EP0335277B1 - Method and apparatus for selective electroplating - Google Patents

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EP0335277B1
EP0335277B1 EP89105309A EP89105309A EP0335277B1 EP 0335277 B1 EP0335277 B1 EP 0335277B1 EP 89105309 A EP89105309 A EP 89105309A EP 89105309 A EP89105309 A EP 89105309A EP 0335277 B1 EP0335277 B1 EP 0335277B1
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EP
European Patent Office
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gap
anode
workpiece
solution
plating
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP89105309A
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German (de)
French (fr)
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EP0335277A1 (en
Inventor
Gary W. Smith
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Sifco Industries Inc
Original Assignee
Sifco Industries Inc
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Filing date
Publication date
Application filed by Sifco Industries Inc filed Critical Sifco Industries Inc
Publication of EP0335277A1 publication Critical patent/EP0335277A1/en
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Publication of EP0335277B1 publication Critical patent/EP0335277B1/en
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D7/00Electroplating characterised by the article coated
    • C25D7/04Tubes; Rings; Hollow bodies
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/02Electroplating of selected surface areas
    • C25D5/026Electroplating of selected surface areas using locally applied jets of electrolyte
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/08Electroplating with moving electrolyte e.g. jet electroplating
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/67Electroplating to repair workpiece

Definitions

  • the invention relates to a method for electroplating a selected surface of a workpiece, in which an electroplating solution with metal cations or an electrolyte solution is passed at high flow rate through an elongated gap which is delimited by an anode and the surface of the workpiece to be plated and by one electrical current with a current density of more than 0.3 A / cm2 is traversed from the anode to the workpiece surface.
  • the invention further relates to a device for electroplating a selected surface of a workpiece by the method according to the invention, with supporting devices which support the workpiece and the anode in such a way that an elongated gap is formed between the anode and the surface of the workpiece to be plated, with a pump, which electroplating solution presses longitudinally through the gap with a high flow velocity and with an electrical plating current source connected to the workpiece and to the anode, which generates an electrical current with a current density of more than 0.3 A / cm 2 across the gap from the anode can flow to the workpiece.
  • the invention In contrast to tank or bath plating, in which a remotely located, consumable or non-usable 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 be protected in some other way 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 more 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.
  • gap plating has been known for a few years.
  • the jigs for these processes were relatively expensive and the work results were not uniform. especially in the case of elongated, generally inaccessible bores in complex workpieces.
  • tank plating or brush plating has often been carried out for the repair and reconstruction of oversized bores in various workpieces.
  • the tank plating is extremely slow and does not deliver uniform results on selected areas without extensive, expensive masking.
  • the success of brush plating depends largely on the experience of the worker and can only be used on very special, exposed surfaces.
  • chromium from container plating is not entirely satisfactory for the repair of workpieces, ie for plating the inner 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 chromium is deposited because the efficiency decreases rapidly as the current density increases.
  • the plating method and apparatus according to the invention have been created to achieve substantial advantages over special plating for a specific application, which involves plating selective surfaces while the workpiece itself does not require special treatment, and in which 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 anodically active surface part of a selected shape, which together with the selected surface shape of the workpiece has an elongated gap of at least 1.27 mm (0.050 ").
  • the electroplating device has a support which fixes this anode in a position to form the elongated gap.
  • a circulating device which in an essentially closed circuit at a speed through the gap, an electroplating solution loaded with metal ions urges that the electroplating solution in the gap be replaced at least 25 times per minute, and a current source is provided to provide a current between the selected workpiece area and the active area of the anode with a current density greater than 0.31 A / cm2 (2.0 A / "2) to flow.
  • 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 face of the gap to its second face at an ultra high volume exchange rate.
  • the volume exchange rate through the gap can be referred to as "ultra high speed” or “high speed flow rate” because the volume exchange rate or liquid exchange through the gap is greater than before.
  • the volume exchange rate is preferably on the order of 200 to 1000 times exchange of solution in the gap per minute.
  • the ultra high fluid exchange rate can be up to 2500 times per minute, being limited only by the equipment and available pumps.
  • this ultra-high volume flow ensures the separation of gas bubbles, the maintenance of the low temperature and the high contact pressure of the solution on the anode surface and the workpiece surfaces.
  • which forms the plating cell is at least 1.27 mm (0.050 ") and preferably between 12.7 mm and 25.4 mm (0.50 and 1.0"). Gap widths that exceed 63 mm (2.5 ") can be used in the method according to the invention if the flow volume is increased.
  • 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 with controlled temperature is available in all cross-sectional areas of the gap for a 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 that 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 volume exchange 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 0.31 A / cm2 (2.0 A / "2) can be used, so that the plating speed is increased significantly and the plating time decreases, thereby reducing 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 throughout the gap.
  • a device A is shown according to the invention, which is used to apply a uniform layer 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 on 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 sleeve 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 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 may be somewhat lower than that with low current densities, such as less than 0.15 A / cm2 (1, 0 A / "2) is reached.
  • 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 0.31 A / cm2 (2.0 A / "2) to reduce the plating time is necessary to achieve a predetermined metal thickness up to a size over 1.27 mm (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 resulting nickel plating is uniform, forgeable and smooth and can be made thicker than a chrome plating, which can get microfine cracks with increasing thickness.
  • device A can make errors in a complex workpiece in a relatively short time. Repair, eliminate or correct 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, reprocessing often cost more than a new forging, reprocessing was often impossible, or chucks could be severely damaged by immersion in tank plating solutions, especially if the masking was not done properly .
  • 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 foot carries an upward, rigid metal tube 52 which connects the support foot 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 0.315 - 0.74 l / s (600 - 700 gallons / h) of liquid 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 rate allows nickel to deposit on the surface S from the plating solution if a current density above 0.31 A / cm2 (2.0 A / "2) is used.
  • the current density is increased to at least approximately 1.6 A / cm2 (10.0 A / "2) 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 has so far required approximately three days, if at all, when plating using the tank plating system.
  • 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 stream 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 particular 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 at least about 0.31 A / cm2 (2.0 A / "2
  • the current density can be increased as much as the flow rate provided by the pump 60 can be increased.
  • the currently available pumps deliver approximately 18.9-50.5 l / s (300 to 800 gallons / min.) and as stated above, an ultra-high volume flow in order to achieve an exchange of the electroplating solution in the gap g at least about 200 times / min.
  • 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 shaped and dimensioned in such a way that it conforms 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 chamber 150, which has a diameter e and a height of 12.7 mm (1 ⁇ 2 ").
  • 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 feed line 62 can collect in the plenum 150 before it is led from the plenum into a distribution space 160 at the upper, exposed end of the nose 100.
  • a plenum and of a distribution room By the arrangement of a plenum and of a distribution room, a very large volume flow can be distributed from the distribution room after it has been evenly pressurized in the plenum chamber.
  • 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 producing 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.
  • These holes are inclined at an angle of approximately 30 ° (in practice 27 °) against the longitudinal axis in such a way that the liquid flows 170 in the gap g and are not directed against the anode 40 or the surface S.
  • the jets or streams of the plating solution helically traverse this gap g substantially in the center of the gap to prevent everything else except for the normal, uniform flow of liquid along the anode surface and the surface to be plated.
  • the particular, preferred helical configuration of the flow channels according to the invention increases the surface speed of the solution to a value which is even greater than the exchange speed generated by the pump 60.
  • the actual velocity of the liquid flowing through the plating cell or gap is determined by the distance the solution travels and the time it takes for the solution to flow through the gap.
  • the rate of flow through the cell is even greater than the ultra high speed of the ultra high flow rate in the rest of the range.
  • the holes 180 in the preferred embodiment of the invention have a diameter of approximately 6.35 mm (1 ⁇ 2 "), which is schematically shown as the dimension f in Figs. 2 and 4.
  • a central threaded bore 190 is provided for connecting the lower end cap 30 to the anode, 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 not 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, cross-sectionally rectangular 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 reach cap 32 from cap 30 upwards.
  • 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 holes 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 then slid over the shaft 218 of the anode and guided down into 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.
  • FIG. 7 one sees the anode 40 used in the preferred embodiment of the invention.
  • 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 with the exception of the region 300, are made of titanium, which is anodized and therefore does not generate current flow. The current therefore flows only 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 illustration 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 solution flow through the plating cell is controlled so that a rate drop in the cell due to an increase in cross-sectional areas in the flow process is prevented by the cell.
  • 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 approximately twice the inlet cross-section.
  • This is another feature of the invention which supports a uniform and continuous flow of plating solutions through the annular gap g .
  • the surface 10 has a diameter of 41.2 mm (1.62 ") and the gap is 15.875 mm (0.625"). In practice, this gap is between 1.27 mm and 51 mm (0.050 and 2.0 ").
  • the length of the area S is 38 mm (1.50") and the current is approximately 30 A. 1135 liters (300 gallons) one 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 exchange rate. This ratio defines an operating range that increases to 1.55 or more A / cm2 (10 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 that are not part of the present invention.
  • the ultra-high flow rate is adjusted so that plating can only be achieved 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 43 and 55 ° C (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 using the present invention and is therefore not preferred. However, some features of the invention can also 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 produced 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 reduce 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 coincide with 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 durability and design of the equipment and reach 2500 exchanges per minute, as shown graphically 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

An electroplating apparatus for rapidly depositing a metal onto a selected surface of a workpiece, which apparatus comprises an anode having an active surface with a selected shape to combine with the selected surface of the workpiece to define an elongated gap of at least about 0.050 inches, means for supporting this anode in a fixed position to define the elongated gap; solution circulating means for forcing an electroplating solution with metal cations through the gap in a generally closed path at a velocity to exchange electroplating solution in the gap at a rate of at least 25 times per minute; and, means for applying current flow between the selected workpiece surface and the active surface of the anode through the gap at a current density in excess of 2.0 amperes/in2. The invention also involves the method of using this apparatus to rapidly deposit metal, such as nickel, onto the inner cylindrical surface of a bore on a complex part such as an aircraft landing gear forging.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Elektroplattieren einer ausgewählten Oberfläche eines Werkstücks, bei dem eine Elektroplattierlösung mit Metallkationen bzw. eine Elektrolyt-Lösung mit großer Fließgeschwindigkeit durch einen langgestreckten Spalt geleitet wird, der von einer Anode und der zu plattierenden Oberfläche des Werkstücks begrenzt und von einem elektrischen Strom mit einer Stromdichte von mehr als 0,3 A/cm² von der Anode zur Werkstückoberfläche quer durchflossen wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Elektroplattieren einer ausgewählten Oberfläche eines Werkstücks nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, mit Tragvorrichtungen, die das Werkstück und die Anode derart abstützen, daß zwischen Anode und der zu plattierenden Oberfläche des Werkstücks ein langgestreckter Spalt gebildet wird, mit einer Pumpe, welche Elektroplattier-Lösung mit großer Fließgeschwindigkeit in Längsrichtung durch den Spalt drückt und mit einer an das Werkstück und an die Anode angeschlossenen elektrischen Plattierstromquelle, die einen elektrischen Strom mit einer Stromdichte von mehr als 0,3 A/cm² quer durch den Spalt von der Anode zum Werkstück fließen läßt.The invention relates to a method for electroplating a selected surface of a workpiece, in which an electroplating solution with metal cations or an electrolyte solution is passed at high flow rate through an elongated gap which is delimited by an anode and the surface of the workpiece to be plated and by one electrical current with a current density of more than 0.3 A / cm² is traversed from the anode to the workpiece surface. The invention further relates to a device for electroplating a selected surface of a workpiece by the method according to the invention, with supporting devices which support the workpiece and the anode in such a way that an elongated gap is formed between the anode and the surface of the workpiece to be plated, with a pump, which electroplating solution presses longitudinally through the gap with a high flow velocity and with an electrical plating current source connected to the workpiece and to the anode, which generates an electrical current with a current density of more than 0.3 A / cm 2 across the gap from the anode can flow to the workpiece.

Aus dem "Electroplating Engineering Handbook" (herausgegeben von L.J. Durney, 4. Aufl., van Nostrand Reinhold Company, New York, 1984) ist es bekannt, Stahlbänder od. dgl. mit hoher Geschwindigkeit zu plattieren, wobei hohe Stromdichten von über 0,3 A/cm² und große Relativgeschwindigkeiten von über 1 Meter pro Sekunde zwischen der Plattierlösung und der Kathode verwendet werden, um z.B. beim Tauch- oder Badplattieren eines Werkstücks hohe Ablagerungsraten zu erzielen. Diese Entgegenhaltung beschreibt lediglich das schnelle, vollständige Plattieren von vergleichsweise einfachen Bauteilen wie Stahlbändern, Kolbenringen u.ä..From the "Electroplating Engineering Handbook" (published by LJ Durney, 4th ed., Van Nostrand Reinhold Company, New York, 1984), it is known to plate steel strips or the like at high speed, with high current densities of over 0, 3 A / cm² and large relative speeds of over 1 meter per second between the plating solution and the cathode can be used, for example achieve high deposition rates when dipping or bath plating a workpiece. This citation only describes the quick, complete plating of comparatively simple components such as steel strips, piston rings and the like.

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 Werkstückes 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 Weise 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 plattierende 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.In contrast to tank or bath plating, in which a remotely located, consumable or non-usable anode is placed in a container together with a workpiece to be treated, the invention relates to gap electroplating. In bath plating, the metal is deposited on all surfaces of the workpiece that are in the tank using electrolysis technology. 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 be protected in some other way 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. The current flows between the anode and the cathode through a predetermined gap, which results from the geometry of the anode surface, insofar as it contacts the surface to be plated Workpiece surface is adjusted. 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.

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 derjenigen 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 Werkstückes 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.Closed loop gap electroplating, as is the subject of the present invention, is more 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. To prevent the rest of the workpiece from being plated, 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.

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 Dicke von über 1,27 mm (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.The process of gap plating has been known for a few years. However, the jigs for these processes were relatively expensive and the work results were not uniform. especially in the case of elongated, generally inaccessible bores in complex workpieces. For this reason, tank plating or brush plating has often been carried out for the repair and reconstruction of oversized bores in various workpieces. The tank plating is extremely slow and does not deliver uniform results on selected areas without extensive, expensive masking. The success of brush plating depends largely on the experience of the worker and can only be used on very special, exposed surfaces. There is therefore a real need for a plating system that can be used to uniformly apply plating to various thicknesses of more than one workpiece, such as a forged part of an aircraft chassis, to a substantial thickness of over 1.27 mm (0.050 ") it is essential that such a plating process can be carried out quickly and with low set-up costs by persons with average experience.

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 übergroße 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 Platterzeiten. Höhere Stromdichten zum Verringern dieser Plattierzeit erhöhen die Geschwindigkeit, mit der Chrom abgelagert wird, nicht wesentlich, weil der Wirkungsgrad bei erhöhter Stromdichte rapide sinkt.There was also a need to clad in somewhat inaccessible locations on a large workpiece to create a very wear-resistant lubricant surface of substantial thickness to recover complex workpieces, such as forgings, where only certain surfaces were worn beyond acceptable tolerances. Chromium cannot always be used to meet these requirements because of the microscopic cracks in the thickness required to make an oversized bore within acceptable tolerances occur. Even if chrome is mostly used for the recovery or repair of worn parts of complex workpieces, chrome is not always an optimal material. In addition, the tank plating of such surfaces with chrome is not universally applicable. This is particularly the case when repairing holes that have become too large in steel forgings of the highest strength (240 KSI or larger), as are used in spacecraft and aircraft parts. In view of these limitations and requirements, chromium from container plating is not entirely satisfactory for the repair of workpieces, ie for plating the inner surface of a bore in a high strength steel forging. Furthermore, 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 chromium is deposited because the efficiency decreases rapidly as the current density increases.

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.Even if the tank plating of chrome on surfaces of a complex workpiece has been used to repair, recover or measure surfaces, this method is not completely satisfactory. In fact, in some cases it cannot be carried out effectively. Tank plating with nickel is also difficult and expensive as a repair, recovery or calibration process.

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 benötigt 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.In view of the many experienced difficulties when trying to repair worn or oversized bores in complex workpieces, such as high-strength steel forgings for chassis, a plating process was developed that does not require chromium and that does not require a lot of capital and long Coating times and can be carried out without specially trained personnel, as is the case with the commonly known tank plating process.

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.The plating method and apparatus according to the invention have been created to achieve substantial advantages over special plating for a specific application, which involves plating selective surfaces while the workpiece itself does not require special treatment, and in which the long coating time which is required when tank plating is not required. With the method and apparatus of the invention, 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.

Mit der Erfindung wird eine Elektroplattiervorrichtung zum raschen Niederschlagen eines Metalles auf einer ausgewählten Fläche des Werkstückes bereitgestellt, die eine Anode mit einem anodisch aktiven Oberflächnenteil ausgewählter Gestalt aufweist, die zusammen mit der ausgewählten Flächengestalt des Werkstückes einen länglichen Spalt von mindestens 1,27 mm (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 0,31 A/cm² (2,0 A/"²) fließen zu lassen.The invention provides an electroplating device for rapidly depositing a metal on a selected surface of the workpiece, which has an anode with an anodically active surface part of a selected shape, which together with the selected surface shape of the workpiece has an elongated gap of at least 1.27 mm (0.050 "). In addition, the electroplating device has a support which fixes this anode in a position to form the elongated gap. Furthermore, a circulating device is provided which in an essentially closed circuit at a speed through the gap, an electroplating solution loaded with metal ions urges that the electroplating solution in the gap be replaced at least 25 times per minute, and a current source is provided to provide a current between the selected workpiece area and the active area of the anode with a current density greater than 0.31 A / cm² (2.0 A / "²) to flow.

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 Volumenaustauschgeschwindigkeit von dem ersten Stirnende des Spaltes zu dessen zweitem Stirnende gedrückt.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 face of the gap to its second face at an ultra high volume exchange rate.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Anode eine nicht verbrauchbare Anode ist und die Plattierlösung aus Nickel-Sulfamat besteht. Die Volumenaustauschgeschwindigkeit durch den Spalt kann als "Ultrahochgeschwindigkeit" oder "Hochgeschwindigkeitsdurchfluß" bezeichnet werden, da die Volumenaustauschgeschwindigkeit oder der Flüssigkeitsaustausch durch den Spalt größer ist als bisher. Vorzugsweise liegt die Volumenaustauschgeschwindigkeit in der Größenordnung von 200 bis 1000mal Austausch von Lösung im Spalt pro Minute. Die ultrahohe Flüssigkeitsaustauschgeschwindigkeit kann bis zu 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 0,31 A/cm² (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 1,27 mm (0,050") und vorzugsweise zwischen 12,7 mm und 25,4 mm (0,50 und 1,0"). Spaltbreiten, die über 63 mm (2,5") erreichen, können bei dem Verfahren nach der Erfindung verwendet werden, wenn das Durchflußvolumen erhöht wird.It is particularly expedient if the anode is a non-consumable anode and the plating solution consists of nickel sulfamate. The volume exchange rate through the gap can be referred to as "ultra high speed" or "high speed flow rate" because the volume exchange rate or liquid exchange through the gap is greater than before. The volume exchange rate is preferably on the order of 200 to 1000 times exchange of solution in the gap per minute. The ultra high fluid exchange rate can be up to 2500 times per minute, being limited only by the equipment and available pumps. Using such an ultra high volume exchange rate, current densities in excess of 0.31 A / cm² (2.0 A / "2) can be used between the matched surfaces of the anode and workpiece without overheating or in any way reducing the electroplating solution To influence the uniformity of the plating solution as it flows from one end of the gap to the other, this ultra-high volume flow ensures the separation of gas bubbles, the maintenance of the low temperature and the high contact pressure of the solution on the anode surface and the workpiece surfaces. which forms the plating cell is at least 1.27 mm (0.050 ") and preferably between 12.7 mm and 25.4 mm (0.50 and 1.0"). Gap widths that exceed 63 mm (2.5 ") can be used in the method according to the invention if the flow volume is increased.

Nach der Erfindung wird zwischen der ausgewählten Fläche einer feststehenden Anode und der ausgewählten, zu plattierenden Fläche ein Spalt geschaffen. Dieser Spalt steuert den Lösungsstrom 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.According to the invention, 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. In any case, a fresh, unused plating solution with controlled temperature is available in all cross-sectional areas of the gap for a uniform plating, which exerts a high contact pressure on the surfaces delimiting the gap. In practice, the plating solution is pushed vertically upwards, so that all gas that develops in the gap during electrolysis migrates upwards and is expelled in the same direction as the plating solution.

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.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.

Hauptziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spaltplattierung anzugeben, welches ultrahohe Volumenaustauschgeschwindigkeiten oder Duchflußmengen 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.The primary object of the invention is to provide a gap plating method and apparatus which uses ultra high volume exchange 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.

Wie oben dargelegt, hat die Erfindung den Vorteil, daß Stromdichten verwendet werden können,die 0,31 A/cm² (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.As stated above, the invention has the advantage that current densities exceeding 0.31 A / cm² (2.0 A / "²) can be used, so that the plating speed is increased significantly and the plating time decreases, thereby reducing application previously in a tank over three days lasted, can now go on in less than two to four hours.

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 kann, ohne die Veränderungen, die durch die Grenzen der Handfertigkeit verursacht werden.With the invention it is possible to deposit a thick metal layer on a selected surface of a workpiece quickly and uniformly over the entire surface in such a way that the process can be repeated from one workpiece to another without the changes caused by the limits of manual work.

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.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.

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.According to a further feature of the invention, a swirling flow of the plating solution through the annular gap is used where the flow is generated by the plating solution itself.

Ein 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.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 throughout the gap.

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 bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung zeigt und
Fig. 9
eine graphische Darstellung, welche einen Betriebsparameter erläutert, der durch Verwendung der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description and the drawings, in which preferred embodiments of the device according to the invention and the method carried out with it are explained. It shows:
Fig. 1
a preferred embodiment of the device according to the invention when used on a special workpiece in a side view and partly in longitudinal section,
Fig. 2
1 in section on an enlarged scale, certain dimensions and parameters corresponding to an embodiment of the invention,
Fig. 3
2 in a cross section along line 3-3,
Fig. 4
3 in a section along line 4-4,
Fig. 5
2 in a cross section along line 5-5,
Fig. 6
2 in a cross section along line 6-6,
Fig. 7
the anode used in the preferred embodiment according to the invention in a side view,
Fig. 8
is a schematic representation showing certain flow characteristics of the preferred embodiment according to the invention and
Fig. 9
FIG. 4 is a graphical illustration explaining an operating parameter obtained by using the present invention.

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 verwendet 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 Außenfläche, 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. Außerdem kann Chrom in einer größeren Dicke wiebeispielsweise 1,27 mm (0,050"), nicht leicht plattiert werden. Es ist deshalb vorteilhaft, bei dieser dargestellten Applikation auf der Oberfläche S eine Nickelbeschichtung aufzubringen.In Fig. 1, a device A is shown according to the invention, which is used to apply a uniform layer 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. For simplification, these three parts of the surface to be selectively plated are referred to below as "surface S". Although 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. In the practice of the invention, the selectively plated surface S is generally cylindrical, as shown on 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 sleeve 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. In order to plate only the surface S, a considerable amount of fastening and masking would be necessary if a tank plating process is used. In addition, in the Past usually chrome plated on the S surface. However, if chrome is plated on a selective surface, it takes a considerable amount of plating time. An increased current density does not significantly increase the efficiency and the deposition rate of chromium in a tank or even with a modified tank plating system. In addition, chromium cannot be easily plated in a larger thickness, for example 1.27 mm (0.050 "). It is therefore advantageous to apply a nickel coating to the surface S in the application shown.

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 0,15 A/cm² (1,0 A/"²) erreicht wird.The present invention now provides a method in which the current density can be increased drastically in a plating process to increase the rate of deposition of a material such as nickel on the surface S. Here, the preferred material deposits at a rate that increases significantly with increasing current density, even if the efficiency may be somewhat lower than that with low current densities, such as less than 0.15 A / cm² (1, 0 A / "²) is reached.

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 0,31 A/cm²(2,0 A/"²) verwendet, um die Plattierzeit zu verringern, die notwendig ist, um eine vorherbestimmte Metalldicke bis zu einer Größe über 1,27 mm (0,050") zu erreichen. 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 mehr 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 erhalten kann. Zusammengefaßt kann bei Verwendung der Erfindung die Vorrichtung A Fehler in einem komplexen Werkstück in relativ kurzer. 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 Schmedestücke durch Eintauchen in Tankplattierlösungen schwer beschädigt werden konnten, insbesondere dann, wenn die Maskierung nicht ordentlich ausgeführt worden war. Mit der Erfindung kann die gleiche Bohrung in ähnlichen Schmiedestücken mit der gleichen Vorrichtung ohne neue Justierung plattiert werden.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 0.31 A / cm² (2.0 A / "²) to reduce the plating time is necessary to achieve a predetermined metal thickness up to a size over 1.27 mm (0.050 "). In the invention, 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. In fact, in many cases, internal bores in such forgings are initially oversized so that a metal plating layer can be applied to the surface to provide good corrosion resistance, better wear resistance, and a finer surface. In the past, a tank or a modified tank was commonly used in this recovery or assembly process, with chrome or chrome and nickel layers being applied to the inner surfaces of the holes in the forging. This process was more time-consuming and it often took three days to plate in the tank the particular surface S which is the subject of the embodiment shown in FIG. 1. If the device A is used with the invention, a nickel coating is produced on the surface S to the same depth and with better uniformity in less than six hours and generally between two and six hours. The resulting nickel plating is uniform, forgeable and smooth and can be made thicker than a chrome plating, which can get microfine cracks with increasing thickness. In summary, when using the invention, device A can make errors in a complex workpiece in a relatively short time. Repair, eliminate or correct 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, reprocessing often cost more than a new forging, reprocessing was often impossible, or chucks could be severely damaged by immersion in tank plating solutions, especially if the masking was not done properly . With the invention, the same hole in Similar forgings can be plated with the same device without new adjustment.

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 Oberfläche S. Die Endkappen sind zusammmengeklemmt 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.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. In order to hold the workpiece W and the two clamped end caps 30 and 32 in an immovable position, a suitable fastening device is provided, which is shown as a support foot 50. This support foot carries an upward, rigid metal tube 52 which connects the support foot 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.

Bei der dargestellten Ausführungsform pumpt die Flüssigkeitspumpe 60 0,315 - 0,74 l/s (600 - 700 Gallonen/h) Flüssigkeit 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 0,31 A/cm²(2,0 A/"²)verwendet wird. Da die Durchflußmenge oder Fließgeschwindigkeit wächst, kann auch die Stromdichte mindestens auf annähernd 1,6 A/cm²(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, wenn er überhaupt erreichbar war.In the illustrated embodiment, the liquid pump 60 pumps 0.315 - 0.74 l / s (600 - 700 gallons / h) of liquid 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. According to the invention, 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 rate allows nickel to deposit on the surface S from the plating solution if a current density above 0.31 A / cm² (2.0 A / "²) is used. As the flow rate or flow rate increases, so too the current density is increased to at least approximately 1.6 A / cm² (10.0 A / "²) 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 has so far required approximately three days, if at all, when plating using the tank plating system.

Um den ultragroßen Volumenstrom oder den ultrahohen Fluiddurchfluß durch den geschlossenen Umlauf P zu drücken, fördert die Pumpe 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 order to force the ultra-large volume flow or ultra-high fluid flow through the closed circuit P, 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 stream 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. By using two diametrically spaced outflow lines 64 and 66, 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.

In Übereinstimmung mit der Standardausführung wird Gleichstrom von einer üblichen, 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.In accordance with the standard design, direct current is passed through the annular gap g from a conventional portable plating power source. Here, an anode terminal 80 is connected to the anode 40 and a cathode terminal 82 to the workpiece or forging W. In the practical embodiment, 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 particular 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.

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 0,31 A/cm² (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 18,9 - 50,5 l/s(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.In operation, 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 at least about 0.31 A / cm² (2.0 A / "² The current density can be increased as much as the flow rate provided by the pump 60 can be increased. The currently available pumps deliver approximately 18.9-50.5 l / s (300 to 800 gallons / min.) and as stated above, an ultra-high volume flow in order to achieve an exchange of the electroplating solution in the gap g at least about 200 times / min.

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 des 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.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. For this purpose, the end cap 30 has a nose 100 which has an outer peripheral surface which is shaped and dimensioned in such a way that it conforms 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.

Die Grundplatte 110 hat eine zentrale Gewindebohrung 120, die das mit Gewinde versehene Ende 122 der Zuführleitung 62 aufnimmt, welches zum Anschluß dieses 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.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.

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.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. In a recess 144 of the nose 100 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.

Zu den inneren Durchflußöffnungen der Kappe 30 gehört eine konzentrische Plenumkammer 150, die einen Durchmesser e und eine Höhe von 12,7mm(¹/₂")hat. Der Durchmesser e ist etwa ebenso groß wie 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.The inner flow openings of the cap 30 include a concentric plenum chamber 150, which has a diameter e and a height of 12.7 mm (½ "). 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 feed line 62 can collect in the plenum 150 before it is led from the plenum into a distribution space 160 at the upper, exposed end of the nose 100. By the arrangement of a plenum and of a distribution room, a very large volume flow can be distributed from the distribution room after it has been evenly pressurized in the plenum chamber.

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 Flüssigkeitsströme 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 Ausbildung 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 6,35mm (¹/₄"),der schematisch als das Maß f in den Fig. 2 und 4 dargestellt ist.According to a further feature of the invention, 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 producing 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. These holes are inclined at an angle of approximately 30 ° (in practice 27 °) against the longitudinal axis in such a way that the liquid flows 170 in the gap g and are not directed against the anode 40 or the surface S. In this way, the jets or streams of the plating solution helically traverse this gap g substantially in the center of the gap to prevent everything else except for the normal, uniform flow of liquid along the anode surface and the surface to be plated. The particular, preferred helical configuration of the flow channels according to the invention increases the surface speed of the solution to a value which is even greater than the exchange speed generated by the pump 60. The actual velocity of the liquid flowing through the plating cell or gap is determined by the distance the solution travels and the time it takes for the solution to flow through the gap. The rate of flow through the cell is even greater than the ultra high speed of the ultra high flow rate in the rest of the range. The holes 180 in the preferred embodiment of the invention have a diameter of approximately 6.35 mm (½ "), which is schematically shown as the dimension f in Figs. 2 and 4.

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 in 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.A central threaded bore 190 is provided for connecting the lower end cap 30 to the anode, 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. As indicated in FIG. 2, the nose 100 and the base plate 110 consist of a suitable plastic material which is not conductive and forms an insulation between the positive anode 40 and the negatively polarized workpiece W.

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 rechteckiger 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.2 and 6 that the upper end cap 32 has a substantially flat plastic body in which there is an annular recess 204 in which a downwardly extending, cross-sectionally rectangular 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.

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, beispielsweise einer Klemmschraube 216 befestigt.For the assembly of the two end caps, 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.

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.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 reach cap 32 from cap 30 upwards. In order for the liquid to collect after the plating process and to create a collector for any type of gas generated during the plating process, 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 holes 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. On in this way 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 reduces the speed of the solution in the cavity 220 for distribution to the two outlet lines 64 and 66. 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.

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.When assembling device A shown in FIG. 2, 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 then slid over the shaft 218 of the anode and guided down into a central position in which the edges 206 and 208 lie one on top of the other. Then 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. To start the work process, 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.

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 Plattierprozeß eingeleitet wird, bestehen die freiliegenden Teile der Anode 40 mit Ausnahme des Bereiches 300 aus Titan, welchem 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 nicht 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.Turning now to FIG. 7, one sees the anode 40 used in the preferred embodiment of the invention. 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. According to a feature of the invention, 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. When the plating process is initiated, the exposed parts of the anode 40, with the exception of the region 300, are made of titanium, which is anodized and therefore does not generate current flow. The current therefore flows only 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 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 Strömungsvorgang 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.Figure 8 is a schematic illustration 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. In order to accomplish this, 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 solution flow through the plating cell is controlled so that a rate drop in the cell due to an increase in cross-sectional areas in the flow process is prevented by the cell. Due to the fact that the 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 approximately twice the inlet cross-section. This is another feature of the invention which supports a uniform and continuous flow of plating solutions through the annular gap g .

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 41,2 mm (1,62") und der Spalt ist 15,875 mm (0,625"). In der Praxis liegt dieser Spalt zwischen 1,27 mm und 51mm (0,050 und 2,0"). Die Länge der Fläche S beträgt 38mm(1,50") und die Stromstärke beträgt ungefähr 30 A. 1135 Liter (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.The parameters given in Figure 2 and discussed above represent an example of the present invention. The surface 10 has a diameter of 41.2 mm (1.62 ") and the gap is 15.875 mm (0.625"). In practice, this gap is between 1.27 mm and 51 mm (0.050 and 2.0 "). The length of the area S is 38 mm (1.50") and the current is approximately 30 A. 1135 liters (300 gallons) one 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.

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 1,55 oder mehr A/cm² (10 A/"2) ansteight, 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 bestimmt werden, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung sind.According to the invention, 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 exchange rate. This ratio defines an operating range that increases to 1.55 or more A / cm² (10 A / "2), while the exchange speed up to 2500 times / min. increases. Of course, 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 that are not part of the present invention.

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 43 und 55° C (110 und 130° F) gehalten.According to the invention, the ultra-high flow rate is adjusted so that plating can only be achieved 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. In practice, the plating solution is a nickel solution and preferably nickel sulfamate. The temperature in the gap is maintained between 43 and 55 ° C (110 and 130 ° F).

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.According to a main feature of the invention, 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 using the present invention and is therefore not preferred. However, some features of the invention can also 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.

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 herabsetzen. 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.When using device A, 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. Furthermore, 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 produced 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 reduce 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.

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.According to the invention, the direction of flow is directed upwards in the vertical direction in order to coincide with the flow of any gas bubbles which arise during the plating process. The term "ultra-high" volume, as far as it relates to the ratio or circulation, 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.

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 Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Spalt an, weil die Lösung auf ihrem Weg von der unteren Kappe 30 zur oberen Kappe 32 eine größere Strecke durchläuft.This is an exceptional plating process and very different from any tank or normal gap plating. By using a lower plenum 150 in the cap 30, the inflowing liquid is evenly distributed before flowing through the holes 180 at high speed. This change in speed in the nozzles ensures that the individual nozzle jets, which are generated by the holes arranged at a distance from one another in the circumferential direction, are driven through the gap in a direction between the surface to be plated and the anode surface. As each jet is created as a vortex or spiral, the liquid speed increases in the gap because the solution travels a longer distance on its way from the lower cap 30 to the upper cap 32.

Durch Verwendung der Kappenlösung ist die Wiederholbarkeit von einen 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 gesamten 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.Repeatability from one workpiece to another is achieved by using the cap solution. Of course, 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. With the invention, 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 durability and design of the equipment and reach 2500 exchanges per minute, as shown graphically 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.

Claims (20)

  1. Process for electroplating a selected surface (S) of a workpiece (W), in which an electroplating solution (170) having metal cations or an electrolyte solution with considerable flow rate is passed through an elongated gap (g), which is limited by an anode (40) and the surface (S) of the workpiece (W) to be plated and through which flows an electric current having a current density of more than 0.3 A/cm² (2 A/in²) transversely from the anode (40) to the workpiece surface (S), characterised in that an anode (40) which is not consumed is used, which has an anodically non-active part (218) and an anodically active surface part (300), which is adapted to the surface (S) of the workpiece (W) to be plated, and in that the electroplating solution (170) or the electrolyte solution is passed through the gap (g) at such a high volume exchange rate that the solution is exchanged in the gap (g) at least 25 times per minute.
  2. Process according to claim 1, characterised in that the anodically active surface part (300) of the anode (40) which is not consumed is adapted to the surface (S) of the workpiece (W) to be plated in that an external, anodically active coating is removed from the anode at surface regions which do not correspond to the surface (S) to be plated.
  3. Process according to claim 1 or 2, characterised in that titanium is used as base metal for the anode.
  4. Process according to claim 1 or 2, characterised in that platinum is used for the anodic surface part (300).
  5. Process according to one of claims 1 to 4, characterised in that a nickel-plating solution is used as the solution.
  6. Process according to one of claims 1 to 4, characterised in that a nickel sulphamate solution is used as the solution.
  7. Process according to one of claims 1 to 6, characterised in that the temperature of the solution in the gap is maintained in the region from 110° - 130°F.
  8. Process according to one of claims 1 to 7, characterised in that the current density is in the range from 0.3 to 1.6 A/cm² (2-10 A/inch²).
  9. Process according to one of claims 1 to 8, characterised in that solution exchange takes place in the gap 200 to 1,000 times/minute.
  10. Process according to one of claims 1 to 8, characterised in that the flow rate of the solution in the gap is so great that it is exchanged 25 to 2,500 times/minute.
  11. Device for electroplating a selected surface (S) of a workpiece (W), having support devices (30, 32) which support the workpiece (W) and the anode (40) such that an elongated gap (g) is formed between anode (40) and the surface of the workpiece (W) to be plated, having a pump (60) which forces electroplating solution with considerable flow rate through the gap in the longitudinal direction and having an electric plating current source connected to the workpiece (W) and to the anode (40) which allows an electric current having a current density of more than 0.3 A/cm² (2.0 A/in²) to flow transversely through the gap (g) from the anode (40) to the workpiece (W), characterised in that the anode (40) is a non-consumable anode which has an anodically active surface part (300) which is adapted to the selected surface (S) of the workpiece (W) to be plated, and in that the pump (60) has such a high capacity that the electroplating solution forced through the gap (g) by it is exchanged at least 25 times/minute.
  12. Device according to claim 11, characterised in that the anode (40) consists of an anodically non-active base metal and an anodically active coating, the shape and dimensions of which are adapted to the surface (S) of the workpiece (W) to be plated.
  13. Device according to claim 11 or 12, characterised in that the coating is platinum.
  14. Device according to one of claims 11 to 13, characterised in that the base metal of the anode is titanium.
  15. Device according to one of claims 11 to 14, characterised in that the gap (g) is connected at one end (12) by a second end cap (32), and in that the two end caps (30 and 32) support the anode (40) and have flow openings (180 or 64, 66) which form one part of the path for the closed solvent circuit.
  16. Device according to one of claims 11 to 15, characterised in that a plenum chamber (150), which is connected to the gap (g) via several flow openings designed as nozzles (180) arranged in the end cap, is arranged in front of the first end cap (30) at the inlet end of the gap (g).
  17. Device according to claim 16, characterised in that the nozzles (180) are designed and arranged such that they conduct the individual streams of the plating solution helically through the gap (g).
  18. Device according to one of claims 11 to 17, characterised in that the nozzles (180) for producing the individual liquid streams in the peripheral direction of an annular gap (g) are arranged at a distance from one another.
  19. Device according to one of claims 11 to 18, characterised in that the second end cap (32) has an inlet opening, a gas collection chamber (220) and a plating solution outlet (D), which are connected to the gap (g), at the outlet end of the gap (g).
  20. Device according to claim 19, characterised in that the plating solution outlet (D) of the second end cap (32) has an admission volume which is at least equal to the throughput volume of the solvent inlet (F) of the first end cap (30) and is not greater than double the throughput volume of the solvent inlet (F) of the first end cap (30).
EP89105309A 1988-03-28 1989-03-24 Method and apparatus for selective electroplating Expired - Lifetime EP0335277B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US07/174,431 US4853099A (en) 1988-03-28 1988-03-28 Selective electroplating apparatus
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