[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Bad bzw. einen Elektrolyten zur galvanischen Abscheidung
von Metallschichten mit eingelagerten Partikeln nichtmetallischer Substanz, wobei
das Bad einen Suspensionsstabilisator für die in der Badflüssigkeit suspendierten,
einzulagernden Partikel aufweist.
[0002] Die galvanische Abscheidung von Metallschichten mit einge- la
gerten Partikeln fremder Substanzen - kurz galvanische Dispersionsabscheidung genannt
- ist ein bequemer Weg zur Herstellung von Dispersionswerkstoffen. Während der Elektrolyse
scheiden sich die im Bad suspendierten Partikel zusammen mit dem Matrixmetall auf
der Kathode ab und werden von diesem umwachsen und eingebaut.
[0003] Eine wesentliche Rolle für die Güte einer galvanischen Dispersionsabscheidung spielt
dabei die Art und Beschaffenheit des im Bad enthaltenen, als Suspensionsstabilisator
wirkenden, oberflächenaktiven Mittels, welches die im Elektrolyten suspendierten Partikel
einwandfrei benetzen muß. Ist diese Bedingung nicht oder nur unvollkommen erfüllt,
so setzen sich die Partikel im Elektrolyten, selbst wenn man diesen umrührt oder in
anderer Weise bewegt, zu rasch ab mit dem Ergebnis, daß sich die Konzentration des
Bades an suspendierten Teilchen während der Elektrolyse ändert und die Partikelverteilung
im abgeschiedenen Matrixmetall uneinheitlich wird.
[0004] Gemäß der DE-PS 26 44 035 läßt sich eine galvanische Dispersionsabscheidung erfolgreich
durchführen, wenn man dem Elektrolyten als Suspensionsstabilisator ganz speziell Imidazolinderivate
zusetzt, welchen durch angegliederte Carboxylgruppen und/oder Sulfonsäuregruppen ein
amphoterer Charakter verliehen worden ist. Kationenaktive Suspensionsstabilisatoren
kennt die genannte Patentschrift nicht.
[0005] Kationenaktive Substanzen sind zwar auch schon auf ihre Brauchbarkeit als Suspensionsstabilisatoren
untersucht worden, doch lehrt die US-PS 42 22 828, daß nur solche kationenaktiven
Substanzen für den genannten Zweck geeignet sind, wenn sie längerkettige Fluorkohlenstoffreste
enthalten.
[0006] Nunmehr wurde überraschenderweise gefunden, daß entgegen der Lehre der genannten
US-PS dennoch gewisse kationenaktive Stoffe, welche kein Fluor enthalten, hervorragende
Suspensionsstabilisatoren bei der galvanischen Dispersionsabscheidung sind. Diese
neu aufgefundenen Stoffe sind gewisse kationenaktive Imidazolinderivate. Es war dies
um so weniger vorhersehbar, als in Kenntnis der Lehre der DE-PS 26 44 035 zu erwarten
war, daß Imidazolinderivate, um als Suspensionsstabilisator brauchbar zu sein, einen
amphoteren Charakter besitzen müßten.
[0007] Demgemäß ist Gegenstand der Erfindung, ein einen Suspensionsstabilisator enthaltendes
Bad zur galvanischen Dispersionsabscheidung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß
der Suspensionsstabilisator ein kationenaktives Imidazolinderivat der allgemeinen
Formel:

ist, in welcher R
1 ein einwertiger, gesättigter oder ungesättigter Kohlenwasserstoffrest mit mindestens
vier aliphatisch gebundenen C-Atomen oder ein Gemisch mehrerer _ solcher Kohlenwasserstoffreste
ist; R
2 eine Methylen-, Äthylen-, Propylen- oder Isopropylengruppe bedeutet; und X gleich
- NH
2, -NHR
3, -NR
3R
4, oder -OR
5 ist, wobei
R3,
R4 und R Methyl-, Äthyl- oder Propylreste oder Polyglycolätherreste mit bis zu fünf
-O-CH
2-CH
2-Einheiten bedeuten.
[0008] Suspensionsstabilisatoren, bei denen in der obigen allgemeinen Formel R
1 ein Gemisch von alipathischen, gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffresten
mit 8 bis 18 C-Atomen, vorzugsweise mit 16 bis 18 C-Atomen (Talgreste), insbesondere
ein He
ptadecenylrest; R
2 eine Äthylengruppe; und X eine primäre Aminogruppe oder eine Hydroxylgruppe ist,
sind besonders bevorzugt.
[0009] Die Erfindung sei nunmehr unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Versuchsdurchführungen
näher erläutert:
Versuch 1
[0010] In entionisiertem Wasser werden aufgelöst:
630 ml/l wässrige Nickelsulfamatlösung einer Konzentration von 600 bis 680 g festem
Sulfamat je Liter,
5 g/1 Nickelchlorid NiCl2 - 6H20 und
40 g/l Borsäure H3BO3.
[0011] 2,5 1 der obigen Lösung werden als Basiselektrolyt angewandt und dieser wird während
der Versuchsdurchführung mittels eines mechanischen Rührers in Bewegung gehalten.
Als Anode dient eine Platte aus carbonisierten Nickel (DIN 1702), als Kathode eine
Platte aus Nickellegierung X10 CrNiTi 189 der Abmessungen 50 x 100 mm. Vor der Versuchsdurchführung
wurde die Kathode in an sich bekannter Weise elektrolytisch entfettet, anodisch geätzt
und vorvernickelt.
[0012] In den obigen Basiselektrolyten werden nun 150 g/l Siliciumcarbid, SiC, einer Partikelgröße
von etwa 2 µm eingerührt und 0,8 g/l Suspensionsstabilisator hinzugegeben. Dieser
Stabilisator ist im vorliegenden Falle ein 1-Aminoäthyl-2-alkyl-alkenyl-imidazolin,
wobei hier unter "-alkyl-alkenyl-" ein Gemisch von Alkyl- und Alkenylresten mit 16
bis 18 C-Atomen verstanden werden soll, wie diese insbesondere im tierischen Talg
vorkommen.
[0013] Nun wird die galvanische Dispersionsabscheidung von SiC bei einer Badtemperatur von
50 ± 1 °C durchgeführt. Der pH-Wert des Bades beträgt dabei etwa 3,8 bis 4,0.
[0014] Es werden mehrere Einzelversuche mit verschiedenen kathodischen Stromdichten durchgeführt,
wobei man die Elektrolysedauer so wählt, daß kathodisch eine Schichtdicke von etwa
20 µm abgeschieden wird. Als Richtlinie sei hierzu angegeben, daß eine solche Schichtdicke
von etwa 20 µm bei einer kathodischen Stromdichte von 2
A/dm
2 in etwa einer Stunde aufgetragen wird, während man die gleiche Schichtdicke bei 10A/dm
2 in etwa 10 Minuten erreicht. Die in den Einzelversuchen angewandten Stromdichten
und die dabei erzielten Einbauraten an suspendierten SiC-Teilchen in die abgeschidene
Ni-Matrix (in Gew.-%), ist in der nachstehenden Tabelle I angegeben:

Wie ersichtlich, werden über den gesamten Stromdichtebereich von 1 bis 20 A/dm
2 sehr gute Einbauarten erzielt, wobei die besten Ergebnisse mit einer Rate von 7,3
Gew.-% bei einer Stromdichte von 5 A/dm
2 liegen.
[0015] Die gewonnenen Dispersionsabscheidungen wurden durch Biegen der Kathodenbleche um
90° auf ihre Haftfestigkeit am Substrat geprüft. Es zeigte sich, daß die Haftfestigkeit
in allen Fällen ausgezeichnet war. Eine Versprödung der Abscheidungen wurde in keinem
Fall beobachtet.
Versuch 2
[0016] Es wird der Versuch 1 wiederholt mit der Ausnahme, daß als Suspensionsstabilisator'
anstelle des 1-Aminoäthyl-2-alkyl-alkenyl-imidazolins, nunmehr 1-Hydroxyäthyl-2-heptadecenyl-
imidazolin verwendet wird. Auch hier erzielt man eine Partikeleinbaurate von optimal
7,3 Gew.-% bei guthaftenden, nicht versprödenden Dispersionsabscheidungen.
Versuch 3
[0017] Es wird der Versuch 1 wiederholt mit der Ausnahme, daß man anstelle der SiC-Partikel
nunmehr 100 g/l Titancarbidpartikel, TiC, einer Teilchengröße von 0,4 µm verwendet.
Man erzielt eine Einbaurate von optimal 5 Gew.-% der Partikel in die abgeschiedene
Ni-Matrix.
Versuch 4
[0018] Der Versuch 1 wird wiederholt mit der Ausnahme, daß man anstelle der SiC-Partikel
nunmehr 100 g/l Aluminiumoxydpartikel, Al
2O
3, einer Teilchengröße von 0,6 µm verwendet. Man erzielt eine Einbaurate von optimal
6 Gew.-% der Partikel in die abgeschiedene Ni-Matrix.
Versuch 5
[0019] Der Versuch 1 wird wiederholt mit der Ausnahme, daß man anstelle der SiC-Partikel
nunmehr 100 g/l Titandioxydpartikel, TiO
2, einer Teilchengröße von 3 - 5 um verwendet. Man erzielt eine Einbaurate von optimal
8 Gew.-% der Partikel in die abgeschiedene Ni-Matrix.
Versuch 6
[0020] Man verwendet einen Basiselektrolyten aus:

mit einem Zusatz von 100 g/1 Aluminiumoxydpartikeln und 0,8 g/l 1-Aminoäthyl-2-alkyl-alkenyl-imidazolin
als Suspensionsstabilisator. Der Elektrolyt besitzt einen pH-Wert von 4,3 bis 5,0.
Man führt die Dispersionsabscheidung mit Kobaltelektroden bei 50 °C durch und erzielt
eine Einbaurate von optimal 5 Gew.-% der Al
2O
3-Partikel in die Co-Matrix.
Versuch 7
[0021] Es wird eine Dispersionsabscheidung von Partikeln selbstschmierenden Polytetrafluoräthylens
(PTFE, FlounL 170) aus folgendem Bad mit den nachstehenden Bedingungen durchgeführt:

Versuch 8
[0022] Es wird eine Dispersionsabscheidung von Partikeln selbstschmierenden Bornitrids (BN)
aus folgendem Bad unter den nachstehenden Bedingungen durchgeführt:

Versuch 9
[0023] Es wird die Abhängigkeit der Partikeleinbaurate von der Partikelkonzentration im
Bad untersucht. Badzusammensetzung und Versuchsbedingungen entsprechen im wesentlichen
denjenigen des Versuchs 1 mit Ausnahme der in Tabelle II angegebehen Abweichungen:
[0024]

[0025] Wie aus vorstehender Tabelle II ersichtlich, steigt die Partikeleinbaurate mit der
Partikelkonzentration im Bad an.
Versuch 10
[0026] Es wird die Abhängigkeit der Partikeleinbaurate in die Matrix in Abhängigkeit von
der Konzentration an Suspensionsstabilisator im Bad untersucht. Badzusammensetzung
und Versuchsbedingungen entsprechen im wesentlichen denjenigen des Versuchs 1 mit
Ausnahme der in Tabelle III angegebenen Abweichungen:

[0027] Wie aus vorstehender Tabelle III ersichtlich, steigt die Partikeleinbaurate mit der
Stabilisatorkonzentration im Bad an, wobei bei einer Konzentrationssteigerung von
0,6 auf 0,8 g Stabilisator je Liter, der größte Einbauratenzuwachs zu verzeichnen
ist.
1. Bad zur galvanischen Dispersionsabscheidung, welches einen Suspensionsstabilisator
enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Suspensionsstabilisator ein kationenaktives
Imidazolinderivat der allgemeinen Formel:

ist, in welcher R
1 ein einwertiger, gesättigter oder ungesättigter Kohlenwasserstoffrest mit mindestens
vier aliphatisch gebundenen C-Atomen oder ein Gemisch mehrerer solcher Kohlenwasserstoffreste
ist; R
2 eine Methylen-, Äthylen, Propylen- oder Isopropylengruppe bedeutet; und X gleich
-NH
2,-NHR
3, -NR
3R
4, -
OH oder OR ist, wobei R
3, R
4 und R
5 Methyl-, Äthyl- oder Propylreste oder Polyglycolätherreste mit bis zu fünf -O-CH
2-CH
2-Gruppen bedeuten.
2. Bad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnete daß im der Formel R1 einen Kohlenwasserstoffrest oder ein Gemisch mehrerer Kohlenwasserstoffreste mit
bis zu 20 aliphatisch gebundenen C-Atomen bedeutet.
3. Bad nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Formel R1 Alkyl-, Alkenyl-, Alkaryl-, Aralkyl- oder Aralkenylreste sind.
4. Bad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der
Formel die Rest R1 Chlor, Brom oder Jod als Substituenten tragen.
5. Bad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Formel
R1 ein Gemisch von aliphatischen, gesättigten und ungesättigten Kohlenwasserstoffresten
mit 8 bis 18 C-Atomen, insbesondere mit 16 bis 18 C-Atomen (Talgreste) ist, R2 eine Äthylengruppe bedeutet und X eine primäre Aminogruppe ist.
6. Bad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Formel
R ein Heptadecenylrest, R2 eine Äthylengruppe und X eine HO-Gruppe ist.
7. Bad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als
Suspensions-Hilfsstabilisator einen Gehalt an Natriumlaurylsulfat aufweist.
8. Bad nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
es als Basiselektrolyt
300 - 650 ml Nickelsulfamatlösung (einer Konzentration von 550 - 700 g festen Sulfamats
(NH2SO3)2Ni je Liter)
5 - 35 g Nickelchlorid, NiCl2 · 6H20 und 25 - 45 g Borsäure, H3BO3 je Liter entionisierten Wassers aufweist.
9. Bad nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
es als Basiselektrolyt
400 - 500 g Kobaltsulfat CoSO4 - 7H20 10 - 30 g Natriumchlorid, NaCl und 20 - 40 g Borsäure, H3BO3 je Liter Wasser aufweist.
10. Bad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es als
disperse Phase Partikel aus Metall-Carbiden, Oxiden, Boriden, Siliciden, Sulfiden,
Nitriden, Sulfaten, Kunststoffen, Hartstoffen aufweist, vorzugsweise SiC, TiC, Al2O3, TiO2, Diamant, Glimmer, Graphit, Bornitrid, Polytetraflouräthylen oder ein Gemisch zweier
oder mehrerer dieser Substanzen aufweist.
11. Bad nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelgröße etwa 0,3 bis
15 µm, insbesondere 0,4 bis 10 µm beträgt.
12. Bad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen
pH-Wert von etwa 3,5 - 5 aufweist.