<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zum elektrolytischen Beizen von Werkstücken aus Metallen und Metallegierungen, besonders Eisen und Eisenlegierungen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beize von Werkstücken aus Metallen und Metalllegierungen, besonders Eisen oder Eisenlegierungen. Es kann für die verschiedenartigsten Eisen-, Stahl-oder Metallgegenstände verwendet werden.
Es wurde bereits ein elektrolytisches Beizverfahren vorgeschlagen, bei dem die Beizflüssigkeit auf elektrolytischem Wege gleichzeitig mit dem Beizvorgang regeneriert wird. In diesem Fall durchfliesst der elektrische Strom die Anode, das Werkstück als Mittelleiter und soll das gelöste Metall an der Kathode abscheiden. Es ist auch bekannt, als Beizelektrolyten für diesen Verwendungszweck angesäuerte Eisensulfatlösung zu verwenden. Kathoden-und Anodenraum sind nicht getrennt. Diese Anordnung macht es naturgemäss unmöglich, Stromverluste durch das Hin-und Herpendeln von Metallionen zwischen zwei verschiedenen Wertigkeitsstufen hintanzuhalten. Bei dieser Anordnung ist es ferner nur möglich, einen sehr niedrigen Säuregrad zu halten, weil eine höhere Azidität die Abscheidung des Metalls an der Kathode verhindert beziehungsweise lösend auf dieselbe wirkt.
Diese Übelstände werden erfindungsgemäss dadurch behoben, dass zwischen Anode und Kathode bzw. um die Kathode ein Diaphragma angeordnet wird. Dadurch werden Stromverluste verhindert und die Regeneration gegebenenfalls bis zu einem hohen Säuregrad ermöglicht.
Auch die Verwendung von Diaphragmen bei der elektrolytischen Mittelleiterbeize ist prinzipiell bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren ist sowohl die Kathode als auch die Anode von Diaphragmen umgeben. Die Ware befindet sich zwischen den Diaphragmen, während der Anoden-und der Kathodenraum frei von Beizgut bleibt. Diese Anordnung hat den Nachteil, dass der anodisch gebildete Sauerstoff vom Beizelektrolyten ferngehalten wird und nicht durch Verhinderung der Beizsprödigkeit qualitätsverbessernd auf das Material wirken kann ; ausserdem bringt das Anodendiaphragma einen zusätzlichen Stromverlust mit sich. Bei diesen Verfahren ist auch eine Regeneration des Beizelektrolyten durch kathodisch abgeschiedenes Metall wegen des Säuregehaltes im Katholyten nicht möglich.
Alle geschilderten Unzulänglichkeiten werden erfindungsgemäss dadurch behoben, dass das Beizgut als Mittelleiter oder als Anode in den Anodenraum eingebracht wird, so dass der sauerstoffgesättigte Anolyt gleichzeitig Beizelektrolyt ist. Hiedurch wird die Beizsprödigkeit auf ein Mindestmass zurückgedrängt.
Stromsparend wirkt ferner bei der erfindungsgemässen Anordnung die Weglassung des Anodendiaphragmas und die Teilnahme von Metallionen am Stromtransport, wodurch auch die Wasserstoffentladung an der Kathode herabgesetzt wird. Ausserdem ist erfindungsgemäss der Katholyt nicht so sauer wie der Anolyt, so dass eine ständige Metallabscheidung und Regenerierung der Beizflüssigkeit möglich ist.
Erfindungsgemäss wird das Werkstück in ein geeignetes Beizbad von an sich bekannter Zusammensetzung gebracht. Im Beizbottich befinden sich eine oder mehrere Anoden aus indifferenten Materialien, wie Pb, FeO, MnO, C, oder auch die anodisch geschalteten Werkstücke, ferner eine oder mehrere Kathoden, vorzugsweise aus dem gleichen Material wie das Werkstück bestehend. Zwischen Kathoden und Anoden sind ausserdem ein oder mehrere Diaphragmen derart eingeschaltet, dass sich die zu beizende Ware im Anodenraum befindet. Die Gestaltung dieser Diaphragmen kann je nach Art und Zweck verschieden sein. Das Plattendiaphragma ist wegen seiner Grösse sehr zerbrechlich, besser ist schon das unterteilte und in Rahmen gefasste Plattendiaphragma. Es ist das völlige Abdichten der Fugen ziemlich schwierig.
Wird das Plattendiaphragma während des Betriebes undicht,
<Desc/Clms Page number 2>
muss das Beizen in dem betreffenden Bottich unterbrochen werden, will man nicht Gefahr laufen, dass die ganze Kathode zerstört und das bestandene Gleichgewicht gestört wird. Um den Schaden beheben zu können, muss die Beizflüssigkeit abgelassen werden.
Erfindungsgemäss werden alle diese geschilderten Übelstände dadurch beseitigt, dass man die Diaphragmen als Gefässe ausbildet, welche die Kathodenräume umschliessen. Eine vorzugsweise Aus- führungsform dieser Diaphragmen ist die Ausbildung als Zylinder. Erfindungsgemäss ist es auch von besonderem Vorteil, nicht einen, sondern mehrere Kathodenräume in einer Beizanlage zu haben, weil dadurch der Betrieb auch bei Bruch einiger Diaphragmen zumindest noch so lange aufrechterhalten werden kann, bis-auch während des Betriebes-Reservediaphragmen eingesetzt sind. Von besonderem Vorteil kann es sein, das Diaphragmengefäss nicht aus einem Stück herzustellen, sondern aus mehreren kurzen zylindrischen Einzelstücken zusammenzufügen. Es kann die Bodenplatte des Diaphragmengefässes aus nichtleitendem Material, wie z. B.
Bakelit, hergestellt werden. Diese Bodenplatte kann auch durch irgendeine Aufhängevorrichtung, z. B. eine Eisenstange, auf der Kathodenschiene befestigt werden und trägt auf diese Weise das ganze Diaphragma. Die Aufhängevorrichtung befindet sich innerhalb der Diaphragmenröhre. An der Aufhängestange können auch gleichzeitig das oder die Kathodenbleche aufgeschraubt sein, welche ins Diaphragmeninnere-den Kathoden- raum-hereinhängen. Der Strom fliesst dann vom Kathodenblech durch die Aufhängestange und durch die Kathodenschiene ab. Das Diaphragma kann aus allen möglichen an sich bekannten Dia- phragmen-Materialien bestehen, z. B. aus diversen Sinterprodukten oder aus gebranntem Ton.
Die Kathode allein oder samt Diaphragma befindet sich entweder dauernd in der Beizflüssigkeit oder kann auch erst bei Bedarf in diese gebracht werden. Hiefür können gegebenenfalls auch Aufhänge-oder Tragvorrichtungen aus Holz oder anderm isolierendem Material vorgesehen werden. Es können vorteilhaft die Elektroden oder die Diaphragmen durch säurebeständige, elektrisch indifferente Materialien geschützt werden. Diese Schutzvorrichtungen sind so gebaut, dass sie im Bad einen möglichst geringen Widerstand erzeugen ; beispielsweise Gitterkonstruktionen. Erfindungsgemäss hat man es in der Hand, bei einem bestimmten Beizgutdurchsatz die geeignete Azidität durch die pro Zeiteinheit durch das Bad geschickte Strommenge einzustellen.
Die geeigneten Hilfsmittel hiezu sind Veränderung der Leistung der Stromquelle, Veränderung des elektrischen Widerstandes der Diaphragmen durch Variation der Dicke und Dichte der Diaphragmenwände oder Änderung der Anzahl der eingesetzten Diaphragmenzylinder, ferner die Beeinflussung der Leitfähigkeit des Bades durch chemische Zusätze sowie Änderung der Temperatur.
Es werden erfindungsgemäss folgende Vorteile erzielt : Die Regeneration kann bis zu einer hohen Konzentration der aktiven Agenzien ermöglicht werden. Ein Verbrauch an Beizflüssigkeit findet nicht oder nur in geringem Masse statt, d. h. das im Bad wirksame Reagens regeneriert sich durch den Strom und braucht keine Wartung. Das durch die Beize eventuell gelöste Material geht nicht verloren, sondern schlägt sich auf der Elektrode nieder. Es kann ein sehr dichter Metallniederschlag erzielt werden.
Eventuell abblätterndes abgeschiedenes Material kommt nicht mehr zur Auflösung, sondern sammelt sich im Kathodenraum. Sollte mehr Beizgut die Beize passieren, als dem Stromdurcl1gang bzw. der Regeneration entspricht, dann ist ein Wechseln des Beizbades nicht zu umgehen ; es werden jedoch gegenüber der chemischen Beize pro Einheit gebeizter Ware weniger Säure verbraucht und ein Beizgut nahezu frei von Beizsprödigkeit erzielt. Das Hin-und Herwandern von Metallionen, die in mehreren Wertigkeitsstufen stabil sind, zwischen Anode und Kathode, ist praktisch unmöglich gemacht ; hiedurch werden die grössten Stromverluste ausgeschaltet.
Die Anoden-und Beizflüssigkeit ist mit anodisch gebildetem Sauerstoff übersättigt, und es hat sich gezeigt, dass in einem solchen Bad die Wasserstoffaufnahme und damit die Beizsprödigkeit verhindert wird. Die hängende Anordnung des Diaphragmas hat den Vorteil, dass Störungen jeder Art, auch Undichtigkeit des Diaphragmas, ohne Unterbrechung des Betriebes behoben werden können. Die Dichtung des Diaphragmas kann ausserhalb des Beizbottich durchgeführt werden. Ausserdem können sich Badverunreinigungen, wie z. B. Zunderreste, unter dem Diaphragmengefäss ablagern. Die Beizzeit ist sehr kurz und die Beizschärfe ist gesteigert, so dass auch rostfreies Material ohne weitere Zusätze gebeizt werden kann.
Ausführungsbeispiel A.
Im Beiztrog befindet sich ausser einer schwach angesäuerten n-Ferrosulfatlösung die Anode samt Schutzvorrichtung und die Kathode. Ferner befindet sich zwischen Anode und Kathode, jedoch näher bei letzterer, eine Diaphragmenplatte, welche Anoden-und Kathodenraum trennt. Anode : Graphit, Kathode : Eisenblech. Das Diaphragma besteht aus gebranntem Ton und sind vier Platten in einen Kreuzrahmen eingesetzt. Der Strom wird eingeschaltet. Stromdichte 100 Amp./rn2, Spannung 8 Volt. Elektrolyteisen schlägt sieh auf der Kathode nieder, die Anodenflüssigkeit reichert sich mit Schwefelsäure an. Ebensogut kann man gleich erstmalig von jener Badzusammensetzung ausgehen, welche man auf eben beschriebene Weise erhalten hat. Das Bad wird auf zirka 50 C erwärmt und die zu beizenden Gegenstände in den Anodenraum eingebracht.
Der Strom bleibt während der Beizung eingeschaltet und bringt die in Lösung gegangenen Eisenmengen wieder zur Abscheidung, so dass die Badzusammensetzung stabil bleibt. Säurekonzentration : zirka 5% freie Schwefelsäure. Ware : ver-
<Desc/Clms Page number 3>
zunderte Drahtringe. Beizdauer etwa 20 Minuten. Nach Ausbringen der gebeizten Ware ist die Beize wieder betriebsbereit.
Ausführungsbeispiel B.
Im Beizbottich befindet sich eine unangreifbare Anode. Ausserdem vier Diaphragmengefässe (zylindrisch) von folgenden Abmessungen : Innerer Durchmesser 10 cm, Wandstärke 1 cm. In den Diaphragmengefässen befindet sich die Kathodenflüssigkeit und die Kathoden aus Eisenblech. Diese sind durch eine Querschiene miteinander leitend verbunden. Die Diaphragmengefässe stehen in der Beizflüssigkeit (Anodenflüssigkeit) und sind im Bottich so aufgestellt, dass zwischen ihnen und der Anode ein möglichst grosser freier Platz bleibt. Hier wird das Beizgut eingetragen. Badzusammensetzung, Beizdauer, elektrische Daten und Temperatur wie in Ausführungsbeispiel A.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum elektrolytischen Beizen von Werkstücken aus Metallen und Metallegierungen, besonders Eisen und Eisenlegierungen, nach dem Mittelleiterverfahren oder bei Schaltung des Werkstückes als Anode, dadurch gekennzeichnet, dass die Ware sich im Anodenraum befindet und dieser durch ein oder mehrere Diaphragmen vom Kathodenraum getrennt ist, wobei durch die gleichzeitig mit dem Beizvorgang stattfindende Regeneration der Beize dauernd eine hohe Säurekonzentration nur im Anodenraum aufrechterhalten wird sowie Stromverluste durch Oxydations-Reduktionsvorgänge vermieden werden.