DE1496746C - Vorrichtung und Verfahren zur Über wachung der Abscheidungsverhaltnisse in Trommelgalvanisieranlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung der Abscheidungsverhältnisse in Trommelgalvanisieranlagen, sowie ein Verfahren unter Verwendung dieser Vorrichtung.

Solche Trommelgalvanisieranlagen werden verwendet, um kleine Gegenstände oder Werkstücke mit galvanischen Überzügen zu versehen. Die Trommel dreht sich in dem Elektrolyten im allgemeinen um eine horizontale Achse. Die Anoden werden in dem Behälter längs der Seiten der Trommel aufgehängt. Wenn sich die Trommel dreht, drehen sich die Werkstücke während eines Teils der Umdrehung mit und fallen dann nach unten. Die Werkstücke verändern während der Umdrehung der Trommel ihre Stellung und Lage relativ zu den Anoden. Verschiedene Teile der Oberfläche der Werkstücke sind von den Anoden abgewendet oder stehen in einem Winkel den Anoden gegenüber. Der Stromweg ändert sich deshalb, und aus diesem Grund ändert sich auch die Stromdichte an verschiedenen Orten der Oberflächen eines bestimmten Werkstückes. Die Stromdichte ist darüber hinaus noch stark von der wirksamen Isolierung der Werkstücke durch andere, näher an den Anoden gelegene Werkstücke abhängig, d. h., in der Mitte der Vorrichtung findet eine »Beschattung« statt, da der Strom vorzugsweise von den Werkstücken und den Werkstücksflächen geleitet wird, die den Anoden am nächsten liegen. Auf diese Weise ist die Stromdichte auf den Werkstücksflächen sehr unterschiedlich, was zu großen Unterschieden in der Stärke des galvanischen Überzuges führen kann, so daß die Galvanisierungsbedingungen gewöhnlich auf der Basis einer relativ niederen Stromdichte berechnet werden, um eine befriedigende Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten.

Es wurden bisher verschiedene Versuchszellen zum Prüfen der Bedingungen in einer Galvanisierungsanlage vorgeschlagen. In der USA.-Patentschrift 2 149 344 ist die bisher am meisten verwendete Einrichtung zum Überprüfen einer Galvanisieranlage beschrieben. Bei dieser Anlage werden die Werkstücke so eingetaucht, daß sie eine ganz bestimmte Stellung relativ zu der Kathode einnehmen. In der USA.-Patentschrift 3 007 861 ist ebenfalls eine Versuchsapparatur beschrieben, die die Bedingungen bei einer Kathodenverschiebung und einer Zirkulation des Bades mit einer in vertikaler Richtung hin- und hergehenden Kathode erfaßt. Mit diesen Versuchsapparaturen ist es jedoch nicht möglich, die Bedingungen, die in der trommeiförmigen Galvanisiervorrichtung auftreten, genau abzubilden. Es ist weiter nicht möglich, mit den bekannten Anordnungen eine leicht zu deutende Versuchsplatte herzustellen.

Ferner ist es bekannt, eine abgewinkelte Kathode aus einem Blechstreifen oder eine gebogene Drahtkathode, die mit einem Schenkel senkrecht zu der Anode gerichtet sind, zur Ermittlung der Deckfähigkeit von Chrombädern zu verwenden. Diese zur Messung der Streukraft angewandten Streifen- oder Drahtkathoden eignen sich nicht zur Messung der Abscheidungsverhältnisse in Trommelgalvanisieranlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Überwachung der Abscheidungsverhältnisse in Trommelgalvanisieranlagen zu schaffen, mit der die Bedingungen in dem zylindrischen Kathodenraum genau überwacht werden können, so daß die optimale Stromdichte und die optimale Zusammensetzung des Elektrolyten bestimmt werden kann. Eine solche Vorrichtung soll wirtschaftlich im Betrieb und wirtschaftlich herzustellen sein.

Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß eine abgewinkelte Kathode im Kathodenraum vorgesehen ist, die um eine parallel zur Winkelkante verlaufende Achse und im seitlichen Abstand von der Anode drehbar angeordnet ist. Diese Kathode ist um ihre vertikale Mittellinie U-förmig gebogen oder

ίο V-förmig gefaltet, so daß sich zwischen den Schenkeln ein Raum bildet, in dem sich die Stromdichte zur Faltlinie hin verringert. Dieses Kathodenblech kann nach Beendigung des Versuches aufgefaltet und mit bekannten Standardmassen verglichen werden. Dadurch ist eine einfache und leichte Beurteilung der Verhältnisse in der Trommelgalvanisieranlage möglich. Um die Bedingungen in der Galvanisieranlage noch besser abbilden zu können, wird ein Behälter verwendet, in dem der Kathodenraum vom Anoden-

ao raum durch eine perforierte Wand getrennt ist. Die' V-förmig gefaltete Kathode wird so aufgehängt, daß sie um eine Achse, die mit der Faltlinie zusammenfällt oder die parallel zu dieser verläuft, gedreht werden kann. Durch Veränderung des Abstandes zwisehen den. beiden Schenkeln kann eine Veränderung des Stromdichtemusters bewirkt werden.

Vorzugsweise wird der Behälter aus einem transparenten Kunststoff hergestellt, um die visuelle Betrachtung des Vorgangs in der Zelle zu erleichtern.

Der Behälter ist dabei so dimensioniert, daß er eine ganz bestimmte Elektrolytmenge aufnimmt, die zweckmäßigerweise so gewählt wird, daß eine leichte Interpolation der Mengen verschiedener Zusätze, wie z. B. Glanzmittel, Säuren und Alkalien, möglich ist.

Beste Ergebnisse werden mit der vorzugsweisen Ausführungsform des Kathodenraums als zylindrischem Raum mit kreisförmigem Querschnitt erreicht.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Versuchszelle nach dieser Erfindung, wobei die Befestigung teilweise dargestellt ist;

Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig.l;

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 2;

F i g. 4 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 4-4 inFig.2;

Fig.5 zeigt eine Seitenansicht einer anderen Vorrichtung nach der Erfindung, wobei ein Teil der Zellwandung ausgeschnitten ist, um die abgeänderte Ausführung der Welle und der Kathode darzustellen; F i g. 6 zeigt einen Schnitt längs der Linie 6-6 in

F ig. 5;

F i g. 7 zeigt eine Ansicht einer Versuchskathodenplatte nach der Erfindung, wobei die Beschaffenheit der bei einer Stromdichte während des Galvanisierens von 1 Ampere erhaltenen Oberfläche durch unterschiedlich dichte Punktierung angedeutet ist;

F i g. 8 zeigt schematisch die Stromdichtezonen der in Fig. 7 dargestellten Kathode;

F i g. 9 zeigt eine Draufsicht auf eine Versuchskathode, die genau wie die in F i g. 7 dargestellte ausgebildet ist, jedoch mit einer Stromstärke von '/2 Ampere erhalten wurde;

Fig. 10 zeigt ein Diagramm ähnlich dem in Fig. 8 von der in F i g. 9 dargestellten Versuchskathode;
Figi 11 zeigt eine Draufsicht auf eine rechteckige

Versuchskathode mit vergrößerten Seitenabmessungen, die ähnlich wie die in F i g. 7 dargestellte Kathodenplatte ausgebildet ist, und

Fig. 12 zeigt das der in Fig. 11 dargestellten Platte entsprechende Diagramm, ähnlich wie es in F i g. 8 zu sehen ist.

Die Versuchszelle nach der Erfindung weist einen Behälter 2 auf, der aus einem durchsichtigen synthetischen Kunststoff hergestellt ist. Ein im allgemeinen zylindrischer Kathodenraum 4 ist von einem Anodenraum 6 durch den gekrümmten Wandteil 8 getrennt. Wie aus den F i g. 1 bis 3 zu ersehen ist, besitzt der Wandteil 8 zwischen dem Anoden- und dem Kathodenraum eine Vielzahl von öffnungen oder Löchern 10, die im Abstand voneinander auf der Oberfläche des Zylinders münden, so daß dieser Wandteil für den Elektrolyten und den elektrischen Strom durchlässig ist. Der Behälter 2 kann in geeigneter Weise aus einem zylindrischen Rohr und einem Teil mit U-förmigem Querschnitt bestehen, die den Kathodenraum 4 und den Anodenraum 6 bilden. Das Rohr und der U-förmige Teil sind dicht miteinander und mit einer Basisplatte 12 verbunden. Durch das Zusammensetzen des Behälters aus mehreren Teilen wird das Anbringen der Perforationen 10 erleichtert. Der Kathodenraum 4 kann zwar einen polygonalen Querschnitt aufweisen, es wird jedoch ein kreisförmiger Querschnitt bevorzugt, da damit ein bestimmtes Volumen des Elektrolyten optimal ausgenützt wird und der Kathodenraum der Drehbewegung der Kathode angepaßt ist. Vorzugsweise wird der Behälter 2 so dimensioniert, daß er ein ganz bestimmtes Standardvolumen des Elektrolyten aufnimmt, welches einen geeigneten Faktor für regelbare Zusätze und Interpolationen ergibt, z. B. 267 ml, wozu ein Zusatz von 2 g oder 1 ml äquivalent ist. Um die Kennzeichnung dieses bestimmten Elektrolytvolumens zu erleichtern, ist eine Nase oder eine andere Niveaumarke A an der Behälterwandung vorgesehen.

In der Anodenkammer 6 ist eine Metallanode 14 von im allgemeinen üblicher Form aufgehängt. Diese Metallanode ist mit einem Zuleitungsdraht 15 verbunden, der eine hinreichende Festigkeit besitzt, so daß die Anode daran aufgehängt werden kann. Wie dargestellt, sind der Anodenraum 6 und die Anode 14 so dimensioniert, daß ein Raum zwischen der Anode 14 und dem Wandteil 8, der sich zwischen den zwei Räumen 4 und 6 befindet, frei bleibt.

In dem Kathodenraum 4 hängt eine plattenförmige Kathode 16, die längs ihrer vertikalen Mittellinie abgebogen ist, so daß sie senkrecht zur Achse einen im allgemeinen V-förmigen Querschnitt aufweist mit einem gekrümmten Mittelteil 18 und einem Paar von divergierenden Schenkeln 20 und 22. Die Kathode 16 ist drehbar auf der Welle 24 angeordnet, welche mit dem Mittelteil 18 im Eingriff steht. Eine geeignete Befestigung ist durch eine Ausnehmung 25 am unteren Ende dieser Welle gegeben, in die die Kathode eingeschoben wird. Die Welle 24 ist ihrerseits mit einem Antriebsmechanismus 26 gekoppelt. Dieser Antriebsmechanismus ist auf Haltern 28 eines Trägers (nicht dargestellt) mit Schrauben 29 so befestigt, daß die Drehachse der Welle mit dem Zentrum des Kathodenraums 4 zusammenfällt.

Die Welle 24 ist vorzugsweise geteilt. Sie besteht aus einem Wellenstumpf 30, der in dem Getriebegehäuse 32 des Antriebsmechanismus gelagert ist und von einem Elektromotor angetrieben wird, welcher sich in dem Motorgehäuse 34 befindet, und einem abnehmbaren unteren Teil 36, der mit dem oben angeordneten Wellenstumpf 30 über eine Kupplungshülse 38 verbunden ist. Auf diese Weise wird die Befestigung der Kathode 16 erleichtert. Zudem kann der untere Teil der Welle ersetzt werden, wenn er entweder zu stark korrodiert ist oder verschiedene übereinandergeschichtete galvanische Überzüge aufweist. Zu der Kathode 16 fließt Strom über den Zuführungsdraht 40, der in geeigneter Weise mit dem Antriebsmechanismus 26, beispielsweise mit einer Schraube 29, gekoppelt ist, die für die Befestigung des aus Metall bestehenden Antriebsmechanismus an dem Halter 28 dient. Die Welle leitet den Strom vom Antriebsmechanismus 26 zu der Kathode.

Bei der in den F i g. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform nach der Erfindung ist die Kathode mit verlängerten Schenkeln ausgebildet, so daß diese Schenkel 20a und 22« eine größere Länge als der innere Radius des Kathodenraums 4 besitzt.' Um eine freie Drehung der Kathode 16 im Kathodenraum 4 zu ermöglichen, ist der untere Teil 36« der Welle 24 a gekröpft ausgebildet. Auf diese Weise wird die Kathode 16 um eine Achse gedreht, die parallel zur Mittellinie, jedoch seitlich von dieser gegen die freien Enden der Schenkel 20 a und 22 a in einer Ebene versetzt angeordnet ist. Der Verlauf der Drehung ist durch die Pfeile in F i g. 6 angezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Schenkel 20 a und 22 a weiter gegeneinander zu gebogen als bei der Ausführungsform nach den F i g. 1 bis 4, so daß sie im wesentlichen parallel angeordnet sind und die Form eines U besitzen.

Die Betriebsweise der Vorrichtung nach der Erfindung ist folgende: Ein vorbestimmtes Elektrolytvolumen wird in den Tank 2 eingefüllt. Vorzugsweise erfolgt eine Auffüllung bis zur Marke/1 an der Wand des Kathodenraums 4, bevor die Anode 14 und das Kathodenblech 16 eingesetzt wird. Hierdurch erfolgt eine Niveauänderung des Elektrolyten bis zur gestrichelten Linie B in F i g. 3.

Nach Beendigung der galvanischen Abscheidung wird die Kathodenplatte 16 herausgenommen, auseinandergebogen und eingeebnet, um die visuelle Prüfung des auf der inneren Oberfläche gebildeten Metallüberzuges vornehmen zu können. In F i g. 7 ist eine galvanisch überzogene Stahlplatte mit einer Größe von 2,54 · 2,54 cm dargestellt, auf die Zink mit einer Stromstärke von 1 Ampere 10 Minuten lang niedergeschlagen wurde. Der Überzug in der Mitte ist hellglänzend und stumpft nach den Rändern zu ab, wie durch die Dichte der Punkte in der Zeichnung angedeutet wird.

Die Stromstärken, die in der Versuchsanlage verwendet werden, werden allgemein auf Grund von Erfahrungswerten eingestellt, um das Stromdichtemuster zu reproduzieren, das den auf die Werkstücke einwirkenden Stromdichten entspricht, die tatsächlich in tonnenförmigen Galvanisieranlagen auftreten. Die Einstellung erfolgt deshalb in Abhängigkeit von früheren Beobachtungen und Korelationen, da verschiedene tonnenförmige Galvanisieranlagen und verschiedene Galvanisierverfahren unterschiedlichen Bedingungen unterliegen. Im allgemeinen wird jedoch die Versuchsanlage mit 0,5 bis 2,5 Ampere und vorzugsweise mit 0,5 bis 1,5 Ampere betrieben, um ideale Werte im unteren Stromdichtebereich zu erhalten. Die visuelle Prüfung der Versuchsplatte kann

rein qualitativ sein, wobei lediglich festgestellt wird, ob der gewünschte Glanz der Platte in deren Mitte oder an anderen bestimmten Stellen, die maßgebend für die erforderliche Stromdichte in der Galvanisieranlage sind, erreicht wurden. Es kann jedoch auch eine quantitative Auswertung erfolgen, indem die Stärke des galvanischen Überzuges auf der Platte gemessen und die tatsächliche Stromdichte für eine bestimmte Stelle daraus errechnet wird. Die Platte kann aber auch mit einer Schablone oder einer Skala verglichen werden, die die Werte an verschiedenen Stellen der Platte bei unterschiedlichen Stromstärken angibt.

Das schematische Muster, das in F i g. 8 dargestellt ist, kennzeichnet das scheinbare Stromdichtenmuster auf der in F i g. 7 dargestellten Platte. In Wirklichkeit sind natürlich einige Abweichungen von der Kreissymmetrie an den oberen und unteren Rändern zu verzeichnen. Die verschiedenen Werte, die durch Stärkenmessung des Metallüberzugs bestimmt wurden, sind nachfolgend tabelliert.

	Stärke des Metall	Scheinbare Stromdichte
Zone	überzugs in cm · 1O-3	in Ampere/dm2
I	ungenau	ungenau
II	33,020	1,615 .
III	1,778	0,753
IV	10,160	0,538
V	8,890	0,484
VI	7,620	0,431
VII	6,350	0,323
VIII	6,350	0,323

Um den unteren Stromdichtebereich zu vergrößern und um genauer unterscheidbare Ergebnisse zu erhalten, kann der Strom verringert werden, um ein Muster zu ergeben, wie es in F i g. 9 dargestellt ist, wobei der glänzende Bereich vergrößert ist. Der Strom wurde bei dem in F i g. 9 dargestellten Versuch auf Va Ampere im Vergleich zu einem Strom von 1 A bei dem in F i g. 7 dargestellten Versuch reduziert. Die scheinbare Stromdichte in den verschiedenen Zonen ist schematisch in Fig. 10 aufgetragen und in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt:

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	Scheinbare Stromdichte
/,one	in Ampere/dm2
I	ungenau
II	0,807
III	0,376.
IV	0,269
V	0,237
VI	0,215
VII	0,162
VIII	0,162

Ein anderes Verfahren, um den Bereich geringer Stromdichte zu vergrößern, besteht in der Verwendung einer rechteckigen Versuchsplatte mit vergrößerten Seitenabmessungen, so daß eine Platte erhalten wird, wie sie in den Fig. 11 und 12 dargestellt ist. Die Zonen sind allgemein quer zur Drehachse der Kathode, so daß ein im allgemeinen elliptisches Muster entsteht. Die elliptische Konfiguration im oberen Teil des Musters ist jedoch etwas abgeflacht, da sich hier der Einfluß der Welle aus leitfähigem Material auswirkt.·

Eine V-förmig gebogene Metallkathode mit divergierenden Schenkeln, die einen Winkel von etwa 15 bis 45° einschließen, führt zwar zu für die meisten Versuchszwecke zufriedenstellenden Ergebnissen, gelegentlich kann es jedoch erwünscht sein, den Gesamtbereich, der auf der Platte abgebildeten Stromdichte bei einer bestimmten Stromstärke zu vergrößern. Dies kann einfach dadurch erfolgen, daß die Schenkel etwa parallel zueinander orientiert werden, wodurch eine Kathode mit U-förmigem Querschnitt entsteht (F i g. 5 und 6).

Die Versuchsplatten sollen im wesentlichen gleiche Größe und Konfiguration besitzen, um reproduzierbare und auslegbare Ergebnisse zu erhalten. Deshalb sollen Platten mit Standardgrößen um Formdorne in geeigneten Vorrichtungen gefaltet werden, die sowohl für Kathoden mit U-förmigen als auch mit V-förmigen Querschnitten geeignet sind.

Die Drehgeschwindigkeit der Welle soll so gewählt werden, daß die Lineargeschwindigkeit der äußeren Enden der Kathodenplatten etwa der Lineargeschwindigkeit der Galvanisiertrommel entspricht. Beispielsweise werden die Verhältnisse in einer Galvanisiertrommel mit einem Durchmesser von 35,6 cm, die sich mit einer Drehgeschwindigkeit von 5 Umdrehungen pro Minute dreht, effektiv abgebildet mit einer 5,08-cm-Platte, die mit 40 Umdrehungen pro Minute umläuft. Die Temperatur des Elektrolyten kann durch Vorerwärmung gesteuert werden, bevor dieser in die Zelle eingegossen wird, oder es kann eine Tauchheizung in dem Anodenraum oder an einer anderen, nicht störenden Stelle angebracht sein. Die Zelle kann ebenfalls auf einer geeigneten Heizeinrichtung angeordnet sein und zu diesem Zweck aus Porzellan oder einem anderen temperaturfesten und chemisch widerstandsfähigen Material bestehen.

Mit der Erfindung wird eine einfache und wirksame Einrichtung geschaffen, um die Bedingungen in einer Trommelgalvanisieranlage zu reproduzieren. Die Versuchsanlage kann gegebenen Forderungen angepaßt werden. Die nach der Erfindung verwendete spezielle Kathode bildet die Verhältnisse ab, die ein einzelnes Werkstück beeinflussen, wenn dessen Oberfläche sich relativ zu der Anode bewegt und dabei rotiert, fällt und von anderen Werkstücken, die sich in dem galvanischen Bad befinden, abgeschattet wird.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überwachung der Abscheidungsverhältnisse in Trommelgalvanisieranlagen, gekennzeichnet durch eine in seitlichem Abstand von der Anode (14) angeordnete abgewinkelte Kathode (16), die um eine parallel zur Winkelkante verlaufende Achse drehbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode senkrecht zu ihrer Drehachse einen U-förmigen Querschnitt aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode parallel zu ihrer Drehachse einen V-förmigen Querschnitt aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode in einem durch eine perforierte Wand vom Anodenraum getrennten Kathodenraum angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenraum zylinderförmig ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse der Kathode etwa mit der Mittellinie, an der sich die beiden Seitenflächen der Kathode treffen, übereinstimmt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse der Kathode gegenüber der Mittellinie, an der sich die beiden Seitenflächen treffen, versetzt angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter für den Elektrolyten aus durchsichtigem Kunststoff besteht.

9. Verfahren zum Überwachen der Abscheidungsverhältnisse in Trommelgalvanisieranlagen unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der gewinkelten Kathode so groß gewählt wird, daß die lineare Geschwindigkeit der in radialer Richtung gesehen äußeren Ränder der plattenförmigen Kathode etwa der linearen Geschwindigkeit der Galvanisiertrommel entspricht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209609/87