EP0335277A1 - Verfahren und Vorrichtung zum selektiven Elektroplattieren - Google Patents

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EP0335277A1
EP0335277A1 EP89105309A EP89105309A EP0335277A1 EP 0335277 A1 EP0335277 A1 EP 0335277A1 EP 89105309 A EP89105309 A EP 89105309A EP 89105309 A EP89105309 A EP 89105309A EP 0335277 A1 EP0335277 A1 EP 0335277A1
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EP
European Patent Office
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gap
solution
anode
workpiece
plating
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EP89105309A
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EP0335277B1 (de
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Gary W. Smith
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Sifco Industries Inc
Original Assignee
Sifco Industries Inc
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Filing date
Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D7/00—Electroplating characterised by the article coated
    • C25D7/04—Tubes; Rings; Hollow bodies
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/02—Electroplating of selected surface areas
    • C25D5/026—Electroplating of selected surface areas using locally applied jets of electrolyte
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/08—Electroplating with moving electrolyte e.g. jet electroplating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/67—Electroplating to repair workpiece

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for electroplating, and more particularly to the electrodeposition of metal on a selected surface of a workpiece according to the gap electroplating method.
  • the invention In contrast to tank or bath plating, in which a remotely located, consumable or non-consumable anode is placed in a container together with a workpiece to be treated, the invention relates to gap electroplating.
  • bath plating the metal is deposited on all surfaces of the workpiece that are in the tank using electrolysis technology.
  • the workpiece In order to plate only a selected surface in such a tank or container method, the workpiece must be masked, provided with a protective coating or otherwise protected from the bath solution in the tank.
  • a completely different concept is used for gap electroplating.
  • An anode is given a shape and surface which is largely adapted to the shape and the selected surface of the workpiece to be plated.
  • This gap electroplating can be carried out in a container and is often carried out in a container for galvanic surface treatment; however, gap electroplating does not necessarily require a tank. Rather, it can also be accomplished by passing a plating solution into the gap between the anode and cathode while allowing a current to flow between these two electrodes as long as a closed or uninterrupted flow of plating agent flows through the gap.
  • This type of gap plating is the subject of the present invention.
  • Closed loop gap electroplating is generally described in U.S. Patents 4,111,761 to LaBoda and 4,441,976 to Iemmi, where an anode having a cylindrical outer peripheral surface is concentric in a cylindrical surface to be plated workpiece is arranged with which it forms a gap or a plating cell.
  • the rest of the workpiece, including its entire outer surface, should not be clad.
  • the electroplating solution is not brought into contact with the surface of the workpiece that is not to be plated.
  • a modified container system is used in the process of U.S. Patent 4,345,977 to Blanc. Cladding of the outer part of the workpiece is prevented here by seals.
  • the inner cylinder surface is primarily plated by this device due to the anode arrangement and the solution flow, but other parts of the workpiece are also plated because the tank actually encloses more than the selected inner cylinder surface.
  • This patent does not disclose gap electroplating, but it shows, in general form, an apparatus for Plating a selected area.
  • chromium from container plating is not entirely satisfactory for the repair of workpieces, that is, for plating the inside surface of a bore in a high strength steel forging.
  • chrome plating for repairing worn surfaces even if possible and / or desirable, requires extremely long plating times. Higher current densities to reduce this plating time do not significantly increase the rate at which chrome is deposited because the efficiency decreases rapidly with increased current density.
  • the plating method and apparatus according to the invention have been created to achieve substantial advantages over special plating for a specific application, which is about plating selective surfaces, while the workpiece itself does not require special treatment, and where the long coating time which is required when tank plating is not required.
  • a remarkably thick metal layer is rapidly deposited on a selected surface of a workpiece, even if the workpiece is complex in shape, without masking and other complex, lengthy and time-consuming pre-plating processes.
  • the invention provides an electroplating device for rapidly depositing a metal on a selected surface of the workpiece, which has an anode with an active surface of selected shape which, together with the selected surface shape of the workpiece, forms an elongated gap of at least 0.050 "
  • An electroplating device is a carrier that fixes this anode in position to form the elongated gap, and a circulating device is provided which forces an electroplating solution loaded with metal ions through the gap in a substantially closed circuit at a rate that the electroplating solution is in the gap is replaced at least 25 times per minute.
  • a power source is also provided to allow current to flow between the selected workpiece area and the active area of the anode at a current density greater than 2.0 A / "2 (2.0 amperes / square inch) .
  • This new device according to the invention is primarily suitable for plating a cylindrical inner surface in a substantially complex shaped, high-strength steel forging, in which the gap has an annular cross section and has a first and a second end face.
  • the plating solution is pressed from the first end of the gap to the second end thereof at an ultra high speed.
  • the anode is a non-consumable anode and the plating solution consists of nickel sulfamate.
  • the flow rate through the gap can be referred to as "ultra high speed” or “high speed flow rate” because the flow rate or fluid exchange through the gap is greater than before.
  • the flow rate is preferably of the order of 200 to 1000 times the exchange of solution in the gap per minute.
  • the ultra high liquid exchange rate can be at least 2500 times per minute, being limited only by the equipment and pumps available.
  • a gap is created between the selected surface of a fixed anode and the selected surface to be plated.
  • This gap controls the solution flow along these surfaces.
  • Ultra-high flow rates allow high current densities, which in turn result in rapid metal deposition from the flowing plating solution, which is preferably nickel.
  • a fresh, unused plating solution of controlled temperature is available in all cross-sectional areas of the gap for uniform plating, which exerts a high contact pressure on the surfaces delimiting the gap.
  • the plating solution is pushed vertically upwards, so that all gas which develops in the gap during electrolysis migrates upwards and is expelled in the same direction as the plating solution.
  • the method according to the invention which uses the device explained above, serves for gap plating of a selected surface of a workpiece.
  • This selected surface to be plated forms the boundary of the above-mentioned plating gap.
  • the primary object of the invention is to provide a gap plating method and apparatus which uses ultra-high flow rates or flow rates of the plating solution through the gap.
  • the gap is the plating cell between a fixed anode and the special surface of the workpiece that was selected for the plating.
  • the invention has the advantage that current densities exceeding 2.0 A / "2 can be used, so that the plating speed is increased significantly and the plating time is reduced, thereby making an application previously in a tank over three days lasted, can now go on in less than two to four hours.
  • Another advantage of the invention is that thick, uniform surfaces can be produced which have so far been difficult, if at all, to achieve without substantial clamping and / or masking by tank plating.
  • a swirling flow of the plating solution through the annular gap is used where the flow is generated by the plating solution itself.
  • Another advantage of the invention is that the plating solution can be maintained at a uniform, relatively low temperature over the entire length of the gap to ensure uniform plating along the entire gap.
  • a device A is shown according to the invention, which is used to apply a uniform layer of an electroplatable metal, such as nickel, on a selected surface S in the form of a cylindrical wall 10, which has a lower, conically recessed part 12 and an upper, conically recessed part 14 in a complex workpiece W.
  • an electroplatable metal such as nickel
  • the present invention can be used for plating selective surfaces of relatively simple workpiece shapes, one of its remarkable advantages is that it can be used on a complex workpiece as represented by workpiece W, which in the illustrated embodiment is a high strength steel forging for aircraft landing gear, in which the surface 10 is a supporting surface, which may be subject to gnawing corrosion and must be repaired from time to time by metal plating in order to restore the usability of the core forging.
  • workpiece W which in the illustrated embodiment is a high strength steel forging for aircraft landing gear, in which the surface 10 is a supporting surface, which may be subject to gnawing corrosion and must be repaired from time to time by metal plating in order to restore the usability of the core forging.
  • the selectively plated surface S is generally cylindrical, as shown in the workpiece W, which has many surface areas that are not to be plated, such as the entire outer surface to which, as examples of unplated shapes, include a gear member 20, an elongated bushing 22, outwardly projecting areas such as a shoulder 24, a lower flange 26, an outwardly projecting support projection 28, and many other outer and inner surface areas that are not to be plated. It can be seen that if this forging W were plated as a cathode in a plating tank, the entire surface of the forging would normally be plated to a certain extent.
  • the present invention now provides a method in which the current density can be increased drastically in a plating process in order to increase the rate of deposition of a material, such as nickel, on the surface S.
  • the preferred material deposits at a rate that increases significantly with increasing current density, even if the efficiency can be somewhat lower than that which is achieved with low current densities, such as less than 1.0 A / "2 .
  • the device A according to the invention can plate a selected surface S with its recessed parts 12 and 14, using a high current density above 2.0 A / "2 to reduce the plating time required to reach a predetermined metal thickness to reach a size greater than 0.050 ".
  • a high current density can be maintained so that the deposited layer grows proportionally with the plating time.
  • the invention is particularly applicable to the deposition of nickel on the selected surface S, since the deposit increases with the current density without a significant drop in efficiency, as has been observed with chrome plating in the tank.
  • the workpiece W is one of many complex forgings, in which internal bores often have to be rebuilt after their wear or if they have been worked to excess.
  • the device A can repair, eliminate or correct defects in a complex workpiece in a relatively short time, so that the expensive forging W can be obtained in an economical manner. This saves many such forgings from the scrap because in the past, remanufacturing often cost more than a new forging, remanufacturing was often impossible, or forgings could be severely damaged by immersion in tank plating solutions, especially if the masking had not been properly performed .
  • the same hole in Similar forgings can be plated with the same device without new adjustment.
  • the device A has components that are made for the surface S. Other holes or surfaces require modified but functionally the same components as those shown in FIG. 2.
  • a lower or first end cap 30 engages and seals gap g , which is the plating cell defined by surface S and anode 40.
  • An upper or second end cap 32 closes the other end of the plating cell on the receding part 14 of the surface S. The end caps are clamped together and sit tightly on the opposite ends of the surface S, the anode 40 being concentrically surrounded by the surface S and itself extends axially through the plating cell parallel to the cylinder surface 10.
  • a suitable fastening device is provided, which is shown as a support foot 50.
  • This support leg carries an upwardly directed, rigid metal tube 52 which connects the support leg 50 to the cap 32, as shown in FIGS. 1 and 2, so that the workpiece W and the end caps 30 and 32 with the surface S in between in layers fixed position are arranged so that the first end cap is under the second end cap.
  • An ultra high throughput liquid pump 60 which has a reservoir for the electroplating solution, which in the preferred embodiment is nickel sulfamate, pumps the solution in a closed circuit P through the plating cell defined by end caps 30 and 32. This liquid flow has an ultra-high volume.
  • the liquid pump 60 pumps 300 to 700 gallons of liquid per hour, so that the solution flows along the path indicated by the arrows in FIGS. 1 and 2 at such a high speed that the solution in the plating cell is exchanged on the order of 200 to 1000 times per minute.
  • the pump has an ultra high volume flow rate to force a liquid flow through the annular gap g at a rate which results in a complete change of the liquid at least 25 times / minute. This extremely large volume flow allows nickel to deposit on the surface S from the plating solution if a current density above 2.0 A / "2 is used.
  • the current density can also increase to at least approximately 10.0 A / "2 can be increased to substantially increase the amount of nickel deposited on the surface S from the plating solution.
  • the anode 40 is a non-consumable anode. For this reason, the gap g remains constant over the plating cycle, which lasts less than six hours in the illustrated embodiment. The same precipitation of nickel previously required when plating using the tank plating system, about three days when it could be reached.
  • the pump 60 conveys the nickel sulfamate or similar plating solution into a high pressure plastic delivery line 62 which extends up the tube 52 into the lower end cap.
  • the liquid flow then moves up through the plating cell defined by surface S and anode 40 and exits through upper end cap 32 into two outflow lines 64 and 66 which open into a larger return line 68.
  • the outflow through the upper end cap 32 is more evenly distributed by one To prevent cavitation and to achieve a smooth flow of the plating solution through the respective plating cell.
  • direct current is passed through the annular gap g from a conventional portable plating power source.
  • an anode terminal 80 is connected to the anode 40 and a cathode terminal 82 to the workpiece or forging W.
  • a cathode is connected next to the end caps 30 and 32 of the device A by placing a clamp around the workpiece W in the vicinity of the surface S.
  • the special construction for applying a current flowing through the fixed, annular gap g is not part of the invention and can be realized by various electrical connections.
  • the electrical current flow between terminals 80 and 82 is adjusted to achieve the desired plating performance, which is extremely high to achieve the greatest benefit of the invention and is at least about 2.0 A / "2.
  • the current density can increase as much how to increase the flow rate provided by pump 60.
  • the pumps currently available perform about 300 to 800 gallons / min and, as stated above, create an ultra high volume flow rate of at least about 200 times / min To achieve electroplating solution in the gap g .
  • the lower end cap 30 is designed to ensure an even distribution of the plating solution in the gap g at the ultra high flow rate. As a result, all cross-sectional areas of the cylindrical anode surface and surface S are continuously and uniformly coated with a fresh plating solution in intimate, direct, continuous, physical and electrical surface contact.
  • the end cap 30 has a nose 100 which has an outer peripheral surface which is specially shaped and dimensioned such that it is adapted to the contour 102 of the workpiece W. In the drawing, this contour has annular, concentric shoulders 104 and 106 which form part of the overall shape of the workpiece. These shoulders are concentric with the surface S and define the outer peripheral surface of the nose 100 which is shaped for the bore shown.
  • a second part namely a lower base plate 110, is clamped to parallel end faces 112 and 114 which extend to the side with a plurality of bolts 116 which are arranged at a distance from one another and which pull the nose 100 and the base plate 110 together.
  • An O-ring 118 seals the inner flow openings of the cap 30. These flow openings receive the high-pressure plating solution, which flows through the inflow line 62 with an ultra-high flow rate. The solution moves through the cap 30, as indicated by the arrows in FIG. 2.
  • the base plate 110 has a central threaded bore 120 which receives the threaded end 122 of the feed line 62, which is used to connect this high pressure pipe to the base plate 110.
  • a concentric, second threaded bore 130 receives the threaded end 132 of the rigid support tube 52, which carries the device A and the workpiece W in its vertical position.
  • the nose 100 is provided with the base flow openings of the lower end cap 30 and has an outward shoulder 140 which abuts the concentric shoulder 106 of the workpiece W to align the cap 30.
  • an O-ring 142 with a rectangular cross section is arranged such that its outer circular edge 146 with the edge 148 on extreme end of the conical recess part 12 coincides such that the edge 146 delimits the outer edge of the plating area of the plating cell.
  • the edges 146 and 148 can be brought into exact alignment by hand by moving the workpiece W on the nose 100 before the anode 40 clamps the upper end cap 32 in place.
  • the inner flow openings of the cap 30 include a concentric plenum 150, which has a diameter e and a height of 1 2nd
  • the diameter e is approximately the same size as the diameter a of the cylindrical part 10 of the surface S, so that a large volume of solution coming from the supply line 62 can collect in the plenum chamber 150 before it leaves the plenum chamber into a distribution space 160 at the upper, exposed end of the nose 100.
  • a novel nozzle arrangement is provided in order to bring the solution from the lower plenum chamber 150 into the upper distribution space.
  • This nozzle arrangement generates a plurality of separate and different, spiral flows of plating solution 170, which are shown schematically in FIG. 2 as spiral arrows 170.
  • the nozzle device for generating this spiral-shaped flow through the annular gap g is produced by a plurality of holes or bores 180 arranged at a distance from one another in the circumferential direction, eight of which are shown at the same circumferential distance from one another.
  • Holes 180 in the preferred embodiment of the invention are approximately diameter 1 4th ", which is shown schematically as the dimension f in FIGS. 2 and 4.
  • a central threaded bore 190 is provided which receives the threaded end 192 of the anode 40 and supports the lower end of the anode of device A when the two caps are in the plating position.
  • the nose 100 and the base plate 110 consist of a suitable plastic material which is non-conductive and forms an insulation between the positive anode 40 and the negatively polarized workpiece W.
  • the upper end cap 32 has a substantially flat plastic body, in which there is an annular recess 204, in which a downwardly extending, right in cross section angular O-ring 202 is located, the lower inner edge 206 of which coincides with the outer edge 208 of the conical, recessed part 14 to be plated.
  • the O-ring 202 has the same function as the O-ring 142 of the lower end cap, so that these two rectangular O-rings limit the extreme extent of the selected surface to be plated during the operation of the device A.
  • the body 200 has a central central opening 210 which receives the cylindrical shaft 218 of the anode 40.
  • a standard O-ring 212 is arranged in the central opening 210, which seals this opening against the shaft 218 of the anode, which can slide in the opening.
  • An upper collar 214 is fastened to the shaft 218 using a suitable means, for example a clamping screw 216.
  • the flow openings for the electroplating solution in the top cap 32 are designed to collect any gas that may be formed during the plating process. Due to its buoyancy, this gas can pass from the cap 30 upwards into the cap 32.
  • the body 200 has an outwardly flared conical top plenum 220 with a substantially flat surface that intersects with two spaced-apart bores 222 and 224 which receive threaded nipples 230 and 232 of drain lines 64 and 66, respectively. These lines have relatively large cross sections and must be at a distance from the anode 40.
  • the bores 222 and 224 therefore cut down into the conical surfaces 240 and 242 and form an oblique intersection with the conical surface which forms the cavity 220, as best shown in FIGS. 2 and 6.
  • the solution flowing through the gap g is collected in the cavity 220, which widens in the transverse direction, ie in a direction perpendicular to the direction of movement on the path P.
  • This outward expanding, speed reducing portion allows all of the gases that are formed during the plating process to be collected, but increasing the cross sectional area of the cross sectional area of surface 10 is not sufficient to significantly reduce the speed.
  • end 192 of anode 40 is screwed into bore 190 of lower end cap 30.
  • the workpiece W is then centered on the square O-ring 142 and positioned so that the edges 146 and 148 lie one on top of the other.
  • the body 200 is slid over the shaft 218 of the anode and guided down to a central position in which the edges 206 and 208 lie one on top of the other.
  • the collar 214 is fixed on the shaft 218 with the clamping screw 216.
  • the anode 40 is then rotated on its upper, polygonal part 250 in order to clamp the end caps together by screwing the lower end 192 into the threaded bore 190 of the lower end cap 30.
  • a suitable anode connector 252 is then snapped into the top of the anode and the anode and cathode leads are connected.
  • the pump 60 pushes the plating solution through the plating cell, as indicated by the arrows in FIG. 2, while current flows through the annular gap g . The plating process continues until the desired thickness of the plated metal has been reached.
  • a standard platinum coated titanium anode bar is machined to have a selected area of section 300 that matches the selected surface S to be plated.
  • this surface 10 is cylindrical. Therefore, the surface or the selected part 300 is also cylindrical and has a length h which is adapted to the length of the surface S to be plated.
  • the exposed parts of the anode 40, except for the region 300 are made of titanium, which is anodized and therefore does not generate current flow. The current therefore only flows from the surface 300 which is adapted to the surface S to be coated. Because the anode 40 is not consumable in one embodiment of the invention, the gap g remains constant and enables continuous and uniform flow through the plating cell without causing changes due to depletion or depletion of the anode.
  • FIG. 8 is a schematic representation of another embodiment of the invention.
  • the solution flow along the path P through the gap from the feed end F to the outlet end D between the end caps 30 and 32 is controlled so that a quick and forced exchange of plating solution in the gap g takes place.
  • the cross-sectional area or the boundary of the outlet lines 64 and 66 is larger than the cross-sectional area or the boundary of the feed line 62; however, the combined area of the outlet pipes is not larger than twice the cross-sectional area of the feed pipe. In this way, the flow of solution through the plating cell is controlled to cause a rate drop in the cell due to an increase in cross-sectional areas in the flow passage through the cell is prevented.
  • outlet cross-section is at least as large as the inlet cross-section, there is no back pressure and there is no significant reduction in speed since the outlet cross-section is not larger than about twice the inlet cross-section.
  • This is another feature of the invention that supports a uniform and continuous flow of plating solutions through the annular gap g .
  • the parameters given in Fig. 2 and discussed above represent an example of the present invention.
  • the surface 10 has a diameter of 1.62 "and the gap is 0.625". In practice, this gap is between 0.050 and 2.0 ".
  • the length of the area S is 1.50" and the current is approximately 30 A. 300 gallons of a nickel sulfamate plating solution are pumped through the gap g per hour.
  • the cross-sectional area A e of the plenum chamber 150 is approximately equal to the cross-sectional area A a of the bore of the workpiece, which is delimited by the surface 10; however, it is larger than the cross-sectional area of the gap g and considerably larger than the sum of the cross-sectional areas A f of the various holes 180 which represent the nozzles.
  • This example enables nickel deposition to the desired thickness with a plating cycle between 2.0 and 6.0 hours. In contrast, tank plating the same surface using chrome to the same thickness, if possible, would take more than three days.
  • the exchange rate of the plating solution in the gap g is at least 25 times / min. This is shown in general terms by the graph in Fig. 9, where the highest current density increases with the rate of exchange. This ratio defines an operating range that increases to 10 or more A / "2 while the exchange speed up to 2500 times / min. increases.
  • the current density used in the process is not necessarily the maximum current density, since other process parameters determine the exact current density that is desired by the operator for a particular workpiece to be machined.
  • the desired current density can be determined by the size of the gap, the temperature in the gap and related parameters which are not part of the present invention.
  • the ultra high flow rate is adjusted so that plating can only be accomplished using two separate closures or end caps which delimit the plating cell and that the plating solution passes through the gap between the anode and the selected surface to be plated at such a high speed is pushed through, that high current densities are possible.
  • the plating solution is a nickel solution and preferably nickel sulfamate. The temperature in the gap is maintained between 110 and 130 ° F.
  • the surface 10 is cylindrical and the peripheral surface 300 of the anode 40 is also cylindrical and defines a non-consumable anode.
  • the plating solution is any of the various plating solutions used in tankless selective plating processes. Chromium is usually not used in this type of process. The solutions normally preferred for selective plating are nickel, lead, copper, iron, tin and zinc. Of course, precious metals could also be used; however, the invention is primarily applicable for industrial purposes which do not intend to use precious metals. Chromium makes use of the present Invention difficulties in that the plating must be carried out very slowly and the advantages achieved by the rapid flow in chrome plating are not fully realized.
  • Chrome deposits are brittle and limited in thickness, which detracts from the utility of the present invention. In all cases, chromium would be difficult to use with the present invention and is therefore not preferred. However, some features of the invention can provide some advantage for a chrome plating system. Nickel is considered the preferred and best metal to be used in the practice of the present invention.
  • the solution flow is limited to the surface to be plated and the anode surface. There is no need for painting or other insulating coating to prevent unwanted plating.
  • the workpiece W can have different shapes.
  • By providing the high flow volume there is a constant solution / metal interface at the anode surface 300 and the surface S to be plated.
  • There is no liquid splashing of the solution and no other auxiliary inputs into the gap g which is due to the uniformity of the rapid axial movement can divert the gap flowing solution.
  • the tendency for gas formation in the solution decreases and there is a high surface pressure between the solution on the one hand and the anode surface and the surface S to be plated on the other hand, so that an extremely intensive liquid / metal interface contact is made with the flowing solution.
  • the gap g need not be precisely controlled as long as its cross section remains essentially the same so as not to interrupt the high surface pressure contact of the liquid solution flowing axially through the gap.
  • the gap shouldn't be Have areas that collect the solution or slow down the speed of the solution as it moves through the gap. Such a reduction in speed is common in tank plating and leads to stagnation and accumulation of weaker plating solution which is in contact with certain parts of the surface to be plated.
  • the direction of flow is directed upwards in the vertical direction in order to match the flow of any gas bubbles which arise during the plating process.
  • the term "ultra-high" volume means more than 25 solution exchanges in the gap g per minute and preferably more than 200 exchanges per minute.
  • the anode construction according to the invention is geometrically adapted to the surface 10 to be plated, in contrast to the tank plating method, where the anode is located far away from the surface to be plated and has no real geometric relationship with it.
  • the anode surface cooperates with the surface S and forms the gap through which the liquid flows at ultra high speed.
  • each workpiece could have its own specially designed fastening device.
  • This fastening device with the pump for the plating solution and the power supply for it are portable.
  • the solution runs through a closed system and can be refreshed periodically after a predetermined period of use.
  • uniform plating is achieved throughout the gap and there are no areas of stagnation, elevated temperature or lower flow rates.
  • This advantage is achieved by the high solution exchange rates, which are primarily limited by the resilience and design of the equipment and reach 2500 exchanges per minute, as graphically shown in FIG. 9.
  • the anode is shaped to match the selected shape to be plated; in the one preferred embodiment it is insoluble, i.e. unusable and allows current to flow only from the selected surface, for example from surface 300 shown in FIGS. 2 and 7. In this way, a uniform current also flows through the gap from the surface 300 of the anode to the surface S to be plated.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von Metall, beispielsweise Nickel auf der zylindrischen Innenfläche einer Bohrung in einem komplizierten Bauteil, beispielsweise einem Schmiedestück für das Fahrwerk von Luftfahrzeugen, bei dem auf der ausgewählten Oberfläche des Werkstückes im Spalt-Elektroplattierverfahren aus einer Elektrolytflüssigkeit Metall angeschieden wird. Die hierzu verwendete Vorrichtung hat eine Anode (40) mit einer aktiven Oberfläche (300), deren Gestalt an die Gestalt der ausgewählten, zu beschichtenden Oberfläche (5) des Werkstükkes (W) angepaßt ist und zusammen mit dieser einen langgestreckten Spalt (g) von wenigstens 0,050" bildet. Eine Pumpe (60) drückt die Elektroplat tierlösung (170) mit den Metallkationen in geschlossenem Kreislauf mit einer sehr hohen Geschwindigkeit durch den Spalt (g), so daß die Elektroplattierlösung (170) im Spalt mindestens 25mal pro Minute ausgetauscht wird. Zwischen der ausgewählten, zu plattierenden Werkstückoberfläche (5) und der aktiven Oberfläche (300) der Anode fließt durch den Spalt ein Strom mit einer Stromdichte von über 2,0 A/"².

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Elektroplattieren und mehr in einzelnen das galvanische Abscheiden von Metall auf einer ausgewählten Oberfläche eines Werstückes nach dem Spalt-Elektroplattier-Verfahren.
  • Im Gegensatz zur Tank- oder Badplattierung, bei der eine entfernt angeordnete, verbrauchbare oder nicht verbrauch­bare Anode zusammen mit einem zu behandelnden Werkstück in einem Behälter angeordnet wird, bezieht sich die Erfin­dung auf das Spalt-Elektroplattieren. Bei der Badplattie­rung wird das Metall nach der Elektrolysetechnologie auf allen Oberflächen des Werstückes niedergeschlagen, die sich im Tank befinden. Um bei einem solchen Tank- oder Behälterverfahren nur eine ausgewählte Oberfläche zu plat­tieren, muß das Werkstück maskiert, mit einem Schutzüber­zug versehen oder auf andere Weist vor der im Tank befind­lichen Badlösung geschützt werden. Bei der Spalt-Elektro­plattierung wird ein vollständig anderes Konzept verfolgt. Hierbei erhält eine Anode eine solche Gestalt und Oberflä­che, die der Gestalt und der ausgewählten Oberfläche des zu plattierenden Werkstückes weitgehend angepaßt ist. Der Strom fließt zwischen Anode und Kathode durch einen vor­herbestimmten Spalt, der sich durch die Geometrie der Anodenoberfläche ergibt, soweit diese an die zu plattieren­ de Werkstückoberfläche angepaßt ist. Diese Spalt-Elektro­plattierung kann in einem Behälter durchgeführt werden und wird auch oft in einem Behälter zur galvanischen Oberflä­chenbehandlung durchgeführt; die Spalt-Elektroplattierung benötigt jedoch nicht unbedingt einen Tank. Sie kann viel­mehr auch dadurch durchgeführt werden, daß eine Plattier­lösung in den Spalt zwischen Anode und Kathode geleitet wird, während man zwischen diesen beiden Elektroden einen Strom fließen läßt, solange ein geschlossener oder unun­terbrochener Plattiermittelstrom durch den Spalt fließt. Diese Art der Spaltplattierung ist Gegenstand der vorlie­genden Erfindung.
  • Eine Spalt-Elektroplattierung mit geschlossenem Kreislauf, wie sie Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, ist ganz allgemein in den US-Patenten 4 111 761 von LaBoda und 4 441 976 von Iemmi beschrieben, wo eine Anode mit einer zylindrischen Außenumfangsfläche konzentrisch in einer zylindrischen Fläche eines zu plattierenden Werkstückes angeordnet ist, mit der sie einen Spalt oder eine Plattier­zelle bildet. Der Rest des Werkstückes einschließlich seiner vollständigen Außenfläche soll nicht plattiert werden. Um zu verhindern, daß der Rest des Werkstückes plattiert wird, wird die Elektroplattierlösung mit derjeni- gen Fläche des Werkstückes nicht in Berührung gebracht, die nicht plattiert werden soll. Bei dem Verfahren nach dem US-Patent 4 345 977 von Blanc wird ein abgewandeltes Behältersystem benutzt. Eine Plattierung des äußeren Teiles des Werkstückes wird hier durch Dichtungen verhindert. Die innere Zylinderfläche wird durch diese Vorrichtung in erster Linie plattiert aufgrund der Anodenanordnung und des Lösungsstromes, andere Teile des Werstückes werden aber auch plattiert, weil der Tank tatsächlich mehr umschließt, als die ausgewählte innere Zylinderfläche. Dieses Patent offenbart keine Spalt-Elektroplattierung, aber es zeigt in allgemeiner Form eine Vorrichtung zum Plattieren einer ausgewählten Fläche.
  • Das Verfahren zum Spaltplattieren ist schon einige Jahre bekannt. Die Einspannvorrichtungen für diese Verfahren waren jedoch verhältnismäßig teuer und die Arbeitsergebnis­se waren nicht gleichmäßig, insbesondere bei langgestreck­ten, im allgemeinen unzugänglichen Bohrungen in komplexen Werkstücken. Aus diesem Grunde wurde für die Reparatur und das Wiederaufbauen von übergroßen Bohrungen in verschiede­nen Werkstücken oft entweder die Tankplattierung oder Bürstenplattierung ausgeführt. Die Tankplattierung geht extrem langsam vor sich und liefert ohne ausgedehntes, teures Maskieren keine gleichförmigen Ergebnisse auf ausge­wählten Teilflächen. Der Erfolg der Bürstenplattierung hängt wesentlich von der Erfahrung des Arbeiters ab und kann nur bei ganz besonderen, exponierten Flächen angewen­det werden. Es besteht deshalb ein echter Bedarf an einem Plattiersystem, mit dem in verschiedenen Bohrungen eines komplexen Werkstückes, beispielsweise in einem Schmiede­stück eines Flugzeugfahrgestelles, eine Plattierung gleichförmig bis zu einer beträchtlichen Dicken von über 0,050" aufgebracht werden kann. Außerdem ist es wesentlich, daß ein solches Plattierverfahren schnell und mit geringen Einrichtungskosten von Personen mit durchschnittlicher Erfahrung durchgeführt werden kann.
  • Es bestand auch ein Bedarf, in etwas schwer zugänglichen Stellen eines großes Werkstückes zu plattieren, um eine sehr verschleißfeste Schmiermittelfläche von erheblicher Dicke zu schaffen, um komplizierte Werkstücke, wie bei­spielsweise Schmiedestücke wiederzugewinnen, bei denen nur bestimmte Flächen über die akzeptierbaren Toleranzen hinaus verschlissen waren. Um diesen Anforderungen zu genügen, kann Chrom nicht immer verwendet werden, weil bei der Dicke, die erforderlich ist, um eine übergröße Bohrung in annehmbare Toleranzen zu bringen, mikroskopisch feine Risse auftreten. Auch wenn bei der Wiedergewinnung oder Reparatur von verschlissenen Teilflächen bei komplexen Werkstücken meistens Chrom verwendet wird, ist Chrom nicht immer ein optimales Material. Außerdem ist die Tankplattierung solcher Oberflächen mit Chrom nicht universell anwendbar. Dies ist insbesondere bei der Reparatur von zu groß gewordenen Löchern in Stahlschmiedestücken von höchster Festigkeit (240 KSI oder größer) der Fall, wie sie bei Raumfahrzeugen und Luftfahrzeugteilen verwendet werden. Im Hinblick auf diese Beschränkungen und Anforderungen ist Chrom aus der Behälterplattierung für die Reparatur von Werkstücken, d.h. zum Plattieren der Innenfläche einer Bohrung in einem hochfesten Stahlschmiedestück nicht vollständig zufriedenstellend. Ferner erfordert die Chromplattierung für die Reparatur verschlissener Flächen, auch wenn sie möglich und/oder wünschenswert ist, extrem lange Plattierzeiten. Höhere Stromdichten zum Verringern dieser Plattierzeit erhöhen die Geschwindigkeit, mit der Chrom abgelagert wird, nicht wesentlich, weil der Wirkungsgrad bei erhöhter Stromdichte rapide sinkt.
  • Auch wenn die Tankplattierung von Chrom auf Oberflächen eines komplexen Werkstückes zur Reparatur, Wiedergewinnung oder zum Auf-Maß-Bringen von Flächen verwendet wurde, ist dieses Verfahren doch nicht vollständig befriedigend. In der Tat kann es in manchen Fällen auch nicht wirksam ausgeführt werden. Die Tankplattierung mit Nickel ist als Reparatur-, Wiedergewinnungs- oder Kalibrierverfahren ebenfalls schwierig und teuer.
  • Im Hinblick auf die vielen erfahrenen Schwierigkeiten beim Versuch, verschlissene oder überdimensionierte Bohrungen in komplexen Werkstücken, wie beispielsweise in hochfesten Stahlschmiedestücken für Fahrwerke zu reparieren, wurde ein Plattierverfahren entwickelt, welches kein Chrom banötigt und das ohne hohen Kapitalaufwand, ohne lange Beschichtungszeiten und ohne besonders ausgebildetes Personal durchgeführt werden kann, wie es bei dem gemeinhin bekannten Tankplattierverfahren der Fall ist.
  • Das Plattierverfahren und die Plattiervorrichtung nach der Erfindung wurden geschaffen, um wesentliche Vorteile gegen­über der Spezialplattierung für eine spezielle Anwendung zu erreichen, bei der es darum geht, selektive Flächen zu plattieren, während das Werkstück selbst keine Spezialbe­handlung erfordert und bei dem die lange Beschichtungszeit, die beim Tankplattieren benötigt wird, nicht erforderlich ist. Mit dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfin­dung wird eine bemerkenswert dicke Metallschicht rasch auf einer ausgewählten Fläche eines Werkstückes abgelagert, auch wenn das Werkstück eine komplexe Gestalt hat, wobei ein Maskieren und andere komplexe, langwierige und zeitrau­bende Vorplattierverfahren nicht erforderlich sind.
  • Mit der Erfindung wird eine Elektroplattiervorrichtung zum raschen Niederschlagen eines Metalles auf einer ausgewähl­ten Fläche des Werkstückes bereitgestellt, die eine Anode mit einer aktiven Fläche ausgewählter Gestalt aufweist, die zusammen mit der ausgewählten Flächengestalt des Werkstückes einen länglichen Spalt von mindestens 0,050" bildet. Außerdem hat die Elektroplattiervorrichtung einen Träger, der diese Anode in einer Stellung fixiert, um den länglichen Spalt zu bilden. Ferner ist eine Umwälzvorrich­tung vorgesehen, welche eine mit Metallionen beladene Elektroplattierlösung in einem im wesentlichen geschlos­senen Kreislauf mit einer Geschwindigkeit durch den Spalt drückt, daß die Elektroplattierlösung im Spalt mindestens 25mal pro Minute ausgetauscht wird. Ferner ist eine Stromquelle vorgesehen, um zwischen der ausgewählten Werkstückfläche und der aktiven Fläche der Anode einen Strom mit einer Stromdichte von mehr als 2,0 A/"² (2,0 Ampere/Quadratzoll) fließen zu lassen.
  • Diese neue Vorrichtung nach der Erfindung ist in erster Linie zum Plattieren einer zylindrischen Innenfläche in einem im wesentlichen komplex geformten, hochfesten Stahl­schmiedestück geeignet, bei dem der Spalt einen kreisring­förmigen Querschnitt hat und ein erstes und ein zweites Stirnende aufweist. Die Plattierlösung wird mit einer ultrahohen Geschwindigkeit von dem ersten Stirnende des Spaltes zu dessen zweitem Stirnende gedrückt.
  • Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Anode eine nicht verbrauchbare Anode ist und die Plattierlösung aus Nickel-­Sulfamat besteht. Die Fließgeschwindigkeit durch den Spalt kann als "Ultrahochgeschwindigkeit" oder "Hochgeschwindig­keitsdurchfluß" bezeichnet werden, da die Fließgeschwindig­keit oder der Flüssigkeitsaustausch durch den Spalt größer ist als bisher. Vorzugsweise liegt die Fließgeschwindigkeit in der Größenordnung von 200 bis 1000mal Austausch von Lösung im Spalt pro Minute. Vorzugsweise kann die ultrahohe Flüssigkeitsaustauschgeschwindigkeit bei mindestens 2500mal pro Minute liegen, wobei sie nur durch die Ausrüstung und die erhältlichen Pumpen begrenzt wird. Bei Verwendung einer solchen ultrahohen Volumenaustauschgeschwindigkeit können zwischen den in ihrer Form aufeinander abgestimmten Flächen von Anode und Werkstück Stromdichten über 2,0 A/"² verwen­det werden, ohne hierbei die Elektroplattierlösung zu über­hitzen oder in irgendeiner Weise die Gleichförmigkeit der Plattierlösung zu beeinflussen, während diese vom einen Ende des Spaltes zum anderen fließt. Dieser ultrahohe Volumenstrom gewährleistet die Abscheidung von Gasblasen, die Beibehaltung der niedrigen Temperatur und den hohen Kontaktdruck der Lösung an der Anodenfläche und den Werk­stückflächen. Die radiale Breite des Spaltes, der die Plattierzelle bildet, beträgt mindestens 0,050" und vor­zugsweise zwischen 0,50 und 1,0". Spaltbreiten, die über 2,5" erreichen, können bei dem Verfahren nach der Erfindung verwendet werden, wenn das Durchflußvolumen erhöht wird.
  • Nach der Erfindung wird zwischen der ausgewählten Fläche einer feststehenden Anode und der ausgewählten, zu plattie­renden Fläche ein Spalt geschaffen. Dieser Spalt steuert den Losungsstrom längs dieser Flächen. Ultrahohe Durchfluß­geschwindigkeiten erlauben hohe Stromdichten, die wiederum eine rasche Metallabscheidung aus der strömenden Plattier­lösung zur Folge haben, welches vorzugsweise Nickel ist. In jedem beliebigen Fall steht in allen Querschnittsflächen des Spaltes eine frische, nicht verbrauchte Plattierlösung mit kontrollierter Temperatur für eine gleichmäßige Plat­tierung zur Verfügung, die einen hohen Kontaktdruck auf die den Spalt begrenzenden Flächen ausübt. In der Praxis wird die Plattierlösung vertikal nach oben gedrückt, so daß alles Gas, was sich bei der Elektrolyse im Spalt entwickelt, in gleicher Richtung wie die Plattierlösung nach oben wandert und ausgetrieben wird.
  • Das Verfahren nach der Erfindung, welches sich der oben erläuterten Vorrichtung bedient, dient zur Spaltplattierung einer ausgewählten Oberfläche eines Werkstückes. Hierbei bildet diese ausgewählte, zu plattierende Oberfläche die eine Begrenzung des oben erwähnten Plattierspaltes.
  • Hauptziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spaltplattierung anzugeben, welches ultra­hohe Fließgeschwindigkeiten oder Durchflußmengen der Plat­tierlösung durch den Spalt anwendet. Der Spalt ist die Plattierzelle zwischen einer feststehenden Anode und der besonderen Oberfläche des Werkstückes, die für die Plattie­rung ausgewählt wurde.
  • Wie oben dargelegt, hat die Erfindung den Vorteil, daß Stromdichten verwendet werden können, die 2,0 A/"² über­steigen, so daß die Plattiergeschwindigkeit wesentlich erhöht wird und die Plattierzeit abnimmt, wodurch eine Applikation, die bisher in einem Tank über drei Tage dauerte, nun in weniger als zwei bis vier Stunden vor sich gehen kann.
  • Mit der Erfindung gelingt es, eine dicke Metallschicht auf einer ausgewählten Oberfläche eines Werkstückes schnell und gleichförmig über die ganze Fläche derart abzuscheiden, daß das Verfahren von einem Werkstück zum anderen wieder­holt werden kanne, ohne die Veränderungen, die durch die Grenzen der Handfertigkeit verursacht werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß dicke, gleichförmige Flächen hergestellt werden können, die bisher ohne wesentliche Einspannung und/oder Maskie­rung durch Tankplattierung nur schwierig, wenn überhaupt, zu erreichen waren.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein wirbeln­der Durchfluß der Plattierlösung durch den Ringspalt ver­wendet, wo die Strömung von der Plattierlösung selbst erzeugt wird.
  • Eine weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Plattierlösung auf der ganzen Länge des Spaltes auf einer gleichmäßigen, verhältnismäßig niedrigen Temperatur gehal­ten werden kann, um eine gleichförmige Plattierung längs des ganzen Spaltes zu gewährleisten.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung und des mit dieser durchgeführten Verfahrens erläutert sind. Es zeigt:
    • Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Verwendung an einem speziellen Werk­stück in einer seitlichen Ansicht und teilweise im Längsschnitt,
    • Fig. 2 den Gegenstand der Fig. 1 im Schnitt in einer vergrößerten Darstellung, wobei bestimmte Abmessungen und Para­meter einem Ausführungsbeispiel der Erfindung entsprechen,
    • Fig. 3 den Gegenstand der Fig. 2 in einem Querschnitt nach Linie 3-3,
    • Fig. 4 den Gegenstand der Fig. 3 in einem Schnitt nach Linie 4-4,
    • Fig. 5 den Gegenstand der Fig. 2 in einem Querschnitt nach Linie 5-5,
    • Fig. 6 den Gegenstand der Fig. 2 in einem Querschnitt nach Linie 6-6,
    • Fig. 7 die bei der bevorzugten Ausführungs­form nach der Erfindung verwendete Anode in einer Seitenansicht,
    • Fig. 8 eine schematische Darstellung, die bestimmte Durchflußcharacteristika der bevorzugetn Ausführungsform nach der Erfindung zeigt und
    • Fig. 9 eine graphische Darstellung, welche einen Betriebsparameter erläutert, der durch Verwendung der vorliegen­den Erfindung erhalten wird.
  • In Fig. 1 ist eine Vorrichtung A nach der Erfindung darge­stellt, die zum Aufbringen einer gleichförmigen Schicht eines elektroplattierbaren Metalles, wie beispielsweise Nickel auf eine ausgewählte Oberfläche S in Form einer zylindrischen Wand 10 dient, die einen unteren, konisch zurückweichenden Teil 12 und einen oberen, konisch zurück­weichenden Teil 14 in einem komplexen Werkstück W aufweist. Zur Vereinfachung werden diese drei Teile der selektiv zu plattierenden Oberfläche im folgenden als "Oberfläche S" bezeichnet. Obgleich die vorliegende Erfindung zum Plattie­ren von selektiven Flächen verhältnismäßig einfacher Werk­stückformen verwendt werden kann, besteht einer ihrer bemerkenswerten Vorteile darin, daß sie bei einem komplexen Werkstück eingesetzt werden kann, wie es von dem Werkstück W representiert wird, welches in der dargestellten Ausfüh­rungsform ein hochfestes Stahlschmiedestück für Flugzeug­fahrwerke ist, bei dem die Oberfläche 10 eine tragende Fläche ist, welche einer nagenden Korrosion unterworfen sein kann und von Zeit zu Zeit durch Aufplattieren von Metall repariert werden muß, um die Gebrauchsfähigkeit des Kernschmiedestückes wieder herzustellen. Bei der Durchfüh­rung der Erfindung ist die selektiv plattierte Oberfläche S im allgemeinen zylindrisch, wie dies bei dem Werkstück W dargestellt ist, welches viele Flächenbereiche aufweist, die nicht plattiert werden sollen, wie beispielsweise die gesamte Außenflache, zu der, als Beispiele für unplattierte Formen, ein Zahnradteil 20, eine längliche Buchse 22, nach außen vorspringende Bereiche, wie eine Schulter 24, ein unterer Flansch 26, ein nach außen vorspringender Stütz­vorsprung 28 und viele andere äußere und innere Flächen­bereiche gehören, die nicht plattiert werden sollen. Man erkennt, daß, wenn dieses Schmiedestück W in einem Plat­tiertank als Kathode plattiert würde, normalerweise bis zu einem gewissen Ausmaß die gesamte Oberfläche des Schmiedestückes plattiert werden würde. Um nur die Oberfläche S zu plattieren, wäre ein erheblicher Aufwand an Befestigung und Maskierung notwendig, wenn ein Tankplat­tierverfahren angewendet wird. Außerdem wurde in der Vergangenheit normalerweise Chrom auf der Oberfläche S plattiert. Wenn jedoch Chrom auch auf einer selektiven Oberfläche plattiert wird, bedarf dies einer erheblichen Plattierzeit. Eine erhöhte Stromdichte erhöht den Wirkungsgrad und die Abscheidegeschwindigkeit von Chrom in einem Tank oder auch bei einem modifizierten Tankplattiersystem nicht wesentlich. Auberdem kann Chrom in einer größeren Dicke wie beispielsweise 0,050", nicht leicht plattiert werden. Es ist deshalb vorteilhaft, bei dieser dargestellten Applikation auf der Oberfläche S eine Nickelbeschichtung aufzubringen.
  • Die vorliegende Erfindung gibt nun ein Verfahren an, bei dem die Stromdichte in einem Plattierprozeß drastisch erhöht werden kann, um die Ablagerungsgeschwindigkeit eines Materials, wie beispielsweise Nickel, auf der Oberfläche S zu erhöhen. Hierbei lagert sich das bevorzugte Material mit einer Geschwindigkeit ab, die sich mit steigender Stromdichte wesentlich erhöht, auch wenn der Wirkungsgrad etwas geringer sein kann, als derjenige, der mit niedrigen Stromdichten, wie beispielsweise mit weniger als 1,0 A/"² erreicht wird.
  • Die Vorrichtung A nach der Erfindung kann eine ausgewählte Oberfläche S mit ihren zurückspringenden Teilen 12 und 14 plattieren, wobei sie eine hohe Stromdichte über 2,0 A/"² verwendet, um die Plattierzeit zu verringern, die notwendig ist, um eine vorherbestimmte Metalldicke bis zu einer Größe über 0,050" zu erriechen. Bei der Erfindung kann eine hohe Stromdichte aufrechterhalten werden, so daß die niederge­schlagene Schicht proportional mit der Plattierzeit wächst. Die Erfindung ist insbesondere zum Niederschlagen von Nickel auf der ausgewählten Oberfläche S anwendbar, da die Ablagerung mit der Stromdichte wächst, ohne wesentlichen Abfall des Wirkungsgrades, wie dies bei der Chromplattie­rung im Tank beobachtet wurde. Das Werkstück W ist eines von vielen komplexen Schmiedestücken, bei denen oft innen­liegende Bohrungen nach ihrem Verschleiß, oder wenn sie auf Übermaß gearbeitet sind, wieder aufgebaut werden müs­sen. In der Tat werden in vielen Fällen Innenbohrungen in solchen Schmiedestücken anfänglich mit Übermaß hergestellt, so daß eine Metallplattierungsschicht auf die Oberfläche aufgebracht werden kann, um einen guten Korrosionswider­stand, eine bessere Verschleißfestigkeit und eine feinere Oberfläche zu erreichen. In der Vergangenheit wurde bei diesem Widergewinnungs- oder Aufbauprozeß gewöhnlich ein Tank oder ein modifizierter Tank verwendet, wobei Chrom oder Chrom- und Nickelschichten auf die Innenflächen der Bohrungen des Schmiedestückes aufgebracht wurden. Dieses Verfahren war sehr zeitaufwendig und es waren oft drei Tage erforderlich, um im Tank die bestimmte Oberfläche S zu plattieren, die Gegenstand des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles ist. Wird mit der Erfindung die Vorrichtung A verwendet, wird auf der Oberfläche S eine Nickelbeschichtung bis zu der gleichen Tiefe und in besse­rer Gleichmäßigkeit in weniger als sechs Stunden und im allgemeinen zwischen zwei und sechs Stunden hergestellt. Der sich ergebende Nickelüberzug ist gleichmäßig, schmied­bar und glatt und kann dicker hergestellt werden als ein Chromüberzug, der mit steigender Dicke mikrofeine Risse erhälten kann. Zusammengefaßt kann bei Verwendung der Erfindung die Vorrichtung A Fehler in einem komplexen Werkstück in relativ kurze Zeit reparieren, beseitigen oder korrigieren, so daß das teure Schmiedestück W in wirtschaftlicher Weise erhalten werden kann. Dies rettet viele solche Schmiedestücke vor dem Schrott, weil in der Vergangenheit die Wiederaufarbeitung oft mehr kostete als ein neues Schmiedestück, die Wiederaufarbeitung oft unmög­lich war oder Schmiedestücke durch Eintauchen in Tankplat­tierlösungen schwer beschädigt werden konnten, insbesondere dann, wenn die Maskierung nicht ordentlich ausgeführt worden war. Mit der Erfindung kann die die gleiche Bohrung in ähnlichen Schmiedestücken mit der gleichen Vorrichtung ohne neue Justierung plattiert werden.
  • Die Vorrichtung A hat Komponenten, die für die Oberfläche S hergestellt sind. Andere Bohrungen oder Oberflächen erfordern abgewandelte, aber funktionell gleiche Komponen­ten wie die, die in Fig. 2 gezeigt sind. Eine untere oder erste Endkappe 30 greift in den Spalt g ein und dichtet ihn ab, der die Plattierzelle darstellt, die von der Oberfläche S und der Anode 40 begrenzt wird. Eine obere oder zweite Endkappe 32 verschließt das andere Ende der Plattierzelle an dem zurückweichenden Teil 14 der Oberfla­che S. Die Endkappen sind zusammengeklemmt und sitzen dicht auf den einander gegenüberliegenden Enden der Ober­fläche S, wobei die Anode 40 von der Oberfläche S konzen­trisch umgeben wird und sich parallel zu der Zylinderfläche 10 axial durch die Plattierzelle erstreckt. Um das Werk­stück W und die beiden aufgeklemmten Endkappen 30 und 32 in einer unverrückbaren Lage zu halten, ist eine geeignete Befestigungsvorrichtung vorgesehen, die als Stützfuß 50 dargestellt ist. Dieser Stützfuß trägt ein aufwärts gerich­tetes, starres Metallrohr 52, welches den Stützfuß 50 mit der Kappe 32 verbindet, wie dies in Fig. 1 und 2 darge­stellt ist, so daß das Werkstück W und die Endkappen 30 und 32 mit der Oberfläche S dazwischen schichtweise in fester Lage so angeordnet sind, daß sich die erste Endkappe unter der zweiten Endkappe befindet. Eine Flüssigkeitspumpe 60 mit ultrahohem Durchsatzvolumen, die ein Reservoir für die Elektroplattierlösung aufweist, die bei der bevorzugten Ausführungsform Nickelsulfamat ist, pumpt die Lösung in geschlossenem Kreislauf P durch die von den Endkappen 30 und 32 begrenzte Plattierzelle. Dieser Flüssigkeitsstrom hat ein ultrahohes Volumen.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform pumpt die Flüssig­keitspumpe 60 300 bis 700 Gallonen Flüssigkeit pro Stunde, so daß die Lösung längs des durch die Pfeile in Fig. 1 und 2 angegebenen Weges mit einer so hohen Geschwindigkeit strömt, daß die Lösung in der Plattierzelle in der Größen­ordnung von 200 bis 1000mal pro Minute ausgetauscht wird. Nach der Erfindung hat die Pumpe einen ultrahohen Volumen­durchsatz, um einen Flüssigkeitsstrom durch den ringförmi­gen Spalt g mit einer Geschwindigkeit zu pressen, die mindestens 25mal/Minute einen vollständigen Wechsel der Flüssigkeit zur Folge hat. Dieser überaus große Volumen­strom erlaubt es, daß sich aus der Plattierlösung Nickel auf der Oberfläche S abscheidet, wenn eine Stromdichte über 2,0 A/"² verwendet wird. Da die Durchflußmenge oder Fließ­geschwindigkeit wächst, kann auch die Stromdichte minde­stens auf annähernd 10,0 A/"² erhöht werden, um die aus der Plattierlösung auf der Oberfläche S abgelagerte Nickelmenge wesentlich zu erhöhen. Die Anode 40 ist eine nicht verbrauchbare Anode. Aus diesem Grunde bleibt der Spalt g über den Plattierzyklus konstant, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weniger als sechs Stunden dauert. Der gleiche Niederschlag an Nickel erforderte bis­her beim Plattieren nach dem Tankplattiersystem ungefähr drei Tage, wann er überhaupt erreichbar war.
  • Um den ultragroßen Volumenstrom oder den ultrahohen Fluid­durchfluß durch den geschlossenen Umlauf P zu drücken, för­dert die Pumpt 60 die Nickelsulfamat- oder eine ähnliche Plattierlösung in eine Hochdruck-Kunststoff-Förderleitung 62, welche sich in dem Rohr 52 aufwärts bis in die untere Endkappe erstreckt. Der Flüssigkeitsstrom bewegt sich dann aufwärts durch die Plattierzelle, die von der Oberfläche S und der Anode 40 begrenzt wird und tritt durch die obere Endkappe 32 in zwei Ausflußleitungen 64 und 66 aus, welche in eine größere Rückflußleitung 68 münden. Durch die Ver­wendung von zwei diametral im Abstand voneinander angeord­neten Ausflußleitungen 64 und 66 wird der Ausfluß durch die obere Endkappe 32 gleichmäßiger verteilt, um eine Cavitation zu verhindern und einen glatten Durchfluß der Plattierlösung durch die jeweilige Plattierzelle zu errei­chen.
  • In Übereinstimmung mit der Standardausführung wird Gleich­strom von einer üblicher, tragbaren Plattierstromquelle durch den ringförmigen Spalt g geleitet. Hierbei ist eine Anodenanschlußklemme 80 an die Anode 40 und eine Kathoden­anschlußklemme 82 an das Werkstück oder Schmiedestück W angeschlossen. In der praktischen Ausführung wird eine Kathode neben den Endkappen 30 und 32 der Vorrichtung A dadurch angeschlossen, daß in der Nachbarschaft der Ober­fläche S eine Klemme rund um das Werkstück W gelegt wird. Die besondere Konstruktion zum Anlegen eines Stromes, der durch den festen, ringförmigen Spalt g fließt, ist nicht Teil der Erfindung und kann durch verschiedene elektrische Anschlüsse verwirklicht werden.
  • Im Betrieb wird der elektrische Stromfluß zwischen den Anschlußklemmen 80 und 82 so eingestellt, daß die gewünsch­te Plattierleistung erreicht wird, der zum Erreichen des größten Nutzens der Erfindung extrem hoch ist und minde­stens etwa 2,0 A/"² beträgt. Die Stromdichte kann soweit erhöht werden, wie die von der Pumpe 60 geleistete Durch­flußmenge erhöht werden kann. Die derzeit verfügbaren Pumpen leisten etwa 300 bis 800 Gallonen/Min. und schaffen, wie oben ausge- führt, einen ultrahohen Volumenstrom, um mindestens etwa 200mal/Min. einen Austausch der Elektro­plattierlösung im Spalt g zu erreichen.
  • Die untere Endkappe 30 ist so konstruiert, daß sie eine gleichmäßige Verteilung der Plattierlösung im Spalt g bei den ultrahohen Durchfluß gewährleistet. Infolgedessen werden alle Querschnittsflächen der zylindrischen Anoden­fläche und der Oberfläche S kontinuierlich und gleichförmig mit einer frischen Plattierlösung in innigem, direktem, ununterbrochenem, physischem und elektrischem Oberflächen­kontakt versorgt. Zu diesem Zweck hat die Endkappe 30 eine Nase 100, die eine äußere Umfangsfläche hat, die derart speziell geformt und bemessen ist, daß sie der Kontur 102 der Werkstückes W angepaßt ist. In der Zeichnung hat diese Kontur ringförmige, konzentrische Schultern 104 und 106, die einen Teil der Gesamtform des Werkstückes bilden. Diese Schultern sind mit der Oberfläche S konzentrisch und bestimmen die äußere Umfangsfläche der Nase 100, die für die dargestellte Bohrung geformt ist. Ein zweiter Teil, nämlich eine untere Grundplatte 110 ist an parallelen, sich zur Seite hin erstreckenden Stirnflächen 112 und 114 mit mehreren im Abstand voneinander angeordneten Bolzen 116 angeklemmt, welche die Nase 100 und die Grundplatte 110 zusammenziehen. Ein O-Ring 118 dichtet die inneren Durch­flußöffnungen der Kappe 30 ab. Diese Durchflußöffnungen nehmen die Hochdruckplattierlösung auf, welche mit einem ultrahohen Mengenstrom durch die Zuflußleitung 62 fließt. Die Lösung bewegt sich durch die Kappe 30, wie dies durch die Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist.
  • Die Grundplatte 110 hat eine zentrale Gewindebohrung 120, die das mit Gewinde versehene Ende 122 der Zuführleitung 62 aufnimmt, welches zum Anschluß diese Hochdruckrohres an die Grundplatte 110 dient. Eine konzentrische, zweite Gewindebohrung 130 nimmt das mit Gewinde versehene Ende 132 des starren Tragrohres 52 auf, welches die Vorrichtung A und das Werkstück W in seiner vertikalen Lage trägt.
  • Die Nase 100 ist mit den Grunddurchflußöffnungen der unteren Endkappe 30 versehen und hat eine nach außen gerichtete Schulter 140, die an der konzentrischen Schulter 106 des Werkstückes W anliegt, um die Kappe 30 auszufluch­ten. In einer Ausnehmung 144 der Nase 100 ist ein im Querschnitt rechteckiger O-Ring 142 derart angeordnet, daß sein äußerer kreisförmiger Rand 146 mit der Kante 148 am äußersten Ende des konischen Ausnehmungsteiles 12 derart übereinstimmt, daß der Rand 146 die Außenkante des Plat­tierbereiches der Plattierzelle begrenzt. Die Ränder 146 und 148 können durch Bewegung des Werkstückes W auf der Nase 100 von Hand genau miteinander in Übereinstimmung gebracht werden, bevor die Anode 40 die obere Endkappe 32 in ihrer Lage festklemmt.
  • Zu den inneren Durchflußöffnungen der Kappe 30 gehört eine konzentrische Plenumkammer 150, die einen Durchmesser e und eine Höhe von 1 2
    Figure imgb0001
    " hat. Der Durchmesser e ist etwa ebenso groß wei der Durchmesser a des zylindrischen Teiles 10 der Oberfläche S, so daß ein großes Volumen an Lösung, die aus der Zuführleitung 62 kommt, sich in der Plenumkam­mer 150 sammeln kann, bevor sie aus der Plenumkammer in einen Verteilerraum 160 am oberen, freiliegenden Ende der Nase 100 geleitet wird. Durch die Anordnung einer Plenum­kammer und eines Verteilerraumes kann ein sehr großer Men­genstrom von dem Verteilerraum aus verteilt werden, nach­dem er in der Plenumkammer gleichmäßig unter Druck gesetzt wurde.
  • Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine neuarti­ge Düsenanordnung vorgesehen, um die Lösung aus der unteren Plenumkammer 150 in den oberen Verteilerraum zu bringen. Durch diese Düsenanordnung werden mehrere, voneinander ge­trennte und verschiedene, spiralförmige Ströme von Plat­tierlösung 170 erzeugt, die in Fig. 2 als spiralförmige Pfeile 170 schematisch dargestellt sind. Die Düseneinrich­tung zum Erzeugen dieses spiralförmig gestalteten Durch­flußes durch den Ringspalt g wird von mehreren, in Umfangs­richtung im Abstand voneinander angeordneten Löchern oder Bohrungen 180 erzeugt, von denen acht in einem gleichen Umfangsabstand voneinander dargestellt sind. Diese Löcher sind um einen Winkel von annähernd 30° (in der Praxis 27°) derart gegen die Längsachse geneigt, daß die Flüssigkeits­ ströme 170 in den Spalt g und nicht gegen die Anode 40 oder die Oberfläche S gerichtet sind. Auf diese Weise laufen die Düsenstrahlen oder Ströme der Plattierlösung im wesent­lichen in der Mitte des Spaltes schraubenlinienförmig durch diesen Spalt g, um alles andere zu verhindern, mit Ausnahme des normalen gleichmäßigen Durchflußes von Flüssigkeit längs der Anodenfläche und der zu plattierenden Oberfläche. Die besondere, bevorzugte wendelförmige Ausbilddung der Durchflußkanäle nach der Erfindung erhöht die Oberflächen­geschwindigkeit der Lösung auf einen Wert, der noch größer ist als die von der Pumpe 60 erzeugte Austauschgeschwindig­keit. Die tatsächliche Geschwindigkeit der durch die Plat­tierzelle oder den Spalt strömenden Flüssigkeit wird be­stimmt durch die Entfernung, welche die Lösung zurücklegt und die Zeit, welche die Lösung braucht, um den Spalt zu durchfließen. Die Geschwindigkeit des Durchflusses durch die Zelle ist sogar größer als die ultrahohe Geschwindig­keit der ultrahohen Durchflußmenge im übrigen Bereich. Die Löcher 180 in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben einen Durchmesser von annähernd 1 4
    Figure imgb0002
    ", der schematisch als das Maß f in den Fig. 2 und 4 dargestellt ist.
  • Für den Anschluß der unteren Endkappe 30 an die Anode ist eine zentrale Gewindebohrung 190 vorgesehen, die das mit Gewinde versehene Ende 192 der Anode 40 aufnimmt und das untere Ende der Anode der Vorrichtung A abstützt, wenn die beiden Kappen sich Plattierstellung befinden. Wie dies in Fig. 2 angedeutet ist, bestehen die Nase 100 und die Grund­platte 110 aus einem geeigneten Kunststoffmaterial, welches nicht leitend ist und eine Isolierung zwischen der positi­ven Anode 40 und dem negativ gepolten Werkstück W bildet.
  • Aus den Fig. 2 und 6 geht hervor, daß die obere Endkappe 32 einen im wesentlichen flachen Kunststoffkörper hat, in dem sich eine ringförmige Ausnehmung 204 befindet, in der sich ein nach unten erstreckender, im Querschnitt recht­ eckiger O-Ring 202 befindet, dessen untere Innenkante 206 mit der Außenkante 208 des zu plattierenden, konischen, zurückspringenden Teiles 14 zusammenfällt. Der O-Ring 202 hat die gleiche Funktion wie der O-Ring 142 der unteren Endkappe, so daß diese beiden rechteckigen O-Ringe die äußerste Ausdehnung der im Betrieb der Vorrichtung A zu plattierenden ausgewählten Oberfläche begrenzen.
  • Für den Zusammenbau der beiden Endkappen hat der Körper 200 eine zentrische Mittelöffnung 210, welche den zylin­drischen Schaft 218 der Anode 40 aufnimmt. In der zentri­schen Öffnung 210 ist ein Standard-O-Ring 212 angeordnet, der diese Öffnung gegen den Schaft 218 der Anode abdich­tet, welche in der Öffnung gleiten kann. Am Schaft 218 ist ein oberer Kragen 214 mit einem geeigneten Mittel, bei­speilsweise einer Klemmschraube 216 befestigt.
  • Die Durchflußöffnungen für die Elektroplattierlösung in der oberen Kappe 32 sind so ausgebildet, daß sie alles Gas sammeln, welches sich während des Plattierprozesses bilden kann. Dieses Gas kann durch seinen Auftrieb von der Kappe 30 nach oben in die Kappe 32 gelangen. Damit sich die Flüs­sigkeit nach dem Plattiervorgang sammeln kann und um einen Sammler für jede Art von Gas zu schaffen, das während des Plattierprozesses entsteht, hat der Körper 200 einen sich nach außen erweiternden, konischen, oberen Sammelraum 220 mit einer im wesentlichen ebenen Oberfläche, die sich mit zwei im Abstand voneinander angeordneten Bohrungen 222 und 224 schneidet, welche die mit Gewinde versehenen Nippel 230 und 232 der Abflußleitungen 64 bzw. 66 aufnehmen. Diese Leitungen haben relativ große Querschnitte und müssen sich im Abstand von der Anode 40 befinden. Die Bohrungen 222 und 224 schneiden deshalb nach unten in die konischen Flä­chen 240 und 242 ein und bilden eine schräge Verschneidung mit der konischen Fläche, welche den Hohlraum 220 bildet, wie dies am besten aus den Fig. 2 und 6 hervorgeht. Auf diese Weise wird die durch den Spalt g strömende Lösung in dem Hohlraum 220 gesammelt, der sich in Querrichtung, d.h. in einer zur Bewegungsrichtung auf dem Wege P senk­rechten Richtung erweitert. Hierdurch wird die Geschwin­digkeit der Lösung in dem Hohlraum 220 zur Verteilung auf die beiden Auslaßleitungen 64 und 66 verringert. Dieser sich nach außen erweiternde, die Geschwindigkeit reduzie­rende Teil erlaubt das Sammeln aller Gase, die sich wäh­rend des Plattierprozesses bilden, die Querschnittsvergrö­ßerung der Querschnittsfläche der Fläche 10 hinaus reicht jedoch nicht aus, um die Geschwindigkeit wesentlich zu reduzieren.
  • Beim Zusammenbau der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung A wird das Ende 192 der Anode 40 in die Bohrung 190 der unteren Endkappe 30 eingeschraubt. Das Werkstück W wird dann auf dem quadratischen O-Ring 142 zentriert und so positioniert, daß die Ränder 146 und 148 aufeinanderliegen. Dann wird der Körper 200 über den Schaft 218 der Anode ge­schoben und in eine zentrische Position nach unten geführt, in der die Ränder 206 und 208 aufeinanderliegen. Dann wird der Kragen 214 auf dem Schaft 218 mit der Klemmschraube 216 festgesetzt. Anschließend wird die Anode 40 an ihrem oberen, mehrkantigen Teil 250 gedreht, um durch Einschrau­ben des unteren Endes 192 in die Gewindebohrung 190 der unteren Endkappe 30 die Endkappen zusammenzuklemmen. Danach läßt man ein geeignetes Anodenanschlußteil 252 in das obere Ende der Anode einschnappen und schließt die Anoden- und Kathodenleitungen an. Um den Arbeitsprozeß zu starten, drückt die Pumpe 60 die Plattierlösung durch die Plattier­zelle, wie dies durch die Pfeile in Fig. 2 angedeutet ist, während Strom durch den ringförmigen Spalt g fließt. Der Plattierprozeß dauert so lange an, bis die gewünschte Dicke des aufplattierten Metalles erreicht worden ist.
  • Wendet man sich nun der Fig. 7 zu, so erkennt man die Anode 40, die bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung benutzt wird. Eine standard-platinbeschichtete Titan-Ano­den-Stange ist so bearbeitet, daß sie einen ausgewählten Bereich des Abschnittes 300 aufweist, welcher auf die aus­gewählte Oberfläche S angepaßt ist, die plattiert werden soll. Nach einem Merkmal der Erfindung ist diese Oberfläche 10 zylindrisch. Deshalb ist auch die Oberfläche oder der ausgewählte Teil 300 zylindrisch und hat eine Länge h, die der Länge der zu plattierenden Oberfläche S angepaßt ist. Wenn der Plattierzprozeß eingeleitet wird, bestehen die freiliegenden Teile der Anode 40 mit Ausnahme des Bereiches 300 aus Titan, welches eloxiert ist und deshalb keinen Stromfluß erzeugt. Der Strom fließt deshalb nur von der Oberfläche 300 aus, die an die zu beschichtende Oberfläche S angepaßt ist. Da die Anode 40 bei der einen Ausführungs­form der Erfindung nich verbrauchbar ist, bleibt der Spalt g konstant und ermöglicht einen kontinuierlichen und gleichförmigen Durchfluß durch die Plattierzelle, ohne daß durch Erschöpfung oder Verarmung der Anode Änderungen her­vorgerufen werden.
  • Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer anderen Aus­führungsform der Erfindung. Der Lösungsstrom längs des Weges P durch den Spalt von dem Zuführende F zum Auslaßende D zwischen den Endkappen 30 und 32 wird so gesteuert, daß ein schneller und zwangsweiser Austausch von Plattierlösung im Spalt g erfolgt. Um dies zu bewerkstelligen, ist die Querschnittsfläche oder die Begrenzung der Auslaßleitungen 64 und 66 größer als die Querschnittsfläche oder die Be­grenzung der Zuführleitung 62; die vereinigte Fläche der Austrittsleitungen ist jedoch nicht größer als das Doppelte der Querschnittsfläche der Zuführleitung. Auf diese Weise wird der Lösungsstrom durch die Plattierzelle so gesteuert, daß ein Geschwindigkeitsabfall in der Zelle aufgrund einer Vergrößerung der Querschnittsflächen in dem Strömungsvor­ gang durch die Zelle verhindert wird. Aufgrund der Tat­sache, daß der Auslaßquerschnitt mindestens ebenso groß ist wie der Einlaßquerschnitt, tritt kein Rückstau auf und es gibt keine wesentliche Geschwindigkeitsreduzierung, da der Auslaßquerschnitt nicht größer ist als etwa das Dop­pelte des Einlaßquerschnitts. Dies ist ein anderes Merkmal der Erfindung, welches einen gleichförmigen und kontinu­ierlichen Durchfluß von Plattierlösungen durch den ring­förmigen Spalt g unterstützt.
  • Die Parameter, die in Fig. 2 angegeben sind und weiter oben diskutiert wurden, stellen ein Beispiel der vorliegenden Erfindung da. Hierbei hat die Oberfläche 10 einen Durchmes­ser von 1,62" und der Spalt ist 0,625". In der Praxis liegt dieser Spalt zwischen 0,050 und 2,0". Die Länge der Fläche S beträgt 1,50" und die Stromstärke beträgt ungefähr 30 A. 300 Gallonen einer Nickelsulfamat-Plattierlösung werden pro Stunde durch den Spalt g gepumpt. Die Querschnittsflä­che Ae der Plenumkammer 150 ist ungefähr gleich der Quer­schnittsfläche Aa der Bohrung des Werkstückes, die von der Fläche 10 begrenzt wird; sie ist jedoch größer als die Querschnittsfläche des Spaltes g und wesentlich größer als die Summe der Querschnittsflächen Af der verschiedenen Lö­cher 180, welche die Düsen darstellen. Dieses Beispiel er­möglicht eine Nickelablagerung in der gewünschten Dicke mit einem Plattierzyklus zwischen 2,0 und 6,0 Stunden. Dem­gegenüber würde eine Tankplattierung der gleichen Oberflä­che unter Verwendung von Chrom bis zur gleichen Dicke, wenn sie überhaupt möglich wäre, mehr als drei Tage dauern.
  • Nach der Erfindung beträgt die Austauschgeschwindigkeit der Plattierlösung im Spalt g mindestens 25mal/Min. Dies wird in allgemeiner Form durch die graphische Darstellung in Fig. 9 gezeigt, wo die höchste Stromdichte mit der Aus­tauschgeschwindigkeit anwächst. Dieses Verhältnis definiert einen Betriebsbereich, der auf 10 oder mehr A/"² ansteigt, während die Austauschgeschwindigkeit bis auf 2500mal/Min. sich erhöht. Natürlich ist die im Verfahren verwendete Stromdichte nicht notwendigerweise die maximale Stromdich­te, da andere Verfahrensparameter die exakte Stromdichte bestimmen, die von dem jeweiligen Bedienungsmann für ein bestimmtes, zu bearbeitendes Werkstück gewünscht wird. Die gewünschte Stromdichte kann durch die Größe des Spaltes, durch die Temperatur im Spalt und durch verwandte Parame­ter bestimmte werden, die nicht Teil der vorliegenden Er­findung sind.
  • Nach der Erfindung wird die ultrahohe Durchflußgeschwin­digkeit so eingestellt, daß die Plattierung lediglich durch Verwendung von zwei getrennten Verschlüssen oder Endkappen erreicht werden kann, welche die Plattierzelle begrenzen und daß die Plattierlösung durch den Spalt zwischen Anode und ausgewählter, zu plattierender Oberfläche mit einer so hohen Geschwindigkeit durchgedrückt wird, das hohe Stromdichten möglich werden. In der Praxis ist die Plat­tierlösung eine Nickellösung und vorzugsweise Nickelsul­famat. Die Temperatur im Spalt wird auf einem Wert zwischen 110 und 130° F gehalten.
  • Nach einem Hauptmerkmal der Erfindung ist die Oberfläche 10 zylindrisch und die Umfangsfläche 300 der Anode 40 ist ebenfalls zylindrisch und begrenzt eine nicht verbrauch­bare Anode. Die Plattierlösung ist irgendeine der verschie­denen Plattierlösungen, die bei selektiven Plattierprozes­sen ohne Tank verwendet werden. Chrom wird gewöhnlich bei dieser Verfahrensart nicht eingesetzt. Die normalerweise beim selektiven Plattieren bevorzugten Lösungen sind Nickel, Blei, Kupfer, Eisen, Zinn und Zink. Natürlich könnten auch Edelmetalle verwendet werden; die Erfindung ist jedoch in erster Linie für industrielle Zwecke anwend­bar, welche den Einsatz von Edelmetallen nicht beabsich­tigen. Chrom macht bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung insofern Schwierigkeiten, als die Plattierung sehr langsam durchgeführt werden muß und die durch den raschen Durchfluß erreichten Vorteile beim Chromplattie­ren nicht voll realisiert werden. Chromniederschläge sind spröde und in ihrer Dicke begrenzt, was von der Nützlich­keit der vorliegenden Erfindung ablenkt. In allen Fällen würde Chrom bei Verwendung der vorliegenden Erfindung Schwierigkeiten bereiten und es wird aus diesem Grunde nicht bevorzugt. Einige Merkmale der Erfindung können jedoch auch für ein Chromplattiersystem einen gewissen Vorteil bringen. Nickel wird als das bevorzugte und beste Metall angesehen, das bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung zu verwenden ist.
  • Beim Gebrauch der Vorrichtung A ist der Lösungsstrom auf die zu plattierende Oberfläche und die Anodenoberfläche begrenzt. Es besteht keine Notwendigkeit für eine Lackie­rung oder eine andere isolierende Beschichtung, um eine unerwünschte Plattierung zu verhindern. Das Werkstück W kann verschiedene Formen haben. Durch Bereitstellung des hohen Durchflußvolumens gibt es eine gleichbleibende Lösung/Metall-Grenzfläche an der Anodenoberfläche 300 und der zu plattierenden Oberfläche S. Es gibt kein Flüssig­keitsspritzen der Lösung und keine anderen Hilfseingaben in den Spalt g, die von der Gleichmäßigkeit der rapide in axialer Richtung durch den Spalt fließenden Lösung ablenken können. Ferner nimmt die Neigung zur Gasbildung in der Lö­sung ab und es besteht ein hoher Oberflächendruck zwischen der Lösung einerseits und der Anodenfläche und der zu plat­tierenden Oberfläche S andererseits, so daß ein extrem in­tensiver Flüssigkeit/Metall-Grenzflächenkontakt mit der fließenden Lösung hergestellt wird. Der Spalt g braucht nicht genau kontrolliert zu werden, solange sein Quer­schnitt im wesentlichen gleich bleibt, um die hohe Flächen­druckberührung der axial durch den Spalt strömenden flüs­sigen Lösung nicht zu unterbrechen. Der Spalt sollte keine Bereiche haben, welche die Lösung sammeln oder die Ge­schwindigkeit der Lösung während ihrer Bewegung durch den Spalt herabestzen. Eine solche Geschwindigkeitsverminderung ist beim Tankplattieren allgemein üblich und führt zu einer Stagnation und Akkumulation von schwächerer Plattierlösung, die sich im Kontakt mit bestimmten Teilen der zu plattie­renden Oberfläche befindet.
  • Nach der Erfindung ist die Fließrichtung in vertikaler Richtung nach aufwärts gerichtet, um mit dem Strom irgend­welcher Gasblasen übereinzustimmen, die während des Plat­tiervorganges entstehen. Der Ausdruck "ultrahohes" Volumen, soweit er sich auf das Verhältnis oder die Zirkulation be­zieht, bedeutet mehr als 25 Lösungsaustauschvorgänge im Spalt g pro Minute und vorzugsweise mehr als 200 Austausch­vorgänge pro Minute. Die Anodenkonstruktion nach der Erfin­dung ist geometrisch der zu plattierenden Fläche 10 ange­paßt, zum Unterschied beim Tankplattierverfahren, wo sich die Anode weit weg von der zu plattierenden Fläche befin­det und mit diesem keine echte geometrische Verwandschaft hat. Die Anodenfläche wirkt mit der Oberfläche S zusammen und bildet den Spalt, durch den die Flüssigkeit mit ultra­hoher Geschwindigkeit fließt.
  • Dies ist ein außergewöhnliches Plattierverfahren und ganz verschieden von jeder Tank-oder normalen Spaltplattierung. Durch Verwendung einer unteren Plenumkammer 150 in der Kap­pe 30 wird die einströmende Flüssigkeit gleichmäßig ver­teilt, bevor sie mit hoher Geschwindigkeit die Löcher 180 durchströmt. Dieser Geschwindigkeitswechsel in den Düsen gewährleistet, daß die einzelnen Düsenstrahlen, die von den in Umfangsrichtung im Abstand voneinander angeordne­ten Löchern erzeugt werden, in eine Richtung zwischen der zu plattierenden Oberfläche und der Anodenoberfläche durch den Spalt getrieben werden. Da jeder Düsenstrahl als Wirbel oder Spirale erzeugt wird, steigt die Flüssigkeitsgeschwin­ digkeit im Spalt an, weil die Lösung auf ihrem Weg von der unteren Kappe 30 zur oberen Kappe 32 eine größere Strecke durchläuft.
  • Durch Verwendung der Kappenlösung ist die Wiederholbarkeit von einem Werkstück zum anderen erreicht. Jedes Werkstück könnte natürlich seine eigene, speziell ausgebildete Befe­stigungsvorrichtung haben. Diese Befestigungsvorrichtung mit der Pumpe für die Plattierlösung und die Stromversor­gung dazu sind tragbar. Die Lösung durchläuft ein geschlos­senes System und kann nach einer vorherbestimmten Ge­brauchsdauer periodisch wieder aufgefrischt werden. Mit der Erfindung wird eine gleichförmige Plattierung im ge­samtem Spalt erzielt und es gibt keine Bereiche der Stag­nation, einer erhöhten Temperatur oder geringerer Durch­flußmengen. Dieser Vorteil wird durch die hohen Lösungs-­Austauschraten erzielt, welche in erster Linie durch die Widerstandsfähigkeit und Bauart der Ausrüstung beschränkt werden und 2500 Austauschvorgänge pro Minute erreichen, wie dies graphisch in Fig. 9 dargestellt ist. Die Anode ist so geformt, daß sie mit der ausgewählten, zu plattie­renden Form übereinstimmt, sie ist bei der einen bevorzug­ten Ausführungsform unlöslich, d.h. unverbrauchbar und läßt Strom nur von der ausgewählten Oberfläche, beispielsweise von der in den Fig. 2 und 7 dargestellten Oberfläche 300 abfließen. Auf diese Weise fließt auch ein gleichmäßiger Strom durch den Spalt von der Fläche 300 der Anode zu der zu plattierenden Oberfläche S.

Claims (22)

1. Verfahren zum selektiven Elektroplattieren, bei dem auf einer ausgewählten Oberfläche (S) eines Werkstük­kes (W) Metall angelagert wird, gekenn­zeichnet durch folgende Verfahrens­schritte:
a)Bereitstellen einer Anode (40), welche eine aktive Oberfläche (300) von ausgewählter Gestalt aufweist, die mit der ausgewählten, zu beschichtenden Oberfläche (S) des Werk­stückes (W) einen langgestreckten Spalt (g) von mindestens 0,050" bildet;
b) Unterstützen dieser Anode (40) in einer festgelegten Lage, um den langgestreckten Spalt (g) zu bilden;
c) Hindurchleiten einer Elektroplattier­lösung (170) mit Metallkationen bzw. einer Elektrolyt-Lösung durch den Spalt (g) mit einer so hohen Geschwindigkeit, daß die Lösung im Spalt mindestens 25mal/­Min. bzw. 200mal/Min. ausgetauscht wird und
d) Fließenlassen eines elektrischen Stromes von der aktiven Oberfläche (300) der Anode (40) durch den Spalt zu der aus­gewählten Werkstückoberfläche (s) mit einer Stromdichte von über 2,0 A/"².
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­kennzeichnet, daß als Lösung eine Nickel­plattierlösung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösung eine Nickelsulfamat-Lösung verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­durch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Lösung im Spalt in einem allgemeinen Bereich von 110° - 130° F gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­durch gekennzeichnet,daß die Stromdichte im Bereich von 2 bis 10 A/"² liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­durch gekennzeichnet, daß der Lösungsaustausch im Spalt 200 bis 1000mal/Min. erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­durch gekennzeichnet, daß die Durchflußmenge der Lösung im Spalt so groß ist, daß sie 25 bis 2500mal/Min. ausgetauscht wird.
8. Vorrichtung zum Elektroplattieren, mit der ein Metall auf einer ausgewählten Oberfläche (S) eines Werkstük­kes (W) abgelagert wird, gekennzeichnet durch eine Anode (40), deren aktive Oberfläche (300) in ihrer Form an die ausgewählte Oberfläche (S) des Werkstückes (W) angepaßt ist und mit dieser einen langgestreckten Spalt (g) mit einer Breite von minde­stens 0,050" bildet; Tragvorrichtungen (100, 190, 200) zum Abstützen der Anode (40) in einer festen Lage, um den langgestreckten Spalt (g) abzugrenzen; eine Zirkuliervorrichtung (60, 62, 150, 180, 64, 66, 70), die eine Elektroplattierlösung (170) mit Metall­ kationen in einem in wesentlichen geschlossenen Kreis­lauf mit einer ultrahohen Geschwindigkeit durch den Spalt (g) drückt, um die Elektroplattierlösung im Spalt mindestens 25 bis 200mal pro Minute auszutau­schen und durch Vorrichtungen (80, 82) zum Anlegen eines elektrischen Stromes an die zu beschichtende Werkstückoberfläche (S) und an die aktive Oberfläche (300) der Anode, so daß der Strom durch den Spalt mit einer Stromdichte von über 2,0 A/"² fließt.
9. Vorrichtung zum Elektroplattieren, wobei zwischen einer ausgewählten Oberfläche eines Werkstückes und einer Elektrode rasch Metall ausgetauscht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode eine aktive Oberfläche aufweist, deren ausgewählte Gestalt mit der ausgewählten Oberfläche des zu beschichtenden Werkstückes einen langgestreck ten Spalt von mindestens 0,050" bildet, daß Tragmittel zum Stützen der Elektrode in einer unveränderlichen Stellung vorgesehen sind, um den langgestreckten Spalt zu begrenzen, daß eine Lösung-Zierkuliereinrichtung vorgesehen ist, welche eine Elektrolytlösung in einem im wesentlichen geschlossenen Kreislauf mit einer ultrahohen Geschwindigkeit durch den Spalt drückt, um mindestens 200mal pro Minute einen Lösungsaustausch in dem Spalt zu erreichen und daß Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Stromflußes zwischen der ausgewähl­ten Werkstückoberfläche und der aktiven Oberfläche der Elektrode durch den Spalt hindurch mit einer Stromdichte von über 2,0 A/"² vorgesehen sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Oberfläche (S) eine Zylinderinnenfläche (10) ist und daß der Spalt (g) im Querschnitt im wesentlichen ring­förmig ist und ein erstes, querverlaufendes Ende (12) und ein zweites querverlaufendes Ende (14) aufweist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­durch gekennzeichnet, daß über dem ersten Ende (12) des Spaltes (g) eine erste End­kappe (30) und über dem zweiten Ende (14) des Spaltes (g) eine zweite Endkappe (32) angeordnet ist und daß die beiden Endkappen (30 und 32) die Anode (40) tragen und Durchflußöffnungen (180 bzw. 64, 66) aufweisen, die einen Teil des Weges für den geschlossenen Lösungsmittelkreislauf bilden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da­durch gekennzeichnet, daß der geschlossene Weg (P) sich im Bereich des Spaltes (g) im wesentlichen in vertikaler Aufwärtsrichtung er­streckt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, da­durch gekennzeichnet, daß sich die erste Endkappe (30) am Einlaßende des Spaltes (g) befindet und Durchflußöffnungen aufweist, die aus einem Plattierlösung-Einlaß, einer mit dem Lösungsein­laß in Verbindung stehenden Plenumkammer (150) und aus Düsen (180) besteht, welche mehrere, sich in Axialrichtung erstreckende Ströme der Lösung (170) aus der Plenumkammer (150) in den Spalt (g) leiten.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, da­durch gekennzeichnet, daß die Düsen (180) derart ausgebildet und angeordnet sind, daß sie die einzelnen Axialströme spiralförmig axial durch den Spalt (g) leiten.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, da­durch gekennzeichnet, daß die Düsen (180) zum Erzeugen der einzelnen Flüssigkeits­ströme in Umfangsrichtung im Abstand voneinander um den Spalt (g) angeordnet sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, da­durch gekennzeichnet, daß die zweite Endkappe (32) am Auslaßende des Spaltes (g) angeordnet ist und Durchflußöffnungen aufweist, die aus einem Plattierlösungsauslaß (D), einer Gassammel­plenumkammer (220) und einer Einlaßöffnung bestehen, die mit dem Spalt (g) in Verbindung steht.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, da­durch gekennzeichnet, daß der Plattierlösungsauslaß (D) der zweiten Endkappe (32) ein Durchlaßvolumen aufweist, das mindestens gleich dem Durchsatzvolumen des Lösungsmitteleinlasses (F) der ersten Endkappe (30) und nicht größer als das Doppelte des Durchsatzvolumens des Lösungseinlasses (F) der ersten Endkappe (30) ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, da­durch gekennzeichnet, daß die zu beschichtende Werkstückfläche (S) zylindrisch und der Spalt (g) ringförmig ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18, da­durch gekennzeichnet, daß der Spalt eine Breite von 0,050 bis 2,50" hat.
20. Vorrichtung zum Elektroplattieren, wobei ein Metall auf einer ausgewählten Oberfläche (S) eines Werkstük­kes (W) rasch abgelagert wird, gekennzeich­net durch eine nicht verbrauchbare Anode (40) mit einer aktiven Oberfläche (300), die eine aus­gewählte Form aufweist, welche der ausgewählten Ober­ fläche (S) des Werkstückes (W) angepaßt ist, um einen langgestreckten Spalt (g) zu bilden; Tragvorrichtungen (30, 32) zum Abstützen der Anode (40) in einer unver­rückbaren Lage, um den langgestreckten Spalt (g) zu bilden; Mittel zum Drücken einer Elektroplattierlösung mit Metallkationen durch den Spalt (g) mit einer Ge­schwindigkeit, daß die Elektroplattierlösung im Spalt (g) mindestens 25mal pro Minute ausgetauscht wird; Mittel zum Überleiten eines elektrischen Stromes zwi­schen der ausgewählten Werkstückoberfläche (S) und der aktiven Fläche (300) der Anode (40) durch den Spalt (g) mit einer Stromdichte von über 2,0 A/"² und durch eine Anode, die aus einem nicht-anodischen Basismetall und aus einem äußeren anodischen Überzug besteht und deren ausgewählte aktive Oberfläche (300) dadurch geschaffen ist, daß der äußere Überzug von dem Anodenbasismetall mit Ausnahme der ausgewählten Oberfläche entfernt ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 20, da­durch gekennzeichnet, daß der Überzug Platin ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 21, da­durch gekennzeichnet, daß das Basismetall der Anode Titan ist.
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