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ÖSTERREICHISCHES PATENTAMT Verfahren zur Oberflächenbehandlung, insbesondere zum
Galvanisieren von Massenwaren
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung, insbesondere zum Galva- nisieren von Massenwaren mit Hilfe eines Behälters, der in eine Behandlungsflüssigkeit eintaucht und in dieser nun eine Drehachse umläuft. Nun hat sich beispielsweise bei der Erzeugung galvanischer Nieder- schläge auf Werkstücken herausgestellt, dass durch die Abscheidung an der Kathode und die Auflösung entspre- chender Metallmengen an der Anode der Elektrolyt unmittelbar an der negativen Elektrode an Metall verarmt, wogegen die Metallionenkonzentration an der Oberfläche der in Lösung gehenden Anode immer grösser wird.
Diese Konzentrationsunterschiede können sich durch Diffusion und Wanderung der Ionen allein nicht völlig und umso weniger bei Verwendung höherer Stromdichten ausgleichen, die einen erhöhten Metallvèrbrauch im Kathodenfilm zur Folge haben und bei welchen diese Erscheinung verstärkt auftritt. Die Nachteile dieser unerwünschten Vorgänge machen sich an den Elektroden bemerkbar, so wird z. B. Wasserstoff mit abge- schieden.
Es hat sich weiters gezeigt, dass der Elektrolytaustausch zwischen dem Inneren des Behälters und der diesen umgebenden Flüssigkeit gering ist. Dies hat zur Folge, dass die Geschwindigkeit der galvanischen
Abscheidung an der eingeschlossenen Warenmenge, die infolge der Vielzahl der Einzelteile eine grosse Gesamtoberfläche aufweist, mangels einer ausreichenden Zufuhr an Metallionen im Laufe der Behandlungszeit wesentlich abnimmt.
Ausserdem ist für jede Behandlungsflüssigkeit ein bestimmter Temperaturbereich notwendig, damit technisch brauchbare Niederschläge erhalten werden. Es muss daher dafür gesorgt werden, dass die erforderliche Betriebstemperatur im Arbeitsbereich der Lösung eingehalten wird. Bei den bisher bekannten Vorrichtungen ist die Einhaltung der notwendigen Temperatur nur bedingt möglich, weil die Heizung bzw. Kühlung der im Inneren des umlaufenden Behälters befindlichen Flüssigkeit vornehmlich durch Wärmeleitung und freie Konvektion vor sich geht.
Aus all den angeführten Gründen ist daher eine Bewegung der Flüssigkeit anzustreben, damit einerseits die Konzentration, anderseits die Temperatur der Flüssigkeit in deren gesamtem Arbeitsbereich konstant bleibt. Eine derartige Bewegung der Flüssigkeit konnte jedoch bei den bisher bekanntgewordenen Einrichtungen nicht erzielt werden.
Es ist vorgeschlagen worden (brit. Patentschrift Nr. 110,248), ein zylindrisches Gefäss geneigt aufzustellen und um eine horizontale Achse zu drehen, welche die Achse des Gefässes in dessen Mittelpunkt unter einem verhältnismässig kleinen Winkel schneidet. In einer andern Druckschrift (USA-Patentschrift Nr. 2, 835, 664) wird die gleiche Massnahme empfohlen. Ein Flüssigkeitsaustausch durch die perforierte Wandung eines Behälters lässt sich mit dieser Konstruktion jedoch nicht erzielen, da jede Flüssigkeits- umwälzung - in erheblichen Bereichen des Behälters in Umgebung des Schnittpunktes der Behälter - mit der Rotationsachse findet praktisch keinerlei Durchmischung statt-auf das Behälterinnere beschränkt bleibt.
Aber auch die beinahe selbstverständliche Forderung, der metallische Niederschlag müsse auf der Oberfläche einer zu galvanisierenden Massenware wenigstens annähernd gleichmässig sein, lässt sich mit derartigen bekannten Vorrichtungen nicht erfüllen. Die Menge der einzelnen Kleinteile erfüllt einen Teil des Behälterraumes in mehr oder weniger kompakter Schüttung und verhält sich wie eine körnige Masse, die sich im gleichen Sinne wie der Aufnahmebehälter dreht und dabei eine Böschungsfläche bildet, über
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welche die an der jeweils höchsten Stelle befindlichen Kleinteile herabkollern.
Auf diese Weise werden aber während der ganzen Behandlungsdauer nur einer verhältnismässig dünnen Schicht angehörende Individuen des Massengutes umgewälzt, während der den überwiegenden Anteil der Gesamtmenge darstellende Kern in durchaus unerwünschter Weise praktisch in Ruhe bleibt.
Ziel der Erfindung ist die Behebung der geschilderten Mängel, das sich in einfacher Weise erreichen lässt, wenn erfindungsgemäss die Behandlung in einem rotationssymmetrischen Behälter, der in jedem seiner zur Drehachse senkrecht stehenden Querschnitten um eine von der Behältersymmetriachse verschiedene Drehachse umläuft, oder in einem rotationsunsymmetrischen Behälter vorgenommen wird, der um : eine beliebige Drehachse umläuft.
Mit diesen Massnahmen lässt sich eine wirksame Durchmischung jeder Beschickung des Behälters und gleichzeitig eine Umwälzung des Bades erreichen, welches die Wanne erfüllt, in welche der Behälter eingetaucht ist. Innerhalb des denNutzraum bildenden Behälterinnenraumes werden Temperatur und Konzentration konstant gehalten.
Der Austausch von Badflüssigkeit in dem Behälterraum gegen Flüssigkeit aus der Wanne lässt sich fördern, wenn zur Vergrösserung der Stauzonen am Umfang des Behälters an dessen Aussenseite Leitschaufeln angeordnet sind, wobei jedoch die Leitschaufelanordnung in bezug auf die Drehachse unsymmetrisch ist.
Solche Leitschaufeln können entlang eines zusammenhängenden Winkelbereiches des Behältermantels angeordnet sein.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert, in deren Fig. la und 2a ein bekannter Behälter, in den Fig. 1b und 2b jedoch je ein Ausführungsbeispiel eines zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens eingerichteten Behälters schematisch veranschaulicht ist.
In Fig. la ist ein z. B. sechseckiger Behälter 1 gezeigt, der im Sinne des eingezeichneten Pfeiles,
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0,Trommel oder Glocke einen Wirbelkern in einem Medium reibungsfreier Flüssigkeit, wobei die Umfangsgeschwindigkeit des erzeugten Wirbelfeldes in radialer Richtung nach. der Gestalt einer hyperbolischen Funktion abnimmt. Bei der stattfindenden drehenden Bewegung wird ein Kreiskern in der Mitte beobachtet, der sich wie ein fester rotierender Körper verhält.
Im vorhandenen Querschnittsfeld überlagern sich offensichtlich zwei Strömungen, u. zw. a) die potentielle Fliehkraftströmung der im Warenaufnahmebehälter eingeschlossenen Lösung und b) der sich infolge Staudruck und Sog am Umfang des eckigen Behältergehäuses 1 ergebende Flüssig- keitsaustausch.
Die Überdruck- oder Staubereiche sind dabei in Fig. la stärker ausgezogen als jene, in denen Unterdruck oder Sog herrscht ; die eingetragenen Pfeile versinnbildlichen die Strömungsrichtungen.
Die Bewegungsenergie des gedrehten Warenbehälters kommt demnach lediglich in dessen Randbereich zur Geltung. Bei jeder vorspringenden Ecke des Gehäuses 1 bildet sich sowohl Staudruck, als auch (an der der Bewegungsrichtung abgekehrten Seite) Sog. Die sich stets wiederholende, identisch verlaufende Folge Stau-Sog und die gleichartigen geometrischen Verhältnisse am Gehäuseumfang verursachen einen Lösungsaustausch. der auf einen Bruchteil des Nutzraumes der Tauchglocke oder-trommel nämlich dessen Randbereich beschränkt bleibt. Der überwiegende Teil der im Sogbereich ausgetretenen, an sich geringen Flüssigkeitsmenge wird vom unmittelbar folgenden Stau erfasst und dem Innenraum wieder zugeführt.
Dies ist auch daraus erklärbar, dass für die Förderung eines Mediums bekanntlich eine einzige Voraussetzung sowohl notwendig als auch hinreichend ist, nämlich die Herstellung eines Druckunterschiedes in der Bewegungsrichtung. Bei einer zentrischen Drehbewegung eines symmetrischen Warenaufnahmebehälters ist eben der Flüssigkeitsaustausch auch bei ausreichender Perforation (auch Schrägperforation) ohne einem Druckunterschied zwischen dem Innenraum des Behälters und der benachbarten Umgebung - wie eben nachgewiesen-gering.
Das Durchmischen der die Beschickung bildenden Kleinteile ist, wie oben erwähnt, auf eine Schicht beschränkt.
Die Abgrenzung der Stärke der Schicht gegenüber dem Kern ist relativ. Streng genommen ändert sich die Entfernung eines Teilchens zum Gesamtschwerpunkt der kollernden Masse nicht. Das hat beim Galvanisieren zur Folge, dass der aufgenommene Metallniederschlag eines Teilchens von seinem Abstand zum Massenschwerpunkt abhängig ist ; d. h. mit andern Worten, dass jedes vom Schwerpunkt der umgewälzten Menge weiter entfernte Teilchen durch eine Mehraufnahme an Abscheidungsmetall alle (in Richtung des elektrischen Potentialgefälles liegenden) alle näheren abschirmt und abdeckt. Die beabsichtigte Gleichmässigkeit in der metallischen Beaufschlagung der Teile ist somit, wie es auch die Praxis beweist, nicht gegeben.
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Bei dem erfindungsgemässen Verfahren ist (Fig. Ib) die Symmetrieachse 01 des Behälters von der
Drehachse 02 verschieden, beide Achsen verlaufen parallel. Wie man der Figur entnehmen kann, ist das ansonsten vorhandene dynamische Strömungsgleichgewicht gestört (s. Verteilung der - stark ausgezoge- nen - Stauzonen gegenüber den - dünn ausgezogenen - Sogbereichen am Querschnittsumfang). Die Inten- sit t, mit der der Lösungsstrom den umlaufenden Behälter nahezu senkrecht zu dessen Fortbewegungsrich- tung durchfliesst, hängt lediglich von der Grösse der Exzentrizität und Wandergeschwindigkeit der Behäl- terwandung 1 ab.
Der eingezeichnete Pfeil stellt den Weg und die Bewegungsrichtung des Strömungskernes des Flüssig- keitsstromes durch den umlaufenden Behälterkörper dar.
Die beiden Achsen 01 und Oz können parallel oder windschief zueinander verlaufen oder sich schnei- den. Im letzten Falle muss jedoch der Schnittpunkt ausserhalb des von dem Behälter eingeschlossenen Nutz- raumes liegen, da in der Umgebung des Schnittpunktes dynamisches Gleichgewicht herrscht.
Nach dem Impulssatz drückt nun die Badflüssigkeit mit einer Kraft, die dem Produkt der auf die
Zeiteinheit bezogenen beschleunigten Masse und der Beschleunigung entspricht, auf das Behältergehäuse. Die Grösse des erzeugten statischen Drucksprunges und damit auch die Heftigkeit des Elektrolytaustausches und seines Kreislaufes hängt von Exzentrizität und Drehgeschwindigkeit des Behälterkörpers 1 ab.
Der Behälter wirkt, da er als in einem unbegrenzten Medium frei bewegt angesehen werden kann und den von ihm erfassten Teil der Strömung um einen entsprechenden Betrag beschleunigt, wie der Flügel einer Kreiselpumpe.
Es erfolgt somit ein kontinuierliches Umfluten (Umpumpen) der gesamten in der Wanne befindlichen Behandlungslösung. Der Kreislauf des Elektrolyten geht solcher Art vor sich, dass auch der Anodenbereich in die Umwälzung miteinbezogen und somit der gesamte Nutzraum der Wanne erfasst wird. Ein solcher Kreislauffördert jeden Massengalvanisîerungs-Vorgangwesentlich. Ausser zur Verhinderung der Elektrolytverarmung (etwa an Glanzmitteln) im Warenaufnahmebehälter und einer unterschiedlichen Metallionenkonzentration an der Anoden- und Kathodenoberfläche, trägt die Badbewegung zu einer intensiven Wasserstoffabstossung bei. Sie bewirkt ferner einen vollen Ausgleich der auftretenden Unterschiede der Temperatur (thermische Pufferung, erzwungene Konvektion) und der Lösungszusammensetzung innerhalb des ganzen Bades.
Ferner wird auch die Gleichmässigkeit des metallischen Überzuges zufolge der intensiveren Durchmischung der Einzelteile gefördert. Die intensivere Durchmischung kommt zustande, weil der Gesamtschwerpunkt der umgewälzten Masse eine Bahn beschreibt, die von einer Resultierenden bestimmt wird, welche sich der Richtung und Grösse nach periodisch ändert.
Der Gedanke, welcher der Erfindung zugrunde liegt, ist auch mit Behältern realisierbar, die keine Rotationsymmetrie besitzende Querschnitte aufweisen, z. B. mit zylindrischen oder konischen Behältern mit beispielsweise elliptischem Querschnitt oder prismatisch oder pyramidenstumpfförmigen Behältern, deren Querschnitte unregelmässige Vielecke sind.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind zur Herbeiführung der Unsymmetrie am Behälterkörper Leitflächen vorgesehen. Es ist zwar schon bekannt, an der Aussenseite eines zentrisch umlaufenden Warenbehälters schaufelförmige Leitelemente symmetrisch anzuordnen, jedoch wird bei solchen Anordnungen das sich einstellende stationäre Strömungsgleichgewicht nicht gestört, so dass keine merkliche Erhöhung der Durchströmung eintritt.
Fig. 1b zeigt vier längs eines zusammenhängenden Winkelbereiches von 1800 angeordnete Leitschaufeln 2, die den an der rechten Hälfte des sechseckigen Mantelquerschnittes 1 vorhandenen Staudruck weiterhin erhöhen, um dadurch den statischen Drucksprung in bezug auf die gegenüberliegende Soghälfte zu steigern.
Die unsymmetrische (unregelmässige) Anordnung von schaufelförmigen Leitelementen (vier Schaufeln, sechs Behälterecken) bildet daher eine weitere Einflusskomponente für die Lenkung des Flüssigkeitstromes durch den umlaufenden Warenbehälter.
Bei der in Fig. 2b veranschaulichten Ausführungsform eines Behälters wird der gleiche Effekt durch unsymmetrische (unregelmässige) Winkelstellungen der Leitelemente 3 erreicht, wobei der Trommelmantel abschnittsweise vorwärtsgerichtete und rückwärtsgerichtete Leitelemente bzw. Schaufeln aufweist.