DE2655137C2 - Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung metallischer Oberflächen - Google Patents
Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung metallischer OberflächenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung metallischer Oberflächen
von berührungsfrei zu Kathode und Anode angeordneten Werkstücken mit einem Elektrolyten, der
zur Übertragung elektrischer Ladung auf die zu bearbeitende Oberfläche im Elektrolyten suspendierte,
elektrisch leitfähige Körper enthält, die in einer Elektrolysezelle an der die Behandlung der Oberfläche
bestimmenden Elektrode aufgeladen werden und vor einer Entladung an der Gegenelektrode der Elektrolysezelle
durch ein die Gegenelektrode abschirmendes Diaphragma geschützt sind.
Nach diesem Verfahren werden gedruckte Schaltungen hergestellt, wobei von Kunststoffplatten, die ein-
oder doppelseitig kupferkaschiert sind, nach Abdecken der die Schaltung bildenden Metallflächen mit einer
Schutzschicht der übrige Teil der Kupferkaschierung abgetragen wird. Dabei werden die im Elektrolyten
suspendierten, elektrisch leitfähigen Körper an der Anode einer Elektrolysezelle positiv aufgeladen und
anschließend zugleich mit dem Elektrolyten mit der Oberfläche der Kupfei schicht in Berührung gebracht,
wobei Metallionen in Lösung gehen, die an der Kathode der Elektrolysezelle wieder abgeschieden werden. Das
Verfahren wird auch eingesetzt zur Herstellung metallischer Formteile, bei denen es auf hohe Präzision
und Konturenschärfe ankommt, wie zum Beispiel bei strömungsführenden Teilen, wie Turbinenschaufeln
oder Düsen oder auch für die Ausbildung des Oberflächenreliefs von Druckplatten oder -walzen. Die
nach diesem Verfahren mögliche unmittelbare Wiedergewinnung der abgetragenen Metalle, die sich an der
Gegenelektrode abscheiden, führt zu einem wirtschaft^ chen und gleichzeitig umwehfreundlichen Verfahren.
Dieser Vorzug des Verfahrens wird insbesondere auch ausgenutzt bei der Rückgewinnung von Metallen aus
sogenanntem Kabelschrott.
Für dieses in der DT-OS 2150 748 beschriebene
Verfahren ist es bekannt, dem Elektrolyten Graphitpulver zuzugeben, dessen Teilchen als leitfähige Körper im
Elektrolyten suspendiert sind und den Transport der zur Abtragung der Metalle erforderlichen Ladung zwischen
Anode und Oberfläche der zu bearbeitenden Werkstükke übernehmen. Die Graphitteilchen besitzen — wie
auch die aus der gleichen Veröffentlichung bekannten, mit einer Metallschicht überzogenen Körper aus
Isolationsmaterial — eine gute elektrische Leitfähigkeit.
ίο Nachteilig ist jedoch die verhältnismäßig geringe
spezifische Oberfläche, die die übertragbare elektrische Ladung pro Gewichtsanteil suspendierter Körper
begrenzt und infolgedessen nicht zu einer in allen Fällen ausreichenden Wirtschaftlichkeit des Verfahrens führt.
'5 Aufgabe der Erfindung ist daher, ein elektrochemisches
Verfahren zur Bearbeitung metallischer Oberflächen zu schaffen, bei dem die erforderliche Menge an im
Elektrolyten suspendierten leitfähigen Körpern zur Auflösung einer bestimmten Metallmenge verringert
werden kann und eine Beschleunigung der für die Abtragung der metallischen Oberflächen erforderlichen
Bearbeitungszeit ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch
1S gelöst, daß als elektrisch leitfähige Körper im
Elektrolyten Teilchen von über 7000C in inerter Atmosphäre geglühtem Aktivkohlepulver suspendiert
werden. Es hat sich gezeigt, daß in dieser Weise behandeltes Aktivkohlepulver nicht nur eine sehr große
spezifische Oberfläche besitzt, sondern auch für die Übertragung elektrischer Ladung derart geeignet ist,
daß sich bei Verwendung solcher, im Elektrolyten suspendierten Aktivkohlepulverteilchen die für eine
vorgegebene, aufzulösende Metallmenge zuzusetzende Menge an leitfähigen Körpern verringern läßt und eine
erhebliche Beschleunigung der Abtragung der metallischen Schichten erreicht wird. Das Glühen des
Aktivkohlepulvers in inerter Atmosphäre wird bevorzugt in Stickstoffatmosphäre oder im Vakuum durchgeführt.
Geeignet sind aber auch Luft und Wasserdampf, soweit durch geringe Dosierung dieser Gase dafür
gesorgt ist, daß die Oberfläche der Aktivkohle chemisch nur verhältnismäßig gering angegriffen wird. Bevorzugt
werden Teilchen von Aktivkohlepulver verwendet, das im Temperaturbereich zwischen 9000C und 12000C
über eine Stunde lang geglüht wurde.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Teilchen von Aktivkohlepulver Teilchen von
Graphitpulver zuzugeben. In vorteilhafter Weise läßt sich hierdurch die Potentialdifferenz zwischen zu
bearbeitender Metalloberfläche und suspendierten elektrisch leitfähigen Körpern anheben und die
Wirtschaftlichkeit des Verfahrens steigern, wobei die gute elektrische Leitfähigkeit der Graphitpulverteilchen
und die hohe Speicherfähigkeit der Teilchen von Aktivkohlepulver für Ladungsmengen zur Abtragung
der Metalloberfläche in Kombination genutzt wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung
sind eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie Diagramme wiedergegeben, die in
schematischer Darstellung die Wirkungsweise! von im Elektrolyten suspendiertem Aktivkohlepulver verdeutlichen.
Im einzelnen zeigt
F i g. 1 Anlage zur Durchführung des Verfahrens,
F i g. 2 die Abhängigkeit von Stromübertragung / und Potentialdifferenz ΔEzwischen im Elektrolyten suspendierten
Teilchen und zu bearbeitender Metalloberfläche.
F i g. 3 die zur Metallauflösung nutzbare gespeicherte
Ladungsmenge Q pro Gramm suspendierter Teilchen in Abhängigkeit von der Potentialdifferenz AE zwischen
suspendierten Teilchen und zu bearbeitender Metalloberfläche.
Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, besteht die Anlage zur
Durchführung des Verfahrens aus einer Elektrolysezelle 1 mit Anode 2 und Kathode 3. Zwischen den Elektroden
der Elektrolysezelle 1 ist ein Diaphragma 4 angeordnet, das die Elektrolysezelle 1 in zwei Zellenbereiche aufteilt.
In dem die Anode 2 aufweisenden Zellenbereich 5 der Elektrolysezelle 1 befinden sich im Elektrolyten
suspendierte elektrisch leitfähige Körper, die an der Anode 2 elektrisch aufgeladen werden. Die elektrisch
leitfähigen Körper werden durch das eingesetzte Diaphragma 4 daran gehindert, in den Zellenbereich 6
der Elektrolysezelle überzutreten, in dem sich die Kathode 3 befindet
Die Anode 2 wird im Ausführungsbeispiel von einem Elektromotor 7 rotierend angetrieben unc1 ist geeignet,
bei ihrer Rotation in der Elektrolysezelle eine Bewegung des Elektrolyten in der Weise zu erzeugen,
daß Elektrolyt mit anodisch aufgeladenen, elektrisch leitfähigen Körpern mit der Oberfläche eines zu
bearbeitenden Werkstückes 8 in Berührung gebracht wird. Eine elektrisch leitende Verbindung zwischen
Werkstück 8 und Plektroden der Elektrolysezelle 1 besteht nicht. An der zu bearbeitenden Oberfl ehe des
Werkstückes 8 geben die im Elektrolyten suspendierten, anodisch aufgeladenen elektrisch leitfähigen Körper
ihre Ladung ab, wobei dem elektrochemischen Ladungsäquivalent entsprechend in dem Elektrolyten
Ionen in Lösung gehen. Bei der im Ausführungsbeispiel vorgesehenen Bearbeitung von Werkstücken mit
Kupferoberfläche gegen Kupferionen in Lösung, die sich an der Kathode 3 der Elektrolysezelle 1 wieder
abscheiden. Die entladenen elektrisch leitfähigen Körper werden bei der Bewegung des Elektrolyten an
der Anode 2 wieder aufgeladen und im Kreislauf erneut dem Werkstück zugeführt.
Ausführungsbeispiel 1
In 150 cm3 verdünnter, auf 0,5 normal eingestellter
Schwefelsäure wurden 20 g handelsübliches Aktivkohlepulver suspendiert und im Anodenraum der Elektrolysezelle
bei intensivem Rühren anodisch polarisiert, wobei eine Entladung durch das für die Aktivkohleteilchen
undurchlässige Diaphragma 4 verhindert war.
Coulumetrische Messungen in der Elektrolysezelle
ergaben für eine Potentialdifferenz AE zwischen Aktivkohleteilchen und Metalloberfläche von
AE= +0,7 V eine auf die Metalloberfläche übertragbare, mittels der im Elektrolyten suspendierten Teilchen zu
speichernde Ladungsmenge Q von 75 Coulomb je Gramm Aktivkohlepulver. Je Gramm aufzulösendes
Kupfer waren daher 40 g Aktivkohlepuiver mit der Metalloberfläche in Berührung zu bringen.
Die Ladungsübertragung zwischen den im Elektrolyten suspendierten Teilchen und der zu bearbeitenden
Metalloberfläche wurde potentiostatisch gemessen. Dabei wurde statt eines zu bearbeitenden Werkstücks
eine dritte Elektrode als Entladeelektrode mit einer Oberfläche von 15 cm2 mit dem Elektrolyten in
Berührung gebracht. Die Elektrode war auf das elektrische Potential von Kupfer eingestellt, das einer
Spannung von +0,34 V gegen eine Normal-Wasserstoffelektrode entspricht. Gemessen wurde der übertragene
Strom J bei einer Poteütialdifferenz zlEzwischen
Aktivkohlepulverteilchen und Entladeelektrode von AE= +0,6 V. Während der Messung wies» die Anode 2
eine Umdrehungsgeschwindigkeit von 400 U/Min, auf. Es wurden unter Einhaltung dieser Bedingungen 60 mA
übertragen, entsprechend einer Kupferauflösung von 1,18 mg pro Minute.
Ausführungsbeispiel 2
In 150 cm3 verdünnter, auf 0,5 normal eingestellter
Schwefelsäure wurden 20 g Aktivkohlepulver der obenbezeichneten Art, das bei 1000° C unter Stickstoffatmosphäre
über eine Stunde lang geglüht worden war, suspendiert und in der gleichen Weise wie nach
Ausführungsbeispiel 1 anodisch polarisiert. Für die auf die Metalloberfläche übertragbare zu speichernde
Ladungsmenge Q wurde für eine Potentialdifferenz zwischen Aktivkohleteilchen und Metalloberfläche von
AE= +0,7 V ein Wert von 125 Coulomb je Gramm
Aktivkohlepulver gemessen. Je Gramm aufzulösendes Kupfer waren daher 24 g Aktivkohlepulver mit der
Metalloberfläche in Berührung zu bringen.
Die Ladungsübertragung wurde in der gleichen Weise wie im Ausführungsbeispiel 1 ermittelt. Bei
gleichen Bedingungen betrug der übertragene Strom 360 mA, entsprechend einer Auflösung der Kupferoberfläche
von 7,1 mg pro Minute.
Ein Vergleich der Ergebnisse zwischen Elektrolytsuspension mit handelsüblichem Aktivkohlepulver und
Aktivkohlepuiver, das einer Glühbehandlung in inerter Atmosphäre unterzogen worden war, zeigt F i g. 2. Es ist
ersichtlich, daß die Ladungsübertragung bei Verwendung von in inerter Atmosphäre geglühtem Aktivkohlepulver
im Elektrolyten im Bereich von Potentialdifferenzen ^If bis zu 0,66 V sowohl gegenüber suspendierten
Graphitpulverteilchen im Elektrolyten (Kurve 1) als auch gegenüber handelsüblichem Aktivkohlepuiver
(Kurve II) gesteigert wird. Mit einem Elektrolyten, der bei 10000C in Stickstoffatmosphäre über eine Stunde
lang geglühte Aktivkohlepulverteilchen enthält, läßt sich bei einer Potentialdifferenz AE von 0,6 V etwa der
vierfache Strom /übertragen (Kurve III). In F i g. 3 ist die mittels der im Elektrolyten suspendierten Teilchen
zu speichernde Ladungsmenge Q im Bereich einer Potentialdifferenz bis zu AE= +0,66 V aufgetragen. Die
Kurvenbezeichnungen entsprechen denen in Fig. 2, nämlich Elektrolytsuspension mit Graphitpulver: Kurve
I, Elektrolytsuspension mit handelsüblichem Aktivkohlepuiver: Kurve II, Elektrolytsuspension mit geglühtem
Aktivkohlepuiver: Kurve III. Die zu speichernde Ladungsmenge Q im Elektrolyten pro Gramm suspendierter
elektrisch leitfähiger Körper im Elektrolyten ist bei Verwendung von geglühtem Aktivkohlepuiver am
höchsten. Pro Gramm aufzulösendes Metall ist daher bei geglühtem Aktivkohlepuiver die geringste Teilchenmenge
mit der zu bearbeitenden Oberfläche in Berührung zu bringen.
Ähnliche Ergebnisse zeigen sich auch bei Verwendung von Aktivkohlepulver, das bei 700, 800 oder 9000C
in inerter Gasatmosphäre über eine Stunde lang geglüht worden war. Die besten Ergebnisse wurden jedoch bei
Glühtemperaturen zwischen 900 und 12000C erzielt.
Ausführungsbeispiel 3
In 150 cm3 verdünnter, auf 0,5 normal eingestellter Schwefelsäure wurden 20 g Aktivkohlepuiver suspendiert,
das bei 11000C unter Stickstoffatmosphäre über eine Stunde lang geglüht worden war und in der
gleichen Weise wie nach Ausführungsbeispie! 1 oder 2
anodisch polarisiert wurde. Beim Aufladen mit einem Strom von 50 mA wurde nach 20 Stunden eine
Potentialdifferenz zwischen Aktivkohlepulver und einer Kupferoberfläche von ΔΕ= +0,9 V erzielt. Im Anschluß
daran wurde zusätzlich im Elektrolyten I g Graphitpulver, entsprechend 5% der gesamten Menge an
zugesetzten elektrisch leitfähigen Körpern suspendier Bei gleichem Strom von 50 mA stieg daraufhin nac
einer Stunde die Potentialdifferenz um 0,07 V auf 0,97 ^ das heißt um 8%. V/erden höhere Graphitzusätz
gemacht, so steigt die erreichbare Potentialdifferer weiteren.
Hierzu 3 IiIaU Zeichnungen
Claims (3)
1. Verfahren zur elektrochemischen Bearbeitung metallischer Oberflächen von berührungsfrei zu
Kathode und Anode angeordneten Werkstücken mit einem Elektrolyten, der zur Übertragung elektrischer
Ladung auf die zu bearbeitende Oberfläche im Elektrolyten suspendierte, elektrisch leitfähige Körper
enthält, die in einer Elektrolysezelle, an der die Behandlung der Oberfläche bestimmenden Elektrode
aufgeladen werden und vor einer Entladung an der Gegenelektrode der Elektrolysezelle durch ein
die Gegenelektrode abschirmendes Diaphragma geschützt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß als elektrisch leitfähige Körper im Elektrolyten Teilchen von bei über 7000C in inerter Atmosphäre
geglühtem Aktivkohlepulver suspendiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß Teilchen von Aktivkohlepulver, das
zwischen 9000C und 12000C über eine Stunde lang
geglüht wurde, verwendet werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß den
Teilchen von Aktivkohlepulver Teilchen von Graphitpulver zugegeben werden.
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