CH619988A5

CH619988A5 - Process for zone-wise electropolishing of the internal surface of large-volume containers

Info

Publication number: CH619988A5
Application number: CH720476A
Authority: CH
Inventors: Guenter Sorbe; Gerhard Dr Mietens; Michael Ahlgrim
Original assignee: Hoechst Ag
Priority date: 1975-06-28
Filing date: 1976-06-08
Publication date: 1980-10-31
Also published as: JPS5912760B2; DE2528942A1; ES448699A1; DD125086A5; IT1061585B; JPS525626A; NL166506B; NL166506C; NL7606851A; FR2317383A1; SE7607149L; GB1509099A; FR2317383B1; BE843492A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zonenweisen Elektropolieren von elektrisch leitfähigen, metallischen inneren Oberflächen grossräumiger Behälter durch Erzeugen und Aufrechterhalten eines Stromflusses in einer als Elektrolyt dienenden Badflüssigkeit, von welcher die an die Anode einer Gleichstromquelle angeschlossene metallische Oberfläche ganz oder teilweise bedeckt wird und in welche eine an die .Kathode der Gleichstromquelle angeschlossene Metallelektrode vollkommen eintaucht, wobei die Metallelektrode sich in einem geringen Abstand zur inneren Oberfläche des Behälters befindet und die Oberfläche des Behälters sowie die Metallelektrode sich in einem relativen, langsamen Bewegungszustand zueinander befinden, derart, dass die Metallelektrode stillsteht und die Oberfläche des Behälters sich langsam um die Längsachse der Metallelektrode dreht bzw. die Oberfläche des Behälters fixiert ist und die Metallelektrode die Oberfläche des Behälters überstreicht.

Unter elektrolytischem Polieren der Oberfläche von metallischen Gegenständen versteht man generell eine Behandlung, die zur Einebnung und zum Glänzen der metallischen Oberfläche führt, die ursprünglich rauh und matt ist. Das Elektropolieren ist aufgrund der dafür angewandten elektrischen Schaltung ein anodisches Verfahren. Während in der Galvanotechnik auf ein Metall - als Kathode geschaltet - ein anderes Metall galvanisch abgeschieden wird, wird beim Elektropolieren von einem Metall - als Anode geschaltet - Material abgetragen. Mit Hilfe des Elektropolierverfahrens lassen sich Apparateteile ohne Rücksicht auf Form und Grösse in relativ einfachen und vielseitig verwendbaren Anlagen nach Art der galvanischen Tauchbäder oberflächlich polieren. In den Tauchbädern wird das zu behandelnde Werkstück an Gestellen befestigt, die als Anode geschaltet werden. Als Material für die anodische Stromzuführung und für die Gestelle hat sich Titan und Kupfer am besten bewährt, während als Kathodenmaterial Edelstahl, Blei oder Kupfer eingesetzt werden können. Die in den Tauchbädern enthaltenen Elektrolyte können beispielsweise Gemische aus thermischer Phosphorsäure und Schwefelsäure bzw. Alkoholen und dergl. sein. Die mit diesen Elektrolyten arbeitenden Elektropolierbäder sind sehr variabel. Sie zeichnen sich durch eine einfache Wartung und relative Unempfindlichkeit gegen Störungen aus. Je nach Einsatzzweck und Zusammensetzung können diese Elektrolyte in weiten Stromdichte- und Temperaturbereichen sowie wechselnden Expositionszeiten gefahren werden. So können im Apparatebau durch die in niederen Stromdichte- und Temperaturbereichen arbeitenden Elektrolyte mit relativ kleinen Gleichrichtereinheiten grosse Flächen rationell elektropoliert werden.

Behälter und Apparate grösserer Dimensionen können jedoch nach dem vorbeschriebenen Tauchbadverfahren nicht elektropoliert werden. Da in der Regel auch nur deren Innenfläche bearbeitet wird, müssen aus rationellen Gründen hier andere Verfahren als das Badverfahren zur Anwendung gebracht werden. Wegen der zu grossen zu elektropolierenden Flächeneinheiten sind weiterhin die Gleichrichtereinheiten nicht analog der Flächengrösse einsetzbar. Hier ist die realisierbare Kathodenfläche von der Gleichrichterkapazität abhängig.

Ein Verfahren, das diese Faktoren berücksichtigt, ist das zonenweise Elektropolieren, wobei von einem Kathodenstreifen immer nur die der Kathode gegenüberliegende anodisch geschaltete Materialfläche elektropoliert wird. Letztgenanntes Verfahren wird von G. Sorbe in dem Artikel «Einsatz des elektrochemischen Polierens im Behälter- und Apparatebau» in «Fachberichte der Oberflächentechnik», Heft OT 4/74,

Seite 92-96, L. A. Klepzig Verlag, Düsseldorf, eingehend beschrieben.

Vorteil des zonenweisen Elektropolierverfahrens ist es, dass mit Meinen Gleichrichtereinheiten Behälter und Aggregate jeder Grösse elektropoliert werden können. Ausserdem erlaubt dieses Verfahren, die Behälter in jeder Position -stehend oder liegend - zu elektropolieren. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Behälter im Herstellbetrieb und/oder Produktionsbetrieb zu elektropolieren. Die dabei angewandte Technologie der kleinen Kathodenfläche, entsprechend einer kleinen Gleichrichtereinheit, hat bei liegenden Behältern noch den Vorteil der kleinen Elektrolytmenge. Die Ausbildung der Kathode wird den apparativen Verhältnissen angepasst und wird von den Einbauten im Behälter oder der Form der Behälter, welche rund, eckig, zylindrisch oder konisch sein können, bestimmt. Diesen Anforderungen genügen die sogenannten Wander-, Dreh- oder Pendelkathoden.

Ein Verfahren zum zonenweisen Elektropolieren der Innenwandung von ortsfest eingebauten Grossraumbehältern mit Hilfe einer Drehkathode wird beispielsweise in der Deutschen Offenlegungsschrift 2 350 957 beschrieben. Kennzeichnend für dieses Verfahren ist, dass sich in einem angemessenen Abstand zu der mit Elektrolyt bedeckten Behälterinnenwand eine der Innenwand in der Formgebung angepasste Kathode, deren wirksame Gesamtfläche kleiner als die Innenwand des Behäls

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ters ist, langsam bewegt und unter der Einwirkung des elektrischen Stromes die anodisch geschaltete Innenwand elektropoliert wird.

Es ist weiterhin aus der USA-Patentschrift Nr. 3 616 341 bekannt, die Innenwand eines horizontal gelagerten zylindrischen Behälters unter Verwendung einer Pendelkathode zu elektropolieren. Im Gegensatz zur Arbeitsweise mit der Drehkathode, wobei die Kathode sich bewegt und der Behälter stillsteht, sieht der Einsatz einer Pendelkathode eine Rotation des mit Elektrolyt gefüllten Behälters um die Pendelkathode vor, wobei letztere feststeht.

Es wurde festgestellt, dass das zonenweise Elektropolieren nach herkömmlicher Arbeitsweise hinsichtlich des Erreichens eines einheitlichen Oberflächenglanzes über die gesamte zu polierende Fläche unbefriedigend ist, wenn die Kathode nur aus einem den Strom leitenden Metall besteht. Wird nämlich einer grossen Anodenfläche, wie z. B. die einer Behälterwand, eine Kathode mit einer im Verhältnis zur Anode kleinen Fläche gegenübergestellt, so wird der zugeführte Strom über einen grossen Flächenbereich gestreut. Das bedeutet, dass die anodische Stromdichteverteilung nicht der ihr gegenüberliegenden Kathodenstromdichteverteilung entspricht. Betrachtet man beim Elektropolieren den Glänzbereich in Abhängigkeit von der Stromdichte, so ist festzustellen, dass eine ausreichende Politur nur in Stromdichtebereichen von mindestens etwa 5 A/dm2 erzielt word. Wird diese Stromdichte wesentlich unterschritten, so bleibt nicht nur die Politur aus, sondern es tritt eine Anätzung und Mattierung der Anodenoberfläche ein.

In der Praxis wurde beispielsweise beim zonenweisen Elektropolieren der Innenwand eines metallischen Grossraumbehälters festgestellt, dass die der Kathode genau gegenüberstehende Anodenfläche elektrolytisch hochglänzend poliert wird, während die übrige Anodenfläche, insbesondere in den an die Kathodenfläche angrenzenden Bereichen, aufgrund der zu geringen Stromdichte angeätzt und mattiert wird. Weiterhin wurde in dem Masse, wie die Kathode über die Anodenfläche bewegt wurde, der bereits polierte Anodenflächenanteil nachträglich wieder geätzt und mattiert.

Es wurde nunmehr gefunden, dass vorgenannter unerwünschter Ätzeffekt vermieden werden kann, wenn man den von der Kathode ausgehenden Stromfluss auf den der Kathode unmittelbar gegenüberliegenden Anodenflächenanteil begrenzt, so dass die Stromlinien zwischen Kathode und Anode nur den kürzesten Weg zurücklegen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum zonenwei-sen Elektropolieren von elektrisch leitfähigen, metallischen inneren Oberflächen grossräumiger Behälter durch Erzeugen und Aufrechterhalten eines Stromflusses in einer als Elektrolyt dienenden Badflüssigkeit, von welcher die an die Anode einer Gleichstromquelle angeschlossene metallische Oberfläche ganz oder teilweise bedeckt wird und in welche eine an die Kathode der Gleichstromquelle angeschlossene Metallelektrode vollkommen eintaucht, wobei die Metallelektrode sich in einem geringen Abstand zur inneren Oberfläche des Behälters befindet und die Oberfläche des Behälters sowie die Metallelektrode sich in einem relativen, langsamen Bewegungszustand zueinander befinden, derart, dass die Metallelektrode stillsteht und die Oberfläche des Behälters sich langsam um die Längsachse der Metallelektrode dreht bzw. die Oberfläche des Behälters fixiert ist und die Metallelektrode die Oberfläche des Behälters überstreicht, welches dadurch gekennzeichnet ist,

dass der während des Elektropolierprozesses von dem zu polierenden Oberflächenteil abgewandte Teil der kathodischen Metallelektrode mit Hilfe eines elektrisch nicht leitenden Materials abgeschirmt wird, so dass die Stromlinien zwischen kathodischer Metallelektrode und anodischer Oberfläche gebündelt werden und den kürzesten Weg von der Kathode zur Anode zurücklegen.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Abschirmung der kathodischen Metallelektrode aus Stoffen, die den elektrischen Strom nicht leiten und säure- und temperaturbeständig sind, wie z. B. Kunststoffe in Form von Polypropylen oder Polyvinylchlorid.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die kathodische Metallelektrode von der zu polierenden Oberfläche in einem Abstand von 1 bis 50 cm, insbesondere 5-15 cm, anzuordnen. Unter dem Einfluss der Kathodenabschirmung kann an der der Kathode gegenüberliegenden anodischen Oberfläche etwa die gleiche Stromdichte von 5 bis 50 A/dm2 erzielt werden wie an der Kathodenfläche.

Der Unterschied in der Wirkungsweise einer nach dem erfindungsgemässen Verfahren abgeschirmten kathodischen Metallelektrode gegenüber einer herkömmlichen nicht abgeschirmten Kathode wurde durch Messung der jeweiligen Stromdichteverteilung an der Anodenfläche ermittelt. Zu diesem Zweck wurde die Anodenfläche in einzelne Segmente aufgeteilt, wobei die Segmente über definierte Widerstände miteinander verbunden waren. Der grossen Anodenfläche stand eine im Verhältnis dazu kleine Kathodenfläche gegenüber, wie sie in der Praxis beim Elektropolieren von grossräumigen Behältern vorliegt. Der Stromfluss durch die einzelnen Anodensegmente wurde durch den Spannungsabfall an den geeichten Widerständen gemessen. Es wurde gefunden, dass sich bei der genannten Abschirmung der Kathode das Stromdichtemaximum an der der Kathode unmittelbar gegenüberliegenden Anodenfläche deutlich erhöht und der Einfluss der Streuströme in benachbarten Anodenflächenbereichen erheblich verringert wird. Der erhaltene Befund wird in Figur 1 durch die dargestellten Kurvenläufe A und B veranschaulicht, wobei die Kurve A die mit einer nichtabgeschirmten Kathode und Kurve B die mit einer abgeschirmten Kathode erhaltenen Messergebnisse demonstriert. Die der zu polierenden Anodenfläche zugewandte Kathodenfläche besass eine Grösse von 10 dm2, während die gesamte Anodenfläche, entsprechend der inneren Oberfläche eines Behälters, eine Grösse von 40 dm2 aufwies.

In der Praxis wirken sich die in der vorstehend beschriebenen Messanordnung erzielten Ergebnisse derart aus, dass beispielsweise beim zonenweisen Elektropolieren der inneren, metallischen Oberfläche grossräumiger Behälter ein gleichmäs-siger Hochglanz auf der gesamten Oberfläche erzielt wird und eine Streifenbildung mit vermindertem Glanz oder Mattigkeit vermieden wird.

Das erfindungsgemässe Verfahren beschränkt sich ausschliesslich auf die Massnahme der Kathodenabschirmung, während weitere Einzelheiten und Massnahmen zur Durchführung des Elektropolierverfahrens, wie z. B. Stromdichte, Temperatur oder Badzusammensetzung als bekannt unterstellt werden. Es versteht sich, dass nach dem Verfahren der Erfindung sämtliche bekannten Kathodenformen, wie Pendelkathode, Drehkathode, Wanderkathode und dergleichen abgeschirmt werden können, wobei die Kathodenabschirmung der jeweiligen Kathodenform angepasst wird.

Zur näheren Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens dienen die Figuren 2 und 3, wobei Figur 2 einen Längsschnitt eines horizontal gelagerten zylindrischen Behälters mit einer im Behälter angeordneten Kathode und Kathodenhalte-rung und Figur 3 einen Querschnitt der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung zeigt.

Im einzelnen zeigt Figur 2 einen auf Rollen (1) und (2) horizontal und drehbar gelagerten, zylindischen Behälter (3) mit den Behälteröffnungen (4) und (5), dessen Behälterwand an die Anode (6) einer nicht dargestellten Gleichstromquelle angeschlossen ist. Innerhalb des Behälters (3) ist in geringem Abstand und parallel zur Behälterwand die netzförmige und aus Kupferstreckmetall bestehende Elektrode (7) angeordnet,

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welche über die ebenfalls aus Kupfer bestehende Elektroden-halterung (8) an die Kathode der Gleichstromquelle angeschlossen ist. Die dem zu polierenden Flächenteil der Innenwand des Behälters (3) gegenüberstehende Elektrode (7) ist von der Elektrodenabschirmung (9) so ummantelt, dass die Stromlinien zwischen kathodischer Metallelektrode und anodischer Oberfläche gebündelt werden und nur den kürzesten Weg von der Kathode zur Anode zurücklegen können. Der Flüssigkeitsspiegel der Badflüssigkeit wird durch die Niveaulinie (10) angezeigt. Während des Elektropolierens wird der Behälter (2) langsam um seine Längsachse gedreht, während die Elektrode (7) stillsteht.

Figur 3 bedarf keiner näheren Erläuterung, da den Bezugs-

1. Elektrolytmenge im Behälter:

2. Art des Elektrolyten:

Entsprechend der Grösse der Oberfläche der Behälterinnenwand von 120 m2, der wirksamen Oberfläche der kathodischen Elektrode von 1,6 m2 und des Rauhigkeitszustandes der zu polierenden Oberfläche wurde eine Expositionszeit von 36 Minuten festgelegt. Hieraus errechnet sich eine Gesamtpolierzeit von

120 m2 X 36 min. .

2700 mm. oder ~ 45 Stunden

1,6 m2

Während des Polierprozesses wurde der Elektrolyt weder umgepumpt noch gefiltert oder ergänzt.

Die Rauhigkeitsmessungen an der nach vorbeschriebener Verfahrensweise behandelten Behäterinnenwand ergaben folgende Ergebnisse:

vor der Politur nach der Politur

Rauhtiefe (Rt) 5 -8 um 1 —3 [im Arithmetischer

Mittenrauhwert (Ra) 0,7—1,5 |xm 0,2—0,5 |xm

Glättungstiefe (Rp) >1—<3 [im 1< [im zeichen die gleiche Bedeutung wie den entsprechenden Bezugszeichen zu Figur 2 zukommt.

Beispiel 1

s Es wurde der in Figuren 2 und 3 dargestellte Behälter mit der im Behälter angeordneten abgeschirmten Pendelkathode zonenweise elektropoliert. Der Behälter besass ein Volumen von 100 m3 und war aus plattierten Blechen gefertigt, wobei die Plattierung aus Chromnickelstahl mit der Werkstoff -lo Nr. 1.4404 nach DIN bestand. Als Gleichstromquelle diente ein Gleichrichter, der während des Polierprozesses auf 5 kA bei einer Spannung von 11 Volt eingestellt war. Nachfolgende weitere Kenndaten charakterisieren den Verfahrensablauf:

5000 Liter oder 8,51 Lösung von

53 Gew. % Phosphorsäure (85%ig)

41 Gew. % H2SO4 (98 %ig)

6% Gew.% Wasser

7 cm 1,6 m2

120 m2 31-33 A/dm2

31-33 A/dm2

45-55°C Polypropylen 20 Minuten

Rauhtiefen von 1 [im bedeuten, dass die polierte Oberfläche Spiegelglanz besitzt. Die Begriffe Rauhtiefe, Mittenrauhwert und Glättungstiefe sind in DIN-Vorschrift 4762, Blatt 1, definiert.

Beispiel 2

(Vergleichsbeispiel)

Es wurde analog Beispiel 1 verfahren, wobei jedoch auf eine Abschirmung der kathodischen Elektrode verzichtet wurde. Die Rauhigkeitsmessungen der behandelten Behälterinnenwand ergaben folgende Ergebnisse:

vor der Politur nach der Politur

Rauhtiefe (Rt) 5 -8 pim 3 —5 pim Arithmetischer

Mittenrauhwert (Ra) 0,7—1,5 [im 0,5-0,7 [im

Glättungstiefe (Rp) >l-<3 [im >1—<5 [im

3. Abstand zwischen Kathode und Anode (Behälterinnenwand) :

4. Kathodenoberfläche

5. Anodenoberfläche (Fläche der gesamten Behälterinnenwand):

6. Stromdichte an der Kathode:

7. Stromdichte an der der Kathode gegenüberliegenden Anodenfläche

8. Temperatur des Elektrolyten während des Polierens:

9. Material der Kathodenabschirmung: 10. Zeit für 1 Umdrehung des Behälters:

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zum zonenweisen Elektropolieren von elektrisch leitfähigen, metallischen inneren Oberflächen grossräu-miger Behälter durch Erzeugen und Aufrechterhalten eines Stromflusses in einer als Elektrolyt dienenden Badflüssigkeit, von welcher die an die Anode einer Gleichstromquelle angeschlossene metallische Oberfläche ganz oder teilweise bedeckt wird und in welche eine an die Kathode der Gleichstromquelle angeschlossene Metallelektrode vollkommen eintaucht, wobei die Metallelektrode sich in einem geringen Abstand zur inneren Oberfläche des Behälters befindet und die Oberfläche des Behälters sowie die Metallelektrode sich in einem relativen, langsamen Bewegungszustand zueinander befinden, derart, dass die Metallelektrode stillsteht und die Oberfläche des Behälters sich langsam um die Längsachse der Metallelektrode dreht bzw. die Oberfläche des Behälters fixiert ist und die Metallelektrode die Oberfläche des Behälters überstreicht, dadurch gekennzeichnet, dass der während des Elektropolier-prozesses von dem zu polierenden Oberflächenteil abgewandte Teil der kathodischen Metallelektrode mit Hilfe eines elektrisch nicht leitenden Materials abgeschirmt wird, so dass die Stromlinien zwischen kathodischer Metallelektrode und anodischer Oberfläche gebündelt werden und den kürzesten Weg von der Kathode zur Anode zurücklegen.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung der kathodischen Metallelektrode aus den elektrischen Strom nicht leitenden, säure- und temperaturbeständigen Stoffen besteht.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung der kathodischen Metallelektrode aus Kunststoffen besteht.

4. Verfahren nach Patentansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung der kathodischen Metallelektrode aus Polypropylen oder Polyvinylchlorid besteht.

5. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der kathodischen Metallelektrode von der zu polierenden Oberfläche 1 bis 50 cm beträgt.

6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromdichte an der kathodischen Metallelektrode 5 bis 50 A/dm2 und an der gegenüberliegenden anodischen Oberfläche 5 bis 50 A/dm2 beträgt.