EP1738000A2 - Production of a structured hard chromium layer and production of a coating - Google Patents

Production of a structured hard chromium layer and production of a coating

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EP1738000A2
EP1738000A2 EP05700700A EP05700700A EP1738000A2 EP 1738000 A2 EP1738000 A2 EP 1738000A2 EP 05700700 A EP05700700 A EP 05700700A EP 05700700 A EP05700700 A EP 05700700A EP 1738000 A2 EP1738000 A2 EP 1738000A2
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EP
European Patent Office
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hard chrome
electrolyte
layer
acid
structured hard
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EP05700700A
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German (de)
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EP1738000B1 (en
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Rudolf Linde
Stefan Dürdoth
Wolfgang Stuckert
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Federal Mogul Burscheid GmbH
Original Assignee
Federal Mogul Burscheid GmbH
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    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
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    • C25D3/02Electroplating: Baths therefor from solutions
    • C25D3/04Electroplating: Baths therefor from solutions of chromium
    • C25D3/10Electroplating: Baths therefor from solutions of chromium characterised by the organic bath constituents used
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
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    • C25D5/10Electroplating with more than one layer of the same or of different metals
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    • C25D5/48After-treatment of electroplated surfaces
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    • C25D5/627Electroplating characterised by the visual appearance of the layers, e.g. colour, brightness or mat appearance

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a structured hard chrome layer on a workpiece, a method for producing a coating with a structured hard chrome layer, structured hard chrome layers and coatings obtainable thereby and an electrolyte for carrying out the method.
  • Hard chrome layers produced electrochemically are not only used for the decorative finishing of surfaces. Rather, hard chrome layers are also applied as functional coatings to conductive and non-conductive workpieces, for example in order to perform a protective function or to favorably influence the surface properties. Typical applications are therefore protective layers made of hard chrome to reduce corrosion, wear or friction, as well as structured hard chrome layers on printing rollers to facilitate wetting with printing inks or on starch, embossing and deep-drawing tools to optimize manufacturing processes in industry.
  • EP 0 196 053 A2 and DE 34 02 .554 A1 each describe methods for the electrodeposition of hard chrome on metallic surfaces from an aqueous electrolyte containing chromic acid, sulfuric acid or sulfate and a sulphonic acid, with cathodic flow extraction ⁇ 20% being used.
  • the composition of the electrolyte is intended to rule out the risk of a disturbing etching of the surface to be coated. However, no structures are created in the hard chrome layer.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for producing a structured hard chrome layer with which the disadvantages of the prior art are overcome.
  • this object is achieved by a method for producing a structured hard chrome layer, chrome being deposited from an electrolyte onto a workpiece which contains:
  • the electrolyte contains essentially no compound selected from ammonium, alkali and alkaline earth molybdate, ammonium, alkali and alkaline earth vanadate and ammonium, alkali and alkaline earth zirconate and is operated with a cathodic current efficiency of 12% or less.
  • the method according to the invention is used to produce structured hard chrome layers which are cup-shaped and / or labyrinth-like and / or column-shaped. This is achieved by deliberately influencing the cathode film formed during the electrochemical deposition, which is explained below.
  • the electrolytes used in galvanic processes contain salts that dissociate in anions and cations in the aqueous environment. This creates a hydration shell around the dissociated ions.
  • hydrated metal ions of the electrolyte migrate to the workpiece to be coated, which is connected as a cathode.
  • the so-called cathode film is located in the border area between the electrolyte and the cathode directly on the surface of the cathode. If a hydrated metal ion gets into this phase boundary, it absorbs electrons from the cathode and is thereby aligned in the diffusion zone.
  • Helmholtz double layer An electrochemical double layer, the "Helmholtz double layer", is formed under this diffusion zone and directly on the cathode surface. This consists of an electrically charged zone at the interface between the electrolyte and the cathode and is approximately a few atomic or molecular layers thick. Electrons or directed dipole molecules are involved. Since the "Helmholtz double layer” is positively charged on one side and negatively on the other side, it behaves on the cathode like a plate capacitor with a very small plate spacing.
  • the metal ion In order for the metal ion to get onto the workpiece surface and to be built into a growth site on the surface of the workpiece, it must overcome the cathode film.
  • This process can be influenced by a suitable choice of the deposition conditions, such as chemical composition of the electrolyte, temperature, hydrodynamics and electrical current strength.
  • the deposition conditions for the electrolyte are selected so that the permeability of the cathode film to the metal ion is as uniform as possible.
  • the element chromium is to be deposited from an aqueous electrolyte on a workpiece, it is in a strongly acidic solution as a negatively charged hydrogen dichromate complex. Chromium has oxidation level 6 therein, although small amounts of chromium (III) compounds can also be present.
  • an electrolyte with a chromium (VI) compound in an amount which corresponds to 50 to 300 g / l, preferably 50 to 150 g / l, chromic anhydride, 0.5 to 10 g / l sulfuric acid and 5 g / 1 to 15 g / l aliphatic sulphonic acid with 1 to 6 carbon atoms to form a cathode film with a very dense barrier layer. If a suitably high coating current density is applied, the barrier layer breaks through, which leads to the formation of a chromium layer of uneven layer thickness on the workpiece, with a cathodic current efficiency of 12% or less.
  • Structured hard chrome layers with cup-shaped and / or labyrinth-like and / or column-shaped structures are thus produced without the use of additives which favor the formation of the barrier layer of the cathode film. It is therefore possible to dispense with compounds which promote the formation of a dense cathode film, such as, for example, ammonium, alkali and alkaline earth molybdate, ammonium, alkali and alkaline earth vanadate and ammonium, alkali and alkaline earth zirconate.
  • the cathodic current yield of 12% or less ensures the formation of the structured hard chrome layer in the method according to the invention, since the structuring of the hard chrome layer is not obtained with a higher current yield.
  • the structured hard chrome layers produced with the method according to the invention are formed more uniformly than the structured hard chrome layers of the prior art due to the cup-shaped and / or labyrinth-like and / or columnar structure.
  • Structured hard chrome layers obtainable by the process according to the invention are very suitable for coating piston rings, in particular those of internal combustion engines.
  • Layers produced according to the invention have not only high corrosion resistance but also excellent tribological properties, such as good sliding properties and wear and seizure resistance, particularly in the case of inadequate lubrication.
  • the hard chrome layers obtained according to the invention can be used for many decorative and functional applications.
  • the surface topography of the hard chrome layers produced according to the invention enables, for example, a high absorption capacity for light and heat radiation when using solar collectors.
  • the special structure of the hard chrome layers according to the invention enables better absorption capacity for liquids. Gas cushions can also be built up well on the structured surface.
  • an electrolyte is understood to mean aqueous solutions which are electrically conductive due to dissociated ions.
  • Cr0 3 is preferably used for component (a), ie the Cr (VI) compound, since it is particularly suitable for electrolytic deposition.
  • component (c) i.e. as aliphatic sulphonic acid
  • the electrolyte can be substantially free of fluorides.
  • fluorides often complicate the formation of the structured hard chrome layer. Therefore only so much fluoride is tolerable in the electrolyte that does not affect the deposition of the structured hard chrome layer. It has proven to be advantageous if there are no more than 0.1 g / l fluoride in the electrolyte.
  • conventional catalysts for chromium deposition such as S0 4 2 " and / or CI " , can be contained in the electrolyte in conventional amounts.
  • structured hard chrome layers are deposited on workpieces using the method described above.
  • workpiece means metallic or non-metallic objects that are to be provided with a structured hard chrome layer.
  • this is coated with a thin metal film before the structured hard chrome layer is applied in order to make it electrically conductive ,
  • the structured hard chrome layer on the workpiece is switched as a cathode and immersed in the electrolyte. Then a direct current, e.g. a pulsating direct current with a frequency of up to 1000 Hz.
  • a direct current e.g. a pulsating direct current with a frequency of up to 1000 Hz.
  • the temperature is kept at 45 ° C. to 95 ° C., preferably 55 ° C. The longer the deposition is carried out, the greater the layer thickness of the hard chrome layer.
  • a current density of 20 A / dm 2 to 200 A / dm 2 can be used.
  • This range of current density leads to the deposition of particularly favorably structured hard chrome layers. The higher the current density selected, the denser the protruding areas of the surface of the hard chrome layer according to the invention.
  • a second layer is deposited before and / or after the structured hard chrome layer is deposited.
  • several layers can be applied to the workpiece, for example a metal layer made of a conventional electrolyte on the structured hard chrome layer according to the invention.
  • the two layers can consist of different materials, and if a conventional metal layer is applied to the structured hard chrome layer, an improved anchoring of the conventional metal layer is made possible.
  • a conventional hard chrome layer or a structured hard chrome layer according to the invention can in each case be deposited with deposits as the second layer, wherein the deposits can consist of aluminum oxide, diamond and / or boron nitride of the hexagonal type.
  • the deposits can consist of aluminum oxide, diamond and / or boron nitride of the hexagonal type.
  • the materials mentioned are suspended in the electrolyte used for this.
  • the deposits lead to a further improvement in the tribological properties.
  • a hard chrome layer according to the invention is electrolytically applied to a conventional hard chrome layer with a uniform layer thickness.
  • the invention also relates to a method for producing a coating, wherein chromium is deposited on a workpiece to form a structured hard chrome layer, and a composition is applied to the structured hard chrome layer which contains epoxy resin, a solid lubricant, a hard material or mixtures thereof.
  • the structured hard chrome layer can be a structured hard chrome layer produced according to the invention.
  • the epoxy resin serves as a binder in order to hold the solid lubricant and / or the hard material in the depressions of the structured hard chrome layer.
  • MoS 2 , bomitride, preferably the hexagonal type of boron nitride, or Teflon, or a mixture of two or more of these substances, is particularly suitable as the solid lubricant.
  • Examples of hard materials are microscale diamond, aluminum oxide, Si 3 N, BC, SiC or a mixture of two or more of these materials.
  • This coating structure not only improves the general wear properties, it also results in excellent emergency running properties when using MoS 2. gouge the workpiece in the event of insufficient lubrication. Particularly if boron nitride is contained in the composition, the coating is self-lubricating so that, depending on the application, the use of additional lubricants can be dispensed with. If a mixture of two or more of the solid lubricants mentioned is used in the composition that is applied to the structured hard chrome layer, the above-mentioned favorable tribological properties add up.
  • the invention further comprises a structured hard chrome layer, as can be obtained by one of the above methods.
  • the invention also relates to a coating which can be obtained by the above process for producing a coating.
  • the invention furthermore relates to an electrolyte for carrying out the process according to the invention for producing a structured hard chrome layer, comprising
  • the electrolyte contains essentially no compound selected from ammonium, alkali and alkaline earth molybdate, ammonium, alkali and alkaline earth vanadate and ammonium, alkali and alkaline earth zirconate.
  • the electrolyte according to the invention which can preferably contain the Cr (VI) compound in an amount which corresponds to 50 to 150 'g / l chromic acid anhydride, is used in particular for the electrodeposition of the structured hard chrome layers described in more detail above on workpieces.
  • Figures 1 to 10 show photographs of the hard chrome layers from Examples 1 to 4.
  • Example 1
  • the article to be coated is immersed in the electrolyte after a customary pretreatment. At 55 ° C with a current density of 40 A / dm 2 chrome for 30 minutes
  • the resulting article has a conventional shiny and evenly formed chrome layer, as shown in Fig. 1.
  • Example 2 An electrolyte according to the invention is used for the formation of structured hard chrome layers according to the invention, which contains:
  • Methanesulfonic acid CH 3 SO 3 H (70%) 9 ml / l.
  • Structured hard chrome layers according to the invention are deposited on workpieces at a temperature of 70 ° C., a cathodic current efficiency of 10% and an exposure time of 30 minutes.
  • the current densities are varied as follows: FIG. 2: 30 A / dm 2; 3: 40 A / dm 2 ; Fig. 4: 50 A / dm 2 ; Fig. 5: 60 A / dm 2 ; Fig. 6: 70 A / dm 2 .
  • Typical surface structures emerge with structure valleys that appear dark in the photographs, ie depressions.
  • Methanesulfonic acid CH 3 S0 3 H (70%) 6 ml / l contains.
  • the structured hard chrome layers are deposited at a temperature of 60 ° C., a cathodic current efficiency of 10% and a current density of 80 A / dm 2 for 30 minutes. A total of six layers are applied alternately with and without deposits. 7 and 8 show a typical cross section of these graded structured chrome layers in different magnifications. Corrosion protection is ensured by the conventional hard chrome layers, while the favorable tribological properties result from the structured hard chrome layers according to the invention. Instead of aluminum oxide, diamond or hexagonal boron nitride can also be incorporated.
  • the resulting graded structured hard chrome layers can be treated further as described in Example 4 in order to support the self-lubricating properties of the surface.
  • Example 4 In a structured hard chrome layer according to the invention produced according to Example 2 on a workpiece, the structure valleys or depressions in the surface are filled with a mixture of epoxy resin and boron nitride of the hexagonal type.
  • the photographs of FIGS. 9 and 10 illustrate the filling of the depressions in the hard chrome layer.
  • the resulting coating has excellent self-lubricating properties. Depending on the application, the additional use of additional lubricants can also be dispensed with.
  • a workpiece which is covered with a structured hard chrome layer produced according to Example 2 is treated with a mixture of epoxy resin and MoS 2 in such a way that the depressions in the chrome layer are filled with the mixture.
  • the epoxy resin serves as a binder to fix the MoS 2 in the wells and partly on the elevations. This results in good wear properties as well as excellent emergency running properties if the workpiece is insufficiently lubricated. In addition, there is improved corrosion behavior compared to the untreated structured hard chrome layer.
  • Example 7 The depressions of a structured hard chrome layer produced according to Example 2 on a product part are filled with a mixture of epoxy resin and microscale diamond, ie diamond granules with a size in the ⁇ m range.
  • a mixture of epoxy resin and microscale diamond, ie diamond granules with a size in the ⁇ m range.
  • a workpiece produced according to Example 5 is additionally treated with a mixture from Example 6.
  • the resulting coating has greatly improved tribological properties compared to Examples 5 and 6, e.g. excellent self-lubrication, as well as a more favorable corrosion behavior compared to the untreated structured hard chrome layer.

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Abstract

The invention relates to a method for producing a structured hard chromium layer, during which chromium from an electrolyte is deposited onto a workpiece, which contains: a) a Cr(VI) compound in a quantity corresponding to between 50 and 300 g/l of chromic anhydride; b) 0.5 g/l to 10 g/l sulfuric acid, and; c) 5 g/l to 15 g/l aliphatic sulfonic acid having 1 to 6 carbon atoms. The electrolyte contains essentially no compounds from the group consisting of ammonium molybdate, alkaline molybdate, alkaline earth molybdate, ammonium vanadate, alkaline vanadate and alkaline earth vanadate, ammonium zirconate, alkaline zirconate and alkaline earth zirconate, and is processed with a cathodic efficiency of 12 % or less. The invention also relates to a method for producing a coating, to a structured hard chromium layer, a coating and an electrolyte.

Description

Herstellung einer strukturierten Hartchromschicht und Herstellung einer Beschichtung Production of a structured hard chrome layer and production of a coating
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Hartchromschicht auf einem Werkstück, ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung mit einer strukturierten Hartchromschicht, dadurch erhältliche strukturierte Hartchromschichten und Beschichtungen sowie einen Elektrolyten zur Durchführung der Verfahren.The invention relates to a method for producing a structured hard chrome layer on a workpiece, a method for producing a coating with a structured hard chrome layer, structured hard chrome layers and coatings obtainable thereby and an electrolyte for carrying out the method.
Elektrochemisch erzeugte Hartchromschichten dienen nicht nur zur dekorativen Veredelung von Oberflächen. Vielmehr werden Hartchromschichten auch als funktioneile Beschichtungen auf leitende und nicht leitende Werkstücke aufgebracht, beispielsweise um eine Schutzfunktion auszuüben oder die Oberflächeneigenschaften günstig zu beeinflussen. Typische Anwendungen sind daher Schutzschichten aus Hartchrom zur Verminderung von Korrosion, Verschleiß oder Reibung, sowie strukturierte Hartchromschichten auf Druckwalzen zur Erleichterung der Benetzung mit Drückfarben oder auf Stariz-, Präge- und Tiefziehwerkzeugen zur Optimierung von Fertigungsprozessen in der Industrie.Hard chrome layers produced electrochemically are not only used for the decorative finishing of surfaces. Rather, hard chrome layers are also applied as functional coatings to conductive and non-conductive workpieces, for example in order to perform a protective function or to favorably influence the surface properties. Typical applications are therefore protective layers made of hard chrome to reduce corrosion, wear or friction, as well as structured hard chrome layers on printing rollers to facilitate wetting with printing inks or on starch, embossing and deep-drawing tools to optimize manufacturing processes in industry.
EP 0 196 053 A2 und DE 34 02 .554 A1 beschreiben jeweils Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Hartchröm auf metallischen Oberflächen aus einem wässrigen, Chromsäure, Schwefelsäure bzw. Sulfat und eine Sülfonsäure enthaltenden Elektrolyten, wobei mit kathαdischen Strömausbeüten ≥ 20 % gearbeitet wird. Durch die Zusammensetzung des Elektrolyten soll die Gefahr einer störenden Ätzung der zu beschichtenden Oberfläche ausgeschlossen werden. In der Hartchromschicht werden jedoch keine Strukturen erzeugt.EP 0 196 053 A2 and DE 34 02 .554 A1 each describe methods for the electrodeposition of hard chrome on metallic surfaces from an aqueous electrolyte containing chromic acid, sulfuric acid or sulfate and a sulphonic acid, with cathodic flow extraction ≥ 20% being used. The composition of the electrolyte is intended to rule out the risk of a disturbing etching of the surface to be coated. However, no structures are created in the hard chrome layer.
Ein weiteres elektrochemisches Verfahren zur Abscheidung von Hartchromschichten auf Werkstücken ist aus US 5 196 108 bekannt. Der dabei verwendete Elektrolyt enthält ein Molybdänanion, so dass mit einer hohen kathodischen Stromäusbeute gearbeitet werden kann. Eine Strukturierung der Hartchromschicht ist nicht Ziel dieses Verfahrens. Ein elektrochemisches Verfahren zur Erzeugung strukturierter Hartchromschichten ist beispielsweise aus der DE 44 32 512 A1 bekannt. Dabei wird die Struktur der Hartchromschicht durch Zugabe von Salzen, wie Salzen der Elemente Selen oder Tellur, zum Elektrolyten ermöglicht. Die erzeugten Schichten besitzen allerdings eine kugelige Struktur mit Kugelformen einer Größe zwischen weniger als 1 μm und mehreren μm. Dadurch resultiert ein oft nicht gleichmäßiger sphärischer Aufbau der Hartchromschicht, der sich nicht für alle Anwendungen eignet.Another electrochemical method for the deposition of hard chrome layers on workpieces is known from US Pat. No. 5,196,108. The electrolyte used contains a molybdenum anion, so that it is possible to work with a high cathodic current efficiency. Structuring the hard chrome layer is not the goal of this process. An electrochemical method for producing structured hard chrome layers is known, for example, from DE 44 32 512 A1. The structure of the hard chrome layer is made possible by adding salts, such as salts of the elements selenium or tellurium, to the electrolyte. However, the layers produced have a spherical structure with spherical shapes with a size between less than 1 μm and several μm. This often results in a non-uniform spherical structure of the hard chrome layer, which is not suitable for all applications.
Es wäre daher wünschenswert, strukturierte Hartchromschichten herzustellen, die einen gleichmäßigen Aufbau besitzen und hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften des Werkstücks Verbesserungen bewirken, wie zum Beispiel verminderter Verschleiß und im Falle einer Mangelschmierung günstige Notlaufeigenschaften.It would therefore be desirable to produce structured hard chrome layers that have a uniform structure and bring about improvements in the tribological properties of the workpiece, such as reduced wear and, in the case of insufficient lubrication, favorable emergency running properties.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Hartchromschicht bereitzustellen, mit dem die Nachteile des Stands der Technik überwunden werden.The object of the invention is therefore to provide a method for producing a structured hard chrome layer with which the disadvantages of the prior art are overcome.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Hartchromschicht gelöst, wobei Chrom aus einem Elektrolyt auf ein Werkstück abgeschieden wird, der enthält:According to the invention, this object is achieved by a method for producing a structured hard chrome layer, chrome being deposited from an electrolyte onto a workpiece which contains:
(a) Cr(VI)-Verbindung in einer Menge, die 50 g/l bis 300 g/l Chromsäureanhydrid entspricht;(a) Cr (VI) compound in an amount corresponding to 50 g / l to 300 g / l chromic anhydride;
(b) 0,5 g/l bis 10 g/l Schwefelsäure;(b) 0.5 g / l to 10 g / l sulfuric acid;
(c) 5 g/l bis 15 g/l aliphatische Sülfonsäure mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen;(c) 5 g / l to 15 g / l aliphatic sulphonic acid having 1 to 6 carbon atoms;
wobei der Elektrolyt im wesentlichen keine Verbindung ausgewählt aus Ammonium-, Alkali- und Erdalkalimolybdat, Ammonium-, Alkali- und Erdalkalivanadat und Ammonium-, Alkali- und Erdalkalizirkonat enthält und mit einer kathodischen Stromausbeute von 12 % oder weniger gearbeitet wird.wherein the electrolyte contains essentially no compound selected from ammonium, alkali and alkaline earth molybdate, ammonium, alkali and alkaline earth vanadate and ammonium, alkali and alkaline earth zirconate and is operated with a cathodic current efficiency of 12% or less.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden strukturierte Hartchromschichten hergestellt, die näpfchenförmig und/oder labyrinthartig und/oder säulenförmig ausgebildet sind. Dies wird durch eine gezielte Beeinflussung des sich bei der elektrochemischen Abscheidung bildenden Kathodenfilms erreicht, was im folgenden erläutert wird. Die bei galvanischen Verfahren verwendeten Elektrolyte enthalten Salze, die im wässrigen Milieu in Anionen und Kationen dissoziieren. Dabei bildet sich eine Hydrathülle um die dissoziierten Ionen. Während einer elektrochemischen Abscheidung wandern hydratisierte Metallionen des Elektrolyten zum zu beschichtenden Werkstück, das als Kathode geschaltet ist. Im Grenzbereich zwischen Elektrolyt und Kathode unmittelbar auf der Oberfläche der Kathode befindet sich der sogenannte Kathodenfilm. Gerät ein hydratisiertes Metallion in diese Phasengrenze, nimmt es Elektronen aus der Kathode auf und wird dadurch in der Diffusionszone ausgerichtet.The method according to the invention is used to produce structured hard chrome layers which are cup-shaped and / or labyrinth-like and / or column-shaped. This is achieved by deliberately influencing the cathode film formed during the electrochemical deposition, which is explained below. The electrolytes used in galvanic processes contain salts that dissociate in anions and cations in the aqueous environment. This creates a hydration shell around the dissociated ions. During an electrochemical deposition, hydrated metal ions of the electrolyte migrate to the workpiece to be coated, which is connected as a cathode. The so-called cathode film is located in the border area between the electrolyte and the cathode directly on the surface of the cathode. If a hydrated metal ion gets into this phase boundary, it absorbs electrons from the cathode and is thereby aligned in the diffusion zone.
Unter dieser Diffusionszone und unmittelbar auf der Kathodenoberfläche ist eine elektrochemischen Doppelschicht, die „Helmholtzsche Doppelschicht" ausgebildet. Diese besteht aus einer elektrisch geladenen Zone an der Grenzfläche zwischen Elektrolyt und Kathode und ist ungefähr einige Atom- oder Moleküllagen dick. An ihrer Bildung sind Ionen, Elektronen oder gerichtete Dipolmoleküle beteiligt. Da die „Helmholtzsche Doppelschicht" auf der einen Seite positiv und auf der anderen Seite negativ geladen ist, verhält sie sich auf der Kathode wie ein Plattenkondensator mit sehr kleinem Plattenabstand.An electrochemical double layer, the "Helmholtz double layer", is formed under this diffusion zone and directly on the cathode surface. This consists of an electrically charged zone at the interface between the electrolyte and the cathode and is approximately a few atomic or molecular layers thick. Electrons or directed dipole molecules are involved. Since the "Helmholtz double layer" is positively charged on one side and negatively on the other side, it behaves on the cathode like a plate capacitor with a very small plate spacing.
Damit das Metallion auf die Werkstückoberfläche gelangen und in eine Wachstumsstelle auf der Oberfläche des Werkstücks eingebaut werden kann, muss es den Kathodenfilm überwinden. Dieser Vorgang kann durch eine geeignete Wahl der Abscheidebedingungen, wie chemische Zusammensetzung des Elektrolyten, Temperatur, Hydrodynamik und elektrische Stromstärke beeinflusst werden. Zur Ausbildung gleichmässig dicker Metallschichten auf dem Werkstück werden die Abscheidebedingungen für den Elektrolyt so gewählt, dass die Durchlässigkeit des Kathodenfilms für das Metallion so gleichmäßig wie möglich ist.In order for the metal ion to get onto the workpiece surface and to be built into a growth site on the surface of the workpiece, it must overcome the cathode film. This process can be influenced by a suitable choice of the deposition conditions, such as chemical composition of the electrolyte, temperature, hydrodynamics and electrical current strength. In order to form uniformly thick metal layers on the workpiece, the deposition conditions for the electrolyte are selected so that the permeability of the cathode film to the metal ion is as uniform as possible.
Wenn das Element Chrom aus einem wässrigen Elektrolyten auf einem Werkstück abgeschieden werden soll, liegt es in stark saurer Lösung als negativ geladener Hydrogendichromat- Komplex vor. Darin besitzt Chrom die Oxidationsstufe 6, wobei auch geringe Mengen an Chrom(lll)-Verbindungen enthalten sein können.If the element chromium is to be deposited from an aqueous electrolyte on a workpiece, it is in a strongly acidic solution as a negatively charged hydrogen dichromate complex. Chromium has oxidation level 6 therein, although small amounts of chromium (III) compounds can also be present.
Elektrolysiert man eine solche Lösung, bildet sich jedoch auf der Kathode ein fester Film, der eine Chromabscheidung verhindert. Es entsteht lediglich Wasserstoff, der wegen seines kleinen Radius durch den festen Kathodenfilm hindurchtreten kann, im Gegensatz zu den großen Hydrogendichromationen. Erst durch den Zusatz von Fremdionen, z.B. Sulfat und Chlorid, wird der Kathodenfilm für die Chromipnen durchlässig und es kommt über verschiedene Oxidatiofisstufen zur Abscheidung des Chroms (siehe „Chemie für die Galvanotechnik" Leutze Verlag, 2. Auflage, 1993). Erfindungsgemäß führt die Verwendung eines Elektrolyts mit einer Chrom(VI)-Verbindung in einer Menge, die 50 bis 300 g/l, bevorzugt 50 bis 150 g/l, Chromsäureanhydrid entspricht, 0,5 bis 10 g/l Schwefelsäure und 5 g/l bis 15 g/l aliphatische Sülfonsäure mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen zur Ausbildung eines Kathodenfilms mit einer sehr dichten Sperrschicht. Legt man eine geeignet hohe Beschichtungsstromdichte an, schlägt die Sperrschicht durch, was zur Ausbildung einer Chromschicht ungleichmäßiger Schichtdicke auf dem Werkstück führt, wobei mit einer kathodischen Stromausbeute von 12 % oder weniger gearbeitet wird.If such a solution is electrolyzed, a solid film is formed on the cathode, which prevents chromium deposition. Only hydrogen is produced which, due to its small radius, can pass through the solid cathode film, in contrast to the large hydrogen dichromations. It is only through the addition of foreign ions, such as sulfate and chloride, that the cathode film becomes permeable to the chromipene and the chromium is deposited over various oxidation levels (see "Chemistry for Electroplating", Leutze Verlag, 2nd edition, 1993). According to the invention, the use of an electrolyte with a chromium (VI) compound in an amount which corresponds to 50 to 300 g / l, preferably 50 to 150 g / l, chromic anhydride, 0.5 to 10 g / l sulfuric acid and 5 g / 1 to 15 g / l aliphatic sulphonic acid with 1 to 6 carbon atoms to form a cathode film with a very dense barrier layer. If a suitably high coating current density is applied, the barrier layer breaks through, which leads to the formation of a chromium layer of uneven layer thickness on the workpiece, with a cathodic current efficiency of 12% or less.
So entstehen ohne Verwendung von Additiven, die die Ausbildung der Sperrschicht des Kathodenfilms begünstigen, strukturierte Hartchromschichten mit näpfchenförmig und/oder labyrinthartig und/oder säulenförmig ausgebildeten Strukturen. Daher kann auf Verbindungen verzichtet werden, die die Ausbildung eines dichten Kathodenfilms fördern, wie beispielsweise Ammonium-, Alkali- und Erdalkalimolybdat, Ammonium-, Alkali- und Erdalkalivanadat und Ammonium-, Alkali- und Erdalkalizirkonat.Structured hard chrome layers with cup-shaped and / or labyrinth-like and / or column-shaped structures are thus produced without the use of additives which favor the formation of the barrier layer of the cathode film. It is therefore possible to dispense with compounds which promote the formation of a dense cathode film, such as, for example, ammonium, alkali and alkaline earth molybdate, ammonium, alkali and alkaline earth vanadate and ammonium, alkali and alkaline earth zirconate.
Die kathodische Stromausbeute von 12 % oder weniger gewährleistet beim erfindungsgemäßen Verfahren die Ausbildung der strukturierten Hartchromschicht, da mit einer höheren Stromausbeute die Strukturierung der Hartchromschicht nicht erhalten wird.The cathodic current yield of 12% or less ensures the formation of the structured hard chrome layer in the method according to the invention, since the structuring of the hard chrome layer is not obtained with a higher current yield.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten strukturierten Hartchromschichten sind aufgrund der näpfchenförmigen und/oder labyrinthartigen und/oder säulenförmigen Struktur gleichmäßiger ausgebildet als die strukturierten Hartchromschichten des Stands der Technik. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliche strukturierte Hartchromschichten sind zur Beschichtung von Kolbenringen, insbesondere solche von Brennkraftmaschinen, bestens geeignet. Erfindungsgemäß hergestellte Schichten weisen neben einer hohen Korrosionsbeständigkeit auch hervorragende tribologische Eigenschaften auf, wie gute Gleiteigenschaften und Verschleiß- und Fressbeständigkeit, insbesondere im Falle einer Mangelschmierung. Ferner können die erfindungsgemäß erhaltenen Hartchromschichten für viele dekorative und funktioneile Anwendungen eingesetzt werden. Die Oberflächentopographie der erfindungsgemäß hergestellten Hartchromschichten ermöglicht beispielsweise ein hohes Absorptionsvermögen für Licht- und Wärmestrahlung beim Einsatz von Sonnenkollektoren. Des weiteren ermöglicht die spezielle Struktur der erfindungsgemäßen Hartchromschichten ein besseres Aufnahmevermögen für Flüssigkeiten. Auch können auf der strukturierten Oberfläche Gaspolster gut aufgebaut werden.The structured hard chrome layers produced with the method according to the invention are formed more uniformly than the structured hard chrome layers of the prior art due to the cup-shaped and / or labyrinth-like and / or columnar structure. Structured hard chrome layers obtainable by the process according to the invention are very suitable for coating piston rings, in particular those of internal combustion engines. Layers produced according to the invention have not only high corrosion resistance but also excellent tribological properties, such as good sliding properties and wear and seizure resistance, particularly in the case of inadequate lubrication. Furthermore, the hard chrome layers obtained according to the invention can be used for many decorative and functional applications. The surface topography of the hard chrome layers produced according to the invention enables, for example, a high absorption capacity for light and heat radiation when using solar collectors. Furthermore, the special structure of the hard chrome layers according to the invention enables better absorption capacity for liquids. Gas cushions can also be built up well on the structured surface.
Die vorstehend angegebenen Mengen der Komponenten (a) bis (c) beziehen sich auf den Elektrolyt. Unter einem Elektrolyt werden vorliegend wässrige Lösungen verstanden, die durch dissoziierte Ionen elektrisch leitfähig sind. Für die Komponente (a), d.h. die Cr(VI)-Verbindung, wird bevorzugt Cr03 verwendet, da sie für die elektrolytische Abscheidung besonders geeignet ist.The amounts of components (a) to (c) given above relate to the electrolyte. In the present case, an electrolyte is understood to mean aqueous solutions which are electrically conductive due to dissociated ions. Cr0 3 is preferably used for component (a), ie the Cr (VI) compound, since it is particularly suitable for electrolytic deposition.
Als Komponente (c), d.h. als aliphatische Sülfonsäure, werden vorzugsweise Methansulfonsäure, Ethansulfonsäure, Methandisulfonsäure, oder Ethandisulfonsäure eingesetzt, was sich für die Ausbildung der vorteilhaften dekorativen und funktionellen Eigenschaften der erzeugten Hartchromschicht als besonders günstig erwiesen hat.As component (c), i.e. as aliphatic sulphonic acid, preference is given to using methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, methanedisulfonic acid or ethanedisulfonic acid, which has proven to be particularly advantageous for the formation of the advantageous decorative and functional properties of the hard chrome layer produced.
Der Elektrolyt kann in einer Ausführungsform im wesentlichen frei von Fluoriden sein. Letztere erschweren nämlich häufig die Ausbildung der strukturierten Hartchromschicht. Daher sind nur soviel Fluoride im Elektrolyten tolerabel, die die Abscheidung der strukturierten Hartchromschicht nicht beeinflussen. Als günstig hat es sich erwiesen, wenn nicht mehr als 0,1 g/l Fluoride im Elektrolyten vorliegen.In one embodiment, the electrolyte can be substantially free of fluorides. The latter often complicate the formation of the structured hard chrome layer. Therefore only so much fluoride is tolerable in the electrolyte that does not affect the deposition of the structured hard chrome layer. It has proven to be advantageous if there are no more than 0.1 g / l fluoride in the electrolyte.
Außerdem können übliche Katalysatoren für die Chromabscheidung, wie S04 2" und/oder CI" , im Elektrolyten in üblichen Mengen enthalten sein.In addition, conventional catalysts for chromium deposition, such as S0 4 2 " and / or CI " , can be contained in the electrolyte in conventional amounts.
Erfindungsgemäß werden strukturierte Hartchromschichten mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren auf Werkstücken abgeschieden. Dabei sind mit dem Begriff „Werkstück" metallische oder nicht metallische Gegenstände gemeint, die mit einer strukturierten Hartchromschicht versehen werden sollen. Im Falle eines nicht metallischen Gegenstands wird dieser vor dem Aufbringen der strukturierten Hartchromschicht mit einem dünnen Metallfilm beschichtet, um ihn elektrisch leitend zu machen.According to the invention, structured hard chrome layers are deposited on workpieces using the method described above. The term “workpiece” means metallic or non-metallic objects that are to be provided with a structured hard chrome layer. In the case of a non-metallic object, this is coated with a thin metal film before the structured hard chrome layer is applied in order to make it electrically conductive ,
Um die strukturierte Hartchromschicht auf dem Werkstück abzuscheiden, wird letzteres als Kathode geschaltet und in den Elektrolyten eingetaucht. Dann wird an das Werkstück ein Gleichstrom, wie z.B. ein pulsierender Gleichstrom mit einer Frequenz bis 1000 Hz, angelegt. Während der Abscheidung des Chroms wird die Temperatur auf 45°C bis 95°C, bevorzugt 55°C gehalten. Je länger die Abscheidung durchgeführt wird, desto größer ist die Schichtdicke der Hartchromschicht.In order to deposit the structured hard chrome layer on the workpiece, the latter is switched as a cathode and immersed in the electrolyte. Then a direct current, e.g. a pulsating direct current with a frequency of up to 1000 Hz. During the deposition of the chromium, the temperature is kept at 45 ° C. to 95 ° C., preferably 55 ° C. The longer the deposition is carried out, the greater the layer thickness of the hard chrome layer.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann mit einer Stromdichte von 20 A/dm2 bis 200 A/dm2 gearbeitet werden. Dieser Bereich der Stromdichte führt zur Abscheidung besonders günstig strukturierter Hartchromschichten. Je höher dabei die Stromdichte gewählt wird, desto dichter werden die hervorstehenden Bereiche der Oberfläche der erfindungsgemäßen Hartchromschicht. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor und/oder nach dem Abscheiden der strukturierten Hartchromschicht eine zweite Schicht abgeschieden. So können auf das Werkstück mehrere Schichten aufgebracht werden, beispielsweise eine Metallschicht aus einem herkömmlichen Elektrolyt auf die erfindungsgemäße strukturierte Hartchromschicht. Ferner können die beiden Schichten aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, wobei, wenn eine herkömmliche Metallschicht auf die strukturierte Hartchromschicht aufgebracht wird, eine verbesserte Verankerung der herkömmlichen Metallschicht ermöglicht wird.In the method according to the invention, a current density of 20 A / dm 2 to 200 A / dm 2 can be used. This range of current density leads to the deposition of particularly favorably structured hard chrome layers. The higher the current density selected, the denser the protruding areas of the surface of the hard chrome layer according to the invention. In a preferred embodiment of the method according to the invention, a second layer is deposited before and / or after the structured hard chrome layer is deposited. Thus, several layers can be applied to the workpiece, for example a metal layer made of a conventional electrolyte on the structured hard chrome layer according to the invention. Furthermore, the two layers can consist of different materials, and if a conventional metal layer is applied to the structured hard chrome layer, an improved anchoring of the conventional metal layer is made possible.
Des weiteren kann als die zweite Schicht eine herkömmliche Hartchromschicht oder eine erfindungsgemäße strukturierte Hartchromschicht jeweils mit Einlagerungen abgeschieden werden, wobei die Einlagerungen aus Aluminiumoxid, Diamant und/oder Bornitrid des hexagonalen Typs bestehen können. Im dafür verwendeten Elektrolyten sind die genannten Materialien suspendiert. Die Einlagerungen führen zu einer weiteren Verbesserung der tribologischen Eigenschaften.Furthermore, a conventional hard chrome layer or a structured hard chrome layer according to the invention can in each case be deposited with deposits as the second layer, wherein the deposits can consist of aluminum oxide, diamond and / or boron nitride of the hexagonal type. The materials mentioned are suspended in the electrolyte used for this. The deposits lead to a further improvement in the tribological properties.
Außerdem wird in einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung auf eine konventionelle Hartchromschicht gleichmäßiger Schichtdicke eine erfindungsgemäße Hartchromschicht elektrolytisch aufgebracht. Dies führt zu einer sogenannten gradierten strukturierten Hartchromschicht, bei der der Korrosionsschutz durch die konventionelle Hartchromschicht gleichmäßiger Schichtdicke gewährleistet ist, während die erfindungsgemäße strukturierte Hartchromschicht für eine Verbesserung der tribologischen Eigenschaften des Werkstücks sorgt.In addition, in a particularly favorable embodiment of the invention, a hard chrome layer according to the invention is electrolytically applied to a conventional hard chrome layer with a uniform layer thickness. This leads to a so-called graded structured hard chrome layer, in which the corrosion protection is ensured by the conventional hard chrome layer of uniform layer thickness, while the structured hard chrome layer according to the invention improves the tribological properties of the workpiece.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung, wobei Chrom auf ein Werkstück unter Bildung einer strukturierten Hartchromschicht abgeschieden wird, und auf die strukturierte Hartchromschicht eine Zusammensetzung aufgebracht wird, die Epoxidharz, einen Festschmierstoff, einen Hartstoff oder Gemische davon enthält. Bei der strukturierten Hartchromschicht kann es sich um eine erfindungsgemäß hergestellte strukturierte Hartchromschicht handeln. Das Epoxidharz dient als Binder, um den Festschmierstoff und/oder den Hartstoff in den Vertiefungen der strukturierten Hartchromschicht zu halten. Als Festschmierstoff eignet sich insbesondere MoS2, Bomitrid, bevorzugt der hexagonale Typ des Bornitrids, oder Teflon, bzw. eine Mischung von zwei oder mehreren dieser Stoffe. Beispiele für Hartstoffe sind mikroskaliger Diamant, Aluminiumoxid, Si3N , B C, SiC oder eine Mischung von zwei oder mehrerer dieser Stoffe.The invention also relates to a method for producing a coating, wherein chromium is deposited on a workpiece to form a structured hard chrome layer, and a composition is applied to the structured hard chrome layer which contains epoxy resin, a solid lubricant, a hard material or mixtures thereof. The structured hard chrome layer can be a structured hard chrome layer produced according to the invention. The epoxy resin serves as a binder in order to hold the solid lubricant and / or the hard material in the depressions of the structured hard chrome layer. MoS 2 , bomitride, preferably the hexagonal type of boron nitride, or Teflon, or a mixture of two or more of these substances, is particularly suitable as the solid lubricant. Examples of hard materials are microscale diamond, aluminum oxide, Si 3 N, BC, SiC or a mixture of two or more of these materials.
Dieser Beschichtungsaufbau verbessert nicht nur die allgemeinen Verschleißeigenschaften, vielmehr ergeben sich bei Verwendung von MoS2 zusätzlich hervorragende Notlaufeigen- scharten des Werkstücks im Falle einer Mangelschmierung. Insbesondere wenn Bornitrid in der Zusammensetzung enthalten ist, ergibt sich eine ausgezeichnete Selbstschmierung der Beschichtung, so dass je nach Anwendung auf den Einsatz weiterer Schmierstoffe verzichtet werden kann. Wird eine Mischung zweier oder mehrerer der genannten Festschmierstoffe in der Zusammensetzung verwendet, die auf die strukturierte Hartchromschicht aufgebracht wird, summieren sich die vorstehend genannten günstigen tribologischen Eigenschaften.This coating structure not only improves the general wear properties, it also results in excellent emergency running properties when using MoS 2. gouge the workpiece in the event of insufficient lubrication. Particularly if boron nitride is contained in the composition, the coating is self-lubricating so that, depending on the application, the use of additional lubricants can be dispensed with. If a mixture of two or more of the solid lubricants mentioned is used in the composition that is applied to the structured hard chrome layer, the above-mentioned favorable tribological properties add up.
Die Erfindung umfasst ferner eine strukturierte Hartchromschicht, wie sie nach einem der vorstehenden Verfahren erhältlich ist.The invention further comprises a structured hard chrome layer, as can be obtained by one of the above methods.
Zudem betrifft die Erfindung eine Beschichtung, die nach dem vorstehenden Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung erhältlich ist.The invention also relates to a coating which can be obtained by the above process for producing a coating.
Des weiteren ist Gegenstand der Erfindung ein Elektrolyt zur Durchführung des erfindungs- gemäßen Verfahrens zur Herstellung einer strukturierten Hartchromschicht, enthaltendThe invention furthermore relates to an electrolyte for carrying out the process according to the invention for producing a structured hard chrome layer, comprising
(a) Cr(VI)-Verbindung in einer Menge, die 50 bis 300 g/l Chromsäureanhydrid entspricht;(a) Cr (VI) compound in an amount corresponding to 50 to 300 g / l of chromic anhydride;
(b) 0,5 g/l bis 10 g/l Schwefelsäure;(b) 0.5 g / l to 10 g / l sulfuric acid;
(c) 5 g/l bis 15 g/l aliphatische Sülfonsäure mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen;(c) 5 g / l to 15 g / l aliphatic sulphonic acid having 1 to 6 carbon atoms;
wobei der Elektrolyt im wesentlichen keine Verbindung ausgewählt aus Ammonium-, Alkali- und Erdalkalimolybdat, Ammonium-, Alkali- und Erdalkalivanadat und Ammonium-, Alkali- und Erdalkalizirkonat enthält.wherein the electrolyte contains essentially no compound selected from ammonium, alkali and alkaline earth molybdate, ammonium, alkali and alkaline earth vanadate and ammonium, alkali and alkaline earth zirconate.
Der erfindungsgemäße Elektrolyt, der bevorzugt die Cr(VI)-Verbindung in einer Menge, die 50 bis 150 ' g/l Chromsäureanhydrid entspricht, enthalten kann, dient insbesondere zur galvanischen Abscheidung der vorstehend näher beschriebenen strukturierten Hartchromschichten auf Werkstücken.The electrolyte according to the invention, which can preferably contain the Cr (VI) compound in an amount which corresponds to 50 to 150 'g / l chromic acid anhydride, is used in particular for the electrodeposition of the structured hard chrome layers described in more detail above on workpieces.
Die Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, ohne sie jedoch darauf einzuschränken.The invention is explained in more detail in the following examples with reference to the figures, but without restricting it to them.
Die Figuren 1 bis 10 zeigen Fotografien der Hartchromschichten aus den Beispielen 1 bis 4. Beispiel 1 :Figures 1 to 10 show photographs of the hard chrome layers from Examples 1 to 4. Example 1 :
Zur Erzeugung einer herkömmlichen Hartchromschicht wird folgender wässriger Elektrolyt hergestellt:The following aqueous electrolyte is produced to produce a conventional hard chrome layer:
Chromsäureanhydrid Cr03 250 g/lChromic anhydride Cr0 3 250 g / l
Schwefelsäure H2S04 2,5 g/l.Sulfuric acid H 2 S0 4 2.5 g / l.
Das zu beschichtende Warenteil wird nach einer üblichen Vorbehandlung in den Elektrolyten eingetaucht. Bei 55°C wird mit einer Stromdichte von 40 A/dm2 30 Minuten lang Chrom auf dasThe article to be coated is immersed in the electrolyte after a customary pretreatment. At 55 ° C with a current density of 40 A / dm 2 chrome for 30 minutes
Warenteil abgeschieden.Part of the goods separated.
Das resultierende Warenteil besitzt eine herkömmliche glänzende und gleichmäßig ausgebildete Chromschicht, wie in Fig. 1 dargestellt.The resulting article has a conventional shiny and evenly formed chrome layer, as shown in Fig. 1.
Beispiel 2: Für die Ausbildung erfindungsgemäßer strukturierter Hartchromschichten wird ein erfindungsgemäßer Elektrolyt verwendet, der enthält:Example 2: An electrolyte according to the invention is used for the formation of structured hard chrome layers according to the invention, which contains:
Chromsäureanhydrid Cr03 200 g/lChromic anhydride Cr0 3 200 g / l
Schwefelsäure H2S04 3 g/lSulfuric acid H 2 S0 4 3 g / l
Methansulfoηsäure CH3SO3H (70 %ig) 9 ml/l. Bei einer Temperatur von 70 °C, einer kathodischen Stromausbeute von 10 % und einer Expositionszeit von 30 Minuten werden erfindungsgemäße strukturierte Hartchromschichten auf Werkstücken abgeschieden. Für die in Fig. 2 bis 6 gezeigten Fotografien werden die Stromdichten folgendermaßen variiert: Fig. 2: 30 A/dm2; Fig. 3: 40 A/dm2; Fig. 4: 50 A/dm2; Fig. 5: 60 A/dm2; Fig. 6: 70 A/dm2. Es entstehen typische Oberflächenstrukturen mit in den Fotografien dunkel erscheinenden Strukturtälern, d.h. Vertiefungen.Methanesulfonic acid CH 3 SO 3 H (70%) 9 ml / l. Structured hard chrome layers according to the invention are deposited on workpieces at a temperature of 70 ° C., a cathodic current efficiency of 10% and an exposure time of 30 minutes. For the photographs shown in FIGS. 2 to 6, the current densities are varied as follows: FIG. 2: 30 A / dm 2; 3: 40 A / dm 2 ; Fig. 4: 50 A / dm 2 ; Fig. 5: 60 A / dm 2 ; Fig. 6: 70 A / dm 2 . Typical surface structures emerge with structure valleys that appear dark in the photographs, ie depressions.
Wird die Stromdichte konstant gelassen und werden stattdessen die Elektrolytbestandteile verändert, zeigt sich ebenfalls ein Einfluss auf die Strukturbildung, der aber im Ergebnis zu Strukturen führt, die mit denjenigen der Fig. 2 bis 6 vergleichbar sind.If the current density is left constant and the electrolyte constituents are changed instead, there is also an influence on the structure formation, which, however, leads to structures which are comparable to those of FIGS. 2 to 6.
Beispiel 3:Example 3:
Auf ein Warenteil werden abwechselnd konventionelle Hartchromschichten mit Einlagerungen aus Aluminiumoxid und erfindungsgemäße strukturierte Hartchromschichten abgeschieden. Für letztere wird ein Elektrolyt verwendet, der Chromsäureanhydrid Cr03 100 g/lConventional hard chrome layers with aluminum oxide deposits and structured hard chrome layers according to the invention are alternately deposited on one part of the goods. For the latter an electrolyte is used, the chromic anhydride Cr0 3 100 g / l
Schwefelsäure H2S04 3,5 g/lSulfuric acid H 2 S0 4 3.5 g / l
Methansulfonsäure CH3S03H (70 %ig) 6 ml/l enthält. Die strukturierten Hartchromschichten werden bei einer Temperatur von 60 °C, einer kathodischen Stromausbeute von 10 % und einer Stromdichte von 80 A/dm2 30 Minuten lang abgeschieden. Insgesamt werden sechs Schichten abwechselnd mit und ohne Einlagerungen aufgebracht. Fig. 7 und 8 zeigen einen typischen Querschliff dieser gradierten strukturierten Chromschichten in unterschiedlichen Vergrößerungen. Der Korrosionsschutz wird durch die konventionellen Hartchromschichten gewährleistet, während die günstigen tribologischen Eigenschaften aus den erfindungsgemäßen strukturierten Hartchromschichten resultieren. Anstelle von Aluminiumoxid kann auch Diamant oder hexagonales Bornitrid eingelagert werden.Methanesulfonic acid CH 3 S0 3 H (70%) 6 ml / l contains. The structured hard chrome layers are deposited at a temperature of 60 ° C., a cathodic current efficiency of 10% and a current density of 80 A / dm 2 for 30 minutes. A total of six layers are applied alternately with and without deposits. 7 and 8 show a typical cross section of these graded structured chrome layers in different magnifications. Corrosion protection is ensured by the conventional hard chrome layers, while the favorable tribological properties result from the structured hard chrome layers according to the invention. Instead of aluminum oxide, diamond or hexagonal boron nitride can also be incorporated.
Die entstandenen gradierten strukturierten Hartchromschichten können weiter wie im Beispiel 4 beschrieben behandelt werden, um die selbstschmierenden Eigenschaften der Oberfläche zu unterstützen.The resulting graded structured hard chrome layers can be treated further as described in Example 4 in order to support the self-lubricating properties of the surface.
Beispiel 4: Bei einer nach Beispiel 2 auf einem Werkstück hergestellten erfindungsgemäßen strukturierten Hartchromschicht werden die Strukturtäler bzw. Vertiefungen der Oberfläche mit einem Gemisch aus Epoxidharz und Bornitrid des hexagonalen Typs gefüllt. Die Fotografien der Fig. 9 und 10 veranschaulichen die Füllung der Vertiefungen der Hartchromschicht. Die so entstandene Beschichtung weist hervorragende selbstschmierende Eigenschaften auf. Zudem kann abhängig von der Anwendung auf die zusätzliche Verwendung weiterer Schmierstoffe verzichtet werden.Example 4: In a structured hard chrome layer according to the invention produced according to Example 2 on a workpiece, the structure valleys or depressions in the surface are filled with a mixture of epoxy resin and boron nitride of the hexagonal type. The photographs of FIGS. 9 and 10 illustrate the filling of the depressions in the hard chrome layer. The resulting coating has excellent self-lubricating properties. Depending on the application, the additional use of additional lubricants can also be dispensed with.
Beispiel 5:Example 5:
Ein Werkstück, das mit einer gemäß Beispiel 2 hergestellten strukturierten Hartchromschicht bedeckt ist, wird mit einem Gemisch aus Epoxidharz und MoS2 so behandelt, dass die Vertiefungen der Chromschicht mit dem Gemisch gefüllt werden. Das Epoxidharz dient als Binder, um das MoS2 in den Vertiefungen und zum Teil auch an den Erhebungen zu fixieren. Daraus resultieren gute Verschleißeigenschaften, wie auch hervorragende Notlaufeigenschaften, wenn eine Mangelschmierung des Werkstücks auftritt. Zudem ist im Vergleich zur unbehandelten strukturierten Hartchromschicht ein verbessertes Korrosionsverhalten gegeben.A workpiece which is covered with a structured hard chrome layer produced according to Example 2 is treated with a mixture of epoxy resin and MoS 2 in such a way that the depressions in the chrome layer are filled with the mixture. The epoxy resin serves as a binder to fix the MoS 2 in the wells and partly on the elevations. This results in good wear properties as well as excellent emergency running properties if the workpiece is insufficiently lubricated. In addition, there is improved corrosion behavior compared to the untreated structured hard chrome layer.
Beispiel 6:Example 6:
Die Vertiefungen einer nach Beispiel 2 auf einem Warenteil erzeugten strukturierten Hartchromschicht werden mit einem Gemisch aus Epoxidharz und mikroskaligem Diamant, d.h. Diamantkörnchen mit einer Größe im μm-Bereϊch, gefüllt. Auch hier zeigen sich gegenüber der nicht gefüllten strukturierten Hartchromschicht deutlich verbesserte Verschleißeigenschaften und ein wesentlich günstigeres Korrosionsverhalten. Beispiel 7:The depressions of a structured hard chrome layer produced according to Example 2 on a product part are filled with a mixture of epoxy resin and microscale diamond, ie diamond granules with a size in the μm range. Here too, compared to the non-filled structured hard chrome layer, significantly improved wear properties and a significantly more favorable corrosion behavior can be seen. Example 7:
Ein gemäß Beispiel 5 erzeugtes Werkstück wird zusätzlich mit einem Gemisch des Beispiels 6 behandelt. Die resultierende Beschichtung weist gegenüber den Beispielen 5 und 6 stark verbesserte tribologische Eigenschaften, z.B. eine ausgezeichnete Selbstschmierung, wie auch ein gegenüber der unbehandelten strukturierten Hartchromschicht günstigeres Korrosionsverhalten auf. A workpiece produced according to Example 5 is additionally treated with a mixture from Example 6. The resulting coating has greatly improved tribological properties compared to Examples 5 and 6, e.g. excellent self-lubrication, as well as a more favorable corrosion behavior compared to the untreated structured hard chrome layer.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung einer strukturierten Hartchromschicht, wobei Chrom aus einem Elektrolyt auf ein Werkstück abgeschieden wird, der enthält:1. Method for producing a structured hard chrome layer, wherein chrome is deposited from an electrolyte onto a workpiece which contains:
(a) Cr(VI)-Verbindung in einer Menge, die 50 bis 300 g/l Chromsäureanhydrid entspricht;(a) Cr (VI) compound in an amount corresponding to 50 to 300 g / l of chromic anhydride;
(b) 0,5 g/l bis 10 g/l Schwefelsäure;(b) 0.5 g / l to 10 g / l sulfuric acid;
(c) 5 g/l bis 15 g/l aliphatische Sülfonsäure mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen;(c) 5 g / l to 15 g / l aliphatic sulphonic acid having 1 to 6 carbon atoms;
wobei der Elektrolyt im wesentlichen keine Verbindung ausgewählt aus Ammonium-, Alkali- und Erdaikalimolybdat, Ammonium-, Alkali- und Erdalkalivanadat und Ammonium-, Alkali- und Erdalkalizirkonat enthält und mit einer kathodischen Stromausbeute von 12 % oder weniger gearbeitet wird.wherein the electrolyte contains essentially no compound selected from ammonium, alkali and alkaline earth molybdate, ammonium, alkali and alkaline earth metal adanate and ammonium, alkali and alkaline earth metal zirconate and is operated with a cathodic current efficiency of 12% or less.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Cr(VI)-Verbindung Cr03 ist. 2. The method according to claim 1, wherein the Cr (VI) compound is Cr0 3 .
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die aliphatische Sülfonsäure ausgewählt ist unter Methansulfonsäüre, Ethansulfonsäure, Methandisulfönsäure und Ethandisulfonsäure.3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the aliphatic sulphonic acid is selected from methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, methanedisulfonic acid and ethanedisulfonic acid.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Elektrolyt im wesentlichen keine Fluoride enthält.4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the electrolyte contains essentially no fluorides.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mit einer Stromdichte von 20 A/dm2 bis 200 A/dm2 gearbeitet wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, wherein a current density of 20 A / dm 2 to 200 A / dm 2 is used.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei vor und/oder nach dem Abscheiden der strukturierten Hartchromschicht eine zweite Schicht abgeschieden wird.6. The method according to claim 1, wherein a second layer is deposited before and / or after the deposition of the structured hard chrome layer.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die strukturierte Hartchromschicht und die zweite Schicht aus verschiedenen Werkstoffen bestehen.7. The method according to claim 6, wherein the structured hard chrome layer and the second layer consist of different materials.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei als zweite Schicht eine Hartchromschicht gleichmäßiger Schichtdicke abgeschieden wird.8. The method according to claim 6 or 7, wherein a hard chrome layer of uniform layer thickness is deposited as the second layer.
9. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung, wobei Chrom auf ein Werkstück unter Bildung einer strukturierten Hartchromschicht abgeschieden wird, und auf die strukturierte9. A method for producing a coating, wherein chrome is deposited on a workpiece to form a structured hard chrome layer, and on the structured
Hartchromschicht eine Zusammensetzung aufgebracht wird, die Epoxidharz und einen Festschmierstoff, einen Hartstoff oder Gemische davon enthält.Hard chrome layer is applied a composition containing epoxy resin and a solid lubricant, a hard material or mixtures thereof.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die strukturierte Hartchromschicht nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt wird.10. The method according to claim 9, wherein the structured hard chrome layer is produced by the method according to one of claims 1 to 8.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei als Festschmierstoff MoS2, Bornitrid, Teflon oder eine Mischung davon eingesetzt wird.11. The method according to claim 9 or 10, wherein MoS 2 , boron nitride, Teflon or a mixture thereof is used as the solid lubricant.
12. Verfahren nach Anspruch 9 bis 11, wobei als Hartstoff mikroskaliger Diamant, Aluminiumoxid, Si3N4, B C, SiC oder eine Mischung davon eingesetzt wird.12. The method of claim 9 to 11, wherein the hard material microscale diamond, aluminum oxide, Si 3 N 4 , BC, SiC or a mixture thereof is used.
13. Strukturierte Hartchromschicht, erhältlich nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.13. Structured hard chrome layer, obtainable by the process according to one of claims 1 to 8.
14. Beschichtung, erhältlich nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12.14. Coating obtainable by the process according to one of claims 9 to 12.
15. Elektrolyt zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, enthaltend:15. Electrolyte for performing the method according to one of claims 1 to 12, comprising:
(a) Cr(VI)-Verbindung in einer Menge, die 50 bis 300 g/l Chromsäureanhydrid entspricht;(a) Cr (VI) compound in an amount corresponding to 50 to 300 g / l of chromic anhydride;
(b) 0,5 g/l bis 10 g/l Schwefelsäure;(b) 0.5 g / l to 10 g / l sulfuric acid;
(c) 5 g/l bis 15 g/l aliphatische Sülfonsäure mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen; wobei der Elektrolyt im wesentlichen keine Verbindung ausgewählt aus Ammonium-, Alkali- und Erdalkalimolybdat, Ammonium-, Alkali- und Erdalkalivanadat und Ammonium-, Alkali- und Erdalkalizirkonat enthält.(c) 5 g / l to 15 g / l aliphatic sulphonic acid having 1 to 6 carbon atoms; wherein the electrolyte contains essentially no compound selected from ammonium, alkali and alkaline earth molybdate, ammonium, alkali and alkaline earth vanadate and ammonium, alkali and alkaline earth zirconate.
16. Elektrolyt nach Anspruch 15, wobei die Cr(VI)-Verbindung Cr03 ist.16. The electrolyte according to claim 15, wherein the Cr (VI) compound is Cr0 3 .
17. Elektrolyt nach Anspruch 15 oder 16, wobei die aliphatische Sülfonsäure ausgewählt ist unter Methansulfonsäure, Ehtansulfonsäure, Methandisulfonsäure oder Ethandisulfonsäure.17. Electrolyte according to claim 15 or 16, wherein the aliphatic sulphonic acid is selected from methanesulfonic acid, htansulfonic acid, methane disulfonic acid or ethane disulfonic acid.
18. Elektrolyt nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der Elektrolyt im wesentlichen keine Fluoride enthält. 18. Electrolyte according to one of claims 15 to 17, wherein the electrolyte contains essentially no fluorides.
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