Vorrichtung zum galvanischen Abscheiden einer Dispersionsschicht

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum galvanischen Abscheiden einer Dispersionsschicht mit einem metallischen Grundgefüge und gleichförmig verteilten, feinkörnigen Hartstoffpartikeln durch kontinuierliche Zuführung eines in einer spiralförmig aufsteigenden, wirbelfreien Strömung zirkulierenden Elektrolyten mit Metallionen und suspendierten feinkörnigen Hartstoffpartikeln auf die zylindrische bzw. leicht konische, metallische Innenfläche eines kathodisch geschalteten Werkstücks, bei dem die Innenfläche mindestens einen Teil der Aussenwand des ringförmigen Elektrolytbehälters bildet.

[0002] Die Verwendung von Metallen im industriellen Bereich erfordert in vielen Fällen eine Verbesserung der Oberflächeneigenschaften, insbesondere der Abriebfestigkeit, Härte-, Gleit- und Verschleisseigenschaften. Zahlreiche Verwendungsmöglichkeiten von Aluminium im Automobil- und Maschinenbau sind nur in Kombination mit harten und verschleissfesten Beschichtungen realisierbar. Die galvanische Abscheidung einer Metallschicht mit gleichzeitiger Einlagerung von Hartstoffpartikeln, welche zu Dispersionsschichten führt, stellt eine einfache und für viele Verschleissprobleme geeignete Möglichkeit dar, die Oberfläche bzw. deren mechanische Eigenschaften zu verbessern.

[0003] Derartige Dispersionsschichten, meist ein Nickel/Siliziumkarbid-System, zeigen durch Variation des Matrixmaterials, des Teilchenwerkstoffs, der Teilchengrösse und -verteilung vielseitige Eigenschaften.

[0004] Die Herstellung galvanischer Dispersionsschichten ist bereits seit einigen Jahrzehnten bekannt. Die GB-PS 860 291 beispielsweise beschreibt ein Beschichtungsverfahren, bei welchem in einem Bottich durch eine über diesem angeordnete Zuführungsleitung Elektrolyt eingefüllt wird, der vom Bottichboden wieder abgezogen und dem Elektrolytkreislauf zugebracht wird. Im Elektrolyten dreht sich der an seiner Oberfläche zu beschichtende Körper. Nicht mit der Beschichtung zu versehende Flächenteile müssen vor dem Eintauchen beispielsweise durch Lack abgedeckt werden. Nach dem Aufbringen der Beschichtung ist wegen deren sehr rauhen Oberfläche eine intensive Nachbearbeitung erforderlich. Ein weiterer Mangel entsteht dadurch, dass der Einbau der Festteilchen in das abgeschiedene Metall in Abhängigkeit von den Strömungsverhältnissen sehr unterschiedlich ausfällt ; eine gleichmässige Beschichtung ist nach der GB-PS 860 291 nicht möglich. Sollen Innenflächen von Hohlkörpern mit einer Beschichtung versehen werden, wird durch die beim Tauchvorgang entstehende Blasenbildung ein weiterer die Beschichtung störender Einfluss erzeugt.

[0005] In der Zeitschrift « Oberflächentechnik », (1975), Seiten 45-52, wird darauf hingewiesen, dass die Badbewegung eine sehr grosse Bedeutung für die Einbaurate der Hartstoffpartikel 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 erzeugte Badbewegung soll die Feststoffteilchen zusammen mit dem Elektrolyten an eine oberhalb des Werkstücks gelegene Stelle gelangen lassen, so dass sie sich durch Einwirkung der Schwerkraft auf die Oberfläche des Werkstücks absetzen können und durch den Metallbelag gebunden werden. Es ist jedoch festgestellt worden, dass alle diese Methoden insofern ungeeignet sind, als sie zu Inhomogenitäten bzw. Konzentrationsunterschieden im Elektrolyten mit den suspendierten Hartstoffpartikein führen, und damit auch unregelmässige Einbauraten des dispergierten Stoffes bewirken. Aenderungen der Turbulenz entlang der zu beschichtenden Werkstücke ergeben immer eine ungleichmässige Feststoffablagerung.

[0006] In der EP-A-0 108 035 wird eine Vorrichtung der eingangs genannten Art beschrieben.

[0007] In der DE-A-3 142 739 werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbringung einer Dispersionsschicht auf hohle Werkstücke beschrieben, welche die oben erwähnten Nachteile nicht aufweisen. Dazu wird das hohle, insbesondere zylindrische bzw. konische, Werkstück als Teil des Elektrolytbehälters eingesetzt und der Innenfläche über eine bewegte Zuführung Elektrolytmaterial zugeführt. Dabei wird die Zuführung für den das Behandlungsbad bildenden Suspensionselektrolyten entlang der zu beschichtenden Werkstoffoberfläche geführt.

[0008] Die US-A-2406956 beschreibt die Metallbeschichtung von Achslagergehäusen, die kathodisch geschaltet sind, eine zylindrische Innenfläche aufweisen und als oberer Teil der Aussenwand eines ringförmigen Elektrolytbehälters eingesetzt sind.

[0009] Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, den guten, regelmässigen Schichtaufbau, welcher nach der DE-A-3 142 739 erzeugt werden kann, mit einfacheren Mitteln wirtschaftlicher zu erreichen.

[0010] Ausgehend von den Merkmalen der Vorrichtung nach der EP-A-0 108 035 wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemässen Vorrichtung sind gekennzeichnet durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 6.

[0011] Die wirbelfreie, praktisch laminare regelmässige Strömung im Bereich der zylindrischen bzw. leicht konischen Innenfläche des Werkstücks wird dadurch erzeugt, dass dieses einen oberen Ringraum nach aussen begrenzt, unterhalb davon in einem unteren Ringraum eine kreisende turbulente Strömung des Elektrolyten erzeugt wird, indem eine tangential angeordnete Zufuhrleitung den Elektrolyten in den untersten Bereich dieses Ringraums mündet und im oberen Bereich des unteren Ringraums mindestens zwei Schikanen angeordnet sind, welche die Turbulenzen brechen und den Elektrolyten wirbelfrei in den untersten Bereich der zu beschichtenden Innenfläche leiten, wo sich die Strömung laminar fortsetzt und in die erfindungsgemäss spiralförmig aufsteigende Bewegung übergeht.

[0012] Während des Beschichtungsprozesses werden der Elektrolyt und die darin dispergierten Hartstoffpartikel langsam aber stetig aufgebraucht. Der Ersatz der Hartstoffpartikel während des Prozesses erfolgt, wenn überhaupt, portionenweise oder kontinuierlich. Der Ersatz der zur Erzeugung der Matrixschicht abgeschiedenen Metallionen erfolgt vorzugsweise dadurch, dass im Elektrolytbehälter eine Anode angeordnet ist, die mindestens teilweise aus dem entsprechenden Metall besteht. So wird während des elektrolytischen Prozesses an der Anode in gleichem Masse Metall aufgelöst, wie es auf der zu beschichtenden zylindrischen bzw. leicht konischen Innenfläche des Werkstücks abgeschieden wird.

[0013] Der Elektrolytkreislauf kann sich über eine oder mehrere Zellen zum erfindungsgemässen Erzeugen von Dispersionsschichten erstrecken. Bei grossen Produktionsserien können durch die serienweise Speisung von Zellen aus einem Elektrolytbehälter weitere wirtschaftliche Vorteile erzielt werden.

[0014] Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Die einzige Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Dispersionsschichten auf Bremstrommein von Autorädem, wobei eine Bremstrommel auf die Zelle aufgesetzt ist.

[0015] Die Zelle mit dem im wesentlichen ringförmigen Elektrolytbehälter hat einen aus Polypropylen bestehenden unteren Ringraum 10. Der von einer starken Aussenwand 12 und einer dünneren Innenwand 14 begrenzt wird. Im untersten Bereich des unteren Ringraums 10 ist die Zufuhrleitung 16 für den Elektrolyten 48 sichtbar, welche tangential einmündet. Der Elektrolyt 48 steigt in turbulenter zirkulierender Strömung hoch und erreicht die untere, an der Aussenwand befestigte kreisförmige Schikane 18. Nach dem Umlenken des Elektrolyten an der leicht geneigten Innenwand 14 erreicht der Elektrolyt die obere, aus der Innenwand 14 ausgeformte, ebenfalls scheibenförmig ausgebildete Schikane 19, welche den unteren Ringraum 10 vom oberen Ringraum 20 des Elektrolytbehälters trennt.

[0016] Der obere Rand 22 der Aussenwand 12 des unteren Ringraums 10 hat zwei sich über den ganzen Umfang erstreckende Ausbuchtungen. Diese sind derart gestaltet, dass sie in passende Aussparungen des unteren Randes 26 der aufgesetzten Bremstrommel 24 passen. Diese Bremstrommel hat eine zylindrische Innenfläche 28, die Bremsfläche, welche zu beschichten ist. Weiter hat die Bremstrommel mehrere Kühllamellen 30. Die Nabe 32 der Bremstrommel reicht in den Innenraum des Elektrolytbehälters 10, 20 hinein.

[0017] Die zu beschichtende Innenfläche 28 der als Werkstück eingesetzten Bremstrommel 24 ist zugleich Aussenwand des oberen Ringraums 20. Die Innenwand 34 des oberen Ringraums ist eine Verlängerung der Innenwand 14 des unteren Ringraums 10. Die Innenwand 34 ist im oberen Bereich nach innen abgewinkelt, bildet einen Teil der Deckfläche und reicht nahe oder ganz an die Bremstrommel 24 heran.

[0018] Im oberen Ringraum 20 steigt der Elektrolyt 48 in einer spiralförmigen Bewegung langsam an und fliesst in einer regelmässigen laminaren Strömung ohne Wirbelbildung entlang der Innenfläche 28. Dadurch ist eine lange Kontaktzeit zwischen der Innenfläche 28 der Bremstrommel 24 und dem Elektrolyten 48 mit den suspendierten Hartstoffpartikein gewährleistet, was den Aufbau einer regelmässigen Dispersionsschicht mit grosser Aufbaurate gewährleistet.

[0019] Nach dem Erreichen der teilweise durch die Bremstrommel 24 gebildeten Deckfläche fliesst der Elektrolyt durch im obersten Bereich der nach innen abgewinkelten Innenwand 34 ausgesparte Kanäle 36 in Richtung des Innenraums 38 des Elektrolytbehälters 10, 20 ab. Unterhalb der Zelle - in Fig. 1 nicht sichtbar - wird der Elektrolyt gesammelt und von einer Umwälzpumpe wieder in die Zufuhrleitung 16 geleitet.

[0020] Im oberen Ringraum 20, an der Innenwand 34 und derem nach aussen abgewinkelten Teil ist die Anode 40 befestigt. Sie besteht aus einem Korb mit einem Geflecht aus Titan und darin eingefüllten Nickelkügelchen. Die Befestigung erfolgt durch Titanschrauben 42, welche auch den Kontakt des Anodenkorbs zu den positiven Stromzuleitungen 44 sicherstellen.

[0021] Die anodischen Stromzuleitungen 44 sind mit einer in Fig. 1 nicht dargestellten Gleichstromquelle verbunden ; deren negativer Pol führt zu der Bremstrommel 24.

[0022] Im vorliegenden Fall befestigen die Titanschrauben 42 einen Titanring 46, welcher mit insgesamt sechs Stromzuleitungen 44 verbunden ist, die ebenfalls aus Titan bestehen, aber gegebenenfalls mindestens teilweise durch Kupferleitungen ersetzt werden können.

[0023] Der Weg des Elektrolyten 48 mit den suspendierten Feststoffpartikeln durch die Zelle ist mit Pfeilen skizziert.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum galvanischen Abscheiden einer Dispersionsschicht mit einem metallischen Grundgefüge und gleichförmig verteilten, feinkörnigen Hartstoffpartikeln durch kontinuierliche Zuführung eines in einer spiralförmig aufsteigenden, wirbelfreien Strömung zirkulierenden Elektrolyten (48) mit Metallionen und suspendierten feinkörnigen Hartstoffpartikeln auf die zylindrische bzw. leicht konische, metallische Innenfläche (28) eines kathodisch geschalteten Werkstücks (24), bei dem die Innenfläche (28) mindestens einen Teil der Aussenwand (12) des ringförmigen Elektrolytbehälters (10, 20) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolytbehälter (10, 20) im wesentlichen aus einem unteren Ringraum (10), mit einer im untersten Bereich tangential einmündenden Zufuhrleitung (16) für den Elektrolyten (48), mindestens zwei im oberen Bereich angeordneten Schikanen (18, 19), zum Brechen der Turbulenzen und im oberen Rand (22) der Aussenwand (12) ausgebildeten Aussparungen zur formschlüssigen Aufnahme des entsprechend ausgebildeten unteren Randes (26) des Werkstücks (24) und einem entlang des Umfangs nach unten offenen oberen Ringraum (20), gebildet von der zylindrischen oder leicht konischen Innenfläche (28) des Werkstücks (24) als Aussenwand, der obersten Schikane (19) als Boden, der Verlängerung des unteren Ringraums als Innenwand (34) sowie dem Werkstück (24) und/oder einem abgewinkelten bzw. abgebogenen Teil der Innenwand (34) als Deckfläche, besteht, dass an der Innenwand (34) des oberen Ringraums (20) des Elektrolytbehälters die ringförmig ausgebildete Anode (40) befestigt ist, welche mittels durch den Innenraum (38) des Elektrolytbehälters (10, 20) führender Stromzuführungen (44) speisbar ist, und dass oberhalb des Niveaus der zylindrischen bzw. leicht konischen Innenfläche (28) des Werkstücks (24) Kanäle (36) vom oberen Ringraum (20) zum Innenraum (38) des Elektrolytbehälters (10, 20) führen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Ringraum (10), die Schikanen (18, 19) und die Innenwand (34) des oberen Ringraums, eingeschlossen ein gegebenenfalls die Deckfläche bildender Teil, aus einem Kunststoff, vorzugsweise Polyäthylen oder Polypropylen, oder aus gegen das Werkstück (24) und die Anode (40) isoliertem, korrosionsbeständigem Metall bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schikanen (18, 19) scheibenförmig ausgebildet sind, wobei sie alternierend mit der Innen- (14) und Aussenwand (12) des unteren Ringraums (10) verbunden sind, die oberste Schikane (19) jedoch mit der Innenwand (14) verbunden und deren Umfang im untersten Bereich der zylinderförmig bzw. leicht konischen innenfläche (28), unter Bildung eines Ringspaltes, angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (40) als Korb mit metallischen Körnern ausgebildet ist, wobei der Korb wie die Stromzuführungen (44) vorzugsweise aus Titan, die metallischen Kömer vorzugsweise aus Nickel bestehen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (24) eine Bremstrommel und die Innenfläche (28) deren Bremsfläche ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremstrommel aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

Claims

1. Apparatus for the electrodeposition of a composite coating having a metallic basic structure and containing uniformly distributed, fine-grained hard-material particles by continuously supplying an electrolyte (48) which circulates in a helically rising, turbulence-free flow and which contains metal ions and suspended fine-grained hard-material particles, on the cylindrical or slightly conical metallic internal surface (28) of a cathodically connected workpiece (24) in which the internal surface (28) forms at least a part of the external wall (12) of the annular electrolyte container (10, 20), characterized in that the electrolyte container (10, 20) essentially comprises a lower annular space (10) having a supply line (16), tangentially debouching in the lowermost region, for the electrolyte (48), at least two baffles (18, 19), arranged in the upper region, for breaking the turbulences and recesses constructed in the upper periphery (22) of the external wall (12) for the positive reception of the matchingly constructed lower periphery (26) of the workpiece (24), and an upper annular space (20) which is downwardly open around the circumference and which is formed by the cylindrical or slightly conical internal surface (28) of the workpiece (24) as external wall, the uppermost baffle (19) as base, the extension of the lower annular space as inside wall (34) and also the workpiece (24) and/or an angled or curved part of the inside wall (34) as covering surface, in that there is mounted on the internal wall (34) of the upper annular space (20) of the electrolyte container the annularly constructed anode (40) which can be supplied by means of current supply leads (44) leading through the internal space .(38) of the electrolyte container (10, 20), and in that, above the level of the cylindrical or slightly conical internal surface (28) of the workpiece (24), channels (36) lead from the upper annular space (20) to the internal space (38) of the electrolyte container (10, 20).

2. Apparatus according to Claim 1, characterized in that the lower annular space (10), the baffles (18, 19) and the internal wall (34) of the upper annular space, including a part optionally forming the covering surface, are composed of a plastic, preferably polyethylene or polypropylene, or a corrosion-resistant metal insulated with respect to the workpiece (24) and the anode (40).

3. Apparatus according to Claim 1 or 2, characterized in that the baffles (18, 19) are of disc-type construction and are joined alternately to the inside wall (14) and outside wall (12) of the lower annular space (10), but the uppermost baffle (19) is joined to the inside wall (14) and its circumference is arranged in the lowermost region of the cylindrical or slightly conical internal surface (28) to form an annular gap.

4. Apparatus according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the anode (40) is constructed as a basket containing metallic grains, the basket being composed, like the current supply !cads (44), preferably of titanium, the metallic grains preferably of nickel.

5. Apparatus according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the workpiece (24) is a brake drum and the internal surface (28) is its brake surface.

6. Apparatus according to Claim 5, characterized in that the brake drum is composed of aluminium or an aluminium alloy.

Revendications

1. Dispositif pour l'électrodéposition d'une couche en dispersion, comprenant une structure métallique de base et des particules à grain fin de substance dure uniformément réparties, par amenée continue d'un électrolyte (48) circulant, sous la forme d'un écoulement spiralé ascendant, sans tourbillons, contenant des ions métalliques et des particules à grain fin de substance dure en suspension, le dépôt s'effectuant sur la surface métallique interne (28) de forme cylindrique ou légèrement conique d'une pièce (24) branchée comme cathode, dispositif dans lequel la surface interne (28) constitue au moins une partie de la paroi externe (12) du récipient d'électrolyte (10, 20) de forme annulaire, caractérisé en ce que, le récipient d'électrolyte (10, 20) est composé essentiellement d'un espace annulaire inférieur (10), comprenant une conduite d'amenée (16) pour l'électrolyte (48), débouchant tangentiellement dans la partie inférieure, au moins deux chicanes (18, 19) disposées dans la partie supérieure et destinées à briser les turbulences, de même que des évidements ménagés dans le bord supérieur (22) de la paroi externe (12) pour la réception à complémentarité de formes du bord inférieur (26) de conformation correspondante de la pièce (24), ainsi que d'un espace annulaire supérieur (20), ouvert en bas le long de la périphérie, qui est délimité par la surface interne (28) cylindrique ou légèrement conique de la pièce (24) en tant que paroi externe, par la chicane supérieure (19) en tant que fond, par le prolongement de l'espace annulaire inférieur en tant que paroi interne (34) et par la pièce (24) et/ou une partie coudée ou recourbée de la paroi interne (34) en tant que surface supérieure de recouvrement, que l'anode (40), de forme annulaire, est fixée à la paroi interne (34) de l'espace annulaire supérieur (20) du récipient d'électrolyte et peut être alimentée par des conducteurs d'amenée de courant (44) qui passent à travers le volume intérieur (38) du récipient d'électrolyte (10, 20) et que, au-dessus du niveau de la surface interne (28) cylindrique ou légèrement conique de la pièce (24), des canaux (36) mènent de l'espace annulaire supérieur (20) au volume intérieur (38) du récipient d'électrolyte (10, 20).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace annulaire inférieur (10), les chicanes (18, 19) et la paroi interne (34) de l'espace annulaire supérieur, y compris une partie formant éventuellement la surface supérieure de recouvrement, sont réalisés d'une matière synthétique, de préférence de polyéthylène ou de polypropylène, ou d'un métal qui résiste à la corrosion et est isolé vis-à-vis de la pièce (24) et de l'anode (40).

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les chicanes (18, 19) sont discoïdes et sont reliées alternativement à la paroi interne (14) et à la paroi externe (12) de l'espace annulaire inférieur (10), la chicane supérieure (19) étant cependant reliée à la paroi interne (14) et sa périphérie étant disposée au niveau de la partie inférieure de la surface interne (28) cylindrique ou légèrement conique, avec formation d'une fente annulaire.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'anode (40) est réalisée comme un panier qui contient des grains métalliques, le panier et les conducteurs d'amenée de courant (44) étant de préférence de titane et les grains métalliques étant de préférence de nickel.

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pièce (24) est un tambour de frein et la surface hinterne (28) est la surface de freinage de ce tambour.

6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le tambour de frein est en aluminium ou un alliage d'aluminium.

Zeichnung