet werden. Vorteilhaft sind jedoch in der Mitte des Behälters 8 flache, plattenförmige Anoden 6 mit einer Dicke t und einer Breite w radial angeordnet Dicke t und Breite w werden dabei auf voiher geschilderte Weise bestimmt, wobei der Abstand d zwischen der Innenumfangsfläche des Werkstücks und den Außenflächen der Anoden 6 im Bereich von 0,1 cm bis 4 t (cm) liegt und die Umlaufgeschwindigkeit des Werkstücks 1 bis 4 m/s beträgt. Die Außenflächen von

ίο oberem und unterem Ende der Anoden 6 sind wiederum vorzugsweise auf vorher beschriebene Weise mit einem Dicht- oder Isoliermaterial 16, wie Polyäthylen, belegt Das obere Spannelement 12 kann eine armsternartige Form zur Begünstigung des Elektrolytstroms besitzen.

Wahlweise kann eine sternförmige Anode der in F i g. 8 gezeigten Art angewandt werden.

Die F i g. 9 und 10 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel zum Verchromen der Außenumfangsfläche eines Werkstücks 1. Hierbei ist jedoch ein Rührelement oder Flügelrad 22 über einen Isolator 24 am Spannelement 12 angebracht, um im Behandlungsbad 10 eine Turbulenzströmung zu erzeugen. Das Flügelrad 22 dreht sich dabei gemeinsam mit dem Werkstück.

Da das Behandlungsbad 10 durch das Flügelrad 22 zwangsweise gerührt bzw. aufgewirbelt wird, kann der Elektrodenabstand d auf einen beliebigen Wert eingestellt werden, so daß das Behandlungsbad frei durch den Elektrodenspalt zu strömen vermag und eine wirksame Turbulenzströmung erzeugt werden kann.

Bessere Ergebnisse werden mit einer zylindrischen Anode erzielt, da diese ein gleichmäßigeres Durchrühren des Bads gewährleistet. Wie bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen beträgt die Außen-Umfangsgeschwindigkeit des Werkstücks 1 bis 4 m/s.

Die Fig. 11 und 12 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel zum Verchromen der Innenumfangsfläche eines Werkstücks, wobei das Behandlungsbad 10 durch ein Flügelrad 22, das über einen Isolatorring 24 am umlaufenden Werkstück 1 befestigt ist, zwangsweise umgewälzt wird. Da hierbei das Behandlungsbad 10 durch das Flügelrad 22 zwangsweise gerührt oder umgewälzt wird, kann der Elektrodenabstand d ebenfalls beliebig variiert werden. Die zentral angeordnete Anode 6 besitzt eine zylindrische Form, und sie ist am Behälter 8 mit Hilfe eines das Zentrum des Flügelrads 22 durchsetzenden Trägers 26 befestigt. Die Innenumfangsgeschwindigkeii des Werkstücks beträgt wiederum 1 bis 4 m/s.

Es wurde ein Vergleichsversuch zwischen dem Schnellverchromungsverfahren gemäß der Erfindung und einem bisher üblichen Verchromungsverfahren durchgeführt Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt.

Schnellvcrchromung gemäß
der Krfindung

Versuch 1 Versuch 2

Bisheriges Verchromungsverfahren Versuch 3 Versuch 4

Badtemperatur ( C)
Umlaufgeschwindigkeit (m/s)
Stromdichte (A/dm²)
Verchromgeschwindigkeit (μηι/ιηϊη)
Härte (Hv)

50	71	50	63
1,25	1,25	-	-
370	370	55	60
10,0	4,8	0,5	0,98
840	1006	983	992

f-f «■»■ „U

27 OO

Fortsetzung

, Schncllvcrcliromung gcmäl.1 der Erfindung

Versuch I Versuch 2

Bisheriges Verchrom ungsvcrlahrcn
Versuch 3 Versuch 4

Zahl der Risse pro cm
Art des Bades

Badzusammensetzung (g/l)

CrO,
H.SO₄
Ha₂SiF₆

20
Sargenl-Bad 95
Sargent-Bad

2,5
fehlt

720 860

Sargent-Bad Silicofluorid-Bad

250
1,2

Wie aus obiger Tabelle ersichtlich ist, kann die Stromdichte beim erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zum bisherigen Verfahren um mehr als das Sechsfache erhöht werden. Infolgedessen erhöht sich die Verchromungsgeschwindigkeit beim Vergleichsversuch unter Verwendung eines Sargent-Bads gegenüber dem bisherigen Verfahren auf etwa das 20fache, während die Zahl der Risse auf V30 bis ¹Ao abnimmt.

Zudem ist es sehr vorteilhaft, die Temperatur des Verchromungsbads auf 20 bis 5O⁰C einzustellen. Durch derartige Einstellung der Badtemperatur bilden sich auf der Oberfläche der Verchromung leicht erhabene und vertiefte Bereiche mit körniger Form, die nach einer einfachen Oberflächen-Glättungsbehandlung. bei welcher nur die tiefsten Eindrückungen bzw. die Sohlen der vertieften Bereiche zurückbleiben, als öltaschen wirken.

Infolgedessen ist für die Ausbildung der erforderlichen Öltaschen keine bisher übliche Sperrstrombehandlung erforderlich. Wenn die Behandlungsbadtemperatur unter 20° C liegt, ist die Oberfläche der Verchromung für den praktischen Gebrauch zu glatt Liegt diese Temperatur zwischen 50 und 65° C, so ist die Oberfläche zu rauh, wobei es für die Ausbildung der Öltaschen nötig wird, auf eine Sperrstrombehandlung zurückzugreifen.

Bei einer Badtemperatur von 65 bis 80° C wird zwar die Verchromungsgeschwindigkeit etwas niedriger als im Temperaturbereich von 20 bis 50° C, doch nimmt die Oberflächenrauhigkeit auf einen brauchbaren Bereich ab. Dabei werden Verchromungen mit überlegener Verschleißfestigkeit mit hoher Geschwindigkeit erzielt. Diese Ergebnisse sind im folgenden anhand von unter den in Tabelle 2 angegebenen Bedingungen durchgeführten Versuchen beschrieben, deren Ergebnisse in der graphischen Darstellung von F i g. 13 veranschaulicht sind.

Tabelle 2
Versuchsbedingungen

Badtemperatur (⁰C)

Stromdichte (A/dm²)
Umlaufgeschwindigkeit (m/s)
Verchromungszeit (min)
Andes Bades

56-76° C

in Stufen von 2°C

370

Silicofluorid-Bad

Die graphische Darstellung von Fig. 13 veranschaulicht die Beziehung zwischen der auf der Abszisse in ⁰C aufgetragenen Badtemperatur, der in μπι/Γηίη auf der linken Ordinate aufgetragenen Verchromungsgeschwindigkeit und der auf der rechten Ordinate in μηι aufgetragenen Oberflächenrauhigkeit. Ersichtlicherweise ist die Oberflächenrauhigkeit bei einer Badtemperatur unter 50° C verhältnismäßig gering, während sie über 5O⁰C stark zunimmt, bei etwa 60° C den Höchstwert erreicht und über 65° C stark abnimmt.

Andererseits ist die Verchromungsgeschwindigkeit bis zu etwa 50° C sehr hoch, um im Temperaturbereich von 50 bis 65° C verhältnismäßig niedrig zu werden und dann bei höherer Temperatur als 65° C wieder anzusteigen.

Bei Temperaturen von über 95° C beginnt sich das zur Auskleidung des Verchromungsbehälters verwendete Material zu zersetzen und zu zerfallen. Aus diesem Grund wird die Badtemperatur vorzugsweise auf 80° C begrenzt.

Aus der graphischen Darstellung von Fig. 13 geht hervor, daß die Verchromungsgeschwindigkeit bei einer Badtemperatur von 65° C oder mehr im Bereich von 3,5 bis 5 μπι/ΐϊΐΐη liegt Diese Geschwindigkeit ist etwa fünfmal so groß wie die mit den bisher üblichen Verchromungsverfahren erzielbare Geschwindigkeit

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur galvanischen Schneilabscheidung von Öltaschen aufweisenden Chromschichten auf zylindrischen Werkstücken, insbesondere Kolbenringen und Zylinderlaufbüchsen, unter Relativbewegung zwischen Werkstück und konzentrisch angeordneter Anode, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück um seine Achse mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 1 bis 4 in/s gedreht, die Stromdichte auf 200 bis 600 A/dm² und die Badtemperatur auf 20 bis 50⁰C oder 65 bis 80⁰C eingestellt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von plattenförmigen Anoden mit einer Dicke iund einer Breite w, wobei w > fist, radial in durch die Werkstückachse gehenden Ebenen angeordnet sind und der Elektrodenabstand d gleich 0,1 cm bis 4 mal iist