EP1622761A2 - Object - Google Patents

Object

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EP1622761A2
EP1622761A2 EP04727662A EP04727662A EP1622761A2 EP 1622761 A2 EP1622761 A2 EP 1622761A2 EP 04727662 A EP04727662 A EP 04727662A EP 04727662 A EP04727662 A EP 04727662A EP 1622761 A2 EP1622761 A2 EP 1622761A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
metallic
metal
metallic layer
deposited
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04727662A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hartmut Sauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aalberts Surface Technologies GmbH Kerpen
Original Assignee
AHC Oberflaechenechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority claimed from DE102004001613A external-priority patent/DE102004001613A1/en
Application filed by AHC Oberflaechenechnik GmbH filed Critical AHC Oberflaechenechnik GmbH
Publication of EP1622761A2 publication Critical patent/EP1622761A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10T428/31678Of metal

Definitions

  • the present invention relates to an object, the surface of which comprises, in whole or in part, a composite material consisting of a polymer and a metallic layer thereon.
  • Such objects are known and are used in particular in the decorative field, such as chrome-plated objects made of ABS (acrylic / butadiene / styrene plastics) or polymer blends, in particular moldings, shower heads, radiator grills for automobiles, coffee pots.
  • ABS acrylic / butadiene / styrene plastics
  • polymer blends in particular moldings, shower heads, radiator grills for automobiles, coffee pots.
  • Such composite materials have no appreciable adhesive strengths, so that - regardless of the decorative properties - such objects cannot perform technical functions in the sense of wear protection, corrosion protection, stiffening, mechanical, thermal and / or chemical stress.
  • One method for producing such layers is thermal spraying. Metallic particles are heated and accelerated onto the substrate to be coated. This enables metallic layers to be produced on plastics. With this method, however, only geometrically simple components can be coated. The main disadvantages of this method are also that the layers have a high porosity, high internal stress, high layer thicknesses and insufficient adhesion for mechanically highly stressed components.
  • a widely used area of application of this vapor deposition technique is the coating of plastic films, for example for food packaging.
  • DE 198 49 discloses 661 A1, to vapor-coat a special polyester film with aluminum, so that it has a high oxygen barrier, a good gloss and a low coefficient of friction.
  • the adhesive strengths of up to 3 N / mm specified there are, however, too low to be able to exist in a mechanically stressed, functional application of the metallized film.
  • DE 42 11 712 A1 also describes irradiating the surface of a substrate to improve the adhesive strength with an Eximer laser.
  • a PET (polyethylene terephthalate) film is irradiated with this special laser so that it can subsequently be vapor-coated with a ferromagnetic metal layer using a PVD process.
  • Such films are used inter alia as an audio or video recording medium.
  • a major disadvantage of this process is the considerable environmental pollution caused by the two chemical treatment agents, so that this process can no longer be used from an environmental point of view.
  • a further developed process for the metallization of polyamides which is based on the above-described principle of swelling the surface of the plastic substrate but does not provide for pickling with chromosulfuric acid, is described in an article by GD Wolf and F. Funger "Metallized polyamide injection molded parts", Kunststoffe, 1989, Pp. 442-447.
  • the surface of the amorphous polyamide is treated with an organometallic activator solution. This is followed by a conventional chemical nickel plating process.
  • the disadvantage of this type of surface treatment which is based on a chemical reaction of the treatment solution with the substrate, is that the swollen surfaces are very sensitive to environmental influences, such as dust deposits.
  • the polyamide to be treated must be amorphous, since it is partly crystalline or crystalline Polyamides are not attacked by the method presented. This method therefore represents a complex process which can only be used to a limited extent in order to achieve adhesive composite layers between the polymeric substrate and the metal layer.
  • the layers obtainable in this way have the disadvantage that small amounts of calcium carbonate remain in the boundary layer between the plastic substrate and the metal layer, so that a “predetermined breaking point” arises.
  • the object of the present invention is to provide an object which can be subjected to extremely high mechanical loads and whose surface, in whole or in part, has a composite material consisting of at least one polymer and a metal layer which overcomes the disadvantages of the prior art described above.
  • the object is achieved according to the invention by an object, the surface of which has a composite material in whole or in part, the composite material consisting of a non-metallic substrate containing at least one polymer and an external currentlessly deposited metallic layer with an adhesive strength of at least 4 N / mm 2 , and wherein the boundary layer located between the non-metallic substrate and the metallic layer has a calcium content, determined by EDX analysis of a cross section, of at most 0.5% by weight, based on an analysis area of 1 ⁇ 1 ⁇ m, the center of which runs through the boundary layer.
  • the non-metallic substrate contains essentially no particles of metal oxides or metals. This means that in the cross-section substrate at a depth of more than 10 ⁇ m below the boundary between metallic layer and non-metallic substrate no corresponding particles can be detected analytically.
  • the boundary layer may contain particles of metal oxides or metals in small quantities down to a depth of 10 ⁇ m, which particles originate, for example, from the blasting agent for roughening the non-metallic substrate surface.
  • Grivory HAT-PPA or Grivory GM-4H from EMS-GRIVORY.
  • Commercial examples of ceramic reinforced plastics are Ryton BR111 and Ryton BR111BL from Chevron Phillips Chemical Company LP.
  • the object can - depending on the polymer-containing material used - by so-called
  • Rapid prototyping processes in particular by stereolithography or by laser sintering.
  • complex shapes can be produced in a short time, which are coated evenly with the metallic layer deposited without external current, without reinforcements in the edge region or weakening in the region of depressions or undercuts.
  • an object according to the invention is preferred, the surface of which has a composite material in whole or in part, this composite material having a first non-metallic layer and a second metallic layer applied thereon, and wherein a) the surface of the object does not exist prior to application of the electrolessly deposited metallic layer is chemically pretreated; and b) the metal layer deposited without external current is not applied by thermal spraying, CVD, PVD or laser treatment.
  • Chemical pretreatment is understood here and below as a differentiation from mechanical treatments to any treatment of a substrate surface by pickling, etching, swelling, vapor deposition, plasma treatment, laser treatment or the like Methods is carried out and in which a change in the surface is caused by a chemical reaction.
  • the articles according to the present invention have a rough, sharp-edged boundary layer between the non-metallic layer and the metal layer applied without external current.
  • These sharp-edged bulges and undercuts in the boundary layer are clearly recognizable as angular surface contours, for example in a cross-section analysis, the design of which is described below. In this way, they can be distinguished from the more rounded, but in any case rounded, contours that result from chemical pretreatment ( Figure 2).
  • the sample to be examined is placed in a transparent investment material (Epofix putty, available from Struer).
  • the embedded sample is ground on a table grinding machine from Struer, type KNUTH-ROTOR-2. Different sanding papers with silicon carbide and different grain sizes are used. The exact
  • Water is used during the grinding process to remove the abrasive particles.
  • the tangential force that occurs on the cross-section and arises from friction is directed so that the metallic layer is pressed against the non-metallic substrate. This effectively prevents the metallic layer from becoming detached from the non-metallic substrate during the grinding process.
  • the sample treated in this way is then polished using a motor-operated preparation device of the DAP-A type from Struer.
  • the usual sample winder is not used, rather the sample is only polished by hand. Depending on what is to be polished
  • Substrate a speed between 40 to 60 U / min and a pressing force between 5 and 10 N is applied.
  • the cross section is then subjected to an SEM image.
  • the boundary line of the layer between the non-metallic substrate and the metallic surface is determined at a magnification of 10,000 times.
  • the program OPTIMAS from Wilhelm Mikroelektronik is used.
  • X-Y value pairs are determined that describe the boundary line between the substrate and the layer.
  • a distance of at least 100 ⁇ m is required to determine the enlargement of the boundary line in the sense of the present invention.
  • the course of the boundary line must be determined with at least 10 measuring points per ⁇ m.
  • the enlargement of the boundary line is determined from the quotient of true length by geometric length.
  • the geometric length corresponds to the distance of the measuring section, i.e. between the first and last measuring point.
  • the true length is the length of the line that runs through all recorded measurement points.
  • the surface roughness value R a is determined according to the DIN 4768 / ISO 4287/1 standard, also using the XY value pairs previously recorded.
  • the R a value is a measurement-reproducible measure of the roughness of surfaces, whereby profile outliers (ie extreme valleys or hills) are largely neglected due to the area integration.
  • the adhesive strengths (specified in N / mm 2 ) of the composite materials according to the invention are determined exclusively on the basis of the forehead tensile test according to DIN 50160: the forehead tensile test (vertical tensile test) according to DIN 50160 has been used for years to test
  • the layer / substrate composite to be tested is glued between two test stamps and subjected to uniaxial brisk force until it breaks (see Figure 1). If the adhesive strength is greater than that of the coating and there is a break between the layer and the substrate, the equation can be used F max
  • the proportion of calcium in the interface is determined using EDX spectroscopy.
  • Examples of such an object according to the invention are pump housings and corresponding rotors (impeller) of fuel pumps for the automotive industry. These objects are made of thermoplastics, in particular of polyoxymethylene (POM) and polyphenylene sulfide (PPS). The phenolic resin PF is particularly preferably used. After the pretreatment described above, these fuel pump parts are coated with a chemical nickel layer in a thickness of 5 ⁇ m without external current.
  • the corresponding objects according to the invention are distinguished by a particularly high level of protection against corrosion and wear. The service life of the objects produced in this way is increased by a factor of 100 compared to that of the prior art.
  • the boundary layer between the non-metallic substrate and the metallic layer has a roughness with an R z value of at most 35 ⁇ m.
  • the R z value is a measure of the average vertical surface fissure.
  • the non-metallic substrate contains at least one fiber-reinforced polymer, in particular a carbon fiber-reinforced polymer, and the diameter of the fiber is less than 10 ⁇ m.
  • the boundary between the non-metallic substrate and the metallic layer has a roughness with an R z value of at most 100 ⁇ m and the non-metallic substrate contains at least one fiber-reinforced polymer, in particular a glass fiber-reinforced polymer, wherein the diameter of the fiber is more than 10 ⁇ m.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastics
  • GTK glass fiber reinforced plastics
  • plastics reinforced by aramid fibers or plastics reinforced by mineral fibers are particularly preferably used, in particular carbon fiber reinforced plastics (CFRP), glass fiber reinforced plastics (GFK), plastics reinforced by aramid fibers or plastics reinforced by mineral fibers.
  • glass fiber-reinforced polymers as part of the non-metallic substrate which have fibers with a diameter greater than 10 ⁇ m, are very inexpensive and easy to process.
  • the fiber diameter has a great influence on the roughness, so that in such materials the present invention is achieved a roughness value R a of at most 10 microns in accordance with.
  • R a roughness value
  • the objects according to the invention have a high uniformity of adhesion. For the first time, this makes it possible to significantly increase the service life for the stressed component. Because even local delamination of the layer composite leads to failure of the entire component.
  • the advantage is particularly serious in the case of components with a surface covered by the layer composite of more than 10 dm 2 , that is to say in the case of large components or components with a large surface. In this way, articles of high rigidity and very low weight are obtained, which show excellent adhesion of the metallic layer.
  • the non-metallic substrate is also the surface of the object. These surfaces are preferably based on a polymeric material. Fiber-reinforced plastics, thermoplastics and other industrially used polymers are particularly preferred.
  • the object can consist of a metallic or ceramic material that is coated with a non-metallic substrate that contains at least one polymer.
  • examples of such substrates are painted components (e.g. EX protection for painted objects) and anodized or hard anodized aluminum components with a polymer layer on the conversion layer.
  • the standard deviation of the adhesive strength of the metallic layer at six different measured values distributed over the surface of the composite material is at most 25%, in particular at most 15%, of the arithmetic mean. In this way, the resulting components can be subjected to even greater mechanical stress.
  • the polymer of the non-metallic substrate is preferably selected from the group of polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyamide, polyethylene, polyvinyl chloride, polystyrene, epoxy resins, polyether ether ketone, polyoxymethylene, polyformaldehyde, polyacetal, polyurethane, polyetherimide, polyphenylsulfone, polyphenylene sulfide, polyarylamide and polyarylamide, polycarbonate.
  • the metal layer deposited without external current is a metal alloy or metal dispersion layer.
  • objects with a composite material can be provided for the first time which have excellent adhesion of the metallic layer to the non-metallic substrate.
  • the uniformity of the adhesion of the metallic layer also plays an important role in the suitability of these objects as highly stressed components for industrial machines.
  • a targeted selection of the non-metallic substrate and the metallic layer on it enables an exact adaptation of the property profile to the conditions of the area of application. So it is for
  • a metal alloy or metal dispersion layer deposited without external current can also be applied, preferably a copper, nickel or gold layer with embedded non-metallic particles.
  • the non-metallic particles can have a hardness of more than 1,500 HV and can be selected from the group of silicon carbide, corundum, diamond and tetraborarbide.
  • these dispersion layers therefore have further functions, for example the wear resistance, surface wetting or emergency running properties of the objects according to the invention can be improved.
  • the non-metallic particles can also preferably have friction-reducing properties and be selected from the group of polytetrafluoroethylene, molybdenum sulfide, cubic boron nitride and tin sulfide.
  • the metallic layer of the invention is deposited on the electrolessly deposited metal layer
  • Such anodically oxidized or ceramicized layers of aluminum, titanium or their alloys are known on metallic objects and are sold for example under the name Hart-Coat ® or Kepla-Coat ® by the company AHC endurentechnik GmbH & Co. OHG.
  • These layers are characterized by a particularly high hardness and a high operating resistance and mechanical
  • One or more further metallic layers can be arranged between the metallic layer of the object according to the invention deposited without external current and the layer of aluminum, titanium or their alloys.
  • the further metallic layers arranged between the electrolessly deposited layer and the aluminum layer are selected depending on the intended use.
  • the choice of such intermediate layers is well known to the person skilled in the art and is described, for example, in the book “The AHC Surface - Manual for Construction and Manufacturing", 4th extended edition 1999.
  • the surface of such an object is a ceramic oxide layer made of aluminum, titanium or their alloys, which is colored black by the inclusion of foreign ions.
  • the ceramic oxide layer made of aluminum, titanium or their alloys, colored black by foreign ions is of particular interest for high-quality optical elements, especially in the aerospace industry.
  • EP 0 545 230 B1 The production of anodically produced oxide layers on aluminum is described for example in EP 0 112 439 B1.
  • the objects of the present invention are particularly preferably obtained using a special method which comprises the following steps: i. the surface of the non-metallic layer is not chemically pretreated before the metallic layer is applied without external current; ii. the surface of the non-metallic layer is microstructured in a first step by means of a blasting agent; in. the metallic layer is then applied by electroless metal deposition.
  • the objects according to the present invention initially have a non-metallic substrate as a composite material which contains at least one polymer. To produce the composite material according to the invention, the surface of the non-detail substrate is microstructured in a first step by means of a blasting treatment. The method used is described for example in DE 197 29 891 A1. As
  • Abrasives are particularly wear-resistant, inorganic particles. It is preferably copper-aluminum oxide or silicon carbide. It has proven to be advantageous that the blasting agent has a particle size between 30 and 300 ⁇ m.
  • Other suitable blasting agents are steel and aluminum in different compositions and grain sizes, glass blasting beads, corundum, ceramic beads, plastic resins,
  • Silicon carbide, nutshells and other blasting media known to the person skilled in the art. It is further described there that a metal layer can be applied to the roughened surfaces by means of a metal deposition without external current.
  • the substrate surface is activated in two steps.
  • the component is immersed in a colloidal solution (activator bath).
  • the palladium nuclei that are necessary for metallization and are already present in the activator solution are adsorbed on the plastic surface.
  • the tin-II or tin-IV oxide hydrate additionally formed when immersed in the colloidal solution is dissolved by rinsing in an alkaline, aqueous solution (conditioning) and the palladium seed is thereby exposed.
  • chemical reduction baths can be nickel-plated or copper-plated.
  • the baths for the nickel or copper deposition have the property of the metal ions dissolved in them reduce germs and deposit elemental nickel or copper.
  • the two reactants have to approach the noble metal nuclei on the plastic surface.
  • the resulting redox reaction creates the conductive layer, the noble metal nuclei taking up the electrons of the reducing agent and releasing them again when a metal ion approaches. This reaction releases hydrogen.
  • the applied layer takes on the catalytic effect. This means that the layer grows together from the palladium seeds until it is completely closed.
  • the deposition of nickel is dealt with here as an example.
  • the germinated and conditioned plastic surface is immersed in a nickel metal salt bath, which allows a chemical reaction in a temperature range between 82 ° C and 94 ° C.
  • the electrolyte is generally a weak acid with a pH between 4.4 and 4.9.
  • the thin nickel coatings applied can be reinforced with an electrolytically deposited metal layer.
  • Coating components with layer thicknesses> 25 ⁇ m is not economical due to the low deposition rate of chemical coating processes. Furthermore, only a few coating materials can be deposited with the chemical coating processes, so that it is advantageous to use electrolytic processes for other technically important coating materials. Another important point is the different properties of chemically and electrolytically deposited layers with layer thicknesses> 25 ⁇ m, for example leveling, hardness and gloss.
  • the basics of electrolytic metal deposition can be found in B. Gaida, "Introduction to electroplating", EG Leuze-Verlag, Saulgau, 1988 or in H. Simon, M. Thoma, "Applied surface technology for metallic materials", C. Hanser-Verlag, Kunststoff (1985).
  • Plastic parts that have an electrically conductive layer due to an electroless coating process differ only insignificantly from those of the metals in terms of electrolytic metallization. Nevertheless, some points should not be neglected in the electrolytic metallization of metallized plastics. Due to the mostly low conductive layer thickness, the current density must be reduced at the beginning of the electrolytic deposition. If this point is not observed, the conductive layer may peel off and burn. Furthermore, care should be taken to ensure that annoying tarnish layers are removed using specially designed paper baths. Furthermore, residual stresses can destroy the layer. When depositing nickel layers from an ammoniacal bath, tensile stresses of the order of 400 to 500 MPa occur, for example.
  • a change in the structure of the nickel coatings in the form of a changed grain size and the formation of micro-deformations can promote the reduction of internal stresses, which can have a positive effect on a possible premature coating failure.
  • One or more further layers in particular metallic, ceramic, as well as crosslinked or hardened polymer layers, can be arranged on the metallic layer of the object according to the invention.
  • the objects of the present invention can have a copper layer as a metallic layer, to which a tin or a further copper layer can subsequently be applied. Then, for example, a gold layer is applied to the existing metal layers.
  • a copper layer as a metallic layer, to which a tin or a further copper layer can subsequently be applied. Then, for example, a gold layer is applied to the existing metal layers.
  • Such coatings can be used, for example, for EMC shielding of electronic components or to improve the thermal conductivity of the coated objects.
  • the objects according to the present invention can also have a nickel layer as a metallic layer, to which a further nickel layer is applied.
  • a nickel layer as a metallic layer, to which a further nickel layer is applied.
  • Invention present a copper layer which can be coated with a nickel layer and then with a chrome layer.
  • a possible application of such a counter Standes consists of being used as a quickly positionable mirror in copiers and in laser technology.
  • an epoxy resin can be applied to a nickel layer deposited without external current. The surface of this epoxy resin is then covered again with a nickel layer. In this way, diffusion-resistant components for the petrochemical industry can be produced against hydrocarbons, such as pipes and housings for the complete absorption of pumps, even under high pressure.
  • a particularly industrially preferred embodiment is filter housings for high-frequency components in the telecommunications industry, in particular for the transmission mast unit in the mobile radio sector.
  • These are objects made of PPS / PEI, the entire surface of which is first coated with a chemically applied electroless nickel / phosphorus alloy in a layer thickness of 6 ⁇ m and then with an electrolytically applied silver layer in a thickness of 6 ⁇ m.
  • objects were made of aluminum, then nickel-plated and finally silver-plated.
  • These prior art items have significant corrosion problems, particularly in metropolitan areas contaminated with exhaust gas.
  • these filter housings had to be replaced every 6 months. In contrast, the duration of use can be increased to more than 2 years with the object according to the invention.
  • these further metallic layers which are applied to the already existing metallic layer of the object according to the invention, can be used not only electrolytically but also with the aid of other methods such as CVD / PVD or thermal
  • Syringes can be applied to an object with a metallic layer of the present invention.
  • Another interesting example of an object according to the invention is a plastic which is initially provided with a nickel layer applied without external current. Layers of silver and gold are subsequently applied electrolytically to this nickel layer. Such a rather special layer sequence is used in medical technology for components for diagnostic devices. Overall, the examples given above show that the objects according to the invention can be used in a very wide range of technical applications.
  • An article according to the present invention can, for example, be a roller for the web processing industry (foils, paper, textiles, printers), a component of
  • Turbomolecular pumps (ring for the compressor stage), handle for household appliances (pots, lids), components for the aerospace industry (handle, handrail) and the aerospace industry (sun sail), component for the electronics industry (capacitor, sound field capacitor, sound tab, microwave waveguide, switch surface, Antenna, antenna housing), component for the moving components of cyclones, air classifier, mechanically, thermally and / or chemically stressed component for the automotive industry (brake pistons for automobiles) or a mold or component for the injection molding industry.
  • the surface pretreatment is carried out with a modified pressure jet system from Straaltechnik International , The blasting system is operated at a pressure of 4 bar.
  • a boron carbide nozzle with a diameter of 8 mm is used as the jet nozzle.
  • the beam duration is 4.6 s.
  • SiC with P80 grit with an average grain diameter of 200 to 300 ⁇ m is used as the abrasive.
  • Pressure range from 0.2-7 bar can be set continuously.
  • the blasting agent which with a very small flow rate is conveyed into the mixing nozzle, is then accelerated by the high flow rate of the compressed air flow.
  • the roughened plate is treated in an ultrasonic bath with a mixture of deionized water and 3% by volume butyl glycol for five minutes.
  • the bath series used for the metal deposition of the conductive layer are based on the well-known colloidal palladium activation in connection with a final catalyzed metal reduction. All of the bath rows required for this were purchased from Max Schlötter. The diving sequences, treatment times and temperatures specified by the manufacturer were observed in all process steps of nickel deposition:
  • Conditioner 101 Conditioning the material surface by detaching annoying tin compounds from the surface. Diving time: 6 min, room temperature
  • the thickness of the nickel layer is sufficient for an electrolytic coating. All process steps that were necessary for the deposition of the conductive layer were carried out in 50 l plastic trays, with a nickel temperature of 90 ° + 0.5 ° C being maintained during the entire coating cycle by means of an additional heating plate with temperature control. In order to obtain a uniform and reproducible layer quality, the bath series were analyzed and supplemented after a throughput of 20 samples according to the Max Schlötter company.
  • the sample was cooled from approx. 90 ° C. to approx. 60 ° C. in distilled water in order to then be electrolytically coated with nickel at 55 ° C.
  • This intermediate step served to avoid the formation of reaction layers and to exclude residual stresses caused by rapid cooling.
  • the example according to the invention is repeated, but after the blasting treatment the
  • the plate is then treated in a further ultrasonic bath with pure, 96% ethanol for a further five minutes.
  • the evaluation of the EDX analysis showed a residual amount of calcium of 0.91 wt .-%, which comes from the treatment of the CaC0 3 / ethanol suspension.
  • the results of the adhesive strength tests are shown in Table 2.

Abstract

The surface of the disclosed object is entirely or partially made of a composite material comprising a non-metallic substrate that contains at least one polymer, and of a metallic layer deposited thereon without an external current supply and having an adherence of at least 4 N/mm2. The boundary layer between the non-metallic substrate and the metallic layer has a calcium content of maximum 0.5 % by weight, as determined by EDX analysis of a polish of cross-section, relative to an analysis region of 1 x 1 νm whose centre passes through the boundary layer. Also disclosed are a process for producing said object and its use.

Description

Gegenstand object
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand, dessen Oberfläche ganz oder teilweise einen Verbundwerkstoff aufweist, bestehend aus einem Polymer und einer darauf befind- liehen metallischen Schicht.The present invention relates to an object, the surface of which comprises, in whole or in part, a composite material consisting of a polymer and a metallic layer thereon.
Solche Gegenstände sind bekannt und werden insbesondere im dekorativen Bereich verwendet, wie z.B. verchromte Gegenstände aus ABS (Acryl/Butadien/Styrol-Kunststoffe) oder Polymerblβnds, insbesondere Zierleisten, Duschköpfe, Kühlergrill von Automobilen, Kaffee- kannen.Such objects are known and are used in particular in the decorative field, such as chrome-plated objects made of ABS (acrylic / butadiene / styrene plastics) or polymer blends, in particular moldings, shower heads, radiator grills for automobiles, coffee pots.
Solche Verbundwerkstoffe weisen keine nennenswerten Haftfestigkeiten auf, so dass - unabhängig von den dekorativen Eigenschaften - solche Gegenstände keine technischen Funktionen im Sinne von Verschleißschutz, Korrosionsschutz, Versteifung, mechanischer, thermischer und/oder chemischer Beanspruchung übernehmen können.Such composite materials have no appreciable adhesive strengths, so that - regardless of the decorative properties - such objects cannot perform technical functions in the sense of wear protection, corrosion protection, stiffening, mechanical, thermal and / or chemical stress.
In jüngster Vergangenheit hat es Überlegungen gegeben, Verbundwerkstoffe oder Oberflächen aus solchen Verbundwerkstoffen mit solchen Funktionen zu entwickeln.In the recent past there have been considerations to develop composite materials or surfaces from such composite materials with such functions.
Ein Verfahren zur Herstellung solcher Schichten ist das thermische Spritzen. Hierbei werden metallische Partikel erwärmt und auf das zu beschichtende Substrat beschleunigt. Hierdurch können metallische Schichten auf Kunststoffen herstellt werden. Mit diesem Verfahren lassen sich jedoch ausschließlich geometrisch einfache Bauteile beschichten. Die wesentlichen Nachteile bei diesem Verfahren sind darüber hinaus, dass die Schichten eine hohe Porosität, hohe Eigenspannung, hohe Schichtstärken und unzureichende Haftung für mechanisch hoch belastete Bauteile aufweisen.One method for producing such layers is thermal spraying. Metallic particles are heated and accelerated onto the substrate to be coated. This enables metallic layers to be produced on plastics. With this method, however, only geometrically simple components can be coated. The main disadvantages of this method are also that the layers have a high porosity, high internal stress, high layer thicknesses and insufficient adhesion for mechanically highly stressed components.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung solcher Verbundwerkstoffe ist das Aufdampfen von Metall auf Kunststoff in einem Vakuum (CVD/PVD-Verfahren). Hiermit werden geschlossene metallische Beschichtungen auf nichtmetallische Substrate, wie beispielsweise Kunststoffe, aufgebracht. Dieses Verfahren ist aber für Bauteile mit größeren Abmessungen wirtschaftlich ungeeignet. Weiterhin werden Bauteile mit Vertiefungen oder Hohlräumen nicht vollständig metallisiert. Die auf diese Weise hergestellten Gegenstände haben eine Metallschicht mit einer Dicke von höchstens 3 μm, was für viele technische Anwendung nicht ausreichend ist. Des weiteren haben diese Verbundschichten nur eine sehr geringe Haftfestigkeit.Another possibility for the production of such composite materials is the vapor deposition of metal on plastic in a vacuum (CVD / PVD process). With this, closed metallic coatings are applied to non-metallic substrates, such as plastics. However, this method is economically unsuitable for components with larger dimensions. Furthermore, components with depressions or cavities are not completely metallized. The objects produced in this way have a metal layer with a thickness of at most 3 μm, which is not sufficient for many technical applications. Furthermore, these composite layers have only a very low adhesive strength.
Ein weit verbreitetes Anwendungsgebiet dieser Aufdampf-Technik ist die Beschichtung von Kunststofffolien, zum Beispiel für die Lebensmittelverpackung. So offenbart die DE 198 49 661 A1 , eine spezielle Polyesterfolie mit Aluminium zu bedampfen, so dass sie eine hohe Sauerstoffbarriere, einen guten Glanz und einen geringen Reibungskoeffizienten aufweist. Die dort angegebenen Haftfestigkeiten von bis zu 3 N/mm sind jedoch zu gering, um in einer mechanisch beanspruchten, funktionellen Anwendung der metallisierten Folie bestehen zu können.A widely used area of application of this vapor deposition technique is the coating of plastic films, for example for food packaging. For example, DE 198 49 discloses 661 A1, to vapor-coat a special polyester film with aluminum, so that it has a high oxygen barrier, a good gloss and a low coefficient of friction. The adhesive strengths of up to 3 N / mm specified there are, however, too low to be able to exist in a mechanically stressed, functional application of the metallized film.
In der DE 43 12 926 A1 wird ein Verfahren zur Verbesserung der Haftfestigkeit von dentalen Metall-Kunststoff-Verbundschichten beschrieben. Dazu wird ein metallisches Substrat, auf dem bereits ein Polymer aufgebracht ist, mit einem speziellen Te-C02-Laser bestrahlt. Gegebenenfalls wird zusätzlich ein Haftvermittler verwendet. Eine Metallisierung von Kunststoffsubstraten wird hier nicht beschrieben.DE 43 12 926 A1 describes a method for improving the adhesive strength of dental metal-plastic composite layers. For this purpose, a metallic substrate, on which a polymer has already been applied, is irradiated with a special Te-C0 2 laser. If necessary, an adhesion promoter is also used. Metallization of plastic substrates is not described here.
Auch die DE 42 11 712 A1 beschreibt eine Bestrahlung der Oberfläche eines Substrates zur Verbesserung der Haftfestigkeiten mit einem Eximer-Laser. Eine PET (Polyethylenterephtha- lat)-Folie wird dabei mit diesem speziellen Laser bestrahlt, um anschließend mit einer ferro- magnetischen Metallschicht in Rahmen eines PVD-Verfahrens bedampft zu werden. Solche Folien finden unter anderem als Audio- oder Videoaufzeichnungsmedium Verwendung.DE 42 11 712 A1 also describes irradiating the surface of a substrate to improve the adhesive strength with an Eximer laser. A PET (polyethylene terephthalate) film is irradiated with this special laser so that it can subsequently be vapor-coated with a ferromagnetic metal layer using a PVD process. Such films are used inter alia as an audio or video recording medium.
Für spezielle Kunststoffe gibt es darüber hinaus ein Verfahren, bei dem die zu beschich- tenden Gegenstände zunächst mit geeigneten Substanzen gequollen und anschließend chemisch geätzt werden. Die erzielten Haftfestigkeiten der aufgebrachten Metallschicht auf dem Kunststoff liegen bei maximal 2 N/mm2.There is also a process for special plastics in which the objects to be coated are first swollen with suitable substances and then chemically etched. The achieved adhesive strength of the applied metal layer on the plastic is a maximum of 2 N / mm 2 .
Ein wesentlicher Nachteil bei diesem Verfahren ist die erhebliche Umweltbelastung durch die beiden chemischen Behandlungsmittel, so dass dieses Verfahren aus umweltpolitischen Gesichtpunkten nicht mehr lange angewandt werden kann.A major disadvantage of this process is the considerable environmental pollution caused by the two chemical treatment agents, so that this process can no longer be used from an environmental point of view.
Ein weiterentwickeltes Verfahren zur Metallisierung von Polyamiden, das auf dem oben beschriebenen Prinzip des Quellen der Oberfläche des Kunststoffsubstrats beruht aber kein Beizen mit Chromschwefelsäure vorsieht, wird in einem Artikel von G.D. Wolf und F. Fünger "Metallisierte Polyamid-Spritzgußteile", Kunststoffe, 1989, S. 442-447, vorgestellt. Die Oberfläche des amorphen Polyamids wird mit einer metallorganischen Aktivator-Lösung behandelt. Es schließt sich ein herkömmlicher Abscheidungsprozess einer chemisch Nickelschicht an. Nachteilig an dieser Art der Oberflächenbehandlung, die auf einer chemischen Reaktion der Behandlungslösung mit dem Substrat beruht, ist, dass die gequollenen Oberflächen sehr empfindlich gegen Umwelteinflüsse, wie zum Beispiel Staubeinlagerungen, sind. Des weiteren muss das zu behandelnde Polyamid amorph sein, da teilkristalline oder kristalline Polyamide von der vorgestellten Methode nicht angegriffen werden. Damit stellt diese Methode ein aufwendiges und nur begrenzt einsetzbares Verfahren dar, um haftfeste Verbundschichten zwischen polymeren Substrat und Metallschicht zu erreichen.A further developed process for the metallization of polyamides, which is based on the above-described principle of swelling the surface of the plastic substrate but does not provide for pickling with chromosulfuric acid, is described in an article by GD Wolf and F. Funger "Metallized polyamide injection molded parts", Kunststoffe, 1989, Pp. 442-447. The surface of the amorphous polyamide is treated with an organometallic activator solution. This is followed by a conventional chemical nickel plating process. The disadvantage of this type of surface treatment, which is based on a chemical reaction of the treatment solution with the substrate, is that the swollen surfaces are very sensitive to environmental influences, such as dust deposits. Furthermore, the polyamide to be treated must be amorphous, since it is partly crystalline or crystalline Polyamides are not attacked by the method presented. This method therefore represents a complex process which can only be used to a limited extent in order to achieve adhesive composite layers between the polymeric substrate and the metal layer.
Ferner ist aus der Dissertation von H. Sauer, Siegen 1999, bekannt, Verbundwerkstoffe aus einem Kunststoff und einer darauf befindlichen Metallschicht herzustellen, wobei vor dem Aufbringen der metallischen Schicht die Kunststoffoberfläche unter Verwendung eines Strahlmittels aufgerauht und danach mit einer speziellen Ethanol/Calciumcarbonatsuspen- sion behandelt wird. Solche Verbundwerkstoffe weisen eine außerordentlich hohe Haftfestigkeit der Metallschicht auf dem Kunststoffsubstrat auf.Furthermore, from the dissertation by H. Sauer, Siegen 1999, it is known to produce composite materials from a plastic and a metal layer thereon, the plastic surface being roughened using a blasting agent before the metallic layer is applied, and then with a special ethanol / calcium carbonate suspension is treated. Such composite materials have an extraordinarily high adhesive strength of the metal layer on the plastic substrate.
Allerdings sind mit dem dort beschriebenen Verfahren keine größeren Flächen im industriellen Maßstab herstellbar. Darüber hinaus haben die so erhältlichen Schichten den Nachteil, dass geringe Mengen an Kalziumcarbonat in der Grenzschicht zwischen Kunst- stoffsubstrat und Metallschicht verbleiben, so dass eine „Sollbruchstelle" entsteht. DieseHowever, no larger areas can be produced on an industrial scale with the method described there. In addition, the layers obtainable in this way have the disadvantage that small amounts of calcium carbonate remain in the boundary layer between the plastic substrate and the metal layer, so that a “predetermined breaking point” arises. This
„Sollbruchstelle" führt dazu, dass die Haftfestigkeit an verschiedenen Stellen eines Gegenstandes recht unterschiedlich ist. Diese Abweichungen führen dazu, dass die Stellen mit den geringsten Haftfestigkeiten bei mechanisch sehr hoch beanspruchten Gegenständen frühzeitig zu Defekten führen."Breakage point" leads to the fact that the adhesive strength at different points of an object is quite different. These deviations mean that the points with the lowest adhesive strengths lead to defects at an early stage in mechanically highly stressed objects.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Gegenstandes, der mechanisch extrem belastbar ist und dessen Oberfläche ganz oder teilweise einen Verbundwerkstoff, bestehend aus mindestens einem Polymer und einer Metallschicht, aufweist, der die zuvor geschilderten Nachteile des Standes der Technik überwindet.The object of the present invention is to provide an object which can be subjected to extremely high mechanical loads and whose surface, in whole or in part, has a composite material consisting of at least one polymer and a metal layer which overcomes the disadvantages of the prior art described above.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gegenstand, dessen Oberfläche ganz oder teilweise einen Verbundwerkstoff aufweist, wobei der Verbundwerkstoff aus einem nichtmetallischen Substrat, enthaltend mindestens ein Polymer, und einer darauf befindlichen außenstromlos abgeschiedenen metallischen Schicht mit einer Haftfestigkeit von mindestens 4 N/mm2 besteht, und wobei die zwischen nichtmetallischem Substrat und metallischer Schicht befindliche Grenzschicht einen durch EDX-Analyse eines Querschliffs bestimmten Kalziumgehalt von höchstens 0,5 Gew.-% aufweist, bezogen auf einen Analysebereich von 1 x 1 μm, dessen Mittelpunkt durch die Grenzschicht verläuft.The object is achieved according to the invention by an object, the surface of which has a composite material in whole or in part, the composite material consisting of a non-metallic substrate containing at least one polymer and an external currentlessly deposited metallic layer with an adhesive strength of at least 4 N / mm 2 , and wherein the boundary layer located between the non-metallic substrate and the metallic layer has a calcium content, determined by EDX analysis of a cross section, of at most 0.5% by weight, based on an analysis area of 1 × 1 μm, the center of which runs through the boundary layer.
Zu beachten ist, dass das nichtmetallische Substrat in einer allgemeinen Ausführungsform im wesentlichen keine Partikel aus Metalloxiden oder Metallen enthält. Das bedeutet, dass im Substrat im Querschliff in einer Tiefe von mehr als 10 μm unter der Grenze zwischen metallischer Schicht und nichtmetallischem Substrat keine entsprechenden Partikel analytisch mehr nachzuweisen sind.It should be noted that in a general embodiment the non-metallic substrate contains essentially no particles of metal oxides or metals. This means that in the cross-section substrate at a depth of more than 10 μm below the boundary between metallic layer and non-metallic substrate no corresponding particles can be detected analytically.
Dagegen ist es möglich, dass die Grenzschicht bis zu einer Tiefe von 10 μm Partikel aus Metalloxiden oder Metallen in geringen Mengen enthält, welche beispielsweise aus dem Strahlmittel zur Aufrauhung der nichtmetallischen Substratoberfläche stammen.In contrast, it is possible for the boundary layer to contain particles of metal oxides or metals in small quantities down to a depth of 10 μm, which particles originate, for example, from the blasting agent for roughening the non-metallic substrate surface.
Im Gegensatz dazu sind bei speziellen Ausführungsformen, in denen Glasfaser oder Keramik verstärkte Polymeren als nichtmetallisches Substrat verwendet werden, in dem ganzen nichtmetallischen Substrat Partikel von Metalloxiden im Querschliff nachzuweisen. Kommerzielle Beispiele solcher Glasfaser verstärkten Kunststoffe sind Grivory HTV-6H1 ,In contrast, in special embodiments in which glass-fiber or ceramic-reinforced polymers are used as the non-metallic substrate, particles of metal oxides in the cross-section are to be detected in the entire non-metallic substrate. Commercial examples of such glass fiber reinforced plastics are Grivory HTV-6H1,
Grivory HAT-PPA oder Grivory GM-4H der Firma EMS-GRIVORY. Kommerzielle Beispiele für Keramik verstärkte Kunststoffe sind Ryton BR111 und Ryton BR111BL der Firma Chevron Phillips Chemical Company LP.Grivory HAT-PPA or Grivory GM-4H from EMS-GRIVORY. Commercial examples of ceramic reinforced plastics are Ryton BR111 and Ryton BR111BL from Chevron Phillips Chemical Company LP.
Der Gegenstand kann - je nach eingesetztem polymerhaltigen Werkstoff - durch sogenannteThe object can - depending on the polymer-containing material used - by so-called
Rapid-Prototyping Verfahren, insbesondere durch Stereolithographie oder durch Lasersintern, hergestellt werden. Dadurch sind in kurzer Zeit komplexe Formen darstellbar, die gleichmäßig mit der außenstromlos abgeschiedenen metallischen Schicht konturgenau überzogen sind, ohne dass Verstärkungen im Kantenbereich oder Abschwächungen im Bereich von Vertiefungen oder Hinterschneidungen zu beobachten sind.Rapid prototyping processes, in particular by stereolithography or by laser sintering. As a result, complex shapes can be produced in a short time, which are coated evenly with the metallic layer deposited without external current, without reinforcements in the edge region or weakening in the region of depressions or undercuts.
Zur Bestimmung des Kalziumgehalts und der Rauhigkeitswerte Ra und Rz wird aus einem erfindungsgemäßen Gegenstand eine Probe entnommen und es wird ein Querschliff gemäß der nachfolgend angeführten Methode angefertigt.To determine the calcium content and the roughness values R a and R z , a sample is taken from an object according to the invention and a cross-section is made in accordance with the method described below.
In einer weiteren Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßer Gegenstand bevorzugt, dessen Oberfläche ganz oder teilweise einen Verbundwerkstoff aufweist, wobei dieser Verbundwerkstoff eine erste nichtmetallische Schicht und eine darauf aufgebrachte zweite metallische Schicht aufweist und wobei a) die Oberfläche des Gegenstands vor Aufbringen der außenstromlos abgeschiedenen metallischen Schicht nicht chemisch vorbehandelt wird; und b) die außenstromlos abgeschiedene metallische Schicht nicht durch thermisches Spritzen, CVD, PVD oder Laserbehandlung aufgebracht wird.In a further embodiment, an object according to the invention is preferred, the surface of which has a composite material in whole or in part, this composite material having a first non-metallic layer and a second metallic layer applied thereon, and wherein a) the surface of the object does not exist prior to application of the electrolessly deposited metallic layer is chemically pretreated; and b) the metal layer deposited without external current is not applied by thermal spraying, CVD, PVD or laser treatment.
Unter chemischer Vorbehandlung wird hier und im Folgenden als Abgrenzung zu mechanischen Behandlungen jede Behandlung einer Substratoberfläche verstanden, die durch Beizen, Ätzen, Quellen, Bedampfen, Plasma-Behandlung, Laserbehandlung oder ähnlichen Methoden durchgeführt wird und bei der eine Veränderung der Oberflächen durch eine chemische Reaktion hervorgerufen wird.Chemical pretreatment is understood here and below as a differentiation from mechanical treatments to any treatment of a substrate surface by pickling, etching, swelling, vapor deposition, plasma treatment, laser treatment or the like Methods is carried out and in which a change in the surface is caused by a chemical reaction.
Die Gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung weisen im Gegensatz zu den nach chemischer Vorbehandlung metallisierten Gegenständen des Standes der Technik eine raue, scharfkantige Grenzschicht zwischen der nichtmetallischen Schicht und der außenstromlos aufgebrachten metallischen Schicht auf. Diese scharfkantigen Ausbuchtungen und Hinterschneidungen der Grenzschicht sind als kantige Oberflächenkonturen beispielsweise in einer Querschliffanalyse deutlich erkennbar, deren Ausführung nachfolgend beschrieben wird. So sind sie von den eher runden, aber jedenfalls abgerundeten, Konturen zu unterscheiden, die durch eine chemische Vorbehandlung entstehen (Abbildung 2).In contrast to the prior art metallized articles after chemical pretreatment, the articles according to the present invention have a rough, sharp-edged boundary layer between the non-metallic layer and the metal layer applied without external current. These sharp-edged bulges and undercuts in the boundary layer are clearly recognizable as angular surface contours, for example in a cross-section analysis, the design of which is described below. In this way, they can be distinguished from the more rounded, but in any case rounded, contours that result from chemical pretreatment (Figure 2).
Bei der Querschliffanfertigung besteht die besondere Schwierigkeit, dass die Grenzfläche zwischen Substrat und Oberfläche durch die Bearbeitung sehr schnell zerstört oder abgelöst werden kann. Um dies zu vermeiden, wird bei jeder Querschliffanfertigung eine neue Trennscheibe der Firma Struer Typ 33TRE DSA Nr. 2493 verwendet. Darüber hinaus muss darauf geachtet werden, dass der Anpressdruck, der von der Trennscheibe auf die Substratbeschichtung übertragen wird, so gerichtet ist, dass die Kraft von der Beschichtung aus in Richtung Substrat verläuft. Bei der Trennung ist darauf zu achten, dass derIn cross-section production, there is a particular difficulty that the interface between the substrate and the surface can be very quickly destroyed or detached by processing. To avoid this, a new cutting wheel from Struer type 33TRE DSA No. 2493 is used for every cross-section production. In addition, care must be taken to ensure that the contact pressure that is transferred from the cutting disc to the substrate coating is directed so that the force runs from the coating towards the substrate. When separating, make sure that the
Anpressdruck so gering wie möglich gehalten wird.Contact pressure is kept as low as possible.
Die zu untersuchende Probe wird in eine transparente Einbettmasse (Epofixkitt, erhältlich von der Firma Struer) gegeben. Die eingebettete Probe wird an einer Tischschleifmaschine der Firma Struer, Typ KNUTH-ROTOR-2 geschliffen. Dabei werden verschiedene Schleifpapiere mit Siliziumcarbid und unterschiedlichen Körnungen verwendet. Die genaueThe sample to be examined is placed in a transparent investment material (Epofix putty, available from Struer). The embedded sample is ground on a table grinding machine from Struer, type KNUTH-ROTOR-2. Different sanding papers with silicon carbide and different grain sizes are used. The exact
Reihenfolge ist wie folgt:Order is as follows:
Während des Schleifvorgangs wird Wasser eingesetzt, um die Schleifpartikel abzutransportieren. Die Tangentialkraft, die am Querschnitt auftritt und durch Reibung entsteht, wird so gerichtet, dass die metallische Schicht gegen das nichtmetallische Substrat gedrückt wird. So wird wirksam verhindert, dass sich die metallische Schicht sich beim Schleifvorgang von dem nichtmetallischen Substrat ablöst.Water is used during the grinding process to remove the abrasive particles. The tangential force that occurs on the cross-section and arises from friction is directed so that the metallic layer is pressed against the non-metallic substrate. This effectively prevents the metallic layer from becoming detached from the non-metallic substrate during the grinding process.
Anschließend wird die so behandelte Probe mit einem motorbetriebenen Präparationsgerät des Typs DAP-A der Firma Struer poliert. Dabei wird nicht der übliche Probenbeweger verwendet, vielmehr wird die Probe ausschließlich von Hand poliert. Je nach zu polierendemThe sample treated in this way is then polished using a motor-operated preparation device of the DAP-A type from Struer. The usual sample winder is not used, rather the sample is only polished by hand. Depending on what is to be polished
Substrat wird eine Drehzahl zwischen 40 bis 60 U/min und eine Anpresskraft zwischen 5 und 10 N angewandt.Substrate a speed between 40 to 60 U / min and a pressing force between 5 and 10 N is applied.
Der Querschliff wird anschließend einer REM-Aufnahme unterzogen. Für die Bestimmung der Grenzlinienvergrößerung wird die Grenzlinie der Schicht zwischen nichtmetallischem Substrat und metallischer Oberfläche bei 10.000-facher Vergrößerung bestimmt. ZurThe cross section is then subjected to an SEM image. To determine the magnification of the boundary line, the boundary line of the layer between the non-metallic substrate and the metallic surface is determined at a magnification of 10,000 times. to
Auswertung wird das Programm OPTIMAS der Firma Wilhelm Mikroelektronik verwendet. Als Ergebnis werden X-Y-Wertepaare ermittelt, die die Grenzlinie zwischen Substrat und Schicht beschreiben. Zur Bestimmung der Grenzlinienvergrößerung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Strecke von mindestens 100 μm erforderlich. Dabei ist der Verlauf der Grenzlinie mit mindestens 10 Messpunkten pro μm zu bestimmen. Die Grenzlinienvergrößerung bestimmt sich aus dem Quotienten von wahrer Länge durch geometrische Länge. Die geometrische Länge entspricht dem Abstand der Messstrecke, das heißt zwischen dem ersten und letzten Messpunkt. Die wahre Länge ist die Länge der Linie, die durch alle aufgenommenen Messpunkte verläuft.Evaluation, the program OPTIMAS from Wilhelm Mikroelektronik is used. As a result, X-Y value pairs are determined that describe the boundary line between the substrate and the layer. A distance of at least 100 μm is required to determine the enlargement of the boundary line in the sense of the present invention. The course of the boundary line must be determined with at least 10 measuring points per μm. The enlargement of the boundary line is determined from the quotient of true length by geometric length. The geometric length corresponds to the distance of the measuring section, i.e. between the first and last measuring point. The true length is the length of the line that runs through all recorded measurement points.
Der Oberflächenrauheitswert Ra bestimmt sich nach der Norm DIN 4768 / ISO 4287/1 ebenfalls unter der Verwendung der zuvor aufgenommenen X-Y-Wertepaare.The surface roughness value R a is determined according to the DIN 4768 / ISO 4287/1 standard, also using the XY value pairs previously recorded.
Der Ra-Wert ist ein messtechnisch reproduzierbares Maß für die Rauhigkeit von Oberflä- chen, wobei Profil-Ausreißer (d.h. extreme Täler oder Hügel) durch die Flächenintegration weitgehend unberücksichtigt bleiben.The R a value is a measurement-reproducible measure of the roughness of surfaces, whereby profile outliers (ie extreme valleys or hills) are largely neglected due to the area integration.
Die Haftfestigkeiten (angegeben in N/mm2) der erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe werden ausschließlich anhand des Stirnzugversuchs nach DIN 50160 bestimmt: Der Stirnzugversuch (senkrechter Zugtest) nach DIN 50160 wird seit Jahren zur Prüfung vonThe adhesive strengths (specified in N / mm 2 ) of the composite materials according to the invention are determined exclusively on the basis of the forehead tensile test according to DIN 50160: the forehead tensile test (vertical tensile test) according to DIN 50160 has been used for years to test
Halbleitern, der Bestimmung der Haft-Zugfestigkeit thermisch gespritzter Schichten und bei verschiedenen Beschichtungstechnologien eingesetzt.Semiconductors, the determination of the adhesive tensile strength of thermally sprayed layers and used in various coating technologies.
Für die Bestimmung der Haftfestigkeit im Stirnzugversuch wird der zu prüfende Schicht/Substrat-Verbund zwischen zwei Prüfstempeln verklebt und unter einachsiger zügiger Kraft bis zum Bruch belastet (vgl. Abbildung 1). Ist die Haftfähigkeit des Klebstoffs größer als die der Beschichtung und erfolgt der Bruch zwischen Schicht und Substrat, so kann nach Gleichung F maxTo determine the adhesive strength in the forehead tensile test, the layer / substrate composite to be tested is glued between two test stamps and subjected to uniaxial brisk force until it breaks (see Figure 1). If the adhesive strength is greater than that of the coating and there is a break between the layer and the substrate, the equation can be used F max
° H exp ~ A° H exp ~ A
(mit 0H ex ^ experimentell erfassbare Haftfestigkeit, Fmax: Maximalkraft beim Bruch des Verbundes und AG: geometrische Bruchfläche) die Haftfestigkeit berechnet werden.(with 0H e x ^ experimentally detectable adhesive strength, F max : maximum force at break of the bond and A G : geometric fracture area) the adhesive strength can be calculated.
Bei den Grundwerkstoffen des Standes der Technik, die eine metallische Schicht auf einer mikrostrukturierten Kunststoffoberfläche halten, sind durch das Herstellungsverfahren bedingt Spuren aus Kalziumcarbonat nachweisbar. Diese Verunreinigungen werden durch die erforderliche Vorbehandlung mittels einer Suspension aus Ethanol und Kalziumcarbonat eingebracht. Eine mögliche Erklärung für die verbesserte Gleichmäßigkeit der Haftfestigkeit bei den Gegenständen gemäß der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, dass der verbleibende Anteil an Fremdbestandteilen so verringert ist, dass er nicht mehr als Trennmittel oder auch Trennschicht zwischen Kunststoffoberfläche und metallischer Schicht wirkt.In the case of the basic materials of the prior art, which hold a metallic layer on a microstructured plastic surface, traces of calcium carbonate can be detected due to the manufacturing process. These impurities are introduced through the required pretreatment using a suspension of ethanol and calcium carbonate. A possible explanation for the improved uniformity of the adhesive strength in the objects according to the present invention can be seen in the fact that the remaining proportion of foreign constituents is reduced in such a way that it no longer acts as a separating agent or separating layer between the plastic surface and the metallic layer.
Die Bestimmung des Anteils an Kalzium in der Grenzfläche erfolgt mittels EDX-Spektro- skopie.The proportion of calcium in the interface is determined using EDX spectroscopy.
Beispiel für einen solchen erfindungsgemäßen Gegenstand sind Pumpengehäuse und entsprechende Läufer (Pumpenrad) von Kraftstoffpumpen für die Automobilindustrie. Bei diesen Gegenständen handelt es sich um solche aus Thermoplasten, insbesondere aus Polyoxymethylen (POM) und Polyphenylensulfid (PPS). Besonders bevorzugt wird das Phenolharz PF verwendet. Nach der zuvor beschriebenen Vorbehandlung werden diese Kraftstoff pumpenteile außenstromlos mit einer Chemisch-Nickelschicht in einer Dicke von 5 μm überzogen. Die entsprechenden, erfindungsgemäßen Gegenstände zeichnen sich durch einen besonders hohen Korrosions- und Verschleißschutz aus. Die Standzeiten der so hergestellten Gegenstände sind - verglichen mit denen des Standes der Technik - um den Faktor 100 erhöht.Examples of such an object according to the invention are pump housings and corresponding rotors (impeller) of fuel pumps for the automotive industry. These objects are made of thermoplastics, in particular of polyoxymethylene (POM) and polyphenylene sulfide (PPS). The phenolic resin PF is particularly preferably used. After the pretreatment described above, these fuel pump parts are coated with a chemical nickel layer in a thickness of 5 μm without external current. The corresponding objects according to the invention are distinguished by a particularly high level of protection against corrosion and wear. The service life of the objects produced in this way is increased by a factor of 100 compared to that of the prior art.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Grenzschicht zwischen nichtmetallischem Substrat und metallischer Schicht eine Rauhigkeit mit einem Rz- Wert von höchstens 35 μm auf. Der Rz-Wert ist ein Maß für die durchschnittliche vertikale Oberflächenzerklüftung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das nichtmetallische Substrat mindestens ein faserverstärktes Polymer, insbesondere ein Kohlenstofffaser verstärktes Polymer, und der Durchmesser der Faser beträgt weniger als 10 μm. Gemäß einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die zwischen nichtmetallischem Substrat und metallischer Schicht befindliche Grenze eine Rauhigkeit mit einem Rz-Wert von höchstens 100 μm auf und das nichtmetallische Substrat enthält mindestens ein faserverstärktes Polymer, insbesondere ein Glasfaser verstärktes Polymer, wobei der Durchmesser der Faser mehr als 10 μm beträgt.In a preferred embodiment of the present invention, the boundary layer between the non-metallic substrate and the metallic layer has a roughness with an R z value of at most 35 μm. The R z value is a measure of the average vertical surface fissure. According to a further embodiment of the present invention, the non-metallic substrate contains at least one fiber-reinforced polymer, in particular a carbon fiber-reinforced polymer, and the diameter of the fiber is less than 10 μm. According to a further, likewise preferred embodiment of the present invention, the boundary between the non-metallic substrate and the metallic layer has a roughness with an R z value of at most 100 μm and the non-metallic substrate contains at least one fiber-reinforced polymer, in particular a glass fiber-reinforced polymer, wherein the diameter of the fiber is more than 10 μm.
Gerade für den Einsatz von faserverstärkten Polymeren, deren Faserstärke mehr als 10 μm beträgt, ist es wichtig, möglichst geringe Rz-Werte zu erzi elen. Bei dieser Kombination ist es überraschenderweise möglich, hohe Haftfestigkeiten be - im Verhältnis den verwendeten großen Faserdurchmessern - geringen Rz-Werten zu erz elen.Especially for the use of fiber-reinforced polymers with a fiber thickness of more than 10 μm, it is important to achieve the lowest possible R z values. With this combination it is surprisingly possible to achieve high adhesive strengths - in relation to the large fiber diameters used - of low R z values.
Sofern die Verbundwerkstoffe nicht nur thermischen Beanspruchungen unterliegen sondern auch mechanischen werden besonders bevorzugt verstärkte Kunststoffe eingesetzt, insbesondere Kohlenstofffaser verstärkte Kunststoffe (CFK), Glasfaser verstärkte Kunststoffe (GFK), auch durch Aramitfasern verstärkte Kunststoffe oder Mineralfaser verstärkte Kunststoffe. Mit der Bereitstellung dieser Gegenstände wird eine hohe Steifigkeit der resultierendenInsofar as the composite materials are not only subject to thermal stresses, but also mechanical reinforced plastics are particularly preferably used, in particular carbon fiber reinforced plastics (CFRP), glass fiber reinforced plastics (GFK), plastics reinforced by aramid fibers or plastics reinforced by mineral fibers. With the provision of these items, a high stiffness will result
Bauteile bei geringem Gewicht erzielt, die aufgrund ihrer geringen Kosten für den industriellen Einsatz interessant sind. Insbesondere Glasfaser verstärkte Polymere als Bestandteil des nichtmetallischen Substrates, die Fasern mit einem Durchmesser größer als 10 μm aufweisen, sind sehr preiswert und gut zu verarbeiten. Der Faserdurchmesser hat einen großen Einfluss auf die Rauhigkeitswerte, so dass bei solchen Werkstoffen gemäß der vorliegenden Erfindung ein Rauhigkeitswert Ra von höchstens 10 μm erzielt wird. Gleichzeitig ist es erfindungsgemäß möglich, ausgezeichnete Werte für die Haftfestigkeit zu erzielen. Darüber hinaus weisen die erfindungsgemäßen Gegenstände eine hohe Gleichmäßigkeit der Haftung auf. Dies ermöglicht erstmals, die Lebensdauer für das beanspruchte Bauteil deutlich zu erhöhen. Denn bereits eine lokale Delamination des Schichtenverbundes führt zu einem Versagen des gesamten Bauteils. Besonders gravierend ist der Vorteil bei Bauteilen mit einer durch den Schichtenverbund bedeckten Oberfläche von mehr als 10 dm2, also bei großen Bauteilen bzw. Bauteilen mit einer großen Oberfläche. Auf diese Weise werden Gegenstände von hoher Steifigkeit bei sehr geringem Gewicht erhalten, die eine ausgezeichnete Haftung der metallischen Schicht zeigen. DiesesComponents achieved with low weight, which are interesting for their industrial use due to their low costs. In particular, glass fiber-reinforced polymers as part of the non-metallic substrate, which have fibers with a diameter greater than 10 μm, are very inexpensive and easy to process. The fiber diameter has a great influence on the roughness, so that in such materials the present invention is achieved a roughness value R a of at most 10 microns in accordance with. At the same time, it is possible according to the invention to achieve excellent values for the adhesive strength. In addition, the objects according to the invention have a high uniformity of adhesion. For the first time, this makes it possible to significantly increase the service life for the stressed component. Because even local delamination of the layer composite leads to failure of the entire component. The advantage is particularly serious in the case of components with a surface covered by the layer composite of more than 10 dm 2 , that is to say in the case of large components or components with a large surface. In this way, articles of high rigidity and very low weight are obtained, which show excellent adhesion of the metallic layer. This
Eigenschaftsprofil ist für einen weiten Bereich der technischen Anwendungen interessant, wie zum Beispiel für die Luft- und Raumfahrtindustrie und für die Automobilindustrie. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das nichtmetallische Substrat zugleich die Oberfläche des Gegenstands. Bevorzugt basieren diese Oberflächen auf einem polymeren Werkstoff. Als besonders bevorzugt sind faserverstärkte Kunststoffe, Thermoplaste und andere, industriell verwendete Polymere zu nennen.Property profile is interesting for a wide range of technical applications, such as the aerospace industry and the automotive industry. According to a preferred embodiment, the non-metallic substrate is also the surface of the object. These surfaces are preferably based on a polymeric material. Fiber-reinforced plastics, thermoplastics and other industrially used polymers are particularly preferred.
Gleichermaßen ist es aber auch möglich, Gegenstände zu verwenden, deren nichtmetaili- sches Substrat nicht die Oberfläche des Gegenstands ist. So kann der Gegenstand aus einem metallischen oder keramischen Werkstoff bestehen, der mit einem nichtmetallischen Substrat überzogen ist, das mindestens ein Polymer enthält. Beispiele für solche Substrate sind lackierte Bauteile (z.B. EX-Schutz für lackierte Gegenstände) und anodisierte oder hartanodisierte Aluminiumbauteile mit einer auf der Konversionsschicht befindlichen Polymerschicht.Equally, however, it is also possible to use objects whose non-detail substrate is not the surface of the object. Thus, the object can consist of a metallic or ceramic material that is coated with a non-metallic substrate that contains at least one polymer. Examples of such substrates are painted components (e.g. EX protection for painted objects) and anodized or hard anodized aluminum components with a polymer layer on the conversion layer.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Standardabweichung der Haftfestigkeit der metallischen Schicht an sechs verschiedenen, über die Oberfläche des Verbundwerkstoffes verteilten Messwerte höchstens 25 %, insbesondere höchsten 15 %, des arithmetischen Mittelwerts. Auf diese Weise ist eine noch höhere mechanische Beanspruchbarkeit der resultierenden Bauteile gewährleistet.According to a preferred embodiment, the standard deviation of the adhesive strength of the metallic layer at six different measured values distributed over the surface of the composite material is at most 25%, in particular at most 15%, of the arithmetic mean. In this way, the resulting components can be subjected to even greater mechanical stress.
Das Polymer des nichtmetallischen Substrates wird bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe von Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyamid, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Epoxidharzen, Polyetheretherketon, Polyoxymethylen, Polyformaldehyd, Polyacetal, Poly- urethan, Polyetherimid, Polyphenylsulfon, Polyphenylensulfid, Polyarylamid, Polycarbonat und Polyimid.The polymer of the non-metallic substrate is preferably selected from the group of polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyamide, polyethylene, polyvinyl chloride, polystyrene, epoxy resins, polyether ether ketone, polyoxymethylene, polyformaldehyde, polyacetal, polyurethane, polyetherimide, polyphenylsulfone, polyphenylene sulfide, polyarylamide and polyarylamide, polycarbonate.
In den Fällen, in denen die nichtmetallische Schicht entweder Polypropylen und/oder Polytetrafluorethylen enthält, werden Haftfestigkeiten von mindestens 5 N/mm2 erzielt. Dies stellt einen ausgezeichneten Wert dar, insbesondere in Verbindung mit der hohen Gleich- mäßigkeit der Haftfestigkeit, die bisher nicht erzielt werden konnte.In cases where the non-metallic layer contains either polypropylene and / or polytetrafluoroethylene, adhesive strengths of at least 5 N / mm 2 are achieved. This represents an excellent value, especially in connection with the high uniformity of the adhesive strength, which could not be achieved so far.
Somit ist es erstmals möglich, Gegenstände mit einem Verbundwerkstoff bereitzustellen, die besondere Eigenschaften in bezug auf ihre Benetzbarkeit, ihre Durchlässigkeit für bestimmte Stoffe (Permeabilität) oder auch in bezug auf ihre Verträglichkeit mit Blut und Blutplasma zeigen. Eine mögliche Anwendung könnten solche Gegenstände aus Polytetrafluorethylen zum Beispiel in der Medizintechnik, als Membrane für Pumpen oder in derIt is thus possible for the first time to provide articles with a composite material which have special properties with regard to their wettability, their permeability to certain substances (permeability) or also with regard to their compatibility with blood and blood plasma. Such objects made of polytetrafluoroethylene could be used, for example, in medical technology, as a membrane for pumps or in
Brennsloffzellentechnik finden. Gemäß einer weiteren, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die außenstromlos abgeschiedene Metallschicht eine Metalllegierung oder Metalldispersionsschicht.Find fuel cell technology. According to a further, likewise preferred embodiment of the present invention, the metal layer deposited without external current is a metal alloy or metal dispersion layer.
Auf diese Weisen können erstmals Gegenstände mit einem Verbundwerkstoff bereitgestellt werden, die eine ausgezeichnete Haftung der metallischen Schicht auf dem nichtmetallischen Substrat aufweisen. Auch die Gleichmäßigkeit der Haftung der metallischen Schicht spielt eine wesentliche Rolle für die Eignung dieser Gegenstände als stark beanspruchte Bauteile für industrielle Maschinen. Eine gezielte Auswahl des nichtmetallischen Substrates und der darauf befindlichen metallischen Schicht ermöglicht eine exakte Anpassung des Eigenschaftsprofils an die Bedingungen des Einsatzgebietes. So ist es zumIn this way, objects with a composite material can be provided for the first time which have excellent adhesion of the metallic layer to the non-metallic substrate. The uniformity of the adhesion of the metallic layer also plays an important role in the suitability of these objects as highly stressed components for industrial machines. A targeted selection of the non-metallic substrate and the metallic layer on it enables an exact adaptation of the property profile to the conditions of the area of application. So it is for
Beispiel wichtig, bei CFK-Walzen, die in einer Länge zwischen 1.000 und 12.000 mm verwendet werden, mit einer über die gesamte Länge konstanten Linienlast eine genau definierte Haftfestigkeit einzustellen, damit die Walze den Anforderungen für die gesamte Lebensdauer standhält.For example, it is important to set a precisely defined adhesive strength for CFRP rollers that are used in a length between 1,000 and 12,000 mm with a line load that is constant over the entire length, so that the roller withstands the requirements for the entire service life.
Besonders bevorzugt wird auf das nichtmetallische Substrat des erfindungsgemäßenParticular preference is given to the non-metallic substrate of the invention
Gegenstands als außenstromlos abgeschiedene Metallschicht eine Kupfer-, Nickel- oderA copper, nickel or
Goldschicht aufgebracht.Gold layer applied.
Es kann aber auch eine außenstromlos abgeschiedene Metalllegierung oder Metalldispersionsschicht aufgebracht werden, bevorzugt eine Kupfer-, Nickel- oder Goldschicht mit eingelagerten nichtmetallischen Partikeln. Dabei können die nichtmetallischen Partikel eine Härte von mehr als 1.500 HV aufweisen und ausgewählt sein aus der Gruppe von Siliziumcarbid, Korund, Diamant und Tetraborcarbid. Diese Dispersionsschichten weisen somit neben den zuvor beschriebenen Eigenschaften weitere Funktionen auf, beispielsweise kann die Verschleißbeständigkeit, Oberflächen- benetzung oder Notlaufeigenschaft der erfindungsgemäßen Gegenstände verbessert werden.However, a metal alloy or metal dispersion layer deposited without external current can also be applied, preferably a copper, nickel or gold layer with embedded non-metallic particles. The non-metallic particles can have a hardness of more than 1,500 HV and can be selected from the group of silicon carbide, corundum, diamond and tetraborarbide. In addition to the properties described above, these dispersion layers therefore have further functions, for example the wear resistance, surface wetting or emergency running properties of the objects according to the invention can be improved.
Ebenfalls bevorzugt können die nichtmetallischen Partikel reibungsvermindemde Eigenschaften aufweisen und ausgewählt sein aus der Gruppe von Polytetrafluorethylen, Molybdänsulfid, kubisches Bornitrid und Zinnsulfid.The non-metallic particles can also preferably have friction-reducing properties and be selected from the group of polytetrafluoroethylene, molybdenum sulfide, cubic boron nitride and tin sulfide.
In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf der außenstromlos abgeschiedenen metallischen Schicht des erfindungsgemäßenIn a further, particularly preferred embodiment of the present invention, the metallic layer of the invention is deposited on the electrolessly deposited metal layer
Gegenstands eine Schicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen aufgebracht, deren Oberfläche anodisch oxidiert oder keramisiert ist. Solche auf anodischem Wege oxidierten oder keramisierten Schichten aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen sind auf metallischen Gegenständen bekannt und werden beispielsweise unter der Bezeichnung Hart-Coat® oder Kepla-Coat® von der Firma AHC Oberflächentechnik GmbH & Co. OHG vertrieben. Diese Schichten zeichnen sich durch eine besonders hohe Härte und einen hohen Betriebswiderstand und über mechanischenObject applied a layer of aluminum, titanium or their alloys, the surface of which is anodized or ceramized. Such anodically oxidized or ceramicized layers of aluminum, titanium or their alloys are known on metallic objects and are sold for example under the name Hart-Coat ® or Kepla-Coat ® by the company AHC Oberflächentechnik GmbH & Co. OHG. These layers are characterized by a particularly high hardness and a high operating resistance and mechanical
Beanspruchungen.Stresses.
Zwischen der außenstromlos abgeschiedenen metallischen Schicht des erfindungsgemäßen Gegenstands und der Schicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen können noch eine oder mehrere weitere metallische Schichten angeordnet sein.One or more further metallic layers can be arranged between the metallic layer of the object according to the invention deposited without external current and the layer of aluminum, titanium or their alloys.
Die weiteren, zwischen der stromlos abgeschiedenen Schicht und der Aluminiumschicht angeordneten metallischen Schichten sind je nach Einsatzzweck ausgewählt. Auswahl solcher Zwischenschichten ist dem Fachmann gut bekannt und beispielsweise in dem Buch „Die AHC-Oberfläche - Handbuch für Konstruktion und Fertigung" 4. erweiterte Auflage 1999 beschrieben.The further metallic layers arranged between the electrolessly deposited layer and the aluminum layer are selected depending on the intended use. The choice of such intermediate layers is well known to the person skilled in the art and is described, for example, in the book "The AHC Surface - Manual for Construction and Manufacturing", 4th extended edition 1999.
Ebenso ist es möglich, dass die Oberfläche eines solchen Gegenstands eine durch Fremdioneneinlagerung schwarz gefärbte, keramische Oxidschicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen ist. Die durch Fremdionen schwarz gefärbte keramische Oxidschicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen ist für hochwertige optische Elemente von besonderem Interesse, insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie.It is also possible for the surface of such an object to be a ceramic oxide layer made of aluminum, titanium or their alloys, which is colored black by the inclusion of foreign ions. The ceramic oxide layer made of aluminum, titanium or their alloys, colored black by foreign ions, is of particular interest for high-quality optical elements, especially in the aerospace industry.
Die Herstellung von durch Fremdioneneinlagerung schwarz gefärbten keramischen Oxidschichten ist beispielsweise in der US-A-5035781 oder US-A-5075178 beschrieben. Die Erzeugung von Oxidkeramikschichten auf Aluminium oder Titan ist beispielsweise in derThe production of ceramic oxide layers colored black by foreign ion incorporation is described, for example, in US-A-5035781 or US-A-5075178. The production of oxide ceramic layers on aluminum or titanium is for example in the
EP 0 545 230 B1 beschrieben. Die Herstellung von anodisch erzeugten Oxidschichten auf Aluminium ist beispielweise in der EP 0 112 439 B1 beschrieben.EP 0 545 230 B1. The production of anodically produced oxide layers on aluminum is described for example in EP 0 112 439 B1.
Die Gegenstände der vorliegenden Erfindung werden besonders bevorzugt mit Hilfe eines speziellen Verfahrens erhalten, das die folgenden Schritte umfasst: i. die Oberfläche der nichtmetallischen Schicht wird vor Aufbringen der außenstromlos aufgebrachten metallischen Schicht nicht chemisch vorbehandelt; ii. die Oberfläche der nichtmetallischen Schicht wird in einem ersten Schritt mittels eines Strahlmittels mikrostrukturiert; in. die metallische Schicht wird anschließend durch außenstromlose Metallab- scheidung aufgebracht. Die Gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung weisen als Verbundwerkstoff zunächst ein nichtmetallisches Substrat auf, das mindestens ein Polymer enthält. Zur Herstellung des Verbundwerkstoffes gemäß der Erfindung wird die Oberfläche des nichtmetailischen Substrates in einem ersten Schritt mittels einer Strahlbehandlung mikrostrukturiert. Das verwendete Verfahren ist zum Beispiel in der DE 197 29 891 A1 beschrieben. AlsThe objects of the present invention are particularly preferably obtained using a special method which comprises the following steps: i. the surface of the non-metallic layer is not chemically pretreated before the metallic layer is applied without external current; ii. the surface of the non-metallic layer is microstructured in a first step by means of a blasting agent; in. the metallic layer is then applied by electroless metal deposition. The objects according to the present invention initially have a non-metallic substrate as a composite material which contains at least one polymer. To produce the composite material according to the invention, the surface of the non-detail substrate is microstructured in a first step by means of a blasting treatment. The method used is described for example in DE 197 29 891 A1. As
Strahlmittel werden besonders verschleißbeständige, anorganische Partikel verwendet. Bevorzugt handelt es um Kupfer-Aluminiumoxid oder Siliziumcarbid. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass das Strahlmittel eine Partikelgröße zwischen 30 und 300 μm aufweist. Weitere geeignete Strahlmittel sind Stahl und Aluminium in unterschiedlicher Zusammensetzung und Körnung, Glasstrahlperlen, Korund, Keramikperlen, Kunststoffharze,Abrasives are particularly wear-resistant, inorganic particles. It is preferably copper-aluminum oxide or silicon carbide. It has proven to be advantageous that the blasting agent has a particle size between 30 and 300 μm. Other suitable blasting agents are steel and aluminum in different compositions and grain sizes, glass blasting beads, corundum, ceramic beads, plastic resins,
Siliziumcarbid, Nussschalen und andere, dem Fachmann bekannte Strahlmittel. Dort ist weiterhin beschrieben, dass auf die so aufgerauhten Oberflächen eine Metallschicht aufgebracht werden kann mittels einer außenstromlosen Metallabscheidung.Silicon carbide, nutshells and other blasting media known to the person skilled in the art. It is further described there that a metal layer can be applied to the roughened surfaces by means of a metal deposition without external current.
Wie bereits die Verfahrensbezeichnung aussagt, wird bei der außenstromlosen Metallabscheidung während des Beschichtungsprozesses keine elektrische Energie von außen zugeführt sondern die Metallschicht wird ausschließlich durch eine chemische Relation abgeschieden. Die Metallisierung von nichtleitenden Kunststoffen in einer chemisch reduktiv arbeitenden Metallsalzlösung benötigt einen Katalysator an der Oberfläche, um an diesem das metastabile Gleichgewicht des Metallreduktionsbades zu stören und an der Oberfläche des Katalysators Metall abzuscheiden. Dieser Katalysator besteht aus Edelmetallkeimen wie Palladium, Silber, Gold und vereinzelt Kupfer, die auf der Kunststoffoberfläche aus einem Aktivatorbad angelagert werden. Bevorzugt wird, verfahrenstechnisch begründet, jedoch eine Aktivierung mit Palladiumkeimen.As the process designation already says, in the case of metal deposition without external current, no electrical energy is supplied from the outside during the coating process, but the metal layer is only deposited by a chemical relation. The metallization of non-conductive plastics in a chemically reductive metal salt solution requires a catalyst on the surface in order to disrupt the metastable balance of the metal reduction bath and to deposit metal on the surface of the catalyst. This catalyst consists of precious metal nuclei such as palladium, silver, gold and occasionally copper, which are deposited on the plastic surface from an activator bath. It is preferred, based on process engineering, however, activation with palladium seeds.
Im wesentlichen erfolgt die Aktivierung der Substratoberfläche in zwei Schritten. In einem ersten Schritt wird das Bauteil in eine kolloidale Lösung (Aktivatorbad) eingetaucht. Dabei werden die für eine Metallisierung notwendigen, bereits in der Aktivatorlösung vorhandenen Palladiumkeime an der Kunststoffoberfläche adsorbiert. Nach der Bekeimung wird durch Spülen in einer alkalischen, wäßrigen Lösung (Konditionierung) das sich beim Eintauchen in die kolloidalen Lösung zusätzlich gebildete Zinn-Il- bzw. Zinn-IV-Oxidhydrat aufgelöst und dadurch der Palladiumkeim freigelegt. Nach dem Spülen kann mit chemischen Reduktionsbädern vernickelt oder verkupfert werden.Essentially, the substrate surface is activated in two steps. In a first step, the component is immersed in a colloidal solution (activator bath). The palladium nuclei that are necessary for metallization and are already present in the activator solution are adsorbed on the plastic surface. After germination, the tin-II or tin-IV oxide hydrate additionally formed when immersed in the colloidal solution is dissolved by rinsing in an alkaline, aqueous solution (conditioning) and the palladium seed is thereby exposed. After rinsing, chemical reduction baths can be nickel-plated or copper-plated.
Dies erfolgt in einem durch einen Stabilisator im metastabilen Gleichgewicht gehaltenen Bad, welches sowohl das Metallsalz als auch das Reduktionsmittel enthält. Die Bäder für die Nickel- bzw. Kupferabscheidung haben die Eigenschaft, die in ihnen gelösten Metallionen an den Keimen zu reduzieren und elementares Nickel oder Kupfer abzuscheiden. Im Beschichtungsbad müssen sich die beiden Reaktionspartner den Edelmetallkeimen an der Kunststoffoberfläche nähern. Durch die hierdurch stattfindende Redoxreaktion entsteht die Leitschicht, wobei die Edelmetallkeime dabei die Elektronen des Reduktionsmittels aufnehmen und sie bei Annäherung eines Metallions wieder abgeben. Bei dieser Reaktion wird Wasserstoff freigesetzt. Nachdem die Palladiumkeime mit Nickel bzw. Kupfer überzogen wurden, übernimmt die aufgebrachte Schicht die katalytische Wirkung. Dies bedeutet, dass die Schicht von den Palladiumkeimen aus zusammenwächst, bis sie völlig geschlossen ist. Exemplarisch wird an dieser Stelle auf die Abscheidung von Nickel eingegangen. BeimThis is done in a bath kept in a metastable equilibrium by a stabilizer, which contains both the metal salt and the reducing agent. The baths for the nickel or copper deposition have the property of the metal ions dissolved in them reduce germs and deposit elemental nickel or copper. In the coating bath, the two reactants have to approach the noble metal nuclei on the plastic surface. The resulting redox reaction creates the conductive layer, the noble metal nuclei taking up the electrons of the reducing agent and releasing them again when a metal ion approaches. This reaction releases hydrogen. After the palladium nuclei have been coated with nickel or copper, the applied layer takes on the catalytic effect. This means that the layer grows together from the palladium seeds until it is completely closed. The deposition of nickel is dealt with here as an example. At the
Beschichten mit Nickel wird die bekeimte und konditionierte Kunststoffoberfläche in ein Nickelmetallsalzbad eingetaucht, welches in einem Temperaturbereich zwischen 82°C und 94°C eine chemische Reaktion zulässt. Der Elektrolyt ist im allgemeinen eine schwache Säure mit einem pH-Wert, der zwischen 4,4 und 4,9 liegt.Coating with nickel, the germinated and conditioned plastic surface is immersed in a nickel metal salt bath, which allows a chemical reaction in a temperature range between 82 ° C and 94 ° C. The electrolyte is generally a weak acid with a pH between 4.4 and 4.9.
Die aufgebrachten dünnen Nickelüberzüge können mit einer elektrolytisch abgeschiedenen Metallschicht verstärkt werden. Eine Beschichtung von Bauteilen mit Schichtendicken > 25 μm ist aufgrund der niedrigen Abscheidungsgeschwindigkeit chemischer Beschich- tungsprozesse nicht wirtschaftlich. Weiterhin können mit den chemischen Beschichtungspro- zessen nur wenige Beschichtungswerkstoffe abgeschieden werden, so dass es vorteilhaft ist, für weitere technisch wichtige Schichtwerkstoffe auf elektrolytische Verfahren zurückzugreifen. Ein weiterer wesentlicher Punkt sind die unterschiedlichen Eigenschaften chemisch und elektrolytisch abgeschiedener Schichten bei Schichtstärken > 25 μm, beispielsweise Einebnung, Härte und Glanz. Die Grundlagen der elektrolytischen Metall- abscheidung sind in B. Gaida, „Einführung in die Galvanotechnik", E.G. Leuze-Verlag, Saul- gau, 1988 oder in H. Simon, M. Thoma, „Angewandte Oberflächentechnik für metallische Werkstoffe", C. Hanser-Verlag, München (1985) beschrieben.The thin nickel coatings applied can be reinforced with an electrolytically deposited metal layer. Coating components with layer thicknesses> 25 μm is not economical due to the low deposition rate of chemical coating processes. Furthermore, only a few coating materials can be deposited with the chemical coating processes, so that it is advantageous to use electrolytic processes for other technically important coating materials. Another important point is the different properties of chemically and electrolytically deposited layers with layer thicknesses> 25 μm, for example leveling, hardness and gloss. The basics of electrolytic metal deposition can be found in B. Gaida, "Introduction to electroplating", EG Leuze-Verlag, Saulgau, 1988 or in H. Simon, M. Thoma, "Applied surface technology for metallic materials", C. Hanser-Verlag, Munich (1985).
Kunststoffteile, die durch einen außenstromlosen Beschichtungsprozess eine elektrisch leitende Schicht aufweisen, unterscheiden sich hinsichtlich der elektrolytischen Metallisie- rung nur unwesentlich von denen der Metalle. Trotzdem sollten einige Punkte bei der elektrolytischen Metallisierung von metallisierten Kunststoffen nicht außer acht gelassen werden. Aufgrund der meist geringen Leitschichtstärke muss die Stromdichte zu Beginn der elektrolytischen Abscheidung reduziert werden. Wird dieser Punkt nicht beachtet, kann es zum Ablösen und zum Verbrennen der Leitschicht kommen. Ferner sollte darauf geachtet werden, dass störende Anlaufschichten mit speziell dafür geeigneten Dekapierbädern entfernt werden. Weiterhin können Eigenspannungen zum Zerstören der Schicht führen. Bei der Abscheidung von Nickelschichten aus einem ammoniakalischen Bad können bei- spielsweise Zugspannungen in der Größenordnung von 400 bis 500 MPa auftreten. Durch Zusätze, wie Saccharin und Butindiol, kann eine Veränderung der Struktur der Nickelüberzüge in Form einer veränderten Korngröße und Bildung von Mikrodeformationen den Abbau von inneren Spannungen begünstigen, was sich auf ein mögliches vorzeitiges Versagen bei der Beschichtung positiv auswirken kann.Plastic parts that have an electrically conductive layer due to an electroless coating process differ only insignificantly from those of the metals in terms of electrolytic metallization. Nevertheless, some points should not be neglected in the electrolytic metallization of metallized plastics. Due to the mostly low conductive layer thickness, the current density must be reduced at the beginning of the electrolytic deposition. If this point is not observed, the conductive layer may peel off and burn. Furthermore, care should be taken to ensure that annoying tarnish layers are removed using specially designed paper baths. Furthermore, residual stresses can destroy the layer. When depositing nickel layers from an ammoniacal bath, tensile stresses of the order of 400 to 500 MPa occur, for example. Using additives such as saccharin and butynediol, a change in the structure of the nickel coatings in the form of a changed grain size and the formation of micro-deformations can promote the reduction of internal stresses, which can have a positive effect on a possible premature coating failure.
Beispiele für außenstromlos aufgebrachte Metallschichten sind in dem Handbuch der Firma AHC Oberflächentechnik ausführlich beschrieben („Die AHC-Oberfläche" Handbuch für Konstruktion und Fertigung, 4. Auflage, 1999).Examples of metal layers applied without external current are described in detail in the manual of the company AHC Oberflächentechnik ("The AHC surface" manual for construction and manufacture, 4th edition, 1999).
Auf der metallischen Schicht des erfindungsgemäßen Gegenstands können noch eine oder mehrere weitere Schichten, insbesondere metallische, keramische sowie vernetzte oder gehärtete Polymerschichten angeordnet sein.One or more further layers, in particular metallic, ceramic, as well as crosslinked or hardened polymer layers, can be arranged on the metallic layer of the object according to the invention.
So ist es zum Beispiel möglich, auf einer außenstromlos abgeschiedenen Nickelschicht als metallische Schicht der vorliegenden Erfindung eine weitere, elektrolytisch abgeschiedene Nickelschicht aufzubringen und darauf eine Chromschicht abzuscheiden. Die so erhaltenen Oberflächen können auf Walzen aufgebracht werden, die eine hohe Oberflächengüte und eine hohe mechanische Belastbarkeit aufweisen müssen. Die elektrolytische Abscheidung der zweiten Nickelschicht wird vorgenommen, um größere Schichtdicken kostengünstig herstellen zu können.For example, it is possible to apply a further electrolytically deposited nickel layer to a nickel layer deposited without external current as the metallic layer of the present invention and to deposit a chrome layer thereon. The surfaces obtained in this way can be applied to rollers which must have a high surface quality and a high mechanical strength. The electrolytic deposition of the second nickel layer is carried out in order to be able to produce larger layer thicknesses inexpensively.
Des weiteren können die Gegenstände der vorliegenden Erfindung als metallische Schicht eine Kupferschicht aufweisen, auf die anschließend eine Zinn- oder eine weitere Kupfer- Schicht aufgebracht werden kann. Anschließend wird zum Beispiel eine Goldschicht auf die bereits vorhandenen Metallschichten appliziert. Solche Beschichtungen können ihre Anwendung zum Beispiel zur EMV-Abschirmung elektronischer Bauteile oder zur Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit der beschichteten Gegenstände finden.Furthermore, the objects of the present invention can have a copper layer as a metallic layer, to which a tin or a further copper layer can subsequently be applied. Then, for example, a gold layer is applied to the existing metal layers. Such coatings can be used, for example, for EMC shielding of electronic components or to improve the thermal conductivity of the coated objects.
Auch können die Gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung eine Nickelschicht als metallische Schicht aufweisen, auf die eine weitere Nickelschicht aufgebracht wird. Auf diese Weise ist es möglich, eine hohe Steifigkeit der resultierenden Kunststoffteile zu erreichen und so eine Anwendung für mechanisch stark beanspruchte Komponenten wie beispielsweise für Zahnräder, Aufhängungen oder Gehäuseteile zu gewährleisten. Ferner kann als metallische Schicht auf einem Gegenstand gemäß der vorliegendenThe objects according to the present invention can also have a nickel layer as a metallic layer, to which a further nickel layer is applied. In this way it is possible to achieve a high degree of rigidity of the resulting plastic parts and thus to ensure an application for mechanically stressed components such as for example for gear wheels, suspensions or housing parts. Furthermore, as a metallic layer on an object according to the present
Erfindung eine Kupferschicht vorliegen, die mit einer Nickelschicht und anschließend mit einer Chromschicht überzogen sein kann. Eine mögliche Anwendung eines solchen Gegen- Standes besteht darin, als schnell positionierbarer Spiegel in Kopierern und in der Lasertechnik eingesetzt zu werden.Invention present a copper layer which can be coated with a nickel layer and then with a chrome layer. A possible application of such a counter Standes consists of being used as a quickly positionable mirror in copiers and in laser technology.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann auf eine außenstromlos abgeschiedenen Nickelschicht ein Epoxyharz aufgebracht werden. Die Oberfläche dieses Epoxyharzes wird anschließend erneut mit einer Nickelschicht überzogen. Auf diese Weise können gegenüber Kohlenwasserstoffen auch unter hohem Druck diffusionsbeständige Bauteile für die petrochemische Industrie hergestellt werden, wie zum Beispiel Rohre und Gehäuse zur vollständigen Aufnahme von Pumpen.In a further application example of the present invention, an epoxy resin can be applied to a nickel layer deposited without external current. The surface of this epoxy resin is then covered again with a nickel layer. In this way, diffusion-resistant components for the petrochemical industry can be produced against hydrocarbons, such as pipes and housings for the complete absorption of pumps, even under high pressure.
Eine besonders industriell bevorzugte Ausführungsform sind Filtergehäuse für Hochfrequenz-Komponenten in der Telekommunikationsindustrie, insbesondere für die Sendemasteneinheit auf dem Mobilfunksektor. Hierbei handelt es sich um Gegenstände aus PPS/PEI, deren gesamte Oberfläche zuerst mit einer chemisch, außenstromlos aufge- brachten Nickel/Phosphor-Legierung in einer Schichtdicke von 6 μm und anschließend mit einer elektrolytisch aufgebrachten Silberschicht in einer Dicke von 6 μm überzogen wird. Bisher wurde solche Gegenstände aus Aluminium gefertigt, dann vernickelt und schließlich versilbert. Diese Gegenstände des Standes der Technik weisen erhebliche Korrosionsprobleme auf, insbesondere in abgasbelasteten Ballungsgebieten. Bisher mussten diese Filtergehäuse alle 6 Monate ausgetauscht werden. Mit dem erfindungsgemäßen Gegenstand kann die Einsatzdauer im Gegensatz dazu auf mehr als 2 Jahre erhöht werden.A particularly industrially preferred embodiment is filter housings for high-frequency components in the telecommunications industry, in particular for the transmission mast unit in the mobile radio sector. These are objects made of PPS / PEI, the entire surface of which is first coated with a chemically applied electroless nickel / phosphorus alloy in a layer thickness of 6 μm and then with an electrolytically applied silver layer in a thickness of 6 μm. Until now, such objects were made of aluminum, then nickel-plated and finally silver-plated. These prior art items have significant corrosion problems, particularly in metropolitan areas contaminated with exhaust gas. Until now, these filter housings had to be replaced every 6 months. In contrast, the duration of use can be increased to more than 2 years with the object according to the invention.
Des weiteren können diese weiteren metallischen Schichten, die auf die bereits vorhandene metallische Schicht des erfindungsgemäßen Gegenstands aufgebracht werden, nicht nur elektrolytisch sondern auch mit Hilfe anderer Verfahren wie CVD/PVD oder thermischemFurthermore, these further metallic layers, which are applied to the already existing metallic layer of the object according to the invention, can be used not only electrolytically but also with the aid of other methods such as CVD / PVD or thermal
Spritzen auf einen Gegenstand mit einer metallischen Schicht der vorliegenden Erfindung appliziert werden.Syringes can be applied to an object with a metallic layer of the present invention.
Auf diese Weise ist es möglich, Aluminium oder Edelstahl auf einen Gegenstand aufzubringen, der zum Beispiel aus Kunststoff besteht und mit einer Nickelschicht gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist.In this way, it is possible to apply aluminum or stainless steel to an object which, for example, consists of plastic and is provided with a nickel layer according to the present invention.
Ein weiteres interessantes Beispiel für einen erfindungsgemäßen Gegenstand ist ein Kunststoff, der zunächst mit einer außenstromlos aufgebrachten Nickelschicht versehen ist. Auf diese Nickelschicht werden anschließend nacheinander Schichten von Silber und Gold elektrolytisch aufgetragen. Eine solche, eher spezielle, Schichtenabfolge findet in der Medizintechnik Anwendung bei Bauteilen für diagnostische Geräte. Insgesamt zeigen die oben angeführten Beispiele, dass die erfindungsgemäßen Gegenstände in einem sehr großen Bereich technischer Anwendungen eingesetzt werden können.Another interesting example of an object according to the invention is a plastic which is initially provided with a nickel layer applied without external current. Layers of silver and gold are subsequently applied electrolytically to this nickel layer. Such a rather special layer sequence is used in medical technology for components for diagnostic devices. Overall, the examples given above show that the objects according to the invention can be used in a very wide range of technical applications.
Ein Gegenstand gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise eine Walze für die Bahnwaren verarbeitende Industrie (Folien, Papier, Textilien, Druckereien), ein Bauteil vonAn article according to the present invention can, for example, be a roller for the web processing industry (foils, paper, textiles, printers), a component of
Turbomoiekularpumpen (Ring für die Verdichter-Stufe), Griff für Haushaltsgeräte (Töpfe, Deckel), Komponente für die Luftfahrtindustrie (Griff, Handlauf) und die Raumfahrtindustrie (Sonnensegel), Bauteil für die Elektronikindustrie (Kondensator, Schallfeldkondensator, Schallreiter, Mikrowellenhohlleiter, Schalterfläche, Antenne, Antennengehäuse), Bauteil für die bewegten Bauteile von Zyklonen, Windsichter, mechanisch, thermisch und/oder chemisch beanspruchtes Bauteil für die Automobilindustrie (Bremskolben für Automobile) oder eine Form oder Komponente für die Spritzgussindustrie darstellen.Turbomolecular pumps (ring for the compressor stage), handle for household appliances (pots, lids), components for the aerospace industry (handle, handrail) and the aerospace industry (sun sail), component for the electronics industry (capacitor, sound field capacitor, sound tab, microwave waveguide, switch surface, Antenna, antenna housing), component for the moving components of cyclones, air classifier, mechanically, thermally and / or chemically stressed component for the automotive industry (brake pistons for automobiles) or a mold or component for the injection molding industry.
Beispiel (erfindungsgemäß)Example (according to the invention)
Eine Platte aus Polyamid-6 mit den Abmessungen 200 * 100 * 12 mm mit einer Ausgangsrauhigkeit von Ra= 0,64 μm und Rz = 7,5 μm wurde oberflächenbehandelt: Die Oberflächenvorbehandlung wird mit einer modifizierten Druckstrahlanlage der Fa. Straaltechnik International vorgenommen. Die Strahlanlage wird mit einem Druck von 4 bar betrieben. Als Strahldüse wird eine Borcarbiddüse mit einem Durchmesser von 8 mm eingesetzt. Die Strahldauer beträgt 4,6 s. Als Strahlmittel wird SiC der Körnung P80 mit einem mittleren Korndurchmesser von 200 bis 300 μm verwendet. Um das Strahlsystem speziell an die Anforderungen der Kunststoffmodifikation hinsichtlich reproduzierbarer Oberflächentopographien anzupassen, wurden 2 Druckkreisläufe installiert, je einer für den Transport des Strahlmittels und den eigentlichen Beschleunigungsvorgang. Diese Modifikation ergab einen sehr konstanten Volumenstrom und einen großen Druckbereich. Ein Druckluftstrom transportiert das Strahlmittel mit einem möglichst geringen Druck zur Düse. Die Strömungsverhältnisse gewährleisten, verursacht durch einen hohen Volumenstrom des Strahlmittels und einen geringen Anteil an Druckluft, einen geringen Verschleiß der Anlage und des Strahlmittels. Erst am Ende des Transportschlauches vor der Mischdüse wird der Querschnitt reduziert, um den gewünschten Volumenstrom einzustellen. Bei allen Kunststoffvorbehandlungen wurde ein konstanter Volumenstrom von 1 l/min vorgegeben. Im zweiten Teil des Systems strömt bis zur Düse Druckluft (Volumenstrom 1), die sich in einemA plate made of polyamide 6 with the dimensions 200 * 100 * 12 mm with an initial roughness of R a = 0.64 μm and R z = 7.5 μm was surface-treated: The surface pretreatment is carried out with a modified pressure jet system from Straaltechnik International , The blasting system is operated at a pressure of 4 bar. A boron carbide nozzle with a diameter of 8 mm is used as the jet nozzle. The beam duration is 4.6 s. SiC with P80 grit with an average grain diameter of 200 to 300 μm is used as the abrasive. In order to adapt the blasting system specifically to the requirements of plastic modification with regard to reproducible surface topographies, 2 pressure circuits were installed, one each for the transport of the blasting medium and the actual acceleration process. This modification resulted in a very constant volume flow and a large pressure range. A stream of compressed air transports the abrasive to the nozzle at the lowest possible pressure. The flow conditions ensure, caused by a high volume flow of the blasting medium and a low proportion of compressed air, a low wear of the system and the blasting medium. The cross section is only reduced at the end of the transport hose in front of the mixing nozzle in order to set the desired volume flow. A constant volume flow of 1 l / min was specified for all plastic pretreatments. In the second part of the system, compressed air (volume flow 1) flows up to the nozzle
Druckbereich von 0,2-7 bar stufenlos einstellen lässt. Das Strahlmittel, welches mit einer sehr kleinen Strömungsgeschwindigkeit in die Mischdüse gefördert wird, wird dann durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des Druckluftstroms beschleunigt.Pressure range from 0.2-7 bar can be set continuously. The blasting agent, which with a very small flow rate is conveyed into the mixing nozzle, is then accelerated by the high flow rate of the compressed air flow.
Die so aufgerauhte Platte wir in ein Ultraschallbad mit einem Gemisch aus entionisiertem Wasser und 3 Vol.-% Butylgiykol fünf Minuten lang behandelt.The roughened plate is treated in an ultrasonic bath with a mixture of deionized water and 3% by volume butyl glycol for five minutes.
Die für die Metallabscheidung der Leitschicht verwendeten Badreihen basieren auf der bekannten kolloidalen Palladiumaktivierung in Verbindung mit einer abschließenden katalysierten Metallreduktion. Alle hierfür benötigten Badreihen wurden von der Fa. Max Schlötter bezogen. Die vom Hersteller angegeben Tauchreihenfolgen, Behandlungszeiten und -temperaturen wurden bei allen Prozeßschritten der Nickelabscheidung eingehalten:The bath series used for the metal deposition of the conductive layer are based on the well-known colloidal palladium activation in connection with a final catalyzed metal reduction. All of the bath rows required for this were purchased from Max Schlötter. The diving sequences, treatment times and temperatures specified by the manufacturer were observed in all process steps of nickel deposition:
(1) Aktivatorvortauchlösung:(1) Activator pre-immersion solution:
Dient zur Vermeidung der Einschleppung von Verunreinigungen und zur vollständigen Benetzung der Probe vor dem eigentlichen Aktivieren der Oberfläche.Used to avoid the introduction of contaminants and to completely wet the sample before the surface is actually activated.
Tauchzeit: 2 min, RaumtemperaturDiving time: 2 min, room temperature
(2) Aktivator GS 510:(2) Activator GS 510:
Aktivierung der Oberfläche mit Zinn/Palladium-Kolloid. Tauchzeit: 4 min, Raumtemperatur (3) Spülbäder: entionisiertes WasserActivation of the surface with tin / palladium colloid. Diving time: 4 min, room temperature (3) rinsing baths: deionized water
Vermeidung der Einschleppung von Aktivator GS 510-Bestandteilen durch Spülen in entionisiertem Wasser. Tauchzeit: 1 min, RaumtemperaturAvoidance of activator GS 510 components by rinsing in deionized water. Diving time: 1 min, room temperature
(4) Conditioner 101: Konditionierung der Werkstoffoberfläche durch Ablösen störender Zinnverbindungen von der Oberfläche. Tauchzeit: 6 min, Raumtemperatur(4) Conditioner 101: Conditioning the material surface by detaching annoying tin compounds from the surface. Diving time: 6 min, room temperature
(5) Spülbäder: entionisiertes Wasser. Tauchzeit: 1 min, Raumtemperatur (6a) Chemisches Nickelbad SH 490 LS:(5) Rinse baths: deionized water. Diving time: 1 min, room temperature (6a) SH 490 LS chemical nickel bath:
Metallisieren der Kunststoffe mit einer hellen, halbglänzenden amorphen Schicht bei einer Abscheidetemperatur von 88-92°C. Tauchzeit: 10 minMetallize the plastics with a bright, semi-gloss amorphous layer at a deposition temperature of 88-92 ° C. Diving time: 10 min
Bei der gewählten Tauchzeit im Nickelbad ergab sich eine Schichtstärke von 1 ,4 μm. DieseThe chosen immersion time in the nickel bath resulted in a layer thickness of 1.4 μm. This
Stärke der Nickelschicht reicht für eine elektrolytische Beschichtung aus. Sämtliche Prozeßschritte, die zur Abscheidung der Leitschicht nötig waren, erfolgten in 50 I fassenden Kunststoffwannen, wobei bei der Nickelabscheidung durch eine zusätzliche Heizplatte mit Temperaturregelung eine Badtemperatur von 90° + 0,5°C während des gesamten Beschichtungszyklus eingehalten wurde. Um eine gleichmäßige und reproduzierbare Schichtqualität zu erhalten, wurden die Badreihen nach einem Durchsatz von 20 Proben nach Angaben der Fa. Max Schlötter analysiert und ergänzt.The thickness of the nickel layer is sufficient for an electrolytic coating. All process steps that were necessary for the deposition of the conductive layer were carried out in 50 l plastic trays, with a nickel temperature of 90 ° + 0.5 ° C being maintained during the entire coating cycle by means of an additional heating plate with temperature control. In order to obtain a uniform and reproducible layer quality, the bath series were analyzed and supplemented after a throughput of 20 samples according to the Max Schlötter company.
Nachdem die Nickelleitschicht chemisch aufgebracht war, wurden die Probe von ca. 90°C auf ca. 60°C in destilliertem Wasser abgekühlt, um dann bei 55°C elektrolytisch mit Nickel weiterbeschichtet zu werden. Dieser Zwischenschritt diente dazu, das Entstehen von Reaktionsschichten zu vermeiden und durch rasches Abkühlen hervorgerufene Eigenspannungen auszuschließen. Die Proben, die ausschließlich mit einer Nickelleitschicht beschichtet wurden, kühlten in einem destillierten Wasserbad langsam bis auf 25°C ab.After the nickel conductive layer had been chemically applied, the sample was cooled from approx. 90 ° C. to approx. 60 ° C. in distilled water in order to then be electrolytically coated with nickel at 55 ° C. This intermediate step served to avoid the formation of reaction layers and to exclude residual stresses caused by rapid cooling. The samples, which were exclusively coated with a nickel conductive layer, slowly cooled down to 25 ° C in a distilled water bath.
Die Querschliffuntersuchung durch REM (1.500-fach und 3.000-fach) sind in den folgenden Abbildungen (Abbildung 3) wiedergegeben.The cross-section examination by SEM (1,500 times and 3,000 times) are shown in the following figures (Figure 3).
Die Auswertung der EDX-Analyse ergab eine Restmenge an Calcium von 0,03 Gew.-%.Evaluation of the EDX analysis showed a residual amount of calcium of 0.03% by weight.
Die Ergebnisse der Haftfestigkeitsuntersuchungen sind in Tabelle 1 dargestellt. The results of the adhesion tests are shown in Table 1.
Tabelle 1Table 1
Vergleichsbeispiel (nicht erfindungsgemäß)Comparative example (not according to the invention)
Das erfindungsgemäße Beispiel wird wiederholt, jedoch wird nach der Strahlbehandlung dieThe example according to the invention is repeated, but after the blasting treatment the
Platte in einem Ultraschallbad in einer Suspension von 5 Gew.-% CaC03 in 96% Ethanol 5 Minuten lang behandelt.Plate treated in an ultrasonic bath in a suspension of 5 wt .-% CaC0 3 in 96% ethanol for 5 minutes.
Anschließend wird die Platte in einem weiteren Ultraschallbad mit reinen, 96-%igem Ethanol für weitere fünf Minuten lang behandelt.The plate is then treated in a further ultrasonic bath with pure, 96% ethanol for a further five minutes.
Die Querschliffuntersuchung durch REM (1.500-fach und 3.000-fach) sind in den folgendenThe cross section examination by SEM (1,500 times and 3,000 times) are in the following
Abbildungen (Abbildung 4) wiedergegeben. Die Auswertung der EDX-Analyse ergab eine Restmenge an Calcium von 0,91 Gew.-%, die aus der Behandlung der CaC03/ Ethanol-Suspension stammt. Die Ergebnisse der Haftfestigkeitsuntersuchungen sind in Tabelle 2 dargestellt.Figures (Figure 4) reproduced. The evaluation of the EDX analysis showed a residual amount of calcium of 0.91 wt .-%, which comes from the treatment of the CaC0 3 / ethanol suspension. The results of the adhesive strength tests are shown in Table 2.
Tabelle 2Table 2
Die Ergebnisse zeigen deutlich einen signifikanten Unterschied in der Standardabweichung der Haftfestigkeit der verschiedenen, über die Oberfläche des Verbundwerkstoffes verteilten Messwerte. Dieser Unterschied bewirkt beispielsweise bei der Herstellung von Walzen für die Druckereiindustrie, dass Walzen mit einem Varianzkoeffizienten von mehr als 25 % bei der notwendigen Nachbehandlung durch Schleifen lokale Ablösungen der Metallschicht von dem aufgerauhten Kunststoffsubstrat zeigen, die auf geringere Haftfestigkeiten zurückzuführen sind. Vergleichbare Walzen entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigen keine Ablösungen während des Schleifvorganges. Bezugszeichenliste Abbildung 1 :The results clearly show a significant difference in the standard deviation of the adhesive strength of the various measured values distributed over the surface of the composite material. This difference, for example in the manufacture of rollers for the printing industry, means that rollers with a coefficient of variance of more than 25% show local detachments of the metal layer from the roughened plastic substrate during the necessary post-treatment by grinding, which can be attributed to lower adhesive strengths. Comparable rolls according to the present invention show no detachment during the grinding process. Reference symbol list Figure 1:
(1) Zugstempel(1) Zugstempel
(2) Kleber(2) glue
(3) Metallschicht(3) metal layer
(4) Substrat (4) substrate

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Gegenstand, dessen Oberfläche ganz oder teilweise einen Verbundwerkstoff aufweist, wobei der Verbundwerkstoff aus einem nichtmetallischen Substrat, enthaltend mindestens ein Polymer, und einer darauf befindlichen außenstromlos abgeschiedenen metallischen Schicht mit einer Haftfestigkeit von mindestens 4 N/mm2 besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen nichtmetallischem Substrat und metallischer Schicht befindliche Grenzschicht einen durch EDX-Analyse eines Querschliffs bestimmten Kalziumgehalt von höchstens 0,5 Gew.-% aufweist, bezogen auf einen Analysebereich von 1 x 1 μm, dessen Mittelpunkt durch die Grenzschicht verläuft.1. Object, the surface of which comprises a composite material in whole or in part, the composite material consisting of a non-metallic substrate containing at least one polymer and an external currentlessly deposited metallic layer with an adhesive strength of at least 4 N / mm 2 , characterized in that the boundary layer located between the non-metallic substrate and the metallic layer has a calcium content, determined by EDX analysis of a cross section, of at most 0.5% by weight, based on an analysis area of 1 × 1 μm, the center of which runs through the boundary layer.
2. Gegenstand nach Anspruch 1 , dessen Oberfläche ganz oder teilweise einen Verbundwerkstoff aufweist, wobei dieser Verbundwerkstoff eine erste nichtmetallische Schicht und eine darauf aufgebrachte zweite metallische Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Oberfläche des Gegenstands vor Aufbringen der metallischen Schicht nicht chemisch vorbehandelt wird; und b) die metallische Schicht nicht durch thermisches Spritzen, CVD, PVD oder Laserbehandlung aufgebracht wird.2. The article of claim 1, the surface of which comprises a composite material, in whole or in part, this composite material having a first non-metallic layer and a second metallic layer applied thereon, characterized in that a) the surface of the object is not chemically pretreated before the metallic layer is applied becomes; and b) the metallic layer is not applied by thermal spraying, CVD, PVD or laser treatment.
3. Gegenstand nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen nichtmetallischem Substrat und metallischer Schicht befindliche Grenze eine Rauhigkeit mit einem Rz-Wert von höchstens 35 μm aufweist.3. Object according to claim 1, characterized in that the boundary between the non-metallic substrate and the metallic layer has a roughness with an R z value of at most 35 μm.
4. Gegenstand nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtmetallische Substrat mindestens ein faserverstärktes Polymer, insbesondere ein Kohlenstofffaser verstärktes Polymer, enthält und der Durchmesser der Faser weniger als 10 μm beträgt.4. Article according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the non-metallic substrate contains at least one fiber-reinforced polymer, in particular a carbon fiber-reinforced polymer, and the diameter of the fiber is less than 10 microns.
5. Gegenstand nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen nichtmetallischem Substrat und metallischer Schicht befindliche Grenze eine Rauhigkeit mit einem Rz-Wert von höchstens 100 μm aufweist und dass das nichtmetallische Sub- strat mindestens ein faserverstärktes Polymer, insbesondere ein Glasfaser verstärktes Polymer, enthält und der Durchmesser der Faser mehr als 10 μm beträgt.5. Object according to claim 1, characterized in that the boundary between the non-metallic substrate and the metallic layer has a roughness with an R z value of at most 100 μm and that the non-metallic sub- strat contains at least one fiber-reinforced polymer, in particular a glass fiber-reinforced polymer, and the diameter of the fiber is more than 10 microns.
6. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtmetallische Substrat die Oberfläche des Gegenstands ist.6. Article according to one of the preceding claims, characterized in that the non-metallic substrate is the surface of the article.
7. Gegenstand nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtmetallische Substrat nicht die Oberfläche des Gegenstands ist.7. Article according to one of claims 1 to 5, characterized in that the non-metallic substrate is not the surface of the article.
8. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Standardabweichung der Haftfestigkeit der metallischen Schicht an sechs verschiedenen, über die Oberfläche des Verbundwerkstoffes verteilten Messwerte höchstens 25 %, insbesondere höchsten 15 %, des arithmetischen Mittelwerts beträgt.8. Object according to one of the preceding claims, characterized in that the standard deviation of the adhesive strength of the metallic layer at six different measured values distributed over the surface of the composite material is at most 25%, in particular at most 15%, of the arithmetic mean.
9. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe von Polypropylen, Polytetrafluorethylen, Polyamid, Polyethylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Epoxidharzen, Polyether- etherketon, Polyoxymethylen, Polyformaldehyd, Polyacetal, Polyurethan, Polyether- imid, Polyphenylsulfon, Polyphenylensulfid, Polyarylamid, Polycarbonat und Polyimid.9. Article according to one of the preceding claims, characterized in that the polymer is selected from the group of polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyamide, polyethylene, polyvinyl chloride, polystyrene, epoxy resins, polyether ether ketone, polyoxymethylene, polyformaldehyde, polyacetal, polyurethane, polyether imide , Polyphenyl sulfone, polyphenylene sulfide, polyarylamide, polycarbonate and polyimide.
10. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die außenstromlos abgeschiedene Metallschicht eine Metalllegierung oder Metalldispersionsschicht ist.10. Object according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolessly deposited metal layer is a metal alloy or metal dispersion layer.
11. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die außenstromlos abgeschiedene Metallschicht eine Kupfer-, Nickel- oder Goldschicht ist.11. Object according to one of the preceding claims, characterized in that the metal layer deposited without external current is a copper, nickel or gold layer.
12. Gegenstand nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die außenstromlos abgeschiedene Metalldispersionsschicht eine Kupfer-, Nickel- oder Goldschicht mit eingelagerten nichtmetallischen Partikeln ist.12. An article according to claim 10, characterized in that the metal dispersion layer deposited without external current is a copper, nickel or gold layer with embedded non-metallic particles.
13. Gegenstand nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmetallischen Partikel eine Härte von mehr als 1.500 HV aufweisen und ausgewählt sind aus der Gruppe von Siliziumcarbid, Korund, Diamant und Tetraborcarbid. 13. Object according to claim 12, characterized in that the non-metallic particles have a hardness of more than 1,500 HV and are selected from the group of silicon carbide, corundum, diamond and tetraborarbide.
14. Gegenstand nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtmetallischen Partikel reibungsvermindernde Eigenschaften aufweisen und ausgewählt aus der Gruppe von Polytetrafluorethylen, Molybdänsulfid, kubisches Bornitrid und Zinnsulfid.14. Article according to claim 12 or 13, characterized in that the non-metallic particles have friction-reducing properties and selected from the group of polytetrafluoroethylene, molybdenum sulfide, cubic boron nitride and tin sulfide.
15. Gegenstand nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der außenstromlos abgeschiedenen metallischen Schicht eine Schicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen aufgebracht ist, deren Oberfläche anodisch oxidiert oder keramisiert ist.15. Object according to one of the preceding claims, characterized in that a layer of aluminum, titanium or their alloys is applied to the metal layer deposited without external current, the surface of which is anodically oxidized or ceramized.
16. Gegenstand nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der außenstromlos abgeschiedenen metallischen Schicht und der Schicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen noch eine oder mehrere metallische Schichten angeordnet sind.16. Object according to claim 15, characterized in that one or more metallic layers are arranged between the metal layer deposited without external current and the layer of aluminum, titanium or their alloys.
17. Gegenstand nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Gegenstands eine durch Fremdioneneinlagerung schwarz gefärbte, keramische Oxidschicht aus Aluminium, Titan oder deren Legierungen ist.17. The article according to claim 15 or 16, characterized in that the surface of the article is a black colored ceramic oxide layer made of aluminum, titanium or their alloys due to the inclusion of foreign ions.
18. Verfahren zur Herstellung eines Gegenstands nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend folgende Schritte: i. die Oberfläche der nichtmetallischen Schicht wird vor Aufbringen der außenstromlos abgeschiedenen metallischen Schicht nicht chemisch vorbehandelt; ii. die Oberfläche der nichtmetallischen Schicht wird in einem ersten Schritt mittels eines Strahlmittels mikrostrukturiert; iii. die metallische Schicht wird anschließend durch außenstromlose Metallabscheidung aufgebracht.18. A method for producing an article according to one of the preceding claims, comprising the following steps: i. the surface of the non-metallic layer is not chemically pretreated before the metal layer deposited without external current is applied; ii. the surface of the non-metallic layer is microstructured in a first step by means of a blasting agent; iii. the metallic layer is then applied by electroless metal deposition.
19. Verwendung eines Gegenstands nach einem der Ansprüche 1 bis 17 als Walze für die Bahnwaren verarbeitende Industrie (Folien, Papier, Textilien, Druckereien), Bauteil von Turbomolekularpumpen (Ring für die Verdichter-Stufe), Griff für Haushaltsgeräte (Töpfe, Deckel), Komponente für die Luftfahrtindustrie (Griff, Handlauf) und die Raumfahrtindustrie (Sonnensegel), Bauteil für die Elektronikindustrie (Kondensator, Schallfeldkondensator, Schallreiter, Mikrowellenhohlleiter, Schalterfläche, Antenne, Antennengehäuse), Bauteil für die bewegten Bauteile von Zyklonen, Windsichter, mechanisch, thermisch und/oder chemisch beanspruchtes Bauteil für die Automobilindustrie (Bremskolben für Automobile) oder als Form oder Komponente für die Spritzgussindustrie. 19. Use of an object according to one of claims 1 to 17 as a roller for the web processing industry (foils, paper, textiles, printers), component of turbomolecular pumps (ring for the compressor stage), handle for household appliances (pots, lids), Component for the aerospace industry (handle, handrail) and the aerospace industry (sun sail), component for the electronics industry (capacitor, sound field capacitor, sound tab, microwave waveguide, switch surface, antenna, antenna housing), component for the moving components of cyclones, air classifiers, mechanical, thermal and / or chemically stressed component for the Automotive industry (brake pistons for automobiles) or as a mold or component for the injection molding industry.
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