DE2830134A1

DE2830134A1 - Verfahren und vorrichtung zum auflagern einer metall- oder legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes werkstueck

Info

Publication number: DE2830134A1
Application number: DE19782830134
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kieferle
Original assignee: Individual
Current assignee: KIEFERLE, WOLFGANG, ING.(GRAD.), 7981 BERG, DE
Priority date: 1978-07-08
Filing date: 1978-07-08
Publication date: 1980-01-17
Also published as: DE2830134C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Auflagern einer Metall- oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auflagern einer Metall- oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück mittels einer Glimmentladung, wozu das Werkstück als die eine Elektrode eines elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geschaltet ist und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Bislang wurden zu diesem Zweck die zu beschichtenden Werkstücke in einem galvanischen Bad mit Hilfe von Säuren oder Laugen unterschiedlichen Behandlungszeiten ausgesetzt.

Diese Galvanisierverfahren haben den Nachteil, daß sie durch die benötigten Säuren oder Laugen zu einem immer stärker werdenden Umweltproblem werden. Zumindest sind sehr hohe Investitionen erforderlich, um die dabei ent-

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stehenden Abwasser zu neutralisieren, sofern nicht hier oder dort die zuständigen Behörden die Einrichtung solcher Anlagen im vorhinein untersagen. Wegen der hohen Salzfracht der neutralisierten Abwasser entstehen hohe Abwasserabgaben. Allerdings sind auch schon Verfahren bekannt geworden, bei denen das Auflagern einer Metallschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück mittels einer Glimmentladung erfolgt, wozu das Werkstück als die eine Elektrode eines elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geschaltet ist, während die andere Elektrode aus dem Beschichtungsmetall besteht. Diese Verfahren haben sich als nicht sehr geeignet erwiesen, da sie wegen des raschen Verbrauchs der metall abgebenden Elektrode nur die die Beschichtung von Drähten oder kleineren Werkstücken, und das wegen der geringen Energie der auftreffenden Metallionen nur mit äußerst dünnen und nicht sehr festhaftenden Schichten gestatten.

Der Vollständigkeit halber sei auch das sogenannte Gasplattieren erwähnt, bei dem das aufzulagernde Metall aus einem eine entsprechende Metal!verbindung enthaltenden oder aus einer solchen bestehenden Gas auf das Werkstück abgeschieden wird, das aber dazu hocherhitzt werden muß. Derart hohe Temperaturen - es handelt sich dabei um solche von 1200⁰C und darüber - beeinträchtigen die physikalischen Eigenschaften des Werkstückes, so daß man in der Verwendung des Gasplattierverfahrens sehr beschränkt ist.

Es stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren samt einer zu dessen Durchführung geeigneten Vorrichtung zu schaffen, das die oben genannten Nachteile vermeidet, d.h. also das umweltfreundlich und auch zur Erzeugung dicker Schichten auf größeren Werkstücken geeignet ist, wobei die Erhitzung des Werkstückes auf schäd-

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liehe Temperaturen nicht erforderlich ist.

Die Lösung wurde in überraschender Weise durch eine Weiterentwicklung der an zweiter Stelle genannten Verfahren gefunden. Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem das Auflagern einer Metall-oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück ebenfalls mittels einer Glimmentladung erfolgt, wozu das Werkstück als die eine Elektrode des elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geschaltet ist. Erfindungsgemäß werden jedoch Trägergas und Beschichtungsmetal1 mittels eines der Unterdruckkammer vorgelagerten besonderen Ionenerzeugers vorionisiert und somit bereits vorionisiert in das elektrische Feld in der Unterdruckkammer überführt.

Dabei kann als die andere Elektrode des elektrischen Feldes ein Flächengebilde aus einer gegen Ionisierung hochwiderstandsfähigen Legierung, und zwar vorzugsweise die Innenwandfläche der Unterdruckkammer verwendet werden. Andererseits können aber auch als zweite oder zusätzliche Elektroden Flächengebilde aus dem Beschichtungsmetall selbst verwendet werden.

Vorteilhafterweise wird bei der Durchführung des Verfahrens so vorgegangen, daß das im Ionenerzeuger vorionisierte und in Turbulenz versetzte Trägergas Metallpartikel aus dem mit dem Trägergas in Kontakt gebrachten Beschichtungsmetal1 abstäubt und vorionisiert.

Zum Aufbringen einer Legierungsschicht hat es sich als zweckmäßig erwiesen, jeweils Trägergas und die Legierungskomponenten durch den Legierungskomponenten einzeln zugeordnete Ionenerzeuger vorzuionisieren. Eine andere nicht minder zweckmäßige Möglichkeit zum Auf-

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bringen einer Legierungsschicht besteht darin, zusätzliche Elektroden aus unterschiedlichen Beschichtungsmetallen einzusetzen.

Eine zur Durchführung erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung weist einen Ionenerzeuger auf, der aus einem mit dem Trägergas beschickbaren Turbulenzraum, einer Einrichtung zur Bildung eines Lichtbogens im Turbulenzraum und Mitteln für den Kontakt zwischen dem Trägergas und dem Beschichtungsmetall besteht.

Weitere vorteilhafte oder zweckmäßige Ausführungsformen und Einzelheiten der betreffenden Vorrichtung sind den Patentansprüchen und der folgenden Einzelbeschreibung zu entnehmen.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen beispielhaft in schematischer Darstellung in

Fig. 1 eine derartige Vorrichtung im Schnitt,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform des Ionenerzeugers in größerem Maßstab,

Fig. 3 einen ebensolchen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform des Ionenerzeugers,

Fig. 4 einen ebensolchen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform des Ionenerzeugers,

Fig. 5 und 6 eine Vorrichtung entsprechend der Fig. 1 zur Verdeutlichung zweier Varianten des erfindungsgemäßen Ver-

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Gemäß Fig. 1 ist auf eine elektrisch leitfähige, isolierte Tischplatte 1 eine Haube 2 zur Bildung der Unterdruckkammer 3 gasdicht aufgesetzt. Eine Rohrleitung 4, die isoliert durch die Tischplatte 1 geführt ist, ist an die Unterdruckkammer 3 angeschlossen und dient in bekannter Weise zu deren Evakuierung. Auf der Tischplatte 1 wird von Stützisolatoren 5 und 6 die Werkstückauflage 7 getragen. In ihrer Decke besitzt die Haube 2 eine öffnung, in welche ein Ionenerzeuger 8 eingesetzt ist. Die Tischplatte 1 und mit ihr die Haube 2 sowie das Gehäuse 9 des Ionenerzeugers und dessen Deckel 10 sind durch die Leitung 11 an den positiven Pol einer nicht gezeichneten Stromquelle anschließbar. Die Werkstückauflage 7 ist durch eine Leitung 12, die durch den Stützisolator 6 geführt ist, an den negativen Pol der Stromquelle angeschlossen. Die Tischplatte 1 und die Haube 2, ebenso auch die Werkstückauflage 7 sind aus einem gegenüber einer Ionenauslösung hochwiderstandsfähigen Legierung hergestellt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Ionenerzeugers 8 ist im Gehäuse 9 eine zur Unterdruckkammer 3 weisende 'öffnung 13 "vorgesehen, in die eine gasdurchlässige Platte 14 aus dem Beschichtungsmetall eingesetzt ist. Im Deckel 10 ist eine Zündkerze 15 eingeschraubt, deren Mittelelektrode 16 durch die Leitung 17 an den negativen Pol der erwähnten Stromquelle angeschlossen ist.

Die Gegenelektrode 18 ist über den Deckel 10, das Gehäuse 9, die Haube 2 und die Tischplatte 1 an den positiven Pol der erwähnten Stromquelle anschließbar. In den vom Gehäuse 9 und Deckel 10 umschlossenen Turbulenzraum 19 mündet ein gegenüber dem Gehäuse 9 isolierter Stutzen 20 für die Zuleitung des Trägergases. Es können

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auch mehrere Stutzen vorgesehen sein und die Einmündung kann radial oder auch tangential gerichtet sein.

Schließlich sind noch hier nicht eigens beschriebene und gezeichnete Mittel bekannter Art zur Regulierung der Spannung und zur Einstellung und Konstanthaltung des Druckes in der Unterdruckkammer je nach den günstigsten Arbeitsbedingungen vorgesehen.

Das mit der Metallbeschichtung zu versehende Werkstück 21 (siehe Fig. 1) wird auf die Werkstückauflage 7 aufgelegt, die Haube 2 auf die Tischplatte 1 aufgesetzt und die so geschlossene Unterdruckkammer 3 durch die Rohrleitung 4 evakuiert. Hernach wird durch den bzw. die Stutzen 20 das Trägergas (z.B. Argon) eingelassen und die Tischplatte 1, die Haube 2 usw. an die Plusspannung gelegt. Es baut sich zwischen Tischplatte 1 und Haube als Anode einerseits und dem Werkstück 21 als Kathode anderseits ein elektrisches Feld auf. Ferner entsteht zwischen der Gegenelektrode 18 und der Mittelelektrode 16 der Zündkerze 15 ein Lichtbogen.

Durch diesen Lichtbogen wird das in- den Turbulenzraum eingetretene Trägergas ionisiert und in ein Wirbelströmung versetzt. Die Gasionen dringen durch die Platte 14 aus Beschichtungsmetall und stäuben daraus Metallionen ab, welche als eine Art "Ionenregen" in das elektrische Feld in der Unterdruckkammer 3 gelangen.In diesem werden sie in Richtung des Werkstücks 21 umgelenkt und treffen dort im Zuge der Glimmentladung zwischen Anode 1, 2 und Kathode 21 mit sehr hoher Geschwindigkeit auf, derart, daß sie zum Teil in die Oberfläche des Werkstückes 21 eindringen und in der Folge eine äußerst festhaftende Metallschicht auf dem Werkstück 21 bilden. Dabei wird die Dicke der Schicht im wesentlichen durch

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die Zeitdauer des Beschichtungsvorganges bestimmt.

Bezüglich der elektrischen Schaltung könnte auch daran gedacht werden, den Plus-Pol der Stromquelle und die an der Tischplatte 1 angeschlossene Leitung 11 an Erde zu legen, wogegen für den Beschichtungsvorgang die Verbindung zwischen Werkstückauflage 7 und Mittelelektrode der Zündkerze 15 mit dem Minus-Pol der Stromquelle herzustellen wäre. Es wären dann^vTischplatte 1 und Haube 2 nicht spannungsführend und es könnte die Isolierung des Durchtritts der Rohrleitung 4 und des Stutzens 20 unterbleiben.

Die Ausführungsform des Ionenerzeugers nach Fig. 3 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 nur durch die Anordnung des Beschichtungsmetalls, das als Ringfutter 22 in das Gehäuse 9 eingelegt ist, und die düsenartige Ausbildung der zur Unterdruckkammer 3 führenden Öffnung 23. Bei der Ausführungsform nach der Fig. 4 ist in die Übergangsöffnung 13 zur Unterdruckkammer 3 ein siebartig gelochter Napf 24 eingelassen, der das Beschichtungsmetall in Form eines Granulates 25 aufnimmt.

Die durch Fig. 5 verdeutlichte Variante des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahrens bedient sich zusätzlich zum Ionenerzeuger 8 noch einer Anode aus Beschichtungsmetall,cüe hier beispielsweise als Hohlzylinder 26 innerhalb der Haube 2 auf die Tischplatte 1 aufgesetzt ist und das Werkstück 21 umgibt. Bei der weiteren Variante nach Fig. 6 wird eine zusätzliche Kathode aus Beschichtungsmetall in Gestalt eines Ringes 27, der das Werkstück 21 umgibt, auf die Werkstückauflage 7 aufgesetzt.

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Die Verwendung zusätzlicher Elektroden kann den Zweck haben, den Beschichtungseffekt zu verstärken, besonders wenn es sich darum handelt, größere Schichtdicken zu erzielen. Es kann aber auch so vorgegangen werden, daß der Ionenerzeuger 8 nur einleitend zur Erzeugung einer ersten festhaftenden Grundschicht verwendet wird, worauf die weitere Beschichtung in herkömmlicher Weise von den zusätzlichen Elektroden 26 bzw. 27 aus erfolgt.

Schließlich können auch mehrere Ionenerzeuger 8 vorgesehen sein, die mit unterschiedlichen Beschichtungsmetallen ausgestattet sind, um eine legierungsartige Beschichtung des Werkstückes zu erzielen. Das Gleiche kann auch erreicht werden, wenn die erwähnten zusätzlichen Elektroden 26 bzw. 27 aus verschiedenen Beschichtungsmetallen bestehen.

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Claims

Dipl.-Ing.

RolfCharrier ■ *>Qτη Λ τL

Patentanwalt £ ö *# U IJH

Rehlingenstraße 8 · Postfach 260

D-8900 Augsburg 31

Telefon 08 21 /3 6015 +3 6016

Telex 53 3 275

l'.iM^hc.kkunm Vtunthen Nr.15-Γ 89-801 Wolfgang ΚΐθίθΗβ

Franz Wäschle 7653/01/Ch/Gr Augsburg, 7. Juli 1978

Ansprüche

/Ii Verfahren zum Auflagern einer Metall- oder Legierungsschicht auf ein elektrisch leitendes Werkstück mittels einer Glimmentladung, wozu das Werkstück als die eine Elektrode eines elektrischen Feldes in einer mit Trägergas beschickten Unterdruckkammer geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas und das Beschichtungsmetal1 vorionisiert werden und im vorionisierten Zustand in das elektrische Feld der Unterdruckkammer überführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst das Trägergas ion.isiert wird, das bei seinem Weg zur Unterdruckkammer über die Oberfläche des Beschichtungsmetalls strömt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas bei seiner Ionisierung in Turbulenz versetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Trägergas abgestäubten Metallpartikel des Beschichtungsmetalls vom Trägergas vorionisiert werden.

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5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß weitere, nicht
vorionisierte Metallionen des Beschichtungsmetalls
zum Auflagern der Schicht verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorionisierten Metallionen des Beschichtungsmetalls zum Auflagern einer Grundschicht dienen, auf die mindestens eine Schicht aus nicht vorionisierten Metallionen, des Beschichtungsmetalls aufgelagert wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruckkammer ein
Ionenerzeuger vorgelagert ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Elektrode des
elektrischen Feldes ein Flächengebilde aus einer gegen Ionisierung hochwiderstandsfähigen Legierung, vorzugsweise die Innenwandfläche der Unterdruckkammer ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß als zweite oder zusätzliche
Elektroden Flächengebilde aus dem Beschichtungsmetal1 selbst in der Unterdruckkammer angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen einer Legierungsschicht jeder Legierungskomponente einzeln ein
Ionenerzeuger zugeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufbringen einer Legierungs-

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schicht zusätzliche Elektroden aus unterschiedlichen Beschichtungsmetallen vorgesehen sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der der Unterdruckkammer (3) vorgelagerte Ionenerzeuger (8) aus einem mit Trägergas beschickbarem Turbulenzraum (19) einer Einrichtung (Zündkerze 15) zur Bildung eines Lichtbogens im Turbulenzraum und Mitteln (14,22,24 und 25) für den Kontakt zwischen dem Trägergas und dem Beschichtungsmetall besteht.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in die Durchtrittsöffnung (13) vom Turbulenzraum (19) zur Unterdruckkammer (3) eine gasdurchlässige Platte (14) aus Beschichtungsmetall eingesetzt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Turbulenzraumes (19) mit einem Futter (22) aus Beschichtungsmetall versehen und die Durchtrittsöffnung (23) zur Unterdruckkammer (3) düsenartig ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in die Durchtrittsöffnung (13) zwischen Turbulenzraum (19) und Unterdruckkammer (3) ein siebartig gelochter Napf (24) eingelassen ist, der das Beschichtungsmetall als Metallgranulat (25) aufnimmt.

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