WO2011039009A2 - Verfahren zum elektrochemischen beschichten eines substrates durch brush plating und vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens - Google Patents

Verfahren zum elektrochemischen beschichten eines substrates durch brush plating und vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens Download PDF

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Stefan Lechner
Marinko Lekic-Ninic
Uwe Pyritz
Manuela Schneider
Heike Springborn
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    • C25D5/605—Surface topography of the layers, e.g. rough, dendritic or nodular layers

Definitions

  • the invention relates to a process for the electrochemical coating of a substrate by brush plating, in which an electrolyte is applied to the substrate using a transmitter, with the simultaneous incorporation of particles a metallic layer on the substrate ausbil ⁇ det.
  • a method for incorporating particles into a layer can be found, for example, in DE 101 25 290 A1, DE 101 25 289 A1 or JP 01301897 A.
  • a brush plating method is an electrochemical coating processes to understand, in which the substrate to be coated is not immersed in an electrolyte, son ⁇ countries, the electrolyte is applied to the substrate with a process known as Brush, or "brush" carriers. It must not come brush in the narrower sense are used. Instead, the transmitter must have the properties of being able to transfer the electrolyte to the substrate due primarily capillary effects.
  • a brush is at ⁇ play because arise capillary channels between the individual bristles to Other structures which are suitable for the transfer of the electrolyte are, for example, sponge-like, ie open-pored, intrinsically elastic materials.
  • the transmitter is fed by a channel system with electrolyte, which is in fluid communication with the capillary channels of the transmitter.
  • electrolyte which is in fluid communication with the capillary channels of the transmitter.
  • the main advantage compared to classical electrochemical coating, in which the substrate is immersed in the electrolyte is that a high material throughput ⁇ is possible by continuous tracking of electrolyte. Accordingly deströme, can be implemented, for example, the electroplating correspondingly high deposition which is why a fast layer on ⁇ construction is possible.
  • constant flow of the electrolyte during brush plating prevents a stationary state in the electrolyte due to a limited diffusion speed, which limits the coating speed.
  • DE 10 2004 030 523 A1 discloses a powder conveyor.
  • the object of the invention is therefore to specify a method for the electrochemical coating of substrates by means of brush plating, in which a comparatively high margin for the incorporation of particles is made available.
  • a second conduit system is provided for the particles, are applied with the particles directly on the substrate to be coated prior to treatment with the transmitter.
  • the inventive method advantageously ensures that no stable dispersion of particles in the electrolyte has to be produced. Rather, the fact is used that the time for the layer formation process is very short in brush plating.
  • the particles are advantageously applied directly before the coating by brush-plating with the separate feed, the second conduit system (for more details on the concrete design of the second conduit system). Therefore, unwanted agglomeration of particles during the short time to coating of the sub- Strates excluded. This has the advantage that even par ⁇ Tikel as CNT or BNNT can be used, which can be per se in the available electrolytes disperse bad.
  • the particles can be in ver ⁇ tively high concentrations which are not normally stable as a dispersion in the respective electrolyte applied. As a result, the rate of incorporation of particles in the forming layer can be increased. This makes the process window, which is to Ausbil ⁇ dung of electrochemical layers of dispersed particles is available, advantageously greater.
  • Dendrites favor - with negative effects on the coating quality.
  • Another embodiment of the invention provides that the particles are fed in the second alloy system as a dispersion.
  • a gas formation of an aerosol
  • a liquid can be used here (to form a suspension) is used as the dispersant.
  • the promotion and dosage of the particles to be incorporated into the trainee layer as a powder is possible.
  • the use of dispersions has the advantage that handling is generally simplified.
  • ⁇ preferably also the electrolyte itself comes to an ⁇ set.
  • the electrolyte which is fed in by the first line system and the electric lyt, which is fed through the second line system only in the concentration of dispersed particles.
  • the electrolyte in the first line system which makes up the major part of the mass flow rate, is advantageously not provided with a larger quantity of particles, so that handling is advantageously simplified.
  • the capture of the electrolyte after brush plating and recycling the same in the stock from which the first line system is fed it may be that small amounts of
  • Electrolyte or other dispersion which is applied by the second conduit system, are mixed for a short time before its use, so that a long-term ⁇ stability of this suspension is not required.
  • it can be used as a liquid dispersion medium and a liquid ⁇ speed, in which the dispersion of the respective particles is simplified.
  • This dispersant may not affect the subsequent coating process of Brush Platings undesirably al ⁇ lerdings. This must be taken into account in the selection accordingly.
  • Is supplied as a dispersion medium is a liquid, may be selected to this advantageous that the Dis ⁇ persionsstoff evaporated to the temperatures in the ⁇ prevail during the Brush Platings or sublimated.
  • Eventu ⁇ ell is to provide for a suitable collecting device, which prevents the gaseous dispersion medium at an exit into the surrounding ⁇ environment. As a result, any health risks can be avoided or the dispersant can be used to re-formulate the dispersion.
  • the method is vorgese ⁇ hen that the particles are prevented by exposure to an energy, in particular ultrasound, the second conduit system at Agglomerie ⁇ ren.
  • an energy in particular ultrasound
  • supercritical dispersions can advantageously also be used, since the danger that the dispersed particles are already agglomerating in the second conduit system can be reduced by the introduction of energy.
  • a further advantageous embodiment of the invention is obtained if the particles are nanoparticles, in particular CNT and / or BNNT.
  • the particles are nanoparticles, in particular CNT and / or BNNT.
  • it is advantageous to produce particularly fine layer structures on the component to be coated.
  • the transmitter is guided in one direction over the substrate, in which the CNT and / or BNNT preferably before ⁇ be oriented in the forming layer.
  • the CNT and / or BNNT preferably before ⁇ be oriented in the forming layer.
  • particles applied before brush plating can be damaged by aligning the transmitter with a smooth sweep in the direction of movement of the transmitter, if they have an elongated shape like CNT or BNNT.
  • Due to the preferential orientation of the CNT and / or BNNT it is advantageously possible to provide the layer produced specifically with anisotropic self ⁇ properties for example with regard to their resistance or its electrical conductivity.
  • the transmitter only has to be moved in the various desired orientations, each layer being manufactured with one of the desired orientations. For example, it is possible to rotate the substrate by 90 ° after making one layer to the next, so that a type of CNT grating or BNNT grating is produced.
  • a roller is coated as the substrate, which is rotated after putting the transmitter un ⁇ ter this.
  • a relative movement between the substrate and the carrier can be achieved by simply rotating the roller, whereby a uniform coating of the roller is made possible.
  • the described preferred orientation of CNT and / or BNNT in the circumferential direction of the roller can take place. This has the advantage, for example, for an increase in strength through the coating, that this takes place in the circumferential direction.
  • the particles are applied by means of the second conduit system only in partial areas of the layer to be produced on the substrate or the applied amount of Par ⁇ tikeln is changed locally in the region of the trenchurden layer.
  • the layer can advantageously be adapted locally to a specific requirement profile. For example, it is conceivable to provide the running surfaces of a plain bearing on the surface of a roller with particles which ensure there an increased wear protection. It is also conceivable to adapt the conductivity of the coating locally to the values required in order to provide the layer with an electrical guide with significantly reduced electrical resistance.
  • the said design freedom for the construction of the layer is achieved by the second Lei ⁇ system only applies in the sub-areas particles before brush plating, where they are to be installed in the layer. Other areas are then coated by brush plating without incorporation of particles.
  • a particular embodiment of the invention provides that the layer is produced in several layers electrochemically, wherein in each case before applying a layer by means of brush plating over the second conduit system particles are applied to the surface to be coated.
  • the layer is produced in several layers electrochemically, wherein in each case before applying a layer by means of brush plating over the second conduit system particles are applied to the surface to be coated.
  • Hard material can be stored in the coating.
  • the Parti ⁇ kel even reduce advantageous not only wear, but also ensure progresses abrasion of the layer is always a certain surface roughness, as they ground up ⁇ their lesser removal and possibly due to a break ⁇ out of the layer surface lead to a fissured surface of the layer.
  • the high surface roughness is required for work rolls during cold rolling, so that the torque of the work roll can be transferred to the material to be rolled (for example, sheet metal).
  • hard materials for incorporation into the metal layer ⁇ carbides such as SiC, TiC, WC, metal nitrides such as TiN, SiN, BN, and metal oxides such as Al 2 O 3 are S1O 2, Ti0. 2 More preferably, particles of hard metals can be incorporated, which in the
  • Suitable hard metals are particles which have a proportion of 90 to 94% by weight of WC, Tic or TiN in a Co, Ni or Mo matrix. In the storage of said hard metal particles in the
  • Layer occurs while a concentration up to 50 Volu ⁇ menprozent, preferably to a concentration of 10 to 15 percent by volume of carbide particles in the electrodeposited layer.
  • multilayer or gradient layers can be produced.
  • the individual layers, which are deposited electrochemically, can depending on the required concentration of particles thicker or thinner.
  • Ernah a multilayers could be prepared by the fact that after one or several layers, the concentration of embedded particles is altered, or different particles can be stored in the single ⁇ NEN layers.
  • a gradient layer can be generated by successively changing the concentration of one or more types of particles from layer to layer. The individual layers are manufactured is so thin that is formed over the layer thickness, a gradual concen ⁇ trationsgradient without jumps in concentration.
  • the individual layers can be produced in different ways.
  • the transmitter can be moved back and forth on the surface to be coated.
  • a feeding of the particles alternately in front of or behind the transmitter, but in each case in the direction of movement in front of the transmitter.
  • two different delivery systems for the particles can be provided.
  • the invention relates to a device for
  • electrochemical coating of substrates by brush plating comprising a liquid-permeable carrier having a transfer surface for an electrolyte on a substrate to be coated and a first conduit system for the electrolyte, which has outlets on the transmitter.
  • the device for brush plating is therefore designed roller-shaped, with a sponge-like roller is used as the transmitter.
  • the conduit system is provided, which has the shape of an elongated cylinder which extends in the center of the transmitter.
  • This tubular conduit system has a plurality of holes which open into the material of the Matterträ ⁇ gers.
  • the object of the invention is also to provide a device for electrochemical coating of a substrate by brush plating, which can be produced relatively effectively electrochemical layers are dispersed in the particles.
  • This object is achieved with the aforementioned Vorrich ⁇ tion in that this device has a second Lei ⁇ processing system, which can be fed independently of the first line system and which has an orifice, which is arranged in front of the transfer surface.
  • a possibility is provided for feeding the particles which are to be incorporated into the coating to be formed separately to the device.
  • the particles to be installed in the coating, only shortly before
  • the mouth of the second conduit system must be arranged in front of the transfer surface.
  • an application of the particles seen in the direction of relative movement between the transmitter with the transfer surface and the substrate to be coated can be done before. That is, the second conduit system is guided with the mouth in front of the transfer surface of the transmitter.
  • this can also be summarized physically in the device to form an assembly.
  • the mouth of the second conduit system must be so as bronze ⁇ det that the desired application method for the particles can be realized. If the particles are ⁇ example example (and preferably) dispersed in a liquid so it can be applied by spraying. In this case, the mouth must be designed as a spray nozzle. Another possibility is the execution of the nozzle in the form of a pipette, so that the suspension can be dropped. With ⁇ means of a nozzle is also a dispersion of the particles could apply in a gas, in this case the adhesion of the particles to be used upon impinging on the substrate. The realized flow velocities must therefore be correspondingly small, so that the particles have enough time to adhere.
  • the mouth with a separate transmitter, which realizes the same principle of operation as the transmitter of the electrolyte.
  • the by the transmitter provided capillary channels can then be used to realize a supply of a preferred liquid dispersion to the surface.
  • the production of a dispersion consisting of the coating electrolyte and the particles to be incorporated can advantageously be avoided by supplying the particles in the second line system.
  • the use of Netzmit ⁇ stuffs can be avoided as mentioned above, which may adversely affect the coating result.
  • the second line system is in engagement with a generator for ultrasound.
  • the generator is engaged with the second conduit system in that the ultrasound generated by the generator affects at least the second conduit system.
  • the ultrasound advantageously effects that particles which are conveyed in the second line system do not agglomerate.
  • a powder of particles conveyed in the second line system can also be kept flowing by means of the ultrasound. More detailed information on how the ultrasound generator can be applied to the line system can be found, for example, in DE 10 2004 030 523 A1.
  • the mouths of the second conduit system are provided with metering valves, in particular piezo valves.
  • This embodiment of the invention can be implemented by taking into account the information of the mentioned DE 10 2004 030 523 AI.
  • Verwen ⁇ tion of the piezo valves is advantageously a very accurate Dosie ⁇ tion of the particles for application to the substrate possible, even if they are handled as a powder. Further details of the invention will be described below with reference to the drawing. Identical or corresponding drawing elements are in this case provided with the same reference numbers and will only Be ⁇ be explained more than once, such as differences between the individual figures arise. Show it
  • FIG. 1 schematically shows the sequence of an embodiment of the method according to the invention using an exemplary embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 2 shows a line module, as it can be used in another embodiment of the device according to the invention, as a cross-section,
  • a device 11 according to the invention has a transmitter 12 and a line module 13, to which the transmitter 12 is closed ⁇ .
  • the transmitter is a brush which is applied to the surface 14 of a substrate 15. can be set. As will be explained in more detail, can be with the device produce a layer 16 on the sub ⁇ strat 15, not shown in detail in the particles are dispiergiert.
  • the substrate 15 is placed in a collecting container 17. Furthermore, the substrate 15 and the device 11 are connected to a voltage source, wherein the substrate is connected as a cathode. From an electrolyte reservoir 19, an electrolyte is fed into the transmitter 12. This contains ions of the coating material, which will form the metallic matrix (not shown in more detail) of the layer 16. ⁇ except where it is of a particle supply tank 20 containing a highly concentrated suspension of the particles in the
  • the conduit module 13 comprises a first conduit system 21 for the electrolyte and a second conduit system 22 with a mouth 22a for the particles. These are independent of ⁇ each other, ie, that the first conduit system through the electrolyte reservoir 19 and independently of the second conduit system 22 can be fed from the particle reservoir 20 GE.
  • a dispersant for the particles for example, a volatile liquid, which evaporates quickly after the application of the particles, or a liquid having the composition of the electrolyte are used.
  • the device 11 is now pulled over the surface 14 in the indicated direction (arrow).
  • a constant flow of particles and electrolyte is maintained, with the front of the transmitter with a transfer surface 12 b applied particles first form a film 16 a on the surface 14 and are incorporated into the subsequently applied layer 16.
  • the applied voltage leads to a comparatively ⁇ as fast formation of the layer 16 wherein überschüssi ⁇ ger electrolyte, mixed with the particles in the Auffangbe ⁇ container 17 is collected. From this, a return line 23 leads to a separating device 24, where the particles are separated again from the electrolyte.
  • the electrolyte which now contains only insignificant amounts of particles, is returned to the electrolyte reservoir 19, and the particles which are strongly alskon ⁇ centered in the liquid of the electrolyte, are returned to the particle reservoir 20, possibly. still a change of the dispersion ⁇ must be accomplished by means.
  • the coating process with the recovered electrolyte or the Communityge ⁇ wonnenen particles can now be continued. It should be noted that the material turnover taking place on the surface 14 must be replaced during the formation of the layer 16 in a manner not shown.
  • FIG. 2 shows a detail of a device from which the interaction of the components of another line module 13 can be seen.
  • the line module has the second line system 22, which forms at the Mün ⁇ tions 22 a nozzle 30, which adjoin the transmitter 12. With the nozzles, the substrate 15 can be sprayed with the Parti ⁇ keldispersion.
  • a third line system 31 is arranged parallel to the second line system 22. Mouths 26 of the third conduit system 31 lead into the second conduit system 22. So here it comes to a mixing of the electrolyte (or other dispersion medium) with the particles only in the second Kaussys ⁇ tem. The way that the electrolyte dispersion produced in the second conduit system 22 still has to travel is short, so that neither segregation nor agglomeration of the particles can occur.
  • the particles may preferably be conveyed as powder.
  • the generators 28 are arranged directly in the third conduit system 31. These can be formed for example by piezo crystals. Furthermore, a Dosie ⁇ tion of the powder contained in the second conduit system 22 can be facilitated by the fact that 26 metering valves 32 are provided at the mouths. These can be designed as piezo valves. By using the piezo technology can be advantageously realize a very compact design of the Lei ⁇ tion module. Therefore, the paths in the second and third conduit systems (22, 31) can be kept short in order to exclude agglomeration of particles up to the surface to be coated.
  • a work roll for a rolling mill is coated as substrate 15.
  • it makes sense to store particles in the coating, which are far harder than the coating material.
  • a high surface roughness can be produced, which is required during cold rolling for transferring tensile forces from the roller to the metal sheet to be rolled.
  • the device 11 is brought from the side to the surface 14 of the work roll, as a carrier 12, a sponge is used.
  • the first line system 21 feeds the transmitter with the coating electrolyte, wherein excess electrolyte is discharged into the collecting container 17.
  • a dispersion the warehoused containing particles through the second conduit system 22 via the nozzle 30 is sprayed onto the Oberflä ⁇ che fourteenth Taking into account the direction of rotation of the work roll, the relative movement between the work roll and the transfer means with the transfer surface 12b makes it clear that the dispersion with the particles is applied to the surface 14 by means of the electrolyte before the coating.
  • FIG. 1 The electrical connection of the device 11 and the substrate 15 and a channel system for feeding the line systems 21, 22 and the connection of the collecting container 17 can be seen in FIG. 1 and can be carried out analogously.
  • a roller 15 is coated as a substrate 15, which is shown in a view from above. Shown is only one end face, wherein the front end, not shown, is performed exactly the same.
  • the device 11 is placed from above onto the roller, which can be oriented in Figure 3 according to the embodiment ⁇ leads.
  • a difference from the embodiment shown in Figure 3 results only in the configuration of the second conduit system 22.
  • the process control further allows the CNTs 36 in the strip 35 of the coating to be given a preferred orientation. While the roller is rotated in the direction of arrival interpreted arrow and the dispersion is applied to the surface of the roller in front of the not shown carrier, the subsequent Relativbewe ⁇ movement between the carrier and the roll leads namely to the fact that the CNT 36 in Align the direction of movement, as in this way the friction conditions between the CNT 36 and the transmitter are optimized.
  • the layer components produced in this way therefore have anisotropic properties, which in the case of the exemplary embodiment according to FIG. lead to the fact that the stiffening of the strip in the direction of its orientation is particularly large.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Beschichten eines Substrates (15) durch Brush Plating. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Partikel über ein gesondertes Leitungssystem (22) vor dem Überträger (12) für den Elektrolyten auf die zu beschichtende Oberfläche (14) aufzubringen. Der Elektrolyt wird über ein Leitungssystem (21) dem Überträger selbst zugesetzt. Vorteilhaft wird hierdurch erreicht, dass ein Agglomerieren der Partikel verhindert werden kann, weil nach Aufbringen der Partikel bis zur Ausbildung der Schicht (16) nur kurze Zeit vergeht. Ebenso unter Schutz gestellt ist eine Vorrichtung zum elektrochemischen Beschichten mit zwei zum genannten Zweck vorgesehenen Leitungssystem (21, 22). Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich zum Beispiel die hochbeanspruchten Oberflächenanteile von Walzrollen in Walzwerken partiell beschichten.

Description

Beschreibung
Verfahren zum elektrochemischen Beschichten eines Substrates durch Brush Plating und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Beschichten eines Substrates durch Brush Plating, bei dem ein Elektrolyt unter Anwendung eines Überträgers auf das Substrat aufgebracht wird, wobei sich unter gleichzeitigem Einbau von Partikeln eine metallische Schicht auf dem Substrat ausbil¬ det .
Ein Verfahren zum Einbau von Partikeln in eine Schicht lässt sich beispielsweise der DE 101 25 290 AI, DE 101 25 289 AI oder der JP 01301897 A entnehmen. Um eine Schicht herzustellen, in der Partikel dispergiert sind, wird gemäß dem letzt¬ genannten Dokument vorgeschlagen, ein Brush Plating-Verfahren anzuwenden. Unter Brush Plating ist ein elektrochemisches Be- schichtungsverfahren zu verstehen, bei dem das zu beschichtende Substrat nicht in ein Elektrolyt eingetaucht wird, son¬ dern der Elektrolyt mit einem als Brush oder auch „Bürste" bezeichneten Überträger auf das Substrat aufgebracht wird. Dabei muss keine Bürste im engeren Sinne zum Einsatz kommen. Vielmehr muss der Überträger die Eigenschaften aufweisen, aufgrund vorrangig kapillarer Wirkungen den Elektrolyten auf das Substrat übertragen zu können. Hierzu eignet sich bei¬ spielsweise eine Bürste deswegen, weil zwischen den einzelnen Borsten kapillare Kanäle entstehen, die zum Transport des Elektrolytes geeignet sind. Andere Strukturen, die sich zur Übertragung des Elektrolyten eignen, sind beispielsweise schwammartige, d. h. offenporige, in sich elastische Materia¬ lien . Um eine effektive Beschichtung zu ermöglichen, wird der Überträger durch ein Kanalsystem mit Elektrolyt gespeist, welcher mit den kapillaren Kanälen des Überträgers in fluidischer Verbindung steht. Der wesentliche Vorteil im Vergleich zum klassischen elektrochemischen Beschichten, bei dem das Substrat in den Elektrolyt eingetaucht wird, besteht darin, dass durch ständiges Nachführen von Elektrolyt ein hoher Material¬ durchsatz möglich ist. Dementsprechend können beispielsweise beim galvanischen Beschichten entsprechend hohe Abschei- deströme umgesetzt werden, weswegen ein schneller Schichtauf¬ bau möglich ist. Im Unterschied zu Elektrolytbädern lässt sich durch das ständige Fließen des Elektrolyts beim Brush Plating vermeiden, dass sich aufgrund einer begrenzten Diffusionsgeschwindigkeit im Elektrolyt ein stationärer Zustand einstellt, der die Beschichtungsgeschwindigkeit limitiert.
Selbstverständlich ist es auch bekannt, Partikel in elektro¬ chemisch hergestellte Schichten einzubauen, die in einem elektrochemischen Bad beschichtet wurden. Beispielsweise ist es gemäß der US 2007/0036978 AI bekannt, CNT (diese Abkürzung wird im Folgenden für Carbon Nano Tubes oder Kohlenstoff-Na- noröhrchen verwendet) in elektrochemisch abgeschiedene
Schichten einzubauen. Analog ließen sich auch BNNT (diese Abkürzung wird im Folgenden für Bornitrid Nano Tubes verwendet) einbauen. Allerdings ist hier ein weiterer limitierender Faktor für den Einbau der CNT dadurch gegeben, dass sich diese nur begrenzt in dem elektrochemischen Bad dispergieren lassen. Eine Herstellung von stabilen Dispersionen, d. h. Dispersion, die auch über einen längeren Zeitraum von über 24 Stunden stabil bleiben, wirft Probleme auf. Zwar besteht die Möglichkeit, die Dispersion durch die Verwendung von Netzmitteln zu stabilisieren, jedoch werden diese dann zumindest zum Teil auch in den Schichten abgeschieden. Mit dem Einbau von CNT in elektrochemische Schichten wird aber beispielsweise eine Verbesserung der Leitfähigkeit angestrebt. Die Anwesen¬ heit von Netzmitteln, die vorrangig auf der Oberfläche der CNT verbleiben, schränkt aber den gewünschten Effekt des Einbaus von CNT in die metallische Matrix der elektrochemisch abgeschiedenen Schicht ein.
Zuletzt ist in der DE 10 2004 030 523 AI ein Pulverförderer offenbart . Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum elektrochemischen Beschichten von Substraten mittels Brush Plating anzugeben, bei dem ein vergleichsweise hoher Spielraum für den Einbau von Partikeln zur Verfügung gestellt wird .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass der Überträger über ein erstes Leitungssystem für den Elektrolyten, in dem die Konzentration an Partikeln im Vergleich zur notwendigen Konzentration für einen ausreichenden Einbau zumindest vermindert ist bzw.
keine Partikel vorhanden sind, gespeist wird. Außerdem ist ein zweites Leitungssystem für die Partikel vorgesehen, mit dem Partikel vor der Behandlung mit dem Überträger direkt auf das zu beschichtende Substrat aufgebracht werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft erreicht, dass keine stabile Dispersion an Partikeln in dem Elektrolyt hergestellt werden muss. Vielmehr wird der Umstand genutzt, dass beim Brush Plating die Zeit für den Schichtbildungsprozess sehr kurz ist. Die Partikel werden vorteilhaft direkt vor dem Beschichten durch Brush-Plating mit der gesonderten Zuführung, dem zweiten Leitungssystem, aufgebracht (zur konkreten Ausgestaltung des zweiten Leitungssysstems im Folgenden noch mehr) . Daher ist ein unerwünschtes Agglomerieren von Partikeln während der kurzen Zeit bis zur Beschichtung des Sub- strates ausgeschlossen. Dies hat den Vorteil, dass auch Par¬ tikel wie CNT oder BNNT verwendet werden können, welche sich an sich in den zur Verfügung stehenden Elektrolyten schlecht dispergieren lassen. Eine andere Möglichkeit, diesen Umstand sinnvoll zu nutzen, besteht darin, dass die Partikel in ver¬ gleichsweise hohen Konzentrationen, die normalerweise als Dispersion in dem betreffenden Elektrolyten nicht mehr stabil sind, aufgebracht werden können. Hierdurch lässt sich die Einbaurate an Partikeln in der sich ausbildenden Schicht erhöhen. Damit wird das Prozessfenster, welches zur Ausbil¬ dung von elektrochemischen Schichten mit dispergierten Partikeln zur Verfügung steht, vorteilhaft größer.
Ein weiterer Vorteil des Brush Platings ergibt sich dadurch, dass das Übertragungsmedium während des Schichtbildungspro¬ zesses mit dem Substrat in Kontakt steht. Hierdurch wird einem dendritischen Schichtwachstum entgegengewirkt, da die sich ausbildende Schicht sofort kompaktiert wird. Die Ein¬ bringung von CNT würde sonst nämlich die Ausbildung von
Dendriten begünstigen - mit negativen Auswirkungen auf die Schichtqualität .
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Partikel in dem zweiten Legierungssystem als Dispersion zuge- führt werden. Als Dispersionsmittel können dabei gleicher¬ maßen ein Gas (Bildung eines Aerosols) oder eine Flüssigkeit (Bildung einer Suspension) zum Einsatz kommen. Aber auch die Förderung und Dosierung der in die auszubildende Schicht einzubauenden Partikel als Pulver ist möglich. Die Verwendung von Dispersionen hat jedoch den Vorteil, dass die Handhabung im Allgemeinen vereinfacht wird. Als flüssiges Dispersions¬ mittel kommt bevorzugt auch der Elektrolyt selbst zum Ein¬ satz. Damit unterscheiden sich der Elektrolyt, welcher durch das erste Leitungssystem eingespeist wird, und der Elektro- lyt, was durch das zweite Leitungssystem eingespeist wird, lediglich in der Konzentration an dispergierten Partikeln. Der Elektrolyt im ersten Leitungssystem, was den Hauptteil des Mengendurchsatzes ausmacht, ist vorteilhaft dabei nicht mit einer größeren Menge von Partikeln versehen, so dass die Handhabung vorteilhaft vereinfacht ist. Insbesondere bei mehrfacher Verwendung des Elektrolyten, also dem Auffangen des Elektrolyten nach erfolgtem Brush Plating und Rückführung desselben in den Vorrat, aus dem das erste Leitungssystem gespeist wird, kann es jedoch sein, dass geringe Mengen an
Partikeln in diesem Elektrolyt vorhanden sind. Diese verursa¬ chen jedoch nicht die bereits angesprochenen Probleme eines Agglomerierens, da bei Erreichen einer kritischen Konzentra¬ tion die Partikel bereits im Auffangbehälter nach erfolgtem Brush Plating ausfallen und daher nicht in den Vorratsbehälter zurückgeführt werden.
Andererseits kann die vergleichsweise kleine Menge an
Elektrolyt oder anderweitiger Dispersion, die durch das zweite Leitungssystem aufgetragen wird, jeweils kurzzeitig vor dessen Verwendung gemischt werden, so dass eine Langzeit¬ stabilität dieser Suspension nicht erforderlich ist. Alternativ kann als flüssiges Dispersionsmittel auch eine Flüssig¬ keit verwendet werden, in der die Dispersion der betreffenden Partikel vereinfacht ist. Dieses Dispersionsmittel darf al¬ lerdings den anschließenden Beschichtungsprozess des Brush Platings nicht in ungewünschter Weise beeinflussen. Dies muss bei der Auswahl entsprechend berücksichtigt werden. Wird als Dispersionsmittel eine Flüssigkeit zugeführt, so können diese vorteilhaft so ausgewählt werden, dass das Dis¬ persionsmittel bei den während des Brush Platings herrschen¬ den Temperaturen verdampft bzw. sublimiert. Auf diese Weise wird es dem Brush Plating-Prozess entzogen, bevor es in die b sich ausbildende Beschichtung eingebaut werden kann. Eventu¬ ell ist für eine geeignete Auffangvorrichtung zu sorgen, die das gasförmige Dispersionsmittel an einem Austritt in die Um¬ gebung hindert. Hierdurch können eventuelle Gesundheitsrisi- ken vermieden werden bzw. das Dispersionsmittel zur erneuten Dispersionsbildung verwendet werden.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgese¬ hen, dass die Partikel durch Einwirken einer Energie, insbe- sondere Ultraschall, im zweiten Leitungssystem am Agglomerie¬ ren gehindert werden. Hierdurch können vorteilhaft auch überkritische Dispersionen verwendet werden, da die Gefahr, dass die dispergierten Partikel bereits im zweiten Leitungssystem agglomerieren, durch die Energieeinleitung vermindert werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn die Partikel Nanopartikel , insbesondere CNT und/oder BNNT sind. Bei der Verwendung von Nanopartikeln las- sen sich vorteilhaft besonders feine Schichtstrukturen auf dem zu beschichtenden Bauteil herstellen. Außerdem lassen sich die oben erläuterten Mechanismen einer Verhinderung des Agglomerierens von Nanopartikeln vor dem Einbau in die
Schicht besonders effektiv nutzen. Insbesondere der Einbau von CNT in eine metallische Matrix ohne die Verwendung von die Funktion der Beschichtung störenden Netzmitteln wird vorteilhaft ermöglicht.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Überträger in einer Richtung über das Substrat geführt wird, in der die CNT und/oder BNNT vor¬ zugsweise in der sich ausbildenden Schicht orientiert sein sollen. Es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, dass vor dem Brush Plating aufgebrachte Partikel sich durch an- schließendes Überstreichen des Überträgers hervorragend in Bewegungsrichtung des Überträgers ausrichten, wenn diese wie CNT oder BNNT eine längliche Gestalt aufweisen. Durch die Vorzugsorientierung der CNT und/oder BNNT ist es vorteilhaft möglich, die erzeugte Schicht gezielt mit anisotropen Eigen¬ schaften beispielsweise hinsichtlich ihrer Festigkeit oder ihres elektrischen Leitvermögens auszustatten. Insbesondere ist es auch möglich, bei Vorsehen mehrerer Lagen verschiedene Ausrichtungen der CNT und/oder BNNT zu erzeugen. Hierzu muss der Überträger lediglich in den verschiedenen gewünschten Ausrichtungen bewegt werden, wobei jede Lage mit einer der gewünschten Ausrichtungen hergestellt wird. Beispielsweise ist es möglich, das Substrat nach Herstellung einer Lage zur nächsten um jeweils 90° zu drehen, so dass eine Art CNT-Git- ter oder BNNT-Gitter erzeugt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Substrat eine Walze beschichtet wird, die nach dem Aufsetzen des Überträgers un¬ ter diesem gedreht wird. Vorteilhaft lässt sich durch ein einfaches Drehen der Walze eine Relativbewegung zwischen Substrat und Überträger erreichen, wobei eine gleichmäßige Be- schichtung der Walze ermöglicht wird. Insbesondere kann durch Drehen der Walze die beschriebene Vorzugsorientierung von CNT und/oder BNNT in Umfangsrichtung der Walze erfolgen. Dies hat beispielsweise für eine Festigkeitssteigerung durch die Be- schichtung den Vorteil, dass diese in Umfangsrichtung erfolgt .
Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass während des Beschichten des walzenförmigen Substrates neben dem Drehen des Substrates um seine Mittelachse eine lineare Relativ¬ bewegung in Richtung der Drehachse zwischen dem Überträger und dem Subtrat vollzogen wird. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn die zu beschichtende Walze besonders groß ausge- führt ist. Es ist dann nicht erforderlich, einen Überträger zu verwenden, der sich über die gesamte Walzenlänge erstreckt, sondern durch die gleichzeitige lineare Relativbewe¬ gung in Richtung der Drehachse und gleichzeitige Rotation der Walze wird eine wendeiförmige Beschichtungsstrecke auf der Walze abgefahren, die letztendlich zur Beschichtung der gesamten Walze führt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese- hen, dass die Partikel mittels des zweiten Leitungssystems nur in Teilbereichen der herzustellenden Schicht auf das Substrat aufgebracht werden oder die aufgebrachte Menge an Par¬ tikeln im Bereich der auszubringenden Schicht lokal verändert wird. Hierdurch kann die Schicht vorteilhaft lokal an ein be- stimmtes Anforderungsprofil angepasst werden. Beispielsweise ist es denkbar, die Laufflächen eines Gleitlagers auf der Oberfläche einer Walze mit Partikeln zu versehen, die dort einen erhöhten Verschleißschutz gewährleisten. Auch ist es vorstellbar, die Leitfähigkeit der Beschichtung lokal an die erforderlichen Werte anzupassen, um die Schicht mit elektrischem Leitfaden mit signifikant verringertem elektrischem Widerstand zu versehen. Der genannte Gestaltungsspielraum für den Aufbau der Schicht wird erreicht, indem das zweite Lei¬ tungssystem nur in den Teilbereichen Partikel vor dem Brush Plating aufbringt, wo diese in die Schicht eingebaut werden sollen. Andere Bereiche werden dann durch das Brush Plating ohne Einbau von Partikeln beschichtet.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schicht in mehreren Lagen elektrochemisch hergestellt wird, wobei jeweils vor dem Aufbringen einer Lage mittels Brush Plating über das zweite Leitungssystem Partikel auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht werden. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, auch Schichten mit größerer Dicke herzustellen, in der Partikel verteilt sind. Beispielsweise können Arbeitswalzen von Walzwerken beschichtet werden, welche aufgrund ihrer hohen mechanischen Beanspruchung einem hohen Verschleiß unterworfen sind. Um die Standzeit der Ar- beitswalzen zu erhöhen, können vorteilhaft Partikel eines
Hartstoffs in die Beschichtung eingelagert werden. Bei fort¬ schreitendem Abrieb der Schicht werden dann immer neue Partikel an der aktuellen Oberfläche freigelegt, wobei die Parti¬ kel selbst vorteilhaft nicht nur den Verschleiß vermindern, sondern auch bei fortschreitendem Abrieb der Schicht immer für eine gewisse Oberflächenrauhigkeit sorgen, da diese auf¬ grund ihres geringeren Abtrages und evtl. aufgrund eines Aus¬ brechens aus der Schichtoberfläche zu einer zerklüfteten Oberfläche der Schicht führen. Die hohe Oberflächenrauhigkeit wird für Arbeitswalzen beim Kaltwalzen nämlich gefordert, damit sich das Drehmoment der Arbeitswalze auf das zu walzende Gut (beispielsweise Blech) übertragen lässt. Als bevorzugte Hartstoffe zur Einlagerung in die Schicht eignen sich Metall¬ karbide wie SiC, Tic, WC, Metallnitride wie TiN, SiN, BN und Metalloxide wie AI2O3, S1O2, Ti02. Weiter bevorzugt können Partikel aus Hartmetallen eingebaut werden, die in der
Schicht metallische Hartphasen bilden. Als Hartmetalle kommen Partikel in Frage, die einen Anteil von 90 bis 94 Gew.-% WC, Tic oder TiN in einer Co-, Ni- oder Mo-Matrix aufweisen. Bei der Einlagerung der genannten Hartmetallpartikel in die
Schicht kommt es dabei zu einer Konzentration bis zu 50 Volu¬ menprozent, bevorzugt zu einer Konzentration von 10 bis 15 Volumenprozent an Hartmetallpartikeln in der elektrochemisch abgeschiedenen Schicht.
Durch mehrmaliges Wiederholen des Brush Platings lassen sich auch sogenannte Multilayer- oder Gradientenschichten herstellen. Die einzelnen Lagen, die elektrochemisch abgeschieden werden, können je nach geforderter Konzentration an Partikeln dicker oder dünner ausfallen. Bei dem genannten Beispiel der Arbeitsrollen für Walzwerke ist es erforderlich, dass die einzelnen Lagen, die durch das Brush Plating hergestellt werden, nicht wesentlich dicker als der Durchmesser der eingela- gerten Partikel sind. Nur so kann sichergestellt werden, dass durch fortschreitenden Abtrag der hergestellten Schicht immer Partikel an der Schichtoberfläche freiliegen. Eine Multilay- erschicht ließe sich dadurch herstellen, dass nach einer oder mehreren Lagen die Konzentration der eingelagerten Partikel verändert wird oder unterschiedliche Partikel in die einzel¬ nen Lagen eingelagert werden. Eine Gradientenschicht lässt sich erzeugen, indem sukzessive von Lage zu Lage die Konzentration von einer Art oder mehreren Arten von Partikeln verändert wird. Dabei werden die einzelnen Lagen so dünn herge- stellt, dass über die Schichtdicke ein allmählicher Konzen¬ trationsgradient ohne Sprünge in der Konzentration entsteht.
Die einzelnen Lagen können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann der Überträger auf der zu be- schichtenden Oberfläche hin- und herbewegt werden. Hierbei kann ein Zuführen der Partikel abwechselnd vor bzw. hinter dem Überträger, aber jeweils in Bewegungsrichtung vor dem Überträger erfolgen. Hierzu können zwei unterschiedliche Fördersysteme für die Partikel vorgesehen werden. Alternativ ist es auch möglich, dass jeweils eine Lage der Schicht ohne Partikel hergestellt und eine Lage mit den Partikeln, wobei für die Lage mit den Partikeln immer die Bewegungsrichtung gewählt wird, bei der der Zufluss von einzulagernden
Partikeln in Bewegungsrichtung gesehen vor dem Überträger möglich ist.
Weiterhin ist es auch möglich, mehrere Überträger mit jeweils einem zweiten Leitungssystem vorzusehen, die hintereinander angeordnet sind. Hierdurch lässt sich insbesondere bei der Bandbeschichtung ein schnelleres Schichtwachstum erreichen, weswegen diese Lösung besonders effizient angewendet werden kann. Gleichzeitig kann der Einsatz mehrerer Überträger die Herstellung von Lagen mit unterschiedlichen Partikeln oder Schichtwerkstoffen ermöglichen.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum
elektrochemischen Beschichten von Substraten durch Brush Pla- ting, aufweisend einen flüssigkeitsdurchlässigen Überträger mit einer Übertragungsfläche für ein Elektrolyt auf ein zu beschichtendes Substrat und ein erstes Leitungssystem für den Elektrolyten, welches Auslässe am Überträger aufweist.
Eine derartige Vorrichtung ist in der eingangs bereits er- wähnten JP 01301897 A beschrieben. Die Vorrichtung zum Brush Plating ist demnach walzenförmig ausgeführt, wobei als Überträger eine schwammartige Walze zum Einsatz kommt. Im Inneren dieser Walze ist das Leitungssystem vorgesehen, welches die Form eines langgestreckten Zylinders aufweist, der im Zentrum des Überträgers verläuft. Dieses rohrartige Leitungssystem weist mehrere Bohrungen auf, die in das Material des Überträ¬ gers münden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht weiterhin darin, eine Vor- richtung zum elektrochemischen Beschichten eines Substrates durch Brush Plating anzugeben, mit der sich vergleichsweise effektiv elektrochemische Schichten herstellen lassen, in die Partikel dispergiert sind. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der genannten Vorrich¬ tung dadurch gelöst, dass diese Vorrichtung ein zweites Lei¬ tungssystem aufweist, welches unabhängig von dem ersten Leitungssystem gespeist werden kann und welches eine Mündung aufweist, die vor der Übertragungsfläche angeordnet ist. Hierdurch wird erfindungsgemäß eine Möglichkeit zur Verfügung gestellt, die Partikel, die in die zu bildende Beschichtung eingebaut werden sollen, separat der Vorrichtung zuzuführen. Damit ist es erfindungsgemäß möglich, die Partikel, die in die Beschichtung eingebaut werden sollen, erst kurz vor
Durchführung des Beschichtungsvorganges auf die zu beschich¬ tende Oberfläche des Substrates aufzutragen. Hierfür muss die Mündung des zweiten Leitungssystems, wie bereits erwähnt, vor der Übertragungsfläche angeordnet sein. Hiermit ist gemeint, dass ein Auftragen der Partikel gesehen in Richtung der Relativbewegung zwischen dem Überträger mit der Übertragungsfläche und dem zu beschichtenden Substrat vorher erfolgen kann. Das heißt, dass das zweite Leitungssystem mit der Mündung vor der Übertragungsfläche des Überträgers geführt wird. Bevor- zugt kann dieses auch körperlich in der Vorrichtung zu einer Baugruppe zusammengefasst sein.
Die Mündung des zweiten Leitungssystems muss derart ausgebil¬ det sein, dass sich das gewünschte Auftragsverfahren für die Partikel verwirklichen lässt. Sind die Partikel beispiels¬ weise (und bevorzugt) in einer Flüssigkeit dispergiert, so kann diese durch Sprühen aufgetragen werden. In diesem Fall muss die Mündung als Sprühdüse ausgeführt werden. Eine andere Möglichkeit ist die Ausführung der Düse in Form einer Pi- pette, so dass die Suspension aufgetropft werden kann. Mit¬ tels einer Düse ließe sich auch eine Dispersion der Partikel in einem Gas aufbringen, wobei hierbei die Adhäsionskräfte der Partikel beim Auftreffen auf das Substrat genutzt werden. Die verwirklichten Strömungsgeschwindigkeiten müssen daher entsprechend gering dimensioniert sein, damit den Partikeln genügend Zeit zum Anhaften bleibt. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Mündung mit einem gesonderten Überträger auszustatten, der das gleiche Funktionsprinzip verwirklicht, wie der Überträger des Elektrolyts. Die durch den Überträger zur Verfügung gestellten kapillaren Kanäle können dann verwendet werden, um eine Zuführung einer bevorzugten flüssigen Dispersion zur Oberfläche zu verwirklichen. Es ist auch möglich, für die Übertragung des Elektrolyts und die Übertragung der Partikeldispersion denselben Überträger zu nutzen, wobei in Bewegungsrichtung gesehen die Mündung des zweiten Leistungssystems vor dem ersten Leistungssystem liegt.
Vorteilhaft kann im Ergebnis durch die Zuführung der Partikel im zweiten Leitungssystem die Herstellung einer Dispersion, bestehend aus dem Beschichtungselektrolyt und den einzubauen¬ den Partikeln, vermieden werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, insbesondere Partikel in die elektrochemisch sich ausbildende Schicht einzubauen, deren Dispersion im Elektro- lyten als Dispersionsmittel problematisch ist. Zum Beispiel kann, wie bereits erwähnt, auch die Verwendung von Netzmit¬ teln vermieden werden, die das Schichtergebnis negativ beeinflussen können. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Leitungssystem mit einem Generator für Ultraschall im Eingriff steht. Der Generator steht dadurch mit dem zweiten Leitungssystem im Eingriff, dass der durch den Generator erzeugte Ultraschall sich zumindest im zweiten Leitungssystem auswirkt. Der Ultraschall bewirkt vorteilhaft, dass Partikel, die in dem zweiten Leitungssystem gefördert werden, nicht agglomerieren. Beispielsweise kann auch ein in dem zweiten Leitungssystem gefördertes Pulver von Partikeln mittels des Ultraschalls fließflähig gehalten werden. Genauere Angaben, wie der Ultraschallgenerator in das Leitungssystem appliziert werden kann, lässt sich beispielsweise der DE 10 2004 030 523 AI entnehmen. Zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Mündungen des zweiten Leitungssystems mit Dosierventilen, insbesondere Piezoventi- len, versehen sind. Auch diese Ausgestaltung der Erfindung kann umgesetzt werden, indem die Angaben der erwähnten DE 10 2004 030 523 AI berücksichtigt werden. Durch die Verwen¬ dung der Piezoventile ist vorteilhaft eine sehr genaue Dosie¬ rung der Partikel zum Auftragen auf das Substrat möglich, auch wenn diese als Pulver gehandhabt werden. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind hierbei jeweils mit den gleichen Be¬ zugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen
Figur 1 schematisch den Ablauf eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Anwendung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Figur 2 ein Leitungsmodul, wie es in einem anderen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz kommen kann, als Querschnitt,
Figur 3 und 4 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei dem eine Arbeitswalze für ein Walzwerk bzw. eine andere Walze beschichtet wird .
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 11 weist einen Überträger 12 und ein Leitungsmodul 13 auf, an das der Überträger 12 an¬ geschlossen ist. Bei dem Überträger handelt es sich um eine Bürste, die auf die Oberfläche 14 eines Substrates 15 aufge- setzt werden kann. Wie im Folgenden näher erläutert wird, lässt sich mit der Vorrichtung eine Schicht 16 auf dem Sub¬ strat 15 erzeugen, in der nicht näher dargestellt Partikel dispiergiert sind.
Zum Zwecke der Herstellung der Schicht 16 wird das Substrat 15 in einem Auffangbehälter 17 platziert. Weiterhin wird das Substrat 15 und die Vorrichtung 11 an eine Spannungsquelle angeschlossen, wobei das Substrat als Kathode geschaltet ist. Aus einem Elektrolyt-Vorratsbehälter 19 wird ein Elektrolyt in den Überträger 12 eingespeist. Dieser enthält Ionen des Beschichtungswerkstoffes, welcher die metallische Matrix (nicht näher dargestellt) der Schicht 16 bilden wird. Außer¬ dem wird aus einem Partikelvorratsbehälter 20, der eine hoch- konzentrierte Suspension der Partikel enthält, die in die
Schicht 16 eingebaut werden sollen, in einen zweiten Überträger 12a eingeleitet.
Das Leitungsmodul 13 weist ein erstes Leitungssystem 21 für den Elektrolyten und ein zweites Leitungssystem 22 mit einer Mündung 22a für die Partikel auf. Diese sind unabhängig von¬ einander, d. h., dass das erste Leitungssystem durch den Elektrolytvorratsbehälter 19 und unabhängig davon das zweite Leitungssystem 22 von dem Partikel-Vorratsbehälter 20 ge- speist werden kann. Als Dispersionsmittel für die Partikel kann beispielsweise eine leicht flüchtige Flüssigkeit, die nach dem Aufbringen der Partikel schnell verdampft, oder auch eine Flüssigkeit mit der Zusammensetzung des Elektrolyts zum Einsatz kommen.
Um eine Schicht 16 auszubilden, wird nun die Vorrichtung 11 in der angedeuteten Richtung (Pfeil) über die Oberfläche 14 gezogen. Dabei wird ein ständiger Fluss an Partikeln und Elektrolyt aufrechterhalten, wobei die vor dem Überträger mit einer Übertragungsfläche 12b aufgebrachten Partikel zunächst einen Film 16a auf der Oberfläche 14 bilden und in die anschließend aufgebrachte Schicht 16 eingebaut werden. Durch die angelegte Spannung kommt es zu einer vergleichs¬ weise schnellen Ausbildung der Schicht 16, wobei überschüssi¬ ger Elektrolyt, gemischt mit den Partikeln, in dem Auffangbe¬ hälter 17 aufgefangen wird. Von diesem führt eine Rückflussleitung 23 zu einer Trenneinrichtung 24, wo die Partikel wie- der von dem Elektrolyt getrennt werden. Der Elektrolyt, der nun nur noch unwesentliche Mengen an Partikeln enthält, wird zurück in den Elektrolyt-Vorratsbehälter 19, und die Partikel, die in der Flüssigkeit des Elektrolytes stark aufkon¬ zentriert sind, werden in den Partikel-Vorratsbehälter 20 zurückgeführt, wobei evtl. noch ein Wechsel des Dispersions¬ mittels vollzogen werden muss. Nun kann der Beschichtungspro- zess mit dem wiedergewonnenen Elektrolyt bzw. den wiederge¬ wonnenen Partikeln fortgeführt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der an der Oberfläche 14 erfolgende Stoffum- satz bei der Ausbildung der Schicht 16 in nicht dargestellter Weise ersetzt werden muss.
In Figur 2 ist ein Ausschnitt aus einer Vorrichtung dargestellt, der man das Zusammenwirken der Komponenten eines an- deren Leitungsmoduls 13 entnehmen kann. Das Leitungsmodul weist das zweite Leitungssystem 22 auf, welches an den Mün¬ dungen 22a Düsen 30 bildet, die an den Überträger 12 angrenzen. Mit den Düsen lässt sich das Substrat 15 mit der Parti¬ keldispersion besprühen.
Anders als bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist ein drittes Leitungssystem 31 parallel zum zweiten Leitungssystem 22 angeordnet. Mündungen 26 des dritten Leitungssystems 31 führen in das zweite Leitungssystem 22. Hier kommt es also zu einer Durchmischung des Elektrolytes (oder anderem Dispersionsmittel) mit den Partikeln erst im zweiten Leitungssys¬ tem. Der Weg, den die so hergestellte Elektrolyt-Dispersion im zweiten Leitungssystem 22 noch zurücklegen muss, ist kurz, so dass es weder zu einer Entmischung noch zu einem Agglomerieren der Partikel kommen kann.
In dem dritten Leitungssystem 31 können die Partikel bevorzugt als Pulver gefördert werden. Um ein Agglomerieren zu verhindern, sind die Generatoren 28 direkt im dritten Leitungssystem 31 angeordnet. Diese können beispielsweise durch Piezokristalle ausgebildet sein. Weiterhin kann eine Dosie¬ rung des im zweiten Leitungssystem 22 befindlichen Pulvers dadurch erleichtert werden, dass an den Mündungen 26 Dosier- ventile 32 vorgesehen werden. Diese können als Piezoventile ausgeführt sein. Durch die Verwendung der Piezotechnik lässt sich vorteilhafterweise eine sehr kompakte Bauform des Lei¬ tungsmoduls verwirklichen. Daher können die Wege in dem zweiten und dritten Leitungssystem (22, 31) kurz gehalten wer- den, um ein Agglomerieren von Partikeln bis zur zu beschichtenden Oberfläche auszuschließen.
In Figur 2 nicht dargestellt, aber genauso vorstellbar, ist eine Vorrichtung 11, die den in Figur 2 dargestellten zweiten Kanal 22 nicht aufweist. Die Funktion des zweiten Kanals einer Aufbringung der Partikel auf das Substrat 15 würde dann der in Figur 2 dargestellte dritte Kanal 31 direkt überneh¬ men, wobei die Mündungen 26 gemäß Figur 2 die Funktion der Mündungen 30 übernehmen würden. In diesem Fall würde durch die Dosierventile 32 eine direkte Dosierung von pulverförmi- gen Partikeln auf die Oberfläche 14 des Substrates 15 erfol¬ gen. Bei genügend geringem Abstand der Mündungen ließe sich eine Belegung der Oberfläche 14 aufgrund der Adhäsionskräfte der Partikel erreichen, so dass diese sich im nachfolgenden elektrolytischen Beschichtungsschritt in die sich ausbildende Schicht (in Figur 2 nicht dargestellt) einbauen ließen.
Gemäß Figur 3 wird als Substrat 15 eine Arbeitswalze für ein Walzwerk beschichtet. Hier ist es sinnvoll, Partikel in die Beschichtung einzulagern, die weitaus härter sind, als das Schichtmaterial. Hierdurch lässt sich auch bei fortschreitendem Abtrag der Beschichtung durch die aus der Oberfläche 14 herausstehenden Partikel eine hohe Oberflächenrauhigkeit er- zeugen, die beim Kaltwalzen zum Übertragen von Zugkräften von der Walze auf das zu walzende Blech erforderlich ist.
Um die Arbeitswalze zu beschichten, wird diese in Richtung des angedeuteten Pfeiles gedreht. Die Vorrichtung 11 wird von der Seite an die Oberfläche 14 der Arbeitswalze herangeführt, wobei als Überträger 12 ein Schwamm zum Einsatz kommt. Das erste Leitungssystem 21 speist den Überträger mit dem Be- schichtungselektrolyt , wobei überschüssiger Elektrolyt in den Auffangbehälter 17 abgeführt wird. Außerdem wird eine die einzulagernden Partikel enthaltende Dispersion mittels des zweiten Leitungssystems 22 über die Düse 30 auf die Oberflä¬ che 14 aufgesprüht. Berücksichtigt man die Drehrichtung der Arbeitswalze, so wird aufgrund der Relativbewegung zwischen der Arbeitswalze und dem Überträger mit der Übertragungsflä- che 12b deutlich, dass die Dispersion mit den Partikeln vor der Beschichtung mittels des Elektrolyts auf die Oberfläche 14 aufgebracht wird. Die elektrische Verschaltung der Vor¬ richtung 11 und des Substrates 15 sowie ein Kanalsystem zur Speisung der Leitungssysteme 21, 22 sowie des Anschlusses des Auffangbehälters 17 lässt sich Figur 1 entnehmen und kann analog erfolgen. Dies gilt auch für das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel. Gemäß Figur 4 wird eine Walze als Substrat 15 beschichtet, die in einer Ansicht von oben dargestellt ist. Dargestellt ist lediglich das eine stirnseitige Ende, wobei das nicht dargestellte stirnseitige Ende genauso ausgeführt ist. Auf die Walze wird die Vorrichtung 11 von oben aufgesetzt, wobei diese entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Figur 3 ausge¬ führt sein kann. Ein Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ergibt sich nur bei der Ausgestaltung des zweiten Leitungssystems 22. Während gemäß Figur 3 die Düsen 30 über die gesamte Breite der dort dargestellten Walze die Dis¬ persion aufsprühen und so für einen Einbau der Partikel in die gesamte ausgebildete Schicht sorgen, wird gemäß Figur 4 die Suspension nur partiell aufgetragen. Daher entsteht ein Streifen 35, in den als Partikel schematisch dargestellte CNT 36 eingelagert sind. Dies geschieht in einem nahe der Stirn¬ seite 37 der Walze liegenden Bereich, der für eine Gleitlagerung der Walze einen möglichst hohen Verschleißwiderstand bieten soll. Der Rest der Walze wird ohne Einlagerung von CNT 36 elektrochemisch beschichtet, um beispielsweise einen Kor- rosionsschutz der Walze zu erzeugen.
Durch die Verfahrensführung wird weiterhin ermöglicht, dass die CNT 36 in dem Streifen 35 der Beschichtung eine Vorzugsorientierung erhalten. Während die Walze in Richtung des an- gedeuteten Pfeiles gedreht wird und die Dispersion vor dem nicht näher dargestellten Überträger auf die Oberfläche der Walze aufgetragen wird, führt die anschließende Relativbewe¬ gung zwischen dem Überträger und der Walze nämlich dazu, dass sich die CNT 36 in Richtung der Bewegung ausrichten, da auf diese Weise die Reibungsverhältnisse zwischen den CNT 36 und dem Überträger optimiert sind. Die auf diesem Wege erzeugten Schichtanteile weisen daher anisotrope Eigenschaften auf, die im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 4 beispiels- weise dazu führen, dass die Versteifung des Streifens in Richtung seiner Ausrichtung besonders groß ausfällt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum elektrochemischen Beschichten eines Substrates (15) durch Brush Plating, bei dem ein Elektrolyt unter Anwendung eines Überträgers (12) auf das Substrat (15) aufge¬ bracht wird, wobei sich bei gleichzeitigem Einbau von Parti¬ keln eine metallische Schicht (16) auf dem Substrat (15) aus¬ bildet,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass
• der Überträger über ein erstes Leitungssystem für den
Elektrolyten, in dem die Konzentration an Partikeln im Vergleich zur notwendigen Konzentration für einen ausreichenden Einbau zumindest vermindert ist oder keine Parti- kel vorhanden sind, gespeist wird, und
• ein zweites Leitungssystem für die Partikel vorgesehen
ist, mit dem Partikel vor der Behandlung mit dem Überträ¬ ger direkt auf das zu beschichtende Substrat aufgebracht werden .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Partikel in dem zweiten Leitungssystem als Dispersion zugeführt werden.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Dispersion aufgesprüht oder aufgetropft wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Partikel als Pulver in dem zweiten Leitungssystem gefördert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Partikel durch Einwirken einer Energie, insbesondere Ultraschall, im zweiten Leitungssystem am Agglomerieren gehindert werden.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass als Partikel Nanopartikel , insbesondere CNT und/oder BNNT verwendet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Überträger (12) in einer Richtung über das Substrat (15) geführt wird, in der die CNT und/oder BNNT vorzugsweise in der sich ausbildenden Schicht orientiert sein sollen.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
als Substrat (15) eine Walze beschichtet wird, die nach Auf¬ setzen des Überträgers (12) unter diesem gedreht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass während des Beschichtens des walzenförmigen Substrates (15) neben dem Drehen des Substrates um seine Mittelachse eine lineare Relativbewegung in Richtung der Drehachse zwischen dem Überträger (12) und dem Substrat (15) vollzogen wird.
10. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die Partikel mittels des zweiten Leitungssystems (22) nur in Teilbereichen der herzustellenden Schicht (16) auf das Substrat (15) aufgebracht werden oder die aufgebrachte Menge an Partikeln im Bereich der aufzubringenden Schicht (16) lo- kal verändert wird.
11. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Schicht (16) in mehreren Lagen elektrochemisch her- gestellt wird, wobei jeweils vor dem Aufbringen einer Lage mittels Brush Plating über das zweite Leitungssystem (22) Partikel auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht wer¬ den .
12. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass als Substrat eine Arbeitswalze für Walzwerke beschichtet wird .
13. Vorrichtung zum elektrochemischen Beschichten von Substraten (15) durch Brush Plating, aufweisend
• einen flüssigkeitsdurchlässigen Überträger (12) mit einer Übertragungsfläche (12b) für einen Elektrolyten auf ein zu beschichtendes Substrat (15) und
· ein erstes Leitungssystem (21) für den Elektrolyten, welches Auslässe (30) am Überträger (12) aufweist
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass die Vorrichtung ein zweites Leitungssystem (22) aufweist, welches unabhängig von dem ersten Leitungssystem ge- speist werden kann und welches eine Mündung (22a) aufweist, die vor der Übertragungsfläche (12b) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass das zweite Leitungssystem (22) mit einem Generator für Ultraschall im Eingriff steht.
PCT/EP2010/062501 2009-09-30 2010-08-26 Verfahren zum elektrochemischen beschichten eines substrates durch brush plating und vorrichtung zur durchführung dieses verfahrens Ceased WO2011039009A2 (de)

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