DE102004003412A1 - Process for high rate electrodeposition on metals and substrates by a pulsed stream technique to avoid dendritic crystal growth useful for corrosion protection of components in the automobile industry - Google Patents

Process for high rate electrodeposition on metals and substrates by a pulsed stream technique to avoid dendritic crystal growth useful for corrosion protection of components in the automobile industry Download PDF

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Abstract

Process for high rate electrodeposition on metals and substrates by a pulsed stream (technique) to avoid dendritic crystal growth using cathodic and anodic current pulses (12,14) at cathodic and anodic pulse times -\60 milliseconds.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur galvanischen Hochgeschwindigkeitsabscheidung von Metallen nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs. Speziell betrifft die Erfindung ein solches Verfahren unter Verwendung der Pulsstromtechnik.The This invention relates generally to a process for high speed galvanic deposition of Metals according to the preamble of the independent claim. specially The invention relates to such a method using the Pulsed power technology.

Das Abscheiden von Metallen auf Substraten und dabei insbesondere die Verzinkung von Bauteilen wird in der konventionellen Galvanik überwiegend als Gestellware oder Trommelware durchgeführt. Durch die unspezifischen Strömungsbedingungen und elektrochemischen Gegebenheiten kann die Beschichtung nur langsam, d.h., mit niedrigen Stromdichten durchgeführt werden. Beim Verzinken ist es aber theoretisch möglich, mit sehr hohen Stromdichten unter entsprechender Anpassung des Elektrolyten bzw. der Prozessbedingungen die Geschwindigkeit der Abscheidung extrem zu erhöhen. Im Vergleich zu einem konventionellen galvanischen Abscheidungsprozess kann so die Abscheidegeschwindigkeit von ca. 1 μm/min auf über 1 μm/s gesteigert werden.The Depositing metals on substrates and in particular the Galvanizing of components is predominant in conventional electroplating as rack or drum product performed. By the unspecific flow conditions and electrochemical conditions, the coating may be slow, that is, with low current densities. When galvanizing but is it theoretically possible with very high current densities with appropriate adjustment of the electrolyte or the process conditions the speed of deposition to increase extremely. Compared to a conventional galvanic deposition process Thus, the deposition rate of about 1 micron / min can be increased to over 1 micron / s.

Mit der Steigerung der Stromdichte sind jedoch einige Probleme verbunden, u.a. das Auftreten von dendritischem Kristallwachstum an lokalen Stromdichtespitzen. Das dendritische Kristallwachstum verringert die Stromausbeute des Beschichtungsprozesses und erfordert die Entfernung der Dendriten.With however, there are some problems with increasing the current density et al the occurrence of dendritic crystal growth at local current density peaks. The dendritic crystal growth reduces the current efficiency of the Coating process and requires the removal of the dendrites.

Werden einfache Beschichtungsgeometrien eingesetzt, wie z.B. bei der Bandverzinkung, treten die Dendriten in den Randbereichen der Bänder auf und können durch einfaches Abschneiden der Ränder entfernt werden. Kommen jedoch komplizierte Geometrien zum Einsatz, wie z.B. Bremsenteile, ist ein Entfernen der Dendriten nicht wirtschaftlich und nicht prozesssicher durchführbar.Become simple coating geometries are used, such as at the strip galvanizing, The dendrites occur in the edge areas of the bands and can through easy cutting of the edges be removed. But if complicated geometries are used, such as. Brake parts, removal of the dendrites is not economical and not process-safe feasible.

Durch den möglichen Einsatz von Additiven zum Elektrolyten kann das Auftreten von Dendriten in Abhängigkeit von Stromdichte, Bauteilgeometrie und Strömungsbedingungen verhindert werden. Bei der Hochgeschwindigkeitsabscheidung erscheint deren Einsatz jedoch aufgrund der begrenzten Wirksamkeit bzw. des Aufwandes zur Nachdosierung und Prozesskontrolle unwirtschaftlich.By the possible Use of additives to the electrolyte can cause the appearance of dendrites dependent on of current density, component geometry and flow conditions prevented become. In the high-speed separation their use appears However, due to the limited effectiveness or the effort to Post-dosing and process control uneconomical.

Die US 6,402,924 B1 beschreibt ein programmiertes galvanisches Pulsverfahren, bei dem das Verhältnis von anodischer und kathodischer Stromdichte laufend variiert wird, um das Oberflächenaussehen, die Kornstruktur und die Nivellierung der abgeschiedenen Metallschicht zu verbessern. Auf diese Weise wird eine gleichförmige Metallverteilung auf dem Substrat gewährleistet, wenn bei hohen Stromdichten abgeschieden wird. Bei diesem Verfahren werden Stromdichten zwischen 5 und 200 ASF (entspricht 0,54 und 21,52 A/dm2) verwendet. Die Pulszeiten für die „Vorwärts"-Strompulse (forward puls time) liegen dabei zwischen 1 und 50 Millisekunden, die für die „Rückwärts"-Strompulse (reverse pulse time) im Bereich von 0,1 bis 4 Millisekunden. Eine Vermeidung von dendritischem Kristallwachstum wird in dieser Druckschrift an keiner Stelle erwähnt.The US 6,402,924 B1 describes a programmed galvanic pulse method in which the ratio of anodic and cathodic current density is continuously varied to improve the surface appearance, grain structure and leveling of the deposited metal layer. In this way, a uniform metal distribution on the substrate is ensured when deposited at high current densities. Current densities between 5 and 200 ASF (equivalent to 0.54 and 21.52 A / dm 2 ) are used in this process. The pulse times for the "forward" pulse pulses (forward pulse time) are between 1 and 50 milliseconds, those for the "reverse" pulse pulses (reverse pulse time) in the range of 0.1 to 4 milliseconds. An avoidance of dendritic crystal growth is not mentioned anywhere in this document.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren zur galvanischen Hochgeschwindigkeits-Abscheidung von Metallen zur Verfügung zu stellen, die ein dendritisches Kristallwachstum verhindert.aim It is therefore the object of the present invention to overcome the disadvantages of the prior art to avoid the technique and a process for galvanic high-speed deposition of metals available to provide a dendritic crystal growth prevents.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Das erfindungsgemäße Verfahren zur galvanischen Hochgeschwindigkeits-Abscheidung von Metallen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass ein dendritisches Kristallwachstum, das die Stromausbeute des Beschichtungsprozesses deutlich verringert, vermieden werden kann.The inventive method for high-speed galvanic deposition of metals across from the prior art has the advantage that a dendritic crystal growth, that significantly reduces the current efficiency of the coating process, can be avoided.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Einstellung der gewünschten Metallschichtdicke auf einfachem Wege erreicht werden kann.Farther is advantageous that the adjustment by the inventive method the desired Metal layer thickness can be achieved in a simple way.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.advantageous Further developments of the invention will become apparent from the mentioned in the dependent claims Activities.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenembodiments The invention is illustrated in the drawings and in the following Description closer explained. Show it

1 schematisch die von einem Pulsgleichrichter erzeugten kathodischen und anodischen Strompulse; und 1 schematically the cathodic and anodic current pulses generated by a pulse rectifier; and

2 schematisch ein für das erfindungsgemäße Verfahren typisches Pulsmuster. 2 schematically a typical for the inventive method pulse pattern.

Ausführungsbeispieleembodiments

Kern der Erfindung ist ein Verfahren zur galvanischen Hochgeschwindigkeitsabscheidung (HGA) von Metallen basierend auf Pulsstromtechnik. Insbesondere kann dieses Verfahren auf die Verzinkung von Substratoberflächen angewandt werden.The core of the invention is a process for high-speed galvanic deposition (HGA) of metals based on pulse current technology. In particular, this method can be applied to the Verzin kung of substrate surfaces are applied.

Mit der genauen Kombination von Parametern, die ein Pulsmuster definieren, ist die Vermeidung des dendritischen Wachstums bei der Zink-HGA ohne Einsatz von Additiven möglich. Damit sind schnelle, kostengünstige Beschichtungsprozesse für unterschiedlichste Beschichtungsgeometrien prozesssicher realisierbar.With the exact combination of parameters that define a pulse pattern, is the avoidance of dendritic growth in the zinc HGA possible without the use of additives. This is fast, cost effective Coating processes for Various coating geometries can be realized reliably.

Hieraus ergibt sich bspw. der Vorteil, dass durch die Steigerung der Abscheidegeschwindigkeit kürzere Prozesszeiten sowie eine kompaktere Anlagentechnik und damit zusätzliche Kostenersparnis erzielt werden können. Des weiteren wird damit die Voraussetzung für eine mögliche Integration des Beschichtungsprozesses in eine Fertigungslinie erfüllt, was im Hinblick auf Fertigungsfluss und -flexibilität, Lagerhaltung, Logistikkosten etc. weiteres Kosteneinsparungspotenzial bietet. Aufgrund der weiten Verbreitung von Zink-Beschichtungen als Korrosionsschutz für Stahl und Gussteile liegt somit in dieser Technologie ein deutliches Potenzial zur Kosteneinsparung gegenüber konventionellen Beschichtungsprozessen.From this results, for example, the advantage that by increasing the deposition speed shorter process times as well as a more compact system technology and thus additional Cost savings can be achieved. Furthermore, this is the prerequisite for a possible integration of the coating process fulfilled in a production line, what in terms of production flow and flexibility, warehousing, logistics costs etc. offers further cost saving potential. Due to the wide distribution of zinc coatings as corrosion protection for Steel and castings is thus clearly in this technology Potential for cost savings compared to conventional coating processes.

Um die Bildung der Dendriten beim HGA-Prozess zu vermeiden, wird ein Pulsgleichrichter verwendet, der den benötigten Strom für die Abscheidung, wie in 1 gezeigt, nicht nur als Gleichstrom 10 abgeben kann, sondern auch in Form von rechteckigen Pulsen 12, 14 (Stromimpulse). Der Pulsgleichrichter muss in der Lage sein, neben kathodischen Pulsen 12 auch anodische Pulse 14 (umgekehrte rechteckige Stromimpulse, Pulse Reverse-Technik) generieren zu können.In order to avoid the formation of dendrites in the HGA process, a pulse rectifier is used which provides the required current for the deposition, as in 1 shown not only as DC 10 but also in the form of rectangular pulses 12 . 14 (Current pulses). The pulse rectifier must be able to withstand cathodic pulses 12 also anodic pulses 14 To generate (reverse rectangular current pulses, pulse reverse technology).

Die hier angewandte Pulsstromtechnik basiert auf dem Einsatz von definierten Pulsmustern (kathodische bzw. anodische Stromphasen). Während in der kathodischen Phase Zink abgeschieden wird, wird während der anodischen Phase zuvor abgeschiedenes Zink, und hier in erster Linie die Keimstellen des Dendritenwachstums, aufgelöst. Auch durch die anodischen Phasen wird zuvor abgeschiedenes Zink wieder aufgelöst, jedoch hauptsächlich die abgeschiedenen Schichten an den exponierten Stellen (Bereiche mit sehr hoher Stromdichte) der Bauteile mit komplizierter Geometrie, und weniger in den anderen Bereichen, die abgeschirmt sind, bspw. Ecken und/oder Löcher (Bereiche mit relativ geringer Stromdichte). Genau das Gegenteil geschieht bei den kathodischen Pulsen, bei denen an den exponierten Bereichen allmählich Dendriten entstehen. Die Verwendung einer Kombination von kathodischen und anodischen Pulsen bringt somit eine Einebnung der Oberfläche mit sich.The Pulse-current technology used here is based on the use of defined Pulse patterns (cathodic or anodic current phases). While in The cathodic phase of zinc is deposited during the Anodic phase previously deposited zinc, and here in the first place the germinal sites of dendritic growth, dissolved. Also by the anodic Phases, previously deposited zinc is redissolved, however mainly the deposited layers at the exposed sites (areas with very high current density) of the components with complicated geometry, and less in the other areas that are shielded, for example, corners and / or holes (Areas with relatively low current density). Exactly the opposite happens at the cathodic pulses, at those at the exposed Areas gradually Dendrites arise. The use of a combination of cathodic and anodic pulses thus brings a leveling of the surface yourself.

Der Einfluss der einzelnen Parameter bei der HGA wurde untersucht. Die zu variierenden Parameter sind demnach die Werte der jeweiligen Strom-Amplituden sowie die Dauer und Häufigkeit der Pulsphasen. Die Stromamplituden (in A) oder Stromwerte sind dabei von der Oberfläche des Bauteils abhängig. Daher wird die Stromdichte angegeben (A/dm2), die von der Oberfläche unanbhängig ist. Die für die vorliegende Erfindung verwendbaren Stromdichten liegen im Bereich von 2 bis 200 A/dm2. Besonders gute Ergebnisse werden im Bereich von 10-70 A/dm2, insbesondere im Bereich von 50-70 A/dm2 erzielt. Die Dauer der Pulsphasen ist im Pulsmuster angegeben (vgl. 2). Die Häufigkeit der Pulsphasen ergibt das gewünschte Tastverhältnis (s. weiter unten).The influence of the individual parameters in the HGA was investigated. The parameters to be varied are accordingly the values of the respective current amplitudes as well as the duration and frequency of the pulse phases. The current amplitudes (in A) or current values depend on the surface of the component. Therefore, the current density is given (A / dm 2 ), which is independent of the surface. The current densities usable for the present invention are in the range of 2 to 200 A / dm 2 . Particularly good results are achieved in the range of 10-70 A / dm 2 , in particular in the range of 50-70 A / dm 2 . The duration of the pulse phases is indicated in the pulse pattern (cf. 2 ). The frequency of the pulse phases gives the desired duty cycle (see below).

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass das Verhältnis von Pulsdauer (im vorliegenden Beispiel anodische Pulse) und Pulspause (im vorliegenden Beispiel kathodische Pulse) einen großen Einfluss hat, insbesondere für das Auftreten bzw. das Vermeiden der Dendritenbildung. Das Verhältnis von Pulsdauer zu Pulspause wird als Tastverhältnis γ bezeichnet und wie folgt berechnet: γ = ton/toff wobei ton die anodische Zeit oder Pulszeit, toff die kathodische Zeit oder Pulspause, Ik die Stromamplitude der kathodischen und Ia die Stromamplitude der anodischen Pulse bezeichnet.The investigations have shown that the ratio of pulse duration (anodic pulses in the present example) and pulse pause (cathodic pulses in the present example) has a great influence, in particular for the occurrence or avoidance of dendritic formation. The ratio of pulse duration to pulse pause is referred to as duty cycle γ and calculated as follows: γ = t on / t off where t on denotes the anodic time or pulse time, t off the cathodic time or pulse pause, I k the current amplitude of the cathodic pulses and I a the current amplitude of the anodic pulses.

2 zeigt schematisch ein für das erfindungsgemäße Verfahren typisches Pulsmuster. Die Pulszeit 15 (ton) beträgt in diesem Beispiel 500 ms und die Pulspause 16 (toff) 100 ms, das Verhältnis ton/toff damit 5:1. Bei diesem Wert werden besonders gute Ergebnisse erzielt, Verhältnisse zwischen 2:1 und 10:1 sind jedoch, abhängig von der Geometrie der Bauteile, ebenfalls möglich. Dieses Verhältnis bleibt während des gesamten Abscheidungsvorganges konstant. Das Pulsmuster wiederholt sich also ständig, so dass im vorliegenden Beispiel auf einen „Vorwärts"-Puls (kathodischer Puls) alle 500 ms ein „Rückwärts"-Puls (anodischer Puls) von 100 ms folgt. Die Amplitude des Stroms ist dabei abhängig von der Bauteilgröße, so dass hier kein genauer Wert angegeben ist. 2 schematically shows a typical for the inventive method pulse pattern. The pulse time 15 (t on ) in this example is 500 ms and the pulse pause 16 (t off ) 100 ms, the ratio t on / t off thus 5: 1. Particularly good results are achieved with this value, however, ratios between 2: 1 and 10: 1 are also possible, depending on the geometry of the components. This ratio remains constant throughout the deposition process. The pulse pattern thus repeats itself continuously, so that in the present example a "forward" pulse (cathodic pulse) is followed by a "backward" pulse (anodic pulse) of 100 ms every 500 ms. The amplitude of the current is dependent on the component size, so that no exact value is given here.

Bei einem konkreten Tastverhältnis γ können verschiedene Schichtdicken und -verteilungen erreicht werden, indem das Verhältnis von anodischem zu kathodischem Strom variiert wird. Je niedriger der anodische Strom ist, desto höher ist die Schichtdicke. Dies gilt bis zu einer bestimmten Grenze, an der wiederum Dendritenbildung auftritt, weil die anodische Phase zu klein im Verhältnis zu der kathodischen Phase ist. Umgekehrt gilt, dass, je niedriger der kathodische Strom ist, die Schichtdicke geringer wird. Auch hier existiert eine Grenze, bei deren Unterschreitung das Bauteil nicht mehr beschichtet wird, und die Oberfläche unbrauchbar wird. Somit ist es bei einem festen Tastverhältnis (d.h., bei festen Zeiten für anodische und kathodische Pulse) möglich, innerhalb der angegebenen Grenzen die anodischen und kathodischen Ströme so aufeinander anzupassen, dass, abhängig von der Geometrie der Bauteile, eine gewünschte Schichtdicke erreicht werden kann.With a specific duty cycle γ, different layer thicknesses and distributions can be achieved by varying the ratio of anodic to cathodic current. The lower the anodic current, the higher the layer thickness. This is true up to a certain limit where again dendrite formation occurs because the anodic phase is too small in relation to the cathodic phase. Conversely, the lower the cathodic current, the smaller the layer thickness. Again, there is a limit below which the component is no longer coated, and the surface is unusable. Thus it is at a fixed duty cycle (ie, at fixed times for anodic and cathodic pulses) possible within the limits specified to adapt the anodic and cathodic currents to each other so that, depending on the geometry of the components, a desired layer thickness can be achieved.

Somit haben die Pulsparameter einen erheblichen Einfluss auf die Bildung der Dendriten sowie auf die Dicke und Verteilung der abgeschiedenen Zinkschicht. Durch diesen erheblichen Einfluss existiert ein sehr enges Parameterfenster, in dessen Rahmen die Bildung der Dendriten vermieden und die erwünschte Zinkschichtdicke erzielt werden kann. Es hat sich gezeigt, dass ein dendritisches Kristallwachstum weitestgehend vermieden werden kann, wenn das Tastverhältnis konstant gehalten wird, d.h., keine Variation des Verhältnisses der Pulszeiten von kathodischen und anodischen Pulsen während des Abscheidungsprozesses vorgenommen wird, und die Pulszeiten der kathodischen und anodischen Strompulse 60 ms und mehr, insbesondere 100 ms und mehr betragen.Consequently the pulse parameters have a considerable influence on the formation the dendrites and the thickness and distribution of the deposited zinc layer. Due to this considerable influence, there is a very narrow parameter window, in the framework of which the formation of dendrites and the desired zinc layer thickness are avoided can be achieved. It has been shown that a dendritic Crystal growth can be largely avoided if the duty cycle constant that is, no variation in the ratio of the pulse times of cathodic and anodic pulses during of the deposition process, and the pulse times of the cathodic and anodic current pulses 60 ms and more, in particular 100 ms and more.

Mit einem definierten Parameterfenster wird somit die sichere Vermeidung des Auftretens von Dendriten bei der Zink-HGA an Bauteilen realisiert und die Einstellung der gewünschten Zinkschichtdicke erreicht. Dabei können Stromdichten im Bereich von 0 bis etwa 200 A/dm2 verwendet werden, wobei der Bereich von etwa 10 bis etwa 70 A/dm2 aufgrund des Fertigungstaktes besonders interessant erscheint. Besonders gute Ergebnisse werden bei Werten zwischen 50 und 70 A/dm2 erzielt.With a defined parameter window, the reliable prevention of the occurrence of dendrites in the zinc HGA is thus realized on components and achieved the setting of the desired zinc layer thickness. In this case, current densities in the range of 0 to about 200 A / dm 2 can be used, wherein the range of about 10 to about 70 A / dm 2 appears particularly interesting due to the production cycle. Particularly good results are achieved at values between 50 and 70 A / dm 2 .

Claims (9)

Verfahren zur galvanischen Hochgeschwindigkeitsabscheidung von Metallen auf Substraten unter Verwendung der Pulsstromtechnik zur Vermeidung von dendritischem Kristallwachstum, wobei abwechselnd kathodische und anodische Strompulse (12, 14) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulszeiten der kathodischen und anodischen Strompulse (12, 14) ≥ 60 Millisekunden betragen.Process for the high-speed galvanic deposition of metals on substrates using pulse current technology to prevent dendritic crystal growth, wherein alternating cathodic and anodic current pulses ( 12 . 14 ), characterized in that the pulse times of the cathodic and anodic current pulses ( 12 . 14 ) ≥ 60 milliseconds. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Pulszeiten von kathodischen und anodischen Pulsen während des gesamten Abscheidungsvorgangs konstant gehalten wird.Method according to claim 1, characterized in that that the ratio the pulse times of cathodic and anodic pulses during the entire deposition process is kept constant. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulszeiten der kathodischen und anodischen Strompulse (12, 14) ≥ 100 ms betragen.Method according to claim 1 or 2, characterized in that the pulse times of the cathodic and anodic current pulses ( 12 . 14 ) ≥ 100 ms. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall Zink verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized that zinc is used as the metal. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromdichte im Bereich von 2 A/dm2 und 200 A/dm2 liegt.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the current density is in the range of 2 A / dm 2 and 200 A / dm 2 . Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromdichte 10-70 A/dm2, insbesondere 50-70 A/dm2 beträgt.A method according to claim 5, characterized in that the current density is 10-70 A / dm 2 , in particular 50-70 A / dm 2 . Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Pulszeiten der kathodischen und anodischen Pulse (12, 14) im Bereich von 2:1 bis 10:1 liegt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the pulse times of the cathodic and anodic pulses ( 12 . 14 ) ranges from 2: 1 to 10: 1. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Pulszeiten 5:1 beträgt.Method according to claim 7, characterized in that that the ratio the pulse times is 5: 1. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Korrosionsschutzbeschichtung von Bauteilen in der Kraftfahrzeugindustrie.Use of the method according to one of the preceding claims for anti-corrosion coating of components in the automotive industry.
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