DE2949104A1

DE2949104A1 - Verfahren zur herstellung von gegenstaenden mit einer superglatten aluminiumoberflaeche

Info

Publication number: DE2949104A1
Application number: DE19792949104
Authority: DE
Inventors: Joseph Fransiscus Maria V Berg; Theo Ernest Gerard Daenen; Johannes Mathias Oomen
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1978-12-12
Filing date: 1979-12-06
Publication date: 1980-06-26
Also published as: GB2038362A; JPS6240439B2; FR2444090B1; NL7812062A; JPS5582792A; GB2038362B; US4257854A; DE2949104C2; FR2444090A1

Description

N.V. Philips'Glosiiampcii.'abiiülwn, unclioven ^: ■ .-' ' ' - 2949104

18.8.1979 /2j PHN 9309

Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mit einer superglatten Aluminiumoberfläche.

Die Erfindung bezieht sich auf

ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen mit einer superglatten spiegelnden Aluminiumoberflache, d.h. mit einer Oberflächenrauhtiefe R_T von höchstens 0,02 ,um,

Derartige Gegenstände mit einer Oberfläche sehr hoher Güte eignen sich für optische Anwendungen, z.B. bei Spiegeln für Infrarotfernrohre odör bei der Optik von Videoaufzeichnungs- und -abspielgeräten. Auch bei Infrarotgeräten wird angestrebt, die immer knapper werdenden Gormaniumlinsen durch Aluminiumspiegel zu ersetzen.

Durch zerspanende Bearbeitung

des Materials kann eine derartige Oberflächengüte nicht erhalten werden, wenn von einem gewalzten, gepressten, durch Spritzgiessen erhaltenen oder durch Aufdampfen er-

haltenen Material ausgegangen wird.

Von A.G. Buschow und Mitarbeitern ist in "Plating" 55 (1968) 931 - 935 ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gegenstandes, und zwar eines Aluminiumreflektors, beschrieben worden. Nach

diesem Verfahren wird eine polierte Glasform zunächst mit Hilfe einer stromlosen Metallisierungslösung elektrisch leitend gemacht. Darauf wird dann aus einer Lösung eines wasserfreien Aluminiumsalzes und eines Hydrids in einem aprotischen Lösungsmittel auf galvanoplastischeni Wege eine

Aluminiumschicht abgeschieden. Die gebildete Reflektorschale wird anschliessend von der Form abgeschält. Dieses Vorfahren beansprucht viel Zeit. Das Vorhandensein einer dünnen Schicht aus Metall, die für das Leitendmachen verwendet wird und die in der Praxis meistens aus Silber

besteht, kann nachteilig sein. Silber wird z.B. in einer Atmosphäre, die nur Spuren von Schwefelwasserstoff enthält, leicht angegriffen.

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Die Erfindung hat die

Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, das erheblich einfacher ist.

Nach der Erfindung wird bei

einem Verfahren, bei dem der Gegenstand in einer letzten Bearbeitungsstufe einer mechanischen zerspanenden Präzisionsbearbeitung unterworfen Jwird_t diese Aufgabe dadurch gelöst, dass dieser Gegenstand dadurch erhalten worden ist, dass auf einem mindestens an der Oberfläche metallischen

Gegenstand auf galvanischem Wege eine mindestens 10 /UindLcke Aluminiumschicht abgeschieden wird.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass im Gegensatz zu Aluminium, das auf andere Weise erhalten worden ist, auf galvanischem Wege abgeschiedenes

Aluminium sogar in einer Schichtdicke von nur 10/um zu einer optisch fehlerfreien Oberfläche zerspanend bearbeitet werden kann. Naturgemäss müssen dabei dann die Bearbeitungen mit einem höheren Präzisionsgrad durchgeführt werden, d.h.,

dass mit Hilfe eines Werkzeuges mit aus Diamanten bestehen-20

den Schnittflächen superfeingefräst oder -gedreht werden muss. Im Gegensatz zu auf anderem Wege erhaltenem Aluminium, das sogar nach einer Superfeinbearbeitung zahlreiche Vertiefungen aufweist, wodurch aeine Oberfläche für optische Anwendungen nicht geeignet ist, ergibt die nach der Erfindung erhaltene Oberfläche eine sehr hohe optische Güte. An die Oberflächenbeschaffenheit der Unterschicht brauchen keine strengen Anforderungen gestellt zu werden; die endgültige Form muss nur möglichst gut angenähert

werden.
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Als Elektrolyt können alle

bekannten Aluniiniumbäder verwendet werden, wobei jedoch Bäder zu bevorzugen sind, die eine wasserfreie Aluminiumverbindung samt einem Alkalialuniiniumhydrid oder einem Erdalkalialuminiumhydrid in einem aprotischen Lösungemittel enthalten, wie das aus der US-PS 39 29 611 bekannte Bad, das aus wasserfreiem Aluminiumchlorid und Lithiumaluminiumhydrid in Diäthyläther oder Äthyl-n-butyläther besteht,

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oder das aus der DE-OS 28 06 957 bekannte Bad, das aus ahnlichen Verbindungen in einem inerten aprotischen Lösungsmittel mit Ätherstruktur mit einem Flammpunkt über ^0⁰C entsprechend der Formel RO-(CH₂) -0(CH₂) -OR¹ (m und η zwischen 1 und 6) besteht, oder schliesslich das in der deutschen Patentanmeldung P 29 20 302.9 vorgeschlagene Bad, das aus einem Alkalialuminiumhydrid oder Erdalkalialuminiumhydrid und einem Aluminiumhydrid besteht, das korridinativ an ein tertiäres Amin, ein Arylphosphin oder ein tertiäres Diamin gebunden ist, das in einem aprotischen Lösungsmittel gelöst ist.

Das abgeschiedene Aluminium

braucht nicht superrein zu sein: Es darf bis zu etwa 1 Gew.$ metallische Verunreinigungen enthalten. Es ist wesentlich, dass es keine Einschlüsse enthält, wodurch bei der Zerspanung Vertiefungen gebildet werden können. Die Härte muss glcichmässig sein und über einem Wert von 40 Vickers liegen.

Das Superfeindrehen und-fräsen sind bekannte TechnirJcen, die z.B. von P. Silveri in "Industrial Diamond Review", April 1978, S. 119-121 unter der Überschrift "Producing mirror finishes is an important technology" beschrieben sind.

Naturgemäss muss das Aluminium unbedingt gut an der Unterschicht haften. Nötigenfalls wird vor der Abscheidung des Aluminiums die zu überziehende Oberfläche einer aktivierenden Vorbehandlung oder einer Ätzbehandlung unterworfen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Beispiel 1.

Ein Zylinder mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Höhe von 15 mmι der aus einer Aluminiumlegierung mit der nachstehenden Zusammensetzung in Gew. # besteht:

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	0,50-2,00	2949104
18.8.1979	0,50-1,50	PHN 9309
Mg	0,20-1,50
Si	4o,4o
Mn
Pe
Cu	< 0,10
andere Verunreini	Rest
gungen insgesamt
Al

wird eihigelSekunden in einer 5n Na0H-L8sung geätzt, dann

mit konzentrierter HNO_ 15 Sekunden bzw. 1 Minute mit HNO _ 1 : 1 gespült und 15 Sekunden in eine HF-Lösung (1 : ^;l) gefaucht. Anschliessend wird der Gegenstand mit Äthanol und dann mit Äther gespült.

Auf dem Gegenstand wird eine 15

Aluminiumschicht mit einer Dicke von 35 /um aus einer

Lösung der folgenden Zusammensetzung abgeschieden: 1,2 Mol AlCl₃
0,4 Mol LiAJUH^

in Tetrahydrofuran.
20

Die Elektrolyse wird 2,5 Stunden lang mit einer Stromstärke von 350 m,". durchgeführt. Die Härte der Schicht beträgt 50 Vickers.

Der auf diese Weise mit einer

galvanischen Aluminiumschicht überzogene Gegenstand wird mit Hilfe eines Diamantmeissels (Radius 0,5 bis 1,0 mm) auf einer Präzisionsdrehbank mit einer Zustellung von 10 um abgedreht. Es wird eine gut haftende spiegelnde Oberfläche mit einer Oberflächenrauhtiefe R„ von etwa 0,01 /um erhalten.

Ähnliche Ergebnisse worden erzielt, wenn das Aluminium galvanisch aus einer Lösung der folgenden Zusammensetzung abgeschieden wird: 0,5 Mol LiAlH^

34 g AlH₃.N(C₂H₅J₃

pro Liter Diäthylenglykolmethylather mit einer Stromstärke von etwa 100 mA oder mit einem Bad, das dadurch erhalten wird, dass 158,3 g der Verbindung AlC1„.2C^HgO in

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213»6 g Diathylenglykoldimethylather gelost und dann 3»15 g LiAlHr zugesetzt wird. Die betreffende Verbindung, in der CjlHqO Tetrahydrofuran darstellt, wird dadurch hergestellt, dass 200 g A1C1„ in einem Gemisch von 80 g trockenem Diäthylather und 170 g trockenem Tetrahydrofuran gelöst und der gebildete Niederschlag abfiltriert wird. Beispiel 2.

Eine aus der Aluminiumlegierung nach Beispiel 1 bestehende Ausgangsform für einen Hohlspiegel mit einem Durchmesser von 52 mm wird 3 Minuten mit konzentrierter H₂SOjI, (d = 1,8^) entfettet, 15 Sekunden in HF-Lösung (1 : k) getaucht, mit HNO „ (1 : 1) und mit entionisiertem Wasser gespült.

Der Gegenstand wird dann 30 Sekunden in eine wässerige Lösung, die 1 bis k g/l KOH und 25 bis k0 g/l SnCl₂ enthält, getaucht und dann 2 Minuten einer Elektrolyse in einer wässerigen Lösung unterworfen, die die nachstehende Zusammensetzung aufweist: CuCl₂ 15 g/l

KCN 18 g/l

KOII 2 g/l

₂ 25 - ^O g/l

bei einer Stromdichte von 5 A/dm² mit einer Anode aus Bronze, wodurch auf der Oberfläche des Gegenstandes eine Cu-Sn-Schicht mit einer Dicke von etwa 5/um gebildet wird.

Danach wird der Gegenstand nach einander mit Wasser, Schwefelsäure, Wasser, Äthanol und Diäthyiäther gespult. Schliesslich wird auf galvanischem Wege Aluminium auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 abgeschieden. Dann wirddie Spiegelseite auf einer Präzisionsdrehbank mit einem Diamantmeissel zu einer Oberflächen rauh tiefe R^₁ ^-VOn etwa 0,01 ,um abgedreht. 1 ic:Lspiel 3

Ein Kupferzylinder mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Höhe von 15 nun wird mit Trichloräthylen entfettet. Der Gegenstand wird 20 Sekunden in konzentrierte HNO „ getaucht und mit HNO ~ (1 : 1)

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und mit entionisiertem Wasser gespült. Dann wird der Gegenstand 20 Sekunden in eine HF-Lösung (1 : h) getaucht und mit entionisiertem Wasser gespült. Eine Cu-Sn-Schicht wird auf gleiche Weise wie im Beispiel 2 angebracht, wobei die Elektrolyse 2 Minuten bei 3 A/dm² durchgeführt wird. Nach Spülen und einer Tauchbehandlung mit 10 # HpSÜK-Lösung wird der Gegenstand mit entionisiertem Wasser, Äthanol und Tetrahydrofuran gespült. Eine Aiuininiumschicht wird innerhalb von 120 Minuten bei 1 A/cm² aus einer Lösung von 1,2 Mol A1C1„ und 0,4 Mol LiAlH^ in Tetrahydrofuran abgeschieden und anschliessend mit Wasser und Äthanol gespült. Die Spiegelseite des Gegenstandes wird dann auf einer Präzisionsdrehbank mit einem Diamantmeissel auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise abgedreht.

Beispiel k.

Auf einem Zylinder aus "Macor"

mit einem Durchmesser von 27 mm wird eine Ni-Schicht stromlos abgeschieden, wonach auf galvanischem Wege eine

Aluminiumschicht auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise 20

abgeschieden wird. Der Zylinder wird nach gründlichei· Entfettung einige Stunden mit entionisiertem Wasser, 1 Minute mit einer HF/CLl-Lösung und dann 1 Minute mit entionisiertem Wasser gespült. Auf der Oberfläche des Zylinders

wird eine Keimschicht dadurch angebracht, dass der Zylin-25

der 1 Minute in eine Lösung von 0,1 g Zinn(ll)-Chlorid und 0,1 ml konzentrierter Salzsäure in 1 Liter entionisiertem Wasser getaucht wird. Dann wird der Gegenstand 1 Minute mit entionisiertem Wasser gespült, 1 Minute in eine

Lösung von 1 g Silbernitrat in 1 Liter entionisiertem 30

Wasser getaucht, 1 Minute mit entionisiertem Wasser gespult, 1 Minute in eine Lösung von 0,1 mg Palladiumchlorid und 3,5 ml konzentrierter Salzsäure in 1 Liteir entionisiertem Wasser getaucht und schliesslich 1 Minute mit entionisiertem Wasser gespült.

Die mit Palladium aktivierte

Oberfläche wird 20 Sekunden bei einer Temperatur von 95⁰U mit einer Lösung mit dem pH-Wert 3»8 und der folgenden

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Zusammensetzung verstärkt»

30 e NiCI₂.6H₂O

30 g Aminoessigsäure

10 g NaHgPO₂.H₂O (Na-Hyprophosphit) in 1 Liter ent ionisiert ein Wasser.

Nach Spülen mit entionisiertem Wasser wird der Gegenstand 5 Minuten in einem Trockenschrank bei 220⁰C angeordnet. Dann wird die Nickelschicht mit derselben Lösung wie oben, aber nun 10 Minuten lang, verstärkt. Innerhalb von 2 Minuten wird danach bei 3 A/dm² eine Cu-Sn-Schicht mit der alkalischen SnClp-Lösung nach Beispiel 2 angebracht. Nach Spülen mit entionisiertem Wasser, Eintauchen in eine 10 $ ige H₂SOr-Lösung und Spülen mit entionisiertem Wasser, Äthanol und Tetrahydrofuran wird auf galvanischem

Wege eine Aluminiumschicht abgeschieden. Dies erfolgt in einer Lösung von 1,2 Mol A1C1„ und 0,4 Mol LiAlHr in Tetrahydrofuran innerhalb von 2 Stunden bei einer Stromdichte von 1 A/dm². Der Gegenstand wird mit entionisiertem Wasser und mit Äthanol gespült und dann getrocknet.

Die Härte der Schicht ist, wie die in den vorhergehenden Beispielen, etwa 50 Vickers. Schliesslich wird der Gegenstand auf einer .Präzisionsdrehbank mit einem Diamantmeissel aufdie im Beispiel 1 beschriebene Weise abgedreht.

Es wird eine spiegelnde Oberfläche mit einer Oberflächen-

rauhtiefe R_T von etwa 0,01 ,um erhalten. Das in diesem Beispiel verwendete "Macor" ist ein gut zerspanbares glaskeramisches Material, das von Corning Glass Works vertrieben wird. Es wird durch thermische Entglasung einer Glaszusammensetzung mit der nachstehenden Nennzusaramen-

sctzung (i) erhalten, wodurch eine Glaskeramik gebildet wird, die aus einer kristallinen Phase (2) besteht, die in einer glasartigen Matrix mit der Zusammensetzung (3) in einem Verhältnis in Gew.$ von etwa 55 : ^5 dispergiert

ist.
35

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18.8.1979

Zusammensetzung in Gew.

PHN 9309

	(1)	(2)	(3)
SiO₂	47,2	42,8	50,7
^A12°3	16,7	13,7	19,4
MgO	^14,5	27,3	4,5
^K2°	9_t5	10,7	8,5
F	6,3	8,1	4,4
B₂O₃	8,5	0,8	14,4
	102,7	103,4	101,9
Korrektur
F-O	-2,7	-3,4	-1,9

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Claims

18.8.1979 /^ PHN 9309

PATENTANSPRUECHE:

? Verfahren zur Herstellung von

Gegenständen mit einer Aluminiumoberfläche mit einer Oberflächenrauhtiefe R-, von höchstens 0,02 /um, bei dem der Gegenstand in einer letzten Searbeitungsstufe einer mechanischen zerspanenden Präzisionsbearbeitung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Gegenstand dadurch erhalten wird, dass auf einem mindestens an einer Oberfläche metallischen Gegenstand nötigenfalls nach einer an sich bekannten Vorbehandlung zur Verbesserung der Haftung auf galvanischem Wege eine mindestens 10 /tun dicke Aluminiumschicht abgeschieden wird. 2· Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschicht aus einem Bad abgeschieden wird, das eine wasserfreie Aluminiumverbindung samt einem Alkalialuminiumhydrid oder einem Erdalkalialuminiumhydrid in einem aprotischen Lösungsmittel enthält.
3· Gegenstände, die durch das

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 erhalten Bind. 20

030026/0671 ORIGINAL INSPECTED