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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zum Ausbilden von Beschichtungen von reinen Metallen, Metalllegierungen
oder Metallmatrix-Kompositen auf einem Werkstück, welches elektrisch leitfähig ist
oder eine elektrisch leitfähige
Oberflächenschicht
enthält,
oder Ausbilden von freistehenden Auflagen von nanokristallinen Metallen,
Metalllegierungen oder Metallmatrix-Kompositen durch Verwendung
von Puls-Elektroablagerung. Das Verfahren verwendet ein Trommel-Plattierungsverfahren
für die
kontinuierliche Herstellung von nanokristallinen Folien von reinen
Metallen, Metalllegierungen oder Metallmatrix-Kompositen oder ein
selektives Plattierungs-(Bürstenplattierungs)-Verfahren,
wobei die Verfahren Puls-Elektroablagerung und eine nicht stationäre Anode
oder Kathode einbeziehen. Neue nanokristalline Metallmatrix-Komposite
sind ebenfalls offenbart. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein
Puls-Plattierungsverfahren für
die Herstellung oder Beschichtung von Mikrokomponenten. Die Erfindung
bezieht sich auch auf Mikrokomponenten mit Korngrößen unter
1000 nm.
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Das neue Verfahren kann angewandt
werden, um verschleißresistente
Auflagen und Folien von reinen Metallen oder Legierungen von Metallen,
ausgewählt
aus der Gruppe von Ag, Au, Cu, Co, Cr, Ni, Fe, Pb, Pd, Pt, Rh, Ru,
Sn, V, W und Zn und anderen legierenden Elementen, ausgewählt aus
C, P, S und Si, und Metallmatrix-Komposite reiner Metalle oder Legierungen
mit Partikelzusätzen
herzustellen, wie etwa Metallpulvern, Metalllegierungspulvern und
Metalloxidpulvern von Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn;
Nitriden von Al, B und Si; C (Graphit oder Diamant); Carbide von
B, Cr, Bi, Si, W; und organische Materialien wie PTFE und Polymerkugeln.
Das selektive Plattierverfahren ist besonders geeignet für in-situ
oder Außenanwendungen,
wie etwa die Reparatur oder Aufbereitung von Düsen und Formen, Turbinenschaufeln,
Dampferzeugungsröhren, Reaktorkernkopf-Durchbrechungen
von Kernkraftwerken und dergleichen. Der kontinuierliche Plattierungsprozess
ist besonders geeignet zur Herstellung nanokristalliner Folien,
z.B. für
magnetische Anwendungen. Das Verfahren kann auf hochfeste, gleichachsige
Mikrokomponenten zur Verwendung in der Elektronik, Biomedizin, Telekommunikation,
im Automobilbereich, Weltraum und in Verbraucheranwendungen angewandt
werden.
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Beschreibung des Standes
der Technik/Hintergrund der Erfindung
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Nanokristalline Materialien, auf
welche auch als ultrafein gekörnte
Materialien Bezug genommen wird, Nanophasenmaterialien oder Nanometer-große Materialien,
welche Durchschnittskorngrößen kleiner
oder gleich 100 nm zeigen, werden durch eine Anzahl von bekannten
Verfahren hergestellt, einschließlich Sputtern, Laserabtragung,
Inertgas-Kondensation, Hochenergie-Kugelfräsen, Sol-Gel-Ablagerung und Elektroablagerung.
Elektroablagerung bietet die Fähigkeit,
eine große
Anzahl an hochdichten Metallen und Metalllegierungs-Zusammensetzungen
bei hohen Herstellungsraten und niedrigen Kapitalinvestitionsanforderungen
in einem einzelnen Syntheseschritt herzustellen.
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Der Stand der Technik beschreibt
primär
die Verwendung von Puls-Elektroablagerung
zur Herstellung nanokristalliner Materialien.
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Erb beschreibt in
US 5 352 266 (1994) und in
US 5 433 797 (1995) ein
Verfahren zur Herstellung nanokristalliner Materialien, insbesondere
von nanokristallinem Nickel. Das nanokristalline Material wird auf
einer Kathode in einer wässrigen
sauren elektrolytischen Zelle elektrodisch abgeschieden durch Aufbringung
eines gepulsten Gleichstroms. Die Zelle enthält optional auch spannungssenkende
Mittel. Die Produkte der Erfindung schließen abriebsresistente Schichten,
magnetische Materialien und Katalysatoren für Wasserstoffbildung ein.
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Mori beschreibt in
US 5 496 463 (1996) ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Komposit-Elektroplattierung eines metallischen
Materials, welches SiC, BN, Si
3N
4, WC, TiC, TiO
2,
Al
2O
3, ZnB
3, Diamant, CrC, MoS
2, Färbematerialien,
Polytetrafluorethylen (PTFE) und Mikrokapseln enthält. Die
festen Partikel werden in feiner Form in den Elektrolyten eingeführt.
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Adler beschreibt in
US 4 240 894 (1980) einen Trommelplattierer
für eine
elektroabgeschiedene Cu-Folienherstellung. Cu wird auf eine rotierende
Metalltrommel plattiert, welche teilweise eingetaucht ist und sich
dreht in einer Kupferplattierlösung.
Die Kupferfolie wird von der Trommeloberfläche, welche aus dem Elektrolyt
auftaucht, abgezogen, welche mit elektro-geformtem Cu plattiert
ist. Die Drehgeschwindigkeit der Trommel und die Stromstärke werden
verwendet, um die gewünschte
Dicke der Kupferfolie einzustellen. Die von der Trommeloberfläche abgezogene
Kupferfolie wird nachfolgend gewaschen und getrocknet und in eine
geeignete Spule gewickelt.
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Icxi offenbart in
US 2 961 395 (1960) ein Verfahren
zum Elektroplattieren eines Artikels ohne die Notwendigkeit, die
Oberfläche,
welche behandelt wird, in einen Plattierungstank einzusenken. Die
handbetriebene Appliziereinrichtung dient als Anode und führt chemische
Lösungen
zu der Metalloberfläche
des zu plattierenden Werkstücks
zu. Das zu plattierende Werkstück
dient als Kathode. Die Hand-Appliziereinrichtungs-Anode mit
dem Geflecht, welches den Elektrolyt enthält, und die Werkstück-Kathode
sind mit einer Gleichstromquelle verbunden, um eine Metallschicht
auf dem Werkstück
durch Durchlassen eines Gleichstromes zu erzeugen.
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Mikromechanische Systeme (MEMS) sind
Maschinen, welche konstruiert sind aus kleinen, sich bewegenden
und stationären
Teilen, welche eine Gesamtdimension aufweisen, die von 1 bis 1000 μm reicht,
z.B. zur Verwendung in Elektronik, Biomedizin, Telekommunikation,
Automobil-, Weltraum- und Verbrauchertechnologien.
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Solche Komponenten werden z.B. durch
Fotoelektroausbildung hergestellt, was ein zusätzliches Verfahren ist, in
welchem Pulver in Schichten abgelagert werden, um die gewünschte Struktur,
z.B. durch Laser verbessertes elektroloses Plattieren zu bilden.
Lithografie, Elektroausbilden und Gießen (LIGA) und andere Fotolithografie
verwandte Verfahren werden verwendet, um Längenverhältnis (Teilehöhe zu Breite)
betreffende Probleme zu überwinden.
Andere angewandte Techniken schließen Silizium-Mikrobearbeitung
durch Maskenplattieren und Mikrokontaktdrucken ein.
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Zusammenfassung:
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung,
ein zuverlässiges
und flexibles Puls-Plattierverfahren
zum Ausbilden von Beschichtungen freistehender Ablagerungen von
nanokristallinen Metallen, Metalllegierungen oder Metallmatrix-Kompositen
zu bieten.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung,
Mikrokomponenten mit deutlich verbesserter eigenschaftsabhängiger Zuverlässigkeit
und maßgeschneiderten
gewünschten
Eigenschaften für
in der Gesamtleistung verbesserte Mikrosysteme vorzusehen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
sind in den jeweiligen abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein Puls-Plattierverfahren bereit, welches aus einer einzelnen kathodischen
An-Zeit oder mehrfachen kathodischen An-Zeiten unterschiedlicher
Stromdichten und einzelnen oder mehreren Aus-Zeiten pro Zyklus besteht.
Periodische Pulsumkehr, eine bipolare Wellenform, welche zwischen kathodischen
Pulsen und anodischen Pulsen hin und her wechselt, kann optional
auch verwendet werden. Die kathodischen Pulse können in die Wellenform vor,
nach oder zwischen den An-Pulsen und/oder vor, nach oder in der
Aus-Zeit eingefügt sein.
Die anodische Pulsstromdichte ist allgemein gleich oder größer als
die kathodische Stromdichte. Die anodische Ladung (Qanodisch)
des "Rückwärtspulses" pro Zyklus ist immer
kleiner als die kathodische Ladung (Qka
thodisch) Die An-Zeiten kathodischer Pulse
reichen von 0,1 bis 50 ms (1–50),
Aus-Zeiten von 0 bis 500 ms (1–100)
und anodische Pulszeiten reichen von 0 bis 50 ms, vorzugsweise von
1 bis 10 ms. Der Arbeitszyklus, ausgedrückt als die kathodischen An-Zeiten
geteilt durch die Summe der kathodischen An-Zeiten, der Aus-Zeiten
und der anodischen Zeiten reicht von 5 bis 100%, bevorzugt von 10
bis 95%, und bevorzugter von 20 bis 80%. Die Frequenz der kathodischen
Pulse reicht von 1 Hz bis 1 kHz und bevorzugter von 10 Hz bis 350
Hz.
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Nanokristalline Beschichtungen oder
freistehende Ablagerungen von metallischen Materialien werden erhalten
durch Variierung von Prozessparametern wie der Stromdichte, Arbeitszyklus,
Werkstücktemperatur, Beschichtungslösungstemperatur,
Lösungsumwälzraten, über einen
weiten Bereich von Bedingungen. Die folgende Auflistung beschreibt
geeignete Betriebsparameter-Bereiche zur Durchführung der Erfindung: Durchschnittliche
Stromdichte (falls bestimmbar, anodisch oder kathodisch): 0,01 bis
20 A/cm2, bevorzugt 0,1 bis 20 A/cm2, bevorzugter 1 bis 10 A/cm2
Arbeitszyklus 5 bis
100%
Frequenz: 0 bis 1000 Hz
Elektrolytlösungstemperatur: –20 bis
85° C
Elektrolytlösungsumwälzungs-/Umrühr-Raten: ≤ 10 Liter
pro Minute pro cm2
Anoden- oder Kathodenfläche (0,0001
bis 10 l/min. cm2)
Werkstücktemperatur: –20 bis
45° C
Anodenschwingungsrate:
0 bis 350 Schwingungen/min
Lineare Geschwindigkeit Anode gegen
Kathode: 0 bis 200 m/min (Bürste)
0,003 bis 0,16 m/min (Trommel).
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Die vorliegende Erfindung stellt
bevorzugt ein Verfahren bereit zur Plattierung nanokristalliner
Metalle, Metallmatrix-Kompositen und Mikrokomponenten mit Abscheideraten
von mindestens 0,05 mm/h, bevorzugt von mindestens 0,075 mm/h, und
bevorzugter von mindestens 0,1 mm/h.
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In dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung kann der Elektrolyt bevorzugt mittels Pumpen, Quirlen oder
Ultraschallanregung mit Raten von 0 bis 750 ml/min/A (ml-Lösung pro
Minute pro durchgelassenen Ampere-Durchschnittstrom) umgerührt werden,
bevorzugt mit Raten von 0 bis 500 ml/min/A.
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In dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung kann optional ein Kornverfeinerungsmittel oder ein Spannungsabbaumittel
zu dem Elektrolyt zugefügt
sein, ausgewählt
aus der Gruppe von Saccharin, Coumarin, Natriumlaurylsulfat und
Thiourea.
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Diese Erfindung stellt ein Verfahren
zur Plattierung von nanokristallinen Metallmatrix-Kompositen auf einem
permanenten bzw. dauerhaften oder einem zeitweiligen Substrat bereit,
optional zumindest 5 Vol.% aus Partikeln bestehender Stoffe enthaltend,
bevorzugt 10 Vol.% aus Partikeln bestehende Stoffe, bevorzugter
20 Vol.% aus Partikeln bestehender Stoffe, noch bevorzugter 30 Vol.%
aus Partikeln bestehender Stoffe und am meisten bevorzugt 40 Vol.%
aus Partikeln bestehender Stoffe, für Anwendungen, wie etwa harte
Deckschichten, Projektil-Abstumpf-Panzerung, Ventil-Auffrischung, Ventil-
und Drehwerkzeug-Beschichtungen, Energie-absorbierende Panzerungsplatten,
Geräuschdämmsysteme,
Verbinder an Rohrleitungsverbindungen, z.B. verwendet bei Ölbohranwendungen,
Auffrischung von Rollenlagerachsen in der Eisenbahnindustrie, Computerchips,
Reparatur von elektrischen Motor- und Generatorteilen, Reparatur
von Rillen in Druckrollen, unter Verwendung von Tank-, Trommel-,
Gestell-, selektiven (z.B. Bürstenplattierung)
und kontinuierlichen (z.B. Trommelplattierung) Plattierungsverfahren,
welche Puls-Elektroablagerung verwenden. Die aus Partikeln bestehenden
Stoffe können
ausgewählt
werden aus der Gruppe von Metallpulvern, Metalllegierungspulvern
und Metalloxidpulvern von Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und
Zn; Nitride von Al, B und Si; C (Graphit oder Diamant), Carbide
von B, Bi, Cr, Si, W; MoS2; und organischen
Materialien wie etwa PTFE oder Polymerkugeln. Die durchschnittliche
Partikelgröße der aus
Partikeln bestehenden Stoffe ist typischerweise unter 10 μm, bevorzugt
unter 1000 nm (1 μm),
bevorzugt 500 nm, und bevorzugter unter 100 nm.
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Das Verfahren dieser Erfindung bietet
optional ein Verfahren zum kontinuierlichen (Trommel oder Band)
Plattieren nanokristalliner Folien, welche optional feste Partikel
in Lösung
enthalten, ausgewählt
aus Metallpulvern, Metalllegierungspulvern und Metalloxidpulvern
aus Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitriden von Al, B
und Si; C (Graphit oder Diamant); Carbide von B, Bi, Si, W; MoSZ, und organische Materialien wie PTFE und
Polymerkugeln, um gewünschte
Eigenschaften zu verleihen, einschließlich Härte, Abnutzungswiderstand,
Schmierung, magnetische Eigenschaften und dergleichen. Die Trommel
oder das Band stellt ein zeitweises Substrat bereit, von welchem
die plattierte Folie leicht und kontinuierlich entfernt werden kann.
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Gemäß einer bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung ist es auch möglich,
nanokristalline Schichten herzustellen durch Elektroplattieren ohne
die Notwendigkeit, den zu beschichtenden Gegenstand in ein Beschichtungsbad
unterzutauchen. Bürsten-
oder Tampon-Plattieren ist eine geeignete Alternative zum Tank-Plattieren, insbesondere,
wenn nur ein Teil des Werkstücks
zu plattieren ist, ohne die Erfordernis, Bereiche zu maskieren,
welche nicht plattiert werden sollen. Die Bürsten-Plattier-Vorrichtung
verwendet typischerweise eine lösliche
bzw. sich auflösende
oder eine dimensional stabile Anode, die in ein absorbierendes Abstandstück-Filz
gewickelt ist, um die Anodenbürste
auszubilden. Die Bürste
wird gegen die zu plattierende Oberfläche gerieben, in einer manuellen
oder mechanisierten Art und Weise, und eine Elektrolytlösung, welche Ionen
des Metalls oder von Metalllegierungen enthält, die plattiert werden sollen,
wird in das Abstandstück-Filz eingespritzt.
Optional enthält
diese Lösung
auch feste Partikel in Lösung,
ausgewählt
aus Metallpulvern, Metalllegierungspulvern und Metalloxidpulvern
von Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitride von Al, B
und Si; C (Graphit oder Diamant); Carbide von B, Bi, Si, W; MoS2, und organische Materialien wie PTFE und
Polymerkugeln, um gewünschte
Eigenschaften zu verleihen, einschließlich Härte, Abnutzungswiderstand,
Schmierung und dergleichen.
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Im Fall des Trommel-, Band- oder
Bürsten-Plattierens
reicht die relative Bewegung zwischen Anode und Kathode von 0 bis
600 Metern pro Minute, bevorzugt von 0,003 bis 10 Metern pro Minute.
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Im Verfahren dieser Erfindung können Mikrokomponenten
für Mikrosysteme,
einschließlich
mikromechanischer Systeme (MEMS) und mikrooptischer Systeme, mit
Korngrößen gleich
oder kleiner als 1000 nm hergestellt werden. Die maximale Abmessung
des Mikrokomponententeils ist gleich oder unter 1 mm, und das Verhältnis zwischen
der maximalen äußeren Abmessung
des Mikrokomponententeils und der Durchschnittskorngröße ist gleich
oder größer als
10, bevorzugt größer als
100.
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Die Mikrokomponenten der vorliegenden
Erfindung können
bevorzugt eine gleichachsige Mikrostruktur über die plattierte Komponente
aufweisen, welche verhältnismäßig unabhängig von
der Dicke und der Struktur der Komponente ist.
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Es ist ein anderer Aspekt der vorliegenden
Erfindung, Mikrokomponenten vorzusehen, bei denen die durchschnittliche
Korngröße eine
Größenordnung
kleiner bleibt als die äußere Abmessung
des Teils, wodurch ein hoher Grad an Festigkeit aufrechterhalten
ist.
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Die Mikrokomponenten gemäß dieser
Erfindung haben eine deutlich verbesserte eigenschaftsabhängige Zuverlässigkeit
und verbesserte maßgeschneiderte
gewünschte
Eigenschaften der MEMS-Strukturen für in ihrer Gesamtleistungsfähigkeit
verbesserte Mikrosysteme durch bevorzugte gleichachsige Elektroablagerungen,
welche das feine Korn ausschließen
von säulenförmigem Kornübergang
in der Mikrokomponente, und gleichzeitigem Reduzieren der Korngröße der Ablagerungen
unter 1000 nm.
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Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung:
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Andere Merkmale und Vorteile dieser
Erfindung werden klarer werden in der folgenden detaillierten Beschreibung
und Beispielen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung,
zusammen mit den beigefügten
schematischen Zeichnungen, in welchen:
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1 eine
Querschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Trommel-Plattiervorrichtung zeigt;
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2 eine
Querschnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Bürsten-Plattiervorrichtung zeigt;
und
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3 eine
Draufsicht einer mechanisierten Bewegungseinrichtung zur Erzeugung
eines mechanisierten Hubs der Anodenbürste zeigt.
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1 zeigt
schematisch einen Plattierungstank oder Behälter 1, der mit einem
Elektrolyt 2 gefüllt
ist, welcher die Ionen des zu plattierenden metallischen Materials
enthält.
Teilweise in den Elektrolyt eingetaucht ist die Kathode in Form
einer sich drehenden Trommel 3, welche elektrisch mit einer
Stromquelle 4 verbun den ist. Die Trommel wird durch einen
elektrischen Motor (nicht gezeigt) über einen Riemenantrieb gedreht
und die Drehgeschwindigkeit ist variabel. Die Anode 5 kann
eine Platte oder eine konforme Anode, wie gezeigt, sein, welche
elektrisch mit der Stromquelle 4 verbunden ist. Drei unterschiedliche
Anoden-Anordnungen
können verwendet
werden: Konforme Anoden, wie in 1 gezeigt,
welche der Kontur des eingetauchten Abschnitts der Trommel 3 folgen,
vertikale Anoden, welche an den Wänden des Tanks 1 positioniert
sind, und horizontale Anoden, die am Boden des Tanks 1 positioniert
sind. Im Falle einer Folie 16 aus metallischem Material,
welches an der Trommel 3 elektro-abgeschieden wird, wird
die Folie 16 von der Trommeloberfläche, welche aus dem Elektrolyt 2 auftaucht,
gezogen, welche mit dem elektro-ausgeformten metallischen Material
bedeckt ist.
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2 zeigt
schematisch ein zu plattierendes Werkstück 6, welches mit
dem negativen Ausgang der Stromquelle 4 verbunden ist.
Die Anode 5 umfasst einen Griff 7, mit einer leitenden
Anodenbürste 8.
Die Anode enthält
Kanäle 9 zur
Zufuhr der Elektrolytlösung 2 aus
einem temperaturgesteuerten Tank (nicht gezeigt) zu dem Anodengeflecht
(absorbierendes Abstandstück) 10.
Der von dem absorbierenden Abstandstück 10 tropfende Elektrolyt
wird optional in einer Schale 11 gesammelt und zum Tank
zurückgeführt. Das
absorbierende Abstandstück 10,
welches den Elektrolyt 2 enthält, isoliert die Anodenbürste 8 auch
elektrisch vom Werkstück 6 und
stellt den Abstand zwischen Anode 5 und Kathode 6 ein.
Der Anodenbürstengriff 4 kann über das
Werkstück 6 manuell
während
des Plattiervorgangs bewegt werden, alternativ kann die Bewegung
motorisiert sein, wie in 3 gezeigt.
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3 zeigt
schematisch ein Rad 12, welches durch einen Motor mit einstellbarer
Geschwindigkeit (nicht gezeigt) angetrieben wird. Ein querbeweglicher
Arm 13 kann drehbar (Drehachse A) an das drehende Rad 12 an
verschiedenen Positionen x an einem Schlitz 14 angebracht
sein mit einer Laufbuchse und einer Justierschraube (nicht gezeigt),
um einen gewünschten
Hub bzw. Strich zu erzeugen.
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Die Hublänge kann eingestellt werden
durch die Position x (Radius), bei welcher die Rotationsachse A
des querbeweglichen Arms am Schlitz 14 befestigt ist. In 3 ist der querbewegliche
Arm 13 so gezeigt, dass er in einer Nicht-Hub, neutralen
Position mit der Rotationsachse A in der Mitte des Rades 12 ist.
Der querbewegliche Arm 13 weist eine zweite Schwenkachse
B auf, welche durch ein Lager (nicht gezeigt) definiert ist, die
gleitend in einer Führungsbahn 15 angebracht
ist. Wenn sich das Rad 12 dreht, veranlasst die Drehung des
querbeweglichen Arms 13 um Achse A bei Position x den querbeweglichen
Arm 13, sich in der Führungsbahn 15 hin
und her zu bewegen und um Achse B zu schwenken. Eine Anode 5,
welche die gleichen Merkmale wie in 2 gezeigt
aufweist, ist an dem querbeweglichen Arm 13 angebracht,
und bewegt sich über
das Werkstück 6 in
einer Bewegung, die von der Position x abhängt. Gewöhnlich hat die Bewegung die
Form der Ziffer B. Die Anode 5 und das Werkstück 6 sind
jeweils mit positiven und negativen Ausgängen der Stromquelle (nicht
gezeigt) verbunden. Das kinematische Verhältnis ist sehr ähnlich zu
dem einer Dampfmaschine.
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Diese Erfindung bezieht sich auf
die Herstellung nanokristalliner Beschichtungen, Folien und Mikrosystem-Komponenten
durch Puls-Elektroablagerung. Optional sind feste Partikel in dem
Elektrolyt gelöst
und werden in die Ablagerung eingefügt.
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Nanokristalline Beschichtungen für abnutzungsresistente
Anwendungen sind heutzutage gerichtet auf Erhöhung von Abnutzungswiderstandsfähigkeit
durch Erhöhung
der Härte
und Verringerung des Reibungskoeffizienten durch Korngrößenverringerung
unter 100 nm. Es wurde nun gefunden, dass eine Einbringung eines ausreichenden
Volumenanteils an harten Partikeln die Abnutzungswiderstandsfähigkeit
von nanokristallinen Materialien weiter verbessern kann.
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Die Materialeigenschaften können auch
durch z.B. die Beimengung von Schmiermitteln (so wie MoS2 und PTFE) verändert werden. Allgemein können die
aus Partikeln bestehenden Stoffe aus der Gruppe von Metallpulvern,
Metallle gierungspulvern und Metalloxidpulvern gewählt werden
aus Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitride von Al, B
und Si; C (Graphit und Diamant), Carbide von B, Bi, Si, W; MoS2 und organischen Materialien wie etwa PTFE
und Polymerkugeln.
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Beispiel 1
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Nanokristalline NiP-B4C-Nanokomposite
wurden auf Ti und unlegierten Stahlkathoden abgeschieden, die in
einem modifizierten Watts-Bad für
Nickel eingetaucht sind, unter Verwendung einer löslichen
Anode, die aus einer Nickelplatte hergestellt war, und einer Dynatronix-(Dynanet
PDPR 20-30-100)-Pulsstromversorgung. Die
folgenden Bedingungen wurden verwendet:
Anode/Anodenfläche: Lösliche Anode:
Ni-Platte, 80cm2
Kathode/Kathodenfläche: Ti
oder unlegierter Stahltafel/ca. 5cm2
Kathode:
fest
Anode: fest
Lineare Geschwindigkeit Anode gegen Kathode:
nicht zutreffend
Durchschnittliche kathodische Stromdichte:
0.06A/cm2
tan/taus 2ms/6ms
Frequenz: 125 Hz
Arbeitszyklus:
25%
Ablagerungszeit: 1 Stunde
Ablagerungsrate: 0,09 mm/h
Elektrolyttemperatur:
60°C
Elektrolytumwälzrate:
kräftiges
Umrühren
(mechanisches Zweirichtungs-Flügelrad)
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Basis-Elektrolyt-Formulierung:
300g/l
NiSO4x7H2O
45g/l
NiCl2x6H2O
45g/l
H3PO3
18 g/l
H3PO4
0,5–3 ml/l
Grenzflächen-aktiver
Stoff zu einer Oberflächenspannung
von < 30 Dyn/cm
0–2g/l Natriumsaccharinat
360
g/l Borcarbid, 5μm
durchschnittlicher Partikeldurchmesser
pH 1,5–2,5.
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Die Härtewerte von Metallmatrix-Kompositen,
welche eine nanokristalline Matrixstruktur besitzen, sind typischerweise
doppelt so hoch wie herkömmliche
grob gekörnte
Metallmatrix-Komposite. Zusätzlich
werden die Härte-
und Abnutzungseigenschaften von nanokristallinen NiP-B4C-Kompositen,
welche 5,9 Gew.% P und 45 Vol.% B4C enthalten,
mit denen von reinem grobkörnigen
Ni, reinen nanokristallinen Ni und elektro-abgelagertem Ni-P einer äquivalenten
chemischen Zusammensetzung in der anliegenden Tabelle verglichen.
Die Materialhärtung
wird durch Hall-Petch-Korngrößenverstärkung gesteuert,
während
die Abriebs-Abnutzungswiderstandsfähigkeit gleichzeitig durch
Beimengung von aus B4C-Partikeln bestehendem
Stoff optimiert wird.
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Tabelle:
NiP-B
4C-Nanokomposit-Eigenschaften
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Beispiel
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Nanokristalline Co-basierte Nanokomposite
wurden auf Ti- und unlegierten Stahlkathodeen abgelagert, die in
einem modifizierten Watts-Bad für
Kobalt ein getaucht waren, unter Verwendung einer löslichen
Anode, die aus einer Kobaltplatte hergestellt war, und einer Dynatronics-(Dynanet
PDPR 20-30-100)-Pulsstromversorgung.
Die folgenden Bedingungen wurden verwendet:
Anode/Anodenfläche: lösliche Anode
(Co-Platte)/ 80cm2
Kathode/Kathodenfläche: Ti-(oder
unlegierter Stahl)-Tafel/ca. 6,5cm2
Kathode:
fest
Anode: fest
Lineare Geschwindigkeit Anode gegen Kathode:
nicht zutreffend
Kathodische Spitzenstromdichte: 0,100 A/cm2
Anodische Spitzenstromdichte: 0,300
A/cm2
Kathodische tan /taus/anodische tan (tanodisch): 16ms/0ms/2ms
Frequenz: 55,5
Hz
Kathodischer Arbeitszyklus: 89%
Anodischer Arbeitszyklus:
11 %
Ablagerungszeit: 1 h
Ablagerungsrate: 0,08 mm/h
Elektrolyttemperatur:
60° C
Elektrolytumwälzrate:
0,15 Liter/min/cm2 Kathodenfläche (kein
Pumpenfluss; Umrühren)
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Elektrolyt-Formulierung: 300 g/l
CoSO4x7H2O
45
g/l CoCl2x6H2O
45
g/l H3BO3
2
g/l C7H4NO3SNa Natriumsaccharinat
0,1 g/l C12H25O4SNa
Natriumlaurylsulfat (SLS)
100 g/l SiC, < 1 μm
durchschnittlicher Partikeldurchmesser
pH 2,5
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In der angefügten Tabelle werden die Härte und
Abriebseigenschaften eines nanokristallinen Co-SiC-Komposits, welches
22 Vol.% SiC enthält,
verglichen mit denen von reinem grobkörnigem Co und reinem nanokristallinen
Co. Hall-Petch-Korngrößenverstärkung steuert
eine Materialhärtung,
während
eine Abriebsabnutzungs-Widerstandsfähigkeit gleichzeitig optimiert
wird durch die Beimengung von einem aus SiC-Partikeln bestehendem
Stoff.
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Tabelle:
Co-Nanokomposit-Eigenschaften
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Kontinuierliches Plattieren ist
ausgeführt
worden, um Folien herzustellen, z.B. unter Verwendung von Trommelplattieren
nanokristalliner Folien, welche optional feste Partikel in Lösung enthalten,
ausgewählt
aus reinen Metallen oder Legierungen aus reinen Metallen oder Legierungen
mit aus Partikeln bestehenden Stoffzusätzen, wie etwa Metallpulver,
Metalllegierungspulver und Metalloxidpulver von Al, Co, Cu, In,
Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitride von Al, B und Si; C (Graphit oder
Diamant); Carbide von B, Bi, Si, W; und organische Materialien wie
etwa PTFE und Polymerkugeln, um gewünschte Eigenschaften zu verleihen,
einschließlich Härte, Abnutzungswiderstandsfähigkeit,
Schmierung, magnetischen Eigenschaften und dergleichen. Nanokristalline
Metallfolien wurden an einer rotierenden Ti-Trommel abgelagert,
die teilweise in einem Plattierungselektrolyten eingetaucht war.
Die nanokristalline Folie wurde auf der Trommel kathodisch elektro-ausgebildet, unter
Verwendung einer löslichen
Anode, die aus einem Titanbehälter
hergestellt war, der mit einem Anodenmetall gefüllt war, und unter Verwendung
einer Pulsstromversorgung. Für
eine Legierungsfolien-Herstellung wurde ein Strom von zusätzlichen
Kationen mit einer vorbestimmten Konzentration kontinuierlich der
Elektrolytlösung
zugesetzt, um eine Gleichgewichtszu standskonzentration der legierenden
Kationen in Lösung
zu etablieren. Zur Metall- und Legierungsfolien-Herstellung, Matrixkomposite
enthaltend, wurde ein Strom des Komposit-Zusatzes dem Plattierungsbad
mit einer vorbestimmten Rate zugefügt, um einen Gleichgewichtsinhalt
des Zusatzes zu etablieren. Drei unterschiedliche Anodenanordnungen
können
verwendet werden: Konforme Anoden, welche der Kontur des untergetauchten
Abschnitts der Trommel folgen, vertikale Anoden, die an den Wänden des
Behälters
positioniert sind, und horizontale Anoden, die am Boden des Behälters positioniert
sind. Folien wurden bei durchschnittlichen kathodischen Stromdichten
hergestellt, welche von 0,01 bis 5 A/cm2 und
bevorzugt von 0,05 bis 0,5 A/cm2 reichten.
Die Drehgeschwindigkeit wurde verwendet, um die Foliendicke einzustellen,
und diese Geschwindigkeit reichte von 0,003 bis 0,15 Upm (oder 20
bis 1000 cm/h) und bevorzugt von 0,003 bis 0,05 Upm (oder 20 bis
330 cm/h).
-
Beispiel 3: Metallmatrix-Komposit-Trommelplattieren
-
Nanokristalline Co-basierte Nanokomposite
wurden auf einer drehenden Ti-Trommel
abgelagert, wie in Beispiel 3 beschrieben, eingetaucht in ein modifiziertes
Watts-Bad für
Kobalt. Die nanokristalline Folie, 15 cm breit, wurde auf der Trommel
kathodisch elektro-ausgebildet, unter Verwendung einer löslichen
Kobaltanode, enthalten in einem Ti-Drahtkorb, und einer Dynatronix-(Dynanet
PDPR 20-30-100)-Pulsstromversorgung. Die folgenden Bedingungen wurden
verwendet:
Anode/Anodenfläche:
konforme lösliche
Anode (Co-Stücke
in Ti-Korb)/nicht bestimmt
Kathode/Kathodenfläche: Ti
600cm2
Kathode: drehend
Anode:
fest
Lineare Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 0,018 Upm
Durchschnittsstromdichte:
0,075 A/cm2
Kathodische Spitzenstromdichte:
0,150 A/cm2
Anodische Spitzenstromdichte:
nicht zutreffend
Kathodische tan/taus/anodische tan (tanodisch):
1 ms/1 ms/0 ms
Frequenz: 500 Hz
Kathodischer Arbeitszyklus:
50%
Anodischer Arbeitszyklus: 0%
Ablagerungszeit: 1 h
Ablagerungsrate:
0,05 mm/h
Elektrolyttemperatur: 65° C
Elektrolytumwälzrate:
0,15 Liter/min/cm2 Kathodenfläche (kein
Pumpenfluss; Umrühren)
-
Elektrolyt-Formulierung:
300
g/l CoSO4×7H2O
45
g/l CoCl2×6H2O
45
g/l H3BO3
2
g/l C7H4NO3SNa Natriumsaccharinat
0,1 g/l C12H25O4SNa
Natriumlaurylsulfat (SLS)
5 g/l phosphorige Säure
35
g/l SiC, < 1 μm mittlerer
Partikeldurchmesser
.5 g/l Dispersionsmittel
pH 1,5
-
Die Co/P-SiC-Folie weist eine Korngröße von 12
nm, eine Härte
von 690 VHN auf, enthaltend 1,5% P und 22 Vol.% SiC.
-
Beispiel 4
-
Nanokristalline Nickel-Eisen-Legierungsfolien
wurden abgelagert auf einer drehenden Ti-Trommel, welche teilweise
eingetaucht war in ein modifiziertes Watts-Bad für Nickel. Die nanokristalline
Folie, 15 cm breit, wurde kathodisch auf der Trommel elektro-ausgebildet,
unter Verwendung einer löslichen
Anode, hergestellt aus einem Titandrahtkorb, gefüllt mit Ni-Rundmaterial und
einer Dynatronics-(Dynanet PDPR 50-250-750)-Pulsstromversorgung.
Die folgenden Bedingungen wurden verwendet:
Anode/Anodenfläche: konforme
lösliche
Anode (Ni-Rundstücke
in einem Metallkäfig)/unbestimmt
Kathode/Kathodenfläche: untergetauchte
Ti-Trommel/ungefähr
600cm2
Kathode: drehend mit 0,018 Upm
(oder 120 cm/h)
Anode: fest
Lineare Geschwindigkeit Anode
gegen Kathode: 120 cm/h
Durchschnittliche kathodische Stromdichte:
0,07 A/cm2
tan/taus: 2 ms/2 ms
Frequenz: 250 Hz
Arbeitszyklus:
50%
Herstellungslaufzeit: 1 Tag
Ablagerungsrate: 0,075
mm/h
Elektrolyttemperatur: 60° C
Elektrolytumwälzrate:
0,15 Liter/min/cm2 Kathodenfläche
-
Elektrolyt-Formulierung:
260
g/l NiSO4×7H2O
45
g/l NiCl2×6H2O
12
g/l FeCl2×4H2O
45
g/l H3BO3;
46
g/l Natriumzitrat
2 g/l Natriumsaccharinat
2,2 ml/l NPA-91
pH
2,5
-
Eisenspeisungs-Formulierung:
81
g/l FeSO4·7H2O
11
g/l FeCl2·4H2O
13
g/l H3BO3
9
g/l Natriumcitrat
4 g/L H2SO4
0,5 g/l Natriumsaccharinat
pH
2,2
Rate der Beimengung: 0,3 l/h
Zusammensetzung: 23–27 Gew.%
Fe
Durchschnittliche Korngröße: 15 nm
Härte: 750
Vickers
-
Selektives oder Bürsten-Plattieren ist ein tragbares
Verfahren zum selektiven Plattieren lokalisierter Flächen auf
einem Werkstück,
ohne den Artikel in einen Plattierungstank unterzutauchen. Es bestehen
dabei deutliche Unterschiede zwischen selektivem Plattieren und
Tank- und Fass-Plattierungs-Anwendungen. Im Fall selektiven Plattierens
ist es schwierig, die Kathodenfläche
genau zu bestimmen, und daher ist die kathodische Stromdichte und/oder
Spitzenstromdichte veränderbar
und im Allgemeinen unbekannt. Die anodische Stromdichte und/oder
Spitzenstromdichte kann bestimmt werden, unter der Voraussetzung,
dass die gleiche Anodenfläche
während
des Plattierbetriebs verwendet wird, z.B. im Fall von flachen Anoden.
Im Fall ausgeformter Anoden kann die Anodenfläche nicht genau bestimmt werden,
z.B. ändert
sich im Fall einer ausgeformten Anode und einer ausgeformten Kathode
die "effektive" Anodenfläche auch
während
des Plattiervorgangs. Selektives Plattieren wird durchgeführt durch
Bewegung der Anode, welche mit einem absorbierenden Abstandstück-Geflecht
umgeben ist und den Elektrolyten enthält, vor und zurück über das
Werkstück,
was typischerweise von einer Bedienungsperson durchgeführt wird,
bis die gewünschte
Gesamtfläche
auf die erforderliche Dicke beschichtet ist.
-
Selektive Plattierungstechniken sind
insbesondere geeignet zur Reparatur und zum Aufarbeiten von Artikeln,
da die Bürstenplattierungsaufbauten
transportabel sind, leicht zu betreiben, und keine Zerlegung des Systems
erfordern, welches das zu plattierende Werkstück enthält. Bürstenplattieren erlaubt auch
das Plattieren von Teilen, die zu groß zum Eintauchen in Plattierungstanks
sind. Bürstenplattieren
wird verwendet, um Beschichtungen vorzusehen für verbesserte Korrosionswiderstandsfähigkeit,
verbesserte Abnutzung, verbesserte äußere Erscheinung (dekoratives
Plattieren) und es kann verwendet werden, um abgenutzte oder fehlbearbeitete
Teile zurückzugewinnen.
Bürstenplattierungssysteme
und Plattierungslösungen
sind kommerziell verfügbar,
z.B. von Sifco Selective Plating, Cleveland, Ohio, die auch mechanisierte
und/oder automatisierte Werkzeugbestückung zur Verwendung für Produktionsarbeiten
großen
Umfangs anbietet. Die verwendeten Plattierungswerkzeuge umfassen
die Anode (DSA oder löslich),
umgeben von einem Absorbierungsmittel, ein elektrisch nicht leitfähiges Material
und einen isolierten Griff. Im Fall von DSA-Anoden sind Anoden typischerweise
hergestellt aus Graphit oder Pt-beschichtetem Titan und sie können Mittel
enthalten zur Regulierung der Temperatur mittels eines Wärmetauschersystems.
Beispielsweise kann das verwendete Elektrolyt geheizt oder gekühlt werden
und durch die Anode geführt
werden, um den gewünschten
Temperaturbereich beizubehalten. Das absorbierende Abstandstück-Material
enthält
und verteilt die Elektrolytlösung
zwischen der Anode und dem Werkstück (Kathode), verhindert Kurzschlüsse zwischen
Anode und Kathode und bürstet
gegen die Oberfläche
der zu plattierenden Fläche.
Diese mechanische Reibe- oder Bürstenbewegung,
welche auf das Werkstück
während
des Plattiervorgangs aufgebracht wird, beeinflusst die Qualität und das
Oberflächenfinish der
Beschichtung und erlaubt schnelle Plattierungsraten. Selektiv-Plattierungs-Elektrolyte
werden formuliert, um akzeptable Beschichtungen über einen weiten Temperaturbereich
herzustellen, welcher von niedrigen, etwa –20° C bis 85° C reicht. Da das Werkstück häufig groß ist im
Vergleich zu der Fläche,
welche beschichtet wird, wird selektives Plattieren oft auf ein
Werkstück
bei Umgebungstemperatur angewendet, reichend von nied rigen, etwa –20° C bis etwa
hohen 45° C.
Anders als "typische" Elektroplattierungsvorgänge kann
im Fall des selektiven Plattierens die Temperatur der Anode, der
Kathode und des Elektrolyten wesentlich variieren. Aussalzen von
Elektrolytbestandteilen kann bei niedrigen Temperaturen auftreten
und der Elektrolyt kann periodisch oder kontinuierlich wieder aufgeheizt
werden müssen,
um alle ausgefällten
Chemikalien aufzulösen.
-
Eine Sifco-Bürstenplattierungseinheit (Modell
3030 – 30
A max.) wurde aufgebaut. Die Graphit-Anodenspitze wurde in ein Baumwollbeutel-Abstandstück eingefügt und entweder
an einen mechanisierten, querbeweglichen Arm angebracht, um die "Bürstenbewegung" zu erzeugen, oder
bewegt durch eine Betriebsperson von Hand zurück und vor über das Werkstück, oder
wie anders bezeichnet. Die Anodenanordnung wurde in der Plattierungslösung getränkt und
die Beschichtung wurde durch Bürsten
des Plattierungswerkzeugs gegen die kathodisch aufgeladene Arbeitsfläche abgelagert,
die aus verschiedenen Substraten zusammengesetzt war. Eine peristaltische
Pumpe wurde verwendet, um den Elektrolyten mit vorbestimmten Raten
in das Bürstenplattierungswerkzeug
zu speisen. Es wurde dem Elektrolyten ermöglicht, von dem Werkstück in eine Schale
abzutropfen, die auch als ein "Plattierungslösungs-Reservoir" diente, wovon es
in den Elektrolyttank zurückgeführt wurde.
Die Anode wies Durchflusslöcher/Kanäle in der
Bodenoberfläche
auf, um gute Elektrolytverteilung und guten Elektrolyt/Werkstück-Kontakt sicherzustellen.
Die Anode war an einem querbeweglichen Arm befestigt und die kreisförmige Bewegung
wurde eingestellt, um gleichförmige
Hübe der
Anode gegenüber
der Substratoberfläche
zu ermöglichen.
Die Drehgeschwindigkeit wurde eingestellt, um die relative Anoden-/Kathoden-Bewegungsgeschwindigkeit
ebenso zu erhöhen
oder zu erniedrigen, wie die Anode/Substrat-Kontaktzeit an irgendeinem
einzelnen Ort. Bürstenplattieren
wurde normalerweise ausgeführt
bei einer Rate von ungefähr
35–175
Oszillationen pro Minute, mit einer Rate von 50–85 Oszillationen pro Minute,
welche optimal ist. Elektrische Kontakte wurden am Bürstenhandgriff
(Anode) und direkt am Werkstück
(Kathode) hergestellt. Beschichtungen wurden abgelagert auf einer
Anzahl von Substraten, einschließlich Kupfer, 1018 niedrig-kohlenstoffhaltigem
Stahl, 4130 hoch-kohlenstoffhaltigem Stahl, 304 Edelstahl, einer
2,5 Inch Außendurchmesser-Stahlröhre und
einer Schweißnaht-bedeckten
I625-Röhre.
Die Kathodengröße war 8
cm2 mit Ausnahme der 2,5 Inch Außendurchmesser-Stahlröhre, wo
ein 3 cm breiter Streifen um den äußeren Durchmesser ausgesetzt
war, und der Schweißnaht-bedeckten
I625-Röhre,
an welcher ein Schaden-Reparaturvorgang durchgeführt wurde.
-
Eine Dynatronics-programmierbare
Pulsplattier-Stromversorgung (Dynanet PDPR 20-30-100) wurde eingesetzt.
-
Von Sifco vorgesehene Standard-Substrat-Reinigungs-
und Aktivierungsvorgänge
wurden verwendet.
-
Beispiel 5:
-
Nanokristallines reines Nickel wurde
auf einer 8 cm2 Flächenelektrode gelagert mit
einer 35 cm2 Anode, unter Verwendung des
beschriebenen Aufbaus. Gewöhnlich
weist das Werkstück
eine wesentlich größere Fläche als
die Anode auf. In diesem Beispiel wurde ein Werkstück (Kathode)
ausgewählt,
wesentlich kleiner zu sein als die Anode, um sicherzustellen, dass
die überdimensionierte
Anode, obwohl dauernd in Bewegung gehalten, immer das gesamte Werkstück bedeckte,
um die Bestimmung der Kathodenstromdichte zu ermöglichen. Da eine nichtverbrauchbare
Anode verwendet wurde, wurde NiCO3 periodisch
dem Plattierungsbad zugeführt,
um die gewünschte
Ni2+-Konzentration aufrecht zu erhalten.
Die folgenden Bedingungen wurden verwendet:
Anode/Anodenfläche: Graphit/35
cm2
Kathode/Kathodenfläche: unlegierter
Stahl/8 cm2
Kathode: stationär
Anode:
mechanisch automatisiert mit 50 Schwingungen pro Minute oszillierend
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 125 cm/min
Durchnittliche
kathodische Stromdichte: 0,2 A/cm2
tan/taus 8 ms/2 ms
Frequenz:
100 Hz
Arbeitszyklus: 80%
Ablagerungszeit: 1 h
Ablagerungsrate:
0,125 mm/h
Elektrolyt-Temperatur: 60° C
Elektrolyt-Umwälzrate:
10 ml Lösung
pro Minute pro cm2 Anodenfläche oder
220 ml Lösung
pro Minute pro Ampere durchgelassenem durchschnittlichem Strom
Elektrolyt-Formulierung:
300
g/l NiSO4x7H2O
45
g/l NiCl2x6H2O
45
g/l H3BO3
2
g/l Natriumsaccharinat
3 ml/l NPA-91
pH 2,5
Durchschnittliche
Korngröße: 19 nm
Härte: 600
Vickers
-
Beispiel 6:
-
Nanokristallines Co wurde unter Verwendung
des gleichen beschriebenen Aufbaus unter den folgenden Bedingungen
abgelagert:
Anode/Anodenfläche:
Graphit/35 cm2
Kathode/Kathodenfläche: unlegierter
Stahl/8 cm2
Kathode: stationär
Anode:
mechanisch automatisiert mit 50 Schwingungen pro Minute oszillierend
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 125 cm/min
Durchschnittliche
kathodische Stromdichte: 0,10 A/cm2
tan/taus: 2 ms/6 ms
Frequenz:
125 Hz
Arbeitszyklus: 25%
Ablagerungszeit: 1 h
Ablagerungsrate:
0,05 mm/h
Elektrolyt-Temperatur: 65° C
Elektrolyt-Umwälzrate:
10 ml Lösung
pro Minute pro cm2 Anodenfläche oder
440 ml Lösung
pro Minute pro Ampere durchgelassenem durchschnittlichem Strom
Elektrolyt-Formulierung:
300
g/l NiSO4 7H2O
45
g/l NiCl2 6H2O
45
g/l H3BO3
2
g/l Natriumsaccharinat
0,1 g/l C7H4NO3Sna Natriumlaurylsulfat
(SLS)
pH 2,5
Durchschnittliche Korngröße: 13 nm
Härte: 600
Vickers
-
Beispiel 7:
-
Nanokristallines Ni/20%Fe wurde unter
Verwendung des zuvor beschriebenen Aufbaus abgelagert. Ein 1,5 Inch
breites Band wurde auf dem äußeren Durchmesser
einer 2,5 Inch-Röhre
plattiert durch Drehung der Röhre
entlang ihrer Iongitudinalen Achse, während eine feste Anode unter
den folgenden Bedingungen beibehalten wurde:
Anode/Anodenfläche/effektive
Anodenfläche:
Graphit/35 cm2/unbestimmt Kathode/Kathodenfläche: 2,5
Inch Außendurchmesser-Stahlröhre, hergestellt
aus 2101 A1 Kohlenstoffstahl/unbestimmt
Kathode: rotierend
mit 12 Upm
Anode: stationär
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 20 cm/min
Durchschnittliche
kathodische Stromdichte: unbestimmt
Durchgelassener Gesamtstrom:
3,5 A
tan/taus:
2 ms/6 ms
Frequenz: 125 Hz
Arbeitszyklus: 25%
Ablagerungszeit:
1 h
Ablagerungsrate: 0,05 mm/h
Elektrolyt-Temperatur:
55° C
Elektrolyt-Umwälzrate:
0,44 l Lösung
pro Minute pro durchgelassenem Ampere
Elektrolyt-Formulierung:
260
g/l NiSO4x7HzO
45 g/l NiCl2x6H2O
7,8 g/l FeCl2x4H2O
45 g/l H3BO3
30 g/l Na3C6H5O7·2HZO Natriumzitrat
2 g/l Natriumsaccharinat
1
ml/l NPA-91
pH 3,0
Durchschnittliche Korngröße: 15 nm
Härte: 750
Vickers
-
Beispiel 8:
-
Ein Defekt (Kerbe) in einem Schweißnaht-belegten
Röhrenabschnitt
wurde mit nanokristallinem Ni gefüllt, unter Verwendung des gleichen
Aufbaus wie in Beispiel 1. Die Kerbe war etwa 4,5 cm lang, 0,5 cm
breit und hatte eine durchschnittliche Tiefe von ungefähr 0,175
mm, obwohl es das raue Finish des Defekts unmöglich machte, seine genaue
Oberflächenfläche zu bestimmen.
Die den Defekt umgebende Fläche
wurde abgedeckt, und Nano Ni wurde auf die Defektfläche plattiert,
bis ihre originale Dicke wieder hergestellt war.
Anode/Anodenfläche: Graphit/35
cm2
Kathode/Kathodenfläche: I625/unbestimmt
Kathode:
stationär
Anode:
mechanisch automatisiert mit 50 Schwingungen pro Minute oszillierend
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 125 cm/min
Durchschnittliche
kathodische Stromdichte: unbestimmt
tan/taus: 2 ms/6 ms
Frequenz: 125 Hz
Arbeitszyklus:
25%
Ablagerungszeit: 2 h
Ablagerungsrate: 0,087 mm/h
Elektrolyt-Temperatur:
55° C
Elektrolyt-Umwälzrate:
0,441 Lösung
pro Minute pro Ampere durchgelassenem Durchschnittsstrom
Elektrolyt-Formulierung:
300
g/l NiSO4x7H2O
45
g/l NiC12x6H2O
45
g/l H3BO3
2
g/l Natriumsaccharinat
3 ml/l NPA-91
pH 3,0
Durchschnittliche
Korngröße: 20 nm
Härte: 600
Vickers
-
Mikrokomponenten, welche Dimensionen
bzw. Abmessungen über
alles von unter 1000 μm
(1 mm) aufweisen, gewinnen steigende Bedeutung zur Verwendung in
elektronischen, biomedizinischen, Telekommunikations-, Automobil-,
Weltraum und Verbraucher-Anwendungen. Metallische Makrosystemkomponenten
mit einer maximalen Abmessung über
alles von 1 cm bis über
1 m, welche Materialien herkömmlicher
Korngröße (1–1000 μm) enthalten,
zeigen ein Verhältnis
zwischen maximaler Abmessung und Korngrößenbereichen von 10 bis 106. Diese Zahl spiegelt die Zahl der Körner über die
maximale Teile-Abmessung wider. Wenn die maximale Größe der Komponente
auf unter 1 mm reduziert wird, wobei Material herkömmlicher
Korngröße verwendet
wird, kann die Komponente potentiell nur aus einigen Körnern hergestellt
sein, oder einem einzelnen Korn, und das Verhältnis zwischen der maximalen
Abmessung der Mikrokomponente und der Korngrößenbereiche geht auf 1. Mit
anderen Worten, ein einzelnes oder nur ein paar Körner erstrecken
sich entlang des gesamten Teils, was nicht wünschenswert ist. Um die Bauteilzuverlässigkeit
von Mikrokomponenten zu erhöhen, muss
das Verhältnis
zwischen maximaler Bauteilabmessung und Korngrößenbereichen auf über 10 erhöht werden,
durch die Verwendung eines kleinkörnigeren Materials, da diese
Materialklasse typischerweise Korngrößenwerte zeigt 10 bis 10000
mal kleiner als diejenigen herkömmlicher
Materialien.
-
Für
herkömmliche
LIGA- und andere plattierte Mikrokomponenten beginnt Elektroablagerung
anfangs mit einer feinen Korngröße an dem
Substratmaterial. Mit steigender Ablagerungsdicke in der Wachstumsrichtung
wird gewöhnlich
der Übergang
zu säulenartigen
Körnern
beobachtet. Die Dicke der säulenartigen
Körner reicht
typischerweise von einigen bis zu einigen zehn Mikrometern, wäh rend ihre
Länge einige
Hunderte von Mikrometern erreichen kann. Die Konsequenz solcher
Strukturen ist die Entwicklung von anisotropen Eigenschaften mit
zunehmender Ablagerungsdicke, und das Erreichen einer kritischen
Dicke, bei welcher nur ein paar Körner den gesamten Querschnitt
der Komponenten bedekken, mit Breiten unter 5 bis 10 μm. Ein weiterer Abfall
in der Dicke einer Komponente führt
zu einer Bambus-Struktur, welche zu einem signifikanten Verlust
in Festigkeit führt.
Daher ist die Mikrostruktur elektro-abgelagerter Mikrokomponenten,
welche momentan in Gebrauch sind, völlig unangemessen bezüglich Eigenschaftsanforderungen
sowohl über
die Breite als auch die Dicke der Komponente auf Basis der Kornorm
und durchschnittlichen Korngröße.
-
Bisher waren Teile, hergestellt aus
Materialien herkömmlicher
Korngröße, welche
bekannt waren, an gravierenden Zuverlässigkeitsproblemen hinsichtlich
mechanischer Eigenschaften wie dem Young-Modul, Umformfestigkeit,
Grenzzugfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit
und Kriechverhalten zu leiden, bekannt, dass sie extrem empfindlich
auf Verarbeitungsparameter sind, die mit dem Aufbau dieser Komponenten
verbunden sind. Viele der auftretenden Probleme wurden bewirkt durch
unangemessene Skalierung der Schlüsselmikrostruktur-Merkmale
(d.h. Korngröße, Kornform,
Kornorientierung) mit der äußeren Größe der Komponente,
was zu ungewöhnlichen
Eigenschaftsvariationen führte,
die normalerweise bei makroskopischen Komponenten aus dem gleichen
Material nicht beobachtet wurden.
-
Beispiel 9:
-
Metall-Mikrofederfinger werden verwendet,
um IC-Chips mit hoher Anschlussflächen-Anzahl und -Dichte zu
kontaktieren, und Energie und Signale zu und von den Chips zu transportieren.
Die Federn bieten hohe Werte einhaltende elektrische Kontakte für eine Vielfalt
von Zwischenverbindungsstrukturen, einschließlich Chip-skalierten Halbleiterpaketen,
hochdichten Zwischenschalterverbindern und Sensorkontakten. Die massiven
parallelen Zwischenlagenstrukturen und – zusammenbauten ermöglichen
Hochgeschwindigkeitstesten von getrennten inte grierten Schaltungsbauteilen,
die auf einem nachgiebigen Träger
fixiert sind, und erlauben Testelektroniken, in nächster Nähe zu den
zu testenden integrierten Schaltkreisbauteilen lokalisiert zu sein.
-
Die Mikro-Federfinger erfordern hohe
Umformfestigkeit und Dehnbarkeit. Eine 25 μm dicke Schicht aus nanokristallinem
Ni wurde auf 500 μm
langen goldbeschichteten CrMo-Fingern plattiert, unter Verwendung der
folgenden Bedingungen:
Anode/Anodenfläche: Ni/4,5 × 10–3 cm2
Kathode/Kathodenfläche: goldplattiertes CrMo/ungefähr 1 cm2
Kathode: stationär
Anode: stationär
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 0 cm/min
Durchschnittliche
kathodische Stromdichte: 50 mA/cm2
tan/taus: 10 ms/20
ms
Frequenz: 33 Hz
Arbeitszyklus: 33%
Ablagerungszeit:
120 Minuten
Ablagerungsrate: 0,05 mm/h
Elektrolyt-Temperatur:
60° C
Elektrolyt-Umwälzungsrate:
keine
Elektrolyt-Formulierung:
300 g/l NiSO4x7H2O
45 g/l NiCl2x6H2O
45 g/l H3BO3
2 g/l Natriumsaccharinat
3 ml/l
NPA-91
pH 3,0
Durchschnittliche Korngröße: 15–20 nm
Härte: 600
Vickers
-
Die Nanofinger zeigten eine deutlich
höhere
Kontaktkraft verglichen mit Fingern "herkömmlicher
Korngröße".
