DE102007002111A1

DE102007002111A1 - Beschichtungsbad zum Beschichten eines Bauteils, beschichtetes Bauteil sowie Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102007002111A1
Application number: DE102007002111A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ludt; Werner Handl
Original assignee: Futurecarbon GmbH
Current assignee: Futurecarbon GmbH
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2008-07-17

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschichtungsbad zum Beschichten eines Bauteils, ein zumindest bereichsweise beschichtetes Bauteil, ein Verfahren zur Herstellung einer Dispersion für ein Beschichtungsbad, ein Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsbades sowie ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils. Die Beschichtung des Bauteils erfolgt in dem Beschichtungsbad, das eine erste Flüssigkeitskomponente mit wenigstens einem ersten - vorzugsweise metallhaltigen - Beschichtungsmaterial aufweist. Das Beschichtungsbad weist weiterhin eine zweite Flüssigkeitskomponente in Form einer Dispersion auf, die eine Dispergierflüssigkeit und wenigstens einen Feststoff in Form eines Kohlenstoffmaterials oder eines kohlenstoffhaltigen Material aufweist. Die Dispersion ist mit der ersten Flüssigkeitskomponente vermischt und besteht insbesondere aus stabilisierten kleinen Schichtpaketen, welche mit den Metallionen der ersten Flüssigkeitskomponente transportiert und eingelagert werden können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Beschichtungsbad zum Beschichten eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein zumindest bereichsweise beschichtetes Bauteil. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Dispersion für ein Beschichtungsbad gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 17, ein Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsbades gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 21 sowie ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 25. Schließlich betrifft die Erfindung auch einige besondere Verwendungen.
Insbesondere ist die Erfindung auf metallhaltige Bäder wie chemische und/oder galvanische Nickel-, Chrom-, Gold-, Silber-, Zinnbäder oder dergleichen gerichtet.
Galvanisch oder chemisch abgeschiedene Metallschichten werden üblicherweise als Verschleiß- oder Korrosionsschutz, in der Regel auf metallischen Werkstoffen abgeschieden. Besonders vorteilhaft ist das chemische Abscheideverfahren, da zur Abscheidung kein elektrischer Strom benötigt wird. Dadurch erhält man beim chemischen Verfahren konturentreue Beschichtungen, deren Schichtdicke bei einer Toleranz von ± 2 μm bis ± 3 μm typischerweise im Bereich von 8 μm bis 80 μm liegen kann. Ab 50 μm können jedoch Spannungen in den Schichten auftreten.
Die Einlagerung von Kohlenstoffpartikeln, insbesondere Graphitpartikeln in metallische Schichten eröffnet werkstoffwissenschaftlich völlig neue Wege. So lassen sich beispielsweise die Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit erheblich verbessern. Letztere Eigenschaft beruht auch darauf, dass Graphit ein völlig inertes Material ist und weder von Säuren, Laugen, Salzen oder Lösemitteln angegriffen wird. Auch die tribologischen Eigenschaften können fundmental verändert werden. Hinzu kommen bedeutsame Veränderungen in der Benetzbarkeit von Metallschichten, wie sich bei graphithaltigen Chromschichten im Motorenbau gezeigt hat. Hier konnte die Oberflächenspannung geschliffener graphithaltiger Chromschichten gegenüber Öl so verändert werden, das es zu keinem Schmierfilmabriss mehr kommt.
Es wurden zahlreiche Verfahren vorgeschlagen um Kohlenstoffpartikel, insbesondere Graphitpartikel in metallische Schichten einzulagern. In der WO 86/06419 A wird beispielsweise vorgeschlagen, in eine galvanische Metallabscheidung Graphit einzulagern. Die Anwesenheit eines speziellen oberflächenaktiven, kationischen Tensides soll die Oberfläche des Graphits überziehen und dabei elektrochemisch aktiv werden. In einigen Beispielen wird sogar zusätzlich Graphitfluorid vorgeschlagen. Da nach dieser bekannten Lehre die Struktur der Graphitteilchen nicht verändert wurde, können die Teilchen keine gezielten Wanderungen vollziehen und werden mehr oder weniger zufällig als „Verunreinigungen" eingelagert. Das vorgeschlagene Tensid kann aufgrund fehlender Affinität zur Graphitoberfläche den Teilchen keine transportfähige Ladung geben.
Die DE 101 20 847 A beschreibt die galvanische Abscheidung einer Dispersionsschicht, bei der unter anderem auch Graphit beziehungsweise oberflächenmodifizierter Graphit abgeschieden werden soll. Wie die Oberflächenmodifikation aussehen soll, wird in dieser Druckschrift nicht offenbart. Tatsache ist, dass die Abscheidung in den Oberflächenporen des Werkstückes erfolgt. Dazu ist es nötig, das Werkstück vorher aufzurauen, so dass sich vorbeibewegende Teilchen in der vorpräparierten Oberfläche verfangen. Von einer gezielten beziehungsweise gesteuerten Einlagerung kann somit keine Rede sein.
Die Abscheidung von PTFE und Graphit ist beispielsweise in EP 0 737 759 A beschrieben. Auch bei dieser bekannten Lehre ist es nicht gelungen, Graphit einzulagern sondern allenfalls fluorierten Graphit. Fluorierter Graphit hat jedoch nachweislich andere Eigenschaften als Graphit. Zudem ist fluorierter Graphit extrem teuer und schwer herzustellen. Das nach dieser Lehre vorgeschlagene Verfahren stellt somit auch wirtschaftlich kein brauchbares Einlagerungsverfahren dar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Beschichtungsschicht mit gezielt eingelagerten Kohlenstoffteilchen, welche insbesondere sowohl chemisch als auch galvanisch abgeschieden werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Beschichtungsbad mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, das beschichtete Bauteil mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 7, das Verfahren zur Herstellung einer Dispersion für ein Beschichtungsbad mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 17, das Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsbades mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 21, das Verfahren zum Beschichten eines Bauteils mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 25 sowie die besonderen Verwendungen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 26 und 27. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Beispielen. Vorteile. Merkmale und Details, die in Bezug auf einen der Erfindungsaspekte beschrieben sind, gelten dabei jeweils auch in Bezug auf die jeweils anderen Erfindungsaspekte, so dass diesbezüglich wechselseitig Bezug genommen wird.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Beschichtungsbad zum Beschichten eines Bauteils, welches ein Substrat aufweist, bereitgestellt, wobei das Beschichtungsbad eine erste Flüssigkeitskomponente mit wenigstens einem ersten Beschichtungsmaterial aufweist. Das Beschichtungsbad ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsbad weiterhin eine zweite Flüssigkeitskomponente aufweist, die mit der ersten Flüssigkeitskomponente vermischt ist, und dass die zweite Flüssigkeitskomponente als Dispersion ausgebildet ist, die eine Dispergierflüssigkeit und wenigstens einen Feststoff in Form eines Kohlenstoffmaterials oder eines kohlenstoffhaltigen Materials aufweist.
Das erfindungsgemäße Beschichtungsbad weist zunächst eine erste Flüssigkeitskomponente auf, die wenigstens ein erstes Beschichtungsmaterial aufweist. Bei dem Beschichtungsmaterial handelt es sich um dasjenige Material, mit welchem ein Substrat eines Bauteils in erster Linie beschichtet werden soll. Die vorliegende Erfindung ist diesbezüglich nicht auf bestimmte Materialien beschränkt. Einige vorteilhafte, allerdings nicht ausschließliche Beispiele werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Weiterhin weist das Beschichtungsbad eine zweite Flüssigkeitskomponente auf, die mit der ersten Flüssigkeitskomponente vermischt ist. Die zweite Flüssigkeitskomponente ist als Dispersion ausgebildet. Dispersionen sind bereits in unterschiedlichsten Zusammensetzungen und für unterschiedlichste Anwendungsgebiete bekannt. Dispersionen bestehen in der Regel aus wenigstens einer Dispergierflüssigkeit sowie wenigstens einem Feststoff, der in der Dispergierflüssigkeit verteilt ist. Je nach Behandlung der Dispersion kann diese nach Fertigstellung beispielsweise eine flüssige oder pasteuse Konsistenz aufweisen. Bei einer Dispersion im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich generell um eine möglichst feine und vollständige Verteilung wenigstens eines Stoffs in einem anderen Stoff, wobei aber keine echte Lösung entsteht. Bei der Dispersion gemäß der vorliegenden Erfindung ist wenigstens ein Feststoff in einer Flüssigkeit dispergiert, wobei der Feststoff homogen in der Flüssigkeit verteilt ist und dort stabil verteilt bleibt.
Erfindungsgemäß ist der Feststoff der Dispersion als Kohlenstoffmaterial oder als kohlenstoffhaltiges Material ausgebildet. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Materialien beschränkt. Beispielsweise können unter Kohlenstoffen die allotropen Formen des Kohlenstoffs verstanden werden. Darunter fallen beispielsweise Graphit, Diamant, Fullerene und Nanotubes sowie amorphe Formen des Kohlenstoffs. Im weiteren Verlauf der Beschreibung werden hierzu noch weitere Materialmöglichkeiten beschrieben.
Vorteilhaft kann das Beschichtungsbad ein Metallbad sein, wobei dann die erste Flüssigkeitskomponente metallhaltig ist. So kann etwa vorgesehen sein, dass das Beschichtungsbad in Form unterschiedlichster Elektrolytbäder, insbesondere als Chrombad, chemisches Nickelbad, galvanisches Nickelbad, chemisches und galvanisches Goldbad, Zink- und Zink-Eisen-, Zinn-, chemisches Nickel-Silber, chemisches Nickel-Gold-, sowie chemisches Nickel-Gold-Bor und chemisches Nickel-Silber-Borbad ausgebildet ist. Dabei ist die Erfindung natürlich nicht auf die genannten Beispiele beschränkt.
Bezüglich der zu verwendenden Dispergierflüssigkeit ist die Erfindung nicht auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschränkt. Die erfindungsgemäß verwendete Dispergierflüssigkeit kann eine wässrige und/oder eine nicht-wässrige Basis aufweisen, wobei insbesondere auch Kombinationen daraus zulässig sind.
Vorteilhaft ist die als Dispersion ausgebildete zweite Flüssigkeitskomponente eine Dispergierflüssigkeit mit einer wässrigen Basis.
Die Dispersion weist wenigstens einen Feststoff auf, wobei natürlich auch mehr als ein Feststoff vorhanden sein kann. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Stoffarten oder Stoffzusammensetzungen beschränkt. Hierzu werden im weiteren Verlauf einige vorteilhafte Beispiele beschrieben, ohne dass die Erfindung auf die genannten Beispiele beschränkt wäre. Beispielsweise kann der wenigstens eine Feststoff aus Graphit und/oder aus Kohlenstoffnanomaterial und/oder aus Kohlenstoffmikromaterial und/oder aus Koks und/oder aus porösem Kohlenstoff und/oder aus Diamant gebildet sein, wobei die einzelnen Materialien entweder jeweils einzeln, oder aber auch in jeder beliebigen Kombination verwendet werden können.
Vorzugsweise kann der Feststoff der als Dispersion ausgebildeten zweiten Flüssigkeitskomponente als delaminiertes Kohlenstoffmaterial oder als delaminiertes kohlenstoffhaltiges Material ausgebildet sein. Insbesondere kann der Feststoff der als Dispersion ausgebildeten zweiten Flüssigkeitskomponente als Graphit und/oder Fulleren und/oder Diamant und/oder Kohlenstoffmikromaterial und/oder Kohlenstoffnanomaterial ausgebildet sein.
Die verwendeten Graphite können beispielsweise Naturgraphite, künstlich hergestellte Graphite und ihre Vorläufer, und dergleichen sein.
Die Kohlenstoff-Nanomaterialien können beispielsweise aus Kohlenstoffnanoröhrchen (einschalige und mehrschalige), Kohlenstoffnanofasern (fischgräten-, blättchen-, schraubenartige), Nanohorns, Nanocones und dergleichen bestehen. Kohlenstoffnanoröhrchen werden international auch als Carbon Nanotubes, (single-walled und multi-walled), Kohlenstoffnanofasern als Carbon Nanofibers (herringbone, platelet-, screw-Typ) bezeichnet.
Als Kokse können beispielsweise calcinierte, teilgraphitierte oder graphitierte Kokse verwendet werden. Die Kokse können aus entgaster Steinkohle oder aus Petrolkoks stammen.
Es können auch Kombinationen aus den vorgenannten Materialien eingesetzt werden.
Vorteilhaft kann schließlich auch vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Feststoff homogen und stabil in der Dispergierflüssigkeit verteilt ist. Insbesondere durch die Prozessbedingungen wie beispielsweise Druck, Temperatur, Scherkräfte und dergleichen bei der Herstellung dieser Dispersionen lassen sich sehr homogene Dispersionen aus den genannten Materialien herstellen.
Besonders vorteilhaft handelt es sich bei dem Kohlenstoffmaterial jedoch um Graphit. Im weiteren Verlauf wird die Erfindung daher verschiedentlich im Zusammenhang mit Graphit erläutert, ohne dass die Erfindung deshalb in dieser Richtung eingeschränkt wäre.
Vorteilhaft handelt es sich bei den speziell vorbehandelten Graphitdispersionen um stabile hochgradig delaminierte Graphite. Graphit ist die bei Zimmertemperatur thermodynamisch stabile Modifikation des Kohlenstoffs. Das hexagonale Gitter des Graphits besteht aus ebenen Schichten die durch van-der-Waals-Kräfte gebunden sind. Durch Einbau von Ionen oder Molekülen in die Zwischenräume werden Graphitverbindungen, so genannte Interkalate gebildet, in denen die Schichtstruktur des Graphits weitgehend erhalten, aber aufgeweitet ist. Solche Interkalationsverbindungen sind in der Literatur beschrieben und sie reagieren bei Erwärmung zwischen 150°C und 800°C durch Thermolyse unter Aufspaltung ihrer Schichtpakete zu kleineren Schichtpaketen. Dieser Vorgang wird auch Delaminierung genannt. Die Herstellung eines derartigen Graphits ist beispielsweise in der WO 99/46437 A beschrieben.
Es wurde jedoch überraschend gefunden, dass derartige Graphite, insbesondere wenn sie zu noch kleineren Korngrößen gemahlen werden und in insbesondere wässrigen, vorteilhaft Additiv enthaltenden Dispersionen eingebracht werden, nicht nur eine hohe Stabilität gegenüber Elektrolyten zeigen, sondern auch mit den Metallionen zum Werkstück wandern und dort eingebaut werden.
Der Erfindungsgedanke, dass sich nämlich gegenüber unbehandelten Graphiten, die kleineren, delaminierten Teilchen mit weniger Schichtpaketen gleichmäßig und in vorbestimmbaren Mengen in Metallschichten einlagern lassen, wird vorteilhaft dadurch umgesetzt, dass eine stabile, wässrige Dispersion angewendet wird.
Besonders überraschend war dabei die Eignung der Graphitdispersion für die unterschiedlichsten Elektrolytbäder, insbesondere für Chrombäder, chemisch Nickelbäder, galvanische Nickelbäder, chemische und galvanische Goldbäder, Zink- und Zink-Eisen-, Zinn-, chemisch Nickel-Silber, chemisch Nickel-Gold-, sowie chemisch Nickel-Gold-Bor und chemisch Nickel-Silber-Borbäder. Die beschriebenen Bäder können zusätzlich die bekannten nanoskaligen Polymere wie PFA (Perfluoralkoxy-Polymere) und PTFE (Polytetrafluorethylen) enthalten.
Vorzugsweise kann die als Dispersion ausgebildete zweite Flüssigkeitskomponente wenigstens ein Additiv aufweisen. Nachfolgend werden mögliche Beispiele vorteilhafter Additive beschrieben, ohne dass die Erfindung auf die genannten beispiele beschränkt wäre.
Hierbei kann es sich beispielsweise um spezielle stabilisierende Additive handeln. Insbesondere können bei einem hohen Verarbeitungsdruck und bei hohen Scherkräften während der Herstellung der Dispersion spezielle Additive zur Stabilisierung der Dispersionen nötig sein. Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Materialien für Additive beschränkt. Beispielsweise können verwendet werden: Polyvinylalkohole, Polyvinylpyrrolidone, Ligninsulfonate, Polysaccharide, wie etwa Alginate, Xanthane, Dextrine, Stärkederivate, Celluloseether, und dergleichen.
Die Herstellung stabiler, wässriger Graphitdispersionen kann beispielsweise durch die Kombination delaminierter Graphite mit sterisch wirksamen Stabilisierungsmitteln gekennzeichnet sein.
Es ist bekannt, dass Graphit kein, beziehungsweise ein außerordentlich geringes Zetapotential hat. Deshalb sind elektrochemisch wirksame Stabilisierungsmittel nur dann geeignet, wenn sie auch eine sterische Abschirmung der einzelnen Partikel ermöglichen. Besonders geeignete Substanzen sind wasserlösliche PO-EO-Blockpolymere. Solche Substanzen umhüllen die Graphitpartikel und verhindern durch die sterische Stabilisierung die gegenseitige Annäherung der Partikel und somit die Agglomeratbildung. Gleichzeitig wird die Oberflächenspannung wirksam gesenkt. PO-EO-Blockpolymere lagern sich an de Oberfläche und wirken als Abstandshalter „Spacer". In Verbindung mit den delaminierten Graphitteilchen werden somit stabile und mit den Metallionen wandernde Graphitteilchen geschaffen.
PO-EO-Blockpolymere enthaltende Graphitdispersionen zeigten sich auch in starken Elektrolytkonzentrationen, bei niedrigen pH-Werten und bei hohen Temperaturen über lange Zeit stabil. Auch reduktive oder oxidative Vorgänge sowie zum Teil unterschiedliche Stromdichten waren ohne Einfluss auf die Stabilität.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Bauteil, aufweisend ein Substrat, bereitgestellt, das zumindest bereichsweise mit einer Beschichtungsschicht beschichtet ist, wobei die Beschichtungsschicht eine erste Komponente aus wenigstens einem ersten Beschichtungsmaterial und eine zweite Komponente aus im ersten Beschichtungsmaterial gleichmäßig eingelagertem Kohlenstoffmaterial oder kohlenstoffhaltigem Material aufweist.
Die Beschichtungsschicht kann durch Verwendung eines wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Beschichtungsbades erzeugt werden, so dass auf die entsprechenden Ausführungen vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen wird. Die Beschichtung kann beispielsweise erfolgen, indem das zu beschichtende Bauteil in ein entsprechendes Beschichtungsbad eingebracht wird. Wie dies im einzelnen geschehen kann, wird im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren weiter unten näher erläutert.
Vorteilhaft kann das Substrat aus Metall und/oder aus -insbesondere leitfähigem – Kunststoff und/oder aus – insbesondere leitfähiger – Keramik gebildet sein.
Vorzugsweise weist die erste Komponente ein metallhaltiges Beschichtungsmaterial auf. Die zweite Komponente kann beispielsweise einen Feststoff in Form eines delaminierten Kohlenstoffmaterials oder eines delaminierten kohlenstoffhaltigen Materials aufweisen. Besonders vorteilhaft kann die zweite Komponente einen Feststoff in Form von Graphit und/oder Fulleren und/oder Diamant und/oder Kohlenstoffmikromaterial und/oder Kohlenstoffnanomaterial aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die erste Komponente ein metallhaltiges Beschichtungsmaterial aufweisen. Die zweite Komponente weist in diesem Fall delaminierten Graphit auf, und die durchschnittliche Teilchengröße d50 des Graphits beträgt kleiner 3 μm, vorzugsweise kleiner/gleich 1 μm.
Vorteilhaft können die Partikel des Kohlenstoffmaterials oder des kohlenstoffhaltigen Materials der zweiten Komponente von einem – insbesondere wie oben bereits beschriebenen – Additiv umgeben sein.
Vorzugsweise können zumindest Bestandteile der ersten Komponente und der zweiten Komponente der Beschichtungsschicht im Substrat eingelagert sein.
Vorteilhaft kann die Beschichtungsschicht eine Dicke von 2 μm bis 100 μm aufweisen.
Eine wie vorstehend beschriebene Beschichtungsschicht kann die unterschiedlichsten Funktionen und Aufgaben übernehmen. Beispielsweise ist denkbar, dass die Beschichtungsschicht als Verschleißschutz für das Bauteil und/oder als Korrosionsschutz für das Bauteil und/oder zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Oberfläche des Bauteils und/oder zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften des Bauteils sowie auch zur Verbesserung der dekorativen Eigenschaften des Bauteils ausgebildet ist. Bei den tribologischen Eigenschaften handelt es sich insbesondere um Reibungs-, Schmierungs- und Verschleißeigenschaften.
Die Zugabe einer, insbesondere wenigstens ein Additiv enthaltenden, Graphitdispersion ermöglicht erstmals die gemeinsame Abscheidung verschiedener Metalle, welche bisher als nicht mischbar beziehungsweise als nicht gemeinsam abscheidbar angesehen wurden. So können nun erstmals völlig homogene und morphologisch perfekte Abscheidungen erreicht werden. Die Schichten werden somit nicht voneinander getrennt sondern gemeinsam in einer völlig neuen Oberfläche abgeschieden.
Diese neuartigen Oberflächen weichen von den bekannten Schichten deutlich ab. Es können damit erstmals Oberflächen mit höheren Härten, geringeren Reibungskoeffizienten bei bestimmten Metallpaarungen, verbesserten Korrosionsbeständigkeiten sowie veränderten Benetzungsfähigkeiten gegenüber verschiedenen Flüssigkeiten hergestellt werden.
Darüber hinaus hat sich auch gezeigt, dass die Abscheidung von besonders dünnen Schichten möglich ist, was nicht nur zu Materialeinsparungen führt, sondern auch die Abscheidezeiten reduziert. Aufgrund der hohen thermischen Leitfähigkeit der Kohlenstoffe können auch die Badtemperaturen teilweise um bis zu 10°C gesenkt werden. Die genannten Faktoren sind für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens von großer Bedeutung.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Dispersion für ein Beschichtungsbad zum Beschichten eines Substrats, bei der wenigstens ein Feststoff in einer Dispergierflüssigkeit verteilt ist, bereitgestellt. Dieses Verfahren ist durch folgende Schritte gekennzeichnet:

a) Herstellen des Feststoffs in Form eines delaminierten Kohlenstoffmaterials oder eines delaminierten kohlenstoffhaltigen Materials oder eines Kohlenstoffmikromaterials oder eines Kohlenstoffnanomaterials;
b) gleichmäßiges Einbringen des Feststoffs in die, insbesondere wässrige, Dispergierflüssigkeit.

Zu der Funktions- und Wirkungsweise des Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen ebenfalls auf die vorstehenden Ausführungen zu den zuvor beschriebenen Erfindungsaspekten vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen.
Vorteilhaft kann weiterhin wenigstens ein – wie weiter oben beschriebenes – Additiv in die Dispergierflüssigkeit eingebracht werden.
Ein Verfahren, bei dem ein Feststoff in Form eines delaminierten Kohlenstoffmaterials oder eines delaminierten kohlenstoffhaltigen Materials hergestellt wird, ist vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Partikel des Feststoffs bei Herstellung der Dispersion einem weiteren Reduzierungs- und/oder Delaminierungsschritt unterzogen wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Dispersion druckbeaufschlagt homogenisiert wird.
Nachfolgend wird anhand eines konkreten Beispiels die Herstellung einer Graphitdispersion beschrieben, welche sich besonders vorteilhaft für den Einsatz in galvanischen oder chemischen Metallbädern eignet.
200 g eines expandierten, gemahlenen Graphits mit einer durchschnittlichen Teilchengröße d50 von 3 μm, wie er beispielsweise gemäß der WO 99/46437 A erhalten werden kann, wird in 800 g entmineralisiertem Wasser, in dem vorher 5,00 g eines PO-EO-Blockpolymers gelöst wurden, eingerührt. Diese Graphitdispersion wird nun mittels eines Hochdruckhomogenisators (3 Passagen bei 1000 bar) zu einer stabilen Graphitdispersion verarbeitet. Bei der Passage durch den Hochdruckhomogenisator wird die Korngröße des Graphits von d50 3 μm auf < 1 μm reduziert und auch noch weiter delaminiert. Die resultierende Dispersion besteht nun aus stabilisierten kleinen Schichtpaketen, welche mit den Metallionen transportiert und eingelagert werden können.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsbades zum Beschichten eines Substrats, insbesondere zur Herstellung eines wie weiter oben beschriebenen erfindungsgemäßen Beschichtungsbades, bereitgestellt, welches durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:

a) Herstellen einer Dispersion in der wie weiter obern beschriebenen Weise;
b) Vermischen der Dispersion mit einer ersten Flüssigkeitskomponente, die wenigstens ein erstes Beschichtungsmaterial, insbesondere ein metallisches Beschichtungsmaterial, aufweist.

Zu der Funktions- und Wirkungsweise des Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen ebenfalls auf die vorstehenden Ausführungen zu den zuvor beschriebenen Erfindungsaspekten vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen.
Zur Erzielung guter Ergebnisse kann vorgesehen sein, dass das Beschichtungsbad auf eine vorgegebene Arbeitstemperatur erhitzt wird.
In weiterer Ausgestaltung kann beispielsweise auch vorgesehen sein, dass an das Beschichtungsbad eine elektrische Spannung angelegt wird.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass die Dispersion der ersten Flüssigkeitskomponente im Anteil von 1 bis 50 Gramm pro Liter (bezogen auf den Feststoff) zugesetzt wird. Beispielsweise kann einem Metallionen enthaltenen Bad eine speziell vorbehandelte Graphitdispersion im Bereich von 1 bis 50 g/l (bezogen auf den Feststoff) zugesetzt werden.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils, welches ein Substrat aufweist, bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Substrat für einen vorgegebenen Zeitraum in ein wie weiter oben beschriebenes erfindungsgemäßes Beschichtungsbad eingebracht wird.
Zu der Funktions- und Wirkungsweise des Verfahrens wird zur Vermeidung von Wiederholungen ebenfalls auf die vorstehenden Ausführungen zu den zuvor beschriebenen Erfindungsaspekten vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen.
Erfindungsgemäß kann ein wie weiter oben beschriebenes erfindungsgemäßes Beschichtungsbad als Elektrolytbad, insbesondere als chemisches und/oder galvanisches metallhaltiges Bad, verwendet werden. In anderer Ausgestaltung kann ein wie weiter oben beschriebenes erfindungsgemäßes Beschichtungsbad oder ein wie weiter oben beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen eines Verschleißschutzes für ein Bauteil und/oder eines Korrosionsschutzes für ein Bauteil und/oder zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Oberfläche eines Bauteils und/oder zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften eines Bauteils verwendet werden. In diesem Zusammenhang wird zur Vermeidung von Wiederholungen ebenfalls auf die vorstehenden Ausführungen zu den zuvor beschriebenen Erfindungsaspekten vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen.
Verchromungen von Gegenständen sind weit verbreitet. Diese weisen jedoch häufig Risse auf, so dass ein darunter liegendes Substrat effektiv vor Korrosion geschützt werden muss. Dies ist besonders in der Papierindustrie erforderlich, insbesondere bei den dort verwendeten Druckwalzen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Beschichtungsschicht, beispielsweise einer entsprechenden Nickelschicht, auf einem geeigneten Substrat ist es nunmehr möglich, darauf aufgebrachte Chromschichten in ihren Eigenschaften zu verbessern, da die darunter liegenden Substrate vor Korrosion geschützt werden können.
Die Erfindung wird nun anhand einiger Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1
Bei dem ersten Beispiel handelt es sich um die chemische, stromlose Abscheidung einer kohlenstoffhaltigen Nickelschicht auf einem Substrat. 2,5 l eines handelsüblichen Nickel-Phosphor-Elektrolyten (zum Beispiel Enigma 1613 von Dr. M. Kampschulte GmbH & Co KG; empfohlener pH Wert zwischen 4,2 und 4,8; Nickelgehalt von etwa 5,5 g/l; Reduktorgehalt von etwa 40 g/l) wurden mit 0,025 l einer wässrigen 20 Gew.%igen Graphitdispersion versetzt, umgewälzt und gerührt. Das Bad wurde dann auf etwa 82°C gebracht. Der pH-Wert wurde bei etwa 4,8–5,0 eingestellt und die Abscheidung begann. In etwa einer Stunde wurden so 10 μm auf einem Stahlblech abgeschieden. Es resultierte damit eine chemische Nickel-Phosphor-Graphit-Schicht mit einem Gehalt von etwa 12 Gew.% Graphit, 76 Gew.% Nickel und etwa 12 Gew.% Phosphor.
Das beschichtete Stahlblech mit der 10 μm dicken Nickel-Phosphor-Graphit-Schicht wurde 16 h einer 0,5 M Schwefelsäure ausgesetzt. Die Schicht zeigte keine Korrosion.
Beispiel 2
3,0 l eines handelsüblichen Chromelektrolyten (zum Beispiel Dekachrom 195 MR, Dr. Kampschulte GmbH) mit einem Chromsäuregehalt von 19 g/l wurden mit 0,1 l einer wässrigen 20 Gew.%igen Graphitdispersion versetzt und umgewälzt. Das Bad wurde dann auf 45°C gebracht und mit einer Stromdichte von 20 A/dm² auf ein Stahlblech abgeschieden. Nach etwa 30 Minuten waren etwa 15 μm abgeschieden. Die eingelagerte Graphitmenge betrug 18 Gew.%.
Mir dem beschichteten Stahlblech mit der 15 μm dicken graphithaltigen Chromschicht wurde der Gleitreibungskoeffizient einer gleichen Metallpaarung Chrom/Chrom mit 0,28 bestimmt. Die Vergleichsbestimmung mit herkömmlichen Chromschichten ergab einen Gleitreibungskoeffizienten von 0,43.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Beschichtungsbad zum Beschichten eines Bauteils, ein zumindest bereichsweise beschichtetes Bauteil, ein Verfahren zur Herstellung einer Dispersion für ein Beschichtungsbad, ein Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsbades sowie ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils. Die Beschichtung des Bauteils erfolgt in dem Beschichtungsbad, das eine erste Flüssigkeitskomponente mit wenigstens einem ersten – vorzugsweise metallhaltigen – Beschichtungsmaterial aufweist. Das Beschichtungsbad weist weiterhin eine zweite Flüssigkeitskomponente in Form einer Dispersion auf, die eine Dispergierflüssigkeit und wenigstens einen Feststoff in Form eines Kohlenstoffmaterials oder eines kohlenstoffhaltigen Materials aufweist. Die Dispersion ist mit der ersten Flüssigkeitskomponente vermischt und besteht insbesondere aus stabilisierten kleinen Schichtpaketen, welche mit den Metallionen der ersten Flüssigkeitskomponente transportiert und eingelagert werden können. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere metallhaltige Bäder wie chemische und/oder galvanische Nickel-, Chrom-, Gold-, Silber-, oder Zinnbäder enthaltend Mikro- beziehungsweise Nanokohlenstoff, ein Verfahren zu Herstellung einer chemischen oder galvanischen Metallschicht enthaltend Kohlenstoff, die so entstandene Metallschicht sowie deren Verwendung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 86/06419 A [0005]
- DE 10120847 A [0006]
- EP 0737759 A [0007]
- WO 99/46437 A [0025, 0052]

Claims

Beschichtungsbad zum Beschichten eines Bauteils, welches ein Substrat aufweist, wobei das Beschichtungsbad eine erste Flüssigkeitskomponente mit wenigstens einem ersten Beschichtungsmaterial aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsbad weiterhin eine zweite Flüssigkeitskomponente aufweist, die mit der ersten Flüssigkeitskomponente vermischt ist, und dass die zweite Flüssigkeitskomponente als Dispersion ausgebildet ist, die eine Dispergierflüssigkeit und wenigstens einen Feststoff in Form eines Kohlenstoffmaterials oder eines kohlenstoffhaltigen Materials aufweist.
Beschichtungsbad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsbad ein Metallbad ist und dass die erste Flüssigkeitskomponente metallhaltig ist.
Beschichtungsbad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Dispersion ausgebildete zweite Flüssigkeitskomponente eine Dispergierflüssigkeit mit einer wässrigen Basis aufweist.
Beschichtungsbad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff der als Dispersion ausgebildeten zweiten Flüssigkeitskomponente als delaminiertes Kohlenstoffmaterial oder als delaminiertes kohlenstoffhaltiges Material ausgebildet ist.
Beschichtungsbad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff der als Dispersion ausgebildeten zweiten Flüssigkeitskomponente als Graphit und/oder Fulleren und/oder Diamant und/oder Kohlenstoffmikromaterial und/oder Kohlenstoffnanomaterial ausgebildet ist.
Beschichtungsbad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die als Dispersion ausgebildete zweite Flüssigkeitskomponente wenigstens ein Additiv aufweist.
Bauteil, aufweisend ein Substrat, das zumindest bereichsweise mit einer Beschichtungsschicht beschichtet ist, wobei die Beschichtungsschicht eine erste Komponente aus wenigstens einem ersten Beschichtungsmaterial und eine zweite Komponente aus im ersten Beschichtungsmaterial gleichmäßig eingelagertem Kohlenstoffmaterial oder kohlenstoffhaltigem Material aufweist.
Beschichtetes Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Metall und/oder aus Kunststoff und/oder aus Keramik gebildet ist.
Beschichtetes Bauteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente ein metallhaltiges Beschichtungsmaterial aufweist.
Beschichtetes Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente einen Feststoff in Form eines delaminierten Kohlenstoffmaterials oder eines delaminierten kohlenstoffhaltigen Materials aufweist.
Beschichtetes Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Komponente einen Feststoff in Form von Graphit und/oder Fulleren und/oder Diamant und/oder Kohlenstoffmikromaterial und/oder Kohlenstoffnanomaterial aufweist.
Beschichtetes Bauteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Komponente ein metallhaltiges Beschichtungsmaterial aufweist, dass die zweite Komponente delaminierten Graphit aufweist und dass die durchschnittliche Teilchengröße d50 des Graphits kleiner 3 μm, vorzugsweise kleiner/gleich 1 μm beträgt.
Beschichtetes Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel des Kohlenstoffmaterials oder des kohlenstoffhaltigen Materials der zweiten Komponente von einem Additiv umgeben sind.
Beschichtetes Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Bestandteile der ersten Komponente und der zweiten Komponente der Beschichtungsschicht im Substrat eingelagert sind.
Beschichtetes Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsschicht eine Dicke von 2 μm bis 100 μm aufweist.
Beschichtetes Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsschicht als Verschleißschutz für das Bauteil und/oder als Korrosionsschutz für das Bauteil und/oder zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Oberfläche des Bauteils und/oder zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften des Bauteils und/oder zur Verbesserung der dekorativen Eigenschaften des Bauteils ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Dispersion für ein Beschichtungsbad zum Beschichten eines Substrats, bei der wenigstens ein Feststoff in einer Dispergierflüssigkeit verteilt ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Herstellen des Feststoffs in Form eines delaminierten Kohlenstoffmaterials oder eines delaminierten kohlenstoffhaltigen Materials oder eines Kohlenstoffmikromaterials oder eines Kohlenstoffnanomaterials; b) gleichmäßiges Einbringen des Feststoffs in die, insbesondere wässrige, Dispergierflüssigkeit.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin wenigstens ein Additiv in die Dispergierflüssigkeit eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem ein Feststoff in Form eines delaminierten Kohlenstoffmaterials oder eines delaminierten kohlenstoffhaltigen Materials hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Partikel des Feststoffs bei Herstellung der Dispersion einem weiteren Reduzierungs- und/oder Delaminierungsschritt unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion druckbeaufschlagt homogenisiert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Beschichtungsbades zum Beschichten eines Substrats, insbesondere zur Herstellung eines Beschichtungsbades nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Herstellen einer Dispersion gemäß einem der Ansprüche 17 bis 20; b) Vermischen der Dispersion mit einer ersten Flüssigkeitskomponente, die wenigstens ein erstes Beschichtungsmaterial, insbesondere ein metallisches Beschichtungsmaterial, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsbad auf eine vorgegebene Arbeitstemperatur erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass an das Beschichtungsbad eine elektrische Spannung angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Dispersion der ersten Flüssigkeitskomponente im Anteil von 1 bis 50 Gramm pro Liter, bezogen auf Feststoff, zugesetzt wird.
Verfahren zum Beschichten eines Bauteils, welches ein Substrat aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat für einen vorgegebenen Zeitraum in ein Beschichtungsbad gemäß einem der Ansprüche 21 bis 24 eingebracht wird.
Verwendung eines Beschichtungsbades gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 als Elektrolytbad, insbesondere als chemisches und/oder galvanisches metallhaltiges Bad.
Verwendung eines Beschichtungsbades nach einem der Ansprüche 1 bis 6, oder eines Verfahrens nach einem Ansprüche 17 bis 25 zum Erzeugen eines Verschleißschutzes für ein Bauteil und/oder eines Korrosionsschutzes für ein Bauteil und/oder zur Verbesserung der Benetzbarkeit der Oberfläche eines Bauteils und/oder zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften eines Bauteils und/oder zur Verbesserung der dekorativen Eigenschaften eines Bauteils.