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.
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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.
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