EP2438218A2 - Werkstück mit zwei nickelhaltigen schichten - Google Patents

Werkstück mit zwei nickelhaltigen schichten

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EP2438218A2
EP2438218A2 EP10709166A EP10709166A EP2438218A2 EP 2438218 A2 EP2438218 A2 EP 2438218A2 EP 10709166 A EP10709166 A EP 10709166A EP 10709166 A EP10709166 A EP 10709166A EP 2438218 A2 EP2438218 A2 EP 2438218A2
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EP
European Patent Office
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layer
nickel
workpiece according
workpiece
mass fraction
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EP10709166A
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English (en)
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EP2438218B1 (de
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Matthias Kurrle
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Stohrer Ipt AG
Original Assignee
IPT - International Plating Technologies GmbH
IPT INTERNAT PLATING TECHNOLOGIES GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B41N1/16—Curved printing plates, especially cylinders
    • B41N1/20—Curved printing plates, especially cylinders made of metal or similar inorganic compounds, e.g. plasma coated ceramics, carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C25D3/02—Electroplating: Baths therefor from solutions
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    • C25D3/14—Electroplating: Baths therefor from solutions of nickel or cobalt from baths containing acetylenic or heterocyclic compounds
    • C25D3/18—Heterocyclic compounds

Definitions

  • the invention relates to a workpiece with at least one nickel-containing layer.
  • the object is achieved by a workpiece according to claim 1.
  • the recycling of the first and second layer is facilitated because both layers have nickel as the main component.
  • the workpiece is also suitable for laser engraving.
  • a layer containing nickel and hexagonal boron nitride has advantageous properties and can serve in particular as a wear protection layer.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a gravure cylinder in cut
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a galvanizing plant
  • FIG. 4 shows a cross section through a gravure cylinder
  • FIG. 5 shows a transverse section through a base body with a layer containing nickel and hexagonal boron nitride
  • FIG. 6 shows a transverse section through a layer of nickel and hexagonal boron nitride
  • FIG. 7 shows the transverse section from FIG. 5 in the original.
  • FIG. 1 shows a gravure cylinder (generally: workpiece) 10 having a core (in general: base body) 12, a first layer 14, which is applied to the core, and a second layer 16, which is applied to the first layer 14.
  • the longitudinal axis 18 of the workpiece 10 is indicated schematically.
  • the core 12 e.g. a cylinder made of steel, copper or zinc used.
  • the first layer 14 is preferably made of pure nickel
  • the second layer 16 is preferably made of a composition NiX, where X is e.g. Silicon carbide (SiC), phosphorus (P), hexagonal boron nitride (h-BN) and / or another, preferably non-metallic component (additive), which together with the nickel has better anti-wear properties than pure nickel.
  • the mass fraction of the non-metallic constituent in the second layer 16, that is to say the relative mass of the non-metallic constituent on the total mass of the substance mixture, is preferably between 0.001 and 0.15, more preferably between 0.003 and 0.12, more preferably between 0 , 01 and 0.10, more preferably between 0.03 and 0.09.
  • the wear ie the continuous loss of material from the surface of a solid body, caused by mechanical causes, depends on a variety of material properties. In general, a high hardness, anti-adhesive properties and a low coefficient of friction are advantageous.
  • Pure, electrodeposited nickel has a hardness in the range of 350 to 550 HV 0.05, depending on the galvanic bath used, and the second Layer preferably has a hardness of at least 450 HV 0.05, for example between 450 and 750 HV 0.05.
  • the specification 350 HV 0.05 indicates, for example, that the hardness test according to Vickers with a test force of 0.05 kp a hardness value of 350 was measured.
  • the first layer 14 preferably has a layer thickness of 20 to 210 ⁇ m, more preferably 30 to 200 ⁇ m, more preferably 30 to 80 ⁇ m
  • the second layer 16 preferably has a layer thickness of 1 to 20 ⁇ m, more preferably 3 to 15 ⁇ m, more preferably from 5 to 15 ⁇ m.
  • the main body 12 may also be formed in multiple layers and have different shapes. In particular, it may have an additional stop layer / base layer of nickel or copper.
  • the first layer 14 has a thickness of 30 microns and consists of pure nickel with a mass fraction of 1, 00, and the second layer 16 has a thickness of 5 microns and consists from a composition of nickel with a mass fraction of 0.96 and phosphorus with a mass fraction of 0.04.
  • the first layer 14 has a thickness of 35 ⁇ m and consists of a composition (alloy) of nickel with a mass fraction of 0.96 and chromium with a mass fraction of 0, 04
  • the second layer 16 has a thickness of 5 microns and consists of a composition of nickel with a mass fraction of 0.911, chromium with a mass fraction of 0.039, and hexagonal boron nitride with a mass fraction of 0.05.
  • the mass ratio of chromium to nickel in the second Layer at 0.0428 substantially the same as in the first layer at 0.042 (calculated by 0.04 / 0.96).
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the printing cylinder 10 with a cup 22 which extends through the second layer 16 into the first layer 14 and is filled with printing ink 20.
  • the second layer (NiX layer) 16 also has the advantage of poorer wetting compared to pure nickel in addition to the better anti-wear properties, so that the printing ink 20 does not get stuck in the wells 22.
  • the cups 22 can be produced by engraving, in particular laser engraving and - if not too high hardness of the second layer 16 and / or a thin second layer 16 - by electromechanical engraving.
  • a great advantage of the second layer (NiX layer) 16 and also the first layer 14 is the good suitability for laser engraving. Especially with respect to the chromium and copper layers which are customary today, better results can be achieved in laser engraving in nickel. manufacturing
  • FIG. 3 shows a galvanizing plant 50 with an upper trough 52, in which the workpiece 10 is rotatably mounted, a first lower trough 54 with a galvanic nickel bath 55 : and a second lower trough 56 with a galvanic NiX bath 57.
  • An anode cage 60 is partially disposed about the workpiece 10 and connected to a voltage or current source 62, which is also connected to the workpiece 10.
  • a pumping device 70 allows the bath 55 to be pumped into the upper trough 52, and a valve 72 allows the bath to be drained from the upper trough 52 into the first lower trough 54.
  • a pumping device 80 allows the bath 57 to be pumped into the first trough 54 Upper trough 52, and a valve 82 allows draining the bath from the upper trough 52 into the second lower trough 56th
  • the nickel bath is pumped in the circuit via the pumping device 70 into the upper trough 52 and then discharged via the valve 72 back into the first lower trough 54.
  • the galvanic coating of the workpiece 10 with the first layer 14 of nickel e.g. with a relatively high deposition rate of, for example, up to 10 microns / min is possible, so that a layer thickness of 50 microns requires about 5 minutes.
  • the nickel bath is completely discharged via the Ventii 72 in the first lower trough 54, and then the NiX bath from the second lower trough 56 is pumped in the same way in the circuit in the upper trough 52, and the coating of the workpiece 10th with the second layer 16 of NiX takes place.
  • the deposition rate is lower, for example, up to 5 ⁇ m / min, but the second layer 16 is thinner than the first layer 14, so that the entire coating of the workpiece 10 with the first and second layers can be done in about 7 to 30 minutes.
  • a speed advantage is also achieved in that the same upper tray 52 can be used for both layers, since in both process steps a galvanic bath 55, 57 with which metal nickel is used, thus precluding contamination of the foreign metal baths, which would normally require the use of two separate upper trays and transport of the workpiece 10.
  • the workpiece After coating, the workpiece is usually polished before engraving is performed.
  • the second layer 16 is completely turned off and the first layer 14 is partially turned off or milled on a lathe, and then a new coating can take place.
  • a major advantage of using the same metal or the same metal combination for the first and second layers 14, 16 is that the separated material - possibly after a cleaning process - can be used again for coating and no consuming or in part impossible separation of different metals must be done.
  • FIG 4 shows a cross section through a gravure cylinder 10, in which a separating layer 13 is arranged between the main body 12 and the first layer 14.
  • the separating layer 13 serves to prevent a firmly adhering connection between the first layer 14 and the main body 12, so as to allow mechanical breaking and subsequent stripping of the first layer 14 and second layer 16 in the manner of a ballard skin.
  • a separation layer 13 for example, a silver layer can be applied, which oxidizes, or an organic layer (eg, protein) can be used.
  • FIG. 5 shows a transverse section through a workpiece 10 with a base body 12 made of copper (copper bolt), on the surface 15 of which an outer, 60 ⁇ m thick layer (wear protection layer) 16 is applied, which consists of a composition of nickel and hexagonal boron nitride (h). BN).
  • the hexagonal boron nitride is visible in the form of dots 17, which are darker than the nickel.
  • the larger, very dark dots 24 are superficial deposits that have been added in connection with the creation of the cross section.
  • a protective layer 19 of a potting agent (e.g., plastic) is applied, which is provided only to prevent destruction of the outer layer 16 in cross-section.
  • the protective layer 19 and the main body 12 have been lightened by image processing for better reproduction.
  • Fig. 6 shows a transverse section through a Ni h-BN layer 16, which compared to the layer 16 of FIG. 5 has a higher mass fraction of - recognizable as darker stains - hexagonal boron nitride 17.
  • the grooves 25 come from the cross section. Image editing has increased brightness and contrast. A scale is not available.
  • Fig. 7 shows the transverse section of Fig. 5 in the original.
  • Ni h -BN layer has very good anti-wear properties and therefore in many applications, e.g. in the coating of gravure cylinders or cylinders for internal combustion engines (in general: workpieces), can be used as a replacement for a wear protection layer of hard chrome.
  • the hardness is approximately 450 to 600 HV 0.05, similar to a NiP layer, but less than that of hard chrome (up to 1200 HV 0.05).
  • Ni h -BN layer consists in a large Reibwertreduzi für uzi für satusky satusky satusky satusky satusky satusky satusky satusky satusky satusky satusky satusky satusky satusky satusky satusky satusky satusky .
  • the advantage of good coefficient of friction reduction is more important in terms of scuffing than the disadvantage of lower hardness. It is advantageous to add further particles such as SiC.
  • the mass fraction of the hexagonal boron nitride 17 in the layer 16 is preferably between 0.001 and 0.08, more preferably between 0.002 and 0.07, and more preferably between 0.01 and 0.05.
  • the hexagonal boron nitride does not dissolve in the bath, it is advantageous in the preparation of the galvanic bath, a ready-to-use aqueous h-BN suspension with a Netzmitte! to use as commercially available, and the galvanic bath must be set in motion during the electroplating process.
  • a nickel content in the electrolytic bath of about 110 g / l and a pH in the range of 1, 7 - 4.5 has proved to be advantageous.
  • the specified bath batch can also be used for the other mentioned NiX layers, the respective X content being added as an additive at the desired concentration.
  • Example 3
  • the stated solids were dissolved in water.
  • the temperature was 60 ° C. and the pH was 2.
  • the current program for the galvanization was 2 minutes at
  • a workpiece 10 in particular a gravure cylinder or cylinder of an internal combustion engine, an outer layer 16, in the nickel with a
  • Mass fraction of at least 0.85 and hexagonal boron nitride 17 are provided.
  • the outer layer 16 Nickei with a mass fraction of at least 0.95.
  • the outer layer 16 serves as a wear protection layer.
  • the outer layer 16 is electrodeposited.
  • the outer layer 16 is deposited from an aqueous dispersion.
  • the outer layer 16 contains silicon carbide.
  • the outer layer 16 contains phosphorus.
  • the outer layer 16 contains hexagonal boron nitride 17 with a
  • Mass fraction between 0.001 and 0.08, preferably between 0.002 and 0.07, more preferably between 0.01 and 0.05.

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Abstract

Ein Werkstück (10), insbesondere ein Tiefdruckzylinder hat einen Grundkörper (12), eine erste Schicht (14), welche zumindest teilweise auf dem Grundkörper (12) angeordnet ist und Nickel mit einem Massenanteil von mindestens 0,80, insbesondere von mindestens 0,95, enthält, und eine zweite Schicht (16), welche zumindest teilweise auf der dem Grundkörper (12) gegenüberliegenden Seite der ersten Schicht (14) angeordnet ist und Nickel mit einem Massenanteil von mindestens 0,70, insbesondere von mindestens 0,85, und mindestens einen nichtmetallischen Bestandteil enthält, wobei die zweite Schicht (16) härter ist als die erste Schicht (14).

Description

Werkstück mit mindestens einer nickelhaltigen Schicht
Die Erfindung betrifft ein Werkstück mit mindestens einer nickelhaltigen Schicht.
Im Tiefdruck werden derzeit überwiegend Zylinder mit einer Gravurschicht aus Kupfer und einer Verschleißschutzschicht aus Hartchrom verwendet. Dabei geschieht die galvanische Abscheidung von Chrom mit einem schlechten Wirkungsgrad.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein neues Werkstück bereit zu stellen.
Nach der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Werkstück gemäß Anspruch 1. Bei einem solchen Werkstück wird das Recycling der ersten und zweiten Schicht erleichtert, da beide Schichten als Hauptbestandteil Nickel aufweisen. Das Werkstück ist auch für eine Lasergravur geeignet.
Eine vorteilhafte Weiterbildung ergibt sich aus dem Anspruch 6. Bei einem solchen Werkstück ist das Recycling der ersten und zweiten Schicht besonders gut möglich, da es sich trotz der beiden Schichten im Wesentlichen um ein sortenreines Einmetallsystem handelt.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Werkstück gemäß Anspruch 14. Eine Schicht, die Nickel und hexagonales Bornitrid enthält, hat vorteilhafte Eigenschaften und kann insbesondere auch als Verschleißschutzschicht dienen.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Tiefdruckzylinders in geschnittener
Darstellung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Tiefdruckzylinder aus Fig. 1 , Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Galvanisieranlage, Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Tiefdruckzylinder, Fig. 5 einen Querschliff durch einen Grundkörper mit einer Schicht, welche Nickel und hexagonales Bornitrid enthält, Fig. 6 einen Querschliff durch eine Schicht aus Nickel und hexagonalem Bornitrid, und Fig. 7 den Querschliff aus Fig. 5 im Original.
Fig. 1 zeigt einen Tiefdruckzylinder (allgemein: Werkstück) 10 mit einem Kern (allgemein: Grundkörper) 12, einer ersten Schicht 14, welche auf dem Kern aufgebracht ist, und einer zweiten Schicht 16, welche auf der ersten Schicht 14 aufgebracht ist. Die Längsachse 18 des Werkstücks 10 ist schematisch angedeutet. Als Kern 12 wird z.B. ein Zylinder aus Stahl, Kupfer oder Zink verwendet.
Die erste Schicht 14 besteht bevorzugt aus reinem Nickel, und die zweite Schicht 16 besteht bevorzugt aus einer Zusammensetzung NiX, wobei X z.B. Siliciumcarbid (SiC), Phosphor (P), hexagonales Bornitrid (h-BN) und/oder ein anderer, bevorzugt nicht-metallischer Bestandteil (Zusatzstoff) ist, der zusammen mit dem Nickel bessere Verschleißschutzeigenschaften hat als reines Nickel. Der Massenanteil des nicht-metallischen Bestandteils in der zweiten Schicht 16, also die relative Masse des nicht-metallischen Bestandteils an der Gesamtmasse des Stoffgemischs, liegt bevorzugt zwischen 0,001 und 0,15, weiter bevorzugt zwischen 0,003 und 0,12, weiter bevorzugt zwischen 0,01 und 0,10, weiter bevorzugt zwischen 0,03 und 0,09.
Der Verschleiß, also der fortlaufende Materialverlust aus der Oberfläche eines festen Körpers, hervorgerufen durch mechanische Ursachen, ist von einer Vielzahl von Materialeigenschaften abhängig. Im Allgemeinen sind eine große Härte, antiadhäsive Eigenschaften und eine geringe Reibungszahl vorteilhaft.
Reines, galvanisch abgeschiedenes Nickel hat - in Abhängigkeit vom verwendeten galvanischen Bad - eine Härte im Bereich von 350 bis 550 HV 0,05, und die zweite Schicht hat bevorzugt eine Härte von mindestens 450 HV 0,05, z.B. zwischen 450 und 750 HV 0,05. Die Angabe 350 HV 0,05 gibt z.B. an, dass die Härteprüfung nach Vickers mit einer Prüfkraft von 0,05 kp ein Härtewert von 350 gemessen wurde. 0,05 kp (Kilopond) entsprechen in etwa dem Gewicht einer Masse von 50 g, und 1 kp = 9,80665 N.
Die erste Schicht 14 hat bevorzugt eine Schichtdicke von 20 bis 210 μm, weiter bevorzugt von 30 bis 200 μm, weiter bevorzugt von 30 bis 80 μm, und die zweite Schicht 16 bevorzugt eine Schichtdicke von 1 bis 20 μm, weiter bevorzugt von 3 bis 15 μm, weiter bevorzugt von 5 bis 15 μm.
Der Grundkörper 12 kann auch mehrschichtig ausgebildet sein und unterschiedliche Formen aufweisen. Insbesondere kann er eine zusätzliche Anschlagschicht/Grundschicht aus Nickel oder Kupfer aufweisen.
Beispiel 1
Als Beispiel für die Beschichtung eines Druckzylinders 12 mit einem Durchmesser von 60 cm hat die erste Schicht 14 eine Dicke von 30 μm und besteht aus reinem Nickel mit einem Massenanteil von 1 ,00, und die zweite Schicht 16 hat eine Dicke von 5 μm und besteht aus einer Zusammensetzung aus Nickel mit einem Massenanteil von 0,96 und Phosphor mit einem Massenanteil von 0,04.
Beispiel 2
Als weiteres Beispiel für die Beschichtung eines Druckzylinders 12 mit einem Durchmesser von 80 cm hat die erste Schicht 14 eine Dicke von 35 μm und besteht aus einer Zusammensetzung (Legierung) aus Nickel mit einem Massenanteil von 0,96 und Chrom mit einem Massenanteil von 0,04, und die zweite Schicht 16 hat eine Dicke von 5 μm und besteht aus einer Zusammensetzung aus Nickel mit einem Massenanteil von 0,911 , Chrom mit einem Massenanteil von 0,039, und hexagonalem Bornitrid mit einem Massenanteil von 0,05.
Der metallische Bestandteil der zweiten Schicht 16 hat hier einen Massenanteil von 0,911 (Nickel) + 0,039 (Chrom) = 0,95, und bezogen auf den metallischen Bestandteil, also ohne Berücksichtigung der nicht-metallischen Bestandteile, hat das Nickel einen Massenanteil von 0,911 / 0,95 = 0,959 und das Chrom einen Massenanteil von 0,039 / 0,95 = 0,041 , und dies entspricht im Wesentlichen den Massenanteilen der Metalle in der ersten Schicht 14. Das Massenverhältnis von Chrom zu Nickel ist in der zweiten Schicht mit 0,0428 (berechnet durch 0:039 / 0,911) im Wesentlichen gleich wie in der ersten Schicht mit 0,042 (berechnet durch 0,04 / 0,96). Dies hat den Vorteil, dass nach einem Abtragen der ersten Schicht 14 und zweiten Schicht 16 das abgetragene Material nach Reinigung von den Zusätzen erneut verwendet werden kann, da das relative Verhältnis der Massenanteile der einzelnen Metalle zueinander (hier Nickel und Chrom, ggf. auch zusätzliche Metalle) in beiden Schichten ähnlich bzw. im Wesentlichen gleich bzw. gleich ist. Wie dem Fachmann bekannt ist, schwankt der Metallgehalt in den elektrolytischen Bädern über die Zeit, und der Begriff der Gleichheit der relativen Verhältnisse der Massenanteile der einzelnen Metalle zueinander muss entsprechend weit ausgelegt werden.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Druckzylinders 10 mit einem Näpfchen 22, das sich durch die zweite Schicht 16 hindurch in die erste Schicht 14 erstreckt und mit Druckfarbe 20 gefüllt ist.
Die zweite Schicht (NiX-Schicht) 16 hat gegenüber reinem Nickel neben den besseren Verschleißschutzeigenschaften auch den Vorteil einer schlechteren Benetzung, so dass die Druckfarbe 20 nicht in den Näpfchen 22 hängen bleibt.
Die Näpfchen 22 können durch Gravur, insbesondere Lasergravur und - bei nicht zu großer Härte der zweiten Schicht 16 und/oder einer dünnen zweiten Schicht 16 - auch durch elektromechanische Gravur hergestellt werden.
Ein großer Vorteil der zweiten Schicht (NiX-Schicht) 16 und auch der ersten Schicht 14 ist die gute Eignung für die Lasergravur. Insbesondere gegenüber den heutzutage üblichen Chrom- und Kupferschichten können bei der Lasergravur in Nickel bessere Ergebnisse erzielt werden. Herstellung
Fig. 3 zeigt eine Galvanisieranlage 50 mit einer oberen Wanne 52, in der das Werkstück 10 drehbar gelagert ist, einer ersten unteren Wanne 54 mit einem galvanischen Nickel-Bad 55: und einer zweiten unteren Wanne 56 mit einem galvanischen NiX-Bad 57.
Ein Anodenkäfig 60 ist teilweise um das Werkstück 10 herum angeordnet und mit einer Spannungs- bzw. Stromquelle 62 verbunden, welche auch mit dem Werkstück 10 verbunden ist.
Eine Pumpvorrichtung 70 ermöglicht ein Pumpen des Bads 55 in die obere Wanne 52, und ein Ventil 72 ermöglicht ein Ablassen des Bads aus der oberen Wanne 52 in die erste untere Wanne 54. In gleicher Weise ermöglicht eine Pumpvorrichtung 80 ein Pumpen des Bads 57 in die obere Wanne 52, und ein Ventil 82 ermöglicht ein Ablassen des Bads aus der oberen Wanne 52 in die zweite untere Wanne 56.
Im dargestellten Verfahrensschritt wird das Nickel-Bad im Kreislauf über die Pumpvorrichtung 70 in die obere Wanne 52 gepumpt und anschließend über das Ventil 72 wieder in die erste untere Wanne 54 abgelassen.
Es erfolgt die galvanische Beschichtung des Werkstücks 10 mit der ersten Schicht 14 aus Nickel, die z.B. mit einer relativ hohen Abscheiderate von beispielsweise bis zu 10 μm/min möglich ist, so dass eine Schichtdicke von 50 μm ca. 5 Minuten benötigt. Anschließend wird das Nickel-Bad vollständig über das Ventii 72 in die erste untere Wanne 54 abgelassen, und danach wird das NiX-Bad aus der zweiten unteren Wanne 56 in gleicher Weise im Kreislauf in die obere Wanne 52 gepumpt, und die Beschichtung des Werkstücks 10 mit der zweiten Schicht 16 aus NiX findet statt. Hierbei ist die Abscheiderate mit beispielsweise bis zu 5 μm/min niedriger, aber die zweite Schicht 16 ist dünner als die erste Schicht 14, so dass die gesamte Beschichtung des Werkstücks 10 mit der ersten und zweiten Schicht in etwa 7 bis 30 Minuten erfolgen kann.
Ein Geschwindigkeitsvorteil wird auch dadurch erzielt, dass für beide Schichten die gleiche obere Wanne 52 verwendet werden kann, da in beiden Prozessschritten ein galvanisches Bad 55, 57 mit dem Metall Nickel verwendet wird und so eine Verunreinigung der Bäder mit fremden Metallen ausgeschlossen ist, die im Normalfall die Verwendung von zwei getrennten oberen Wannen und einen Transport des Werkstücks 10 erforderlich machen würde.
Nach der Beschichtung wird das Werkstück üblicherweise poliert, bevor anschließend die Gravur erfolgt.
Recycling
Um das Werkstück 10 wieder verwenden zu können, werden z.B. bei einer haftfesten Beschichtung die zweite Schicht 16 vollständig und die erste Schicht 14 teilweise auf einer Drehbank abgedreht bzw. abgefräst, und anschließend kann eine neue Beschichtung erfolgen.
Ein großer Vorteil bei der Verwendung des gleichen Metalls bzw. der gleichen Metallkombination für die erste und zweite Schicht 14, 16 besteht darin, dass das abgetrennte Material - ggf. nach einem Reinigungsvorgang - erneut zur Beschichtung verwendet werden kann und keine aufwändige bzw. zum Teil unmögliche Trennung unterschiedlicher Metalle erfolgen muss.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Tiefdruckzylinder 10, bei dem zwischen dem Grundkörper 12 und der ersten Schicht 14 eine Trennschicht 13 angeordnet ist.
Die Trennschicht 13 dient dazu, eine haftfeste Verbindung zwischen der ersten Schicht 14 und dem Grundkörper 12 zu verhindern, um so nach Art einer Ballardhaut ein mechanisches Brechen und anschließendes Abziehen der ersten Schicht 14 und zweiten Schicht 16 zu ermöglichen.
Als Trennschicht 13 kann z.B. eine Silberschicht aufgebracht werden, die oxidiert, oder es kann eine organische Schicht (z.B. Eiweiß) verwendet werden. Die Dicke beträgt z.B. wenige Angström (1 A = 10~10 m). Ni h-BN
Fig. 5 zeigt einen Querschliff durch ein Werkstück 10 mit einem Grundkörper 12 aus Kupfer (Kupferbolzen), auf dessen Oberfläche 15 eine äußere, 60 μm dicke Schicht (Verschleißschutzschicht) 16 aufgebracht ist, die aus einer Zusammensetzung aus Nickel und hexagonalem Bornitrid (h-BN) besteht. Das hexagonale Bornitrid ist in Form von gegenüber dem Nickel dunkleren Punkten 17 sichtbar. Bei den größeren, ganz dunklen Punkten 24 handelt es sich dagegen um oberflächliche Einlagerungen, die im Zusammenhang mit der Erstellung des Querschliffs hinzugekommen sind.
Oberhalb der Ni h-BN-Schicht 16 ist eine Schutzschicht 19 aus einem Einbettmittel (z.B. Kunststoff) aufgebracht, die nur zur Verhinderung einer Zerstörung der äußeren Schicht 16 beim Querschliff vorgesehen ist. Die Schutzschicht 19 und der Grundkörper 12 sind durch Bildbearbeitung zur besseren Wiedergabe aufgehellt worden.
Fig. 6 zeigt einen Querschliff durch eine Ni h-BN-Schicht 16, die gegenüber der Schicht 16 aus Fig. 5 einen höheren Massenanteil an - als dunklere Flecken erkennbarem - hexagonalem Bornitrid 17 hat. Die Rillen 25 kommen vom Querschliff. Durch Bildbearbeitung wurden die Helligkeit und der Kontrast erhöht. Ein Maßstab liegt nicht vor.
Fig. 7 zeigt den Querschliff aus Fig. 5 im Original.
Versuche haben ergeben, dass eine solche Ni h-BN-Schicht sehr gute Verschleißschutzeigenschaften hat und deshalb in vielen Einsatzbereichen, z.B. bei der Beschichtung von Tiefdruckzylindern oder auch von Zylindern für Verbrennungsmotoren (allgemein: Werkstücken), als Ersatz für eine Verschleißschutzschicht aus Hartchrom eingesetzt werden kann.
Die Härte ist mit ca. 450 bis 600 HV 0,05 ähnlich groß wie bei einer NiP-Schicht, aber geringer als die von Hartchrom (bis zu 1.200 HV 0,05).
Ein großer Vorteil der Ni h-BN-Schicht besteht in einer großen Reibwertreduzierung (Reibungszahlreduzierung, Reibungskoeffizientreduzierung), insbesondere in der Reduzierung der Trockenreibung, wobei die Reibwertreduzierung dazu führt, dass die Verschleißschutzeigenschaften - abhängig vom Anwendungsfall - ähnlich gut wie bei Hartchrom sind. Bei mangelnder Schmierung tritt bei tribologisch beanspruchtem reinem Nickel schnell Fressreibung auf, und dies wird durch die durch die Ni h-BN-Schicht erreichte Reibwertreduzierung verhindert bzw. zumindest vermindert. Der Vorteil der guten Reibwertreduzierung ist in Bezug auf die Fressreibung wichtiger als der Nachteil der geringeren Härte. Vorteilhaft ist ein Zusatz weiterer Partikel wie z.B. SiC.
Der Massenanteil des hexagonalen Bornitrids 17 in der Schicht 16 beträgt bevorzugt zwischen 0,001 und 0,08, weiter bevorzugt zwischen 0,002 und 0,07, und weiter bevorzugt zwischen 0,01 und 0,05.
Herstellung von Ni h-BN
Die Herstellung einer Ni h-BN-Schicht wurde erfolgreich durch eine galvanische Beschichtung mit dem folgenden Badansatz durchgeführt:
• 500 g/l Nickelsulfat (NiSO4 ■ 7 H2O)
• 30 - 45 g/l Borsäure (H3BO3)
• 15 - 35 ml/l organischer Kornverfeinerer/Härtebildner, z.B. Saccharin
• 10 - 50 ml/l Zusatz, z.B. h-BN und/oder weitere Zusätze.
Da sich das hexagonale Bornitrid nicht im Bad löst, ist es vorteilhaft, bei der Herstellung des galvanischen Bads eine gebrauchsfertige wässrige h-BN- Suspension mit einem Netzmitte! zu verwenden, wie es im Handel erhältlich ist, und das galvanische Bad muss während des Galvanisiervorgangs in Bewegung versetzt werden. Bei Versuchen hat sich ein Nickel-Gehalt im elektrolytischen Bad von ca. 110 g/l und ein pH-Wert im Bereich von 1 ,7 - 4,5 als vorteilhaft erwiesen.
Man kann bei einer Ni h-BN-Schicht bzw. bei einer anderen aus einer wässrigen Dispersion abgeschiedenen Schicht auch von einer Dispersionsschicht sprechen.
Der angegebene Badansatz kann auch für die anderen genannten NiX-Schichten verwendet werden, wobei der jeweilige X-Anteil als Zusatz mit der gewünschten Konzentration zugegeben wird. Beispiel 3
Eine gut haftende Ni h-BN-Schicht auf einem entfetteten, aktivierten und dekapierten
Kupferbolzen hat sich mit der folgenden Badzusammensetzung ergeben:
300 g/l Nickelsulfat
40 g/l Borsäure
2,6 g/l Saccharin
20 g/l h-BN
Die genannten Feststoffe wurden in Wasser aufgelöst. Die Temperatur betrug 60 0C und der pH-Wert 2. Das Stromprogramm für die Galvanisierung betrug 2 Minuten bei
2,5 A/dm2 für eine glatte Schicht und anschließend 10 Minuten bei 30 A/dm2
(abhängig von der gewünschten Schichtdicke).
Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
So können neben Tiefdruckzylindern und Zylindern von Motoren auch andere Werkstücke wie oben ausgeführt beschichtet werden, um den Verschleißschutz zu erhöhen.
Bevorzugt weist ein Werkstück 10, insbesondere ein Tiefdruckzylinder oder Zylinder eines Verbrennungsmotors, eine äußere Schicht 16 auf, in der Nickel mit einem
Massenanteil von mindestens 0,85 und hexagonales Bornitrid 17 vorgesehen sind.
Bevorzugt weist die äußere Schicht 16 Nickei mit einem Massenanteil von mindestens 0,95 auf.
Bevorzugt dient die äußere Schicht 16 als Verschleißschutzschicht.
Bevorzugt ist die äußere Schicht 16 galvanisch abgeschieden.
Bevorzugt ist die äußere Schicht 16 aus einer wässrigen Dispersion abgeschieden.
Bevorzugt enthält die äußere Schicht 16 Siliciumcarbid.
Bevorzugt enthält die äußere Schicht 16 Phosphor.
Bevorzugt enthält die äußere Schicht 16 hexagonales Bornitrid 17 mit einem
Massenanteil zwischen 0,001 und 0,08, bevorzugt zwischen 0,002 und 0,07, weiter bevorzugt zwischen 0,01 und 0,05.

Claims

Patentansprüche
1. Werkstück (10), insbesondere Tiefdruckzylinder oder Zylinder eines Verbrennungsmotors, welches aufweist:
Einen Grundkörper (12), eine erste Schicht (14), welche zumindest teilweise auf dem Grundkörper (12) angeordnet ist und Nickel mit einem Massenanteil von mindestens 0,80, insbesondere von mindestens 0,95, aufweist, und eine zweite Schicht (16), welche zumindest teilweise auf der dem Grundkörper
(12) gegenüberliegenden Seite der ersten Schicht (14) angeordnet ist, welche
Nickel mit einem Massenanteil von mindestens 0,70, insbesondere von mindestens 0,85, und mindestens einen nicht-metallischen Bestandteil aufweist, wobei die zweite Schicht (16) härter ist als die erste Schicht (14).
2. Werkstück nach Anspruch 1 , bei welchem der nicht-metallische Bestandteil Phosphor (P), Siliciumcarbid (SiC) und/oder hexagonales Bornitrid (h-BN) aufweist.
3. Werkstück nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die erste Schicht (14) dicker ist als die zweite Schicht (16).
4. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Dicke der ersten Schicht (14) zwischen 20 und 210 μm, insbesondere zwischen 30 und 200 μm, liegt.
5. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Dicke der zweiten Schicht (16) zwischen 1 und 20 μm, insbesondere zwischen 3 und 15 μm, liegt.
6. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der metallische Bestandteil der ersten Schicht (14) und der zweiten Schicht (16) jeweils Nickel mit einem Massenanteil von mindestens 0,95, insbesondere von mindestens 0,98 aufweist.
7. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der metallische Bestandteil der ersten Schicht (14) und der zweiten Schicht (16) neben dem Nickel mindestens ein gleiches weiteres Metall autweist.
8. Werkstück nach Anspruch 7, bei welchem das relative Massenverhältnis zwischen der Masse des mindestens einen gleichen weiteren Metalls und der Masse des Nickels in beiden Schichten ähnlich ist.
9. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die erste Schicht und die zweite Schicht galvanisch abgeschieden sind.
10. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der gesamte nicht-metallische Bestandteil der zweiten Schicht einen Massenanteil zwischen 0,001 und 0,15, bevorzugt zwischen 0,003 und 0,12, weiter bevorzugt zwischen 0,01 und 0,10 hat.
11. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zwischen dem Grundkörper (12) und der ersten Schicht (14) eine Trennschicht (13) angeordnet ist, welche einer haftfesten Verbindung zwischen der ersten Schicht (14) und dem Grundkörper (12) entgegenwirkt.
12. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem die erste Schicht (14) und die zweite Schicht (16) haftfest mit dem Grundkörper (12) verbunden sind.
13. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches zumindest in der zweiten Schicht (16) Näpfchen (22) aufweist, welche durch Lasergravur hergestellt sind.
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