EP1799881A2 - Non-galvanically applied nickel alloy - Google Patents

Non-galvanically applied nickel alloy

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EP1799881A2
EP1799881A2 EP05784829A EP05784829A EP1799881A2 EP 1799881 A2 EP1799881 A2 EP 1799881A2 EP 05784829 A EP05784829 A EP 05784829A EP 05784829 A EP05784829 A EP 05784829A EP 1799881 A2 EP1799881 A2 EP 1799881A2
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EP
European Patent Office
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nickel
electrolyte
nickel alloy
alloy according
particles
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05784829A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Doris Bialkowski
Alfons Holländer
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Aalberts Surface Technologies GmbH Kerpen
Original Assignee
AHC Oberflaechenechnik GmbH
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Publication date
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Application filed by AHC Oberflaechenechnik GmbH filed Critical AHC Oberflaechenechnik GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C18/00Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating
    • C23C18/16Chemical coating by decomposition of either liquid compounds or solutions of the coating forming compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating; Contact plating by reduction or substitution, e.g. electroless plating
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    • C23C18/31Coating with metals
    • C23C18/32Coating with nickel, cobalt or mixtures thereof with phosphorus or boron
    • C23C18/34Coating with nickel, cobalt or mixtures thereof with phosphorus or boron using reducing agents
    • C23C18/36Coating with nickel, cobalt or mixtures thereof with phosphorus or boron using reducing agents using hypophosphites

Definitions

  • the present invention relates to a lead-free, chemically, without external current produced nickel alloy with inclusions and articles coated therewith
  • the chemical nickel-plating of metal surfaces is a widely used method on an industrial scale for the corrosion and wear protection of metals
  • Electrolytic deposition - also known as electrodeposition or coating - is a deposition reaction on the surface to be coated, which is forced by the introduced current
  • electroless deposition also known as chemical deposition or coating - the layer formation is based on an autocatalytic process, which is largely determined by the electrochemical potentials of the reactants involved
  • An electrolytic process for producing a nickel layer is known, for example, from EP 0 218 645 A1, in which a galvanic bath is used which, in addition to a cationic surfactant from the group of the alkylaryloxydialkylbenzylammonium chlorides, necessarily contains boric acid or borates.
  • the layers thus obtainable have the disadvantage of Therefore, this method is not suitable for geo metric complex components (for example, carburetor housing, fuel rail for Emzitzsysteme etc) in which a uniform layer structure is crucial in all areas
  • an electrolyte which contains no lead-containing stabilizer but a combination of an antimony compound and a bismuth compound is used to produce a lead-free nickel alloy by means of an electroless method.
  • This specially adapted electrolyte is not suitable for the production of dispersion layers, in particular not of PTFE-containing nickel layers.
  • nickel dispersion layers are being used more and more in highly stressed components such as, for example, parts of locks, valves, rotary unions, valve anchors, movable pistons, complex geometric fuel-carrying parts in the automotive industry.
  • This is the deposition of a metal layer by an electroless process with simultaneous incorporation of solids that are dispersed in the electrolyte.
  • these solids are lubricants (for example, PTFE, graphite, spherical aluminum oxide, encapsulated MoS 2, etc.) or hard materials (diamond, corundum, cubic BN, etc.).
  • lubricants for example, PTFE, graphite, spherical aluminum oxide, encapsulated MoS 2, etc.
  • hard materials diamond, corundum, cubic BN, etc.
  • Non-uniform dispersion layers lead to premature or undesired local wear, which can present a considerable safety risk depending on the field of application (for example hydraulic cylinders in the aircraft industry).
  • these nickel dispersion layers are prepared using conventional nickel / phosphorus electrolytes containing as stabilizer either lead or a combination of tin with cadmium.
  • US Pat. No. 6,273,943 discloses an electrolyte for electroless deposition of a nickel / PTFE dispersion layer which comprises a quaternary perfluoroalkylammonium halide and a lead compound as stabilizer.
  • PFOS perfluorooctylsulfonyl
  • the object of the present invention is to provide a lead-free nickel / phosphorus dispersion coating on a metallic substrate surface, which enables a uniform layer structure (especially at the edges, recesses and undercuts) even on geometrically complex components with the functional inclusions.
  • the aim is to ensure the most uniform possible incorporation of the particles into the nickel alloy matrix.
  • This coating should be particularly suitable for geometrically complex components that are highly resilient mechanically and on friction and also have low tolerances.
  • these nickel alloy layers should be obtainable by electroless deposition in an electrolyte, which is characterized by comparatively long service lives.
  • a complexing agent B other than A for example or preferably dicarboxylic acid
  • 3 to 10 g / l dispersed particles which differ from the composition nickel /
  • the electrolyte also contains no cadmium.
  • the lead-free nickel / phosphorus dispersion alloy according to the invention it is now possible to provide geometrically complex components, such as carburetor housings, fuel distributors for injection systems, etc., with a uniform layer structure of a coating which is highly resistant to abrasion, in particular at the edges, Recesses and undercuts.
  • These components have a finished coating of a tolerance of + 3 microns with a total layer thickness of 10 - 12 microns.
  • the service life of the electrolyte used for electroless deposition of a dispersion layer according to the invention with embedded silicon carbide particles can be a service life of up to 10 MTO (metal turn over, ie metal throughput based on the electrolyte used in Itr.).
  • metal substrate surface is also understood as meaning plastic surfaces which are first activated by means of processes known to the person skilled in the art and subsequently nickel-plated.
  • metallized plastic surfaces which are produced using mechanical microstructuring and are disclosed, for example, in WO 2004/092436 A2 and WO 2004/092256 A1.
  • a usual layer thickness of this nickel / phosphorus dispersion alloy between 3 and 30 ⁇ m is sufficient to increase the wear resistance, to improve sliding and friction properties and to provide the non-stick properties.
  • a preferred embodiment of the nickel / phosphorus dispersion alloy according to the invention is achieved if the constituents nickel, phosphorus and particles are distributed uniformly in the alloy layer.
  • the term "uniformly" here and in the following means an alloy and function-typical distribution of the corresponding components in the nickel matrix. This uniform distribution achieves a uniform microstructure in the alloy, so that the mechanical and functional properties of this layer are constant even in narrow tolerance ranges.
  • Complexing agents A used are the carboxylic and dicarboxylic acids known for preparing customary nickel / phosphorus electrolytes.
  • complexing agent A lactic acid and malonic acid are particularly preferably used; as complexing agent B, preferably succinic acid.
  • alkylaryloxydialkylbenzylammonium chloride A simple example of an alkylaryloxydialkylbenzylammonium chloride is benzalkonium chloride of the formula
  • X represents a chlorine atom.
  • Such compounds are spielmik marketed in 1622 by the company. Clariant under the trade name Hyamine ®.
  • Alkylaryloxydialkylbenzylammoniumchloride simple examples of Alkylaryloxydialkylbenzylammoniumchloride are benzalkonium koniumchloride (N-alkyl-N, N-dimethyl-N-benzylammonium chloride with a C 12 -, C 4 - or C 16 -alkyl) and Methyldodecylbenzyltrimethylammoniumchlorid. Benzalkonium be marketed under the trade name hyamine ® 3500 by the company. Clariant
  • the electrolyte contains as stabilizer at least 10 mg / l antimony and at most 1, 5 mg / l bismuth ions.
  • this antimony and bismuth additive is not mandatory - for example, only stabilizers based on tin (II) compounds can be used.
  • the electrolyte contains as stabilizer 10-150 mg / l antimony and
  • the electrolyte additionally contains a nonionic surfactant.
  • the nonionic surfactant is selected from the group of partially fluorinated or non-fluorinated surfactants.
  • partially fluorinated surfactants means all surface-active substances which have no perfluorinated radicals.
  • non-fluorinated surfactants is understood as meaning all surface-active substances which have no fluorine atom.
  • this embodiment also ensures a longer service life of the electrolyte.
  • the dispersed particles may in a preferred embodiment of the present invention be selected from the group of silicon carbide, corundum, diamond, cubic boron nitride, spherical alumina and tetraboron carbide, particular preference being given to non-metallic particles having a hardness greater than 1000 HV ,
  • the nickel-phosphorus dispersion alloys obtained according to this preferred embodiment are particularly suitable for imparting abrasion resistance, wear protection and increased friction to the coated substrates to ensure frictional connections or the desired surface structure. In this way For example, functional properties can be imparted to the substrate that are tailored to the needs of its use.
  • the particles have friction-reducing properties and are selected from the group of polytetrafluoroethylene, molybdenum sulfide, molybdenum disulfide, hexagonal boron nitride, tin sulfide and graphite.
  • the nickel-phosphorus dispersion layers obtainable according to this embodiment are also to be selected according to the functional requirement of the resulting device.
  • excellent friction-reducing properties are achieved by the incorporation of PTFE particles in the nickel phosphorus matrix.
  • Another advantage of the embodiment of the invention is the absence of perfluorinated cationic or nonionic surfactants.
  • Perfluorinated cationic and nonionic surfactants have hitherto been used predominantly for polytetrafluoroethylene-containing electrolytes since these alone were suitable for imparting the charge required for migration and co-deposition to the PTFE particles.
  • the preparation of these fluorinated cationic and nonionic surfactants proceeds via a toxic intermediate (“perfluorooctylsulfonyl") with bioaccumulation potential, so that these have been withdrawn from the program by the manufacturers worldwide.
  • the nickel-phosphorous dispersion alloys according to the present invention can be used as a wear-resistant surface, in particular in the automotive industry and in the machine industry. nenbau, particularly preferred as lock parts for door closing system and functional components for fuel dosing or as a surface in the automotive industry with improved sliding friction properties, especially for parts of locks, Ven ⁇ valves, rotary joints, valve anchors, movable pistons, and other movable parts in the Automotive industry and used in mechanical engineering.
  • the proportion of nickel cations in the electrolyte can be between 4 and 7 g / l, based on the sum of the constituents nickel and phosphorus present in the aqueous electrolyte.
  • the proportion of phosphination can be in the electrolyte between 15 to 40 g / l, based on the weight ratio of phosphorus to the sum of the in the aqueous
  • Electrolytes contained components nickel and phosphorus.
  • the proportion of Alkylaryloxydialkylbenzylammoniumchlorid in the electrolyte can be between 0.01 and 0.4 wt .-%, in particular between 0.1 and 0.2 wt .-%, based on the sum of the components contained in the aqueous electrolyte nickel and
  • the value is calculated from the amount of nickel ions that can be added to the finished electrolyte without having to exchange the electrolyte. It is based on the total amount of nickel in the electrolyte bath.
  • the uniform distribution of the PTFE particles is determined by a metallographic cross section of the coated steel sheets. It is characterized by the determination of the percentage of the distribution of the particles incorporated in the nickel / phosphorus matrix.
  • the pH is then adjusted to 4.3 by addition of a 25% strength aqueous ammonia solution and the solution is made up to 1000 ml by addition of demineralized water.
  • NiSO 4 x6H 2 O 25 g / l nickel sulphate (NiSO 4 x6H 2 O)
  • the pH of the electrolyte is adjusted to 4.5 by addition of a 25% aqueous ammonia solution.
  • the achieved layer thickness is 5 ⁇ m.
  • NiSO 4 x 6H 2 O 25 g / l nickel sulphate (NiSO 4 x 6H 2 O)
  • Example 4 (according to the invention):
  • the achieved layer thickness is 5.5 ⁇ m.
  • the electrolyte behavior "not stable” essentially means a foreign nucleation in the electrolyte during the layer formation process.
  • the electrolyte behavior "less stable” means a foreign nucleation in the electrolyte after one hour during the film formation process.

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Abstract

The invention relates to a lead-free nickel phosphorous dispersion alloy on a metallic substrate surface, which may be obtained by non-galvanic deposition in an electrolyte, comprising 4 to 7 g/l nickel ions, 15 to 40 g/l hypophospite, at least one stabiliser, 5 to 400 mg/l of an alkylaryloxydialkylbenzylammonium chloride or a partially-fluorinated betain, 50 to 60 g/l of a complexing agent A, containing a carboxylic acid, 5 to 40 g/l of a complexing agent B containing a carboxylic acid different from A, 4 to 10 g/l dispersed particles, different from the nickel/phosphorus alloy composition and no boric acid or borates and objects coated therewith.

Description

Außenstromlos aufgebrachte Nickellegierung Externally powered nickel alloy
Die vorliegende Erfindung betrifft eine bleifreie, chemisch, d h außenstromlos erzeugte Nickellegierung mit Einlagerungen sowie damit beschichtete GegenstandeThe present invention relates to a lead-free, chemically, without external current produced nickel alloy with inclusions and articles coated therewith
Die chemische Vernickelung von Metalloberflachen ist ein im industriellen Maßstab häufig angewandtes Verfahren zum Korrosions- und Verschleißschutz von MetallenThe chemical nickel-plating of metal surfaces is a widely used method on an industrial scale for the corrosion and wear protection of metals
Generell unterscheidet man zwischen einer elektrolytischen und einer außenstromlosen Abscheidung zur Herstellung einer NickelschichtIn general, a distinction is made between an electrolytic and an electroless deposition for the production of a nickel layer
Bei der elektrolytischen Abscheidung - auch bekannt als galvanische Abscheidung bzw Beschichtung - handelt es sich um eine durch den eingeleiteten Strom erzwungene Abscheidungsreaktion auf der zu beschichtenden OberflacheElectrolytic deposition - also known as electrodeposition or coating - is a deposition reaction on the surface to be coated, which is forced by the introduced current
Bei der außenstromlosen Abscheidung - auch bekannt als chemische Abscheidung bzw Beschichtung - beruht die Schichtbildung auf einem autokatalytischen Vorgang, der maßgeblich durch die elektrochemischen Potentiale der beteiligten Reaktanden bestimmt wirdIn electroless deposition - also known as chemical deposition or coating - the layer formation is based on an autocatalytic process, which is largely determined by the electrochemical potentials of the reactants involved
Ein elektrolytisches Verfahren zur Herstellung einer Nickelschicht ist z B aus der EP 0 218 645 AI bekannt, bei dem ein galvanisches Bad verwendet wird, das neben einem kationischem Tensid aus der Gruppe der Alkylaryloxydialkylbenzylammoniumchloπde zwingend Borsäure oder Borate enthalt Diese so erhältlichen Schichten haben den Nachteil, dass sie an den Kanten einen uberpro- portionalen Schichtaufbau und an Vertiefungen oder Hmterschneidungen einen unterpro- portionalen Schichtaufbau aufweisen Deshalb eignet sich dieses Verfahren nicht für geo¬ metrisch komplexe Bauteile (beispielsweise Vergasergehause, Kraftstoffverteiler für Em- spπtzsysteme etc ), bei denen ein gleichmäßiger Schichtaufbau in allen Bereichen von ent- scheidender Bedeutung istAn electrolytic process for producing a nickel layer is known, for example, from EP 0 218 645 A1, in which a galvanic bath is used which, in addition to a cationic surfactant from the group of the alkylaryloxydialkylbenzylammonium chlorides, necessarily contains boric acid or borates. The layers thus obtainable have the disadvantage of Therefore, this method is not suitable for geo metric complex components (for example, carburetor housing, fuel rail for Emzitzsysteme etc) in which a uniform layer structure is crucial in all areas
Auch können solche geometrisch komplexen Bauteile nicht ohne Einsatz von Innenanoden im Inneren beschichtet werden Die Verwendung von Innenanoden hat den Nachteil einer äußerst schwierigen Positionierung, Bohrungen mit geringem Durchmesser (weniger als 2 mm) können nicht unter Verwendung einer Innenanode mit solchen Verfahren beschich- tet werden Daher haben außenstromlose Verfahren bei der Herstellung von funktionellen (d.h. von nicht ausschließlich dekorativen) Nickel- bzw. Nickellegierungsschichten die größere industrielle Bedeutung erlangt. Zwecks Erzielen eines verbesserten Korrosionsschutzes hat es sich als notwendig erwiesen, durch Zusatz geeigneter Verbindungen zum wässrigen Elektrolyten eine Nickel/Phosphorlegierung zu erreichen.Also, such geometrically complex components can not be coated without the use of inner anodes inside. The use of inner anodes has the disadvantage of extremely difficult positioning, small diameter holes (less than 2 mm) can not be coated using an inner anode using such methods Thus, off-line processes have become of greater industrial importance in the production of functional (ie, not exclusively decorative) nickel or nickel alloy layers. In order to achieve improved corrosion protection, it has proven necessary to achieve a nickel / phosphorus alloy by adding suitable compounds to the aqueous electrolyte.
Reine Nickel und phosphinathaltige Elektrolyte für chemische Vernickelungen benötigen zur Verhinderung einer Spontanzersetzung zusätzlich Stabilisatoren. Eine für die industri¬ elle Applikation ausreichende Stabilisierung wurde bislang überwiegend durch den Zusatz von Bleiverbindungen erreicht. Bisher alternativ zugesetzte Stabilisatoren, wie beispiels- weise Molybdän-, Cadmium oder Zinnverbindungen, zeigen im Vergleich zum Blei eine verringerte Wirkungsweise.Pure nickel and phosphine-containing electrolytes for chemical nickel plating also need stabilizers to prevent spontaneous decomposition. A stabilization sufficient for the industrial application has hitherto been achieved predominantly by the addition of lead compounds. Previously added stabilizers, such as molybdenum, cadmium or tin compounds, show a reduced mode of action compared to lead.
Darüber hinaus ist der Zusatz von Blei und Cadmium aus umweltpolitischen Gesichts¬ punkten nicht mehr zu vertreten; vor diesem Hintergrund ist verständlich, dass beispiels¬ weise die Automobilindustrie angesichts der geltenden EU-Altautoverordnung bleihaltige Bauteile nicht mehr verwenden darf.In addition, the addition of lead and cadmium is no longer responsible for environmental reasons; Against this background, it is understandable that, for example, the automotive industry is no longer allowed to use lead-containing components in view of the current EU end-of-life vehicle regulations.
Ein Beispiel für ein solches grundsätzlich bleihaltiges Bad zur außenstromlosen Nickel- abscheidung ist in der Patentschrift DE 34 21 646 C2 beschrieben. Dort wird neben einem Metallsalz der oben genannten Art als zusätzlicher Stabilisator ein spezielles Sulfonium- Betain verwendet.An example of such a generally lead-containing bath for electroless nickel deposition is described in the patent DE 34 21 646 C2. There, in addition to a metal salt of the abovementioned type, a special sulfonium betaine is used as additional stabilizer.
Gemäß der WO 02/34964 wird zur Herstellung einer bleifreien Nickellegierung mittels ei¬ nes außenstromlosen Verfahrens ein Elektrolyt verwendet, der keinen bleihaltigen Stabili¬ sator, sondern eine Kombination aus einer Antimon- und einer Wismutverbindung enthält. Dieser speziell abgestimmte Elektrolyt eignet sich nicht für die Herstellung von Dispersions¬ schichten, insbesondere nicht von PTFE-haltigen Nickelschichten.According to WO 02/34964, an electrolyte which contains no lead-containing stabilizer but a combination of an antimony compound and a bismuth compound is used to produce a lead-free nickel alloy by means of an electroless method. This specially adapted electrolyte is not suitable for the production of dispersion layers, in particular not of PTFE-containing nickel layers.
Eine solch zwingende Kombination von Antimon- und Wismutionen im Elektrolyten eignet sich aber nicht universell für die Stabilisierung von Elektrolyten zur Herstellung von Dispersionsüberzügen. Insbesondere die Herstellung von PTFE-haltigen Dispersionselektro- lyten mit einer Kombination einer Antimon- und einer Wismutverbindung zeigen eine unzureichende Stabilität des Elektrolyts. Der Nachteil ist die Überstabilisierung des Bades nach kurzer Zeit.However, such a compelling combination of antimony and bismuthions in the electrolyte is not universally suitable for the stabilization of electrolytes for the production of dispersion coatings. In particular, the preparation of PTFE-containing dispersion electrolytes with a combination of an antimony and a bismuth compound show insufficient stability of the electrolyte. The disadvantage is the overstabilization of the bath after a short time.
Solche Nickeldispersionsschichten finden aber immer mehr Einsatz in hoch beanspruchten Bauteilen wie beispielsweise Teile von Schlössern, Ventilen, Drehdurchführungen, Ventil¬ ankern, bewegbaren Kolben, komplexen geometrischen kraftstofführenden Teilen in der Automobilindustrie. Hierbei handelt es sich um die Abscheidung einer Metallschicht durch ein außenstromloses Verfahren mit gleichzeitiger Einlagerung von Feststoffen, die im Elektrolyten dispergiert vorliegen.However, such nickel dispersion layers are being used more and more in highly stressed components such as, for example, parts of locks, valves, rotary unions, valve anchors, movable pistons, complex geometric fuel-carrying parts in the automotive industry. This is the deposition of a metal layer by an electroless process with simultaneous incorporation of solids that are dispersed in the electrolyte.
Bei diesen Feststoffen handelt es sich je nach Einsatzzweck um Gleitstoffe (beispielsweise PTFE, Graphit, sphärisches Aluminiumoxid, gekapseltes MoS2 etc.) oder Hartstoffe (Diamant, Korund, kubisches BN etc.).Depending on the intended use, these solids are lubricants (for example, PTFE, graphite, spherical aluminum oxide, encapsulated MoS 2, etc.) or hard materials (diamond, corundum, cubic BN, etc.).
Ein großes Problem bei der Herstellung dieser Schichten ist die gleichmäßige Einlagerung der Feststoffe in die Metallmatrix. Ungleichmäßige Dispersionsschichten führen zu einem vorzeitigen bzw. unerwünscht lokalen Verschleiß, was je nach Anwendungsgebiet ein er- hebliches Sicherheitsrisiko darstellen kann (z.B. Hydraulikzylinder in der Flugzeugindustrie).A major problem in the production of these layers is the uniform incorporation of the solids in the metal matrix. Non-uniform dispersion layers lead to premature or undesired local wear, which can present a considerable safety risk depending on the field of application (for example hydraulic cylinders in the aircraft industry).
Eine Möglichkeit zur Herstellung einer solchen IMickeldispersionsschicht ist in der US 4 997 686 A1 beschrieben. Es handelt sich um ein Verfahren zur außenstromlosen Vernickelung, bei dem ein Elektrolyt verwendet wird, der neben den Nickelkationen und Phosphinat- anionen eine Mischung aus einem nicht-ionischen Tensid mit einem kationischen, anioni¬ schen oder amphoteren Tensid enthält.One possibility for producing such an IMlydispersion layer is described in US Pat. No. 4,997,686 A1. It is a process for electroless nickel plating, in which an electrolyte is used which, in addition to the nickel cations and phosphinate anions, contains a mixture of a nonionic surfactant with a cationic, anionic or amphoteric surfactant.
Die Zugabe dieser Tensidkombination in dem hypophosphithaltigen Elektrolyten hat den Nachteil, dass sich die Standzeiten des Elektrolyten beispielsweise bei der Einlagerung von fein verteiltem PTFE drastisch verkürzen. Diese Standzeitenverringerung ist u.a. auf die BiI- düng von Orthophosphit- oder Nickelphosphitkristallen und die Bildung von Abbau¬ produkten des zugesetzten Tensidgemisches zurückzuführen. Auch ist je nach Versuchs¬ bedingungen eine Zersetzung des Bads zu beobachten.The addition of this surfactant combination in the hypophosphite electrolyte has the disadvantage that the service life of the electrolyte drastically shortened, for example, when incorporating finely divided PTFE. This life reduction is i.a. attributable to the formation of orthophosphite or nickel phosphite crystals and the formation of degradation products of the added surfactant mixture. Depending on the experimental conditions, decomposition of the bath can also be observed.
Darüber hinaus ist die Oberflächenbeschaffenheit ungleichmäßig, was den frühzeitigen Verschleiß dieser Dispersionsschichten begünstigt. Des Weiteren werden diese Nickeldispersionsschichten unter Verwendung herkömmlicher Nickel/Phosphor- Elektrolyte hergestellt, die als Stabilisator entweder Blei oder eine Kombi¬ nation von Zinn mit Cadmium enthalten.In addition, the surface texture is uneven, which promotes the early wear of these dispersion layers. Furthermore, these nickel dispersion layers are prepared using conventional nickel / phosphorus electrolytes containing as stabilizer either lead or a combination of tin with cadmium.
Deshalb hat es in jüngster Vergangenheit vermehrt Bestrebungen gegeben, Emulgatoren oder oberflächenaktive Substanzen in hypophosphithaltigen Elektrolyten zur außenstrom¬ losen Vernickelung von PTFE-haltigen Dispersionsschichten gar nicht einzusetzen.Therefore, in recent years there have been increasing efforts not to use emulsifiers or surface-active substances in hypophosphite-containing electrolytes for the electroless nickel plating of PTFE-containing dispersion layers.
Aus der US 6 273 943 ist ein Elektrolyt zur außenstromlosen Abscheidung einer Nickel/- PTFE-Dispersionsschicht bekannt, der ein quarternäres Perfluoralkylammoniumhalogenid und eine Bleiverbindung als Stabilisator aufweist. Neben dem entscheidenden Nachteil der zwingenden Verwendung von Blei entsteht bei der Herstellung von Perfluoralkylammoniumhalogeniden als Zwischenstufe Perfluoroctyl- sulfonyl (PFOS), eine äußerst toxische und bioakkumulative Verbindung.US Pat. No. 6,273,943 discloses an electrolyte for electroless deposition of a nickel / PTFE dispersion layer which comprises a quaternary perfluoroalkylammonium halide and a lead compound as stabilizer. In addition to the decisive disadvantage of the mandatory use of lead, perfluorooctylsulfonyl (PFOS), an extremely toxic and bioaccumulative compound, is produced as an intermediate in the preparation of perfluoroalkylammonium halides.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines auf einer metallischen Substratoberfläche befindliche bleifreie Nickel/Phosphor-Dispersionsüberzugs, der einen gleichmäßigen Schichtaufbau (besonders an den Kanten, Vertiefungen und Hinterschnei- dungen) auch auf geometrisch komplexen Bauteilen mit den funktionellen Einlagerungen ermöglicht. Dabei soll eine möglichst gleichmäßige Einlagerung der Partikel in die Nickellegierungs¬ matrix gewährleistet sein.The object of the present invention is to provide a lead-free nickel / phosphorus dispersion coating on a metallic substrate surface, which enables a uniform layer structure (especially at the edges, recesses and undercuts) even on geometrically complex components with the functional inclusions. The aim is to ensure the most uniform possible incorporation of the particles into the nickel alloy matrix.
Dieser Überzug soll sich besonders für geometrisch komplexe Bauteile eignen, die mechanisch und auf Reibung hoch belastbar sind und zudem geringe Toleranzen aufweisen. Zuletzt sollen diese Nickellegierungsschichten erhältlich sein durch außenstromlose Ab¬ scheidung in einem Elektrolyten, der sich durch vergleichsweise hohe Standzeiten auszeichnet.This coating should be particularly suitable for geometrically complex components that are highly resilient mechanically and on friction and also have low tolerances. Finally, these nickel alloy layers should be obtainable by electroless deposition in an electrolyte, which is characterized by comparatively long service lives.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine auf einer metallischen Substrat- Oberfläche befindliche, bleifreie Nickel/Phosphor-Dispersionslegierung, erhältlich durch außenstromlose Abscheidung in einem Elektrolyten, derThis object is achieved by a present on a metallic substrate surface, lead-free nickel / phosphorus dispersion alloy, available by electroless deposition in an electrolyte, the
• 4 bis 7 g/l Nickelionen;• 4 to 7 g / l nickel ions;
• 15 bis 40 g/l Hypophospit;• 15 to 40 g / l hypophospit;
• mindestens einen Stabilisator; » 5 bis 400 mg/1 eines Alkylaryloxydialkylbenzylammoniumchlorids oder eines teilweise fluorierten Betains;• at least one stabilizer; "5 to 400 mg / l of an alkylaryloxydialkylbenzylammonium chloride or a partially fluorinated betaine;
• 50 bis 60 g/l eines carbonsäurehaltigen Komplexbildners A;• 50 to 60 g / l of a carboxylic acid-containing complexing agent A;
• 5 bis 40 g/l eines von A verschiedenen Komplexbildners B (z.B. oder vorzugs¬ weise Dicarbonsäure); • 3 bis 10 g/l dispergierte Partikel, die sich von der Zusammensetzung Nickel/-5 to 40 g / l of a complexing agent B other than A (for example or preferably dicarboxylic acid); 3 to 10 g / l dispersed particles, which differ from the composition nickel /
Phosphor-Legierung unterscheiden; undDistinguish phosphorus alloy; and
• keine Borsäure oder Borate enthält, wobei die Angaben sich auf die Gesamtzusammensetzung des Elektrolyten be¬ ziehen.Contains no boric acid or borates, the details referring to the overall composition of the electrolyte.
Dabei ist zu beachten, dass der Elektrolyt auch kein Cadmium enthält. Mit der erfindungsgemäßen bleifreien Nickel/Phosphor-Dispersionslegierung ist es erstmals möglich, geometrisch komplexe Bauteile, wie beispielsweise Vergasergehäuse, Kraftstoff¬ verteiler für Einspritzsysteme etc., mit einem gleichmäßigen Schichtaufbau eines auf Rei¬ bung hoch belastbaren Überzugs zu versehen, insbesondere an den Kanten, Vertiefungen und Hinterschneidungen.It should be noted that the electrolyte also contains no cadmium. With the lead-free nickel / phosphorus dispersion alloy according to the invention, it is now possible to provide geometrically complex components, such as carburetor housings, fuel distributors for injection systems, etc., with a uniform layer structure of a coating which is highly resistant to abrasion, in particular at the edges, Recesses and undercuts.
Diese Bauteile haben in fertig beschichteter Ausführung eine Toleranz von + 3 μm bei einer Gesamtschichtdicke von 10 - 12 μm.These components have a finished coating of a tolerance of + 3 microns with a total layer thickness of 10 - 12 microns.
Je nach eingesetzten Partikeln kann gezielt eine auf den entsprechenden Anwendungs¬ zweck abgestimmte Rauhtiefe bzw. funktionelle Oberflächenbeschaffenheit erreicht werden.Depending on the particles used, it is possible to achieve a surface roughness or functional surface quality tailored to the corresponding application purpose.
Durch die entsprechend dem Hauptanspruch zwingend im Elektrolyten vorhandenen Komponenten zur Herstellung des erfindungsgemäßen Überzugs wird eine gleichmäßige Einlagerung der Partikel in die Nickellegierungsmatrix sichergestellt. Dabei können ver¬ schiedenste Partikelformen, wie z.B. Agglomerate, Einzelpartikel oder Partikel unterschied- lichster Geometrie homogen verteilt sein, was anhand eines metallographischen Quer¬ schliffs leicht abzubilden ist.By virtue of the components necessarily present in the electrolyte in accordance with the main claim for producing the coating according to the invention, uniform incorporation of the particles into the nickel alloy matrix is ensured. In this case, different particle shapes, such as e.g. Agglomerates, individual particles or particles of different geometry to be homogeneously distributed, which is easy to map using a metallographic Quer¬.
Zuletzt kann die Standzeit des eingesetzten Elektrolyten zur außenstromlosen Abscheid¬ ung einer erfindungsgemäßen Dispersionsschicht mit eingelagerten Siliciumcarbidpartikeln eine Standzeit von bis zu 10 MTO (metal turn over - d.h. Metalldurchsatz bezogen auf den eingesetzten Elektrolyten in Itr.) betragen.Finally, the service life of the electrolyte used for electroless deposition of a dispersion layer according to the invention with embedded silicon carbide particles can be a service life of up to 10 MTO (metal turn over, ie metal throughput based on the electrolyte used in Itr.).
Unter dem Begriff "metallische Substratoberfläche" werden auch Kunststoffoberflächen verstanden, die zuerst anhand von dem Fachmann bekannten Verfahren aktiviert und anschließend vernickelt werden.The term "metallic substrate surface" is also understood as meaning plastic surfaces which are first activated by means of processes known to the person skilled in the art and subsequently nickel-plated.
Besonders bevorzugt sind metallisierte Kunststoffoberflächen, die unter Verwendung einer mechanischen Mikrostrukturierung hergestellt werden und beispielsweise in der WO 2004/092436 A2 und der WO 2004/092256 A1 offenbart sind.Particularly preferred are metallized plastic surfaces which are produced using mechanical microstructuring and are disclosed, for example, in WO 2004/092436 A2 and WO 2004/092256 A1.
Eine übliche Schichtdicke dieser Nickel/Phosphordispersionslegierung zwischen 3 und 30 μm reicht aus, um die Verschleißbeständigkeit zu erhöhen, Gleit- und Reibungseigen¬ schaften zu verbessern sowie die Antihafteigenschaften bereitzustellen. Je nach Art der eingesetzten Partikel können aber auch kraftübertragende Funktions¬ schichten hergestellt werden.A usual layer thickness of this nickel / phosphorus dispersion alloy between 3 and 30 μm is sufficient to increase the wear resistance, to improve sliding and friction properties and to provide the non-stick properties. Depending on the type of particles used, however, it is also possible to produce force-transmitting functional layers.
Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nickel/Phosphordispersions¬ legierung wird erreicht, wenn die Bestandteile Nickel, Phosphor und Partikel gleichmäßig in der Legierungsschicht verteilt sind. Der Begriff "gleichmäßig" bedeutet hier und im folgenden eine legierungs- und funktionstypische Verteilung der entsprechenden Komponenten in der Nickelmatrix. Durch diese gleichmäßige Verteilung wird ein einheitliches Gefüge in der Legierung erreicht, so dass die mechanischen und funktionellen Eigenschaften dieser Schicht auch in engen Toleranzbereichen konstant sind.A preferred embodiment of the nickel / phosphorus dispersion alloy according to the invention is achieved if the constituents nickel, phosphorus and particles are distributed uniformly in the alloy layer. The term "uniformly" here and in the following means an alloy and function-typical distribution of the corresponding components in the nickel matrix. This uniform distribution achieves a uniform microstructure in the alloy, so that the mechanical and functional properties of this layer are constant even in narrow tolerance ranges.
Als Komplexbildner A werden die zur Herstellung üblicher Nickel/Phosphorelektrolyten be¬ kannten Carbon- und Dicarbonsäuren eingesetzt.Complexing agents A used are the carboxylic and dicarboxylic acids known for preparing customary nickel / phosphorus electrolytes.
Als Komplexbildner A wird besonders bevorzugt Milchsäure und Malonsäure verwendet; als Komplexbildner B vorzugsweise Bernsteinsäure.As complexing agent A, lactic acid and malonic acid are particularly preferably used; as complexing agent B, preferably succinic acid.
Ein einfaches Beispiel für ein Alkylaryloxydialkylbenzylammoniumchlorid ist Benzalkonium- chlorid der FormelA simple example of an alkylaryloxydialkylbenzylammonium chloride is benzalkonium chloride of the formula
oder der Formelor the formula
eingesetzt werden, in denen X ein Chloratom darstellt. Solche Verbindungen werden bei¬ spielsweise unter der Handelsbezeichnung HYAMIN® 1622 von der Fa. Clariant vertrieben.can be used, in which X represents a chlorine atom. Such compounds are spielsweise marketed in 1622 by the company. Clariant under the trade name Hyamine ®.
Weitere, einfache Beispiele für Alkylaryloxydialkylbenzylammoniumchloride sind Benzal- koniumchloride (N-Alkyl-N,N-dimethyl-N-benzylammoniumchlorid mit einem C12-, Ci4- oder C16-Alkylrest) und Methyldodecylbenzyltrimethylammoniumchlorid. Benzalkoniumchloride werden beispielsweise unter der Handelsbezeichnung HYAMIN® 3500 von der Fa. Clariant vertriebenFurther, simple examples of Alkylaryloxydialkylbenzylammoniumchloride are benzalkonium koniumchloride (N-alkyl-N, N-dimethyl-N-benzylammonium chloride with a C 12 -, C 4 - or C 16 -alkyl) and Methyldodecylbenzyltrimethylammoniumchlorid. Benzalkonium be marketed under the trade name hyamine ® 3500 by the company. Clariant
Als mögliches teilweise fluoriertes Betain können beispielsweise solche Verbindungen ver¬ wendet werden, die unter der Handelsbezeichnung FLUOWET® CA von der Fa. Clariant vertrieben werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der Elektrolyt als Stabilisator mindestens 10 mg/l Antimon- und höchstens 1 ,5 mg/l Wismutionen. Dieser Antimon- und Wismutzusatz ist aber nicht zwingend - so können beispielsweise auch nur Stabilisatoren auf Basis von Zinn(ll)-Verbindungen verwendet werden. Besonders bevorzugt enthält der Elektrolyt als Stabilisator 10 - 150 mg/l Antimon- undAs a possible partially fluorinated betaine for example, such compounds can be expended under the trade name FLUOWET ® CA. By the company Clariant sold ver¬. In a preferred embodiment of the invention, the electrolyte contains as stabilizer at least 10 mg / l antimony and at most 1, 5 mg / l bismuth ions. However, this antimony and bismuth additive is not mandatory - for example, only stabilizers based on tin (II) compounds can be used. Particularly preferably, the electrolyte contains as stabilizer 10-150 mg / l antimony and
0,01 - 1,5 mg/l Wismutionen.0.01 - 1.5 mg / l of bismuths.
Aufgrund der Auswahl der Stabilisatoren gemäß dieser Ausführungsform gelingt es, sehr hohe Langzeitstabilitäten des Elektrolyten zu erreichen. Für einen Elektrolyten mit SiC als Partikel ist mit dieser Auswahl möglich, Standzeiten von bis zu 10 MTO (metal turn over - d.h. Metalldurchsatz bezogen auf den eingesetzten Elektrolyten in Itr.) zu erzielen und für einen Elektrolyten zur Herstellung einer Nickelphosphor-PTFE-Dispersionslegierung können Standzeiten von 3 MTO und darüber erzielt werden.Due to the choice of stabilizers according to this embodiment, it is possible to achieve very high long-term stability of the electrolyte. For an electrolyte with SiC as a particle, this choice makes it possible to achieve service lives of up to 10 MTO (metal turn over, ie metal throughput based on the electrolyte used in Itr.) And for an electrolyte for producing a nickel-phosphorus-PTFE dispersion alloy Lifespan of 3 MTO and above can be achieved.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält der Elektrolyt zusätzlich ein nicht-ionisches Tensid. Besonders bevorzugt ist das nicht-ionische Tensid ausgewählt aus der Gruppe der teilweise fluorierten oder nichtfluorierten Tenside. Unter der Bezeichnung „teilweise fluorierte Tenside" werden alle oberflächenaktiven Sub¬ stanzen verstanden, die keine perfluorierten Reste aufweisen.According to another embodiment of the present invention, the electrolyte additionally contains a nonionic surfactant. Particularly preferably, the nonionic surfactant is selected from the group of partially fluorinated or non-fluorinated surfactants. The term "partially fluorinated surfactants" means all surface-active substances which have no perfluorinated radicals.
Unter der Bezeichnung „nichtfluorierte Tenside" werden alle oberflächenaktiven Substan- zen verstanden, die kein Fluoratom aufweisen.The term "non-fluorinated surfactants" is understood as meaning all surface-active substances which have no fluorine atom.
Auf diese Weise kann eine verbesserte (d.h. gleichmäßigere) Nickelphosphor-Dispersions¬ schicht erhalten werden, da die Verwendung eines zusätzlichen nicht-ionischen Tensid da¬ zu beiträgt, eine unerwünschte Agglomeration im Elektrolyten zu verhindern und gleich- zeitig einen Beitrag dazu leistet, die nicht löslichen Bestandteile des Elektrolyten in Schwe¬ be zu halten.In this way, an improved (ie more uniform) nickel-phosphorus dispersion layer can be obtained, since the use of an additional nonionic surfactant contributes to preventing undesired agglomeration in the electrolyte and at the same time contributing thereto, which does not To keep soluble components of the electrolyte in Schwe¬ be.
Somit wird durch diese Ausführungsform auch eine längere Standzeit des Elektrolyten gewährleistet.Thus, this embodiment also ensures a longer service life of the electrolyte.
Die dispergierten Partikel können in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgewählt sein aus der Gruppe von Siliziumcarbid, Korund, Diamant, kubischem Bornitrid, sphärischem Aluminiumoxid und Tetraborcarbid, wobei solche Partikel besonders bevorzugt sind, die nichtmetallisch sind und eine Härte von mehr als 1.000 HV aufweisen. Die gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform erhaltenen Nickelphosphor-Dispersions¬ legierungen sind insbesondere geeignet, den beschichteten Substraten Abriebbestän¬ digkeit, Verschleißschutz und Reibungserhöhung zur Gewährleistung kraftschlüssiger Verbindungen oder die gewünschte Oberflächenstruktur zu verleihen. Auf diese Weise können dem Substrat funktionelle Eigenschaften verliehen werden, die genau auf den Bedarf seiner Verwendung abgestimmt sind. So werden bei einer Nickelphosphor- Dispersionsschicht mit eingebauten Siliziumcarbid-Partikeln rauhe Oberflächenstrukturen mit typischen funktionellen Einlagerungen erzielt, die in kraftschlüssigen Verbindungen Reibwerte von μ=0,50 und darüber erreichen (zum Vergleich: bei trockenem Stahlkontakt betragen die Reibwerte nur μ=0,15).The dispersed particles may in a preferred embodiment of the present invention be selected from the group of silicon carbide, corundum, diamond, cubic boron nitride, spherical alumina and tetraboron carbide, particular preference being given to non-metallic particles having a hardness greater than 1000 HV , The nickel-phosphorus dispersion alloys obtained according to this preferred embodiment are particularly suitable for imparting abrasion resistance, wear protection and increased friction to the coated substrates to ensure frictional connections or the desired surface structure. In this way For example, functional properties can be imparted to the substrate that are tailored to the needs of its use. Thus, in a nickel-phosphorus dispersion layer with incorporated silicon carbide particles, rough surface structures with typical functional embeddings are achieved which achieve friction coefficients of μ = 0.50 and above in frictional connections (for comparison: in dry steel contact, the coefficients of friction are only μ = 0.15 ).
In einer anderen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weisen die Partikel reibungsver- mindernde Eigenschaften auf und sind ausgewählt aus der Gruppe von Polytetrafluor- ethylen, Molybdänsulfid, Molybdändisulfid, hexagonalem Bornitrid, Zinnsulfid und Graphit.In another, likewise preferred embodiment, the particles have friction-reducing properties and are selected from the group of polytetrafluoroethylene, molybdenum sulfide, molybdenum disulfide, hexagonal boron nitride, tin sulfide and graphite.
Die gemäß dieser Ausführungsform erhältlichen Nickelphosphor-Dispersionsschichten sind ebenfalls je nach funktioneller Anforderung des resultierenden Bauteils auszuwählen. So werden ausgezeichnete reibungsvermindernde Eigenschaften erzielt durch den Einbau von PTFE-Partikeln in die Nickelphosphor-Matrix. Erst durch die spezielle Zusammensetzung des Elektrolyts gemäß der vorliegenden Erfindung ist es jedoch möglich, ein blei- und cadmiumfreies System zur Verfügung zu stellen, das auch für die Herstellung von Nickelphosphor-PTFE-Legierungen ausreichende Stabilität und gute Oberflächengüten gewährleistet. Aufgrund der komplexen Wechselwirkung aller beteiligter Komponenten hinsichtlich der Stabilität des Elektrolyten und guter Abscheidungsraten war es bisher nicht bekannt, Polytetrafluorethylen-haltige Elektrolyten bereit zu stellen, die nicht auf blei- oder cadmiumhaltige Stabilisatoren angewiesen waren.The nickel-phosphorus dispersion layers obtainable according to this embodiment are also to be selected according to the functional requirement of the resulting device. Thus, excellent friction-reducing properties are achieved by the incorporation of PTFE particles in the nickel phosphorus matrix. However, it is only through the special composition of the electrolyte according to the present invention that it is possible to provide a lead- and cadmium-free system which also ensures sufficient stability and good surface qualities for the production of nickel-phosphorus-PTFE alloys. Due to the complex interaction of all the components involved with regard to the stability of the electrolyte and good deposition rates, it has hitherto not been known to provide polytetrafluoroethylene-containing electrolytes which did not rely on lead- or cadmium-containing stabilizers.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Verzicht auf perfluorierte kationische oder nichtionische Tenside. Gerade für Polytetrafluorethylen-hal¬ tige Elektrolyten sind bisher vorwiegend perfluorierte kationische und nichtionische Tensi- de verwendet worden, da diese alleine geeignet waren, den PTFE-Teilchen die zur Wan¬ derung und Mitabscheidung benötigte Ladung zu verleihen. Die Herstellung dieser fluo¬ rierten kationischen und nichtionischen Tenside verläuft jedoch über eine toxische Zwi¬ schenstufe ("Perfluoroctylsulfonyl") mit Bioakkumulationspotential, so dass diese weltweit von den Herstellern aus dem Programm genommen wurden. Diese Entwicklung hat dazu geführt, dass nach neuen Methoden gesucht wird, um weiterhin PTFE-haltige Nickel¬ phosphor-Dispersionslegierungen herstellen zu können, ohne die nicht mehr erhältlichen fluorhaltigen kationischen Tenside einsetzen zu müssen. Genau diese Anwendung ist aber mit einer Nickelphosphor-PTFE-Dispersionslegierung der vorliegenden Erfindung in einer Weise gegeben, die alle nunmehr umweit- und gesundheitspolitisch gesetzten Rahmen- bedingungen berücksichtigt.Another advantage of the embodiment of the invention is the absence of perfluorinated cationic or nonionic surfactants. Perfluorinated cationic and nonionic surfactants have hitherto been used predominantly for polytetrafluoroethylene-containing electrolytes since these alone were suitable for imparting the charge required for migration and co-deposition to the PTFE particles. However, the preparation of these fluorinated cationic and nonionic surfactants proceeds via a toxic intermediate ("perfluorooctylsulfonyl") with bioaccumulation potential, so that these have been withdrawn from the program by the manufacturers worldwide. This development has led to the search for new methods in order to continue to produce PTFE-containing nickel phosphorus dispersion alloys, without having to use the no longer available fluorine-containing cationic surfactants. However, precisely this application is given with a nickel-phosphorus-PTFE dispersion alloy of the present invention in a manner which takes into account all the environmental and health policy conditions.
Die Nickelphosphor-Dispersionslegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung können als verschleißbeständige Oberfläche, insbesondere in der Automobilindustrie und im Maschi- nenbau, besonders bevorzugt als Schlossteile für Türschließsystem sowie funktionelle Komponenten für Kraftstoff- Dosiersystem oder als Oberfläche in der Automobilindustrie mit verbesserten Gleitreibungseigenschaften, insbesondere für Teile von Schlössern, Ven¬ tilen, Drehdurchführungen, Ventilankern, bewegbaren Kolben, und sonstigen bewegli- chen Teilen in der Automobilindustrie und im Maschinenbau verwendet werden.The nickel-phosphorous dispersion alloys according to the present invention can be used as a wear-resistant surface, in particular in the automotive industry and in the machine industry. nenbau, particularly preferred as lock parts for door closing system and functional components for fuel dosing or as a surface in the automotive industry with improved sliding friction properties, especially for parts of locks, Ven¬ valves, rotary joints, valve anchors, movable pistons, and other movable parts in the Automotive industry and used in mechanical engineering.
Die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung einer chemisch erzeugten Nickellegierung durch außenstromlose Metallabscheidung in einem wäßrigen Elektrolyten sind prinzipiell bekannt. Dies gilt insbesondere für die Wahl geeigneter Verbindungen für die Nickelkationen und Phosphinationen. Darüber hinaus ist dem Fachmann auch bekannt, welche Additive, Stabilisatoren, Komplexbildner oder sonstige Zusätze noch für eine entsprechende Nickellegierung erforderlich sind.The individual process steps for producing a chemically produced nickel alloy by electroless metal deposition in an aqueous electrolyte are known in principle. This is especially true for the choice of suitable compounds for the nickel cations and phosphinations. In addition, it is also known to those skilled in the art which additives, stabilizers, complexing agents or other additives are still required for a corresponding nickel alloy.
Diese Parameter sind jedoch für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht kritisch. Deshalb wird nicht im einzelnen auf dieses Grundwissen eingegangen sondern es wird vielmehr auf das Lehrbuch "Einführung in die Galvanotechnik" von Bernhard Gaida, E. Leuze Verlag, verwiesen.However, these parameters are not critical to the application of the method of the invention. For this reason, this basic knowledge is not dealt with in detail, but rather the textbook "Introduction to Electroplating" by Bernhard Gaida, E. Leuze Verlag, is referred to.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann der Anteil an Nickelkationen im Elektrolyten zwischen 4 bis 7 g/l liegen, bezogen auf die Summe der in dem wäßrigen Elektrolyten befindlichen Bestandteile Nickel und Phosphor.In the process according to the invention, the proportion of nickel cations in the electrolyte can be between 4 and 7 g / l, based on the sum of the constituents nickel and phosphorus present in the aqueous electrolyte.
Der Anteil an Phosphinationen kann im Elektrolyten zwischen 15 bis 40 g/l liegen, bezogen auf das Gewichtsverhältnis von Phosphor zur Summe der in dem wäßrigenThe proportion of phosphination can be in the electrolyte between 15 to 40 g / l, based on the weight ratio of phosphorus to the sum of the in the aqueous
Elektrolyten befindlichen Bestandteile Nickel und Phosphor.Electrolytes contained components nickel and phosphorus.
Der Anteil an Alkylaryloxydialkylbenzylammoniumchlorid im Elektrolyten kann zwischen 0,01 und 0,4 Gew.-% liegen, insbesondere zwischen 0,1 und 0,2 Gew.-%, bezogen auf die Summe der in dem wäßrigen Elektrolyten befindlichen Bestandteile Nickel undThe proportion of Alkylaryloxydialkylbenzylammoniumchlorid in the electrolyte can be between 0.01 and 0.4 wt .-%, in particular between 0.1 and 0.2 wt .-%, based on the sum of the components contained in the aqueous electrolyte nickel and
Phosphor.Phosphorus.
Die Summe der Anteile der zuvor beschriebenen, im Elektrolyten enthaltenden Kom- ponenten beträgt üblicherweise 100 Gew.-%. Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung der Erfindung:The sum of the proportions of the components previously described in the electrolyte is usually 100% by weight. The following examples serve to illustrate the invention:
Untersuchungsmethoden:Test Methods
Die Bestimmung der Standzeit (in MTO = metal-turn-over) erfolgt über nasschemische Titration auf Murexit-Indikator als Verbrauch in g/l Nickel.The service life (in MTO = metal turn-over) is determined by wet-chemical titration on murexite indicator as consumption in g / l nickel.
Der Wert berechnet sich aus der Menge an Nickelionen, die dem fertigen Elektrolyten zu¬ gesetzt werden können, ohne dass der Elektrolyt ausgetauscht werden muss. Sie ist bezogen auf die Gesamtmenge an Nickel in dem Elektrolytbad.The value is calculated from the amount of nickel ions that can be added to the finished electrolyte without having to exchange the electrolyte. It is based on the total amount of nickel in the electrolyte bath.
Die Bestimmung der gleichmäßigen Verteilung der PTFE-Teilchen erfolgt über einen metallographischen Querschliff der beschichteten Stahlbleche. Sie ist charakterisiert über die Bestimmung des prozentualen Anteils der Verteilung der in der Nickel/Phosphor-Matrix eingebauten Partikel.The uniform distribution of the PTFE particles is determined by a metallographic cross section of the coated steel sheets. It is characterized by the determination of the percentage of the distribution of the particles incorporated in the nickel / phosphorus matrix.
Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel):Example 1 (comparative example)
In einem 1 -I Becherglas werden 500 ml vollentsalztes Wasser vorgelegt und unter Rühren folgende Verbindungen hinzugegeben:500 ml of demineralized water are placed in a 1 l beaker and the following compounds are added with stirring:
30 g/l Nickelsulfat (NiSO4X 6H2O) 35 g/l Natriumphosphinat (NaH2PO2X H2O) 30 g/l Malonsäure 30 g/l Bernsteinsäure 0,5 mg/1 Wismutmethansulfonat (Bi(OS(O)2CH3)3)30 g / l nickel sulfate (NiSO 4 X 6H 2 O) 35 g / l sodium phosphinate (NaH 2 PO 2 XH 2 O) 30 g / l malonic acid 30 g / l succinic acid 0.5 mg / 1 bismuth methanesulfonate (Bi (OS (O ) 2 CH 3 ) 3 )
1 ,5 g/l Antimonchlorid 10 ml/l Borfluorwasserstoffsäure (50%ig) 100 mg/l Allylthioharnstoff1.5 g / l antimony chloride 10 ml / l borofluoric acid (50%) 100 mg / l allyl thiourea
370 mg/l kationisches perfluoriertes Fluortensid „FT 754" der Fa. 3M 7 g/l PTFE- Dispersion Zonyl® 3807 der Fa. DuPont370 mg / l cationic perfluorinated fluorosurfactant "FT 754" of the company. 3M 7 g / l PTFE dispersion Zonyl ® 3807 from the company. DuPont
15 mg/1 nichtionisches Tensid „FSN-100" der Fa. DuPont15 mg / 1 nonionic surfactant "FSN-100" from DuPont
Danach wird der pH-Wert durch Zugabe einer 25 %igen wässrigen Ammoniaklösung auf den Wert 4,3 eingestellt und die Lösung durch Zugabe von vollentsalztem Wasser auf 1.000 ml aufgefüllt.The pH is then adjusted to 4.3 by addition of a 25% strength aqueous ammonia solution and the solution is made up to 1000 ml by addition of demineralized water.
Nach Aufheizen auf 88 0C werden 1 mm dicke Stahlbleche der Legierung St 37 mit den Abmessungen 50 * 50 mm nach üblicher Vorbehandlung (Entfettung, Spülen, Aktivieren, Spülen) 60 Minuten lang in das Bad eingehängt. Danach wird das Blech gespült und getrocknet. Die erzielte Schichtdicke beträgt 5 μm.After heating to 88 ° C., 1 mm thick steel plates of the alloy St 37 with the dimensions 50 * 50 mm are suspended in the bath for 60 minutes after usual pretreatment (degreasing, rinsing, activating, rinsing). Thereafter, the sheet is rinsed and dried. The achieved layer thickness is 5 μm.
Die Ergebnisse der Standzeit des Elektrolyts und der PTFE-Verteilung in der Dispersions¬ schicht werden gemäß den zuvor beschriebenen Untersuchungsmethoden bestimmt und sind in Tabelle I angegeben.The results of the service life of the electrolyte and the PTFE distribution in the dispersion layer are determined according to the test methods described above and are given in Table I.
Beispiel 2 (erfindungsgemäß):Example 2 (according to the invention):
Das Vergleichsbeispiel 1 wird wiederholt, jedoch mit folgender Elektrolytzusam- mensetzung:Comparative Example 1 is repeated, but with the following electrolyte composition:
25 g/l Nickelsulfat (NiSO4x6H2O)25 g / l nickel sulphate (NiSO 4 x6H 2 O)
35 g/l Natriumphosphinat (NaH2PO2XH2O)35 g / l sodium phosphinate (NaH 2 PO 2 XH 2 O)
35 g/l Milchsäure (synthetisch)35 g / l lactic acid (synthetic)
30 g/l Bernsteinsäure 0,5 mg/1 Wismuttartrat30 g / l succinic acid 0.5 mg / 1 bismuth tartrate
1 ,5 g/l Antimonchlorid1.5 g / l antimony chloride
0,5 mg/l Kalium-o-ethyldithiocarbonat0.5 mg / l potassium o-ethyl dithiocarbonate
195 mg/l Hyamin® 1622 von der Fa. Lonza195 mg / l Hyamine ® 1622 by the company. Lonza
7 g/l PTFE-Dispersion Zonyl® 3807 der Fa. DuPont 15 mg/l nichtionisches Tensid „FSN-100" der Fa. DuPont7 g / l PTFE dispersion Zonyl ® 3807 from the company. DuPont 15 mg / l nonionic surfactant "FSN-100" of the company. DuPont
Der pH-Wert des Elektrolyten wird durch Zugabe einer 25 %igen wässrigen Ammoniaklösung auf den Wert 4,5 eingestellt . Die erzielte Schichtdicke beträgt 5 μm.The pH of the electrolyte is adjusted to 4.5 by addition of a 25% aqueous ammonia solution. The achieved layer thickness is 5 μm.
Beispiel 3 (erfindungsgemäß):Example 3 (according to the invention):
Das Vergleichsbeispiel 1 wird wiederholt, jedoch mit folgender Elektrolytzusammen¬ setzung:Comparative Example 1 is repeated, but with the following electrolyte composition:
25 g/l Nickelsulfat (NiSO4 x 6H2O)25 g / l nickel sulphate (NiSO 4 x 6H 2 O)
35 g/l Natriumphosphinat (NaH2PO2XH2O) 35 g/l Milchsäure (synthetisch)35 g / l sodium phosphinate (NaH 2 PO 2 XH 2 O) 35 g / l lactic acid (synthetic)
30 g/l Bernsteinsäure30 g / l succinic acid
0,5 mg/l Wismuttartrat0.5 mg / l bismuth tartrate
1 ,5 g/l Antimonchlorid1.5 g / l antimony chloride
0,5 mg/l Kalium-o-ethyldithiocarbonat 725 mg/l Fluowet® CA Fa.Clariant0.5 mg / l potassium ethyl xanthate 725 mg / l Fluowet ® CA Fa.Clariant
7 g/l PTFE-Dispersion Zonyl® 3807 der Fa. DuPont7 g / l PTFE dispersion Zonyl ® 3807 from the company. DuPont
15 mg/l nichtionisches Tensid „FSN-100" der Fa. DuPont15 mg / l nonionic surfactant "FSN-100" from DuPont
Die erzielte Schichtdicke beträgt 5 μm. Beispiel 4 (erfindungsgemäß):The achieved layer thickness is 5 μm. Example 4 (according to the invention):
Das Vergleichsbeispiel 1 wird wiederholt, jedoch mit folgender Elektrolytzusammen¬ setzung:Comparative Example 1 is repeated, but with the following electrolyte composition:
30 g/l Nickelsulfat (NiSO4 x 6H2O)30 g / l nickel sulphate (NiSO 4 x 6H 2 O)
40 g/l Natriumphosphinat (NaH2PO2XH2O)40 g / l sodium phosphinate (NaH 2 PO 2 XH 2 O)
40 g/l Milchsäure (synthetisch)40 g / l lactic acid (synthetic)
5 g/l Bernsteinsäure5 g / l succinic acid
8 g/l Äpfelsäure8 g / l malic acid
1 g/l Citronensäure1 g / L citric acid
10 g/l Natriumacetat10 g / l sodium acetate
5 g/l Ammoniumsulfat5 g / l ammonium sulfate
75 ppm Sn als Zinn(ll)-sulfat75 ppm Sn as stannous sulfate
725 mg/l Fluowet® CA Fa.Clariant725 mg / l Fluowet ® CA Fa.Clariant
7 g/l PTFE-Dispersion Zonyl® 3807 der Fa. DuPont7 g / l PTFE dispersion Zonyl ® 3807 from the company. DuPont
15 mg/l nichtionisches Tensid „FSN-100" der Fa. DuPont15 mg / l nonionic surfactant "FSN-100" from DuPont
Die erzielte Schichtdicke beträgt 5,5 μm.The achieved layer thickness is 5.5 μm.
Tabelle ITable I
Das Elektrolytverhalten „nicht stabil" bedeutet im Wesentlichen eine Fremdkeimbildung im Elektrolyten während des Schichtbildungsprozesses.The electrolyte behavior "not stable" essentially means a foreign nucleation in the electrolyte during the layer formation process.
Das Elektrolytverhalten „wenig stabil" bedeutet eine Fremdkeimbildung im Elektrolyten nach einer Stunde während des Schichtbildungsprozesses.The electrolyte behavior "less stable" means a foreign nucleation in the electrolyte after one hour during the film formation process.
Das Elektrolytverhalten „stabil" bedeutet keine Fremdkeimbildung im Elektrolyten wäh¬ rend des Schichtbildungsprozesses. Die Tabelle I zeigt deutlich verbesserte Eigenschaften der erfindungsgemäßen Nickelle¬ gierungdispersionsschichten gegenüber solchen des Standes der Technik. The electrolyte behavior "stable" does not signify any formation of foreign nucleation in the electrolyte during the layer formation process Table I shows markedly improved properties of the nickel alloy dispersion layers of the invention over those of the prior art.

Claims

Patentansprüche1) Auf einer metallischen Substratoberfläche befindliche, bleifreie Nickelphosphor-Dispersionslegierung, erhältlich durch außenstromlose Abscheidung in einem Elektrolyten, der• 4 bis 7 g/l Nickelionen;• 15 bis 40 g/l Hypophospit; • mindestens einen Stabilisator;• 5 bis 400 mg/1 eines Alkylaryloxydialkylbenzylammoniumchlorids oder eines teilweise fluorierten Betains;• 50 bis 60 g/l eines carbonsäurehaltigen Komplexbildners A;• 5 bis 40 g/l eines von A verschiedenen, carbonsäurehaltigen Komplexbildners B;• 4 bis 10 g/l dispergierte Partikel, die sich von der Zusammensetzung Nickel/- Phosphor-Legierung unterscheiden; und• keine Borsäure oder Borate enthält, wobei die Angaben sich auf die Gesamtzusammensetzung des Elektrolyten beziehen.2) Nickellegierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, das der Elektrolyt als Stabilisator mindestens 10 mg/1 Antimon- und höchstens 1 ,5 mg/l Wismutionen enthält.3) Nickellegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, das der Elektrolyt als Stabilisator 10 - 150 mg/l Antimon- und 0,01 - 1 ,5 mg/l Wismutionen enthält.4) Nickellegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt zusätzlich ein nicht-ionisches Tensid enthält.5) Nickellegierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht¬ ionische Tensid ausgewählt ist aus der Gruppe der teilweise fluorierten oder nichtfluorierten Tenside.6) Nickellegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel ausgewählt sind aus der Gruppe von Siliziumcarbid, Korund, Diamant, kubischem Bornitrid, sphärischem Atuminiumoxid und Tetraborcarbid.7) Nickellegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel nichtmetallisch sind und eine Härte von mehr als Claims 1. On a metallic substrate surface, lead-free nickel phosphorous dispersion alloy obtainable by electroless deposition in an electrolyte containing: • 4 to 7 g / l nickel ions • 15 to 40 g / l hypophosphite; • at least one stabilizer • 5 to 400 mg / l of an alkylaryloxy dialkylbenzylammonium chloride or a partially fluorinated betaine • 50 to 60 g / l of a carboxylic acid-containing complexing agent A • 5 to 40 g / l of a carboxylic acid-containing complexing agent B other than A. • 4 up to 10 g / l dispersed particles, which differ from the composition nickel / phosphorus alloy; and • contains no boric acid or borates, the details relating to the total composition of the electrolyte.2) Nickel alloy according to claim 1, characterized in that the electrolyte as stabilizer at least 10 mg / 1 antimony and at most 1, 5 mg / l bismuth ions contains.3) Nickel alloy according to claim 2, characterized in that the electrolyte contains as stabilizer 10 - 150 mg / l antimony and 0.01 - 1, 5 mg / l bismuth ions.4) Nickel alloy according to one of the preceding claims, characterized in that the electrolyte additionally contains a nonionic surfactant.5) Nickel alloy according to claim 4, characterized in that the nonionic surfactant is selected from the group of partially fluorinated or nonfluorinated surfactants.6) Nickel alloy according to one of the preceding claims, characterized in that the particles are selected from the group of silicon carbide, corundum, diamond, cubic boron nitride, spherical Atumi aluminum oxide and tetrabor carbide.7) Nickel alloy according to one of the preceding claims, characterized in that the particles are non-metallic and have a hardness of more than
1.000 HV aufweisen.Have 1,000 HV.
8) Nickellegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel reibungsvermindernde Eigenschaften aufweisen und ausgewählt sind aus der Gruppe von Polytetrafluorethylen, Molybdänsulfid, Molybdändisulf id, hexagonalem Bornitrid, Zinnsulfid und Graphit.8) Nickel alloy according to one of claims 1 to 6, characterized in that the particles have friction-reducing properties and are selected from the group of polytetrafluoroethylene, molybdenum sulfide, Molybdändisulf id, hexagonal boron nitride, tin sulfide and graphite.
9) Verwendung einer Nickellegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche als verschleißbeständige Oberfläche, insbesondere in der Automobilindustrie und im Maschinenbau, besonders bevorzugt als Schlossteile für Türschließsystem sowie funktionelle Komponenten für Kraftstoff- Dosiersystem oder als Oberfläche in der Automobilindustrie mit verbesserten Gleitreibungseigenschaften, insbesondere für Teile von Schlössern, Ventilen, Drehdurchführungen, Ventilankern, bewegbaren Kolben, und sonstigen beweglichen Teilen in der Automobilindustrie und im Maschinenbau. 9) Use of a nickel alloy according to any one of the preceding claims as a wear-resistant surface, in particular in the automotive industry and in mechanical engineering, particularly preferably as lock parts for door closing system and functional components for fuel dosing or as a surface in the automotive industry with improved sliding friction properties, in particular for parts of locks , Valves, rotary joints, valve anchors, movable pistons, and other moving parts in the automotive and engineering industries.
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