Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Dispersionsbeschichtungen

Abstract

 Beim Auftragen von Dispersionsschichten, die durch elektrolytische Mitabscheidung fester Teilchen aus einem Elektrolyten erzeugt werden, der solche Teilchen in Suspension sowie mindestens ein gelöstes Metallsaltz enthält, ist die Homogenität des Elektrolysebades in der Nähe der zu beschichtenden Fläche von grosser Bedeutung. Mit Hilfe mindestens eines mit auf die zu beschichtende Fläche (24) gerichteten Austrittsöffnungen (43) versehenen und entlang der zu beschichtenden Oberfläche bewegten Zuführungsrohres (42) das über einem Verbindungsrohr (42) mit einer Hohlachse (3) verbunden ist, - wobei diese Teile zusammen einen drehbaren Rotor (R) bilden -, wird ständig homogener Suspensionselektrolyt auf die zu beschichtende Fläche (24) angeströmt. Das zu beschichtende Werkstück (2) kann dabei als Elektrolysebadbehälter dienen.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum galvanischen Aufbringen einer Feststoffteilchen enthaltenden Metallbeschichtung auf Flächen von metallischen Werkstücken. Das Verfahren macht Gebrauch von einem mindestens ein gelöstes Metallsalz sowie in Suspension gehaltene Feststoffteilchen enthaltenden Elektrolyten, nachstehend Suspensionselektrolyt genannt. Die zur Durchführung dieses Verfahrens benötigte Vorrichtung weist einen Behandlungsbehälter zur Aufnahme dieses Suspensionselektrolyten sowie eine Anode auf, wobei das zu behandelnde Werkstück kathodisch geschaltet wird.

[0002] Die Anwendung von Metallen im technischen Bereich erfordert in vielen Fällen eine Verbesserung der Oberflächeneigenschaften, insbesondere der Abriebfestigkeit, Härte- und Gleit- bzw. Verschleisseigenschaften. Insbesondere sind zahlreiche Anwendungen von Aluminium im Automobil- und Maschinenbau nur in Kombination mit harten und verschleissfesten Beschichtungen möglich. Die galvanische Abscheidung einer Metallschicht mit gleichzeitiger Einlagerung von Hartstoffpartikeln stellt eine einfache und für viele Verschleissprobleme geeignete Möglichkeit dar, die Oberfläche zu verbessern.

[0003] Die Dispersionsschichten --mit Vorteil wird in vielen Fällen das System Nickel/Siliziumkarbid verwendet--, die durch Mitabscheidung fester Teilchen aus einem Suspensionselektrolyten entstehen, zeigen durch das Matrixmaterial, den Teilchenwerkstoff, die Teilchengrösse und -verteilung vielseitige Eigenschaften.

[0004] Die Herstellung galvanischer Dispersionsschichten ist bereits seit einigen Jahrzehnten bekannt. Dazu verwendbare Vorrichtungen sind z. B. in der Zeitschrift "Schmiertechnik", 11, (1980), Seiten 81 - 86 beschrieben. In einem früheren Artikel in der Zeitschrift "Oberflächentechnik", (1975), Seiten 45 - 52, wird insbesondere darauf hingewiesen, dass die Badbewegung eine sehr grosse Bedeutung für die Einbaurate der Festteilchen in das abgeschiedene Metall hat. Es wird vorgeschlagen, die Badbewegung durch Einblasen von Luft, Umwälzen des Elektrolyten oder mit Hilfe eines Rührers zu bewirken. Die Badbewegung soll bewirken, dass die Feststoffteilchen zusammen mit dem Elektrolyten an eine oberhalb des Werkstücks gelegenen Stelle gelangen, so dass sie sich durch Schwerkraftwirkung auf die Oberfläche des Werkstücks absetzen können und durch den Metallbelag gebunden werden.

[0005] Die Badbewegung mit Hilfe von Rührern bekannter Art oder einer Umwälzung ist wenig geeignet, da Aenderungen der Turbulenzen entlang der zu beschichtenden Werkstücke eine ungleichmässige Feststoffeinlagerung ergeben. Obwohl durch _Lufteinblasen bessere Ergebnisse als bei den vorher _'genannnten Massnahmen erzielt werden, ist diese Methode insofern nicht geeignet, da sie zu Inhomogenitäten bzw. _Konzentrationsunterschieden im Suspensionselektrolyten, und damit auch zu unregelmässigen Einbauraten des dispergierten Stoffes führt.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben.

[0007] Zur Lösung dieser Aufgabe führt ein Verfahren, wonach die zu beschichtende, kathodisch geschaltete Werkstückoberfläche im Behandlungsbad von mittels mindestens eines entlang dieser Oberfläche im Abstand davon bewegten, mit mindestens einer Austrittsöffnung versehenen Zuführungsrohres zugeführten homogenen Suspensionselektrolyten angeströmt wird.

[0008] Dabei wird vorzugsweise der zugeführte Suspensionselektrolyt dem Behandlungsbad derart entnommen, dass eine Umwälzung des als Behandlungsbad eingesetzten Suspensionselektrolyten über die mit Austrittsöffnungen versehenen Zuführungsrohre stattfindet.

[0009] Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens weist mindestens ein in das Behandlungsbad ragendes, mit mindestens einer Austrittsöffnung versehenes Zufühungsrohr sowie zur Bewegung dieses(r) Zuführungsrohrs (-rohre) entlang der zu beschichteten Werkstückoberfläche geeigneten Mitteln auf.

[0010] Zur Beschichtung von ebenen oder gewölbten Oberflächen kann das Zuführungsrohr auf einer vorzugsweise oberhalb des Bades angeordneten Führungsschiene beweglich montiert sein und entlang dieser Schiene hin- und herbewegt werden.

[0011] Zur Beschichtung von Flächen von zylindrischen bzw. konischen Werkstücken wird das oder die Zuführungsrohr(e) mit einem Verbindungsrohr zu einer Hohlachse verbunden, durch welche der zugeführte Suspensionselektrolyt eingespeist wird. Diese Bestandteile bilden zusammen einen Rotor. Es kann dabei nur eine innere oder nur eine äussere Oberfläche, bzw eine innere und eine äussere Oberfläche des zylindrischen bzw. konischen Werkstückes beschichtet werden.

[0012] Zweckmässigerweise ist dabei das Zuführungsrohr parallel zu der zu behandelnden Oberfläche angeordnet und weist seitliche, gegen die genannte Oberfläche gerichtete Austrittsöffnungen auf, welche düsen- oder schlitzförmig sein können.

[0013] Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Zuführungsrohr auf der gleichen Länge wie die Breite der zu beschichtenden Werkstücksfläche mit Düsen besetzt. Die nicht zu beschichtende Fläche des Werkstückes wird dann mit einer Reserve überzogen.

[0014] Ferner ist generell der Abstand zwischen dem Zuführungsrohr und der zu beschichteten Oberfläche vorteilhafterweise kleiner als der Abstand zwischen dieser Oberfläche und der im Behandlungsbad angeordneten Anode.

[0015] Als besonders günstig hat es sich für die Beschichtung der Innenfläche eines hohlen Werkstückes erwiesen, dieses Werkstück direkt als Elektrolysebadbehälter zu verwenden und dazu nötigenfalls unten mit einem Boden zu verschliessen. _"Dabei ist es bei zu beschichteten zylindrischen oder konischen Werkstückoberflächen von Vorteil, die Anode als Hohlzylinder auszubilden bzw. einen Anodenkorb dieser Form zu verwenden. Eine derartige Anordnung hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Innenflächen von zylindrischen Automobilteilen --z.B. alleinstehende oder in Felgen integrierte Bremstrommeln--, insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, mit einem Nickel/Siliziumkarbid-Dispersionsüberzug zu versehen sind. Falls solche Trommelbremsen an ihrem Boden Schraubenlöcher aufweisen, können diese mit Zapfen verschlossen werden.

[0016] Bei einer solchen Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung wird mit Hilfe des rotierenden Rotors die zu beschichtende Werkstücksfläche regelmässig mit der Elektrolytsuspension, in der die Feststoffteilchen homogen verteilt sind, beaufschlagt, mit dem Ergebnis, dass eine regelmässige Mitabscheidung der Feststoffteilchen und des Metalls, z.B. zwecks Erzeugung des Bremsbelages, erfolgt.

[0017] Der Abstand der Zuführun^gsrohre, durch deren Düsen ständig homogenisierter Suspensionselektrolyt auf die zu beschichtende Werkstücksfläche gelangt von der zu beschichtenden Werkstücksfläche sowie die Strömungsgeschwindigkeit des beaufschlagten Suspensionselektrolyten müssen so gewählt werden, dass der die Düsen verlassende Elektrolytenstrom bei sich bewegenden Zuführungsrohren die zu beschichtende Werkstücksfläche streift, ohne dass jedoch die im Suspensionselektrolyten befindlichen Feststoffteilchen --z.B. Siliziumkarbidteilchen, die bekanntlich als Schleifmittel sehr abrasive Wirkung zeigen-- die bereits abgeschiedene Metallschicht verletzen oder gar teilweise wieder abtragen. Durch die günstige Geometrie der beschriebenen Vorrichtung wird eine sehr regelmässige, pro Werkstucksflächeneinheit gleichstarke Abscheidung erzielt. Die aufwendige mechanische Nachbearbeitung der abgeschiedenen Dispersionsschicht, wie sie bei Verwendung bisher bekannter Vorrichtungen ausgeführt werden musste, wird reduziert oder ist gar nicht mehr notwendig.

[0018] Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen für die Beschichtung von Bremstrommeln bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

- Figur 1 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zum Aufbringen galvanisch abgeschiedener Disnersionsschichten;

- Figur 2 zeigt eine teilweise-geschnittene perspektivische Darstellung der Vorrichtung nach Fig. 1.

[0019] Eine haubenförmige Abdeckung 1.mit Durchmesser D stützt sich - gegebenenfalls über eine Dichtung 10 - auf die zylindrische Wandung 21 einer Bremstrommel 2 aus Metall mit Boden 22 und Nabe 23 ab. Boden 22, Nabe 23 und Wandung 21 bilden in horizontaler .Lage des Bodens 22 ein Behältnis zur Aufnahme des Suspensionselektrolyten, wobei die innere Oeffnung der Nabe 23 als Ueberlauf U dient. Zentral in der Abdeckung 1 ist eine drehbare, durch ein Kugellager 30 geführte Hohlachse 3 angeordnet, welche in eine durch die Abdeckung 1 und die Bremstrommel 2 gebildete Kammer K einragt. Oberhalb des Lagers 30 befindet sich eine mit _Dich- tungsringen 82 versehenen Einspeisekammer 8 mit Eintrittstutzen 81, wobei der in der Einspeisekammer 8 befindliche Bereich der Achse 3 Bohrungen 31 aufweist. Ein aus der Einspeisekammer 8 ragender Teil der Achse 3 wird mit einem Motor verbunden. An den hohlen, rohrförmingen Teil der Achse 3 schliessen sich in der Kammer K etwa senkrecht dazu stehende Verbindungsröhren 41 an, an denen zur Achse 3 parallele Zuführungsrohre 42 mit zur Bremsfläche 24 gerichteten Düsen 43 angebracht sind, wobei diese Bestandteile 3, 41 und 41 zusammen einen Rotor R bilden.

[0020] Auf das kammerinnere Ende der Nabe 23 ist eine elektrisch isolierende Kappe 5 aufgelegt, gegen die sich ein elektrisch leitender, zylindrisch ausgebildeter, netzförmiger und mit einer elektrischen Zuleitung 61 versehener Anodenkorb 6 abstützt, in welchem sich das Anodenmetall 7 in Form von Pellets oder Granulat befindet. Die Bremstrommel 2 und der Korb 6 sind somit gegeneinander elektrisch isoliert.

[0021] Der aus der Achse 3, den Verbindungsröhren 41 und den Zuführungsrohren 42 mit Düsen 43 gebildete Rotor R besteht aus einem chemisch resistenten und den. elektrischen Strom nicht leitenden Material, z. B. Kunststoff, insbesondere Polypropylen. Obwohl die Abdeckung 1 und die Bremstrommel um die Achse 3 drehbar angeordnet werden könnten, bleiben sie üblicherweise feststehend; sie bilden also quasi einen .Stator.

[0022] Zum galvanischen Aufbringen einer Feststoffteilchen enthaltenden Metallbeschichtung auf die Bremsfläche 24 wird die Kammer K bis zur Höhe des Innenteils der Nabe 23 mit dem Feststoffteilchen enthaltenden Elektrolyten E, also dem Suspensionelektrolyten, aufgefüllt. Ueberschüssi^ger Elektrolyt läuft über den Ueberlauf U ab. Die Bremstrommel 2 wird kathodisch, der Korb 6 mit dem Anodenmetall 7 anodisch geschaltet. Bei drehendem Rotor R wird in die Kammer K zusätzlich ständig Suspensionselektrolyt zugeführt, in welchem die Feststoffteilchen ho»cgen verteilt sind. Diese Zuführung erfolgt durch den Eintrittstutzen 81 der Einspeisekammer 8, von wo der Elektrolyt über die Bohrungen 31 in den Rotor R gelangt, durch die Düsen 43 austritt und auf die zu beschichtende Bremsfläche 24 trifft. Die überschüssige Elektrolytsuspension fliesst über den Ueberlauf U ab und kann - in der Zeichnung nicht dargestellt - mit Hilfe einer Pumpe dem Eintrittstutzen 81 wieder zugeführt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von Dispersionsbeschichtunqen auf metallische Werkstückoberflächen durch elektrolytisches Abscheiden aus einem mindestens ein gelöstes Metallsalz sowie in Suspension gehaltenen Feststoffteilchen enthaltenden, das Behandlungsbad bildenden Elektrolyten (Suspensionselektrolyt),
dadurch gekennzeichnet,
dass die zu beschichtende, kathodisch geschaltete Werkstückoberfläche im Behandlungsbad mit homogenem Suspensionselektrolyten angeströmt wird, der mittels mindestens eines entlang dieser Oberfläche, in Abstand davon bewegten, mit mindestens einer Austrittsöffnung versehenen Zuführungsrohres zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der das Behandlungsbad bildende Suspensionselektrolyt über das (die) bewegte(n) Zuführungsrohr(e) umgewälzt wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Behälter für das Behandlungsbad und einem Anodensystem, wobei das Werkstück als Kathode geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein in das Behandlungsbad ragendes, mit mindestens einer Austrittsöffnung versehenes Zuführungsrohr, sowie zur Bewegung dieses(r) Zuführungsrohres(-rohre) entlang der zu beschichtenden Werkstückoberfläche geeignete Mittel aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschichtung von zylindrischen oder konischen Flächen das (die) mit Austrittsöffnungen (43) versehene(n) Zuführungsrohr(e) (42) über ein Verbindungsrohr 41 mit einer drehbaren Hohlachse (3) verbunden ist (sind), wobei das (die) Verbindungsrohr(e) (41) sowie die Hohlachse (3) als Zuleitung für den Suspensionselektrolyten zu dem (den) Zuführungsrohr(en) (42) dient(en).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlachse (3) durch ein Lager, insbesondere Kugellager (30), geführt wird und eine Einspeisekammer (8) mit Eintrittstutzen (81) durchläuft, wobei sie in deren Bereich Einlassbohrungen (31) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführungsrohr (42) auf einer der Breite (B) der zu beschichtenden Werkstücksfläche (24) entsprechenden Länge mit Austrittsöffnungen (43) besetzt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Zuführungsrohrs (42) zur Werkstücksfläche (24) kleiner ist als der Abstand dieser Fläche zur Anode (6).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Behandlungsbadbehälter durch das Werkstück (2) selbst gebildet ist, dessen Innenfläche (24) zu beschichten ist.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode als hohlzylindrisbher, mit Anodenmetall gefüllter Anodenkorb (6) ausgebildet ist.

10. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 für Werkstücke aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.

11. Anwendung nach Anspruch 10 zum Beschichten der Bremsfläche (24) einer Bremstrommel (2).

Zeichnung