DE3312905C2

DE3312905C2 - Vorrichtung zur galvanischen Innenbeschichtung von Hohlteilen

Info

Publication number: DE3312905C2
Application number: DE19833312905
Authority: DE
Inventors: Josef Dipl.-Ing. 6203 Hochheim Ehrhardt; Gerhardt Dr. 6374 Steinbach Walter
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1983-04-11
Filing date: 1983-04-11
Publication date: 1986-03-27
Also published as: DE3312905A1

Abstract

Zur galvanischen Innenbeschichtung von Hohlteilen, insbesondere zur Aufbringung von Dispersionsschichten, wird eine rotierbare und/oder oszillierbare Anode vorgesehen, die zumindest teilweise von einer offenporigen und gegenüber dem Elektrolyten beständigen Matrix umgeben und mit Bohrungen zur Elektrolytzuleitung versehen ist. Der Elektrolyt gelangt durch die Matrix hindurch in die als Kathode geschaltete Innenfläche des Hohlteils. Die Matrix besteht vorzugsweise aus einem flexiblen Kunststoff-Faservlies.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur galvanischen Innenbeschichtung von Hohlteilen durch Abscheidung von Dispersionsschichten, mit einer rotierbaren und/oder oszillierbaren Anode, wobei der im Kreislauf geführte Elektrolyt durch die Anode hindurch über eine offenporige, mit der Anode in Verbindung stehende Matrix auf die Innenfläche des als Kathode geschalteten Hohlteils zuführbar ist.

Es ist bekannt, auf verschleißgefährdete Oberflächen von metallischen oder oberflächlich elektrisch leitend gemachten Bauteilen Dispersionsschichten aufzubringen. Diese Schichten werden vorzugsweise auf galvanischem Wege mit Außenstromquelle abgeschieden. Sie enthalten in einer metallischen, im allgemeinen mehr oder minder duktilen Matrix nichtmetallische Teilchen, die Hartstoff- oder Festschmierstoffeigenschaften aufweisen können. Die duktile Matrix kann bei Beanspruchung auftretender Verformungen des Bauteils folgen, während andererseits die eingebetteten Teilchen gegenüber dem Verschleißpartner abriebhemmend wirken. Um bei dem Prozeß der galvanischen Abscheidung des Matrixmetalls eine gleichmäßige Verteilung der in ihr eingelagerten Teilchen zu gewährleisten, dürfen die im Elektrolyt suspendierten Teilchen weder sedimentieren noch koagulieren. Der Elektrolyt muß daher, z. B. durch Rühren oder Umpumpen oder dgl, bewegt werden. Die Erfahrung zeigt, daß bei Überschreitung einer bestimmten Rühr- oder Strömungsgeschwindigkeit die Menge der eingebauten Feststoffteilchen wieder abnimmt

Vielfach treten Verschleißerscheinungen auch in zylindrischen Hohlräumen von Bauteilen auf, z. B. in Rohren, lagern oder Hydraulik-Zylindern. Unterschreitet der Durchmesser der Hohlräume, die unter Umständen auch Sacklöcher sein können, einen gewissen Durchmesser von z. B. einigen Zentimetern oder weniger, so läßt sich diese bekannte Beschichtungstechnik nicht mehr anwenden. Andere Maßnahmen, z. B. Einziehen von Lagerbuchsen, sind mit erhöhten Fertigungskosten verbunden und machen häufig auch eine Umkonstruktion des Bauteils notwendig. Die Gründe für die Nichtanwersdbarkeit des bisher üblichen Dispersionsgalvanisierens liegen darin, daß es schwierig ist im Hohlteil die notwendige Bewegung des Elektrolyten aufrecht zu erhalten, so daß die im Elektrolyt suspendierten Feststoffteilchen sedimentieren und koagulieren und daß bei der niemals völlig genauen Positionierung der Anode die Abscheidestromdichte örtlich unterschiedlich ist und so zu ungleichmäßiger Schichtdicke und im Extremfall zur Abscheidung von porösen oder rauhen Schichten führt.

Nach einem anderen bekannten Verfahren, der sogenannten Tampon- oder Brushgalvanisierung, wird der Elektrolyt in einer schwamm- oder bürstenartigen Matrix gehalten, die dann mit der Anode gegen die zu beschichtende, als Kathode geschaltete Stelle des Gegenstandes gedrückt wird. Diese Methode eignet sich zur partiellen Beschichtung von Gegenständen, die z. B. wegen ihrer Größe nicht in ein galvanisches Bad eingetaucht werden können, oder auch wegen des Angriffs des Elektrolyten nicht eingetaucht werden dürfen, z. B. elektrische Schaltungen. Mit diesem Verfahren lassen sich Dispersionsschichten nicht aufbringen, da der Elektrolyt weitgehend stationär ist und wegen der mangelnden Strömung des Elektrolyts die Feststoffteilchen sedimentieren und koagulieren und somit nicht mehr zur als Kathode geschalteten Innenseite von zylindrischen Hohlräumen gelangen können.

In der DE-AS 12 22 760 wird eine Vorrichtung zur galvanischen Beschichtung von rohrförmigen Hohlteilen beschrieben. Die Beschichtung wird insbesondere durch eine spezielle Art der Zentrierung einer in einer Richtung beweglichen Anode in dem Hohlteil bewirkt. De' Elektrolyt wird zwar durch die Anode hindurch geleitet; er wird jedoch zunächst in eine Kammer geführt und tritt erst durch eine an der Stirnseite der Kammer angeordneten Blende aus. Aus dem Verlauf der elektrischen Stromlinien ergeben sich nur geringe Stromdichten.

Die DE-OS 14 46 045 betrifft eine Vorrichtung zur Abscheidung galvanischer Niederschläge bei gleichzeitiger Reinigung der zu beschichtenden Oberfläche. Hierfür wird die Oberfläche mit dielektrischen Elementen unter Druckausübung gerieben. Bei dieser aufwendigen Konstruktion wird die Anode als Schaufel ausgebildet, deren Seitenflächen mit einem dielektrischen und porösen Material beschichtet sind. Das dielektrische Material hat in erster Linie die Funktion, durch Reibung die der Oberfläche anhaltenden Verunreinigungen zu entfernen. Für die Abscheidung von Dispersionsschichten ist aber Voraussetzung, daß die im Elektrolyt sus-

pendierten Teilchen an der Oberfläche der galvanischen Schicht zunächst haften bleiben, um dann im Verlaufe des weiteren Schichtwachstums in die Schicht eingebaut zu werden. Daher lassen sich mit dieser bekannten Vorrichtung keine Dispersionsschichten abscheiden, da die im Elektrolyt suspendierten Teilchen, wie die Verunreinigungen, von der Oberfläche abgewischt würden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, galvanische Dispersionsschichten in verschleißgefährdeten Hohlräumen gleichmäßig und reproduzierbar abzuscheiden. Diese Aufgabe ist durch die vorliegende Erfindung dadurch gelöst, daß die Anode als länglicher Stab ausgebildet und an ihrem in das Hohlteil einzuführenden Ende von einer schwammartigen Matrix umgeben ist Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 beschrieben.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich alle Arten von Schichten auf der Innenfläche von Hohlkörpern abscheiden. Ebenso lassen sich die Vorbehandlungen der zu beschichtenden Fläche durchführen, z. B. die elektrolytische Entfettung, Spülungen und dgl. Die Vorrichtung eignet sich jedoch insbesondere zur Abscheidung von Dispersionsschichten. Hierbei können alle üblichen Elektrolyte eingesetzt werden, einschließlich der Hochgeschwindigkeitselektrolyten. Je nach Beanspruchungsprofil des zu beschichtenden Hohlteils können verschiedene Matrixmetalle mit verschiedenen Feststoffteilchen kombiniert werden, wobei sowohl die chemische Zusammensetzung als auch ihre Teilchen- η größe und Konzentration in großen Grenzen variiert werden können. Vorzugsweise werden als Teilchen Hartstoffe, z. B. Carbide und Oxide sowie Trockenschmierstoffe, z. B. Molybdänsulfid, Bornitrid, Polytetrafluorethylen und Glimmer im Elektrolyt suspendiert. Die Teilchen weisen vorzugsweise eine Größe zwischen 0,05 bis 5 μπι auf.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß, obwohl die reibende Bewegung der schwanimartigen, die Anode umgebenden Matrix an der Innenseite des Hohlteils einen sehr starken Rühr- und Abwischvorgang darstellt, trotzdem eine Einlagerung der Feststoffteilchen erfolgt, und zwar in Mengen, die der der konventionellen Dispersionselektrolyse durchaus verglpichbar sind. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß mit sehr hohen Stromdichten gearbeitet werden kann, ohne daß es zu Aufrauhungen der Schichtoberfläche oder gar pulveriger Abscheidung der Pispersionsschicht kommt. Da weiterhin die Durchströmungsgeschwindigkeii des Suspcnsionselektrolyten durch die Anode in großen Grenzen ohne Einfluß auf die Qualität der Abscheidung ist, ist auch eine Überhitzung des Elektrolyten durch die Stromwärme nicht zu befürchten.

Die Erfindung wird anhand beiliegender Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Einsatz zur Innenbeschichtung eines Rohres.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer rotierbaren und/oder oszillierbaren Anode 1, deren eines Ende mit einer schwammartigen, offenporigen, vorzugsweise flexiblen Matrix 2 umgeben ist. Zur Galvanisierung wird die Anode 1 mit der Matrix 2 in den zu beschichtenden Hohlkörper 3 hineingeschoben.

Die Anode 1 ist vorzugsweise in Form eines länglichen Stabes ausgebildet. Das von der Matrix 2 umgebende Ende der Anode vird zweckmäßigerweise an dem übrigen Teil auswechselbar befestigt, z. B. durch eine flüssigkeitsdichte Verschraubung 4. Zur Elektrolytzuleitung wird die Anode 1 vorzugsweise mit einer durchgehenden Bohrung 5 versehen, die im Bereich der Matrix 2 mit mindestens einer, in der Zeichnung drei radialen Bohrungen 6 verbunden ist. Der durch die Anode zugeleitete Elektrolyt kann somit über die Öffnungen der radialen Bohrungen 6 von der Matrix 2 aufgenommen und auf die zu beschichtende Innenfläche zugeführt werden. Die radialen Bohrungen 6 können verschieden angebracht werden. Es ist z. B. auch möglich, in jeder Ebene mehrere radiale Bohrungen vorzusehen, um eine gleichmäßige Benetzung der Innenfläche zu erzielen. Dies kann in diesem Fall vorteilhaft sein, wenn die Anode lediglich axial oszillierende Bewegungen durchführt

Das abschraubbare Ende der Anode 1 besteht vorzugsweise sus einem verschleißarmen und gegenüber dem Elektrolyten bei anodischer BeL-^ung hochkorrosionsfesten Material. Vorzugsweise wird piatiniertes Titan verwendet Graphit bzw. rostfreier Stahl sind ebenfalls je nach Elektrolyt geeignet. Voraussetzung ist. daß eine Auflösung der Anode nicht stattfindet Der übrige Teil der Ajiode kann auch aus rostfreiem Stahl bestehen oder auch aus jedem geeigneten Material.

Die schwammartige Matrix 2 muß offene Poren aufweisen, und vorzugsweise flexibel sein, um so in das zu beschichtende Hohlteil hineingeschoben werden zu können. Ein geeignetes Material ist ein Polyamid-Faservlies, dessen Fasern mit einem korrosionsfesten und gegenüber dem Elektrolyten chemisch inerten Kunstharz beschichtet ist. Geeignete Porengröße richtet sich nach dem Durchmesser der im Elektrolyten suspendierten Teilchen. Die Matrix 2 darf in keinem Falle eine Fiiterwirkung entfalten. Dies bedeutet, daß die Poren wesentlich größer als der Durchmesser der suspendierten Teilchen sein müssen.

Das dem von der Matrix 2 umgebenen Ende entgegengesetzter Teil der Anode 1 wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch einen Behälter 7 geführt, der den Elektrolyten enthält. In diesem Bereich sind ebenfalls radiale Bohrungen bzw. Öffnungen 8 vorgesehen, um die Zuleitung des Elektrolyten durch die Anode 1 hindurch zu ermöglichen.

Der Behälter 7 wird über eine Pumpe 9 mit einem Vorratsgefäß 10 verbunden. Es ist zweckmäßig, die Suspension vom Vorratsgefäß 10 über die Pumpe 9 in den Behälter 7 umzupumpen, um eine Sedimentation und Koagulation der Teilchen zu verhindern. Während der Elektrolyse strömt der mit Feststoffteilchen beladenc Elektrolyt im Behälter 7 durch die axiale Bohrung 5 und die raiiialan Bohrungen 6 der rotierenden ^node und wird von der mit der Anode befestigten mitrotierenden schwammartigen Matrix 2 aufgenommen unü zur als Kathode geschalteten Rohrwandung 3 zugeführt Von dem in den Behälter 7 zufließenden und wieder über Leitung 11 in das v_Orratsgefäß 10 zurückfließenden Elektrolyt wird also nur ein Teilstrom durch die Anode 1 entnommen zur eigentlichen Galvanisierungsvorrichtung zugeleitet. Durch eine Auffangeinrichtiing Ii kann der überschüssige Elektrolyt an der Außenseite des Hohlteils 3 wieder aufgefangen werden. Ferner kann, zwischen Behälter 7 ".nd Verschraubung 4, eine Kühlstrecke 13 vorgesehen werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert, die lediglich bevorzugte Ausführungsformen darstellen.

Beispiel I
In einem Nickelsulfat-Bad, bestehend aus

300 g/l Nickelsulfat (NiSO₄ · 7 H₂O)
37,5 g/l Nickelchlorid (NiCI₂ ■ 6 H₂O)
20 g/l Borsäure (H₃BO₃)

werden 80 g/l Siliziumcarbidpulver (SiC), Korngröße ca. 1 μπι, suspendiert. Der Suspensionselektrolyt wird in die erfindungsgemäße Galvanisierungsvorrichtung übergeführt, die Galvanisierunjrsvorrichtung wird in ein gereinigtes Messingrohr gesteckt und die Elektrolyse bei einer Stromdichte von 5 A/dm² in Gang gesetzt. Nach einer Stunde bildet sich im Inneren des Rohres eine ca. 60 μπι starke, glatte Metallschicht. Die metallographische Untersuchung der Schicht zeigt, daß es sich um eine haftfest mit dem Messingwerkstoff verbundene porenfreie Metallschicht handelt, die agglomerationsfrei in feindisperser Verteilung SiC-Partikel enthält. Die in der Nickelmatrix eingelagerten Hartstoff-Teilchen sind gleichmäßig verteilt.

Beispiel 2
In einem Nickelsulfamat-Bad, bestehend aus

600 g/l Nickelsulfamat (Ni(NH₂SO₃J₂

40 g/i Borsäure (H₃BO₃)

5 g/l Nickelchlorid (NiCI₂ · 6 H₂O)

3 g/l Natriumfluorid (NaF)

XH₂O)

wird der Galvanisierungsvorrichtung zugeführt und die innere Fläche eines Mesingrohres bei einer kathodischen Stromdichte von 10 A/dm² innerhalb 2 Minuten entfettet. Nach Spülen mit Leitungswasser und Dekapieren (Benetzen mit O,O5°/oiger Salzsäure) ist die anschließend gemäß Beispiel 1 aufgebrachte Dispersionsschicht einwandfrei haftfest mit dem Grundwerkstoff verbunden.

werden in 60 g/l Alpha-Aluminiumoxid (λΑΙ₂Ο₃), Korngröße ca. 0,3 μπι, suspendiert und genau wie im Beispiel 1 die Elektrolyse in Gang gesetzt, jedoch mit einer Stromdichte von 20 A/dm². Beschichtet wird die Innenfläche eines profilierten Stahhohres. Dabei führt die Anode mit dem schwammartigen Material eine oszillierende Bewegung aus. Das Ergebnis der Beschichtung ist ähnlich wie in Beispiel 1: die innerhalb von ca. 30 Minuten auf dem Stahl haltfest abgeschiedene etwa 100 μπι dicke porenfreie Schicht enthält in großer Menge feindispers verteilte Al₂O₃-Teilchen.

B e i s ρ i e I 3

In einem käuflicher. »High-Speedw-Kobaltelektrolyt werden 100 g/l λΑΙ₂Ο₃. Korngröße ca. 03 μπι. suspendiert und die Elektrolyse wird gemäß Beispiel 1 in Gang gesetzt, jedoch mit einer Stromdichte von 150 A/dm². Beschichtet wird die Innenfläche eines Aluminiumrohres, das vorher nach einem bekannten Verfahren (Zinkatverfahren) aktiviert wird. Innerhalb von ca. 4 Minuten scheidet sich eine 120 μπι dicke, glatte, porenfreie, haftfest auf dem Grundwerkstoff sitzende Metallschicht mit feindispers eingebauten AI₂O₃-Partikeln ab.

Beispiel 4

Das folgende Beispiel erläutert die Vorbehandlung eines Hohlteils mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur anschließenden Galvanisierung.

Ein Entfettungsbad folgender Zusammensetzung

35 g/I Natriumcarbonat (Na₂CO₃)

32 g/l Natriumhydroxid (NaOH)
33 g/l Natriumcyanid (NaCN)

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur galvanischen Innenbeschichtung von Hohlteilen durch Abscheidung von Dispersionsschichten, mit einer rotierbaren und/oder oszillierbaren Anode, wobei der im Kreislauf geführte Elektrolyt durch die Anode hindurch über eine offenporige, mit der Anode in Verbindung stehende Matrix auf die Innenfläche des als Kathode geschalteten Hohlteils zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode als länglicher Stab ausgebildet und an ihrem in das Hohlteil einzuführenden Ende von einer schwammartigen Matrix umgeben ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (2) aus einem flexiblen Kunststoff-Faservlies, vorzugsweise aus mit einer Kunstharzbeachichtung versehenem Polyamid-Faservlies, besteht

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Matrix (2) ein Porenvolumen von 90% aufweist

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß der Porendurchmesser der Matrix (2) wesentlich größer ist als der Durchmesser der im Elektrolyten dispergierten Teilchen und vorzugsweise 0,1 bis 1 mm beträgt

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß das von der Matrix (2) umgebene Teil der Anode (1) auswechelbar ist

6. Vorichtnng nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das von der Matrix (2) umgebene Teil der Anode aus einem korrosionsfesten Material, vorzugsweise aus platiniertem Titan, besteht.