Galvanische Hartchromschicht

Abstract

 Eine galvanische Hartchromschicht mit einem sich teilweise oder durch die gesamte Schichtdicke erstreckendem Rißnetzwerk und in den Rissen eingelagerten und eingekapselten Feststoffpartikeln besteht aus mindestens zwei Lagen Hartchrom, wobei mindestens eine Lage unter pulsierendem Gleichstrom abgeschieden ist, so daß das Chrom in unterschiedlicher Kristallisationsform vorliegt.
Das Hartchrom kann zusätzlich mit den Metallen Wolfram, Vanadium und / oder Molybdän legiert sein. Die galvanische Hartchromschicht ist vor allem als Laufflächenbeschichtung von Kolbenringen verwendbar, und die beschichteten Kolbenringe sind mit langer Lebensdauer unter extremen Temperatur- und Verschleißbelastungen in Verbrennungskraftmaschinen einsetzbar.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine galvanische Hartchromschicht mit einem sich teilweise oder durch die gesamte Schichtdicke erstreckendem durch anodische Schaltung aufgeweitetem Rißnetzwerk, mit in den Rissen eingelagerten Feststoffpartikeln.

[0002] Nach der EP PS 0217 126 ist es bekannt, in die Risse des Rißnetzwerkes von galvanisch abgeschiedenen Hartchromschichten Festsoffpartikel einzulagern, die vor allem zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit aus Hartstoffpartikeln bestehen. Im Prinzip können in die Risse jedoch Feststoffpartikel aus Festschmierstoffen, duktilen Metallen, organischen Thermoplasten und / oder Feststoffen zur Verbesserung der Gleiteigenschaften der Chromschicht, Duktilität der Korrosionsbeständigkeit oder zur Einfärbung eingelagert sein.
Zur Herstellung werden mikrorißbildende Verchromungselektrolyte mit darin dispergieren Feststoffpartikeln verwendet, so daß beim Galvanisieren unter mehrfacher Stromumkehr bei kathodischer Schaltung des Werkstückes sich der Chromüberzug bildet und bei anodischer Schaltung des Werkstückes sich die Mikrorisse aufweiten und mit den Feststoffpartikeln füllen. Bei der nachfolgenden Stromumkehr werden durch Chromabscheidung die Risse verschlossen und die eingelagerten Feststoffpartikel in den Rissen eingekapselt.

[0003] Nach der EP PA 0668 375 werden Hartchromschichten aus mikrorissbildenden Verchromungselektrolyten mit darin dispergierten Feststoffpartikeln unter Verwendung von pulsierendem Strom abgeschieden, wobei unter kathodischer Schaltung des Werkstückes sich in die bildende Chromschicht außer in den Rissen auch in die Chrommatrix selbst die Feststoffpartikel einlagern.

[0004] Die aus der EP PS 0127 126 bekannten Chromschichten, mit in den Rissen eingelagerten Hartstoffpartikeln, haben sich vor allem als Laufflächenbeschichtungen von Kolbenringen und ähnlichem, auf reibenden Verschleiß bei hohen Temperaturen belasteten Maschinenteilen, bewährt.
Je nach Bauart und Leistungstyp der Verbrennungskraftmaschine sind die Kolbenringe unterschiedlich extremen Belastungen ausgesetzt.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine galvanische Hartchromschicht gemäß Oberbegriff des Hauptpatentanspruches in Bezug auf ihre Festigkeitseigenschaften weiter zu verbessern.

[0006] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptpatentanspruches gelöst. Und zwar wird zur Herstellung mindestens einer Lage Hartchrom das Chrom aus dem Elektrolyten am kathodisch geschalteten Werkstück mit pulsierendem Gleichstrom mit Stromdichten zwischen 5 und 250 A/dm² abgeschieden, so daß in der Chromlage entsprechend der Stromdichte Lagen Hartchrom mit unterschiedlicher Kristallisationsform abgeschieden werden. Nach einer Abscheidungsphase einer Lage wird das Werkstück anodisch geschaltet, so daß sich das Rißnetzwerk im Hartchrom aufweitet und mit den Feststoffpartikeln füllt. Entsprechend der Wiederholung des Vorgangs werden mindestens zwei bzw. mehrere überenanderliegende Lagen Hartchrom am Werkstück abgeschieden, in die durch anodische Schaltung Feststoffe eingelagert werden. Bei Gesamtschichtdicken von bevorzugten etwa 0,005 bis 1,0 mm liegt die Dicke der einzelnen Lagen dann bei 0,0005 bis 0,5 mm.

[0007] Zusätzlich kann das Chrom legiert sein. Bevorzugte Legierungsmetalle sind Molybdän, Wolfram und / oder Vanadium, wobei zur Herstellung wie an sich bekannt, die Legierungselemente in den Verchromungselektrolyten als Salze gelöst sind und zusammen mit dem Chrom galvanisch abgeschieden werden. Die Legierungselemente sind bevorzugt in Mengen von 0,1 bis 30 Gewichtsprozente in der Chromschicht vorhanden. Im Sinne der Erfindung können alle Lagen einer Chromschicht einheitlich aus einer Chromlegierung oder aber auch jede Lage aus einer gesonderten Legierung bestehen.

[0008] Mit der erfindungsgemäßen Chromschicht wurden die Laufflächen von Kolbenringen für Verbrennungskraftmaschinen beschichtet und die Kolbenringe wurden in Prüfstandslaufen untersucht. Die erfindungsgemäß beschichteten Kolbenringe waren auch bei extremen Temperatur- und Verschleißbelastungen mit wesentlich längerer Lebensdauer einsatzfähig als die bisher bekannten mit Chromeinlagerungschichten versehenen Kolbenringe.
Offensichtlich besitzen die Schichten aufgrund der Zusammensetzung aus Chrom mit Lagen unterschiedlicher Kristallisationsform, verbesserte technologische Eigenschaften im Verbund. Die Legierung des Chroms, vor allem mit den Metallen Molybdän, Vanadium und Wolfram ergibt dann eine weitere Verbesserung.

[0009] Durch die Erfindung ist somit eine Chrom- bzw. Chromlegierungsschicht mit im Rißnetzwerk eingelagerten und eingekapselten Feststoffpartikeln geschaffen welche gegenüber den aus der EP PS 0217 126 bekannten Chromeinlagerungsschichten verbesserte technologische Eigenschaften besitzt. Insbesondere als Oberflächenbeschichtung von Kolbenringen weist die Schicht insbesondere bei Verwendung von Hartstoffen als Feststoffpartikel eine wesentlich verlängerte Lebensdauer im motorischen Betrieb auf.

[0010] Die mit der erfindungsgemäßen Schicht versehenen Kolbenringe sind unter extremen Temperatur- und Verschleißbelastungen einsetzbar. Die erfindungsgemäße Schicht ist in gleicher Weise als Beschichtung für ähnliche, auf hohe Temperatur und / oder verschleißbelastete Maschinenteile einsetzbar.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Schichten ist vergleichsweise zu den aus der EP PS 0217 126 bekannten Schichten kaum aufwendiger. Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen mit einer Querschliffaufnahme näher erläutert.

Beispiel 1:

[0011] Ausgegangen wird von einem Verchromungselektrolyten mit Beispiel 1:

[0012] Ausgegangen wird von einem Verchromungselektrolyten mit

250 g/l	CrO3	Chromsäure
2,5 g/l	H2SO4	Schwefelsäure
20 g/l	Al2O3	Aluminiumoxid als dispergierte Feststollpartikel

[0013] Die Verchromung erfolgt bei 55 C° in 3 Stufen.

1. Zum Verchromen wird das Werkstück in einer ersten Stufe kathodisch geschaltet und während 20 Minuten einem pulsierendem Gleichstrom mit einer Stromdichte zwischen 120 A/dm² und 20 A/dm² ausgesetzt. Der Wechsel der Stromdichte erfolgt nach 0,05 Sekunden, so daß das Werkstück insgesamt jeweils 12000 Zyklen Stromdichten von 120 A/dm² und 20 A/dm² ausgesetzt ist.

2. Anschließend wird in einer zweiten Stufe das Werksstück unter kathodischer Schaltung mit einer Chromschicht während 30 Minuten bei einer konstanten Stromdichte von 65 A/dm² versehen.

3. In einer dritten Stufe wird umgepolt und durch anodische Schaltung des Werkstückes bei einer Stromdichte von 65 A/dm² während einer Minute, wird das Rißnetzwerk der vorher abgeschiedenen Chromschichten aufgeweitet und mit Feststoffpartikeln gefüllt.

[0014] Es ist nach dieser Zeit eine Schicht mit einer Schichtdicke von 0,05 mm erzeugt, so daß der gesamte Abscheidungsvorgang neunmal wiederholt wird, um eine gewünschte Schichtdicke von 0,5 mm zu erhalten.

[0015] Das Querschnittsbild zeigt den Querschnitt durch die abgeschiedene Chromschicht in 500 facher Vergrößerung mit 18 Lagen aufeinanderliegender Chromschichten. Auf das Substrat (1) ist zunächst in Stufe 1 die Lage (2) Hartchrom mit pulsierendem Gleichstrom in der Verfahrensstufe 1 abgeschieden. Die Lage (3) entstand bei konstantem Gleichstrom in Verfahrensstufe 2. Anschließend wurde in der Verfahrensstufe 3 das bis in die Lage (2) reichende Rißnetzwerk (4) der Lage (3) insgesamt 18 mal wiederholt, so daß eine Gesamtschicht mit 18 Lagen aus Abwechslung der Lagen 2 und 3 entsteht.

Beispiel 2:

[0016] Im Ausführungsbeispiel 2 wird von einem Verchromungselektrolyten wie im Beispiel 1 ausgegangen dem zur Herstellung einer Chrommolybdänlegierungsschicht 220 g/l (NH₄)₆Mo₇O₂₄4H₂O (Ammoniummolybdat) zugesetzt sind. Die abgeschiedene Chrom-Molybdänlegierung enthält 2,4 Gew. % Molybdän.
Die Abscheidungsbedingungen der Schicht sind die gleichen wie im Ausführungsbeispiel 1. Die abgeschiedene Schicht zeigt in etwa ein gleiches Querschnittsbild wie das Querschnittsbild der Schicht aus Ausführungsbeispiel 1.

Ansprüche

1. Galvanische Hartchromschicht mit einem teilweise oder durch die gesamte Schichtdicke sich erstreckendem durch anodische Schaltung aufgeweitetem Rißnetzwerk, mit in den Rissen eingelagerten Feststoffpartikeln, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartchromschicht aus zumindest zwei Lagen Hartchrom besteht, und die Lagen eine unterschiedlicher Kristallisationsform aufweisen.

2. Galvanische Hartchromschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Lage (2) durch pulsierenden Gleichstrom abgeschieden ist.

3. Galvanische Hartchromschicht nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einem pulsierendem Gleichstrom abgeschiedenen Lagen (2) Hartchrom mit Stromdichten zwischen 5 und 250 A/dm² abgeschieden sind.

4. Galvanische Hartchromschicht nach einem der Patentansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der gesamten Hartchromschicht 0,005 bis 1,0 mm beträgt.

5. Galvanische Hartchromschicht nach einem der Patentansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der einzelnen Lagen Hartchrom (2,3) zwischen 0,0005 und 0,5 mm liegt.

6. Galvanische Hartchromschicht nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartchrom mit aus dem Verchromungselektrolyten beim Verchromen gleichzeitig abgeschiedenen Metallen legiert ist.

7. Galvanische Hartchromschicht nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Chrom 0,1 bis 30 Gewichtsprozent Molybdän, Vanadium und / oder Wolfram enthält.

8. Galvanische Hartchromschicht nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Lagen Hartchrom unterschiedliche Legierungselemente enthalten.

9. Verwendung der galvanischen Hartchromschicht nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, als Oberflächenbeschichtung für Kolbenringe von Verbrennungskraftmaschinen.

10. Verfahren zur Herstellung einer galvanischen Hartchromschicht nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Stufe das Werkstück (1) kathodisch geschaltet und unter pulsierendem Gleichstrom aus einem schwefelsauren Verchromungselektrolyten mit darin dispergierten Feststoffpartikeln eine erste Lage (2) Hartchrom abgeschieden wird, daß in einer zweiten Stufe aufdie Lage (2) die Hartchromlage (3) mit konstantem Gleichstrom abgeschieden wird, daß in einer dritten Stufe unter anodischer Schaltung des Werkstückes (1) das Rißnetzwerk (4) der Lage (3) aufgeweitet und mit Feststoffpartikeln gefüllt wird und daß die Abscheidung der Hartchromlagen (2) und (3) aus Verfahrensstufe 1 und 2 sowie die Aufweitung des Rißnetzwerks (4) und Füllung mit Feststoffpartikeln nach Verfahrensstufe 3 nacheinander solange wiederholt wird bis die gewünschte Gesamtschichtdicke erreicht ist.

Zeichnung