DE2857102A1 - Vorrichtung zum auflagern einer metall- oder legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes werkstueck - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Auflagern einer
• Metall- oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Auflagern einer Metall- oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück mittels einer Glimmentladung, wozu das Werkstück als die eine Elektrode eines elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geschaltet ist.
• Bislang wurden zu diesem Zweck die zu beschichtenden Werkstücke in einem galvanischen Bad mit Hilfe von Säuren oder Laugen unterschiedlichen Behandlungszeiten ausgesetzt.
• Diese Galvanisierungsverfahren haben den Nachteil, daß sie durch die benötigten Säuren oder Laugen zu einem immer stärker werdenden Umweltproblem werden. Zumindest sind sehr hohe Investitionen erforderlich, um die dabei entstehenden Abwässer zu neutralisieren, sofern nicht hier oder dort die zuständigen Behörden die Einrichtung solcher Anlagen im vorhinein untersagen.
• Wegen der hohen Salzfracht der neutralisierten Abwässer entstehen hohe Sbwasserabgaben Allerdings sind auch schon Verfahren bekannt geworden, bei denen das Auflagern einer Metallschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück mittels einer Gilinmentladung erfolgt, wozu das Werkstück als die eine Elektrode eines elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten nterdruckka=mer gesechaltet ist', wa'end die andere Elektrode aus dem Beschtungsmetall besteht Diese V'erfahren haben sich als nicht sehr geeignet erwiesen1 da sie wegen des raschen Verbrauchs der metaliabgebenden Elektrode nur die Beschichtung von Drähten oder kleineren Werkstückeng und das wegen der geringen Energie der auftreffenden etallionen nur mit äußerst dünnen und nicht sehr festhaftenden Schichten gestatten.
• Der Vollständigkeit halber sei auch das sogenannte Gasplattieren erwähnt, bei dem das aufzulagernde Metall aus einem eine entsprechende Metallverbindung enthaltenden oder aus einer solchen bestehenden Gas auf das Werkstück abgeschieden wird, das aber dazu hocherhitzt werden muß. Derart hohe Temperaturen - es handelt sich dabei um solche von 1200°C und darüber - beeinträchtigen die physikalischen Eigenschaften des Werkstückes, so daß man in der Verwendung des Gasplattierverfahrens sehr beschränkt ist.
• Es stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, die die oben yenannten Nachteile der bekannten Verfahren dieser Art vermeidet, d.h. ein umweltfreundliches Verfahren anwenden läßt, das auch zur Erzeugung dicker Schichten auf größeren Werkstücken geeignet ist, wobei die Erhitzung des Werkstückes auf für dieses schädliche Temperaturen nicht erforderlich ist.
• Die Lösung wurde in überraschender Weise durch eine Weiterentwicklung der an zweiter Stelle genannten Verfahren gefunden.
• Mit der Parallelanmeldung P 28 30 134.0-45 wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem das Auflagern einer Metall-oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück ebenfalls mittels einer Glimmentladung erfolgt, wozu das Werkstück als die eine Elektrode des elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geschaltet ist.
• Dabei kann als die andere Elektrode des elektrischen Feldes ein Flachengebilde aus einer gegen Ionisierung hochwiderstandsfähigen Legierung, und zwar vorzugsweise die Innenwandfläche der Unterdruckkammer verwendet werden. Andererseits können aber auch als zweite oder zusätzliche Elektroden Flächengebilde aus dem Beschichtungsmetall selbst verwendet werden.
• Vorteilhafterweise wird bei der Durchführung des Verfahrens so vorgegangen, daß das im Ionenerzeuger vorionisierte und in Turbulenz versetzte Trägergas Metallpartikel aus dem mit dem Trägergas in Kontakt gebrachten Beschichtungsmetall abstäubt und vorionisiert.
• Zum Aufbringen einer Legierungsschicht hat es sich als zweckmäßig erwiesen, jeweils Trägergas und die Legierungskomponenten durch den Legierungskomponenten einzeln zugeordnete Ionenerzeuger vorzuionisieren. Eine andere nicht minder zweckmäßige Möglichkeit zum Aufbringen einer Legierungsschicht besteht darin, zusätzliche Elektroden aus unterschiedlichen Beschichtungsmetallen einzusetzen.
• Eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung weist ein Ionenerzeuger auf, der aus einem mit dem Trägergas beschickbaren Turbulenzraum, einer Einrichtung zur Bildung eines Lichtbogens im Turbulenzraum und Mitteln für den Kontakt zwischen dem Trägergas und dem Beschichtungsmetall besteht.
• Weitere vorteilhafte oder zweckmäßige Ausführungsformen und Einzelheiten der betreffenden Vorrichtung sind den Patentansprüchen und der folgenden Einzelbeschreibung zu entnehmen.
• Die zugehörigen Zeichnungen zeigen beispielhaft in schematischer DarstellUng in Fig. 1 eine derartige Vorrichtung im Schnitt, Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform des Ionenerzeugers in größerem Maßstab, Fig. 3 einen ebensolchen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform des Ionenerzeugers, Fig. 4 einen ebensolchen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform des Ionenerzeugers, Fig. 5 und 6 weitere Ausführungsvarianten der Vorrichtung gem. der Fig. 1.
• Gemäß Fig. 1 ist auf eine elektrisch leitfähige, isolierte Platte t eine Haube 2 zur Bildung der Unterdruckkammer 3 gasdicht aufgesetzt. Eine Rohrleitung 4, die isoliert durch die Platte f geführt ist, ist an diese Unterdruckkammer 3 angeschlossen und dient in bekannter Weise zu deren Evakuierung.
• Auf der Platte 1 wird von Stütz isolatoren 5 und 6 die Werkstückauf lage 7 getragen. In ihrer Decke besitzt die Haube 2 eine Oeffnung, in welche ein lonenerzeuger 8 eingesetzt ist Die Platte 1 und mit ihr die Haube 2 sowie das Gehäuse 9- des Ionenerzeugers und dessen Deckel 10 sind durch die Leitung 11 an den positiven Pol einer nicht gezeichneten Stromquelle anschließbar. Die Werkstückauflage 7 ist durch eine Leitung 12, die durch den Stützisolator 6 geführt ist, an den negativen Pol der Stromquelle angeschlossen. Die Platte 1 und die Haube 2, ebenso auch die Werkstückauflage 7 sind aus einem gegenüber einer Ionenauslösung hochwiderstandsfähigen Legierung hergestellt.
• Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Ionenerzeugers 8 ist im Gehäuse 9 eine zur Unterdruckkammer 3 weisende Öffnung 13 vorgesehen, in die beispielsweise ein Lochblech 14 aus dem Beschichtungsmaterial (Spendermedium) eingesetzt ist. Im Deckel 10 ist z.B. eine Zündkerze 15 eingeschraubt, deren Mittelelektrode 16 durch die Leitung 17 an den negativen Pol der erwähnten Stromquelle angeschlossen ist.
• Die Gegenelektrode 18 ist über den Deckel 10, das Gehäuse 9, die Haube 2 und die Platte 1 an den positiven Pol der Stromquelle anschließbar. In den vom Gehäuse 9 und Deckel 10 umschlossenen Turbulenzraum 19 mündet ein gegenüber dem Gehäuse.9 isolierter Stutzen 20 für die Zuleitung des Trägergases. Es können auch mehrere Stutzen vorgesehen sein und die Einmündung kann radial oder auch tangential gerichtet sein.
• Schließlich sind noch hier nicht eigens beschriebene und gezeichnete Mittel bekannter Art zur Regulierung der Spannung und zur Einstellung und Konstanthaltuny des Druckes in der Unterdruckkamer je nach den günstigsten Arbeitsbedingungen vorgesehen.
• Das mit dem Spendermedium zu beschichtende Werkstück 21 (siehe Fig. 1) wird auf die Werkstückauflage 7 aufgelegt, die Haube 2 auf die Platte 1 aufgesetzt und die so geschlossene Unterdruckkammer 3 durch die Rohrleitung 4 evakuiert. Hernach wird durch den bzw. die Stutzen 20 das Trägergas (z.B.
• Argon) eingelass-en und die Platte 1, die Haube 2 usw. z.B.
• an die Plusspannung gelegt. Es baut sich somit zwischen Platte 1 und Haube.2 als Anode einerseits und dem Werkstück 21 als Kathode andererseits ein elektrisches Feld auf. Ferner entsteht zwischen der Gegenelektrode 18 und der Mittelelektrode 16 der Zündkerze 15 ein Lichtbogen.
• Durch diesen Lichtbogen wird das in den Turbulenzraum 19 eingetretene Trägergas ionisiert und in eine Wirbelströmung versetzt. Die Gasionen dringen durch das Lochblech 14 aus Spendermedium und spattern daraus Metallionen ab, welche als eine Art "Ionenregen" in das elektrische Feld in der Unterdruckkammer 3 gelangen. In diesem werden sie in Richtung des Werkstückes 21 umgelenkt und treffen dort im Zuge der Glimmentladung zwischen Anode 1,2 und Kathode 21 mit sehr hoher Geschwindigkeit auf, derart, daß sie zum Teil in die Oberfläche des Werkstückes 21 eindringen und in der Folge eine äußerst festhaftende Metallschicht auf dem Werkstück 21 bilden.
• Dabei wird die Dicke der Schicht im wesentlichen durch die Zeitdauer des Beschichtungsvorganges bestimmt.
• Bezüglich der elektrischen Schaltung könnte auch daran gedacht werden, den Plus-Pol der Stromquelle und die an der Platte 1 angeschlossene Leitung 11 an Erde zu legen, wogegen für den Beschichtungsvorgang die Verbindung zwischen Werkstückauflage 7 und Mittelelektrode 16 der Zündkerze 15 mit dem Minuspol der Stromquelle herzustellen wäre. Es wären dann Platte 1 und Haube 2 nicht spannungsführend und es könnte die Isolierung des Durchtritts der Rohrleitung 4 und des Stutzens 20 unterbleiben.
• Die Ausführungsform des Ionenerzeugers nach Fig. 3 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 nur durch die Anordnung des Spendermediums, das als Ringfutter 22 in das Gehäuse 9 eingelegt ist, und die konturenmäßig etwas andere Ausbildung der zur Unterdruckkammer 3 führenden Offnung 23. Bei der Ausführungsform nach der Fig. 4 ist in die Übergangsöffnung 13 zur Unterdruckkammer 3 ein siebartig gelochter Napf 24 eingelassen, der das Spendermedium in Form eines Granulates 25 aufnimmt.
• Die durch Fig. 5 verdeutlichte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung bedient sich zusätzlich zum Ionenerzeuger 8 noch einer Anode aus Spendermedium, die hier beispielsweise als Hohlzylinder 26 innerhalb der Haube 2 auf die Platte 1 aufgesetzt ist und das Werkstück 21 umgibt. Bei der weiteren Variante nach Fig. 6 wird eine zusätzliche Kathode aus Spendermedium in Gestalt eines Ringes 27, der das Werkstück 21 umgibt, auf die Werkstückauflage 7 aufgesetzt.
• Die Verwendung zusätzlicher Elektroden kann den Zweck haben, den Beschichtungseffekt zu verstärken, besonders wenn es sich darum handelt, größere Schichtdicken zu erzielen. Es kann aber auch so vorgegangen werden, daß der Ionenerzeuger 8 nur einleitend zur Erzeuguny einer ersten festhaftenden Grundschicht verwendet wird, worauf die weitere Beschichtung in herkömmlicher Weise von den zusätzlichen Elektroden 26 bzw. 27 aus erfolgt.
• Schließlich können auch mehrere Ionenerzeuger 8 vorgesehen sein, die mit unterschiedlichen Spendermedien ausgestattet sind, um eine legierungsartige Beschichtung des Werkstückes 21 zu erzielen. Das gleiche kann auch erreicht werden, wenn die erwähnten zusätzlichen Elektroden 26 bzw. 27 aus verschiedenen Spendermedien bestehen.
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Claims (9)

1. Patentansprutche 1.)Vorrichtung zum Auflagern einer Metall- oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück mittels einer Glimmentladung, wozu das Werkstück als die eine Elektrode eines elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geschaltet ist, wobei das Trägergas und das Beschichtungsmetall vorionisiert werden und im vorionisierten Zustand in das elektrische Feld der Unterdruckkammer überführt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß der Unterdruckkammer {3) ein Turbulenzraum (19) mit mindestens einem Ionenerzeuger (8) vorgelagert ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, d a ß die andere Elektrode des elektrischen Feldes ein Flächengebilde aus einer gegen Ionisierung hochwiderstandsfähigen Legierung, vorzugsweise die Innenwandfläche der Unterdruckkammer (3) ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, d a ß als zweite oder zusätzliche Elektroden Flächengebilde aus dem Spendermedium (1 - 4) in der Unterdruckkammer (3) angeordnet sind.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, d a ß zum Aufbringen einer Legierungsschicht jeder Legierungskomponente einzeln ein lonenerzeuger (8) zugeordnet ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß zum Aufbringen einer Legierungsschicht zusätzliche Elektroden aus unterschiedlichen Spendermedien vorgesehen sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß der der Unterdruckkammer (3) vorgelagerte Ionenerzeuger (8) aus einem mit Trägergas beschickbarem Turbulenzraum (19) einer Zündkerze (15) zur Bildung eines Lichtbogens im Turbulenzraum und Mitteln (14, 22, 24 und 25) für den Kontakt zwischen dem Trägergas und dem Beschichtungsmetall besteht.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß in die Durchtrittsöffnung (13) vom Turbulenzraum (19) zur Unterdruckkammer (3) ein Lochblech (14) aus Spendermedium eingesetzt ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß die Wandung des Turbulenzraumes (19) mit einem Futter (22) aus Spendermedium versehen und die Durchtrittsöffnung (23) zur Unterdruckkammer (3) rund ausgebildet ist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem der folgenden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a ß in die Durchtrittsöffnung (13) zwischen Turbulenzraum (19) und Unterdruckkammer (3) ein siebartig gelochter Napf (24) eingelassen ist,in den das Spendermedium als Granulat (25) eingebracht ist.