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
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Abstract
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
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
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
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.
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:
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)
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DE102004003412A DE102004003412A1 (en) | 2004-01-23 | 2004-01-23 | 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 |
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DE102004003412A Withdrawn DE102004003412A1 (en) | 2004-01-23 | 2004-01-23 | 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 |
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2004
- 2004-01-23 DE DE102004003412A patent/DE102004003412A1/en not_active Withdrawn
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |