DE3439750A1

DE3439750A1 - Galvanisierverfahren

Info

Publication number: DE3439750A1
Application number: DE19843439750
Authority: DE
Inventors: Erwin A. Dr. 7531 Neulingen Sauter
Original assignee: Inovan Stroebe KG; Inovan Stroebe GmbH and Co KG
Current assignee: Inovan GmbH and Co KG Metalle und Bauelemente
Priority date: 1984-10-31
Filing date: 1984-10-31
Publication date: 1986-04-30
Also published as: US4721554A; DE3439750C2; EP0183034B1; EP0183034A2; EP0183034A3; JPS61113790A; ATE54474T1

Description

HANS TRAPPENBERG · PAT-£>M^Ne«N-rEUfr · Karls ruh e

EUROPÄISCHER PATENTVERTRETER

30.1Π.19ΒΑ n2fl IT 0316

Firma INQVAN-Stroebe GmbH & Co. KG
Incfustriestr. 44, 7534 Birkenfeld

Galvanisierverfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen metallischer Schichten durch Galvanisieren auf band- oder seilförmige Materialien, wobei die mit dem Minuspol einer Stromquelle verbundenen zu beschichtenden Materialien, durch eine in einem geeigneten Gefäß befindliche Elekrolytlnsung, vorbei an einer dort mit dem Pluspol der Stromquelle verbundenen Anode, kontinuierlich hindurchgeführt werden sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Zum Beschichten der Oberfläche von Drähten, Bändern, Stanzgittern, Seilen oder sonstigen bandförmigen Materialien durch Galvanisieren, werden diese Materialien kontinuierlich durch ein GefäB bindurcngeführt, in dem sich eine Elektrolytlösung (oder auch Salzschmelze) befindet. Hierbei bildet das zu beschichtende Material die Kathode, an der

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sich infolge der Innenwanderung die in Elektrolyten gelösten Metalle anlagern. Durch diese Ionenwanderung verarmt der Elektrolyt in der Umgebung der Kathode an abscheidbaren Metallionen, so daß stets für die Zufuhr von frischem Elektrolyt gesorgt werden muß. Dies geschieht bei den bekannten Galvanisierbädern im allgemeinn bereits dadurch, daR das bandförmige Material durch die Elektrolytlösung hindurchgeführt wird, also stets mit neuer Elektrolytlösung in Berührung kommt. Bei modernen Anlagen wird außerdem der Elektrolyt stetig umgepumpt und erneuert, so daß sich zumindest im Gefäß, durch das die bandartigen Materialien hindurchgeführt werden, stets eine genügend Metallionen aufweisende Elektrolytlösung befindet. Dies besagt allerdings noch nicht, daß in der unmittelbaren Umgebung der Kathode, also des zu beschichtenden Materials, ebenfalls genügend Metallioen vorhanden sind. Nur aber dann, wenn genügend Ionen (beziehungsweise Anionen) für den Stromtransport zur Verfügung stehen, kann entsprechend viel Metall auf der Kathode abgeschieden beziehungsweise kann mit einer guten Stromausbeute gerechnet werden. Daraus ergibt sich, daß, je besser der Elektrolytaustausch an der Oberfläche des zu beschichtenden Teiles durchgeführt wird, desto höher die Abscheidungsqeschwindiqkeit und die Stromausbeute ist beziehungsweise desto schneller das Metall in erwünschter Weise auf dem Material abgeschieden wird bei gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad der Galvanisierungseinrichtung.

Um dieser Verarmung in der Nähe des zu beschichtenden Materials zu begegnen, wurde, wie oben erwähnt, bereits vorgeschlagen, die Elektrolytlösung kontinuierlich zu erneuern und auch die Elektrolytlösung innerhalb des Elektrolysegefäßes in Bewegung zu halten. Durch diese Maßnahme sollte erreicht werden, daß sich immer frische Elektrolytlösung mit genügend abzuscheidenden Metallionen in der Umgebung des zu beschichtenden Materials befindet.

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Mit diesen bekannten, dem Stande der Technik zuzuzählenden Anlagen, waren bereits recht hohe Abscheidegeschwindigkeiten zu erzielen. Die Erfindung hat sich jedoch die Aufgabe gestellt, diese Abscheidegeschwindigkeiten noch weiter zu
erhöhen.

Dies gelingt nach der Erfindung dadurch, daß die Elektrolytlösung in Gegenrichtung zur Bewegungsrichtung des zu beschichtenden Materials bewegt wird.

Augangspunkt der Erfindung war hierbei die Überlegung, daß _t ein hoher Elektrolytaustausch an der Oberfläche des zu beschichtenden Materials erzielt wird bei hoher Relativgeschwindigkeit zwischen dem zu beschichtenden Material und
der Elektrolytlösung, wobei die höchste Relativgeschwindigkeit dann erreicht wird, wenn die Bandbewegung und die
Elektrolytströmung in genau entgegengesetzter Richtung verlaufen. Dadurch ist gewährleistet, daß dann, wenn die Umgebung der Kathode, also des zu beschichtenden Materials, an abzuscheidenden Metallionen beginnt zu verarmen, bereits
frische Elektrolytflüssigkeit herangeführt wird, so daß
stets ein ununterbrochener Zustrom von Meta11 ionen zur
Kathode gesichert ist.

Es muß allerdings hinzugefügt werden, daß diese Überlegung zwar theoretisch richtig, in der Praxis aber nicht immer zu treffend ist. Insbesondere trifft diese theoretische Überlegung dann nicht zu, wenn die Elektrolytströmunq laminar
verläuft. Es wird daher nach der Erfindung festgelegt, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten und darüber
hinaus auch die Relativgeschwindigkeit in der Grenzschicht zwischen der Bewegung des zu beschichtenden Materials und
derjenigen des Elektrolyten im Bereich der turbulenten
Strömung liegen soll. Dies setzt im allgemeinen voraus, daß die Rewegunqsgeschwindigkeit des bandförmigen Materials
oberhalb von 0,1 m/s und die Geschwindigkeit der entgegen-

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gerichteten Strömung des Elektrolyten oberhalb von 1 m/s bei einer Reynolds-Zahl oberhalb RO.OfIG liegt. Maßgebend für die laminare oder turbulente Strömung ist die Reynolds-Zahl, also das Verhältnis der Trägheitskräfte zu den Zähigkeitskräften, wobei die Strömungsgeschwindigkeit beziehungsweise die Relativgeschwindigkeit zwischen dem bandförmigen Material und dem Elektrolyten in diesem Falle die ausschlaggebende Rolle spielt. Maßgebend ist ja nicht, daß in dem Elektrolysebad, also in dem die Elektrolytlösung enthaltenden Gefäß stets frische Elektrolytlösung zur Verfugung steht, sondern daß diese frische Elektrolytlösung mit einer hohen Anzahl von abscheidbaren Metallionen in unmittelbarer Umgebung des zu beschichtenden Materials vorhanden ist. Dies wird zwar nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Elektrolytlösung in Gegenrichtung zur Bewegungsrichtung des zu beschichtenden Materials bewegt wird, daß also eine höchste Relativgeschwindigkeit zwischen dem Material und der Elektrolytlösung herbeigeführt wird. Die Verarmung wird jedoch nit Sicherheit dann vermieden, wenn auch in der Grenzschicht eine turbulente Strömung vorherrscht die bewirkt, daß die Metallionen nicht nur in die Nähe der Kathode gebracht werden, sondern, durch die turbulente Strömung, auch noch die Elektronenwanderung zur Kathode unterstützt. Es darf in diesem Zusammenhang auch darauf hingewiesen werden, daß die Grenzschicht bei turbulenter Strömung um Größenordnungen kleiner ist als bei laminarer Strömung, daß also die nach der Erfindung angestrebte hohe Relativgeschwindigkeit und die damit herbeigeführte Turbulenz maßgebend für die hohe Abscheidegeschwindigkeit ist. Turbulente Strömung herrscht jedoch nach empirisch festgelegten Werten bereits ab einer Reynolds-Zahl, die größer als 2.32Π ist. Bei einer Reynolds-Zahl, wie dies von der Erfindung festgelegt wird, von RE 8Π.Π0Π, ist also mit Sicherheit eine turbulente Strömung vorhanden.

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Zur Durchführung des Verfahrens wird nach der Erfindung eine Vorrichtung vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch eine aus Isoliermaterial bestehenden Hohlschiene, deren freier Durchtrittsquerschnitt etwa dem Querschnitt des zu beschichtenden Materials entspricht, durch in die Hohlschiene eingefügte Anoden sowie durch eine beidseits an die Hohlschiene angeschlossene, den Elektrolyten führende Ringleitung, in die eine Umwälzpumpe eingefügt ist. Selbstverständlich kann in diese Ringleitung noch ein Sammelbecken für Elektrolytflüssigkeit eingefügt werden, dem dann auch stets frische Elektrolytflüssigkeit zur Beibehaltung der zuvor bestimmten optimalen Werte hinzugefügt werden kann. Die Länge der Hohlschiene wird hierbei nach der aufzubringenden Schichtdicke festgelegt, wobei, bei konstanten Geschwindigkeiten und Stromstärken, die Schichtdicke der Länge der Hohlschiene proportional ist. Der Proportionalitätsfaktor ist allerdings material abhängig; so müßte zum Abscheiden von Palladium unter sonst gleichen Bedingungen die Länge der Hohlschiene etwa zehnmal größer sein als für diejenge zum Beschichten mit Silber.

Die Anoden können in erfindungsgemäßer Weise die gesamte Innenwandfläche des freien Durchgangsquerschnitts der Hohlschiene bedecken oder auch nur Teile hiervon. So können die Anoden beispielsweise nur einseitig angebracht sein, um vorzugsweise eine Seite eines bandförmigen Materials zu beschichten, wobei zweckmäßigerweise die den Anoden abgekehrte Bandseite durch eine in der Hohlschiene angebrachte oder mitlaufende Maske abgedeckt wird. Es können jedoch auch die Anoden streifenförmig in Längsrichtung der Hohlschiene verlaufen, um einen Beschichtungsstreifen auf einem bandförmigen Material oder selbstverständlich auch mehrere derartige Streifen zu erzeugen. Auch dann, wenn die gesamte Fläche des bandförmigen Materials zu beschichten ist, empfiehlt es sich, die Anoden streifenförmig innerhalb der Hohlschiene anzuordnen, wobei die einzelnen Steifen zweck-

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mä^ioerweise in Längsrichtung unhertpi.lt und gegeneinander versetzt anzuordnen sind. Möglich ist auch, die Anoden in gleichmäßigem Abstnnd hintereinander innerhalb der Hohlschiene anzubringen und eine Vorrichtunci vorzusehen, die das zu beschichtende Material Jeweils im Abstand der Anoden voneinander taktweise vorbewegt. Dadurch können sowohl in der Breite wie auch in der Länge des bandförmigen Materials selektierte Reschichtungslinien beziehungsweise Beschichtung sρuηkte erzeugt pierden.

Zweckmäßigerweise wird der Abstand der Anoden von dem zu beschichtenden Material einstellbar ausgeführt, indem die Anoden an quer zur Längsrichtung der bandförmigen Materialien verstellbaren Justierschrauben angebracht werden. Dadurch kann, durch Änderung des Randwiderstandes, Einfluß auf die Abscheidungsgeschwindigkeit, jedoch auch auf die geometrischen Abmessungen der Abscheidung genommen werden.

Es wurde schon erwähnt, daß es vorteilhaft sein kann, in der Hohlschiene eine das durchlaufende Material teilweise abdeckende Maske anzuordnen. Um nur selektiv zu beschichten, besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, auf dem Band mitlaufende Abdeckunqen vorzusehen.

Hinsichtlich der Aufstellung der Hohlschiene hat es sich, wie Versuche gezeigt haben, bewährt, daß die"Hohlschiene senkrecht aufgestellt wird, so, daß das bandförmige Material von unten nach oben bewegt wird und der Elektrolyt die Hohlschiene von oben nach unten durchströmt.

Auf der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindunqsgemnßen Vorrichtung dargestellt. Durch eine Hohlschiene 1 mit einem Durchtrittsquerschnitt, der etwa dem Querschnitt des durchzuführenden bandförmigen Materials 2 entspricht, wird von unten nach oben, wie dies die Pfeile 3 andnuten, das bandförmige Material ?. hindurchge-

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führt. Exakt in Gegenrichtung hierzu strömt Elektrolyt flüssigkeit durch diese Hohlschiene 1, darnestellt durch die gestrichelten Pfeile &. Die Elektrolytflüssigkeit wird von einen Sammelbehälter 3 mittels einer Umwälzpumpe 6 über eine Rinn leitung 7, die beidseits an die Höh !schiene 1 angeflanscht ist, im Kreislauf geführt.

Bei Einhaltung der oben annegebenen Hedingunnen, also einer Bewegungsoeschii/indiakei t des bandf nrniqen Materials 2 oberhalb von Π,1 m/s und einer unteren Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten von 1 m/s ergeben sich damit tatsächlich, wie V/ersuche gezeigt haben, deutlich erhöhte Abscheidegeschwindigkeiten, die bis zum zehnfachen der AbscheideqeschBindigkeit reichen, die bei den zum Stande der Technik gehörenden Anlagen zu erzielen sind, bei einer Stromausbeute zwischen 97 % und mn %.

- Leerseite -

Claims

HANS TRAPPENBERG · PAT-fTN-t-JNGEN-fEUR-. Karlsruhe

EUROPÄISCHER PATENTVERTRETER

30.1Π.1984 n28 IT 0316

Firma INOUAN-Stroebe GmbH & Co. KG
Industriestr. 44, 7534 Birken feld

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Aufbringen metallischer Schichten durch Galvanisiern auf band- oder seilförmige Materialien, wobei die mit dem Minuspol einer Stromquelle verbundenen zu ' ' .· beschichtenden Materialien durch eine in einem geeigneten Gefäß befindlichen Elektrolytlösung, vorbei an einer dort mit dem Pluspol der Stromquelle verbundenen Anode kontinuierlich hindurchgeführt werden,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Elektrolytlösung in Gegenrichtung (4) zur Bewegungsrichtung (3) des zu beschichtenden Materials (2) bewegt wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten im Bereich der turbulenten Strömung liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeicnet,

daß die Relativgeschwindigkeit in der Grenzschicht zwischen der Bewegung des zu beschichtenden Materials (2) und derjenigen des Elektrolyten im Bereich der turbulenten Strömung legt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Bewegungsgeschwindigkeit des Materials (2) oberhalb 0,1 m/s und die Geschwindigkeit der entgegengerichteten Strömung des Elektrolyten oberhalb von 1 m/s bei einer Reynolds-Zahl oberhalb 80.000 liegt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen Ibis 4,
gekennzeichnet

durch eine aus Isoliermaterial bestehende Hohlschiene (1), deren freier Durchtrittsquerschnitt etwa dem Querschnitt des zu beschichtenden Materials (2) entspricht, durch ih die Hohlschiene (1) eingefügte Anoden sowie durch eine beidseits an die Hohlschiene (1) angeschlossene, den Elektrolyten führende Ringleitung (7), in die eine Umwälzpumpe (6) eingefügt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Länge der Hohlschiene (1) proportional der aufzubringenden Schichtdicke ist.

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7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden die gesamte Innenimandflache des freien Durchgangsquerschnittes der Hohlschiene (1) bedecken oder auch nur Teile hiervon.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden streifenförmig in Längsrichtung der Hohlschiene (1) verlaufen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden in Längsrichtung unterteilt und verschiedenen Stromkreisen zugeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden in gleichmäßigem Abstand hintereinander innerhalb der Hohlschiene (1) angebracht sind und daß eine Vorrichtung zum taktweisen Vorbeiwegen des zu beschichtenden Materials (2), jeweils im Abstand der Anoden voneinander, vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Anoden vom zu beschichtenden Material (2) einstellbar ist.

1-2. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Hohlschiene (1) eine das durchlaufende Material (2) teilweise abdeckende Maske angeordnet ist.

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13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlschiene (1) senkrecht aufgestellt ist.