DE2803113A1

DE2803113A1 - Verfahren und vorrichtung zur bewirkung einer oberflaechenschicht auf der wand in einem hohlraum mittels elektrolytischem plattieren sowie mittels des verfahrens hergestellte oberflaechenschicht

Info

Publication number: DE2803113A1
Application number: DE19782803113
Authority: DE
Inventors: Leif-Ake Bennstedt; Kaj-Ragnar Loqvist
Original assignee: WAVE ENERGY DEV
Current assignee: WAVE ENERGY DEV
Priority date: 1977-02-08
Filing date: 1978-01-25
Publication date: 1978-08-10
Also published as: US4227986A; AU509911B2; US4210497A; AU3283078A; ZA78511B; FR2379619A1; BR7800669A; ATA52378A; AT358349B; JPS53102839A; GB1580108A; SE7701371L

Description

₅ MERTENS & KEIL

PATENTANWÄLTE

Prankfurt am Main

WAVE ENERGY DEVELOPMENT I VÄSTMANLAND AKTIEBOLAG Fagersta, Schweden

O 80 PG 27

24. Januar 1978

Verfahren und Vorrichtung zur Bewirkung einer Oberflächenschicht auf der Wand in einem Hohlraum mittels elektrolytischem Plattieren sowie mittels des Verfahrens hergestellte Oberflächenschicht

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bewirkung -einer Oberflächenschicht aus einem Metall oder einer Metallegierung auf der Wand eines Hohlraumes in einem Werkstück aus einem Metall oder einer Metallegierung, z.B. auf der Wand im Spülloch in einer Gesteinsbohrstange oder auf der Innenwand eines Hüllrohres für Kernbrennstoffstäbe oder auf der Wand in Rohren oder Werkstücken mit kleinem oder großem Durchmesser. Die Erfindung betrifft außerdem ein hohles Erzeugnis, in dem die Wand des Hohlraumes mit einer solchen Schicht versehen ist.

Ein übliches Verfahren zur Bewirkung metallischer Oberflächenbeschichtungen in Hohlräumen ist das thermische Spritzen von Metall in Pulverform in den Hohlraum hinein, wobei das Pulver sich auf den Wänden des Hohlraumes ablegt. Beispiele solcher thermischer Spritzmethoden sind Flammspritzen, Lichtbogenspritzen und Plasmaspritzen. Thermisch gespritzte Schichten haben den Nachteil, daß sie schlecht am Grundwerkstoff haften,und daß sie ungleichmäßig und in ihrem Gefüge porös sind.

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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, auf der Innenwand in hohlen Produkten, wie Gesteinsbohrstangen, Gesteinsbohrkronen, Hüllrohren für Kernbrennstoffstäbe usw., eine dichte und gut haftende Oberflächenschicht zu schaffen, um dadurch die Dauerfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit der genannten Produkte zu erhöhen, oder um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen und den Reibwiderstand dieser Produkte zu vermindern.

Diese Oberflächenschicht wird gem. der Erfindung mittels elektrolytischer Plattierung bewirkt, wobei ein Elektrolyt, der Ionen von mindestens einem für Beschichtung vorgesehenen Metall enthält, im Innern des Hohlraumes mit Hilfe von mindestens einem Förderer in Bewegung versetzt wird, der ein federndes und elektrisch isolierendes Material einschließt, das auf wenigstens einer Achse, z.B. in Form einer länglichen Anode, angebracht ist und in Kontakt mit der Wand des Hohlraumes gebracht wird und sich dieser anpaßt, und veranlaßt wird, sich in Beziehung zur Wand des Hohlraumes zu bewegen, wobei ein schneller und kontinuierlicher Elektrolyt- und/oder Gastransport bewirkt, und eine verhältnismäßig niedrige Temperatur des Elektrolyten beibehalten wird. Als das elektrisch isolierende und fördernde Material wird vorzugsweise wenigstens ein um die Anode in ihrer Längsrichtung spiralförmig gewickeltes,steifes biegsamesund vorzugsweise gelochtes und/oder faseriges Band, das gefranst sein kann, angewendet.

Die erfindungsgemäß hergestellte Oberflächenschicht ergibt gegenüber _mit vorbekannten elektrolytischen Beschichtungsverfahren erhaltenen Oberflächenschichten u.a. einen besseren Korrosionsschutz und eine Verbesserung der Dauerfestigkeit. Der tragende Erfindungsgedanke beim Verfahren nach der Erfindung ist die Anwendung eines neuen Typs von federndem, gelochtem, faserigem und elektrisch nichtleitendem Material, das als Förderer von Elektrolyt und beim Prozeß gebildeten Gasen wirkt und vorzugsweise auf der Anode angebracht sowie in Beziehung zum Werkstück als der Kathode beweglich ist. Die Erfin-

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dung ist besonders günstig für das selektive Plattieren von z.B. Löchern von mehreren Metern Länge und mit längs der Erstreckung des Loches wechselnder Querschnittsfläche. Ein solches Plattieren würde mit bekannten Verfahren unangemessen lange Zeit in Anspruch nehmen, und zum Plattieren von Löchern mit kleinen Durchmessern, z.B. dem Spülloch in Gesteinsbohrstangen, lassen sich herkömmliche Verfahren praktisch überhaupt nicht anwenden. Bei der Beschichtung von z.B. Hüllrohren für Kernbrennstoff mit dem Verfahren nach der Erfindung erhält man eine dichte Schicht, die der Versprödung des Grundwerkstoffes entgegenwirkt und somit den Austritt gefährlicher radioaktiver Gase verhütet. Die Beschichtung nach der Erfindung wirkt auch der Rißbildung aufgrund von Zugspannungen entgegen, die durch TemperaturSchwankungen in den Kernbrennstoffstäben auftreten.

Erfindungsgemäß sind sehr geringe Elektrolytmengen erforderlich, was u.a. vom Umweltsgesichtspunkt vorteilhaft ist. Der Elektrolyt wird außerdem nicht an das elektrolyttragende Material gebunden, d.h. es wird nicht in Taschen gesammelt und verbleibt dort stillstehend, wie es z.B. bei Plattieren mit Watte als Elektrolytträger der Fall ist. Die Erfindung läßt eine starke Erhöhung der Strömungsgeschvjindxgkext des Elektrolyten zu, was wirksame Kühlung bewirkt, so daß die Beschichtungsgeschwindigkeit gegenüber bekannten Verfahren bedeutend erhöht werden kann. Verglichen mit Badplattierung, die außerdem aufgrund von Wasserstoffsprödheit eine schlechte Oberflächenschicht ergibt, kann die Beschichtungsgeschwindigkeit z.B. ungefähr auf die siebzigfache erhöht werden.

Das Plattierungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung hat insofern Ähnlichkeiten mit bekannten Plattierungsverfahren, wie Badplattieren und Bürstenplattieren, als bei allen diesen Verfahren Elektrolyt und elektrischer Strom zur Anwendung kommen. Bei Badplattierung wird der zu plattierende Gegenstand in ein elektrolytisches Bad gelegt, wobei elektrischer Strom das metallische Ausfällen treibt. Bei Burstenplattierung besteht das

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elektrolytische Bad aus kleinen Tropfen in einem langfaserigen, weichen, elektrisch nichtleitenden Material, wie Watte oder Baumwolle, das um die gewöhnlich aus Graphit bestehende Anode angeordnet wird. Wenn der Elektrolyt im Material seinen Metallgehalt abgegeben hat, wird neuer Elektrolyt zugeführt, und dank einer gewissen Bewegung zwischen der Anode und dem zu plattierenden Gegenstand, d.h. der Kathode, ist die Plattierungsgeschwindigkeit höher als beim Badplattieren. Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich vom Bürstenplattieren in der Hinsicht, daß sich nicht nur Kathode und Anode in Beziehung zueinander bewegen, sondern auch der Elektrolyt in eine kräftige Bewegung gegenüber Anode und Kathode kommt, dank der völlig neuen Elektrolyt- und Gasfördervorrichtung nach der Erfindung. Die hierdurch gewonnenen Vorteile bestehen u.a. in einer starken Kühlung durch hohe Umsetzung des Elektrolyten, was höhere Stromdichte und somit höhere Metallausfällungsgeschwindigkeit als bei herkömmlichen Verfahren zuläßt. Die Metallschichten werden sehr dicht und gleichmäßig, wodurch die Schichten eine höhere Festigkeit erhalten. Das Verfahren nach der Erfindung kann, im Gegensatz zu bekannten Verfahren, auch zur Beschichtung gekrümmter Löcher mit Durchmessern von nur einigen Millimetern und mit Längen von mehreren Metern angewendet werden. Die Löcher können außerdem wechselnde Querschnittsflache haben und können durchgehend oder Sacklöcher sein.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren näher beschrieben, in denen eine Vorrichtung nach der Erfindung schematisch in Form eines Beispieles veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt schematisch und teilweise im Schnitt eine Vorrichtung gem. der Erfindung zusammen mit dem Gegenstand, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt werden soll.

Fig. 2 ist in vergrößertem Maßstab ein Schnitt der Partie A in Fig. 1.

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Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie HI-III in Fig. 2.

Gleiche Teile haben in den verschiedenen Figuren dieselben Bezugszeichen.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung enthält einen Elektromotor 1, der auf einem Untergestell 2 montiert und über einen Exzenter (nicht gezeigt) an eine Zugstange eines Schlittens 3 gekuppelt ist, der eine mit dem Pfeil P angedeutete hin- und hergehende Bewegung ausführt. Oben auf dem Schlitten 3 ist ein Rotationsmotor 4 angeordnet,der somit an der hin- und hergehenden Bewegung des Schlittens teilnimmt, und dessen abgehende Rotationswelle einen stromführenden Kupferkollektor 5 treibt, der in Richtung des Pfeiles Q rotiert. Dem Kollektor 5 wird über eine Kohlebürste 6 ein elektrischer Strom mit einer Stärke zugeführt, die eine Stromdichte von z.B. 0,1 - 3,0 A/cm ergibt. Im Kollektor befindet sich eine Ausnehmung 7 zum Festschrauben der Anode 8, die aus einem äußeren Rohr 9 aus nichtrostendem Stahl und einem inneren Kern 10 aus Kupfer besteht. Die äußere Anodenhülle besteht aus nichtrostendem Stahl, damit die Anode nicht vom Elektrolyten angegriffen wird, während der Kern aus Kupfer besteht, damit die Anode gutes elektrisches Leitvermögen hat. Die Anode ist in einem Kunststoffrohr 11 montiert, dem Elektrolyt mittels Pumpe über die öffnung 12 und Wasser zum Sauberspülen über die öffnung 13 zugeführt wird. Der Gegenstand oder das Werkstück 14, dessen Hohlraum plattiert werden soll, ist mit einer Packung 15 im Rohr 11 festgespannt. Zur Regelung der Elektrolytmenge im Rohr 11 ist ein Überlauf 16 angeordnet. Um im Hohlraum ausreichende Elektrolytförderung zu erhalten, wird die Vorrichtung vorzugsweise so geneigt, daß die öffnungen 12, 13 eine erhöhte Lage einnehmen.

In Fig. 2 ist der Schnitt A gem. Fig. 1 in stark vergrößertem Maßstab gezeigt. Die Lochwandung in dem zu plattierenden Werkstück 14 ist mit 17 bezeichnet. Ein gefranstes steifes Gewebe 18 aus z.B. Kunststoffmaterial ist spiralförmig rund um die Anode 8 gewickelt und an ihr verankert. Die Fransen 19 des Gewebes sind dabei in Berührung mit der Lochwandung 17. Wie mit den Pfeilen R, S angedeutet, und bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erklärt, führen die Anode 8 und das Gewebe 18 sowohl

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eine Oszillationsbewegung R als auch eine Rotationsbewegung
S im Hohlraum 17 aus. Durch die spiralförmige Anordnung des
Gewebes 18 werden beim Plattieren gebildeter Schaum und Gase mit der bei der Erfindung angewendeten hohen Stromdichte aus dem Hohlraum hinausbefördert. Um die Fördergeschwindigkeit von Elektrolyt, Schaum und Gasen zusätzlich zu erhöhen, kann das Werkstück mit Anode und Gewebe vertikal angeordnet, oder es
kann ihm eine dem behandelten Gegenstand angepaßte geeignete Neigung gegeben werden.

Aus dem in Fig. 3 gezeigten Schnitt ist ersichtlich, wie der Elektrolyt 20 mittels dem Gewebe 18 befördert wird. Auch der Schaum oder das Gas 21, die beim Plattieren gebildet werden, werden bei dieser Förderung mitgenommen. Vorstehend wurde angegeben, daß die Anodeoeine äußere Hülle aus nichtrostendem Stahl und einen Kern aus Kupfer hat, was bei alkalischem Elektrolyt besonders geeignet ist. Wenn eine Kupferschicht ausgefällt
werden soll, kann die Anode nur aus Kupfer bestehen, wobei
die Anode mit fortschreitender Beschichtung kontinuierlich
verbraucht wird. Bei Anwendung von saurem Elektrolyten soll
die Anodenhülle aus Platin bestehen, das zur Bewirkung guten elektrischen Leitvermögens vorzugsweise auf einem Kupferkern plattiert ist.

Die Anode kann die Form eines Stranges, Seiles, Drahtes oder Rohres aus Metall oder Metallegierung haben, kann aber auch, insbesondere bei Plattierung kurzer Löcher, aus Graphit bestehen. Wenn z.B. eine Anode in Form eines Seiles, auf dem das Gewebe 18 montiert ist, angewendet wird, können sogar Löcher, die
wechselnde Querschnittsfläche in Längsrichtung des Loches haben und außerdem gekrümmt sind, plattiert werden, da die Fransen des Gewebes 18 stets in Kontakt mit'der Lochwandung 17 gebracht werden können und diese somit schaben. Der Raum im Hohlraum, der von der Anode und dem Gewebe nicht beansprucht ist, ist während der Behandlung mit Elektrolyt rund um das Gewebe gefüllt, während der restliche Raum von den beim Plattieren sich bildenden Gasen in Anspruch genommen wird. Ein Plattierungsstrom kann

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dabei unbehindert von der Anode über den Elektrolyten zur Kathode, d.h. zum Werkstück, strömen, wo die Metallausfällung erfolgt, und gleichzeitig haben die gebildeten Gase reichlich Expansionsraum.

Vorstehend wurde im einzelnen eine Vorrichtung beschrieben, bei der die Anode mit dem Kunststoffgewebe 18 in Beziehung zum Werkstück rotiert und oszilliert. Es ist natürlich auch möglich, die Vorrichtung so auszuführen, daß anstelle dessen das Werkstück, d.h. die Kathode, in Beziehung zu dem elektrolyt- und gasfördernden Material rotiert und/oder oszilliert, wobei die Anode exzentrisch im Hohlraum des Werkstückes angeordnet sein kann. Das elektrolyt- und gasfördernde Material kann natürlich auch aus anderen Typen von gelochtem, faserigem oder netzförmigem Band als dem vorstehend genannten Kunststoffgewebe bestehen. Die Funktion des federnden und elektrisch isolierenden Materiales als Förderer von Elektrolyt, Schaum und Gasen kann durch Ausbildung der Anode als ein Schneckenförderer ergänzt, und es können auch mehrere Förderer im Hohlraum angeordnet werden. Das federnde und isolierende Material kann dabei mehr mit Rücksicht auf seine schabende oder polierende Funktion geformt werden. Insbesondere bei Plattierung von Säcklöchern kann dabei der Anode eine solche Form gegeben werden, daß Gase und/oder Elektrolyt durch einen axialen Hohlraum in der Anode befördert werden können.

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Claims

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PATENTANWÄLTE

Patentansprüche

/ )
;1, Verfahren zur Bewirkung einer Oberflächenschicht aus einem Metall oder einer Metallegierung auf der Wand eines länglichen Hohlraumes in einem Werkstück mittels elektrolytischer Plattierung unter Anwendung des Werkstückes als Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ionen von mindestens einem für Beschichtung vorgesehenen Metall enthaltender Elektrolyt in dem Hohlraum mit Hilfe von wenigstens einem Förderer in Bewegung versetzt wird, der aus einem federnden und elektrisch isolierenden Material besteht, das zwischen einer länglichen, im Hohlraum befindlichen Anode und der Wandung des Hohlraumes angebracht ist und in Kontakt mit der zu beschichtenden Oberfläche gebracht wird und sich dieser anpaßt, und veranlaßt wird, sich in Beziehung zu dieser Oberfläche zu bewegen, wobei eine schnelle Förderung von Elektrolyt und beim Prozeß gebildeter Gase sowohl an der zu beschichtenden Oberfläche als auch im Hohlraum bewirkt, und eine niedrige Temperatur des Elektrolyten beibehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolysestrom, der der Anode zugeführt wird, eine Stromstärke hat, die eine Stromdichte bei der Elektro
ergibt.

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Elektrolyse von 0,1 - 10 A/cm , vorzugsweise von 0,2 - 5 A/cm
3. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,dadurch gekennzeichnet, daß das federnde, elektrisch isolierende Material in Beziehung zu der zu beschichtenden Oberfläche rotiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch geke nnzeichnet, daß das Werkstück in Beziehung zum federnden, elektrisch isolierenden Material rotiert wird.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde, elektrisch isolierende Material in Längsrichtung des Piohlraumes oszilliert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück in Beziehung zum federnden, elektrisch isolierenden Material oszilliert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderer den Elektrolyten und die Gase in Bewegung in Längsrichtung des Hohlraumes bringt.
S. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennze ichnet, daß der Hohlraum des Werkstückes zwecks Unterstützung der Elektrolyt- und Gasförderung durch den Hohlraum zur Horizontalebene geneigt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt auf einer Temperatur unter 50°C gehalten wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens eine längliche, im Hohlraum (17) des Werkstückes (14) angeordnete Anode (8) und wenigstens einen Förderer einschließt, der ein elektrolyt- und gasförderndes, federndes und elektrisch isolierendes Material (18) enthält, das unter Anpassung an die zu beschichtende Oberfläche (17) in Kontakt mit jedem Teil derselben gebracht werden kann.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus einem länglichen, im Hohlraum (17) des Werkstückes beweglichen Glied (8), vorzugsweise in Form eines Stabes, Drahtes, Rohres oder Seiles aus Metali, besteht, auf dem das elektrolyt- und gasfördernde, federnde und elektrisch isolierende Material (18) angeordnet ist.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende Material (18) aus mindestens einem um die Anode in deren Längsrichtung in einem oder mehreren Stücken spiralförmig gewickelten, !homogenen, ι

biegsamen und^gelochten, netzförmigen oder faserigen Band besteht, das vorzugsweise steif ist und als Schneckenförderer wirkt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,dadurch gekennzeichnet, daß das spiralförmig gewickelte Band (18) an der Seitenkante, die der Lochwandung zugewandt ist, unter Bildung von vorspringenden, federnden Spieren, die in Kontakt mit der Lochwandung sind, zumindest teilweise gefranst oder geschlitzt (19) ist, und das Band gegen die Anode anliegt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode aus nichtrostendem Stahl (9) besteht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode einen inneren Kern (10) aus einem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit, z.B. Kupfer, hat.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode einen Überzug aus Metall, z.B. Platin auf Kupferkern, hat.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode die Form eines Schneckenförderers hat.
18. Nach dem Verfahren gem. einem der Ansprüche 1-9 hergestellte metallische Oberflächenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht auf einer Oberfläche angebracht ist, die einen länglichen Hohlraum aus einem Metall oder einer Metallegierung umschließt, und die Schicht aus einem

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elektrolytisch ausgefällten, im wesentlichen homogenen, dichten und gut haftenden Belag aus einem Metall oder einer Metallegierung besteht, der die Dauerfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit des Produktes erhöht und dessen Reibwiderstand vermindert.
19. Oberflächenschicht nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus einer Zinkschicht auf der Wandung des Spülloches in einem Gesteinsbohrer besteht.
20. Oberflächenschicht nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus einer Kupferschicht auf der Innenseite eines Hüllrohres für Kernbrennstoffstäbe besteht.
21. Oberflächenschicht nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag aus einer Zinkschicht auf den Innenflächen einer Bohrkrone und Hülse in einer Verlängerungsverbindung besteht.

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