EP2344685B1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung verschleissarmer hartbeschichtungen - Google Patents

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EP2344685B1
EP2344685B1 EP09752723.8A EP09752723A EP2344685B1 EP 2344685 B1 EP2344685 B1 EP 2344685B1 EP 09752723 A EP09752723 A EP 09752723A EP 2344685 B1 EP2344685 B1 EP 2344685B1
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    • C25D15/02—Combined electrolytic and electrophoretic processes with charged materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25D17/02—Tanks; Installations therefor
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    • Y10T428/12771—Transition metal-base component
    • Y10T428/12861—Group VIII or IB metal-base component
    • Y10T428/12944—Ni-base component

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for producing low-wear nickel- and boron-containing hard coatings on metal surfaces.
  • the coating of tribologically or otherwise mechanically highly stressed metal surfaces with hard coatings is known in many forms from the prior art.
  • Established methods for the production of hard coatings on metal surfaces are the PVD (Physical Vapor Deposition), CVD (Chemical Vapor Deposition), build-up welding, flame spraying or even the galvanic coating with hard metals or hard metal alloys.
  • the GB 1 236 954 A discloses an electrolytic bath having solid components which are moved by a gas flow relative to the surface to be coated.
  • the gas stream is injected under pressure through a nozzle in the basin.
  • the gas stream is passed through a sieve, for example of sintered metal.
  • the WO 2008/101550 A1 discloses introducing a gas stream or a liquid stream into an electrolyte which also contains solid components to move the components relative to the surface of a roll to be coated.
  • the deposition rate is controlled by the rotation of the roller to be coated.
  • the US 3,081,239 discloses the introduction of compressed air into an electrolytic bath via a nozzle system.
  • the DE 22 47 956 discloses an electrolytic nickel bath containing 50-500 g / l of powdered ceramic. Compressed air is flowed through a perforated pipe into the bath.
  • gas is primarily flowed into the bath, wherein a gas flow is preferably generated along the surface to be coated. This should practically bypass the solid constituents to be deposited on the surface to be coated. The generally occurring turbulence is intended to maintain a disperse. A control of the deposition rate is not possible with the known systems. A controlled inflow over the volume of the basin is just as impossible as a controlled deposition of the solid components on the surface to be coated.
  • This object is achieved with regard to the method by a method for producing a low-wear nickel- and boron-containing hard coating on a Metal surface, wherein the metal surface to be coated is brought into contact with application of a deposition voltage with a nickel-containing electrolyte, which contains boron or boron compound particles in the form of a dispersion bath, having the features of claim 1. Further advantages and features emerge from the dependent claims.
  • the boron or boron compound particles present in the electrolyte are kept in dispersion during the coating process and settling of the particles is prevented.
  • the boron or boron compound particles are kept in dispersion by means of a gas flowing through the electrolyte. In this case, the gas flows substantially against gravity through the electrolyte.
  • the gas flowing through the electrolyte in the process according to the invention is advantageously at least one gas from the group consisting of nitrogen, oxygen, helium, neon, argon, carbon dioxide, hydrogen or a mixture of these.
  • air is used as the gas.
  • the inventive method is carried out in a container in which the gas flows from the container bottom through the electrolyte to the electrolyte surface.
  • the container bottom is liquid-tight but gas-permeable configured and the gas flows through the liquid-tight but gas-permeable container bottom in the electrolyte.
  • the liquid-tight but gas-permeable container bottom is formed by a diaphragm or a membrane.
  • the system according to the invention has the advantage that a large-scale gas bead flow can be generated by the liquid-tight but gas-permeable membrane forming the container bottom so that the disperse is maintained in the entire volume of the electrolyte without deposits on the bottom being possible.
  • a control of the deposition by external pressure generation is possible.
  • the coating result can be adjusted according to the invention.
  • changing the Gas pressure changes the amount of gas flowing through the electrolyte gas, which flows due to the formed as a diaphragm or membrane liquid-tight but gas-permeable container bottom feinperlig through the electrolyte. This makes it possible to adjust the degree of dispersion of the particles present in the electrolyte.
  • anode sludge It is known that particle deposits form during the electrolysis in the region of the anode, which produce the so-called anode sludge. It is known in the art to place the anode in some sort of bag to catch the anode sludge and prevent it from spreading in the electrolyte. However, there is the problem that this anode bag is not tight for the dispersants. Over time, therefore, the anode cakes and has an uneven dispersant distribution over the full height.
  • the technical solution contributes to the invention that the anode is surrounded by an ion-open, mud and dispergatêtêtnamate.
  • a membrane in this context is understood to be an envelope made of a material which is tight or open for the respective substance and the respective direction.
  • the property of the disperse to dock on the anode side of the metal ions is due to conditioning, i. H. the conductivity.
  • the voltage can be applied as a DC voltage, pulse voltage or as a reverse pulse voltage.
  • the usual range of these parameters are within the scope of the invention.
  • the object of the patent is achieved by a container for receiving an electrolyte , which is characterized in that the container bottom is formed liquid-tight but gas-permeable.
  • the liquid-tight but gas-permeable container bottom is advantageously formed by a diaphragm or a membrane.
  • the device according to the invention has a device for regulating the gas pressure on the opposite side of the electrolyte side of the liquid-tight but gas-permeable container bottom.
  • nickel- and boron-containing hard coatings can be deposited on metal surfaces.
  • the coatings deposited using the method according to the invention and the device according to the invention may contain other constituents in addition to nickel and boron. These components are at least one element of the group consisting of titanium, chromium, vanadium, manganese, molybdenum, magnesium, cobalt, copper, zinc, niobium, tungsten, tin, aluminum, silicon, phosphorus, carbon or nitrogen or a compound of these elements.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung verschleißarmer nickel- und borhaltiger Hartbeschichtungen auf Metalloberflächen.
  • Die Beschichtung von tribologisch oder anderweitig mechanisch hoch beanspruchten Metalloberflächen mit Hartbeschichtungen ist in vielfältiger Form aus dem Stand der Technik bekannt. Etablierte Verfahren zur Erzeugung von Hartbeschichtungen auf Metalloberflächen sind die PVD (Physical Vapour Deposition), CVD (Chemical Vapour Deposition), das Auftragsschweißen, das Flammspritzen oder auch die galvanotechnische Beschichtung mit Hartmetallen oder Hartmetalllegierungen.
  • Diese Verfahren finden Anwendungen in den Bereichen der Motorentechnologie und hier z. B. im Bereich der mechanisch stark beanspruchten Bauteile wie Ventile, Ventilschäfte, Nockenwellen etc. Weitere Anwendungsbereiche sind neben anderen auch die Bereiche der Hydrauliktechnik oder der Bereich der Druckindustrie, in welchen Kolben- oder Druckwalzen verschleißarme Oberflächen aufweisen müssen, um eine möglichst hohe Standzeit zu besitzen.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Erzeugung von Hartbeschichtungen auf Metalloberflächen besitzen Nachteile. Mit den Verfahren wie CVD, Flammspritzen oder Auftragsschweißen lassen sich in der Regel nur einfache geometrische Formen und relativ kleine Bauteile hartbeschichten. Die bekannten galvanotechnischen Methoden liefern oftmals keine ausreichende Härte der abgeschiedenen Schicht.
  • Die GB 1 236 954 A offenbart ein elektrolytisches Bad mit Feststoffbestandteilen, welche durch einen Gasstrom relativ zur zu beschichtenden Oberfläche bewegt werden. Der Gasstrom wird unter Druck durch eine Düse in das Becken eingedüst. Zum Zwecke der Verteilung wird der Gasstrom durch ein Sieb, beispielsweise aus Sintermetall, geführt.
  • Die WO 2008/101550 A1 offenbart das Einleiten eines Gasstroms oder eines Flüssigkeitsstroms in einen Elektrolyten, in welchem auch feste Bestandteile enthalten sind, um die Bestandteile relativ zur zu beschichtenden Oberfläche einer Walze zu bewegen. Die Ablagerungsgeschwindigkeit wird durch die Drehung der zu beschichtenden Walze gesteuert.
  • Die US 3,081,239 offenbart das Einleiten von Druckluft in ein Elektrolysebad über ein mit Düsen versehenes Leitungssystem.
  • Die DE 22 47 956 offenbart ein elektrolytisches Nickelbad, in welchem sich 50 - 500 g/l gepulverte Keramik befinden. Komprimierte Luft wird durch ein perforiertes Rohr in das Bad eingeströmt.
  • Bei allen vorbekannten Systemen wird in erster Linie Gas in das Bad eingeströmt, wobei vorzugsweise entlang der zu beschichtenden Oberfläche ein Gasstrom erzeugt wird. Dieser soll die abzulagernden festen Bestandteile praktisch an der zu beschichtenden Oberfläche vorbeiführen. Durch die allgemein entstehende Verwirbelung soll ein Dispergat aufrechterhalten werden. Eine Steuerung der Ablagerungsgeschwindigkeit ist mit den vorbekannten Systemen nicht möglich. Eine kontrollierte Einströmung über das Volumen des Beckens ist ebenso wenig möglich wie eine kontrollierte Ablagerung der Festbestandteile auf der zu beschichtenden Oberfläche.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Hartbeschichtung auf einer Metalloberfläche bereitzustellen, welches gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verbesserte Eigenschaften besitzt. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
  • Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren zur Herstellung einer verschleißarmen nickel- und borhaltigen Hartbeschichtung auf einer Metalloberfläche, wobei die zu beschichtende Metalloberfläche unter Anlegung einer Abscheidespannung mit einem nickelhaltigen Elektrolyten in Kontakt gebracht wird, welcher in Form eines Dispersionsbades Bor- oder Borverbindungspartikel enthält, mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Erfindungsgemäß werden die im Elektrolyten befindlichen Bor- oder Borverbindungspartikel während des Beschichtungsvorganges in Dispersion gehalten und ein Absetzen der Partikel wird verhindert. Vorteilhafterweise werden die Bor- oder Borverbindungspartikel mittels eines durch den Elektrolyten strömenden Gases in Dispersion gehalten. Hierbei strömt das Gas im wesentlichen entgegen der Schwerkraft durch den Elektrolyten.
  • Das im erfindungsgemäßen Verfahren durch den Elektrolyten strömende Gas ist vorteilhafterweise wenigstens ein Gas der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Sauerstoff, Helium, Neon, Argon, Kohlendioxid, Wasserstoff oder eine Mischung dieser. In einer Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Gas Luft eingesetzt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einem Behälter durchgeführt, in welchem das Gas vom Behälterboden her durch den Elektrolyten zur Elektrolytoberfläche strömt.
  • Der Behälterboden ist flüssigkeitsdicht aber gasdurchlässig ausgestaltet und das Gas strömt durch den flüssigkeitsdichten aber gasdurchlässigen Behälterboden in den Elektrolyten. In einer Ausgestaltungsform des Verfahrens wird der flüssigkeitsdichte aber gasdurchlässige Behälterboden durch ein Diaphragma oder eine Membran gebildet.
  • Das erfindungsgemäße System hat den Vorteil, dass durch die den Behälterboden bildende flüssigkeitsdichte aber gasdurchlässige Membran ein weiträumiger Gasperlenstrom erzeugt werden kann, so dass das Dispergat in dem gesamten Volumen des Elektrolyten aufrechterhalten bleibt, ohne dass Ablagerungen am Boden möglich sind. Darüber hinaus ist eine Steuerung der Ablagerung durch Außendruckerzeugung möglich.
  • Durch Einstellung des Gasdruckes auf der dem Elektrolyten gegenüberliegenden Seite des flüssigkeitsdichten aber gasdurchlässigen Behälterbodens lässt sich erfindungsgemäß das Beschichtungsergebnis einstellen. Durch Änderung des Gasdruckes ändert sich die Menge des durch den Elektrolyten strömenden Gases, was aufgrund des als Diaphragma oder Membran ausgebildeten flüssigkeitsdichten aber gasdurchlässigen Behälterbodens feinperlig durch den Elektrolyten strömt. Hierdurch lässt sich der Dispersionsgrad der im Elektrolyten befindlichen Partikel einstellen.
  • Es ist bekannt, dass sich während der Elektrolyse im Bereich der Anode Partikelabscheidungen bilden, die den sogenannten Anodenschlamm erzeugen. Es ist im Stand der Technik bekannt, um die Anode eine Art Sack anzuordnen, um den Anodenschlamm aufzufangen und zu verhindern, dass dieser sich im Elektrolyten verteilt. Dabei besteht jedoch das Problem, dass dieser Anodensack nicht dicht für die Dispergate ist. Mit der Zeit backt also die Anode zu und hat eine ungleichmäßige Dispergatverteilung über die volle Höhe. Zur technischen Lösung trägt die Erfindung bei, dass die Anode mit einer ionenoffenen, schlamm- und dispergatdichten Membran umgeben ist. Unter Membran in diesem Zusammenhang wird im Rahmen der Erfindung eine Hülle aus einem Material verstanden, die für den jeweiligen Stoff und die jeweilige Richtung dicht bzw. offen ist.
  • Auf diese Weise wird gewährleistet, dass das Dispergat die Anode nicht zubacken kann und aufgrund der weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung über die volle Höhe des Elektrolytbades die gleiche Dispergatverteilung vorliegt. Die Eigenschaft des Dispergates, an den Metallionen anodenseitig anzudocken, kommt durch die Konditionierung, d. h. die Leitfähigkeit.
  • Es gibt keine Einschränkungen bezüglich eines Temperaturbereiches, der Nickelkonzentration, der Bor- oder Borverbindungskonzentration, der Partikelgröße der im Elektrolyten dispergierten Bor- oder Borverbindungspartikel, des pH-Wertes oder der angelegten Abscheidespannung. Hierbei kann die Spannung als Gleichspannung, Pulsspannung oder als Revers-Puls-Spannung angelegt werden. Hier liegen die üblichen Bereicher dieser Parameter im Rahmen der Erfindung.
  • Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe des Patentes durch einen Behälter zur Aufnahme eines Elektrolyten gelost, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass der Behälterboden flüssigkeitsdicht aber gasdurchlässig ausgebildet ist.
  • Der flüssigkeitsdichte aber gasdurchlässige Behälterboden wird vorteilhafterweise durch ein Diaphragma oder eine Membran gebildet.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Einrichtung zur Regelung des Gasdruckes auf der dem Elektrolyten gegenüberliegenden Seite des flüssigkeitsdichten aber gasdurchlässigen Behälterbodens auf.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich nickel- und borhaltige Hartbeschichtungen auf Metalloberflächen abscheiden.
  • Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung abgeschiedenen Beschichtungen können neben Nickel und Bor weitere Bestandteile aufweisen. Diese Bestandteile sind wenigstens ein Element der Gruppe bestehend aus Titan, Chrom, Vanadium, Mangan, Molybdän, Magnesium, Kobalt, Kupfer, Zink, Niob, Wolfram, Zinn, Aluminium, Silizium, Phosphor, Kohlenstoff oder Stickstoff oder eine Verbindung dieser Elemente.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung einer verschleißarmen nickel- und borhaltigen Hartbeschichtung auf einer Metalloberfläche, wobei die zu beschichtende Metalloberfläche unter Anlegung einer Abscheidespannung mit einem nickelhaltigen Elektrolyten in Kontakt gebracht wird, welcher in Form eines Dispersionsbades Bor- oder Borverbindungspartikel enthält, wobei die im Elektrolyten enthaltenen Bor- oder Borverbindungspartikel während des Beschichtungsvorganges mittels eines durch den Elektrolyten strömenden Gases in Dispersion gehalten werden und ein Absetzen der Partikel verhindert wird, wobei das Verfahren in einem Behälter durchgeführt wird, in welchem das Gas vom Behälterboden her durch den Elektrolyten zur Elektrolytoberfläche strömt, in dem der Behälterboden flüssigkeitsdicht aber gasdurchlässig ausgebildet ist und das Gas durch den flüssigkeitsdichten aber gasdurchlässigen Behälterboden in den Elektrolyten strömt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Elektrolyten strömende Gas im wesentlichen entgegen der Schwerkraft durch den Elektrolyten strömt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Elektrolyten strömende Gas wenigstens ein Gas der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Sauerstoff, Helium, Neon, Argon, Kohlendioxid, Wasserstoff oder eine Mischung dieser ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssigkeitsdichte aber gasdurchlässige Behälterboden durch ein Diaphragma oder eine Membran gebildet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck auf der dem Elektrolyten gegenüberliegenden Seite des flüssigkeitsdichten aber gasdurchlässigen Behälterbodens in Abhängigkeit des gewünschten Beschichtungsergebnisses eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mit einer Gleichspannung, Puls-Spannung oder mit einer Revers-Puls-Spannung durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode mit einer ionenoffenen, schlamm- und dispergatdichten Membran abgeschirmt wird.
  8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend einen Behälter zur Aufnahme des Elektrolyten, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälterboden flüssigkeitsdicht aber gasdurchlässig ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssigkeitsdichte aber gasdurchlässige Behälterboden durch ein Diaphragma oder eine Membran gebildet wird.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einrichtung zur Regelung des Gasdruckes auf der dem Elektrolyten gegenüberliegenden Seite des flüssigkeitsdichten aber gasdurchlässigen Bereiches des Behälterbodens aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode mit einer ionenoffenen, schlamm- und dispergatdichten Membran abgeschirmt ist.
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