DE10228323B4 - Cathodic electrodeposition process and microcomponents made by such a process - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zum kathodischen elektrolytischen Abscheiden eines metallischen
Materials auf einem Substrat in nanokristalliner Form mit einer
Durchschnittskorngröße von weniger
als 100 nm mit einer Abscheidegeschwindigkeit von wenigstens 0,05
mm/h, aufweisend:
– Vorsehen
eines wässrigen
Elektrolyts, welcher Ionen des metallischen Materials enthält,
– Halten
des Elektrolyts bei einer Temperatur im Bereich zwischen 0 bis 85° C,
– Umrühren des
Elektrolyten bei einer Umrührgeschwindigkeit
im Bereich von 1 bis 750 ml/min/A,
– Vorsehen einer Anode und
einer Kathode in Kontakt mit dem Elektrolyt,
– Durchleiten
von einzelnen oder mehreren Kathodenstrompulsen zwischen der Anode
und Kathode in einem Zeitintervall, wobei der Strom in dem Zeitintervall
für einen Tkathodisch-an-Zeitabschnitt von 0,1 bis 50 ms fließt und für einen
Tkathodisch-aus-Zeitabschnitt von 0 bis 500 ms nicht
fließt,
– Durchleiten
von einzelnen oder mehreren Anodenstrompulsen zwischen der Kathode
und der Anode in dem Zeitintervall, wobei der Strom für einen...A method of cathodic electrolytic deposition of a metallic material on a substrate in nanocrystalline form having an average grain size of less than 100 nm at a deposition rate of at least 0.05 mm / h, comprising:
Providing an aqueous electrolyte containing ions of the metallic material,
Holding the electrolyte at a temperature in the range of 0 to 85 ° C,
Stirring the electrolyte at a stirring speed in the range from 1 to 750 ml / min / A,
Providing an anode and a cathode in contact with the electrolyte,
Passing one or more cathodic current pulses between the anode and cathode in a time interval, the current flowing in the time interval for a cathodic-on period of 0.1 to 50 ms, and for a cathodic-off time period of 0 to 500 ms does not flow,
Passing through single or multiple anode current pulses between the cathode and the anode in the time interval, the current being passed through for a ...
Description
Gebiet der ErfindungTerritory of invention
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausbilden von Beschichtungen von reinen Metallen, Metalllegierungen oder Metallmatrix-Kompositen auf einem Werkstück, welches elektrisch leitfähig ist oder eine elektrisch leitfähige Oberflächenschicht enthält, oder Ausbilden von freistehenden Auflagen von nanokristallinen Metallen, Metalllegierungen oder Metallmatrix-Kompositen durch Verwendung von Puls-Elektroabscheidung. Das Verfahren verwendet ein Trommel-Abscheideverfahren für die kontinuierliche Herstellung von nanokristallinen Folien von reinen Metallen, Metalllegierungen oder Metallmatrix-Kompositen oder ein selektives Abscheide-(Bürstenabscheide)-Verfahren, wobei die Verfahren Puls-Elektroabscheidung und eine nicht stationäre Anode oder Kathode einbeziehen. Neue nanokristalline Metallmatrix-Komposite sind ebenfalls offenbart. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Puls-Abscheideverfahren für die Herstellung oder Beschichtung von Mikrokomponenten. Die Erfindung bezieht sich auch auf Mikrokomponenten mit Korngrößen unter 1000 nm.The This invention relates to a method of forming coatings of pure metals, metal alloys or metal matrix composites on a workpiece, which is electrically conductive is or an electrically conductive surface layer contains or forming free-standing supports of nanocrystalline metals, Metal alloys or metal matrix composites by use of pulse electrodeposition. The method uses a drum deposition method for the continuous production of nanocrystalline films of pure Metals, metal alloys or metal matrix composites or a selective deposition (brushing) method, the methods being pulse electrodeposition and a non-stationary anode or cathode. New nanocrystalline metal matrix composites are also disclosed. The invention also relates to a Pulse-deposition method for the production or coating of microcomponents. The invention also refers to microcomponents with grain sizes below 1000 nm.
Das neue Verfahren kann angewandt werden, um verschleißresistente Auflagen und Folien von reinen Metallen oder Legierungen von Metallen, ausgewählt aus der Gruppe von Ag, Au, Cu, Co, Cr, Ni, Fe, Pb, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, V, W und Zn und anderen legierenden Elementen, ausgewählt aus C, P, S und Si, und Metallmatrix-Komposite reiner Metalle oder Legierungen mit Partikelzusätzen herzustellen, wie etwa Metallpulvern, Metalllegierungspulvern und Metalloxidpulvern von Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitriden von Al, B und Si; C (Graphit oder Diamant); Carbide von B, Cr, Bi, Si, W; und organische Materialien wie PTFE und Polymerkugeln. Das selektive Abscheideverfahren ist besonders geeignet für in-situ oder Außenanwendungen, wie etwa die Reparatur oder Aufbereitung von Düsen und Formen, Turbinenschaufeln, Dampferzeugungsröhren, Reaktorkernkopf-Durchbrechungen von Kernkraftwerken. Der kontinuierliche Abscheideprozess ist besonders geeignet zur Herstellung nanokristalliner Folien, z.B. für magnetische Anwendungen. Das Verfahren kann auf hochfeste, gleichachsige Mikrokomponenten zur Verwendung in der Elektronik, Biomedizin, Telekommunikation, im Automobilbereich, Weltraum und in Verbraucheranwendungen angewandt werden.The new process can be applied to wear-resistant Supports and films of pure metals or alloys of metals, selected from the group of Ag, Au, Cu, Co, Cr, Ni, Fe, Pb, Pd, Pt, Rh, Ru, Sn, V, W and Zn and other alloying elements selected from C, P, S and Si, and metal matrix composites of pure metals or alloys with particle additives such as metal powders, metal alloy powders and Metal oxide powders of Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V and Zn; Nitrides of Al, B and Si; C (graphite or diamond); Carbides of B, Cr, Bi, Si, W; and organic materials such as PTFE and polymer beads. The selective deposition method is particularly suitable for in situ or outdoor applications, such as such as the repair or preparation of nozzles and molds, turbine blades, Steam generating tubes, Reactor core head breakthroughs of nuclear power plants. The continuous one Separation process is particularly suitable for the production of nanocrystalline Foils, e.g. For magnetic applications. The method can be applied to high strength, equiaxed Microcomponents for use in electronics, biomedicine, telecommunications, used in the automotive, space and consumer applications become.
Beschreibung des Standes der Technik/Hintergrund der ErfindungDescription of the state the technology / background of the invention
Nanokristalline Materialien, auf welche auch als ultrafein gekörnte Materialien Bezug genommen wird, Nanophasenmaterialien oder Nanometer-große Materialien, welche Durchschnittskorngrößen kleiner oder gleich 100 nm zeigen, werden durch eine Anzahl von bekannten Verfahren hergestellt, einschließlich Sputtern, Laserabtragung, Inertgas-Kondensation, Hochenergie-Kugelfräsen, Sol-Gel-Ablagerung und Elektroabscheidung. Elektroabscheidung bietet die Fähigkeit, eine große Anzahl an hochdichten Metallen und Metalllegierungs-Zusammensetzungen bei hohen Herstellungsgeschwindigkeiten und niedrigen Kapitalinvestitionsanforderungen in einem einzelnen Syntheseschritt herzustellen.Nanocrystalline Materials referred to as ultrafine grained materials , nanophase materials or nanometer-sized materials, which average grain sizes smaller or equal to 100 nm are indicated by a number of known Process, including sputtering, laser ablation, Inert gas condensation, high energy ball milling, sol gel deposition and electrodeposition. Electrodeposition provides the ability a big Number of high density metals and metal alloy compositions at high production speeds and low capital investment requirements in a single synthesis step.
Der Stand der Technik beschreibt primär die Verwendung von Puls-Elektroabscheidung zur Herstellung nanokristalliner Materialien.Of the The prior art primarily describes the use of pulse electrodeposition for the production of nanocrystalline materials.
Erb
beschreibt in
Mori
beschreibt in
Adler
beschreibt in
Icxi
offenbart in
Das
Dokument
Das Dokument WO 00/28114 A1 beschreibt ein Verfahren zum Ablagern nanokristalliner Partikel eines katalytischen Materials auf einem Substrat unter Verwendung von elektrolytischer Abscheidung unter Verwendung von Pulsstrom mit Arbeitszyklen kathodischer Pulse von weniger als 40% und einem Pulsfrequenzbereich von 10 Hz bis 5000 Hz.The Document WO 00/28114 A1 describes a method for depositing nanocrystalline Particles of a catalytic material on a substrate below Use of electrolytic deposition using Pulse current with duty cycles of cathodic pulses of less than 40% and a pulse frequency range of 10 Hz to 5000 Hz.
Mikromechanische Systeme (MEMS) sind Maschinen, welche konstruiert sind aus kleinen, sich bewegenden und stationären Teilen, welche eine Gesamtdimension aufweisen, die von 1 bis 1000 μm reicht, z.B. zur Verwendung in Elektronik, Biomedizin, Telekommunikation, Automobil-, Weltraum- und Verbrauchertechnologien.Micromechanical Systems (MEMS) are machines that are constructed of small, moving and stationary Parts having an overall dimension ranging from 1 to 1000 μm, e.g. for use in electronics, biomedicine, telecommunications, Automotive, space and consumer technologies.
Solche Komponenten werden z.B. durch Fotoelektroabformung hergestellt, was ein Additiv-Verfahren ist, in welchem Pulver in Schichten abgelagert werden, um die gewünschte Struktur, z.B. durch Laser verbessertes elektroloses Abscheiden zu bilden. Lithografie, Elektroabformen und Gießen (LIGA) und andere Fotolithografie verwandte Verfahren werden verwendet, um Längenverhältnis (Teilehöhe zu Breite) betreffende Probleme zu überwinden. Andere angewandte Techniken schließen Silizium-Mikrobearbeitung durch Maskenplattieren und Mikrokontaktdrucken ein.Such Components are e.g. produced by photoelectro impression, which is an additive process in which powder is deposited in layers be to the desired Structure, e.g. laser enhanced electroless deposition to build. Lithography, electro-casting and casting (LIGA) and other photolithography related methods are used to obtain aspect ratio (part height to width) to overcome problems in question. Other techniques used include silicon micromachining by mask plating and microcontact printing.
Zusammenfassung:Summary:
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein zuverlässiges und flexibles Verfahren zum kathodischen elektrolytischen Abscheiden zum Ausbilden von Beschichtungen oder freistehenden Ablagerungen von nanokristallinen Metallen, Metalllegierungen oder Metallmatrix-Kompositen zu bieten.It It is an object of the invention to provide a reliable and flexible method for cathodic electrolytic deposition for forming coatings or freestanding deposits of nanocrystalline metals, metal alloys or metal matrix composites.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Mikrokomponenten mit deutlich verbesserter eigenschaftsabhängiger Beständigkeit und maßgeschneiderten gewünschten Eigenschaften für in der Gesamtleistung verbesserte Mikrosysteme vorzusehen.It Another object of the invention is to provide microcomponents with clarity improved property-dependent resistance and tailor made desired Properties for to provide improved microsystems in the overall performance.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen definiert.preferred embodiments of the invention are defined in the respective dependent claims.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Puls-Abscheideverfahren bereit, welches aus einer einzelnen kathodischen An-Zeit oder mehrfachen kathodischen An-Zeiten unterschiedlicher Stromdichten und einzelnen oder mehreren Aus-Zeiten pro Zeitintervall besteht. Periodische Pulsumkehr, eine bipolare Wellenform, welche zwischen kathodischen Pulsen und anodischen Pulsen hin und her wechselt, kann optional auch verwendet werden. Die kathodischen Pulse können in die Wellenform vor, nach oder zwischen den An-Pulsen und/oder vor, nach oder in der Aus-Zeit eingefügt sein. Die anodische Pulsstromdichte ist allgemein gleich oder größer als die kathodische Stromdichte. Die anodische Ladung (Qanodisch) des "Rückwärtspulses" pro Zeitintervall ist immer kleiner als die kathodische Ladung (Qkathodisch)The present invention provides a pulse deposition method which consists of a single cathodic on-time or multiple cathodic on-times of different current densities and single or multiple off-times per time interval. Periodic pulse reversal, a bipolar waveform that alternates between cathodal pulses and anodic pulses, may optionally also be used. The cathodic pulses may be inserted into the waveform before, after or between the on pulses and / or before, after or in the off time. The anodic pulse current density is generally equal to or greater than the cathodic current density. The anodic charge (Q anodic ) of the "backward pulse" per time interval is always smaller than the cathodic charge (Q cathodic )
Die An-Zeiten kathodischer Pulse reichen von 0,1 bis 50 ms (1-50), Aus-Zeiten von 0 bis 500 ms (1-100) und anodische Pulszeiten reichen von 0 bis 50 ms, vorzugsweise von 1 bis 10 ms. Der Arbeitszyklus, ausgedrückt als die kathodischen An-Zeiten geteilt durch die Summe der kathodischen An-Zeiten, der Aus-Zeiten und der anodischen Zeiten reicht von 5 bis 100%, bevorzugt von 10 bis 95%, und bevorzugter von 20 bis 80%. Die Frequenz der kathodischen Pulse reicht von 1 Hz bis 1 kHz und bevorzugter von 10 Hz bis 350 Hz.The on times of cathodic pulses range from 0.1 to 50 ms (1-50), off times from 0 to 500 ms (1-100), and anodic pulse times range from 0 to 50 ms, preferably from 1 to 10 ms. The work cycle, expressed as the cathodic on times divided by the sum of the cathodic on times, the off times and the anodic times ranges from 5 to 100%, preferably from 10 to 95%, and more preferably from 20 to 80%. The frequency of the cathodic pulses ranges from 1 Hz to 1 kHz, and more preferably from 10 Hz to 350 Hz.
Nanokristalline
Beschichtungen oder freistehende Ablagerungen von metallischen Materialien
werden erhalten durch Variierung von Prozessparametern wie der Stromdichte,
Arbeitszyklus, Werkstücktemperatur, Beschichtungslösungstemperatur,
Lösungsumwälzgeschwindigkeiten, über einen
weiten Bereich von Bedingungen. Die folgende Auflistung beschreibt
geeignete Betriebsparameter-Bereiche
zur Durchführung
der Erfindung:
Durchschnittliche Stromdichte (falls bestimmbar,
anodisch oder kathodisch): 0,01 bis 20 A/cm2,
bevorzugt 0,1 bis 20 A/cm2, bevorzugter
1 bis 10 A/cm2
Arbeitszyklus 5 bis
100%
Frequenz: 0 bis 1000 Hz
Elektrolytlösungstemperatur: –20 bis
85°C
Elektrolytlösungsumwälzungs-/Umrühr-Geschwindigkeiten: ≤ 10 Liter
pro Minute pro cm2 Anoden- oder Kathodenfläche (0,0001
bis 10 l/min. cm2)
Werkstücktemperatur: –20 bis
45° C
Anodenschwingungsgeschwindigkeit:
0 bis 350 Schwingungen/min
Lineare Geschwindigkeit Anode gegen
Kathode: 0 bis 200 m/min (Bürste)
0,003 bis 0,16 m/min (Trommel).Nanocrystalline coatings or free-standing deposits of metallic materials are obtained by varying process parameters such as current density, duty cycle, workpiece temperature, coating solution temperature, solution recycle rates, over a wide range of conditions. The following list describes suitable operating parameter ranges for carrying out the invention:
Average current density (if determinable, anodic or cathodic): 0.01 to 20 A / cm 2 , preferably 0.1 to 20 A / cm 2 , more preferably 1 to 10 A / cm 2
Duty cycle 5 to 100%
Frequency: 0 to 1000 Hz
Electrolytic solution temperature: -20 to 85 ° C
Electrolyte solution recirculation / agitation rates: ≤ 10 liters per minute per cm 2 of anode or cathode area (0.0001 to 10 l / min, cm 2 )
Workpiece temperature: -20 to 45 ° C
Anode vibration rate: 0 to 350 cycles / min
Linear velocity anode to cathode: 0 to 200 m / min (brush) 0.003 to 0.16 m / min (drum).
Die vorliegende Erfindung stellt bevorzugt ein Verfahren bereit zur Abscheidung nanokristalliner Metalle, Metallmatrix-Kompositen und Mikrokomponenten mit Abscheidegeschwindigkeiten von mindestens 0,05 mm/h, bevorzugt von mindestens 0,075 mm/h, und bevorzugter von mindestens 0,1 mm/h.The The present invention preferably provides a method for Deposition of nanocrystalline metals, metal matrix composites and Microcomponents with deposition rates of at least 0.05 mm / h, preferably at least 0.075 mm / h, and more preferably at least 0.1 mm / h.
In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann der Elektrolyt bevorzugt mittels Pumpen, Quirlen oder Ultraschallanregung mit Geschwindigkeiten von 1 bis 750 ml/min/A (ml-Lösung pro Minute pro durchgelassenen Ampere- Durchschnittstrom) umgerührt werden, bevorzugt mit Geschwindigkeiten von 1 bis 500 ml/min/A.In In the process of the present invention, the electrolyte may be preferred by means of pumps, whirring or ultrasonic excitation at speeds from 1 to 750 ml / min / A (ml solution per minute per ampere average current passed), preferably at rates of 1 to 500 ml / min / A.
In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung kann optional ein Kornverfeinerungsmittel oder ein Spannungsabbaumittel zu dem Elektrolyt zugefügt sein, ausgewählt aus der Gruppe von Saccharin, Cumarin, Natriumlaurylsulfat und Thio-Harnstoff.In The process of the present invention may optionally include a grain refiner or a stress relief agent added to the electrolyte, selected from the group of saccharin, coumarin, sodium lauryl sulfate and thio-urea.
Diese Erfindung stellt ein Verfahren zur Abscheidung von nanokristallinen Metallmatrix-Kompositen auf einem permanenten bzw. dauerhaften oder einem zeitweiligen Substrat bereit, optional zumindest 5 Vol.% aus Partikeln bestehender Stoffe enthaltend, bevorzugt 10 Vol.% aus Partikeln bestehende Stoffe, bevorzugter 20 Vol.% aus Partikeln bestehender Stoffe, noch bevorzugter 30 Vol.% aus Partikeln bestehender Stoffe und am meisten bevorzugt 40 Vol.% aus Partikeln bestehender Stoffe, für Anwendungen, wie etwa harte Deckschichten, Projektil-Abstumpf-Panzerung, Ventil-Auffrischung, Ventil- und Drehwerkzeug-Beschichtungen, Energie-absorbierende Panzerungsplatten, Geräuschdämmsysteme, Verbinder an Rohrleitungsverbindungen, z.B. verwendet bei Ölbohranwendungen, Auffrischung von Rollenlagerachsen in der Eisenbahnindustrie, Computerchips, Reparatur von elektrischen Motor- und Generatorteilen, Reparatur von Rillen in Druckrollen, unter Verwendung von Tank-, Trommel-, Gestell-, selektiven (z.B. Bürstenabscheidung) und kontinuierlichen (z.B. Trommelabscheidung) Abscheideverfahren, welche Puls-Elektroabscheidung verwenden. Die aus Partikeln bestehenden Stoffe können ausgewählt werden aus der Gruppe von Metallpulvern, Metalllegierungspulvern und Metalloxidpulvern von Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitride von Al, B und Si; C (Graphit oder Diamant), Carbide von B, Bi, Cr, Si, W; MoS2; und organischen Materialien wie etwa PTFE oder Polymerkugeln. Die durchschnittliche Partikelgröße der aus Partikeln bestehenden Stoffe ist typischerweise unter 10 μm, bevorzugt unter 1000 nm (1 μm), bevorzugt 500 nm, und bevorzugter unter 100 nm.This invention provides a method of depositing nanocrystalline metal matrix composites on a permanent or temporary substrate, optionally containing at least 5% by volume of particulate matter, preferably 10% by volume of particulate matter, more preferably 20% by volume. % of particulate matter, more preferably 30 vol% of particulate matter, and most preferably 40 vol% of particulate matter, for applications such as hard topcoats, projectile-truncated armor, valve freshener, valved and valved Rotary tool coatings, energy absorbing armor plates, noise reduction systems, connectors to piping joints, eg used in oil drilling applications, refurbishment of roller bearing axles in the railway industry, computer chips, repair of electric motor and generator parts, repair of grooves in pressure rollers, using tank, drum -, frame, selective (eg Bür trap deposition) and continuous (eg drum deposition) deposition processes using pulse electrodeposition. The particulate matter may be selected from the group of metal powders, metal alloy powders and metal oxide powders of Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V and Zn; Nitrides of Al, B and Si; C (graphite or diamond), carbides of B, Bi, Cr, Si, W; MoS 2 ; and organic materials such as PTFE or polymer beads. The average particle size of the particulates is typically below 10 microns, preferably below 1000 nm (1 micron), preferably 500 nm, and more preferably below 100 nm.
Das Verfahren dieser Erfindung bietet optional ein Verfahren zum kontinuierlichen (Trommel oder Band) Abscheiden nanokristalliner Folien, welche optional feste Partikel in Lösung enthalten, ausgewählt aus Metallpulvern, Metalllegierungspulvern und Metalloxidpulvern aus Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitriden von Al, B und Si; C (Graphit oder Diamant); Carbide von B, Bi, Si, W; MoS2, und organische Materialien wie PTFE und Polymerkugeln, um gewünschte Eigenschaften zu verleihen, einschließlich Härte, Abnutzungswiderstand, Schmierung, magnetische Eigenschaften. Die Trommel oder das Band stellt ein zeitweises Substrat bereit, von welchem die plattierte Folie leicht und kontinuierlich entfernt werden kann.The process of this invention optionally provides a process for continuous (drum or belt) deposition of nanocrystalline films optionally containing solid particles in solution selected from metal powders, metal alloy powders and metal oxide powders of Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn , V and Zn; Nitrides of Al, B and Si; C (graphite or diamond); Carbides of B, Bi, Si, W; MoS 2 , and organic materials such as PTFE and polymer beads to impart desired properties including hardness, wear resistance, lubrication, magnetic properties. The drum or belt provides a temporary substrate from which the plated film can be easily and continuously removed.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es auch möglich, nanokristalline Schichten herzustellen durch Elektroabscheiden ohne die Notwendigkeit, den zu beschichtenden Gegenstand in ein Beschichtungsbad unterzutauchen. Bürsten- oder Tampon-Abscheiden ist eine geeignete Alternative zum Tank-Abscheiden, insbesondere, wenn nur ein Teil des Werkstücks zu plattieren ist, ohne die Erfordernis, Bereiche zu maskieren, welche nicht plattiert werden sollen. Die Bürsten-Abscheide-Vorrichtung verwendet typischerweise eine lösliche bzw. sich auflösende oder eine dimensional stabile Anode, die in ein absorbierendes Abstandstück-Filz gewickelt ist, um die Anodenbürste auszubilden. Die Bürste wird gegen die zu plattierende Oberfläche gerieben, in einer manuellen oder mechanisierten Art und Weise, und eine Elektrolytlösung, welche Ionen des Metalls oder von Metalllegierungen enthält, die plattiert werden sollen, wird in das Abstandstück-Filz eingespritzt. Optional enthält diese Lösung auch feste Partikel in Lösung, ausgewählt aus Metallpulvern, Metalllegierungspulvern und Metalloxidpulvern von Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitride von Al, B und Si; C (Graphit oder Diamant); Carbide von B, Bi, Si, W; MoS2, und organische Materialien wie PTFE und Polymerkugeln, um gewünschte Eigenschaften zu verleihen, einschließlich Härte, Abnutzungswiderstand, Schmierung.According to a preferred embodiment of the invention, it is also possible to produce nanocrystalline layers by electrodeposition without the need to place the article to be coated in Submerge coating bath. Brush or tampon deposition is a suitable alternative to tank deposition, especially if only a portion of the workpiece is to be plated, without the need to mask areas that are not to be plated. The brush deposition apparatus typically employs a dissolvable or dimensionally stable anode that is wound into an absorbent spacer felt to form the anode brush. The brush is rubbed against the surface to be plated, in a manual or mechanized manner, and an electrolyte solution containing ions of the metal or metal alloys to be plated is injected into the spacer felt. Optionally, this solution also contains solid particles in solution selected from metal powders, metal alloy powders and metal oxide powders of Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V and Zn; Nitrides of Al, B and Si; C (graphite or diamond); Carbides of B, Bi, Si, W; MoS 2 , and organic materials such as PTFE and polymer beads to impart desired properties, including hardness, wear resistance, lubrication.
Im Fall des Trommel-, Band- oder Bürsten-Abscheidens reicht die relative Bewegung zwischen Anode und Kathode von 0 bis 600 Metern pro Minute, bevorzugt von 0,003 bis 10 Metern pro Minute.in the Case of drum, belt or brush deposition ranges the relative movement between anode and cathode from 0 to 600 meters per minute, preferably from 0.003 to 10 meters per minute.
Im Verfahren dieser Erfindung können Mikrokomponenten für Mikrosysteme, einschließlich mikromechanischer Systeme (MEMS) und mikrooptischer Systeme, mit Korngrößen gleich oder kleiner als 1000 nm hergestellt werden. Die maximale Abmessung des Mikrokomponententeils ist gleich oder unter 1 mm, und das Verhältnis zwischen der maximalen äußeren Abmessung des Mikrokomponententeils und der Durchschnittskorngröße ist gleich oder größer als 10, bevorzugt größer als 100.in the Methods of this invention may Microcomponents for Microsystems, including micromechanical systems (MEMS) and micro-optical systems, with Grain sizes equal or less than 1000 nm. The maximum dimension of the microcomponent part is equal to or less than 1 mm, and the ratio between the maximum outer dimension of the microcomponent part and the average grain size is the same or greater than 10, preferably greater than 100th
Die Mikrokomponenten der vorliegenden Erfindung weisen bevorzugt eine gleichachsige Mikrostruktur über die plattierte Komponente auf, welche verhältnismäßig unabhängig von der Dicke und der Struktur der Komponente ist.The Microcomponents of the present invention preferably have one equiaxed microstructure over the plated component, which is relatively independent of the thickness and the Structure of the component is.
Es ist ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung, Mikrokomponenten vorzusehen, bei denen die durchschnittliche Korngröße eine Größenordnung kleiner bleibt als die äußere Abmessung des Teils, wodurch ein hoher Grad an Festigkeit erhalten ist.It Another aspect of the present invention is microcomponents be provided, in which the average grain size a Magnitude smaller than the outer dimension of the part, whereby a high degree of strength is obtained.
Die Mikrokomponenten gemäß dieser Erfindung haben eine deutlich verbesserte eigenschaftsabhängige Beständigkeit und verbesserte maßgeschneiderte gewünschte Eigenschaften der MEMS-Strukturen für in ihrer Gesamtleistungsfähigkeit verbesserte Mikrosysteme durch bevorzugte gleichachsige Elektroabscheidungen, welche das feine Korn ausschließen von säulenförmigem Kornübergang in der Mikrokomponente, und gleichzeitigem Reduzieren der Korngröße der Ablagerungen unter 1000 nm.The Microcomponents according to this Invention have a significantly improved property-dependent resistance and improved customized desired Properties of MEMS structures for in their overall performance improved microsystems through preferred equiaxed electrodepositions, which exclude the fine grain of columnar grain transition in the microcomponent, and at the same time reducing the grain size of the deposits below 1000 nm.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung:Preferred embodiments the invention:
Andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden klarer werden in der folgenden detaillierten Beschreibung und Beispielen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, zusammen mit den beigefügten schematischen Zeichnungen, in welchen:Other Features and advantages of this invention will become clearer in the following detailed description and examples of the preferred embodiments of the invention, together with the attached schematic drawings, in which:
Diese Erfindung bezieht sich auf die Herstellung nanokristalliner Beschichtungen, Folien und Mikrosystem-Komponenten durch Puls-Elektroabscheidung. Optional sind feste Partikel in dem Elektrolyt gelöst und werden in die Ablagerung eingefügt.These Invention relates to the production of nanocrystalline coatings, Films and microsystem components by pulse electrodeposition. Optionally, solid particles are dissolved in the electrolyte and become inserted into the deposit.
Nanokristalline Beschichtungen für abnutzungsresistente Anwendungen sind heutzutage gerichtet auf Erhöhung von Abnutzungswiderstandsfähigkeit durch Erhöhung der Härte und Verringerung des Reibungskoeffizienten durch Korngrößenverringerung unter 100 nm. Es wurde nun gefunden, dass eine Einbringung eines ausreichenden Volumenanteils an harten Partikeln die Abnutzungswiderstandsfähigkeit von nanokristallinen Materialien weiter verbessern kann.Nanocrystalline Coatings for Abrasion-resistant applications are nowadays aimed at increasing Wear resistance by raising the hardness and reducing the coefficient of friction by grain size reduction Below 100 nm. It has now been found that a contribution of sufficient Volume fraction of hard particles, the wear resistance of nanocrystalline materials.
Die Materialeigenschaften können auch durch z.B. die Beimengung von Schmiermitteln (so wie MoS2 und PTFE) verändert werden. Allgemein können die aus Partikeln bestehenden Stoffe aus der Gruppe von Metallpulvern, Metalllegierungspulvern und Metalloxidpulvern gewählt werden aus Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitride von Al, B und Si; C (Graphit und Diamant), Carbide von B, Bi, Si, W; MoS2 und organischen Materialien wie etwa PTFE und Polymerkugeln.The material properties can also be changed by, for example, the addition of lubricants (such as MoS 2 and PTFE). In general, the particulates selected from the group of metal powders, metal alloy powders and metal oxide powders may be selected from Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V, and Zn; Nitrides of Al, B and Si; C (graphite and diamond), carbides of B, Bi, Si, W; MoS 2 and organic materials such as PTFE and polymer spheres.
Beispiel 1example 1
Nanokristalline
NiP-B4C-Nanozusammensetzungen wurden auf
Ti und unlegierten Stahlkathoden abgeschieden, die in einem modifizierten
Watts-Bad für
Nickel eingetaucht sind, unter Verwendung einer löslichen
Anode, die aus einer Nickelplatte hergestellt war, und einer Dynatronix-(Dynanet
PDPR 20-30-100)-Pulsstromversorgung.
Die folgenden Bedingungen wurden verwendet:
Anode/Anodenfläche: Lösliche Anode:
Ni-Platte, 80cm2
Kathode/Kathodenfläche: Ti
oder unlegierte Stahltafel/ca. 5cm2
Kathode:
fest
Anode: fest
Lineare Geschwindigkeit Anode gegen Kathode:
nicht zutreffend
Durchschnittliche kathodische Stromdichte:
0.06A/cm2
tkathodisch-an/tkathodisch-aus: 2ms/6ms
Frequenz: 125
Hz
Arbeitszyklus: 25%
Ablagerungszeit: 1 Stunde
Ablagerungsgeschwindigkeit:
0,09 mm/h
Elektrolyttemperatur: 60° C
Elektrolytumwälzgeschwindigkeit:
kräftiges
Umrühren
(mechanisches Zweirichtungs-Flügelrad)
Basis-Elektrolyt-Formulierung:
300g/l
NiSO4x7H2O
45g/l
NiCl2x6H2O
45g/l
H3BO3
18 g/l
H3PO4
0,5–3 ml/l
Grenzflächen-aktiver
Stoff zu einer Oberflächenspannung
von < 30 Dyn/cm
0–2g/l Natriumsaccharinat
360
g/l Borcarbid, 5μm
durchschnittlicher Partikeldurchmesser
pH 1,5–2,5.Nanocrystalline NiP-B 4 C nanocomposites were deposited on Ti and unalloyed steel cathodes immersed in a modified Watts bath for nickel, using a soluble anode made of a nickel plate and a Dynatronix (Dynanet PDPR 20). 30-100) -Pulsstromversorgung. The following conditions were used:
Anode / anode area: Soluble anode: Ni plate, 80cm 2
Cathode / cathode surface: Ti or unalloyed steel plate / approx. 5cm 2
Cathode: firm
Anode: fixed
Linear velocity anode to cathode: not applicable
Average cathodic current density: 0.06A / cm 2
t cathodic-on / t cathodic-off : 2ms / 6ms
Frequency: 125 Hz
Duty cycle: 25%
Deposition time: 1 hour
Deposition rate: 0.09 mm / h
Electrolyte temperature: 60 ° C
Electrolyte recirculation speed: vigorous stirring (mechanical bidirectional impeller)
Basic Electrolyte Formulation:
300g / l NiSO 4 x 7H 2 O
45g / l NiCl 2 x 6H 2 O
45g / l H 3 BO 3
18 g / l H 3 PO 4
0.5-3 ml / L of interface active substance to a surface tension of <30 dynes / cm
0-2g / l sodium saccharinate
360 g / l boron carbide, 5μm average particle diameter
pH 1.5-2.5.
Die Härtewerte von Metallmatrix-Kompositen, welche eine nanokristalline Matrixstruktur besitzen, sind typischerweise doppelt so hoch wie herkömmliche grob gekörnte Metallmatrix-Komposite. Zusätzlich werden die Härte- und Abnutzungseigenschaften von nanokristallinen NiP-B4C-Kompositen, welche 5,9 Gew.% P und 45 Vol.% B4C enthalten, mit denen von reinem grobkörnigen Ni, reine nanokristallinem Ni und elektro-abgelagertem Ni-P einer äquivalenten chemischen Zusammensetzung in der anliegenden Tabelle verglichen. Die Mate rialhärtung wird durch Hall-Petch-Korngrößenverstärkung gesteuert, während die Abriebs-Abnutzungswiderstandsfähigkeit gleichzeitig durch Beimengung von aus B4C-Partikeln bestehendem Stoff optimiert wird. Tabelle: NiP-B4C-Nanokomposit-Eigenschaften The hardness values of metal matrix composites, which have a nanocrystalline matrix structure, are typically twice as high as conventional coarse-grained metal matrix composites. In addition, the hardness and wear properties of nanocrystalline NiP-B 4 C composites containing 5.9 wt% P and 45 vol% B 4 C are compared with those of pure coarse-grained Ni, pure nanocrystalline Ni and electro-deposited Ni -P of an equivalent chemical composition in the attached table. The material hardening is controlled by Hall-Petch grain size enhancement, while the abrasion wear resistance is simultaneously optimized by incorporation of B 4 C particles. Table: NiP-B 4 C nanocomposite properties
Beispiel 2Example 2
Nanokristalline
Co-basierte Nanokomposite wurden auf Ti- und unlegierten Stahlkathoden
abgeschieden, die in einem für
Kobalt modifizierten Watts-Bad eingetaucht waren, unter Verwendung
einer löslichen
Anode, die aus einer Kobaltplatte hergestellt war, und einer Dynatronics-(Dynanet
PDPR 20-30-100)-Pulsstromversorgung.
Die folgenden Bedingungen wurden verwendet:
Anode/Anodenfläche: lösliche Anode
(Co-Platte)/80cm2
Kathode/Kathodenfläche: Ti-(oder
unlegierte Stahl)-Tafel/ca. 6,5cm2
Kathode:
fest
Anode: fest
Lineare Geschwindigkeit Anode gegen Kathode:
nicht zutreffend
Kathodische Spitzenstromdichte: 0,100 A/cm2
Anodische Spitzenstromdichte: 0,300
A/cm2
Kathodische tkathodisch-an/tkathodisch-aus/anodische tanodisch-an(tanodisch): 16ms/0ms/2ms
Frequenz: 55,5
Hz
Kathodischer Arbeitszyklus: 89%
Anodischer Arbeitszyklus:
11 %
Ablagerungszeit: 1 h
Ablagerungsgeschwindigkeit:
0,08 mm/h
Elektrolyttemperatur: 60° C
Elektrolytumwälzgeschwindigkeit:
0,15 Liter/min/cm2 Kathodenfläche (kein
Pumpenfluss; Umrühren)
Elektrolyt-Formulierung:
300
g/l CoSO4x7H2O
45
g/l CoCl2x6H2O
45
g/l H3BO3
2
g/l C7H4NO3SNa Natriumsaccharinat
0,1 g/l C12H25O4SNa
Natriumlaurylsulfat (SLS)
100 g/l SiC, < 1 μm
durchschnittlicher Partikeldurchmesser
pH 2,5Nanocrystalline Co-based nanocomposites were deposited on titanium and unalloyed steel cathodes immersed in a cobalt-modified Watts bath, using a soluble anode made from a cobalt plate, and a Dynatronics (Dynanet PDPR 20-30). 100) -Pulsstromversorgung. The following conditions were used:
Anode / anode area: soluble anode (co-plate) / 80cm 2
Cathode / cathode surface: Ti (or unalloyed steel) panel / approx. 6,5cm 2
Cathode: firm
Anode: fixed
Linear velocity anode to cathode: not applicable
Cathodic peak current density: 0.100 A / cm 2
Anodic peak current density: 0.300 A / cm 2
Cathodic t cathodic-on / t cathodic-off / anodic t anodic-on (t anodic ): 16ms / 0ms / 2ms
Frequency: 55.5 Hz
Cathodic duty cycle: 89%
Anodic duty cycle: 11%
Deposition time: 1 h
Deposition rate: 0.08 mm / h
Electrolyte temperature: 60 ° C
Electrolyte recirculation rate: 0.15 liter / min / cm 2 cathode area (no pump flow; stir)
Electrolyte Formulation:
300 g / l CoSO 4 × 7H 2 O
45 g / l CoCl 2 × 6H 2 O
45 g / l H 3 BO 3
2 g / l C 7 H 4 NO 3 SNa sodium saccharinate
0.1 g / l C 12 H 25 O 4 SNa sodium lauryl sulfate (SLS)
100 g / l SiC, <1 μm average particle diameter
pH 2.5
In der angefügten Tabelle werden die Härte und Abriebseigenschaften eines nanokristallinen Co-SiC-Komposits, welches 22 Vol.% SiC enthält, verglichen mit denen von reinem grobkörnigem Co und reinem nanokristallinen Co. Hall-Petch-Korngrößenverstärkung steuert eine Materialhärtung, während eine Abriebsabnutzungs-Widerstandsfähigkeit gleichzeitig optimiert wird durch die Beimengung von einem aus SiC-Partikeln bestehendem Stoff. Tabelle: Co-Nanokomposit-Eigenschaften In the attached table, the hardness and abrasion properties of a nanocrystalline Co-SiC composite containing 22 vol.% SiC are compared with those of pure coarse Co and pure nanocrystalline Co. Hall Petch grain size enhancement controls material hardening, while abrasion wear resistance Resistance is optimized at the same time by the admixture of a material consisting of SiC particles. Table: Co-nanocomposite properties
Kontinuierliches Abscheiden ist ausgeführt worden, um Folien herzustellen, z.B. unter Verwendung von Trommelabscheiden nanokristalliner Folien, welche op tional feste Partikel in Lösung enthalten, ausgewählt aus reinen Metallen oder Legierungen aus reinen Metallen oder Legierungen mit aus Partikeln bestehenden Stoffzusätzen, wie etwa Metallpulver, Metalllegierungspulver und Metalloxidpulver von Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V und Zn; Nitride von Al, B und Si; C (Graphit oder Diamant); Carbide von B, Bi, Si, W; und organische Materialien wie etwa PTFE und Polymerkugeln, um gewünschte Eigenschaften zu verleihen, einschließlich Härte, Abnutzungswiderstandsfähigkeit, Schmierung, magnetischen Eigenschaften. Nanokristalline Metallfolien wurden an einer rotierenden Ti-Trommel abgelagert, die teilweise in einem Abscheide-Elektrolyten eingetaucht war. Die nanokristalline Folie wurde auf der Trommel kathodisch elektro-ausgebildet, unter Verwendung einer löslichen Anode, die aus einem Titanbehälter hergestellt war, der mit einem Anodenmetall gefüllt war, und unter Verwendung einer Pulsstromversorgung. Für eine Legierungsfolien-Herstellung wurde ein Strom von zusätzlichen Kationen mit einer vorbestimmten Konzentration kontinuierlich der Elektrolytlösung zugesetzt, um eine Gleichgewichtszustandskonzentration der legierenden Kationen in Lösung zu etablieren. Zur Metall- und Legierungsfolien-Herstellung, Matrixkomposite enthaltend, wurde ein Strom des Komposit-Zusatzes dem Abscheidebad mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit zugefügt, um einen Gleichgewichtsinhalt des Zusatzes zu etablieren. Drei unterschiedliche Anodenanordnungen können verwendet werden: Konforme Anoden, welche der Kontur des untergetauchten Abschnitts der Trommel folgen, vertikale Anoden, die an den Wänden des Behälters positioniert sind, und horizontale Anoden, die am Boden des Behälters positioniert sind. Folien wurden bei durchschnittlichen kathodischen Stromdichten hergestellt, welche von 0,01 bis 5 A/cm2 und bevorzugt von 0,05 bis 0,5 A/cm2 reichten. Die Drehgeschwindigkeit wurde verwendet, um die Foliendicke einzustellen, und diese Geschwindigkeit reichte von 0,003 bis 0,15 Upm (oder 20 bis 1000 cm/h) und bevorzugt von 0,003 bis 0,05 Upm (oder 20 bis 330 cm/h).Continuous deposition has been carried out to produce films, for example using drum depositions of nanocrystalline films containing optionally solid particles in solution selected from pure metals or alloys of pure metals or alloys with particulate additives such as metal powders, metal alloy powders and Metal oxide powders of Al, Co, Cu, In, Mg, Ni, Si, Sn, V, and Zn; Nitrides of Al, B and Si; C (graphite or diamond); Carbides of B, Bi, Si, W; and organic materials such as PTFE and polymer beads to impart desired properties including hardness, wear resistance, lubrication, magnetic properties. Nanocrystalline metal foils were deposited on a rotating Ti drum partially immersed in a deposition electrolyte. The nanocrystalline film was cathodically electro-formed on the drum using a soluble anode made of a titanium container filled with an anode metal and using a pulse power supply. For alloy sheet fabrication, a stream of additional cations at a predetermined concentration was continuously added to the electrolyte solution to establish an equilibrium state concentration of the alloying cations in solution. For metal and alloy foil production, containing matrix composites, a stream of the composite additive was added to the deposition bath at a predetermined rate to establish an equilibrium content of the additive. Three different anode arrangements may be used: conformal anodes following the contour of the submerged portion of the drum, vertical anodes positioned on the walls of the container, and horizontal anodes positioned at the bottom of the container. Films were made at average cathodic current densities ranging from 0.01 to 5 A / cm 2, and preferably from 0.05 to 0.5 A / cm 2 . The rotational speed was used to adjust the film thickness, and this speed ranged from 0.003 to 0.15 rpm (or 20 to 1000 cm / h), and preferably from 0.003 to 0.05 rpm (or 20 to 330 cm / h).
Beispiel 3: Metallmatrix-Komposit-TrommelabscheidenExample 3: Metal matrix composite drum deposition
Nanokristalline
Co-basierte Nanokomposite wurden auf einer drehenden Ti-Trommel abgelagert,
wie in Beispiel 2 beschrieben, eingetaucht in ein für Kobalt
modifiziertes Watts-Bad. Die nanokristalline Folie, 15 cm breit,
wurde auf der Trommel kathodisch elektro-ausgebildet, unter Verwendung
einer löslichen
Kobaltanode, enthalten in einem Ti-Drahtkorb, und einer Dynatronix-(Dynanet
PDPR 20-30-100)-Pulsstromversorgung. Die folgenden Bedingungen wurden
verwendet:
Anode/Anodenfläche:
konforme lösliche
Anode (Co-Stücke
in Ti-Korb)/nicht bestimmt
Kathode/Kathodenfläche: Ti
600cm2
Kathode: drehend
Anode:
fest
Lineare Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 0,018 Upm
Durchschnittsstromdichte:
0,075 A/cm2
Kathodische Spitzenstromdichte:
0,150 A/cm2
Anodische Spitzenstromdichte:
nicht zutreffend
Kathodische tkathodisch-an/tkathodisch-aus/anodische tan(tanodisch-an): 1 ms/1 ms/0 ms
Frequenz:
500 Hz
Kathodischer Arbeitszyklus: 50%
Anodischer Arbeitszyklus:
0%
Ablagerungszeit: 1 h
Ablagerungsgeschwindigkeit: 0,05
mm/h
Elektrolyttemperatur: 65° C
Elektrolytumwälzgeschwindigkeit:
0,15 Liter/min/cm2 Kathodenfläche (kein
Pumpenfluss; Umrühren)
Elektrolyt-Formulierung:
300
g/l CoSO4x7H2O
45
g/l CoCl2x6H2O
45
g/l H3BO3
2
g/l C7H4NO3SNa Natriumsaccharinat
0,1 g/l C12H25O4SNa
Natriumlaurylsulfat (SLS)
5 g/l phosphorige Säure
35
g/l SiC, < 1 μm mittlerer
Partikeldurchmesser
5 g/l Dispersionsmittel
pH 1,5Nanocrystalline Co-based nanocomposites were deposited on a rotating Ti drum as described in Example 2 immersed in a cobalt-modified Watts bath. The nanocrystalline film, 15 cm wide, was cathodically electro-formed on the drum using a soluble cobalt anode contained in a Ti wire basket and a Dynatronix (Dynanet PDPR 20-30-100) pulse power supply. The following conditions were used:
Anode / anode area: conformable soluble anode (co-pieces in Ti basket) / not determined
Cathode / cathode surface: Ti 600cm 2
Cathode: turning
Anode: fixed
Linear velocity anode vs. cathode: 0.018 rpm
Average current density: 0.075 A / cm 2
Cathodic peak current density: 0.150 A / cm 2
Anodic peak current density: not applicable
Cathodic t cathodic-on / t cathodic-off / anodic t an (t anodic-on ): 1 ms / 1 ms / 0 ms
Frequency: 500 Hz
Cathodic duty cycle: 50%
Anodic duty cycle: 0%
Deposition time: 1 h
Deposition rate: 0.05 mm / h
Electrolyte temperature: 65 ° C
Electrolyte recirculation rate: 0.15 liter / min / cm 2 cathode area (no pump flow; stir)
Electrolyte Formulation:
300 g / l CoSO 4 × 7H 2 O
45 g / l CoCl 2 × 6H 2 O
45 g / l H 3 BO 3
2 g / l C 7 H 4 NO 3 SNa sodium saccharinate
0.1 g / l C 12 H 25 O 4 SNa sodium lauryl sulfate (SLS)
5 g / l phosphorous acid
35 g / l SiC, <1 μm mean particle diameter
5 g / l dispersant
pH 1.5
Die Co/P-SiC-Folie weist eine Korngröße von 12 nm, eine Härte von 690 VHN auf, enthaltend 1,5% P und 22 Vol.% SiC.The Co / P-SiC foil has a grain size of 12 nm, a hardness of 690 VHN containing 1.5% P and 22% by volume SiC.
Beispiel 4Example 4
Nanokristalline
Nickel-Eisen-Legierungsfolien wurden abgeschieden auf einer drehenden
Ti-Trommel, welche teilweise eingetaucht war in ein modifiziertes
Watts-Bad für
Nickel. Die nanokristalline Folie, 15 cm breit, wurde kathodisch
auf der Trommel elektro-ausgebildet, unter Verwendung einer löslichen
Anode, hergestellt aus einem Titandrahtkorb, gefüllt mit Ni-Rundmaterial und
einer Dynatronics-(Dynanet PDPR 50-250-750)-Pulsstromversorgung.
Die folgenden Bedingungen wurden verwendet:
Anode/Anodenfläche: angepasste
lösliche
Anode (Ni-Rundstücke
in einem Metallkäfig)/unbestimmt
Kathode/Kathodenfläche: untergetauchte
Ti-Trommel/ungefähr
600 cm2
Kathode: drehend mit 0,018
Upm (oder 120 cm/h)
Anode: fest
Lineare Geschwindigkeit
Anode gegen Kathode: 120 cm/h
Durchschnittliche kathodische
Stromdichte: 0,07 A/cm2
tkathodisch-an/tkathodisch-aus 2 ms/2ms
Frequenz: 250
Hz
Arbeitszyklus: 50%
Herstellungslaufzeit: 1 Tag
Ablagerungsgeschwindigkeit:
0,075 mm/h
Elektrolyttemperatur: 60° C
Elektrolytumwälzgeschwindigkeit:
0,15 Liter/min/cm2 Kathodenfläche
Elektrolyt-Formulierung:
260
g/l NiSO4x7H2O
45
g/l NiCl2x6H2O
12
g/l FeCl2X4H2O
45
g/l H3BO3
46
g/l Natriumzitrat
2 g/l Natriumsaccharinat
2,2 ml/l NPA-91
pH
2,5
Eisenspeisungs-Formulierung:
81 g/l FeSO4·7H2O
11 g/l FeCl2·4H2O
13 g/l H3BO3
9 g/l Natriumcitrat
4 g/L H2SO4
0,5 g/l
Natriumsaccharinat
pH 2,2
Geschwindigkeit der Beimengung:
0,3 l/h
Zusammensetzung: 23-27 Gew.% Fe
Durchschnittliche
Korngröße: 15 nm
Härte: 750
VickersNanocrystalline nickel-iron alloy foils were deposited on a rotating Ti drum which was partially submerged in a modified Watts bath for nickel. The nanocrystalline film, 15 cm wide, was electro-formed cathodically on the drum using a soluble anode made of a titanium wire basket filled with Ni round stock and a Dynatronics (Dynanet PDPR 50-250-750) pulse power supply. The following conditions were used:
Anode / anode surface: adapted soluble anode (Ni round pieces in a metal cage) / indefinite
Cathode / Cathode Area: Submerged Ti-drum / about 600 cm 2
Cathode: rotating at 0.018 rpm (or 120 cm / h)
Anode: fixed
Linear velocity anode to cathode: 120 cm / h
Average cathodic current density: 0.07 A / cm 2
t cathodic-on / t cathodic-off 2 ms / 2ms
Frequency: 250 Hz
Duty cycle: 50%
Production time: 1 day
Deposition rate: 0.075 mm / h
Electrolyte temperature: 60 ° C
Electrolyte recirculation rate: 0.15 liter / min / cm 2 cathode area
Electrolyte Formulation:
260 g / l NiSO 4 .7H 2 O
45 g / l NiCl 2 × 6H 2 O
12 g / l FeCl 2 X 4 H 2 O
45 g / l H 3 BO 3
46 g / l sodium citrate
2 g / l sodium saccharinate
2.2 ml / l NPA-91
pH 2.5
Iron linefeed formulation:
81 g / l FeSO 4 .7H 2 O
11 g / l FeCl 2 .4H 2 O
13 g / l H 3 BO 3
9 g / l sodium citrate
4 g / LH 2 SO 4
0.5 g / l sodium saccharinate
pH 2.2
Speed of addition: 0.3 l / h
Composition: 23-27% by weight Fe
Average grain size: 15 nm
Hardness: 750 Vickers
Selektives oder Bürsten-Abscheiden ist ein tragbares Verfahren zum selektiven Abscheiden lokalisierter Flächen auf einem Werkstück, ohne den Artikel in einen Abscheidetank unterzutauchen. Es bestehen dabei deutliche Unterschiede zwischen selektivem Abscheiden und Tank- und Trommel-Abscheide-Anwendungen. Im Fall selektiven Abscheidens ist es schwierig, die Kathodenfläche genau zu bestimmen, und daher ist die kathodische Stromdichte und/oder Spitzenstromdichte veränderbar und im Allgemeinen unbekannt. Die anodische Stromdichte und/oder Spitzenstromdichte kann bestimmt werden, unter der Voraussetzung, dass die gleiche Anodenfläche während des Abscheidebetriebs verwendet wird, z.B. im Fall von flachen Anoden. Im Fall ausgeformter Anoden kann die Anodenfläche nicht genau bestimmt werden, z.B. ändert sich im Fall einer ausgeformten Anode und einer ausgeformten Kathode die "effektive" Anodenfläche auch während des Abscheidevorgangs. Selektives Abscheiden wird durchgeführt durch Bewegung der Anode, welche mit einem absorbierenden Abstandstück-Geflecht umgeben ist und den Elektrolyten enthält, vor und zurück über das Werkstück, was typischerweise von einer Bedienungsperson durchgeführt wird, bis die gewünschte Gesamtfläche auf die erforderliche Dicke beschichtet ist.selective or brushing off is a portable method for selective deposition of localized surfaces on a workpiece, without submerging the article in a separation tank. There are thereby clear differences between selective deposition and Tank and Drum Separator Applications. In the case of selective deposition it is difficult to see the cathode surface to determine exactly, and therefore the cathodic current density and / or Peak current density changeable and generally unknown. The anodic current density and / or Peak current density can be determined, provided that that the same anode area while of the deposition operation, e.g. in the case of flat anodes. In the case of shaped anodes, the anode area can not be determined exactly e.g. change in the case of a molded anode and a shaped cathode the "effective" anode area too while the deposition process. Selective deposition is performed by Movement of the anode surrounded by an absorbent spacer mesh is and contains the electrolyte, back and forth about that Workpiece, which is typically done by an operator, until the desired Total area the required thickness is coated.
Selektive Abscheidetechniken sind insbesondere geeignet zur Reparatur und zum Aufarbeiten von Artikeln, da die Bürstenabscheideaufbauten transportabel sind, leicht zu betreiben, und keine Zerlegung des Systems erfordern, welches das zu plattierende Werkstück enthält. Bürstenabscheiden erlaubt auch das Abscheiden von Teilen, die zu groß zum Eintauchen in Abscheidetanks sind. Bürstenabscheiden wird verwendet, um Beschichtungen vorzusehen für verbesserte Korrosionswiderstandsfähigkeit, verbesserte Abnutzung, verbesserte äußere Erscheinung (dekoratives Abscheiden) und es kann verwendet werden, um abgenutzte oder fehlbearbeitete Teile zurückzugewinnen. Bürstenabscheidesysteme und Abscheidelösungen sind kommerziell verfügbar, z.B. von Sifco Selective Plating, Cleveland, Ohio, die auch mechanisierte und/oder automatisierte Werkzeugbestückung zur Verwendung für Produktionsarbeiten großen Umfangs anbietet. Die verwendeten Abscheidewerkzeuge umfassen die Anode (DSA oder löslich), umgeben von einem Absorbierungsmittel, ein elektrisch nicht leitfähiges Material und einen isolierten Griff. Im Fall von DSA-Anoden sind Anoden typischerweise herge stellt aus Graphit oder Pt-beschichtetem Titan und sie können Mittel enthalten zur Regulierung der Temperatur mittels eines Wärmetauschersystems. Beispielsweise kann das verwendete Elektrolyt geheizt oder gekühlt werden und durch die Anode geführt werden, um den gewünschten Temperaturbereich beizubehalten. Das absorbierende Abstandstück-Material enthält und verteilt die Elektrolytlösung zwischen der Anode und dem Werkstück (Kathode), verhindert Kurzschlüsse zwischen Anode und Kathode und bürstet gegen die Oberfläche der zu plattierenden Fläche. Diese mechanische Reibe- oder Bürstenbewegung, welche auf das Werkstück während des Abscheidevorgangs aufgebracht wird, beeinflusst die Qualität und das Oberflächenfinish der Beschichtung und erlaubt schnelle Abscheidegeschwindigkeiten. Selektiv-Abscheide-Elektrolyte werden formuliert, um akzeptable Beschichtungen über einen weiten Temperaturbereich herzustellen, welcher von niedrigen, etwa -20° C bis 85° C reicht. Da das Werkstück häufig groß ist im Vergleich zu der Fläche, welche beschichtet wird, wird selektives Abscheiden oft auf ein Werkstück bei Umgebungstemperatur angewendet, reichend von niedrigen, etwa -20° C bis etwa hohen 45° C. Anders als "typische" Elektroabscheidevorgänge kann im Fall des selektiven Abscheidens die Temperatur der Anode, der Kathode und des Elektrolyten wesentlich variieren. Aussalzen von Elektrolytbestandteilen kann bei niedrigen Temperaturen auftreten und der Elektrolyt kann periodisch oder kontinuierlich wieder aufgeheizt werden müssen, um alle ausgefällten Chemikalien aufzulösen.selective Separation techniques are particularly suitable for repair and for refurbishing articles, as the brush separator assemblies are transportable are easy to operate, and do not require decomposition of the system, which contains the workpiece to be plated. Brush separation also allows the deposition of parts too large to be immersed in separation tanks are. Bürstenabscheiden is used to provide coatings for improved corrosion resistance, improved wear, improved appearance (decorative Depositing) and it can be used to worn or misshapen Recover parts. Bürstenabscheidesysteme and separation solutions are commercially available, e.g. from Sifco Selective Plating, Cleveland, Ohio, who also mechanized and / or automated tooling for use in production operations huge Scope offers. The deposition tools used include the Anode (DSA or soluble), surrounded by an absorbent, an electrically non-conductive material and an insulated handle. In the case of DSA anodes, anodes are typical Herge is made from graphite or Pt-coated titanium and they can be agents contained for regulating the temperature by means of a heat exchanger system. For example, the electrolyte used can be heated or cooled and passed through the anode be to the desired Maintain temperature range. The absorbent spacer material contains and distribute the electrolyte solution between the anode and the workpiece (cathode), prevents short circuits between Anode and cathode and brushes against the surface the surface to be plated. This mechanical friction or brush movement, which on the workpiece while of the deposition process affects the quality and the surface finish the coating and allows fast deposition rates. Selective-precipitating electrolytes are formulated to be acceptable Coatings over to produce a wide temperature range, which of low, about -20 ° C up to 85 ° C enough. Because the workpiece often is great compared to the area, which is coated, selective deposition is often on workpiece applied at ambient temperature, ranging from low, about -20 ° C to about high 45 ° C. Unlike "typical" Elektroabscheidevorgänge can in the case of selective deposition, the temperature of the anode, the Cathode and the electrolyte vary significantly. Salting out of Electrolyte components can occur at low temperatures and the electrolyte may be reheated periodically or continuously Need to become, around all the precipitated ones Dissolve chemicals.
Eine Sifco-Bürstenabscheideeinheit (Modell 3030 – 30 A max.) wurde aufgebaut. Die Graphit-Anodenspitze wurde in ein Baumwollbeutel-Abstandstück eingefügt und entweder an einen mechanisierten, querbeweglichen Arm angebracht, um die "Bürstenbewegung" zu erzeugen, oder bewegt durch eine Betriebsperson von Hand zurück und vor über das Werkstück, oder wie anders bezeichnet. Die Anodenanordnung wurde in der Abscheidelösung getränkt und die Beschichtung wurde durch Bürsten des Abscheidewerkzeugs gegen die kathodisch aufgeladene Arbeitsfläche abgelagert, die aus verschiedenen Substraten zusammengesetzt war. Eine peristaltische Pumpe wurde verwendet, um den Elektrolyten mit vorbe stimmten Geschwindigkeiten in das Bürstenabscheidewerkzeug zu speisen. Es wurde dem Elektrolyten ermöglicht, von dem Werkstück in eine Schale abzutropfen, die auch als ein "Abscheidelösungs-Reservoir" diente, wovon es in den Elektrolyttank zurückgeführt wurde. Die Anode wies Durchflusslöcher/Kanäle in der Bodenoberfläche auf, um gute Elektrolytverteilung und guten Elektrolyt/Werkstück-Kontakt sicherzustellen. Die Anode war an einem querbeweglichen Arm befestigt und die kreisförmige Bewegung wurde eingestellt, um gleichförmige Hübe der Anode gegenüber der Substratoberfläche zu ermöglichen. Die Drehgeschwindigkeit wurde eingestellt, um die relative Anoden-/Kathoden-Bewegungsgeschwindigkeit ebenso zu erhöhen oder zu erniedrigen, wie die Anode/Substrat-Kontaktzeit an irgendeinem einzelnen Ort. Bürstenabscheiden wurde normalerweise ausgeführt bei einer Rate von ungefähr 35-175 Oszillationen pro Minute, mit einer Geschwindigkeit von 50-85 Oszillationen pro Minute, welche optimal ist. Elektrische Kontakte wurden am Bürstenhandgriff (Anode) und direkt am Werkstück (Kathode) hergestellt. Beschichtungen wurden abgelagert auf einer Anzahl von Substraten, einschließlich Kupfer, 1018 niedrig-kohlenstoffhaltigem Stahl, 4130 hoch-kohlenstoffhaltigem Stahl, 304 Edelstahl, einer 2,5 Inch (6,35 cm) Außendurchmesser-Stahlröhre und einer Schweißnaht-bedeckten I625-Röhre. Die Kathodengröße war 8 cm2 mit Ausnahme der 2,5 Inch Außendurchmesser-Stahlröhre, wo ein 3 cm breiter Streifen um den äußeren Durchmesser ausgesetzt war, und der Schweißnaht-bedeckten I625-Röhre, an welcher ein Schaden-Reparaturvorgang durchgeführt wurde.A Sifco brush separator unit (model 3030 - 30 A max.) Was set up. The graphite anode tip was inserted into a cotton bag spacer and either attached to a mechanized, transversely movable arm to create the "brushing motion", or manually moved by an operator back and forward over the workpiece, or as otherwise indicated. The anode assembly was soaked in the deposition solution and the coating was deposited by brushing the deposition tool against the cathodically charged working surface composed of various substrates. A peristaltic pump was used to feed the electrolyte at predetermined rates into the brushing tool. The electrolyte was allowed to drip from the workpiece into a tray which also served as a "settling solution reservoir" from which it was returned to the electrolyte tank. The anode had flow holes / channels in the bottom surface to ensure good electrolyte distribution and good electrolyte / workpiece contact. The anode was attached to a transversely movable arm and the circular motion was adjusted to allow uniform strokes of the anode with respect to the substrate surface. The rotational speed was adjusted to increase or decrease the relative anode / cathode travel speed as well as the anode / substrate contact time at any single location. Brush deposition was normally carried out at a rate of about 35-175 oscillations per minute, at a rate of 50-85 oscillations per minute, which is optimal. Electrical contacts were made on the brush handle (anode) and directly on the workpiece (cathode). Coatings were deposited on a number of substrates, including Kup fer, 1018 low carbon steel, 4130 high carbon steel, 304 stainless steel, a 2.5 inch (6.35 cm) outside diameter steel tube, and a weld covered I625 tube. The cathode size was 8 cm 2 except the 2.5 inch outer diameter steel tube where a 3 cm wide strip was exposed around the outer diameter and the weld-covered I625 tube on which a damage repair operation was performed.
Eine Dynatronics-programmierbare Pulsabscheide-Stromversorgung (Dynanet PDPR 20-30-100) wurde eingesetzt.A Dynatronics Programmable Pulse Traction Power Supply (Dynanet PDPR 20-30-100) was used.
Von Sifco vorgesehene Standard-Substrat-Reinigungs- und Aktivierungsvorgänge wurden verwendet.From Sifco provided standard substrate cleaning and activation procedures uses.
Beispiel 5:Example 5:
Nanokristallines
reines Nickel wurde auf einer 8 cm2 Flächenelektrode
abgeschieden mit einer 35 cm2 Anode, unter
Verwendung des beschriebenen Ausbaus. Gewöhnlich weist das Werkstück eine
wesentlich größere Fläche als
die Anode auf. In diesem Beispiel wurde ein Werkstück (Kathode)
ausgewählt,
wesentlich kleiner zu sein als die Anode, um sicherzustellen, dass
die überdimensionierte
Anode, obwohl dauernd in Bewegung gehalten, immer das gesamte Werkstück bedeckte,
um die Bestimmung der Kathodenstromdichte zu ermöglichen. Da eine nicht-lösliche Anode verwendet wurde,
wurde NiCO3 periodisch dem Abscheidebad
zugeführt,
um die gewünschte
Ni2+-Konzentration aufrecht zu erhalten.
Die folgenden Bedingungen wurden verwendet:
Anode/Anodenfläche: Graphit/35
cm2
Kathode/Kathodenfläche: unlegierter
Stahl/8 cm2
Kathode: stationär
Anode:
mechanisch automatisiert mit 50 Schwingungen pro Minute oszillierend
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 125 cm/min
Durchschnittliche
kathodische Stromdichte: 0,2 A/cm2
tkathodisch-an/tkathodisch-aus:
8 ms/2 ms
Frequenz: 100 Hz
Arbeitszyklus: 80%
Ablagerungszeit:
1 h
Ablagerungsgeschwindigkeit: 0,125 mm/h
Elektrolyt-Temperatur:
60° C
Elektrolyt-Umwälzgeschwindigkeit:
10 ml Lösung
pro Minute pro cm2 Anodenfläche oder
220 ml Lösung
pro Minute pro Ampere durchgelassenem durchschnittlichem Strom
Elektrolyt-Formulierung:
300
g/l NiSO4x7H2O
45
g/l NiCl2x6H2O
45
g/l H3BO3
2
g/l Natriumsaccharinat
3 ml/l NPA-91
pH 2,5
Durchschnittliche
Korngröße: 19 nm
Härte: 600
VickersNanocrystalline pure nickel was deposited on an 8 cm 2 area electrode with a 35 cm 2 anode using the described removal. Usually, the workpiece has a much larger area than the anode. In this example, a workpiece (cathode) was chosen to be substantially smaller than the anode to ensure that the oversized anode, while kept constantly moving, always covered the entire workpiece to allow determination of the cathode current density. Since a non-soluble anode was used, NiCO 3 was periodically added to the deposition bath to maintain the desired Ni 2+ concentration. The following conditions were used:
Anode / anode surface: graphite / 35 cm 2
Cathode / cathode surface: unalloyed steel / 8 cm 2
Cathode: stationary
Anode: mechanically oscillated with 50 oscillations per minute
Linear velocity anode to cathode: 125 cm / min
Average cathodic current density: 0.2 A / cm 2
t cathodic-on / t cathodic-off : 8 ms / 2 ms
Frequency: 100 Hz
Duty cycle: 80%
Deposition time: 1 h
Deposition rate: 0.125 mm / h
Electrolyte temperature: 60 ° C
Electrolyte recirculation rate: 10 ml of solution per minute per cm 2 of anode area or 220 ml of solution per minute per amp of average current passed
Electrolyte Formulation:
300 g / l NiSO 4 .7H 2 O
45 g / l NiCl 2 × 6H 2 O
45 g / l H 3 BO 3
2 g / l sodium saccharinate
3 ml / l NPA-91
pH 2.5
Average grain size: 19 nm
Hardness: 600 Vickers
Beispiel 6:Example 6:
Nanokristallines
Co wurde unter Verwendung des gleichen beschriebenen Aufbaus unter
den folgenden Bedingungen abgeschieden:
Anode/Anodenfläche: Graphit/35
cm2
Kathode/Kathodenfläche: unlegierter
Stahl/8 cm2
Kathode: stationär
Anode:
mechanisch automatisiert mit 50 Schwingungen pro Minute oszillierend
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 125 cm/min
Durchschnittliche
kathodische Stromdichte: 0,10 A/cm2
tkathodisch-an/tkathodisch-aus 2
ms/6 ms
Frequenz: 125 Hz
Arbeitszyklus: 25%
Ablagerungszeit:
1 h
Ablagerungsgeschwindigkeit: 0,05 mm/h
Elektrolyt-Temperatur:
65° C
Elektrolyt-Umwälzgeschwindigkeit:
10 ml Lösung
pro Minute pro cm2 Anodenfläche oder
440 ml Lösung
pro Minute pro Ampere durchgelassenem durchschnittlichem Strom
Elektrolyt-Formulierung:
300
g/l NiSO4 7H2O
45
g/l NiCl2 6H2O
45
g/l H3BO3
2
g/l Natriumsaccharinat
0,1 g/l C7H4NO3Sna Natriumlaurylsulfat
(SLS)
pH 2,5
Durchschnittliche Korngröße: 13 nm
Härte: 600
VickersNanocrystalline Co was deposited using the same structure described under the following conditions:
Anode / anode surface: graphite / 35 cm 2
Cathode / cathode surface: unalloyed steel / 8 cm 2
Cathode: stationary
Anode: mechanically oscillated with 50 oscillations per minute
Linear velocity anode to cathode: 125 cm / min
Average cathodic current density: 0.10 A / cm 2
t cathodic-on / t cathodic-off 2 ms / 6 ms
Frequency: 125 Hz
Duty cycle: 25%
Deposition time: 1 h
Deposition rate: 0.05 mm / h
Electrolyte temperature: 65 ° C
Electrolyte recirculation rate: 10 ml of solution per minute per cm 2 of anode area or 440 ml of solution per minute per amp of average current passed
Electrolyte Formulation:
300 g / l NiSO 4 .7H 2 O
45 g / l NiCl 2 6H 2 O
45 g / l H 3 BO 3
2 g / l sodium saccharinate
0.1 g / l C 7 H 4 NO 3 Sna Sodium Lauryl Sulfate (SLS)
pH 2.5
Average grain size: 13 nm
Hardness: 600 Vickers
Beispiel 7:Example 7:
Nanokristallines
Ni/20%Fe wurde unter Verwendung des zuvor beschriebenen Aufbaus
abgeschieden. Ein 1,5 Inch (3,81 cm) breites Band wurde auf dem äußeren Durchmesser
einer 2,5 Inch (6,35 cm)-Röhre plattiert
durch Drehung der Röhre
entlang ihrer longitudinalen Achse, während eine feste Anode unter
den folgenden Bedingungen beibehalten wurde: Anode/Anodenfläche/effektive
Anodenfläche:
Graphit/35 cm2/unbestimmt Kathode/Kathodenfläche: 2,5
Inch (6,35 cm) Außendurchmesser-Stahlröhre, hergestellt
aus 2101A1 Kohlenstoffstahl/unbestimmt
Kathode: rotierend mit
12 Upm
Anode: stationär
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 20 cm/min
Durchschnittliche
kathodische Stromdichte: unbestimmt
Durchgelassener Gesamtstrom:
3,5 A
tkathodisch-an/tkathodisch-aus 2
ms/6 ms
Frequenz: 125 Hz
Arbeitszyklus: 25%
Ablagerungszeit:
1 h
Ablagerungsgeschwindigkeit: 0,05 mm/h
Elektrolyt-Temperatur:
55° C
Elektrolyt-Umwälzgeschwindigkeit:
0,44 l Lösung
pro Minute pro durchgelassenem Ampere
Elektrolyt-Formulierung:
260
g/l NiSO4x7H2O
45
g/l NiCl2x6H2O
7,8
g/l FeCl2x4H2O
45
g/l H3BO3
30
g/l Na3C6H5O7·2H2O Natriumzitrat
2 g/l Natriumsaccharinat
1
ml/l NPA-91
pH 3,0
Durchschnittliche Korngröße: 15 nm
Härte: 750
VickersNanocrystalline Ni / 20% Fe was deposited using the previously described construction. A 1.5 inch (3.81 cm) wide tape was plated on the outside diameter of a 2.5 inch (6.35 cm) tube by rotating the tube along its longitudinal axis while maintaining a solid anode under the following conditions anode / anode area / effective anode area: graphite / 35 cm 2 / undetermined cathode / cathode area: 2.5 inch (6.35 cm) outer diameter steel tube made of 2101A1 carbon steel / undetermined
Cathode: rotating at 12 rpm
Anode: stationary
Linear velocity anode to cathode: 20 cm / min
Average cathodic current density: indefinite
Permitted total current: 3.5 A
t cathodic-on / t cathodic-off 2 ms / 6 ms
Frequency: 125 Hz
Duty cycle: 25%
Deposition time: 1 h
Deposition rate: 0.05 mm / h
Electrolyte temperature: 55 ° C
Electrolyte recirculation rate: 0.44 L of solution per minute per amp passed
Electrolyte Formulation:
260 g / l NiSO 4 .7H 2 O
45 g / l NiCl 2 × 6H 2 O
7.8 g / l FeCl 2 .4H 2 O
45 g / l H 3 BO 3
30 g / l Na 3 C 6 H 5 O 7 .2H 2 O sodium citrate
2 g / l sodium saccharinate
1 ml / l NPA-91
pH 3.0
Average grain size: 15 nm
Hardness: 750 Vickers
Beispiel 8:Example 8:
Ein
Defekt (Kerbe) in einem Schweißnaht-belegten
Röhrenabschnitt
wurde mit nanokristallinem Ni gefüllt, unter Verwendung des gleichen
Aufbaus wie in Beispiel 1. Die Kerbe war etwa 4,5 cm lang, 0,5 cm
breit und hatte eine durchschnittliche Tiefe von ungefähr 0,175
mm, obwohl es das raue Finish des Defekts unmöglich machte, seine genaue
Oberflächenfläche zu bestimmen.
Die den Defekt umgebende Fläche
wurde abgedeckt, und Nano Ni wurde auf die Defektfläche abgeschieden,
bis ihre originale Dicke wieder hergestellt war.
Anode/Anodenfläche: Graphit/35
cm2
Kathode/Kathodenfläche: I625/unbestimmt
Kathode:
stationär
Anode:
mechanisch automatisiert mit 50 Schwingungen pro Minute oszillierend
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 125 cm/min
Durchschnittliche
kathodische Stromdichte: unbestimmt
tkathodisch-an/tkathodisch-aus 2 ms/6 ms
Frequenz: 125
Hz
Arbeitszyklus: 25%
Ablagerungszeit: 2 h
Ablagerungsgeschwindigkeit:
0,087 mm/h
Elektrolyt-Temperatur: 55° C
Elektrolyt-Umwälzgeschwindigkeit:
0,44 l Lösung
pro Minute pro Ampere durchgelassenem Durchschnittsstrom
Elektrolyt-Formulierung:
300
g/l NiSO4x7H2O
45
g/l NiCl2x6H2O
45
g/l H3BO3
2
g/l Natriumsaccharinat
3 ml/l NPA-91
pH 3,0
Durchschnittliche
Korngröße: 20 nm
Härte: 600
VickersA defect (notch) in a welded tube section was filled with nanocrystalline Ni using the same construction as in Example 1. The notch was about 4.5 cm long, 0.5 cm wide and had an average depth of about 0.175 mm, although the rough finish of the defect made it impossible to determine its exact surface area. The area surrounding the defect was covered, and Nano Ni was deposited on the defect surface until its original thickness was restored.
Anode / anode surface: graphite / 35 cm 2
Cathode / Cathode area: I625 / indeterminate
Cathode: stationary
Anode: mechanically oscillated with 50 oscillations per minute
Linear velocity anode to cathode: 125 cm / min
Average cathodic current density: indefinite
t cathodic-on / t cathodic-off 2 ms / 6 ms
Frequency: 125 Hz
Duty cycle: 25%
Deposition time: 2 h
Deposition rate: 0.087 mm / h
Electrolyte temperature: 55 ° C
Electrolyte recirculation rate: 0.44 liters of solution per minute per ampere of average current transmitted
Electrolyte Formulation:
300 g / l NiSO 4 .7H 2 O
45 g / l NiCl 2 × 6H 2 O
45 g / l H 3 BO 3
2 g / l sodium saccharinate
3 ml / l NPA-91
pH 3.0
Average grain size: 20 nm
Hardness: 600 Vickers
Mikrokomponenten, welche Dimensionen bzw. Abmessungen über alles von unter 1000 μm (1 mm) aufweisen, gewinnen steigende Bedeutung zur Verwendung in elektronischen, biomedizinischen, Telekommunikations-, Automobil-, Weltraum und Verbraucher-Anwendungen. Metallische Makrosystemkomponenten mit einer maximalen Abmessung über alles von 1 cm bis über 1 m, welche Materialien herkömmlicher Korngröße (1-1000 μm) enthalten, zeigen ein Verhältnis zwischen maximaler Abmessung und Korngrößenbereichen von 10 bis 106. Diese Zahl spiegelt die Zahl der Körner über die maximale Teile-Abmessung wider. Wenn die maximale Größe der Komponente auf unter 1 mm reduziert wird, wobei Material herkömmlicher Korngröße verwendet wird, kann die Komponente potentiell nur aus einigen Körnern hergestellt sein, oder einem einzelnen Korn, und das Verhältnis zwischen der maximalen Abmessung der Mikrokomponente und der Korngrößenbereiche geht auf 1. Mit anderen Worten, ein einzelnes oder nur ein paar Körner erstrecken sich entlang des gesamten Teils, was nicht wünschenswert ist. Um die Bauteilzuverlässigkeit von Mikrokomponenten zu erhöhen, muss das Verhältnis zwischen maximaler Bauteilabmessung und Korngrößenbereichen auf über 10 erhöht werden, durch die Verwendung eines kleinkörnigeren Materials, da diese Materialklasse typischerweise Korngrößenwerte zeigt 10 bis 10000 mal kleiner als diejenigen herkömmlicher Materialien.Microcomponents having dimensions of less than 1000 μm (1 mm) in all are becoming increasingly important for use in electronic, biomedical, telecommunications, automotive, space and consumer applications. Metallic macrosystem components having a maximum overall dimension of from 1 cm to over 1 m, which contain conventional grain size materials (1-1000 μm) exhibit a ratio of maximum dimension to grain size ranges of 10 to 10 6 . This number reflects the number of grains over the maximum part dimension. When the maximum size of the component is reduced to less than 1 mm using conventional grain size material, the component may potentially be made from only a few grains, or a single grain, and the ratio between the maximum dimension of the microcomponent and the grain size ranges is addressed 1. In other words, a single or a few grains extend along the entire part, which is undesirable. To increase component reliability of microcomponents, the ratio of maximum component size to grain size ranges must be increased above 10 by using a more granular material, as this class of material typically exhibits grain size values 10 to 10,000 times smaller than those of conventional materials.
Für herkömmliche LIGA- und andere plattierte Mikrokomponenten beginnt Elektroabscheidung anfangs mit einer feinen Korngröße an dem Substratmaterial. Mit steigender Abscheidungsdicke in der Wachstumsrichtung wird gewöhnlich der Übergang zu säulenartigen Körnern beobachtet. Die Dicke der säulenartigen Körner reicht typischerweise von einigen bis zu einigen zehn Mikrometern, während ihre Länge einige Hunderte von Mikrometern erreichen kann. Die Konsequenz solcher Strukturen ist die Entwicklung von anisotropen Eigenschaften mit zunehmender Ablagerungsdicke, und das Erreichen einer kritischen Dicke, bei welcher nur ein paar Körner den gesamten Querschnitt der Komponenten bedecken, mit Breiten unter 5 bis 10 μm. Ein weiterer Abfall in der Dicke einer Komponente führt zu einer Bambus-Struktur, welche zu einem signifikanten Verlust in Festigkeit führt. Daher ist die Mikrostruktur elektro-abgelagerter Mikrokomponenten, welche momentan in Gebrauch sind, völlig unangemessen bezüglich Eigenschaftsanforderungen sowohl über die Breite als auch die Dicke der Komponente auf Basis der Kornform und durchschnittlichen Korngröße.For conventional LIGA and other plated microcomponents begin electrodeposition initially with a fine grain size at the Substrate material. With increasing deposition thickness in the growth direction becomes ordinary the transition to columnar grains observed. The thickness of the columnar grains is sufficient typically from a few to a few tens of microns while their Some length Can reach hundreds of microns. The consequence of such Structures is the development of anisotropic properties with increasing deposition thickness, and achieving a critical Thickness, in which only a few grains the entire cross section cover the components, with widths below 5 to 10 microns. Another Waste in the thickness of a component leads to a bamboo structure, which leads to a significant loss in strength. Therefore is the microstructure of electro-deposited microcomponents which currently in use, completely inappropriate regarding Property requirements across both the width and the Thickness of component based on grain shape and average Grain size.
Bisher waren Teile, hergestellt aus Materialien herkömmlicher Korngröße, welche bekannt waren, an gravierenden Zuverlässigkeitsproblemen hinsichtlich mechani scher Eigenschaften wie dem Young-Modul, Umformfestigkeit, Grenzzugfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit und Kriechverhalten zu leiden, bekannt, dass sie extrem empfindlich auf Verarbeitungsparameter sind, die mit dem Aufbau dieser Komponenten verbunden sind. Viele der auftretenden Probleme wurden bewirkt durch unangemessene Skalierung der Haupt-Mikrostruktur-Merkmale (d.h. Korngröße, Kornform, Kornorientierung) mit der äußeren Größe der Komponente, was zu ungewöhnlichen Eigenschaftsvariationen führte, die normalerweise bei makroskopischen Komponenten aus dem gleichen Material nicht beobachtet wurden.So far were parts made of conventional grain size materials which were known to have serious reliability issues mechanical properties such as Young's modulus, Limit tensile strength, fatigue strength and to suffer creeping behavior, they are known to be extremely sensitive On processing parameters are related to the structure of these components are connected. Many of the problems encountered were caused by Inappropriate scaling of major microstructure features (i.e. Grain size, grain shape, Grain orientation) with the outer size of the component, which is too unusual Property variations resulted, which are usually the same for macroscopic components Material were not observed.
Beispiel 9:Example 9:
Metall-Mikrofederfinger werden verwendet, um IC-Chips mit hoher Anschlussflächen-Anzahl und -Dichte zu kontaktieren, und Energie und Signale zu und von den Chips zu transportieren. Die Federn bieten hohe Werte einhaltende elektrische Kontakte für eine Vielfalt von Zwischenverbindungsstrukturen, einschließlich Chip-skalierten Halbleiterpaketen, hochdichten Zwischenschalterverbindern und Sensorkontakten. Die massiven parallelen Zwischenlagenstrukturen und -zusammenbauten ermöglichen Hochgeschwindigkeitstesten von getrennten integrierten Schaltungsbauteilen, die auf einem nachgiebigen Träger fixiert sind, und erlauben Testelektroniken, in nächster Nähe zu den zu testenden integrierten Schaltkreisbauteilen lokalisiert zu sein.Metal microfeather fingers are used to contact IC chips with high pad count and density, and to transport energy and signals to and from the chips. The springs offer high value-maintaining electrical contacts for a variety of interconnect structures, including chip-scaled semiconductor packages, high density interconnect connectors, and sensor contacts. The solid parallel interlayer structures and assemblies enable high speed testing of separate integrated circuit components fixed on a compliant carrier, and allow ben test electronics to be located in close proximity to the integrated circuit components under test.
Die
Mikro-Federfinger erfordern hohe Umformfestigkeit und Dehnbarkeit.
Eine 25 μm
dicke Schicht aus nanokristallinem Ni wurde auf 500 μm langen
goldbeschichteten CrMo-Fingern abgeschieden, unter Verwendung der
folgenden Bedingungen:
Anode/Anodenfläche: Ni/4,5 × 10–3 cm2
Kathode/Kathodenfläche: goldplattiertes CrMo/ungefähr 1 cm2
Kathode: stationär
Anode: stationär
Lineare
Geschwindigkeit Anode gegen Kathode: 0 cm/min Durchschnittliche
kathodische Stromdichte: 50 mA/cm2
tkathodisch-an/tkathodisch-aus:
10 ms/20 ms
Frequenz: 33 Hz
Arbeitszyklus: 33%
Ablagerungszeit:
120 Minuten
Ablagerungsgeschwindigkeit: 0,05 mm/h
Elektrolyt-Temperatur:
60° C
Elektrolyt-Umwälzungsgeschwindigkeit:
keine
Elektrolyt-Formulierung:
300 g/l NiSO4x7H2O
45 g/l NiCl2x6H2O
45 g/l H3BO3
2 g/l Natriumsaccharinat
3 ml/l
NPA-91
pH 3,0
Durchschnittliche Korngröße: 15-20 nm
Härte: 600
VickersThe micro-spring fingers require high resistance to deformation and ductility. A 25 μm nanocrystalline Ni layer was deposited on 500 μm gold plated CrMo fingers using the following conditions:
Anode / anode area: Ni / 4.5 × 10 -3 cm 2
Cathode / Cathode area: gold plated CrMo / about 1 cm 2
Cathode: stationary
Anode: stationary
Linear velocity anode to cathode: 0 cm / min. Average cathodic current density: 50 mA / cm 2
t cathodic-on / t cathodic-off : 10 ms / 20 ms
Frequency: 33 Hz
Duty cycle: 33%
Deposition time: 120 minutes
Deposition rate: 0.05 mm / h
Electrolyte temperature: 60 ° C
Electrolyte recirculation rate: none
Electrolyte Formulation:
300 g / l NiSO 4 .7H 2 O
45 g / l NiCl 2 × 6H 2 O
45 g / l H 3 BO 3
2 g / l sodium saccharinate
3 ml / l NPA-91
pH 3.0
Average grain size: 15-20 nm
Hardness: 600 Vickers
Die Nanofinger zeigten eine deutlich höhere Kontaktkraft verglichen mit Fingern "herkömmlicher Korngröße".The Nanofinger showed a significantly higher contact force compared with fingers "conventional Grain size ".
Claims (25)
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10262102A DE10262102B4 (en) | 2002-06-25 | 2002-06-25 | Patching process for degraded portion of metallic workpiece e.g. pipe and conduit, involves electroplating reinforcing metallic patch to cover degraded portion |
DE10228323A DE10228323B4 (en) | 2002-06-25 | 2002-06-25 | Cathodic electrodeposition process and microcomponents made by such a process |
PCT/CA2003/000397 WO2004001102A1 (en) | 2002-06-25 | 2003-03-20 | Process for in-situ electroforming a structural layer of metallic material to an outside wall of a metal tube |
AU2003212164A AU2003212164A1 (en) | 2002-06-25 | 2003-03-20 | Process for in-situ electroforming a structural layer of metallic material to an outside wall of a metal tube |
CA2503675A CA2503675C (en) | 2002-06-25 | 2003-03-20 | Process for in-situ electroforming a structural layer of metallic material to an outside wall of a metal tube |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE10262102A DE10262102B4 (en) | 2002-06-25 | 2002-06-25 | Patching process for degraded portion of metallic workpiece e.g. pipe and conduit, involves electroplating reinforcing metallic patch to cover degraded portion |
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Publications (2)
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DE10228323A1 DE10228323A1 (en) | 2004-01-29 |
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