DE102017122040A1

DE102017122040A1 - Verfahren zum elektrochemischen Polieren von Werkstücken

Info

Publication number: DE102017122040A1
Application number: DE102017122040.2A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Eoswiss Eng Sarl; Eoswiss Engineering Sarl
Current assignee: Eoswiss Eng Sarl; Eoswiss Engineering Sarl
Priority date: 2017-09-22
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2019-03-28
Also published as: EP3460107A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Polieren von Werkstücken (10), bei dem mindestens ein anodisch gepoltes, metallisches Werkstück (10) in ein elektrolytisches Polierbecken (2) mit einem speziell auf das Material des Werkstücks (10) abgestimmten Elektrolyt gegeben wird, wobei zwischen der Anode (10) und einer vorgesehenen Kathode (3) ein kontrollierter elektrischer Strom angelegt wird, bei dem der Elektrolyt als Leiter fungiert und bewirkt, dass Metallionen vom Werkstück (10) abgetragen werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) während der elektrochemischen Reaktion durch eine in dem Polierbecken erzeugte Wirbelschicht (4) aus Teilchen (40) bewegt wird, die durch einen Fluid- oder Gasstrom (5) fluidisiert werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum elektrochemischen Polieren von Werkstücken gemäß dem Obersatz des Patentanspruchs 1.
Stand der Technik
Verfahren zum elektrochemischen Polieren sind aus dem Stand der Technik bereist hinreichend bekannt. Hierbei werden anodisch gepolte, metallische Werkstücke in ein elektrolytisches Polierbecken mit einem speziell auf das Material des Werkstücks abgestimmten Elektrolyt gegeben, wobei zwischen der Anode (dem Werkstück) und einer vorgesehenen Kathode (z. B. ein Stahlbleich oder elektrisch leitfähige Netze) ein kontrollierter elektrischer Strom angelegt wird, bei dem der Elektrolyt als Leiter fungiert und bewirkt, dass Metallionen vom Werkstück abgetragen werden.
Da die elektrische Feldstärke an vorstehenden Spitzen höher ist als auf flachen Oberflächen, werden bevorzugt Spitzen abgetragen. Dadurch wird die metallische Oberfläche über die Zeit immer glatter. Der Elektrolyt kann dabei flüssig (z.B. eine wässrige Lösung einer Säure) oder fest sein (z.B. ein Polymerelektrolyt, ein Gelelektrolyt oder ein flüssiger Elektrolyt auf einem inerten Träger).
Oft kommt es vor, dass sich Reaktionsprodukte aus den herausgelösten Ionen und den Ionen im Elektrolyten bilden. Schlagen sich diese Produkte an der Anode nieder, kommt es zu einer Hemmung bzw. einer Verlangsamung der elektrochemischen Reaktion, weil die Ionen nicht mehr abtransportiert werden und daher keine neue metallische Oberfläche zur Verfügung steht.
Darstellung der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zu schaffen, welche die vorgenannten Probleme ausräumt und welches geeignet ist, diese vorgenannten anhaftenden Reaktionsprodukte mechanisch zu entfernen und dadurch die Schnelligkeit der elektrochemischen Reaktion zu verbessern bzw. erst zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück während der elektrochemischen Reaktion durch eine in dem Polierbecken erzeugte Wirbelschicht aus Teilchen bewegt wird, die durch einen Fluid- oder Gasstrom fluidisiert werden, wobei die Teilchen bevorzugt elektrochemisch inerte Teilchen sind.
Als Wirbelschicht (auch Wirbelbett bezeichnet) wird allgemein eine Schüttung von Teilchen bezeichnet, die durch einen Fluid- oder Gasstrom aufgewirbelt („fluidisiert“) werden.
Ab einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit (sog. Wirbelpunkt) hebt der eingebrachte Fluid- oder Gasstrom die Teilchen in der Schüttung an. Es entsteht eine Wirbelschicht.
Die Konzentration der Teilchen ändert sich dabei am Wirbelpunkt stufenartig; die Anzahl der Teilchen pro Volumselement ist gleich der Dichte der Teilchen im Volumen. Unterhalb der kritischen Geschwindigkeit bleibt die Dichte konstant und entspricht der Dichte der Schüttung der vorzugsweise inerten Teilchen.
In einer solchen Schüttung wären Werkstücke jedoch nur schwerbewegbar, da die Schüttung einen hohen Widerstand entgegensetzt. Oberhalb der kritischen Geschwindigkeit am Wirbelpunkt sinkt die Dichte ab, da das Bett mit der schnellen Strömung expandiert. Je höher der Volumenstrom ist, desto geringer wird die Teilchendichte (Teilchenkonzentration pro Volumen).
Eine Wirbelschicht wird in der Verfahrenstechnik oft eingesetzt, um die Stoffaustausch zwischen Feststoffteilchen und fluider Phase (Flüssigkeit oder Gas) zu verbessern. Dieser Stoffaustausch wird dadurch verbessert, da es zu sehr guten Durchmischung der beiden Phasen kommt.
Um eine abtragende Wirkung auf der Oberfläche eines zu polierenden Werkstückes zu erzielen, genügt eine normale expandierte Wirbelschicht allerdings nicht, da kein ausreichend schneller Abtrag entsteht.
Es wurde überraschenderweise gefunden, dass eine abtragende Wirkung in einem engen Konzentrationsbereich um den Wirbelpunkt gefunden wird (Strömung bis +20% über dem Wirbelpunkt). Nur dort ist die Teilchendichte groß genug, um bei gleichzeitiger Bewegung des Werkstücks die Oberflächenbeläge effektiv abzutragen.
Mit einem vorzugsweise regelbaren Zufluss zum Elektrolysebecken (Polierbecken) können die Bedingungen in der Wirbelschicht genau eingestellt werden.
Auch bei einem Wechsel der Teilchensorte (z.B. von schweren Keramikteilchen auf leichtere Polymerteilchen) kann sehr schnell der äquivalenten Wirbelschichtzustand (z.B. 10 % Bettexpansion) eingestellt und dann mit den neuen Teilchen unter gleichen Bedingungen der Teilchendichte gearbeitet werden.
Ebenso können Änderungen der Dichte, Viskosität und Temperatur des Elektrolyten durch eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit kompensiert werden. Die Polierbedingungen können so besser konstant gehalten werden.
Für jede eingesetzte Teilchensorte ist außerdem der notwendige Volumenstrom, um den Wirbelpunkt zu erreichen, unterschiedlich und kann mit dem vorliegenden Verfahren leicht reproduzierbar eingestellt werden.
Mit dem vorliegenden Verfahren wird die Pumpleistung vorzugsweise so gesteuert, dass der Fluidisierungpunkt gerade erreicht wird. Damit können leicht die idealen Bedingungen zum Abtrag einer hemmenden Reaktionsschicht für verschiedene Teilchensorten, verschiedene Schütthöhen der Teilchen und verschiedene Viskositäten des Elektrolyten, eingestellt werden.
Kurzbeschreibung eines praktischen Ausführungsbeispiels
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von der Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
In einer Elektropolierzelle ist das Werkstück (z. B. ein Gussteil aus Gold) als Anode geschaltet. Als Kathode dient ein Stahlblech. Der Elektrolyt ist eine wässrige Lösung eines Salzes (z.B. 15 Gewichts-% NH4SCH in Wasser).
Nach dem Anlegen einer Spannung (z.B. 5V) wird die Goldoberfläche am Werkstück oxidiert und es lösen sich Gold Ionen. Diese Gold-Ionen gehen eine chemische Verbindung mit dem SCN-Ion ein und bilden einen dunklen Belag an der Oberfläche des Werkstücks. Dieser Belag muss entfernt werden, da er die elektrochemische Reaktion zum Erliegen bringt und damit die Glättung der Oberfläche stoppt.
In dem Polierbecken (Elektrolysezelle) findet sich eine Schüttung von Teilchen (z.B. eine Schüttung von Glaskugeln mit vorzugsweise 2 mm Durchmesser), die auf einem Netz ruht (Maschenweite muss dabei kleiner als der Teilchendurchmesser sein). Das Werkstück befindet sich in der Mitte dieser Schüttung.
In der normalen Schüttung kann das Werkstück kaum bewegt werden, da die Bewegung stark von der Last der Teilchenschüttung behindert wird. Wird von unten Flüssigkeit eingepumpt, wird die Schüttung ab einer bestimmten Geschwindigkeit angehoben und expandiert dabei. Das ist der so genannte Wirbelpunkt. Am einfachsten visualisiert man den Wirbelpunkt durch einen eingestochenen Stab in der Schüttung, der beim Wirbelpunkt zur Seite kippt, da hier die Dichte der Schüttung plötzlich absinkt.
Genau an diesem Wirbelpunkt herrschen die besten Bedingungen um durch die Bewegung des Werkstücks den Oberflächenbelag zu entfernen. Das Werkstück ist gut bewegbar da die Schüttdichte am Wirbelpunkt deutlich tiefer liegt.
Mit der Kontrolle der Flussrate kann außerdem die Teilchenkonzentration pro Volumen sehr präzise eingestellt werden. Je höher die Flussrate, desto mehr expandiert die Wirbelschicht und desto kleiner wird die Teilchenkonzentration bzw. Teilchendichte.
Mit dem Wirbelpunkt als Referenzpunkt (bzw. der zugehörigen kritischen Volumenstroms der Einrichtung zur Erzeugung eines Fluid- oder Gasstroms) können auch mit verschiedenen Teilchensorten leicht die gleichen Teilchendichten eingestellt werden.
Auch kann bei einem Wechsel der Teilchensorte (z.B. von abrasiven Polierkörpern mit 5 mm Durchmesser zu Feinpolierkugeln von 1 mm Durchmesser) sehr schnell der optimalen Polierpunkt mit einer äquivalenten Teilchenkonzentration gefunden werden.
Durch diese Möglichkeit der schnellen Anpassung wird die gesamte Effizienz und Qualität erhöht und die Abtragsleistung pro Zeit verbessert. Darüber hinaus können auch abrasive Teilchen als elektrochemisch inerte Teilchen einsetzen und so den Abtrag unterstützt werden.
Figurenliste
In der Zeichnung zeigt

1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in der Seitenansicht, teilweise aufgebrochen.

Ausführung der Vorrichtung
Wie aus 1 ersichtlich, besteht die Vorrichtung 1 zum elektrochemischen Polieren in der Wirbelschicht 4 vorzugsweise aus mindestens zwei Becken (2, 20) und deren Verbindung durch Leitungen und mindestens einer Einrichtung zur Erzeugung eines Fluid- oder Gasstroms (bspw. eine Pumpe 6). Im Polierbecken 2 finden der elektrochemische Vorgang und die Erzeugung der Wirbelschicht 4 statt. Das zweite Becken 20 ist als Beruhigungsbecken ausgebildet, von dem aus der Elektrolyt wieder in das elektrochemische Reservoir gepumpt wird. Dort werden die elektrochemisch inerten Teilchen durch die Strömung gerade angehoben („fluidisiert“).
Das Werkstück 10 (Anode) wird in der Wirbelschicht 4 bewegt. Durch die Fluidisierung der Teilchen 40 erfordert die Bewegung des Werkstücks keine großen Kräfte, trotzdem werden blockierende Oberflächenschichten auf dem Werkstück, abgetragen.
Im Polierbecken 2 erfolgt die Aufhängung für Kathode 3 und Anode 10, wobei die Anode 10, also das Werkstück 10, bewegt werden kann. Das Werkstück 10 befindet sich in einer Schüttung von elektrochemisch inerten Teilchen (z.B. Glaskugeln mit 2mm Durchmesser). Diese Schüttung ruht auf einem Netz mit einer Maschenweite, so dass keine Kugeln in den unteren Raum 21 rutschen. Der untere Raum 21 ist mit der Pumpe 6 verbunden. Der Abfluss des Polierbeckens 2 ist mit dem Beruhigungsbecken 20 verbunden. Um Teilchen 40 zurückzuhalten, ist der Ausfluss mit einem Gitter 7 versehen.
In diesem Beruhigungsbecken 20 beruhigt sich der umgepumpte Elektrolyt. Es kann Schaum abgebaut werden und Luftblasen können entweichen. Eventuell mitgerissene Teilchen 40 können sich absetzen. Der Elektrolyt kann dort vorzugsweise auch temperiert werden.
Vom Beruhigungsbecken 20 wird über eine Schlauchleitung Elektrolyt zurück zum Elektrolysebecken (Polierbecken 2) gepumpt. Der Volumenstrom wird dabei so geregelt (regelbare Pumpe 6 oder z.B. Bypass), dass die Teilchen in der Schüttung gerade angehoben werden und dadurch die Wirbelschicht 4 bilden. Durch weitere Variationen des Volumenstroms kann die Teilchendichte der Wirbelschicht 4 genau eingestellt werden. Je höher die Strömung, desto mehr expandiert die Wirbelschicht 4 und desto tiefer ist die Teilchendichte.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsformen. Vielmehr sind eine Vielzahl von Ausgestaltungsvariationen denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteter Ausführung Gebrauch machen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Polierbecken
3: Kathode
4: Wirbelschicht
5: Fluid- oder Gasstrom
6: Einrichtung zur Erzeugung eines Fluid- oder Gasstroms / Pumpe
7: Gitter
8: Leitung (Schläuche)
10: Werkstück
20: Beruhigungsbecken
21: unterer Raum
40: Teilchen

Claims

Verfahren zum elektrochemischen Polieren von Werkstücken (10), bei dem mindestens ein anodisch gepoltes, metallisches Werkstück (10) in ein elektrolytisches Polierbecken (2) mit einem speziell auf das Material des Werkstücks (10) abgestimmten Elektrolyt gegeben wird, wobei zwischen der Anode (10) und einer vorgesehenen Kathode (3) ein kontrollierter elektrischer Strom angelegt wird, bei dem der Elektrolyt als Leiter fungiert und bewirkt, dass Metallionen vom Werkstück (10) abgetragen werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) während der elektrochemischen Reaktion durch eine in dem Polierbecken erzeugte Wirbelschicht (4) aus Teilchen (40) bewegt wird, die durch einen Fluid- oder Gasstrom (5) fluidisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (40) elektrochemisch inerte Teilchen (40) sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Polierbeckens (2) eine Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird, welche in einem engen Konzentrationsbereich um den Wirbelpunkt liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit bis maximal 20% über dem Wirbelpunkt angehoben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bedingungen in der Wirbelschicht (4) mittels eines regelbaren Fluid- oder Gasstroms (5) genau eingestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassung der Bedingungen in der Wirbelschicht (4) durch a) den Wechsel der Teilchensorte, b) die Dichte des Elektrolyten, c) dessen Viskositär, d) Änderung der Temperatur und/oder e) Änderungen der Flussrate erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistung so eingestellt ist, dass der Fluidisierungpunkt gerade erreicht wird, um somit die idealen Bedingungen zum Abtrag einer hemmenden Reaktionsschicht für verschiedene Teilchensorten, verschiedene Schütthöhen der Teilchen (40) und verschiedene Viskositäten des Elektrolyten, einzustellen.
Vorrichtung (1) zum elektrochemischen Polieren von Werkstücken gemäß dem Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, umfassend mindestens ein Polierbecken (2), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einrichtung (6) zur Erzeugung eines Fluid- oder Gasstroms (5) vorgesehen ist, welche in dem mindestens einen Polierbecken (2) eine Wirbelschicht (4) aus Teilchen (40) erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Beruhigungsbecken (20) umfasst, von dem aus der Elektrolyt in das Polierbecken (2) gefördert wird.