EP0761844B1

EP0761844B1 - Verfahren zur galvanischen Verchromung

Info

Publication number: EP0761844B1
Application number: EP96107054A
Authority: EP
Original assignee: Duralloy AG
Current assignee: Aalberts Process Technologies Haerkingen AG
Priority date: 1995-08-12
Filing date: 1996-05-04
Publication date: 1999-09-29
Anticipated expiration: 2016-05-04
Also published as: EP0761844A1; DE59603210D1; US5632880A; JPH09104995A; DE19529843A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Chrom-Überzügen auf einem elektrisch leitenden, insbesondere metallischen Grundmaterial, wobei das Grundmaterial zunächst gereinigt und aktiviert wird und sodann einem galvanischen Verchromungsbad ausgesetzt wird zur Bildung eines Hartchrom-Überzuges einer Härte von zumindest 600 HV mit perl- oder säulenstrukturartiger Oberfläche, insbesondere gemäß deutschem Patent 25 02 284.

In der genannten Patentschrift wird ein Verchromungsbad beschrieben, mit dem sich glänzende bis metallgraue Chromüberzüge mit perlstrukturartiger Oberfläche mit einer Härte bis etwa 1.500 HV erzielen lassen. Diese Chromüberzüge mit dem Handelsnamen "DURALLOY" zeichnen sich zum einen durch hohe Verschleißfestigkeit, zum anderen durch günstige Gleiteigenschaften aus, da die homogene kugelförmige Oberfläche die Benetzbarkeit und damit die Ausbildung eines stabilen Ölfilms begünstigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Chrom-Überzug dahingehend zu verbessern, daß er auch ohne Schmierstoffe hohe Verschleißfestigkeit bei niedrigen Reibwerten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die perl- oder säulenstrukturartige Oberfläche des Hartchrom-Überzuges durch galvanisch aufgebrachtes Schwarzchrom aufgefüllt und geglättet wird. Dieses Schwarzchrom wird in einer Schichtdicke von zumindest 1 µm, vorzugsweise von etwa 2 µm bis etwa 6 µm aufgebracht, wodurch sichergestellt ist, daß die Perl- oder Säulenstruktur der unteren Hartchromschicht ganz oder weitgehend bedeckt wird. Soweit das Schwarzchrom die untere Hartchromschicht überragt, wird es im praktischen Betrieb in einer Art Einlaufvorgang innerhalb kurzer Zeit je nach Einsatz und Belastung verdichtet und somit in der homogenen Perlstruktur eingebettet.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß mit dieser Mischstruktur auf zusätzliche Schmiermittel vollkommen verzichtet werden kann, und daß man trotzdem eine Laufzeitverlängerung des erfindungsgemäß beschichteten Bauteiles um den Faktor drei bis sechs erhält. Dabei erstreckt sich der Anwendungsbereich über Temperaturen von minus 150 ° C bis 500 ° C. Dieses Ergebnis ist vor allem deshalb erstaunlich, weil eine Schwarzchrombeschichtung auf einer Hartchrombeschichtung wenig sinnvoll erscheint: Schwarzchrombeschichtungen werden im wesentlichen nur aus dekorativen Gründen in der Unterhaltungs-Elektronik und der Uhrenindustrie eingesetzt und haben bekanntlich wegen ihres hohen Sauerstoffgehaltes eine schlechte mechanische Beständigkeit, insbesondere geringe Abriebfestigkeit. Sie erschienen daher bis jetzt für technische Anwendungen weitgehend ungeeignet.

Es ist zwar bereits bekannt, zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von Hartchrom-Überzügen PTFE einzulagern. Dabei wird die Hartchrom-Schicht chemisch so nachbehandelt, daß auf der Oberfläche Inhomogenitäten entstehen, die anschließend durch Erhitzung erweitert werden. In diese Inhomogenitäten wird dann pulverförmiges PTFE eingepreßt. Man kann aus diesem bekannten Verfahren allerdings keine Anregungen ableiten, stattdessen einen zusätzlichen Überzug aus Schwarzchrom aufzubringen. Um eine gute Haftung der Schwarzchrombeschichtung auf der Hartchromunterlage zu gewährleisten, empfiehlt es sich, einige Spülvorgänge zuwischenzuschalten, damit keine Elektrolytflüssigkeit aus dem Hartchrombad in das Schwarzchrombad verschleppt wird. Ebenso sollten die beiden galvanischen Bäder innerhalb von etwa 3 - 5 Minuten aufeinanderfolgen, damit sich auf dem Hartchrom keine Oxidschicht bildet; anderenfalls muß diese vor dem Eintauchen in das Schwarzchrombad entfernt werden.

Zur Erzielung einer optimalen Oberflächenstruktur empfiehlt es sich, daß die perl- oder säulenartige Oberfläche der Hartchromschicht einen Zentrumsabstand zwischen benachbarten Erhebungen etwa 1 µm bis etwa 5 µm aufweist. Dies läßt sich durch Einhaltung der in dem deutschen Patent 25 02 284 beschriebenen Parameter für das Verchromungsbad zuverlässig steuern.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles mit Zeichnungen näher erläutert; dabei zeigt

Figur 1: einen Querschnitt durch das Werkstück nach dem Aufbringen der Hartchrom- und der Schwarzchromschicht und
Figur 2: den gleichen Querschnitt nach dem Einlaufen des Werkstückes.

Ausgegangen wird von einem metallischem Werkstück, das zunächst thermisch mit maximal 70° C und elektrolytisch entfettet und sodann durch eine 5 %ige Schwefelsäure-Beize vom basischen in den sauren Zustand überführt wird, um es für die anschließende galvanische Behandlung zu aktivieren. Sodann wird das Werkstück in ein Verchromungsbad getaucht, das 400 bis 500 g/l Chromtrioxid, 2 bis 14 g/l Strontiumsulfat, 4 bis 26 g/l Kaliumsilikofluorid, 2 bis 8 g/l Kaliumdichromat und 4 bis 50 g/l technische 2.2-Dichlormalonsäure enthält. Hinsichtlich der übrigen Behandlungsparameter sei auf das bereits genannte deutsche Patent 25 02 284 verwiesen.

Das Werkstück 1 (vergl. Figur 1 und 2) erhält dadurch einen Hartchrom-Überzug 2 mit einer Schichtdicke von zumindest 2 µm, vorzugsweise etwa 4 - 6 µm oder mehr. Die Badparameter werden so eingestellt, daß sich an der Oberfläche der hartchromschicht eine mehr oder weniger regelmäßige Perlstruktur 2a mit einer Rauhtiefe von zumindest etwa 1 µm, vorzugsweise etwa 1,5 µm bis etwa 5 µm einstellt.

Nach dieser Behandlung wird das Werkstück gespült, um die Reste des Chrombades zu entfernen und dann in ein zweites galvanisches Bad getaucht, um auf die Perlstruktur eine Schwarzchromschicht aufzubringen. Als Schwarzchromelektrolyte eignen sich unter anderem die unter dem Handelsnamen ANKOR 1130 und 1131 vertriebenen Schwarzchrombäder. Sie enthalten etwa 420 bis 480 g/l Chromsäure, etwa 2 bis 15 g/l Chromoxid, Cr₂O₃ und sind vorzugsweise sulfatfrei. Die Badtemperatur liegt bei Zimmertemperatur, die Stromdichte bei 15 bis 30 A/dm². Nach einer Behandlungszeit von einigen Minuten erhält man eine Schwarzchromschicht von etwa 2 µm bis etwa 5 µm. Die Schichtdicke wird etwa so gewählt, daß die Perlstruktur 2a der Hartchromschicht zumindest ausgefüllt und geebnet wird, zweckmäßig auch eine gewisse Überdekkung erhält, wie dies in Figur 1 dargestellt ist. Diese Überdeckung wird aufgrund der geringen Abriebfestigkeit des Schwarzchroms nach einer kurzen Einlaufphase abgetragen und in die Perlstruktur verdichtet, worauf sich die in Figur 2 dargestellte Oberflächenstruktur ergibt. Sie ist gekennzeichnet durch eine zusammenhängende Schwarzchromphase, die von einer Vielzahl von Hartchrominseln durchsetzt ist. Sie weist keinerlei Poren oder Risse auf.

Zur Stabilisierung der Schwarzchromschicht, insbesondere zur Bindung des Chrom-Mischoxids, kann sie durch eine Polieremulsion versiegelt werden.

Untersuchungen haben ergeben, daß die beschriebene Oberflächenstruktur außerordentlich hohe Verschleißfestigkeit bei niedrigen Reibwerten aufweist und auch in Bereichen ohne Schmierung eingesetzt werden kann. So ergab der Test einer Führungsschiene mit darauflaufendem Wagen eine zurückgelegte Strecke von 12 km bei unbeschichtetem Zustand oder bei einer ZnFe-Beschichtung bzw. von 65 km bei einer erfindungsgemäßen Beschichtung, wobei im letztgenannten Fall die unbeschichteten Laufrollen zum Ausfall führten.

Gleichzeitig besteht hoher Korrosionsschutz: Im Salzsprühtest nach DIN 50021 SS wurde die Lebensdauer eines erfindungsgemäß beschichteten Werkstückes zu 400 Stunden ermittelt gegenüber einer Lebensdauer von 24 Stunden eines normal mit 20 - 25 µm hartverchromten Werkstückes und gegenüber einer Lebensdauer von 120 Stunden eines mit 2 - 4 µm DURALLOY hartverchromten Werkstückes.

Zusammenfassend zeichnet sich die Erfindung durch erheblich verlängerte Standzeiten, niedrigere Reibwerte und durch Einsparung der Schmierstoffe aus.

Claims

Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Chrom-Überzügen auf einem metallischen Grundmaterial, wobei das Grundmaterial zunächst gereinigt und gegebenenfalls aktiviert wird und sodann einem galvanischen Verchromungsbad ausgesetzt wird zur Bildung eines Hartchrom-Überzuges einer Härte von zumindest 600 HV mit perl- oder säulenstrukturartiger Oberfläche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die perl- oder säulenstrukturartige Oberfläche durch galvanisch aufgebrachtes Schwarzchrom ausgefüllt und geglättet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Schwarzchrom in einer Schichtdicke von zumindest etwa 1 µ, insbesondere von etwa 2 µm bis etwa 6 µm aufgebracht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Schwarzchrom Chromoxid enthält, insbesondere etwa 93 % bis etwa 96 % Chrom und etwa 4 % bis etwa 7 % Chromoxid.
Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der galvanischen Hartverchromung und der galvanischen Schwarzverchromung zumindest ein Spülvorgang stattfindet.
Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die galvanische Schwarzverchromung innerhalb weniger Minuten nach erfolgter Hartverchromung stattfindet, oder daß eine auf der Hartchromschicht gebildete Oxidschicht vor der Schwarzverchromung entfernt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwarzchromschicht durch eine Emulsion versiegelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die perl- oder säulenstrukturartige Oberfläche der Hartschromschicht einen Zentrumsabstand zwischen benachbarten Erhebungen von etwa 1 µm bis etwa 5 µm aufweist.