Schichtsystem mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung für eine Substratoberfläche zum Zwecke des Korrosions- und Verschleißschutzes, wenigstens bestehend aus einer auf der Substratoberfläche abgeschiedenen ersten Schicht und einer auf der ersten Schicht abgeschiedenen zweiten Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht eine Bronze-Legierungsschicht und die zweite Schicht eine Legierungsschicht aus wenigstens Zinn, Nickel und Antimon ist.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beschichtung für eine Substratoberfläche zum Zwecke des Korrosions- und Verschleißschutzes, wenigstens bestehend aus einer auf der Substratoberfläche abgeschiedenen ersten Schicht und einer auf der ersten Schicht abgeschiedenen zweiten Schicht.

[0002] Die Abscheidung von Metallschichten oder Metalllegierungsschichten auf der Oberfläche von Substraten ist seit sehr langer Zeit bekannt. Die zu beschichtenden Substrate können hierbei sowohl leitfähige, metallische Bauteile, als auch nicht-leitfähige Substrate wie beispielswiese Kunststoffbauteile sein. Die abgeschiedenen Metallschichten können zum einen die Substratoberflächen funktional verändern, zum anderen dekorativ. Während die dekorative Beschichtung von Substratoberflächen in der Regel lediglich auf den optischen Eindruck der abgeschiedenen Metallschichten gerichtet ist, ist im Bereich der funktionalen Abscheidung von Metallschichten eine Veränderung der mechanischen und/oder chemischen Oberflächeneigenschaften der Substrate beabsichtigt. So kann beispielsweise die Abriebfestigkeit, Verschleißfestigkeit, Oberflächenhärte, das Ritzverhalten oder die Korrosionsbeständigkeit der Oberfläche des Substrates durch Abscheidung geeigneter Schichten verändert werden. Grundsätzlich ist hierbei sowohl die elektrolytische Abscheidung von Schichten, als auch die autokatalytische Abscheidung von Schichten bekannt.

[0003] Eine wichtige Rolle im Bereich der funktionalen Beschichtungen spielen Chromschichten, welche als Beschichtung für Metalloberflächen eingesetzt werden, um die Metalloberflächen insbesondere hinsichtlich ihrer Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. So ist beispielsweise die elektrolytische Abscheidung von Hartchromschichten aus entsprechenden Chromelektrolyten auf Metalloberflächen bekannt, wobei die dadurch erhaltene Hartchrombeschichtung in der Regel eine größere Härte als das Material, aus dem das zu beschichtende Substrat gefertigt ist, besitzen. Diese Schichten zeichnen sich darüber hinaus auch durch gute Korrosionsbeständigkeit aus, gegenüber nicht-chloridhaltigen Medien.

[0004] Hartchrombeschichtungen werden beispielsweise im Bereich der Konstruktionstechnik für Hydraulikbauteile wie beispielsweise Hydraulikzylinder und Hydraulikkolben, für Druckwalzen im Bereich der Druckmaschinentechnik, oder auch im Bereich des Motorenbaus beispielsweise für die Beschichtung von Ventilschäften eingesetzt.

[0005] Ein weiteres Anwendungsgebiet solcher Beschichtungen ist die korrosionsbeständige Ausrüstung von Bauteilen und Anlagenkomponenten im Bereich der marinen Konstruktionstechnik sowie der Offshore-Technik. Hier führt der ständige Kontakt der Bauteile und Anlagenkomponenten mit Seewasser, welches naturgemäß über einen hohen Chloridgehalt verfügt, zu drastischen korrosiven Angriffen, die es zu vermeiden gilt. Hier hat sich die Verwendung von Hartchromschichten aufgrund der ungenügenden Korrosionsschutzeigenschaften gegenüber Salzwasser nur bedingt als geeignet gezeigt, um die entsprechenden Bauteile und Anlagenkomponenten sowohl hinsichtlich ihrer mechanischen Belastungsanforderungen, als auch hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit geeignet auszurüsten.

[0006] Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Hartchromschichten ist es, dass diese in der Regel aus Chrom(VI)-haltigen Elektrolyten abgeschieden werden. Chrom(VI) steht jedoch in Verdacht, kanzerogen zu wirken und der Einsatz von Chrom(VI)-haltigen Elektrolyten sollte daher vermieden werden.

[0007] Im Stand der Technik wurden daher unterschiedliche Ansätze unternommen, um unter Verzicht der Verwendung von Chrom(VI)-haltigen Elektrolyten Schichten mit vergleichbaren mechanischen und chemischen Eigenschaften abzuscheiden. So offenbart beispielsweise das europäische Patent EP 0 672 763 B1 ein Verfahren zur Beschichtung einer Metallfläche, bei welchem auf der Metalloberfläche in einem ersten Schritt eine Nickel-Phosphor-Legierungsschicht abgeschieden wird, auf welche dann eine Siliciumschicht in einer Vakuumkammer unter Verwendung eines lonenstrahls aufgebracht wird.

[0008] Ein solches Verfahren ist jedoch sehr kostenintensiv und aufgrund der benötigten Vakuumkammer auch lediglich für entsprechend kleine Bauteile anwendbar.

[0009] Zur Vermeidung dieser Nachteile ist mit der WO 2010/108659 A1 ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystem bekannt geworden, welches vorzugsweise eine erste Schicht aus Nickel, Kupfer, Zinn, Molybdän, Niob, Kobalt, Chrom, Vanadium, Mangan, Titan oder Magnesium oder einer Legierung aus wenigstens eines dieser Metalle aufweist. Auf der ersten Schicht abgeschieden ist vorzugsweise eine Metall-Nickel-Legierungsschicht, wobei das Metall aus der Gruppe Zinn, Kupfer, Eisen, Wolfram und Kobalt oder einer Legierung einer dieser Komponenten ausgewählt ist. Während sich dieses Schichtsystem in der Praxis bewährt hat, besteht gleichwohl das Interesse an einer weiteren Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und der Verschleißfestigkeit.

[0010] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschichtung bereitzustellen, welche unter Vermeidung der Verwendung Chrom(VI)-haltigen Elektrolyten als Substitut für die aus dem Stand der Technik bekannten Hartchromschichten geeignet ist und bei der die Korrosionsbeständigkeit und die Verschleißfestigkeit gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten chromlosen Beschichtungen verbessert ist. Des Weiteren ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Abscheidung einer solchen Beschichtung bereitzustellen.

[0011] Gelöst wird diese Aufgabe hinsichtlich der Beschichtung durch eine eingangs genannte Beschichtung, die sich dadurch auszeichnet, dass die erste Schicht eine Bronze-Legierungsschicht und die zweite Schicht eine Legierungsschicht aus wenigstens Zinn, Nickel und Antimon ist.

[0012] Es hat sich herausgestellt, dass eine Beschichtung, bestehend aus einer ersten Bronze-Legierungsschicht und einer zweiten, darauf abgeschiedenen Legierungsschicht aus wenigstens Zinn, Nickel und ggf. Antimon im Vergleich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Beschichtungen eine herausragende Korrosionsbeständigkeit, Ritzverhalten und Verschleißfestigkeit aufweist. Die Kombination der erfindungsgemäßen Einzelschichten wirkt in synergetischer und nicht vorhersehbarer Weise zusammen, es hat sich insbesondere herausgestellt, dass das in der zweiten Schicht als Legierungskomponente enthaltene Antimon elektrochemisch mit der Bronzeschicht wechselwirkt und auf diesem Wege für eine elektrochemische Stabilisierung der erfindungsgemäßen Beschichtung im sorgt. Das freie Korrosionspotential an der Oberfläche wird hierdurch deutlich verbessert und die elektrostatischen Anziehungskräfte zwischen den Einzelschichten erhöht. Diesbezügliche Korrosionsuntersuchungen haben gezeigt, dass die jeweils einzelnen Schichten eine deutlich geringere Korrosionsbeständigkeit aufweisen, als die erfindungsgemäße Beschichtung. Analog hierzu haben mechanische Verschleißtests ergeben, dass die erfindungsgemäße Beschichtung sowohl eine höhere Härte, als auch eine bessere Abriebbeständigkeit und Ritzverhalten als die jeweiligen Einzelschichten aufweist.

[0013] Zur Überprüfung der Korrosionsbeständigkeit der Beschichtung und insbesondere zur Beurteilung der Korrosionsbeständigkeit gegenüber Salzwasser werden die erfindungsgemäß beschichteten Substrate in Übereinstimmung mit der ASTM-Norm G48 bei einer Temperatur von bis zu 40°C unter sauren Bedingungen einer wässrigen, Eisen(III)-chloridhaltigen Lösung ausgesetzt. Die erfindungsgemäßen Beschichtungen zeigen unter diesen Bedingungen eine überragende Korrosionsbeständigkeit von mehr als 72 Stunden, womit dieser Standard erfüllt ist und die erfindungsgemäßen Beschichtungen insofern seewasserfest, das heißt seewasserbeständig sind.

[0014] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Beschichtung eine Gesamtschichtdicke von 2 bis 150 µm auf, vorzugsweise 10 bis 100 µm, weiter bevorzugt 50 bis 75 µm. Die Wahl der Schichtdicke richtet sich vorrangig nach dem Einsatzgebiet des Substrates und der damit verbundenen Anforderungen hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit und der Verschleißfestigkeit, Insbesondere im Bereich von hochseetauglichen Großbauteilen die einer vergleichsweise großen mechanischen Belastung ausgesetzt sind, wie insbesondere bei der Offshore-Gewinnung von Erdöl, Erdgas oder Windkraft oder auch bei der Hochseeschifffahrt, sind Gesamtschichtdicken von 100 bis 150 µm besonders bevorzugt. Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung weist die zweite Legierungsschicht aus wenigstens Zinn, Nickel und Antimon eine Schichtdicke von wenigstens 1 µm, vorzugsweise von wenigstens 5 µm und noch bevorzugter von wenigstens 10 µm auf. Untersuchungen haben ergeben, dass eine Schichtdicke von 2 µm ausreichend ist, um die Korrosionsbeständigkeit in Entsprechung der ASTM-Norm G48 zu erzielen. Damit liegt der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Beschichtungen darin, eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit bei einer vergleichsweise dünnen Schichtdicke erreichen zu können. Obgleich die nach ASTM-Norm G48 als seewasserfest zu bezeichnende Korrosionsbeständigkeit bereits bei einer Schichtstärke von nur 2 µm erreicht wird, kann die Schichtstärke der erfindungsgemäßen Beschichtungen größer ausfallen, gegebenenfalls um anderen, insbesondere mechanischen Einwirkungen standhalten zu können. So kann die Schichtdicke beispielsweise auch 20 µm, 30 µm, 40 µm, 75 µm, 100 µm oder noch dicker ausfallen, je nach Anwendungsfall. Im Vergleich mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Schichtsystem weist die erfindungsgemäße Beschichtung bei gleicher Schichtdicke eine höhere Haltbarkeit und Lebensdauer auf, was vorteilhafterweise zu einem geringeren Wartungs- und Reparaturaufwand führt.

[0015] Erfindungsgemäß ist die erste Schicht eine Bronze-Legierungsschicht. Hierunter fallen dem Grunde nach die klassischen binären, ternären, quaternären und höherwertigen Zinnbronzen mit der allgemeinen Summenformel Cu_aSn_b+...M_z. Vorzugsweise ist die erste Schicht hierbei aus einer binären Kupfer-Zinn-Bronze gebildet. Zinnbronzen lassen sich anhand ihres Zinngehalts in Knetlegierungen und Gusslegierungen einteilen. Knetlegierungen haben einen Zinnanteil unterhalb von 9 Gew.-%. Gusslegierungen haben einen Zinnanteil oberhalb von 9 Gew.-%. Beide Legierungstypen sind dem Grunde nach für eine Verwendung als erste Schicht in der erfindungsgemäßen Beschichtung geeignet. Bevorzugt sind jedoch Gusslegierungen mit einem Zinnanteil von wenigstens 9 Gew.-%, besonders bevorzugt sind 9 bis 13 Gew.-% und weiter bevorzugt 11 Gew.-%. Es hat sich gezeigt, dass Zinnbronzen im Allgemeinen und insbesondere binäre Kupfer-Zinn-Bronzen mit einem solchen Zinnanteil in Verbindung mit der erfindungsgemäßen zweiten Schicht besonders gute Korrosionsbeständigkeiten und Verschleißfestigkeiten aufweisen. Neben den klassischen Bronzen fallen ebenfalls andere, gemeinhin als Bronzen bezeichnete Kupferlegierungen unter den Oberbegriff der Bronze, wie insbesondere Aluminiumbronzen, Berylliumbronzen oder Bleibronzen. Solche Bronzen sind ebenfalls für eine Verwendung als erste Schicht in der erfindungsgemäßen Beschichtung geeignet. Es hat sich insbesondere gezeigt, dass Aluminiumbronze eine exzellente Seewasserbeständigkeit aufweist.

[0016] Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung enthält die zweite Schicht aus wenigstens Zinn, Nickel und Antimon wenigstens eine weitere Legierungskomponente. Diese ist vorzugsweise ein Metall aus der Gruppe Kupfer, Eisen, Wolfram oder Kobalt. Es hat sich gezeigt, dass die Korrosionsbeständigkeit und die Verschleißfestigkeit durch vorgenannte Komponenten weiter verbessert werden kann. Nach derzeitiger Kenntnislage des Anmelders ergibt sich aus der synergetischen Wechselwirkung dieser Komponenten mit Antimon eine Verstärkung der elektrochemischen Stabilisierung der Einzelschichten der erfindungsgemäßen Beschichtung.

[0017] Es ist bevorzugt, dass die erste Schicht unmittelbar, d.h. ohne etwaige Zwischenschichten auf dem Substrat abgeschieden ist. Es ist ferner bevorzugt, dass die zweite Schicht unmittelbar, d.h. ohne etwaige Zwischenschichten auf der ersten Schicht abgeschieden ist. Es ist besonderes bevorzugt, dass die der ersten Schicht abgewandte Oberfläche der zweiten Schicht keine weiteren Schichten trägt. Besagte Oberfläche der zweiten Schicht ist somit abdeckungsfrei ausgebildet. Sie steht damit in unmittelbarem Kontakt zu korrosiven und Verschleiß verursachenden Medien. Es hat sich herausgestellt, dass die Unter-, Zwischen- oder Überordnung weiterer Schichten sowohl für die Korrosions- als auch die Verschleißeigenschaften schädlich sind. Besonderes bevorzugt ist daher eine Beschichtung mit einem lediglich zweischichtigen Schichtsystem.

[0018] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält die erfindungsgemäße Beschichtung Partikel. Die Partikel können ausschließlich in der ersten Schicht, ausschließlich in der zweiten Schicht oder in beiden Schichten enthalten sein. Die Partikel sind vorzugsweise aus einem Material gebildet, welches eine vergleichsweise hohe Härte aufweist. Hierdurch kann vorteilhafterweise die Verschleißfestigkeit und das Ritzverhalten der erfindungsgemäßen Beschichtung weiter verbessert werden. Bevorzugt sind Partikel Bor oder aus Siliciumverbindungen, Titanverbindungen oder Borverbindungen. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die Carbide und Nitride der vorgenannten Elemente besonders vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich Verschleißfestigkeit und Ritzverhalten aufweisen. Bevorzugte Siliciumverbindungen sind demnach Siliciumcarbid (SiC) und/oder Siliciumnitrid (Si₃N₄). Bevorzugte Titanverbindungen sind Titannitrid (TiN), Titancarbonitrid (Ti(C, N)) und/oder Titanaluminiumnitrid (TiAlN). Bevorzugte Borverbindungen sind Borcarbid (B₄C) und/oder Bornitrid, insbesondere β-Bornitrid (CBN; kubisches kristallines Bornitrid). Im Allgemeinen führen alle vorgenannten Verbindungen alleine oder in Kombination miteinander zu einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit und des Ritzverhalten der erfindungsgemäßen Beschichtung. Besonders vorteilhaft hat sich hierbei die Verwendung von Borcarbid erwiesen. Vorzugsweise sind die Partikel lediglich in der zweiten Schicht enthalten. Es hat sich diesbezüglich gezeigt, dass hierdurch eine vergleichsweise große Steigerung der Schutzeigenschaften mit minimalem Materialeinsatz erreicht werden kann. Vorteilhafterweise ist hierdurch ein optimierter Kompromiss zwischen Korrosions- Verschleißschutz und Ritzverhalten und Herstellungsaufwand und Herstellungskosten gelungen.

[0019] Die Beschichtung kann dem Grunde nach auf jedem beliebigen Substrat aufgebracht werden. Insbesondere auf Polymersubstraten und Metallsubstraten. Metallsubstrate, insbesondere nichtrostende Edelstähle, sind als Hauptsubstrat im Bereich der Bauteile, die Seewasser ausgesetzt sind besonderes bevorzugte Substrate und werden durch die erfindungsgemäße Beschichtung besonders gut vor Korrosion und Verschleiß geschützt.

[0020] Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Beschichtung einer Substratoberfläche zum Zwecke des Korrosions- und Abriebschutzes gelöst bei dem eine erste Schicht auf der Substratoberfläche abgeschieden wird und bei dem eine zweite Schicht auf der ersten Schicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schicht eine Bronze-Legierungsschicht und als zweite Schicht eine Legierungsschicht aus wenigstens Zinn, Nickel und Antimon abgeschieden wird. Es ist hierbei bevorzugt, dass die erste Schicht unmittelbar, d.h. ohne etwaige Zwischenschichten auf dem Substrat abgeschieden wird. Es ist ferner bevorzugt, dass die zweite Schicht unmittelbar, d.h. ohne etwaige Zwischenschichten auf der ersten Schicht abgeschieden wird. Es ist besonderes bevorzugt, dass auf die der ersten Schicht abgewandte Oberfläche der zweiten Schicht keine weiteren Schichten abgeschieden werden. Besagte Oberfläche der zweiten Schicht wird somit abdeckungsfrei ausgebildet. Sie steht damit in unmittelbarem Kontakt zu korrosiven und Verschleiß verursachenden Medien.

[0021] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Beschichtung mit einer Gesamtschichtdicke von 2 bis 150 µm auf dem Substrat abgeschieden, vorzugsweise mit 10 bis 100 µm, weiter bevorzugt mit 50 bis 75 µm. Insbesondere im Bereich von hochseetauglichen Großbauteilen die einer vergleichsweise großen mechanischen Belastung ausgesetzt sind, wie insbesondere bei der Offshore-Gewinnung von Erdöl, Erdgas oder Windkraft oder auch bei der Hochseeschifffahrt, werden besonders bevorzugt Gesamtschichtdicken von 100 bis 150 µm auf dem Substrat abgeschieden. Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung wird die zweite Legierungsschicht aus wenigstens Zinn, Nickel und Antimon mit einer Schichtdicke von wenigstens 1 µm, vorzugsweise von wenigstens 5 µm und noch bevorzugter von wenigstens 10 µm auf der ersten Schicht abgeschieden. Bei Bauteilen, die besonderer mechanischer Belastung ausgesetzt sind, kann die Schichtdicke beispielsweise auch mit 20 µm, 30 µm, 40 µm, 75 µm, 100 µm oder noch dicker abgeschieden werden.

[0022] Erfindungsgemäß wird als erste Schicht eine Bronze-Legierungsschicht abgeschieden. Vorzugsweise wird die erste Schicht hierbei als eine binäre Kupfer-Zinn-Bronze abgeschieden. Sowohl Knetlegierungen als auch Gusslegierungen können dem Grunde nach als erste Schicht der erfindungsgemäßen Beschichtung abgeschieden werden. Bevorzugt werden jedoch Gusslegierungen mit einem Zinnanteil von wenigstens 9 Gew.-%, besonders bevorzugt sind 9 bis 13 Gew.-% und weiter bevorzugt 11 Gew.-% abgeschieden. Neben den klassischen Bronzen können darüber hinaus auch andere, gemeinhin als Bronzen bezeichnete Kupferlegierungen, wie insbesondere Aluminiumbronzen, Berylliumbronzen oder Bleibronzen die unter den Oberbegriff der Bronze fallen als erste Schicht abgeschieden werden. Aufgrund ihrer exzellenten Seewasserbeständigkeit ist es bevorzugt, Aluminiumbronze als erste Schicht abzuscheiden.

[0023] Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung wird zur Bildung der zweiten Schicht neben den erfindungsgemäßen Komponenten Zinn, Nickel und Antimon wenigstens eine weitere Legierungskomponente abgeschieden. Hierzu wird vorzugsweise ein Metall aus der Gruppe Kupfer, Eisen, Wolfram oder Kobalt verwendet. Es hat sich gezeigt, dass die Korrosionsbeständigkeit und die Verschleißfestigkeit durch vorgenannte Komponenten weiter verbessert werden kann.

[0024] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden Partikel in die erfindungsgemäße Beschichtung eingebracht. Die Partikel können ausschließlich in die erste Schicht, ausschließlich in die zweite Schicht oder in beide Schichten eingebracht werden. Die Partikel sind vorzugsweise aus einem Material gebildet, welches eine vergleichsweise hohe Härte aufweist. Hierdurch kann vorteilhafterweise die die Verschleißfestigkeit und das Ritzverhalten der erfindungsgemäßen Beschichtung weiter verbessert werden. Bevorzugt sind Partikel Bor oder aus Siliciumverbindungen, Titanverbindungen oder Borverbindungen. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die Carbide und Nitride der vorgenannten Elemente besonders vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich Verschleißfestigkeit aufweisen. Bevorzugte Siliciumverbindungen sind demnach Siliciumcarbid (SiC) und/oder Siliciumnitrid (Si₃N₄). Bevorzugte Titanverbindungen sind Titannitrid (TiN), Titancarbonitrid (Ti(C, N)) und/oder Titanaluminiumnitrid (TiAlN). Bevorzugte Borverbindungen sind Borcarbid (B₄C) und/oder Bornitrid, insbesondere β-Bornitrid (CBN; kubisches kristallines Bornitrid). Im Allgemeinen können alle vorgenannten Verbindungen alleine oder in Kombination miteinander in die Beschichtung eingebracht werden. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei allerdings die ausschließliche Verwendung von Borcarbiden erwiesen. Vorzugsweise werden die Partikel lediglich in die zweite Schicht eingebracht, wodurch ein optimierter Kompromiss zwischen Korrosions- und Verschleißschutz auf der einen Seite und Herstellungsaufwand und Herstellungskosten auf der anderen Seite erreicht werden kann.

[0025] Die Abscheidung der einzelnen Schichten der Beschichtung kann in Abhängigkeit der Art der Schicht in der im Stand der Technik üblichen außenstromlosen oder elektrolytischen Weise erfolgen. So wird beispielsweise bei der Abscheidung der Bronzeschicht als erste Schicht eine elektrolytische Abscheidung unter Anlegung einer geeigneten Abscheidespannung zwischen der Substratoberfläche und einer Gegenelektrode und Verwendung eines üblichen Bronzeelektrolyten (wässriger, kupfer- und zinnhaltiger Elektrolyt) bevorzugt.

[0026] Die Abscheidung der erfindungsgemäß vorzusehenden Zinn-Nickel-Antimon-Legierungsschicht als zweite Schicht kann ebenfalls elektrolytisch unter Anlegung einer Abscheidespannung zwischen der Substratoberfläche und einer geeigneten Gegenelektrode oder autokatalytisch unter Verwendung geeigneter Reduktionsmittel erfolgen.

[0027] Die Abscheidung der Partikel erfolgt vorzugsweise in einem Dispersionsbad. Sollen in die gesamte Beschichtung Partikel eingebracht werden, so ist die Abscheidung sowohl der ersten als auch der zweiten Schicht in einem Dispersionsbad durchzuführen. Sollen die Partikel lediglich in eine der beiden Schichten eingebracht werden, so muss lediglich die Abscheidung der entsprechenden Schicht, in welche die Partikel eingebracht werden sollen, in einem Dispersionsbad erfolgen. Zur Ausbildung einer homogenen Verteilung der Partikel in der Beschichtung ist es bevorzugt vorgesehen, die Partikel während des Abscheidevorgangs der jeweiligen Schicht homogen im Dispersionsbad zu verteilen. Hierfür kann bevorzugt die Einbringung eines Gases zur Umwälzung des Elektrolyten vorgesehen sein. Das Gas wird bevorzugt vom Boden des Dispersionsbades her in Form feiner Bläschen in das Dispersionsbad eingebracht. Die Bläschen haben bevorzugter Weise einen Durchmesser im Bereich 0,5-10 µm, bevorzugt 0,5-5 µm. Weiter bevorzugt wird das Gas entweder über Düsen am Boden des Dispersionsbades in dieses eingebracht. Alternativ hierzu wird das Gas direkt durch eine gasdurchlässige und flüssigkeitsdichte Membran, die den Boden des Bades bildet eingeleitet. Als Gas wird vorzugsweise ein Schutzgas verwendet. Dies stellt sicher, dass keine unerwünschten Nebenreaktionen des Gases mit den Legierungsbestandteilen stattfinden. Als Schutzgas werden insbesondere im Stand der Technik bekannte Schutzgase wie Stickstoff oder Argon verwendet.

[0028] Alternativ oder in Kombination zur Gaseinleitung kann eine homogene Verteilung der Partikel im Dispersionsbad auch über Elektrolytbewegung erreicht werden. Vorzugsweise können hierfür Rühranlagen für eine intern induzierte Elektrolybewegung im Dispersionsbad verwendet werden. Alternativ oder in Kombination mit der intern induzierten Elektrolybewegung, kann der Elektrolyt auch durch externe Anregung in Bewegung versetzt werden. Dies wird vorzugsweise durch eine hierfür geeignete Bewegung des Behälters des Dispersionsbades erreicht.

[0029] Die erfindungsgemäß abgeschiedenen Schichtsysteme eignen sich insbesondere zur Beschichtung von Bauteilen im Bereich der Hydrauliktechnik, wie beispielsweise Kolbenstangen, Kolbenrohre, Speicherstangen, Hubzylinder, Wippzylinder etc., für die Beschichtung von Druckwalzen im Bereich der Druckmaschinentechnik, für die Beschichtung von Anlagenbauteilen und -komponenten im Bereich der Marinekonstruktionstechnik, insbesondere im Bereich des Schiffbaus sowie der Offshore-Gewinnung von Windkraft, Erdgas und Erdöl, sowie im Bereich des Motorenbaus.

[0030] Alle Merkmale der erfindungsgemäßen Beschichtung dienen der synergetischen Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit und der Verschleißfestigkeit. Die Vorteile der Erfindung werden hierbei erreicht, ohne umweltschädliche Chrom-haltige Legierungen zu verwenden.

[0031] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines für den Fachmann nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt

Fig.1

die erfindungsgemäße Beschichtung eines Substrates mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung in schematischer Ansicht.

[0032] In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung einer Substratoberfläche gezeigt. Das Substrat 1, vorliegend aus nichtrostendem Edelstahl gewöhnlichem Stahl, wird vorliegend in ein galvanisches Bad eingebracht. Dieses enthält einen wässrigen Elektrolyten 2 mit einer Kupferquelle und einer Zinnquelle. Zur bestimmungsgemäßen unmittelbaren Abscheidung einer ersten Schicht auf der Substratoberfläche wird zwischen besagter Oberfläche und einer geeigneten Gegenelektrode eine Abscheidespannung angelegt.

[0033] Alsdann erfolgt die Abscheidung einer binären Kupfer-Zinn-Bronzeschicht als erste Schicht unmittelbar auf der Substratoberfläche. Vorliegend wird die Bronzeschicht mit einem Zinnanteil von 11 Gew.-% abgeschieden. Nach vollendeter Abscheidung liegt die Schichtdicke der Bronzeschicht im Mittel bei 45 µm. Anschließend wird das mit der ersten Schicht beschichtete Substrat aus dem galvanischen Bronzebad entnommen, Elektrolytreste entfernt und in ein galvanisches Dispersionsbad eingebracht. Das Dispersionsbad enthält einen wässrigen Elektrolyten 3 mit einer Nickelquelle, einer Zinnquelle und einer Antimonquelle. Zur bestimmungsgemäßen unmittelbaren Abscheidung der zweiten Schicht auf der bronzeschichtseitigen Oberfläche der Bronzeschicht wird zwischen besagter Oberfläche und einer geeigneten Gegenelektrode eine Abscheidespannung angelegt.

[0034] Ferner enthält das Dispersionsbad Borcarbidpartikel 4. Diese werden zur bestimmungsgemäßen Einbringung in die zweite Schicht homogen im Dispersionsbad verteilt. Hierzu wird der Behälter des Dispersionsbades kontinuierlich bewegt. Nach vollendeter Abscheidung liegt die Schichtdicke der zweiten Legierungsschicht im Mittel bei 45 µm. In die zweite Schicht eingebracht sind die Borcarbidpartikel 4. Die Einbringung der Partikel in die zweite Schicht unterliegt einem Gleichgewicht. Es ist daher erforderlich, die Partikel dem Dispersionsbad in einem auf die einzubringende Menge bezogenen Überschuss zuzugeben. Hierdurch wird sowohl die Einbringung der Partikel in die zweite Schicht beschleunigt und die absolute Menge der eingebrachten Partikel erhöht. Dies führt in der Konsequenz vorteilhafterweise zu einer Verbesserung der Korrosions- und Verschleißeigenschaften der erfindungsgemäßen Beschichtung.

Bezugszeichenliste

[0035] 

1

Substrat

2

Elektrolyt zur Abscheidung der ersten Schicht

3

Elektrolyt zur Abscheidung der zweiten Schicht

4

Borcarbidpartikel

Ansprüche

1. Beschichtung für eine Substratoberfläche zum Zwecke des Korrosions- und Verschleißschutzes, wenigstens bestehend aus einer auf der Substratoberfläche abgeschiedenen ersten Schicht und einer auf der ersten Schicht abgeschiedenen zweiten Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht eine Bronze-Legierungsschicht und die zweite Schicht eine Legierungsschicht aus wenigstens Zinn, Nickel und Antimon ist.

2. Beschichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht wenigstens eine zusätzliche Legierungskomponente der Gruppe Kupfer, Eisen, Wolfram oder Kobalt enthält.

3. Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht aus einer binären Kupfer-Zinn Bronze gebildet ist.

4. Beschichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht wenigstens 9 Gew.-% Zinn enthält.

5. Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Partikel aus Bor oder einer Borverbindung aufweist.

6. Beschichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die zweite Schicht der Beschichtung die Partikel aufweist und die erste Schicht frei von besagten Partikeln ist.

7. Beschichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht eine Schichtdicke von wenigstens 20 µm aufweist.

8. Verfahren zur Beschichtung einer Substratoberfläche zum Zwecke des Korrosions- und Abriebschutzes, bei dem eine erste Schicht auf der Substratoberfläche abgeschieden wird und bei dem eine zweite Schicht auf der ersten Schicht abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schicht eine Bronze-Legierungsschicht und als zweite Schicht eine Legierungsschicht aus wenigstens Zinn, Nickel und Antimon abgeschieden wird.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliche Legierungskomponente der zweiten Schicht ein Metall der Gruppe Kupfer, Eisen, Wolfram oder Kobalt abgeschieden wird.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schicht, eine binäre Kupfer-Zinn Bronze abgeschieden wird.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung der zweiten Schicht in einem Partikel aus Bor- oder einer Borverbindung aufweisenden Dispersionsbad durchgeführt wird, wobei die Partikel wenigstens teilweise in die zweite Schicht eingebracht werden.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht mit einer Schichtdicke von wenigstens 20 µm abgeschieden wird.

13. Verwendung einer Beschichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zur korrosions- und abriebbeständigen beständigen Ausrüstung von Seewasser ausgesetzten Bauteilen und/oder Hydraulikbauteilen.

Zeichnung