DE2447897A1 - CHROME-CONTAINING GALVANIC BAEDER - Google Patents
CHROME-CONTAINING GALVANIC BAEDERInfo
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- C25D3/04—Electroplating: Baths therefor from solutions of chromium
- C25D3/06—Electroplating: Baths therefor from solutions of chromium from solutions of trivalent chromium
Description
, PAT E N TA N WA LI F, PAT E N TA N WA LI F
DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES D I PL-CHEf/.. ALEK VOhS KREIS LER D1PL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖFSCH D1PL.-ING. SELTINGDR.-ING. TH. MEYER DR. FUES D I PL CHEf / .. ALEK VOhS KREIS LER D1PL.-CHEM. CAROLA KELLER DR.-ING. KLÖFSCH D1PL.-ING. SELTING
KÖLN 1, DEICHMANNHAUS 2 A A 7 8 9 /COLOGNE 1, DEICHMANNHAUS 2 A A 7 8 9 /
Köln, den 7.1Ο.1972* Kl /AxCologne, 7.1-197 2 * Kl / Ax
International Lead Zinc Research Organization, Inc., 292 Madison Avenue, New York, H.Y. 10017- (U.S.A.). International Lead Zinc Research Organization, Inc., 292 Madison Avenue, New York, HY 10017- (USA).
Chromhaltige galvanische BäderElectroplating baths containing chromium
Die Erfindung betrifft galvanische Bäder die dreivertige Chromionen enthalten, und Verfahren zur elektrolytischen Abscheidung ,von Chrom aus diesen Bädern.The invention relates to electroplating baths containing three-part chromium ions, and methods for electrolytic baths Separation of chromium from these baths.
Pur üblicher Verchromunssbäder werden Lösungen von sechswertigem Chroro als Elektrolyt verwendete Die Nachteile dieser Lösungen sind allgemein bekannt. In den letzten Jahren wurden daher die Möglichkeiten von Verohromungsbädern, die Chrom in der dreiwertigen Form enthalten, als Alternative für Verchromungebäder in der sechswertigen Form untersucht. Unter anderem wurde bei dieser Entwicklung ein organischer, vorzugsweise eir, aprotiacher Puffer, insbesondere Dimethylformamid (DMi1), in die dreiwertigen Verchromungsbäder einbezogen. Einige Aspekte dieser Entwicklung werden in der USA-Patentschrift 3 772 170'dargelegt. Die Zugabe dieser Puffer zu dreiwertigen Verchro- " mungsbädern führt zwar zu erheblichen Verbesserungen gegenüber früheren Versuchen, jedoch hat diese Arbeitsweise Nachteile, die die großtechnische Durchführung bedinträch · tigen. Die verwendeten Puffer sind ziemlich teuer, so daß verbesserte Leistung durch höhere iiaterialkosten erkauft werden muß. Da die Puffer ferner vorzugsweise aprotisch sind, können sie eine Verschlechterung der LeitfähigkeitSolutions of hexavalent chromium are used as the electrolyte in common chrome plating baths. The disadvantages of these solutions are well known. In recent years, therefore, the possibilities of chrome plating baths containing chromium in the trivalent form have been investigated as an alternative to chrome plating baths in the hexavalent form. Among other things, an organic, preferably egg, aprotic buffer, in particular dimethylformamide (DMi 1 ), was included in the trivalent chrome-plating baths during this development. Some aspects of this development are set out in U.S. Patent No. 3,772,170. The addition of these buffers to trivalent chrome-plating baths leads to considerable improvements compared to earlier attempts, but this method of operation has disadvantages which make it difficult to carry out on an industrial scale. The buffers used are quite expensive, so that improved performance must be bought at the expense of higher material costs Also, since the buffers are preferably aprotic, they can cause conductivity degradation
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des Bades verursachen. Da außerdem viele der gebräuchlichen ionenliefernden Materialien (die u.a. zur Steigerung der Leitfähigkeit zugesetzt werden) in Puffer-Wasser- \Gemischen weniger löslich sind als in pufferfreien Systemen, kann die durch die Einbeziehung dieser Materialien erreichte Steigerung der Leitfähigkeit begrenzt sein. Verringerte Leitfähigkeit führt zu gesteigerter Wärmeentwicklung. Bei hohen Pufferkonzentrationen kann eine Kühlung des Bades unter den Betriebsbedingungen erforderlich sein. Außerdem können die gepufferten dreiwertigen Chromelektrolyte den Nachteil eines verhältnismäßig begrenzten Abscheidungsbereichs und eine verhältnismäßig geringe Deckkraft aufweisen. Diese Nachteile stehen mit dem pH-V/erti bei dem die gepufferten Lösungen einsetzbar sind, im Zusammenhang. Bekanntlich ist zur Erzielung eines guten Abscheidungsbereichs ein möglichst hoher pH-Wert vorzuziehen. Leider wird das Chrom ausgefällt, wenn der pH-Wert nicht verhältnismäßig niedrig gehalten wird.of the bath. In addition, since many of the common ion-supplying materials (which, among other things, are used to increase are added to the conductivity) are less soluble in buffer-water \ mixtures than in buffer-free systems, the increase in conductivity achieved by the inclusion of these materials may be limited. Reduced conductivity leads to increased heat generation. In the case of high buffer concentrations, cooling can be used of the bath under the operating conditions. In addition, the buffered trivalent chromium electrolytes the disadvantage of a relatively limited deposition area and a relatively small one Have opacity. These disadvantages stand with the pH-V / erti at which the buffered solutions can be used, in connection. It is known that in order to achieve a good deposition area, the highest possible pH value is required preferable. Unfortunately, the chromium will precipitate if the pH is not kept relatively low.
Es wurde nun gefunden, daß durch Zusatz von Hypophosphitionen zu dreiwertigen Verchromungsbädern entweder als Ergänzung eines organischen Puffers oder als Ersatz dieses Puffers ein Elektrolyt gebildet wird, der viele dieser Nachteile abschwächt oder ausschaltet.It has now been found that by adding hypophosphite ions to trivalent chrome plating baths either as In addition to an organic buffer or as a replacement for this buffer, an electrolyte is formed that contains many of these Mitigates or eliminates disadvantages.
Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein wässriges Verchromungsbad, das gelöste dreiwertige Chromionen und Hypophosphitionen vorzugsweise in einer wenigstens etwa 0,08-molaren Konzentration enthält, wobei außerdem vorzugsweise Ammoniumionen in einer wenigstens 0,2-molaren Konzentration vorhanden sind.The invention accordingly relates to an aqueous chromium plating bath, the dissolved trivalent chromium ions and hypophosphite ions preferably in at least about one Contains 0.08 molar concentration, and also preferably ammonium ions in an at least 0.2 molar Concentration are present.
Die Erfindung umfaßt ferner die elektrolytische Abscheidung von chromhaltigen Überzügen auf Werkstücken nach einem Verfahren, bei dem man eine Anode und eine Kathode in einem Verchromungsbad gemäß der Erfindung anordnet und einen Strom zwischen Anode und Kathode so fließen läßt,The invention also includes the electrolytic deposition of chromium-containing coatings on workpieces a method in which one places an anode and a cathode in a chromium plating bath according to the invention and allows a current to flow between anode and cathode in such a way that
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daß auf der Kathode Chrom abgeschieden wird«,that chromium is deposited on the cathode «,
Die brauchbaren genauen Konzentrationsgrenzen des Hypophosphitions wurden noch nicht festgelegt, jedoch sind die Verbesserungen bis zu einer 2-molaren Konzentration bemerkenswert. Bei höheren Konzentrationen ist die Verbesserung mit steigender Konzentration gering. Ferner sind normale Hypophosphitsalze im allgemeinen nicht ge-' nügend löslich» Bevorzugt wird ein Bereich von 0,5 bis 2,0-molar für das Hypophosphition. Ec wird angenommer», daß die Verbindung, die das Hypophosphition bildet,nicht entscheidend wichtig ist, vorausgesetzt, daß das Ion nicht mit Materialien assoziiert ist, die eine nachteilige Wirkung auf die Leistung des Verchromungsbades haben würden. Geeignet als Lieferanten für Hypophosphitionen sind Natriumhypopnosphit, z.B. als Monohydrat (WaKpPO2. HpO), und unterphosphorige Säure. Bei Verwendung von Natrinaihypophosphit liegt die auf das Hypophosphition bezogene molare Konzentration im Bereich von etwa 10 bis 200 g/l, wobei ein Bereich von etwa 50 bis 150 g/l bevorzugt wird.The exact concentration limits of hypophosphite ion that can be used have not yet been established, but the improvements up to a 2 molar concentration are remarkable. At higher concentrations, the improvement with increasing concentration is small. Furthermore, normal hypophosphite salts are generally not sufficiently soluble. A range from 0.5 to 2.0 molar is preferred for the hypophosphite ion. It is believed that the compound that forms the hypophosphite ion is not critically important, provided that the ion is not associated with materials that would have an adverse effect on the performance of the chrome plating bath. Sodium hypophosphite, for example as a monohydrate (WaKpPO 2. HpO), and hypophosphorous acid are suitable as suppliers of hypophosphite ions. When sodium hypophosphite is used, the molar concentration related to the hypophosphite ion is in the range from about 10 to 200 g / l, a range from about 50 to 150 g / l being preferred.
Die Zugabe des Hypbphosphitions zu dreiwertigen Verchromungsbädern hat eine bemerkenswerte Ausweitung des Abscheidungsbereichs, insbesondere des Glanzabscheidungsbereichs des Elektrolyten zur Folge. Die bekannten mit DMF gepufferten dreiwertigen Verchromungsbäder habenThe addition of hypophosphite to trivalent chrome plating baths has a remarkable expansion of the deposition area, particularly the luster deposition area of the electrolyte. The known trivalent chrome-plating baths buffered with DMF have
typische Glanzabscheidungsbereiche von 125 bis 3000 λ/τη Durch Verwendung von Hypophosphit entweder zusätzlich zu DMF oder als Ersatz für DMF oder andere organische Puffer können Elektrolyte mit G-lanzabscheidungsbereichen von 30 bis 10000 A/m gebildet werden. Die Ausweitung des Abscheidungsbereichs ist ein wesentlicher Fortschritt gegenüber den bekannten dreiwertigen Verchromungsbädern.Typical gloss deposition ranges from 125 to 3000 λ / τη By using hypophosphite either in addition to DMF or as a replacement for DMF or other organic buffers, electrolytes with gloss deposition ranges from 30 to 10000 A / m can be formed. The expansion of the deposition area is a significant step forward compared to the known trivalent chromium plating baths.
Ein weiterer Effekt auf den Elektrolyten besteht darin, daß in Gegenwart des Hypophosphitions die Abscheidnung des Chroms bei niedrigen Stromdichten mit verhältnismäßigAnother effect on the electrolyte is that in the presence of the hypophosphite ion, the deposition of chromium at low current densities with relatively
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hohem Wirkungsgrad und "bei hohen Stromdichten mit verhältnismäßig niedrigem Wirkungsgrad stattfindet. Dieser Effekt kann derart sein, daß "bei der elektrolytischen Abscheidung von Chrom auf Werkstücken, die so geformt sind, daß sich ein weiter Bereich von Stromdichten ergibt, die Abscheidungsgeschwindigkeit nahezu gleichmäßig und unabhängig von der Stromdichte sein kann. Der tatsächliche Abscheidungswirkungsgrad ist eine komplexe Punktion vieler Parameter sowohl des Elektrolyten als auch der Arbeitsbedingungen. Typische Zahlen auf der Grundlage von dreiwertigem Chrom sind 2,5?ό bei 5000 A/m und Qu/o bei 500 A/m , jedoch können diese Zahlen durch Veränderung der Hypophosphitkonzentration oder der Konzentration anderer Bestandteile des Elektrolyten in weiten Grenzen vpriiert werden. Mit Elektrolyten, die Hypophosphit enthalten, können im allgemeinen Gesarntwirkungsgrade im Bereich von 3 bis 16$, bezogen auf das dreiwertige Chromion, erreicht werden. Diese Wirkungsgrade ergeben Abscheidungsgeschwindigkeiten, die ebenso gut sind wie die mit den besten verfügbaren sechswertigen Chrombädern erzielbaren Geschwindigkeiten. Die Ausbeuten sind wesentlich niedriger, als sie durch Zusatz von DMI1 (oder eines anderen organischen Puffers) in hohen Konzentrationen erzielbar sind, jedoch wird dies durch Verbesserung der Abscheidungsleistung mehr als ausgeglichen. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, daß es bei einem Vergleich der Stromausbeuten wichtig ist, eine Korrektur für die Wertigkeit des abzuscheidenden Ions vorzunehmen, um einen wahren Vergleich zu ermöglichen.high efficiency and "takes place at high current densities with relatively low efficiency. This effect can be such that" in the electrodeposition of chromium on workpieces shaped to give a wide range of current densities, the rate of deposition is almost uniform and independent can be on the current density. Actual separation efficiency is a complex puncture of many parameters of both the electrolyte and the working conditions. Typical numbers based on trivalent chromium are 2.5? Ό at 5000 A / m and Q u / o at 500 A / m, but these numbers can be varied within wide limits by changing the hypophosphite concentration or the concentration of other components of the electrolyte . With electrolytes containing hypophosphite, overall efficiencies in the range from 3 to 16 $, based on the trivalent chromium ion, can generally be achieved. These efficiencies result in deposition rates that are as good as those achievable with the best hexavalent chromium baths available. The yields are significantly lower than can be achieved by adding DMI 1 (or another organic buffer) in high concentrations, but this is more than offset by an improvement in the separation efficiency. In this connection it should be noted that when comparing the current yields it is important to make a correction for the valence of the ion to be deposited in order to enable a true comparison.
Der Grad, bis zu dem die verbesserte Abscheidungsleistung realisiert wird, hängt u.a. von der Konzentration des Hypophosphitions ab. Wie bereits festgestellt, sind die Verbesserungen bei Konzentrationen von weniger als etwa 0,08-molar kaum wahrnehmbar. Bei Konzentrationen bis etwa 0,5-molar ist eine Verschiebung der SchwellenstromdichteThe degree to which the improved separation performance is realized depends, among other things, on the concentration of the Hypophosphites off. As stated earlier, the improvements are at concentrations less than about 0.08 molar barely noticeable. At concentrations up to about 0.5 molar there is a shift in the threshold current density
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für Chrom zu niedrigeren Vierten (von etwa 125 A/m "bei der Konzentration Null) "bis etwa 90 A/m festzustellen., Durch weitere Steigerungen der Hypophosphitkonzentration wird der Abscheidungsbereich auf noch niedrigere Stroradichten (optimal nur 30 A/m ) erweitert. Als Ergebnis des verringerten Wirkungsgrades bei hohen Stromdichten und einer anschließenden Verminderung der nachtei-.· ligen hohen Abacheidungsgeschwindigkeit bei hohen Strcuidichten wird auch die Neigung der- Abscheidung, zu verbrennen, herabgesetzt. Dieser letztgenannte Effekt ist bei den hohen pH-Werten, die im Elektrolyt durch die Pufferwirkung des Hypophosphits eingestellt werfen, ausgeprägter. Auf die Wirkungsweise der Erfindung als Punktion oder in Abhängigkeit vom pH-Wert wird nachstehend ausführlicher eingegangen. Das Verbrennen kann vollständig verhindert werden, wenn mit Chromkonzentrationen von weniger als etwa 0,9-molar in Gegenwart optimaler Hypophosphitkonzentrationen gearbeitet wird.for chromium to lower fourths (from about 125 A / m "at the concentration zero) "up to about 90 A / m., By further increasing the hypophosphite concentration, the deposition area becomes even lower Current densities (optimally only 30 A / m) extended. As a result of the reduced efficiency at high current densities and a subsequent reduction in the disadvantageous high deposition rate at high density the tendency for the deposition to burn is also reduced. This latter effect is more pronounced at the high pH values that are set in the electrolyte by the buffering effect of the hypophosphite. The mode of operation of the invention as a puncture or as a function of the pH is described below received in more detail. Burning can be prevented completely when using chromium concentrations of less than about 0.9 molar in the presence of optimal hypophosphite concentrations is being worked on.
Der Mechanismus, nach dem das Hypophosphit eine so groiae Verbesserung bei der Abscheidung von Chrom hervorbringt, ist noch nicht völlig geklärt. Zur Zeit wird es für wahrscheinlich gehalten, daß drei getrennte, aber in Beziehung zueinander stehende Effekte vorliegen. UnTerphosphorige Säure ist eine schwache Säure, so daß durch die Anwesenheit des Hypophosphitions der pH-Wert des Elektrolyten erhöht wird. Nach aen bisherigen Erfahrungen ist eine Erhöhung des pH -Werts des Elektrolyten bekanntlich vorteilhaft. Bisher hätte jedoch bei DMF-Bädern eine solche Erhöhung des pH-Werts die Ausfällung des Chroms als komplexe Hydroxyde aus der Lösung zur Folge gehabt. Die Anwesenheit des Hypophosphitions verhindert dies sehr überraschend. Hieraus ist die Schlußfolgerung zu ziehen, daß irgendeine Art von Komplex zwischen dem dreiwertigen Chromion und dem Hypophosphition, das bei verhältnismäßig hohen pH-Werten (bis pH 7) stabil ist,The mechanism by which the hypophosphite is so large Brings about improvement in the deposition of chromium is not yet fully understood. Currently it will be for believed likely that there were three separate but related effects. Lower phosphorous Acid is a weak acid, so the presence of the hypophosphite ion reduces the pH of the Electrolytes is increased. According to previous experience, an increase in the pH value of the electrolyte is known advantageous. Up to now, however, such an increase in the pH value in DMF baths would have resulted in the precipitation of the Chromium as complex hydroxides resulted from the solution. Prevents the presence of the hypophosphite ion this is very surprising. The conclusion to be drawn from this is that there is some sort of complex between the trivalent chromium ion and hypophosphite ion, which is stable at relatively high pH values (up to pH 7),
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gebildet wird.. Die stabilisierende Wirkung wird auch aus einer späteren Beobachtung offenbar, daß Chromisalze, die normalerweise nur mit Schwierigkeit gelöst werden können, in Wasser bei annährend neutralem pH-Wert in Gegenwart des Hypophosphitions gelöst werden können. Im allgemeinen muß der pH-Wert weit im sauren Bereich liegen, um die Auflösung zu erreichen. Ferner iat es zum Auflösen von Chrom(IIl)-sulfat in Wasser (oder sogar wässriger Säure) im allgemeinen notwendig, das Gemisch zu erhitzen, um eine annehmbar schnelle Auflösung zu erzielen. In Gegenwart von Hypophosphitionen löst sich Chrom(III)-sulfat leicht ohne Erhitzen.is formed .. The stabilizing effect is also made from A later observation apparently shows that chromi salts, which are normally only dissolved with difficulty can be dissolved in water at approximately neutral pH in the presence of the hypophosphite ion. in the in general, the pH must be well in the acidic range in order to achieve dissolution. It is also used to dissolve of chromium (IIl) sulfate in water (or even aqueous acid) generally necessary to heat the mixture, to get a reasonably fast resolution. Chromium (III) sulfate dissolves in the presence of hypophosphite ions easy without heating.
Der dritte Weg, auf dem das Hypophospb.it die Chromabscheidung zu beeinflussen scheint, hängt mit den tatsächlichen Elektrodenprozessen zusammen, deren Ablauf bei der elektrolytischen Abscheidung von Chrom angenommen wird. Es wird angenommen, daß die Abscheidung von Chrommetall, aus Lösungen von dreiwertigem Chrom ein zweistufiger Prozess ist. Das dreiwertige Chromion wird zuerat zum zweiwertigen Zustand und anschließend zu metallischem Chrom reduziert. Die Geschwindigkeit und Leichtigkeit der Chromabscheidung ist, so wird angenommen, durch die Konzentration von zweiwertigen Chromionen bestimmt. Unter normalen Umständen hat zweiwertiges Chrom die Neigung, durch Oxydation wieder in dreiwertiges Chrom überzugehen und hierdurch die Gesamtreaktion zu verlangsamen. Die Anwesenheit des Hypophosphits scheint das zweiwertige Chrom in Bezug auf dreiwertiges Chrom zu stabilisieren und außerdem die Bildung von zweiwertigem Chrom aus dreiwertigem Chrom durch Elektronen in der Lösung zu beschleunigen. Es wird angenommen, daß dies mit der Aktivität von Hypophosphit als Reduktionsmittel im Zusammenhang steht, obwohl es den Anschein hat, daß kein reiner Verbrauch an Hypophosphit während der Elektrolyse stattfindet. Es hat den Anschein hieraus, daß das HypophosphitionThe third way in which the Hypophospb.it the chromium deposition seems to influence is related to the actual electrode processes, their course in the electrolytic deposition of chromium is assumed. It is believed that the deposition of chromium metal, from solutions of trivalent chromium, is a two-step process Process is. The trivalent chromium ion becomes a divalent state and then a metallic one Chrome reduced. The speed and ease of chromium deposition is believed to be due to concentration determined by divalent chromium ions. Under normal circumstances, divalent chromium tends to to convert back into trivalent chromium through oxidation and thereby slow down the overall reaction. the Presence of the hypophosphite appears to stabilize the divalent chromium with respect to trivalent chromium and also to accelerate the formation of divalent chromium from trivalent chromium by electrons in the solution. It is believed that this is related to the activity of hypophosphite as a reducing agent, although it appears that there is no pure consumption of hypophosphite during the electrolysis. It appears from this that the hypophosphition
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nicht nur dreiwertiges Chrpm gegen hohen pH-Wert und zweiwertiges Chrom gegen oxydative Umkehrung stabilisiert, sondern daß auch im vermuteten Komplex von dreiwertigem Chrom und Hypophosphit das dreiwertige Chrom eine Stabilisierung des Hypophosphits gegen Oxydation bewirkt.not just trivalent Chrpm against high pH and bivalent chromium stabilized against oxidative reversal, but that also in the suspected complex of trivalent chromium Chromium and hypophosphite the trivalent chromium stabilizes the hypophosphite against oxidation causes.
Wie bereits erwähnt,' können Elektrolyte von dreiwertigem Chrom, die Hypophosphit enthalten, bei wesentlich höheren pH-Werten verwendet werden, als dies bisher mit DMF-Bädern möglich war. Die Elektrolyte gemäß dpr Erfindung ermöglichen die elektrolytische Abscheidung von Chrom oder Chromlegierungen im pH-Bereich von 0,5 bis 7» wobei für Chrom ein Bereich von 1,5 bis 3,5 bevorzugt wird. Die bisher bekannten Bäder waren im wesentlichen auf einen pH-Wert von 1 bis 3 beschränkt. Diese Verbesserung im anwendbaren pH-Bereich ist wichtig, weil sie eine Ausweitung des Abscheidungsbereichs ermöglicht und auch durch Verminderung des Säureangriffs auf das Grundmetall· zu Beginn der elektrolytischen Abscheidung wertvoll sein kann. :As mentioned earlier, 'electrolytes can be trivalent Chromium, which contain hypophosphite, can be used at much higher pH values than was previously possible with DMF baths was possible. The electrolytes according to the invention enable the electrolytic deposition of chromium or chromium alloys in the pH range from 0.5 to 7 »whereby a range of 1.5 to 3.5 is preferred for chromium. The previously known baths were essentially open restricted to a pH of 1 to 3. This improvement in the applicable pH range is important because it is a Expansion of the deposition area made possible and also by reducing the acid attack on the base metal at the beginning of the electrodeposition process can be valuable. :
Die Konzentration an dreiwertigen Chromionen im Elektrolyt ist weniger wichtig als bei den bisherigen Systemen. Im allgemeinen ist die Konzentration an Chromionen 0,5-bis 1,75-molar, vorzugsweise 0,7- bis 1}3-molaro Da Chrcm salze verhältnismäßig teuer sind, wird die Chromkonzentration in der Praxis so niedrig gehalten, wie dies praktisch möglich ist, um den Kapitalaufwand für die Herstellung des Bades minimal zu halten und die mit den Werkstücken ausgetragene Menge zu verringern. Die Verminderung des Verlustes durch Austrag mit den Werkstücken ist besonders wichtig bei dekorativen Chromabscheidungen, da der Austrag bis zum 5-fachen G-ewicht des abgeschiedenen Metalls betragen kann. Durch die Anwesenheit der Hypophospliitionen wird die Geschwindigkeit der Abscheidung von metallischem Chrom verhältnismäßig unabhängigThe concentration of trivalent chromium ions in the electrolyte is less important than in previous systems. In general, the concentration is 1.75 molar chromium ion-0,5-bis, preferably 0.7 to 1} 3-o molar Since Chrcm salts are relatively expensive, the chromium concentration is kept as low in practice, as practically is possible in order to keep the capital expenditure for the production of the bath minimal and to reduce the amount discharged with the workpieces. Reducing the loss through discharge with the workpieces is particularly important in the case of decorative chromium deposits, since the discharge can be up to 5 times the weight of the deposited metal. The presence of the hypophosphorus ions makes the rate of deposition of metallic chromium relatively independent
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von der Konzentration an dreiwerLigen Chromionen. Dies ist wichtig, wenn die elektrolytische Abscheidung von Legierungen oder die Abscheidung von gemischten Niederschlägen aus Elektrolyten, die gemischte Kationen enthalten, berücksichtigt wird.on the concentration of trivalent chromium ions. this is important when the electrodeposition of alloys or the deposition of mixed precipitates from electrolytes containing mixed cations is taken into account.
Die spezielle Verbindung, die die Chromionen liefert, ist nicht entscheidend wichtig, vorausgesetzt natürlich, daß ausreichende Löslichkeit erreicht werden kann und andere Komponenten, die nachteilige Wirkungen auf den Elektrolyten haben, nicht eingeführt werden. Im allgemeinen kann dps Chrom in Form seines Chlorids, in Form anderer Halogenidsalze, in Form des Sulfats, in Form von Salzen von Phosphoroxysäure, Salzen mit organischen Säuren oder Salzen oder Komplexen mit anderen Anionen verwendet werden. Die Salze können normal, komplex oder basisch sein, wobei zu beachten ist, daß eine pH-Einstellung notwendig sein kann. Die dreiwertigen Chromionen können in situ durch Einwirkung einer Säure (z.B. Salzsäure, Schwefelsäure oder Phosphorsäure) auf das Metall, seine Oxyde (außer CrO^) oder Hydroxyde gebildet werden.The particular compound that supplies the chromium ions is not critically important, provided, of course, that sufficient solubility can be achieved; and other components that have adverse effects on the Electrolytes have not to be introduced. In general, dps can be in the form of its chloride, in the form of chromium other halide salts, in the form of sulphate, in the form of salts of phosphorusoxy acid, salts with organic acids or salts or complexes with other anions can be used. The salts can be normal, complex or be basic, although it should be noted that a pH adjustment may be necessary. The trivalent chromium ions can in situ by the action of an acid (e.g. hydrochloric acid, sulfuric acid or phosphoric acid) on the metal, its oxides (except CrO ^) or hydroxides are formed.
Als weitere Verbindungen, die dreiwertige Chromionen liefern, sind zu nennen: 1) Chromsäure, die mit Wasserstoff peroxyd reduziert ist, 2) ein 57^iges basisches festes Salz (d.h. ein festes Salz, das 57 Gew.-^ Cr2O, enthält, während der Rest aus einem neutralen Salz, z.B. CrCl-z, besteht) oder 3) basische Salze, z.B. ein 57/£iges basisches festes Salz in einer genügenden Säuremenge, um eine Lösung des neutralen Salzes zu bilden (z.B. ein 57$iges basisches festes Salz in genügend Salzsäure, um eine CrCl^-Lösung zu bilden). Im allgemeinen können die basischen Salze 0°/» bis 57$ basische Feststoffe enthalten.Other compounds that produce trivalent chromium ions are: 1) chromic acid, which is reduced with hydrogen peroxide, 2) a 57% basic solid salt (ie a solid salt containing 57% by weight Cr 2 O) while the remainder consists of a neutral salt, e.g. CrCl-z) or 3) basic salts, e.g. a 57% basic solid salt in a sufficient amount of acid to form a solution of the neutral salt (e.g. a 57% basic solid salt in enough hydrochloric acid to form a CrCl ^ solution). In general, the basic salts can contain from 0% to 57% basic solids.
Die bevorzugten und optimalen Bereiche der Konzentrationen von Hypophosphit und dreiwertigem Chrom sind im allgemeinen so aufeinander abgestimmt, daß für eine verhältnismäßig niedrige Konzentration an dreiwertigen Chrom-The preferred and optimal ranges for the concentrations of hypophosphite and trivalent chromium are generally coordinated so that a relatively low concentration of trivalent chromium
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ionen eine niedrige Hypopbosphitkonzentration und für hohe Konzentrationen der dreiwertigen Ohromionen .eine hohe Hypophosphitkonzentration zweckmäßig ist. Geeignet sind Molverhältnisse von dreiwertigem Chrom zu Hypophosphit im Bereich von 0,16 "bis 5, jedoch werden Verhältnisse im Bereich von 0,7 "bis 1,7 "bevorzugt.ions have a low hypophosphite concentration and for high concentrations of trivalent auromions .a high hypophosphite concentration is appropriate. Molar ratios of trivalent chromium to hypophosphite are suitable in the range of 0.16 "to 5, however Ratios in the range from 0.7 "to 1.7" are preferred.
Wie bereits erwähnt, sind die im Elektrolyten vorhandenen Anionen nicht wesentlich. Da das Bad kein DMF oder ähnliche Puffer erfordert, wird der mögliche Bereich der Anionen etwas erweitert. Da jedoch das Hypophosphit ein mäßig starkes Reduktionsmittel ist, kann angenommen werden, daß Anionen mit stark oxydierenden Eigenschaften nachteilige Wirkungen haben. Beispielsweise sind von den gebräuchlichen Anionen die Nitrat- und Nitritanionen keine bevorzugten Anionen. Zu den bevorzugten Anionen gehören die Halogenidaniouen, insbesondere Chlorid-, Bromid- und Jodidanionen, Sulfat- und Phosphatanionen der verschiedensten Art. Geringe Mengen anderer Anionen können als Folge der Einbeziehung verschiedener Zusatzstoffe, auf die nachstehend eingegangen wird, ebenfalls vorhanden sein. Im Gegensatz zu DMF-Bädern, die vorzugsweise mit einem im wesentlichen einheitlichen Anion betrieben werden, können Hypophosphitbäder Gemische von Anionen ohne weiteres tolerieren. Es wird angenommen, daß durch Verwendung eines einheitlichen Anions in Hypophosphitbädern kein wesentlicher Vorteil vom technischen Standpunkt erzielt wird.As mentioned earlier, the anions present in the electrolyte are not essential. Since the bathroom has no DMF or similar Requires buffer, the possible range of anions is expanded somewhat. However, as the hypophosphite one is moderately strong reducing agent, it can be assumed that anions with strong oxidizing properties are detrimental Have effects. For example, the nitrate and nitrite anions are none of the common anions preferred anions. The preferred anions include the Halidaniouen, especially chloride, bromide and Iodide anions, sulfate and phosphate anions of the most varied Art. Small amounts of other anions can arise as a result of the inclusion of various additives which will be discussed below should also be present. In contrast to DMF baths, which are preferably with a If essentially uniform anions are operated, hypophosphite baths can readily contain mixtures of anions tolerate. It is believed that by using a uniform anion in hypophosphite baths, no essential Advantage from the technical point of view is achieved.
Den Hypophosphitbädern gemäß der Erfindung können vorteilhaft organische Puffer zugesetzt werden. Ebenso wie bei den bekannten dreiwertigen Chrombädern werden organische Puffer bevorzugt, die ein stark elektronegatives Sauerstoffatom enthalten und außerdem vorzugsweise aprotisch sind. Besonders bevorzugt wird Dimethylformamid. Für die Zwecke der Erfindung können die organischen Puffer verwendet werden, die in der USA-Patentschrift 3 772 170 beschrieben und definiert sind. DMF (oder ein andererOrganic buffers can advantageously be added to the hypophosphite baths according to the invention. As with The known trivalent chromium baths prefer organic buffers, which have a strongly electronegative oxygen atom and are also preferably aprotic. Dimethylformamide is particularly preferred. For the For purposes of the invention, the organic buffers disclosed in U.S. Patent 3,772,170 can be used are described and defined. DMF (or another
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Puffer) ist eine wahlweise verwendete Komponente der Bäder gemäß der Erfindung und gewöhnlich in Konzentrationen bis etwa 95 YoI.-^d des Elektrolyten vorhanden. Die Konzentration darf jedoch nicht so hoch sein, daß die Löslichkeit anderer Komponenten des Elektrolyten begrenzt wird und hierdurch unbrauchbare Konzentrationen erhalten werden. Da diese organischen Puffer verhältnismäßig teuer sind, wird ihre Konzentration vorzugsweise so gering wie möglich gehalten. Die Notwendigkeit der Verwendung der Puffer hängt von der relativen Reinheit der Ausgangsmaterialien, insbesondere 1er die Chromionen liefernden Verbindung ab. Wenn die Ausgangsmaterialien verhältnismäßig unrein sind und Materialien enthalten, die andernfalls eine nachteilige Wirkung auf das Leistungsvermögen des Elektrolyten haben könnten, kann ein organischer Puffer, insbesondere DMF, vorteilhaft sein, da er eine wesentliche Verschlechterung des Leistungsvermögens des Elektrolyten verhindert. Das z.Zt. erhältliche Chrom-(ill)-chlorid von technischer Reinheit enthält Verunreinigungen in ziemlich hohen Konzentrationen, so daß DMF dem Bad zur Verbesserung der Leistung oder vielmehr zur Verhinderung einer Verschlechterung der Leistung zugesetzt werden kann. Die hierzu notwendige Konzentration hängt natürlich von der Menge und Art der Verunreinigungen ab, jedoch sind für handelsübliche Sorten von Chrom(lll)--chlorid im allgemeinen 1 bis 40%, vorzugsweise 20 bis 35 Vol.-fo DMF, bezogen auf den Gesamtelektrolyten, geeignet. Chrom-(Ill)-sulfat ist z.Zt. in einer so reinen Form erhältlich, daß ein organischer Puffer im Elektrolyten nicht unbedingt notwendig ist, um das Verfahren durchführbar zu machen. Diese Puffer sind jedoch wahlweise verwendete Komponenten von Sulfatbädern.Buffer) is an optional component of the baths according to the invention and is usually present in concentrations of up to about 95 % of the electrolyte. However, the concentration must not be so high that the solubility of other components of the electrolyte is limited and thereby unusable concentrations are obtained. Since these organic buffers are relatively expensive, their concentration is preferably kept as low as possible. The necessity of using the buffers depends on the relative purity of the starting materials, in particular the compound which supplies the chromium ions. When the starting materials are relatively impure and contain materials that could otherwise have an adverse effect on the performance of the electrolyte, an organic buffer, particularly DMF, can be beneficial as it prevents substantial degradation of the performance of the electrolyte. The currently Commercial grade chromium (III) chloride available contains impurities in fairly high concentrations so that DMF can be added to the bath to improve performance, or rather to prevent deterioration in performance. The concentration required for this depends of course on the amount and type of impurities, but for commercial types of chromium (III) chloride are generally 1 to 40%, preferably 20 to 35% by volume of DMF, based on the total electrolyte, suitable. Chromium (III) sulfate is currently available in such a pure form that an organic buffer in the electrolyte is not absolutely necessary to make the process feasible. However, these buffers are optional components of sulfate baths.
Während des Betriebs pflegen die Elektrolyte gemäß der Erfindung wesentlich größere Mengen von gasförmigem Wasserstoff zu bilden als die bisherigen Systeme vom DMF-During operation, the electrolytes according to the invention maintain significantly larger amounts of gaseous To form hydrogen than the previous systems of DMF
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Typ. Dies ist insbesondere in Elektrolyten der Pall, die wenig oder keinen organischen Puffer enthalten. Durch Einbeziehung von Ammoniumionen werden Stabilität und Leitfähigkeit des Elektrolyten verbessert« Um eine wesentliche Wirkung zu erzielen, ist eine ungefähr 0,2-molare Konzentration des Aiiimoniumions notwendig. Die Konzentration kann auf etwa 6-molar erhöht werden, um die Wirkung zu' steigern. Bevorzugt wird ein Konzentrationsbereich von 1- bis 4-molar. Das Ammoniumion kann als Halogenid oder Sulfatsalz oder als Gemisch von Salzen zugesetzt oder durch Umsetzung von Ammoniak dt Säure in situ gebildet werden.Type. This is particularly so in electrolytes of the Pall, which Contains little or no organic buffer. The inclusion of ammonium ions increases stability and conductivity of the electrolyte improved «To achieve a substantial effect, an approximately 0.2 molar concentration is required of the Aiiimoniumion necessary. The concentration can be increased to about 6 molar to get the effect ' increase. A concentration range from 1 to 4 molar is preferred. The ammonium ion can be used as a halide or Sulphate salt or as a mixture of salts or can be formed in situ by reaction of ammonia dt acid.
Da der Abscheidungswirkungsgrad bei hohen Stromdichten gering ist, ist es gewöhnlich vorteilhaft, dem Elektrolyten Borsäure oder ein Borat zuzusetzen» Wenn keine Borsäure oder kein Borat vorhanden ist, kann die Ausbeute bei hohen Stromdichten auf nahezu Null fallen, wobei sich die Möglichkeit unbedeckter Stellen bei hohen Stromdichten ergibt. Borsäure oder Borat steigert den Gesamtwirkungsgrad der Abscheidung so, daß diese Möglichkeit ausgeschaltet ist. Die Mindestkonzentration zur Erzielung eines beachtlichen Effekts beträgt etwa 0,03-molar. Brauchbare Verbesserungen werden bis zu einer Konzentration von etwa 1-molar erzielt. Bevorzugt wird ein Bereich von 0,5-bis 1-molar- insbesondere etwa 0,75-molar. Borsäure ist auf Grund ihrer Fähigkeit, den Abscheidungswirkungsgrad zu verbessern, eine normale Komponente in technischen Elektrolyten. Beim Verfahren gemäß der Erfindung sind auf Grund des erhöhten pH-Werts wesentlich höhers .Konzentrationen von Borsäure oder Borat als bei bekannten Bädern möglich. ;Because the separation efficiency at high current densities is low, it is usually advantageous to add boric acid or a borate to the electrolyte »If no boric acid or no borate is present, the yield can drop to near zero at high current densities, with the possibility of uncovered places at high current densities results. Boric acid or borate increases the overall efficiency the deposition in such a way that this possibility is eliminated. The minimum concentration to achieve a considerable Effect is about 0.03 molar. Usable improvements are made up to a concentration of about 1 molar achieved. A range from 0.5 to is preferred 1 molar, in particular about 0.75 molar. Boric acid is on Reason of their ability to increase the separation efficiency improve, a normal component in technical electrolytes. In the method according to the invention are on Due to the increased pH value, the concentrations of boric acid or borate are significantly higher than in known baths possible. ;
Wie bei den bekannten dreiwertigen Chrombäd.ern üblich, können auch dem Elektrolyten gemäß der Erfindung Salze, insbesondere Halogenide und vor allem Chloride von Alkali- und Erdalkalimetallen, z.B. Natrium und Calcium, zugesetzt werden. Diese Zusätze verbessern die Leistung desAs usual with the well-known trivalent chrome baths, can also the electrolyte according to the invention salts, especially halides and especially chlorides of alkali and alkaline earth metals such as sodium and calcium can be added. These additives improve the performance of the
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Bades in Bezug auf Abscheidungsbereich, Stromausbeute und Deckvermögen ο Die Konzentration dieser Komponente beträgt gewöhnlich 0,5-molar oder mehr. Auf Grund der verhältnismäßig geringen Vorteile, die durch die Anwesenheit dieser Verbindungen im Vergleich zu der Wirkung des Hypophosphits erzielt werden, werden diese Zusätze als fakultativ und nicht als besonders bevorzugt angesehen.Bades in terms of deposition area, current efficiency and Opacity o The concentration of this component is usually 0.5 molar or more. Due to the proportionate little benefit from the presence of these compounds compared to the action of the hypophosphite are achieved, these additions are considered optional and not particularly preferred.
Zusätze von oberflächenaktiven Verbindungen können vorteilhaft für die Bäder gemäß der Erfindung sein. Bisher wurden in Bauern von dreiwertigem Chrom hauptsächlich oberflächenaktive Verbindungen vom kationaktiven Typ verwendet. Die anderen Typen wurden wegen der Neigung zur Bildung matter Abscheidungen oder schwarzer Flecken nicht bevorzugt. Die Elektrolyte gemäß der Erfindung sind in dieser Hinsicht viel weniger empfindlich, so daß kationaktive, amphotere und nicntionogene Typen von oberflächenaktiven Verbindungen verwendbar sind, tlach den bisherigen Erkenntnissen kann der bisherige Nachteil der anionaktiven Verbindungen bei den erfindungsgemäßen Bädern völlig ausgeschaltet werden. Es wird angenommen, daß diese erhöhte Toleranz eine Folge der durch die Erfindung ermöglichten höheren pH-Werte ist.Additions of surface-active compounds can be advantageous for the baths according to the invention. Until now were mainly used in farmers of trivalent chromium Cation-active type surface active compounds are used. The other types were made because of the propensity for Formation of dull deposits or black spots is not preferred. The electrolytes according to the invention are in much less sensitive in this regard, so that cation-active, amphoteric and non-ionogenic types of surface-active Connections are usable, tlach the previous ones Findings can completely eliminate the previous disadvantage of the anion-active compounds in the baths according to the invention will. It is believed that this increased tolerance is a result of the effects made possible by the invention higher pH levels.
Als Beispiele geeigneter oberflächenaktiver Verbindungen seien genannt:Examples of suitable surface-active compounds are:
Kationaktiver Typ: Oetyltrimethylammoniumbromid, substituierte Unidiazoline usw.Cation-active type: Oetyltrimethylammonium bromide, substituted Unidiazolines, etc.
Anionaktiver Typ: Natriumlaurylsulfat, sulfoniertesAnion-active type: sodium lauryl sulfate, sulfonated
Rizinusöl usw.Castor oil, etc.
Nichtionogener Typ: Höhere Fettalkohole, Äther und Epoxyde. Amphoterer Typ: Höhere Fettaminosäuren.Non-ionic type: higher fatty alcohols, ethers and epoxies. Amphoteric type: higher fatty amino acids.
Die oberflächenaktiven Verbindungen werden im allgemeinen in Konzentrationen von 5 bis 50 ppm zugesetzt. Ein möglicher weiterer Vorteil, der durch Zusatz eines geeignetenThe surface-active compounds are generally added in concentrations of 5 to 50 ppm. A possible one Another advantage of adding a suitable
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oberflächenaktiven Mittels erzielt werden kann, liegt darin, daß es das Spritzen des Bades als Folge der vorstehend erwähnten verstärkten Y/asserstoff entwicklung verringern kann.Surfactant can be achieved is that there is splashing of the bath as a result of the above mentioned increased hydrogen development can decrease.
Auch andere Einebner und Glanzsubstanzen können dem Elektrolyten gemäß der Erfindung zugesetzt werden, jedoch ist ihre Anwesenheit nicht entscheidend wichtig, und die mit ihnen erzielten Vorteile sind wesentlich geringer als bei den bekannten Systemen.Other levelers and gloss substances can also add to the electrolyte are added according to the invention, but their presence is not critically important, and that with the advantages achieved by them are much lower than with the known systems.
Der Zusatz gewisser Phthalate zum Elektrolyten kann «ich vorteilhaft insbesondere in Abscheidungssystemen mit gemischten Kationen auswirken. Di-n-alkylphehalate, z.B. Di-n-pentylphthalat und Di-n-butylphthalat, verbessern den Stromdichtebereich, über den nicht rostende Chromlegierungen (insbesondere Cr/Pe-, Cr/Ni- und Cr/Fe/Ni-Legierungsn) aus gemischten Elektrolyten abgeschieden werden können. Besonders vorteilhaft ist Di-n-pentylphthalat (DPP). Die Rolle der Phthalate ist ungewiss, aber bei der Abscheidung von Chrom-Eisen-Legierungen erweitern sie den Bereich, in dem nichtrostende Niederschläge abgeschieden werden. Eine bestimmte untere Grenze der Konzentration, die in den Elektrolyten gemäß der Erfindung wirksam ist, scheint es nicht zu geben. Verbesserungen werden bis zur Sättigung festgestellt. Es ist zweckmäßig, eine gesättigte Lösung in Gegenwart einer geringen Menge eines flüssigen Phthalate zu verwenden, um ständige Sättigung zu gewährleisten. Verschiedene andere Zusätze, z.B. Cetj^ltrimethylammoniumbromid, können ebenfalls vorteilhaft sein, wenn sie zusammen mit dem Hypophosphit verwendet werden.I can add certain phthalates to the electrolyte have an advantageous effect especially in deposition systems with mixed cations. Di-n-alkyl phthalates, e.g. Di-n-pentyl phthalate and di-n-butyl phthalate improve the Current density range over which stainless chromium alloys (especially Cr / Pe, Cr / Ni and Cr / Fe / Ni alloys) can be deposited from mixed electrolytes. Di-n-pentyl phthalate is particularly advantageous (DPP). The role of phthalates is uncertain, but when it comes to separating out chromium-iron alloys, they extend it Area in which stainless precipitates are deposited. A certain lower limit of concentration, which is effective in the electrolytes according to the invention does not seem to exist. Improvements will be made until the Saturation detected. It is convenient to use a saturated solution in the presence of a small amount of a liquid Use phthalates to ensure constant satiety. Various other additives, e.g. Cetj ^ ltrimethylammoniumbromid, can also be beneficial when used in conjunction with the hypophosphite.
Der Temperaturbereich, innerhalb dessen die Elektrolyte gemäß der Erfindung eingesetzt werden können, ist dem Temperaturbereich für die bekannten Elektrolyte von dreiwertigem Chrom ähnlich» Vorzugsweise wird bei oder in der Nähe von Raumtemperatur, doh. im Bereich von 25 + 5°C gearbeitet. Die praktische maximale Temperatur hängt vonThe temperature range within which the electrolytes of the invention can be used in accordance with is, the temperature range for the known electrolytes of trivalent chromium similar "is preferably at or near room temperature, o h. worked in the range of 25 + 5 ° C. The practical maximum temperature depends on
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den im Baa vorhandenen Anionen ab. Bei Chloridbädern ist etwa 35°O das Arbeitsmaximum, jedoch kann mit Sulfatbädern bis 55°G gearbeitet werden. Im allgemeinen arbeiten Systeme, die keinen organischen Puffer (DMF) enthalten, bei höheren Temperaturen als Systeme, die organische Puffer enthalten. Es ist typisch für die Elektrolyte gemäß der Erfindung, daß sie wesen+lich höhere Leitfähigkeiten haben als die bekannten Elektrolyte vom DMF-Typ, und dies hat den doppelten Vorteil einer Verminderung des Spannungsbedarfs und einer Herabsetzung das Erhitzens durch elektrischen Widerstand bei einer gegebenen Gesamtstromhöhe. Die bester. Elektrolyte gemäß der Erfindung vermögen "hei Umgebungstemperatur oder in dei Nähe von Umgebungstemperatur im wesentlichen beim thermischen Gleichgewicht zu arbeiten. Es besteht somit weitgehend keine Notwendigkeit mehr, das System absichtlich von außen zu kühlen.the anions present in the Baa. In the case of chloride baths, the working maximum is around 35 ° O, but sulfate baths up to 55 ° G can be used. In general, systems that do not contain organic buffer (DMF) operate at higher temperatures than systems that contain organic buffers. It is typical of the electrolytes according to the invention is that it essentially + Lich higher conductivities than the known electrolytes from DMF-type, and this has the double advantage of reducing the voltage requirement and a reduction in the heating by electrical resistance at a given total current amount. The best. Electrolytes according to the invention are "able to work at ambient temperature or in the vicinity of ambient temperature essentially at thermal equilibrium. There is thus largely no longer any need to intentionally cool the system from the outside.
Der erfindungsgemäße Elektrolyt ermöglicht ferner die direkte galvanische Verchromung von reaktionsfähigen Unterlagen viie Zink, Aluminium und Messing, ohne die unterlage vorher mit Kupfer oder Wickel zu plattieren, wie dies bei üblichen Bädern, bei denen das Chrom aus der sechswertigen Form abgeschieden wird, erforderlich isto Auf Grund ihres höheren typischen Arbeits-pH-Werts sind Hypophosphitbäder insofern den bekannten Direktplattierbädern, bei denen das Chrom aus der dreiwertigen Form abgeschieden wird, überlegen, als das Gruntfmetall in geringerem Maße einem Säureangriff unterliegt« Ein gewisser Säureangriff findet.jedoch statt, wenn nicht eine dünne Schutzschicht aus Chrom auf das Grundmetall aufgebracht wird. Dies kann geschehen, indem das Werkstück spannungsführend (live) in das Bad getaucht und/oder mit hoher Anfangsstromdichte gearbeitet wird.The electrolyte according to the invention also enables the direct galvanic chrome-plating of reactive substrates viie zinc, aluminum and brass, without previously plating the substrate with copper or winding, as is the case with common baths, in which the chromium is deposited from the hexavalent form, is necessary because of their Higher typical working pH values are hypophosphite baths insofar as the known direct plating baths, in which the Chromium is deposited from the trivalent form, superior to an acid attack to a lesser extent than the base metal subject to «A certain acid attack takes place, however, if not a thin protective layer of chrome is applied to the base metal. This can be done by immersing the workpiece live in the bath and / or working with a high initial current density will.
Ein wichtiges Nebenmerkmal der Erfindung ist die Möglichkeit der Bildung von Legierungsabscheidungen durch Verwendung eines geeigneten Gemisches von Kationen im Elek-An important minor feature of the invention is the ability the formation of alloy deposits through the use of a suitable mixture of cations in the elec-
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trolyten. Von "besonderem Interesse sind Chrom-Eisen-,
Chrom-Nickel- und Chrom-Eisen-Nickel-Systeme <> Die Dynamik solcher "binären und ternären Systeme ist kompliziert
und noch nicht völlig aufgeklärte Soweit sie jedoch die
Zusammensetzung der an der Kathode gebildeten Abscheidung beeinflussen, scheinen die folgenden Faktoren v/ichtig zu
sein: Bei Hypophosphitkonzentrationen von ähnlicher Molarität
zum Chrom(lll)-ion und bei Konzentrationen des letzteren oberhalb von 0,8-molar ist die Geschwindigkeit der
Abscheidung von Chrom aus einem Elek+rolyten von konstanter Zusammensetzung völlig unabhängig von der Stromdichte
und auch von etwaigen anderen Kationen, die gleichzeitjg
an der Kathode abgeschieden werden. In einer gegebenen
Zeit ist somit die tatsächliche Chrommetallmenge, die an der Kathode abgeschieden wird, konstant. Dies ist weder
bei Eisen· noph bei Nickel der PaIl0 Die Abscheidungsgeschwindigkeit
dieser beiden Metalle ist eine Punktion der Konzentration. Die Punktionen, die die Konzentration und
Abscheidungsgeschwindigkeit verbinden, sind direkt, aber nicht linear. Durch Veränderung der Konzentrationen von
Eisen und/oder Nickel in gemischten Plattierbädern können G-rundmetalle mit einem Niederschlag von vorbestimmter
Zusammensetzung überzogen werden. Bei Hypophosphitbädern ist die Abhängigkeit der Abscheidungsgeschwindigkeit von
Eisen und/oder Nickel von der Stromdichte erheblich geringer als bei den bekannten Systemen. Es ist somit möglich,
Niederschläge mit ungefähr konstanter Zusammensetzung unabhängig von der Stromdichte aufzubringen. Dieser
Ausgleichseffekt ist jedoch bei Eisen und Nickel nicht so ausgeprägt wie bei Chrom, so daß hier eine gewisse Änderung
der Zusammensetzung des Niederschlages mit der Stromdichte eintritt.trolytes. Of "particular interest are chromium-iron,
Chromium-nickel and chromium-iron-nickel systems <> The dynamics of such "binary and ternary systems are complicated and not yet fully understood. As far as they are, however
Influence the composition of the deposit formed on the cathode, the following factors appear to be important: At hypophosphite concentrations of similar molarity to the chromium (III) ion and at concentrations of the latter above 0.8 molar, the rate of deposition of chromium is from an electrolyte of constant composition completely independent of the current density and also of any other cations that are simultaneously deposited on the cathode. In a given
The actual amount of chromium metal deposited on the cathode is thus constant over time. This is neither
in the case of iron noph, in the case of nickel, it is Pal 0 The rate of deposition of these two metals is a point of concentration. The punctures that connect the concentration and deposition rate are direct but not linear. By changing the concentrations of
Iron and / or nickel in mixed plating baths can make G-round metals with a precipitate of predetermined
Composition to be coated. In hypophosphite baths, the dependence of the rate of deposition of iron and / or nickel on the current density is considerably lower than in the known systems. It is thus possible to apply precipitates with an approximately constant composition regardless of the current density. However, this compensating effect is not as pronounced with iron and nickel as with chromium, so that here a certain change in the composition of the deposit occurs with the current density.
In binären Systemen, z.B. Chrom-Eisen- oder Chrom-Nickel-Systemen,
steigt im allgemeinen der Chromgehalt der
niedergeschlagenen Legierung mit steigenden StromdichtenIn binary systems, for example chromium-iron or chromium-nickel systems, the chromium content of the generally increases
deposited alloy with increasing current densities
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auf Kosten der anderen Komponente. In ternären Systemen, d.ho Chrom-Eisen-Nickel-Systemen, ist die Situation komplizierter, jedoch lassen die bisher erhaltenen Ergebnisse erkennen, daß der Chromgehalt mit steigender Stromdichte weitgehend auf Kosten das Eisens steigt, während der Anteil des Nickels im endgültigen Niederschlag, ausgedrückt als Bruchteil des Gesamtniederschlagea, ungefähr konstant bleibt. Die verfügbaren Daten sind auf Grund der offensichtlichen verhältnismäßig hohpn Abscheidungsgeschwindigkeiten von Eisen nicht eindeutig. Höhere Abscheidungsgeschwinaigkeiten des Nickels können durchaus einen viel stärkeren Ersatz des Nickels durch Chrom offenbaren.at the expense of the other component. In ternary systems, i.e. chromium-iron-nickel systems, the situation is more complicated, however, the results obtained so far indicate that the chromium content increases with increasing current density largely at the expense of the iron increases while the proportion of nickel in the final precipitation, expressed as a fraction of the total precipitationa, approximately remains constant. The data available are due to the apparent relatively high deposition rates of iron not unambiguous. Higher deposition rates of the nickel can definitely do one reveal much stronger replacement of nickel by chromium.
Es ist ein Merkmal von binären und ternären Abscheidungssysterrien in Hypophosphit-Elektrolyten, daß örtliche Schwankungen der Zusammensetzung geringer sind und daher nichtrostende Niederschläge, die Eisen enthalten, über einen viel weiteren Bereich von Stromdichten gebildet werden können. Nichtrostende Plattierungen wurden bei Stromdichten von.nur 50 A/m gebildet, es ist jedoch damit zu rechnen, daß dieser Bereich im Verlauf weiterer Entwicklungsarbeiten erweitert wird. Die genauen Gründe für diese Verbesserung sind unbekannt, jedoch kann sie eine Po]ge der Tatsache sein, daß die Funktion von Abscheidungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Stromdichte in Gegenwart von Hypophosph.it gleichmäßig gestaltet wird. Die Verbesserung des Bereichs, in dem nichtrostende Niederschläge abgeschieden werden, kann durch Zusatz von Phthalaten, insbesondere DPP, gesteigert werden.It is a feature of binary and ternary separation systems in hypophosphite electrolytes that local fluctuations in the composition are smaller and therefore stainless precipitates containing iron are formed over a much wider range of current densities can be. Stainless plating has been formed at current densities of only 50 A / m, but it is so It is to be expected that this area will be expanded in the course of further development work. The exact reasons for this improvement is unknown, but it may be due to the fact that the function of deposition rate is made uniform depending on the current density in the presence of hypophosph.ite. The improvement of the area in which stainless deposits are deposited can be achieved by adding Phthalates, especially DPP, can be increased.
Da das Eisen(lll)-ion ein Oxydationsmittel ist, stört es die Abscheidung von Chrommetall aus Lösungen von Chrom-(Ill)-ionen. Ferner würde ein etwaiges EiSe^j(IIl)-IOn das Bestreben haben, das Hypophosphit zu oxydieren. Vorzugsweise wird daher jegliches Eisen, das dem Chrombad gemäß der Erfindung zugesetzt wird, in einer niedrigeren Wertigkeitsstufe zugegeben. Im allgemeinen wird das Eisen alsSince the iron (III) ion is an oxidizing agent, it interferes the deposition of chromium metal from solutions of chromium (III) ions. Furthermore, any EiSe ^ j (IIl) -IOn would Endeavor to oxidize the hypophosphite. Therefore, any iron that is suitable for the chromium bath is preferably used of the invention is added, added in a lower valence level. Generally the iron is called
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Eisen(Il)-salz zugesetzt.Iron (II) salt added.
Die Konzentration des gegebenenfalls zugesetzten-Eisens "beträgt im allgemeinen 0,05 "bis 2,5 Mol, vorzugsweise 0,1 bis 1 Mol und die Konzentration■des gegebenenfalls zugesetzten Nickels 0,05 bis 1 Mol, vorzugsweise 0,1. bis , 0,5 Mol. Die genaue Konzentration von Eisen und/oder Nickel hängt von der gewünschten Zusammensetzung der abzuscheidenden Legierung ab.The concentration of any iron added "is generally 0.05" to 2.5 moles, preferably 0.1 to 1 mol and the concentration ■ of the optionally added nickel 0.05 to 1 mol, preferably 0.1. up to, 0.5 moles. The exact concentration of iron and / or Nickel depends on the desired composition of the alloy to be deposited.
Ebenso wie die bekannten Elektrolyse, die dreiwertiges Chrom enthalten, kann der Elektrolyt gemäß der Erfindung verwendet werden, um Überzüge zu bilden, die inertes feinteiliges Material enthalten. Das Material in Porm von Teilchen mit einem Durchmesser von gewöhnlich 5 M oder kleiner oder Whiskers,die im allgemeinen eine Länge von 3 bis 6 mm und einen Durchmesser bis 100 α haben, wird während der elektrolytischen Abscheidung durch Bewegen des Bades mit Luft ο.dgl. j na Elektrolyt suspendiert. An der Kathode wird hierbei ein Chromniederschlag (oder ein Legierungsniederschlag mit einem anderen Metall), in dem die Teilchen oder Whiskers eingebettet sind, abgeschieden. Die verwendeten Teilchen oder Whiskers können größer sein, als vorstehend angegeben, wenn die Lösung in geeigneter Weise stark bewegt wird. Typische inerte Stoffe, die sich für diesen Auftrag eignen, sind beispielsweise Aluminiumoxyd, Yiteroxyd, Zirkondiborid, Molybdändisulfid und Wolframcarbid. Durch den Zusatz dieser Materialien wird die elektrolytisch abgeschiedene Oberflächenschicht härter und verschleißfester, als es sonst der EaIl wäre.As well as the known electrolysers containing trivalent chromium, the electrolyte according to the invention can be used to form coatings containing inert, finely divided material. The material in Porm of particles having a diameter of usually have α and 100 5 M or less or whiskers having a length generally of 3 to 6 mm and a diameter, is ο.dgl during electrodeposition bath by moving the air with . y na electrolyte suspended. A chromium deposit (or an alloy deposit with another metal), in which the particles or whiskers are embedded, is deposited on the cathode. The particles or whiskers used can be larger than indicated above if the solution is agitated appropriately. Typical inert substances that are suitable for this application are, for example, aluminum oxide, yiter oxide, zirconium diboride, molybdenum disulfide and tungsten carbide. The addition of these materials makes the electrolytically deposited surface layer harder and more wear-resistant than would otherwise be the case.
Die Elektrolyte gemäß der Erfindung können durch Mischen der Komponenten und anschließendes Einstellen des pH-Werts hergestellt werden. Ausgehend von normalen Chrom(IIl)-salzen, Natriumhypophosphit und vorzugsweise Ammoniumsalzen von Mineralsäuren gegebenenfalls zusammen mit Borsäure, einer oberflächenaktiven Verbindung oder anderenThe electrolytes according to the invention can be mixed by mixing of the components and then adjusting the pH. Based on normal chromium (III) salts, Sodium hypophosphite and preferably ammonium salts of mineral acids, optionally together with boric acid, a surface active compound or others
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Zusätzen der vorstehend beschriebenen Art wird durch Auflösen dieser Bestandteile in V/asser oder Gemischen von Wasser und organischen Puffern im allgemeinen ein Elektrolyt erhalten, dessen natürlicher pH-Wert in dem bevorzugten Bereich für die elektrolytische Abscheidung liegt. Der pH-V/ert jedes Gemisches hängt jedoch von der genauen Art der Ausgangsmaterialien ab. Der pH-Wert kann einfach durch Zusatz von Mineralsäure oder Ätzalkali (oder Ammoniak) nach Bedarf eingestellt werden. Es wurde die überraschende Peststellung gemacht, daß bei Hypophosphitkonzentrationen von mehr als etwa 1 Mol und Konzentrationen des dreiwertigen Chroms von 0,8 Mol oder mehr eine Erhöhung des pH-Werts der Lösung auf mehr als 7 zur Folge hat, daß das Gemisch erstarrt oder geliert. Das hierbei gebildete teerartige Material kann zu feinem Granulat zerkleinert werden, das in den berechneten Säuremengen wieder gelöst werden kann, wobei erneut das Plattierbad erhalten wird. Dieser teerartige Peststoff ermöglicht bequemen Transport und bequeme Lagerung des Elektrolyten und stellt ein weiteres Merkmal der Erfindung dar. Bisher ist die genaue Natur dieses Feststoffs unbekannt, obwohl angenommen wird, daß seine Gesamtzusammensetzung bestimmt werden kann.Additions of the type described above, by dissolving these constituents in water or mixtures of water and organic buffers, generally an electrolyte is obtained, the natural pH of which is in the preferred range for electrolytic deposition. However, the pH of each mixture depends on the exact nature of the starting materials. The pH can be easily adjusted by adding mineral acid or caustic alkali (or ammonia) as required. The surprising finding has been made that at hypophosphite concentrations of more than about 1 mole and concentrations of trivalent chromium of 0.8 moles or more, an increase in the pH of the solution above 7 results in the mixture solidifying or gelling . The tar-like material formed in this way can be crushed into fine granules, which can be dissolved again in the calculated amounts of acid, the plating bath being obtained again. This tarry pesticide enables convenient transportation and storage of the electrolyte and constitutes a further feature of the invention. Heretofore, the exact nature of this solid is unknown, although it is believed that its overall composition can be determined.
Außer diesem Gel umfaßt die Erfindung eine aus dem Gemisch der Komponenten des Elektrolyten bestehende Masse, dio, wenn sie in Wasser, wäßriger Säure oder wäßrigem Alkali oder in Gemischen derselben mit einem organischen Puffer gelöst wird, eine Lösung bildet, die sich für die Verwendung als Elektrolyt gemäß der Erfindung eignet. Typisch für ein solches Gemisch ist die folgende Zusammensetzung:In addition to this gel, the invention comprises one of the mixture the mass of the components of the electrolyte, dio, when dissolved in water, aqueous acid or aqueous alkali, or in mixtures thereof with an organic buffer forms a solution suitable for use as an electrolyte according to the invention. Typical for a such mixture is the following composition:
Dreiwertiges Chromion (Cr ): 25 bis 100, vorzugsweiseTrivalent chromium ion (Cr): 25 to 100, preferably
35 bis 70 Gew.-Teile.35 to 70 parts by weight.
Hypophosphition (HpPO ~) : 5 bis 130, Vorzugsv;eiseHypophosphite ion (H p PO ~): 5 to 130, preferred
40 bis 100 Gew.-Teile40 to 100 parts by weight
Ammoniumion (NHh+): 3 bis 100, vorzugsweiseAmmonium ion (NHh + ): 3 to 100, preferably
20 bis 70 Gew.-Teile20 to 70 parts by weight
Das Gewichtsverhältnis von Chromion zu Hypophosphition sollte 0,16 bis 4, vorzugsweise 0,6 bis 1,4, und dasThe weight ratio of chromium ion to hypophosphite ion should be 0.16 to 4, preferably 0.6 to 1.4, and that
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Gewichtsverhältnis von Chromion zu Ammoniumion 0,5 bis 7, vorzugsweise 1 bis 4 betragen. Die Konzentrationen von Chrom, Hypopho-spb.it und Ammoniumion sind hier als Ionen und natürlich nicht als die tatsächlich verwendete Art der Materialien ausgedrückt. Die Arten der Verbindungen, die tatsächlich verwendet werden, sind nachstehend genannt: The weight ratio of chromium ion to ammonium ion is 0.5 to 7, preferably 1 to 4. The concentrations of Chromium, Hypopho- spb.it and ammonium ion are here as ions and of course not expressed in terms of the type of materials actually used. The types of connections which are actually used are listed below:
Chrom(lll)-chloridhexahydrat CrCl3c6H2OChromium (III) chloride hexahydrate CrCl 3 c6H 2 O
Natriumhypophosphitmonohydra-NaH2PO9.H2O Sodium hypophosphite monohydra -NaH 2 PO 9 .H 2 O
Ammoniumchlorid MH.ClAmmonium chloride MH.Cl
Borsäure B(OH.)Boric acid B (OH.)
Oberflächenaktive Verbindung Cetyltrimethylammoniumbromid (Cetavlon)Surface active compound Cetyltrimethylammonium bromide (cetavlon)
150 bis 500, vorzugsweise 200 bis 400 Gew.-Teile150 to 500, preferably 200 to 400 parts by weight
10 bis ?.00, vorzugsweise 50 bis 100 Gew.-Teile10 to? .00, preferably 50 to 100 parts by weight
50 bis 170, vorzugsweise 55 bis 110 Gew.-Teile50 to 170, preferably 55 to 110 parts by weight
bis 65, vorzugsweise 30 bis 65 Gew.-Teileto 65, preferably 30 to 65 parts by weight
bis 0,5 Gew.-Teileup to 0.5 part by weight
Die Mengenverhältnisse von dre.iwertigem Chromion zu Hypophosphition und von dreiwertigem Chromion zum Ammoniumion sollten in den vorstehend genannten Bereichen liegen.The proportions of trivalent chromium ion to hypophosphite ion and from trivalent chromium ion to ammonium ion should be in the above ranges.
Chrom(ll±)-sulfatnonahydrat Cr2ZS04„73.9H20Chromium (II ±) sulfate nonahydrate Cr 2 ZS0 4 "7 3 .9H 2 0
Natriumhypophosphit als NaH2PO2.H2OSodium hypophosphite as NaH 2 PO 2 .H 2 O
Ammoniums u If at
Borsäure alsAmmonium u If at
Boric acid as
100 bis 400, vorzugsweise 150 bis 300 Gew.-Teile100 to 400, preferably 150 to 300 parts by weight
10 bis 200, vorzugsweise 50 bis 150 Gew.-Teile10 to 200, preferably 50 to 150 parts by weight
30 bis 200, vorzugsweise 50 bis 150 Gew.-Teile30 to 200, preferably 50 to 150 parts by weight
bis 65, vorzugsweise ^ 30 bis 65 Gew.-Teileto 65, preferably from 30 to 65 parts by weight
Cetyltrimethylammoniumbromid bis 0,5 Gew.-TeileCetyltrimethylammonium bromide up to 0.5 part by weight
Auch hier sollten die Mengenverhältnisse von dreiwertigem Chromion zu Hypophosphition und von dreiwertigem Chromion zu Ammoniumion innerhalb der vorstehend genannten Bereiche liegen.Here, too, should be the proportions of trivalent Chromium ion to hypophosphite ion and from trivalent chromium ion to ammonium ion within the above ranges lie.
509816/1109509816/1109
Durch Auflösen dieser Mengen in V/asser oder in einem Wasser-Wasser-DMF-Gemisch (Volumenverhältnis von Wasper zu DMF beispielsweise 50:50) bis zu einem Volumen von 1000 Teilen wird ein Chrombad gernäß der Erfindung erhalten.By dissolving these quantities in V / water or in a water-water-DMF mixture (Volume ratio of Wasper to DMF, for example 50:50) up to a volume of 1000 parts a chrome bath is obtained according to the invention.
Die Elektrolyte gemäß der Erfindung haben eine hohe Stabilität über lange Betriebszeiten. Bei Versuchen arbeiteten Bäder einwandfrei mehr als 30 Ah/l. Die Elektrolytlösungen sind nicht unter allen Lagerbedingungen beständig. Bei pH-Werten während der Lagerung von' weniger als 1,5 pflegt die Stromausbeute zu steigen und bei pH-Werten über 3j5 zu fallen. Es wird angenommen, daß die vorstehend beschriebenen festen Massen unendlich lange beständig sind.The electrolytes according to the invention have a high stability over long operating times. In tests, baths worked flawlessly at more than 30 Ah / l. The electrolyte solutions are not stable under all storage conditions. Maintains at pH values during storage of 'less than 1.5 the current efficiency increases and at pH values above 3j5 to fall. The solid masses described above are believed to last indefinitely.
Die Stabilität der Elektrolyte während langer Betriebszeiten ist ein weiteres Anzeichen, daß weder das Hypopnosphit während der Elektrolyse schnell verbraucht wird noch die Zersetzungsprodukte des Hypophosphits, die gebildet werden können, schädlich sind. Die Elektrolyte gemäß der Erfindung können über lange Zeiträume eingesetzt v/erden, indem einfach weitere dreiwertige Chromionen (und andere Niederschläge bildende Ionen) dem Elektroly- ^ten zusammen mit V/asser nach Bedarf und, falls erforderlich, geringe Mengen Säure oder Alkali zur Aufrechterhaltung des pH-Werts zugesetzt werden. Verluste durch Austrag mit den Werkstücken werden durch Zusatz von Badbestandteilen ersetzt.The stability of the electrolytes during long periods of operation is another indication that neither the hypopnosphite During the electrolysis, the decomposition products of the hypophosphite that are formed are quickly consumed are harmful. The electrolytes according to the invention can be used for long periods of time v / ground by simply adding more trivalent chromium ions (and other precipitates forming ions) to the electrolyte ^ th together with V / ater as needed and, if necessary, small amounts of acid or alkali may be added to maintain the pH. Losses due to discharge with the workpieces by adding bath components replaced.
Pie aus dem Elektrolyten und nach dem Verfahren gemäß der Erfindung abgeschiedenen Niederschläge sind dunkler im !Farbton als die aus der sechswertigen Chromform abgeschiedenen Niederschläge. Sie scheinen etwas dunkler zu sein, als dies für die bisher bekannten, mit dreiwertigem Chrom arbeitende Systeme normal ist. Dupernell-Tests bei 0,25 ja haben ergeben, daß der Niederschlag stark mikroporös ist. Gemäß der Erfindung hergestellte Überzüge von Chrom und Chrom-Eisen, Chrom-Nickel und Chrom-Eisen-Nickel sind äußerst beständig gegen konzentrierte Salzsäure, und diePie from the electrolyte and precipitates deposited by the method according to the invention are darker in color than the precipitates deposited from the hexavalent chromium form. They appear to be a little darker than is normal for the previously known systems that work with trivalent chromium. Dupernell tests at 0.25 yes have shown that the precipitate is highly microporous. Coatings of chromium and chromium-iron, chromium-nickel and chromium-iron-nickel produced according to the invention are extremely resistant to concentrated hydrochloric acid, and the
5098 16/11095098 16/1109
vollständige Auflösung selbst einer 0,25 M dicken Auflage kann bis zu 30 Minuten dauern« Bei LegierungQüberzügen kann es erforderlich sein, sie zu erhitzen, um vollständige Auflösung zu erreichen.. Dickere Auflagen werden mit langer werdender Abscheidungszeit allmählich dunkler in der Farbe und schließlich schwarz. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann angewandt werden, um Chrom und Chromlegierungen auf allen üblichen 3-rundmetallen wie Eisen, Stahl und Nickel sowie schwierigeren Unterlagen wie Aluminium, Kupfer, Messing und Zink abzuscheiden. Es wurde beobachtet, daß die Verbindung von Chrom auf Nickelniederschlägen mit zu hohem Glanzzusatz oder unvollständig ak— tivierten Nickelniederschlägen sich löst. Diese Art der Lösung der Verbindung zwischen Chromniederschlag und Unterlage kann ausgeschaltet werden, beispielsweiseComplete dissolution of even a 0.25 m thick layer can take up to 30 minutes. Alloy Q coatings may need to be heated to achieve complete dissolution. Thicker layers gradually darken in color and become darker as the deposition time increases finally black. The method according to the invention can be used to deposit chromium and chromium alloys on all common 3-round metals such as iron, steel and nickel as well as more difficult substrates such as aluminum, copper, brass and zinc. It has been observed that the connection of chromium on nickel deposits with excessive brightening or incompletely activated nickel deposits dissolves. This type of dissolution of the connection between the chromium deposit and the substrate can be switched off, for example
durch kurzzeitige kathodische Behandlung bei 1500 A/m in 10/oigem Na+riumcyanid und anschließendes gutes Spülen vor der Abscheidung des Chroms.by brief cathodic treatment at 1500 A / m in 10% sodium cyanide and then good Rinse before the chromium is deposited.
Durch den Elektrolyten und das Elektroplattierverfahren gemäß der Erfindung werden die Schwierigkeiten vermieden, die vorher mit der Chlorentwicklung an der Anode verbunden r waren. Es besteht nun keine Notwendigkeit mehr, spezielle Anoden oder einen gesonderten Anolyten oder Katholyten zu verwenden. Gemäß der Erfindung können vorteilhaft Graphitanoden verwendet werden<, Ein Merkmal, das bei diesem Bad ausgeprägter ist als bei den bisherigen dreiwertigen Chromsystemen, ist die stärkere Wasserstoffentwicklung an der Kathode, insbesondere wenn die Konzentrationen an organischem Puffer niedrig sind oder kein organischer Puffer vorhanden ist» Dies ist eine Unbequemlichkeit, aber kein Nachteil, da die Entwicklung von gasförmiger.!! Wasserstoff keinen Einfluß auf die Abscheidungscharakteristiken oder auf die gebildeten Niederschläge zu haben scheint. Das auf die Wasserstdffentwicklung zurückzuführende Sprühen der Oberfläche kann ausgeschaltet werden, indem,The electrolyte and the electroplating process according to the invention avoid the difficulties which was previously connected with the evolution of chlorine at the anode was. There is now no longer any need to be special To use anodes or a separate anolyte or catholyte. According to the invention can be advantageous Graphite anodes are used <, a feature that applies to this Bad is more pronounced than with the previous trivalent chromium systems, the stronger hydrogen evolution is on the cathode, especially when the organic buffer concentrations are low or no organic buffer is present »This is an inconvenience, but not a disadvantage, since the evolution of gaseous forms. !! hydrogen does not appear to have any influence on the deposition characteristics or on the precipitates formed. The spraying of the surface due to the evolution of hydrogen can be switched off by,
509816/1109509816/1109
wie bereits erwähnt, eine oberflächenaktive Verbindung dem Elektrolyten zugesetzt wird.as already mentioned, a surface-active compound is added to the electrolyte.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert.The invention is further illustrated by the following examples.
Beispiel 1■ Example 1 ■
Ein Chrombad der folgenden Zusammensetzung wurde hergestellt: A chrome bath of the following composition was made:
1 Mol CrCl5 ο6H2O1 mole of CrCl 5 ο6H 2 O
1 Mol NH4Cl1 mole of NH 4 Cl
1 Mol NaH2FO2.H2O1 mole of NaH 2 FO 2 .H 2 O
1 Mol B(OB) 300 g DMI1 V/asser zur Auffüllung auf 11 mol B (OB) 300 g DMI 1 V / water to make up to 1
Per Elektrolyt hatte die folgenden Eigenschaften: pH 3Per electrolyte had the following properties: pH 3
2 Abscheidungsbereich 75 bis 6000 A/m Hull-Zellenspannung 18 V Hull-Zellenstrom 10 A2 Deposition range 75 to 6000 A / m Hull cell voltage 18 V Hull cell current 10 A
Die Proben wurden in einem Bad, das den Elektrolyten enthielt, 2 Minuten bei 25 C plattiert, wobei die folgenden Niederschläge erhalten wurden:The samples were plated in a bath containing the electrolyte for 2 minutes at 25 C, with the following Precipitations were obtained:
Stromdichte,Current density,
A/nr 100 450 800 1500 2500 4000 6000A / nr 100 450 800 1500 2500 4000 6000
Dicke, pi 0,1 0,28 0,25 0,24 0,30 0,25 0,20Thickness, pi 0.1 0.28 0.25 0.24 0.30 0.25 0.20
Die Ergebnisse zeigen eine von der Stromdichte fast unabhängige Verteilung der Dicke,,The results show that the thickness distribution is almost independent of the current density.
Ein Elektrolyt wurde aus folgenden Bestandteilen hergestellt: An electrolyte was made from the following components:
0,8 Mol CrCl3 ο 6 H3O0.8 moles of CrCl 3 ο 6 H 3 O
1,5 Mol NH4Cl -1.5 moles of NH 4 Cl -
0,75 Mol NaII2PO2.H2O0.75 moles of NaII 2 PO 2 .H 2 O
0,75 Mol B(OH)3 0.75 moles of B (OH) 3
200 g DMi1 .. . .. _ '_ _200 g DMi 1 ... .. _ '_ _
509816/ 1 1509816/1 1
Wasser zur Auffüllung auf 1 1Water to make up to 1 1
Der Elektrolyt hatte die folgenden Eigenschaften: pH .2,5The electrolyte had the following properties: pH .2.5
Abscheidungsbereich .50-10000 A/m Hull-Zellenspannung 13 V HuIl-Zeilenstrom 10 ADeposition range .50-10000 A / m Hull cell voltage 13 V. Hull line current 10 A
Die Proben wurden 2 Minuten bei 25°C mit folgenden Ergebnissen plattiert:The samples were plated for 2 minutes at 25 ° C with the following results:
Stromdichte, A/m2 100 450 800 1250 2400 5000 Dicke, jam 0,15 0,30 0,35 0,33 0,30 0,20 Diese Ergebnisse zeigen, daß dieses Bad einen wesentlich höheren Wirkungsgrad hatte als das in Beispiel 1 genannte Bad, jedoch noch einen im wesentlichen gleichmäßigen !Niederschlag bildete.Current density, A / m 2 100 450 800 1250 2400 5000 Thickness, jam 0.15 0.30 0.35 0.33 0.30 0.20 These results show that this bath was much more efficient than that in Example 1 called bath, but still formed an essentially uniform precipitate.
Ein Elektrolyt der folgenden Zusammensetzung wurde hergestellt: An electrolyte of the following composition was prepared:
0,8 Mol CrCl5 ο 6 H2O0.8 moles of CrCl 5 ο 6 H 2 O
1,5 Mol1.5 moles
0,75 Mol0.75 moles
0,75 Mol 222 0.75 moles 222
150 g DMF150 g DMF
V/asser zur Auffüllung auf 1 1 10 ppm CetyltrimethylammoniumbromidV / water to make up to 1 1 10 ppm cetyltrimethylammonium bromide
Hiermit wurde ein Bad mit den folgenden Eigenschaften erhalten:This gave a bath with the following properties:
pH 1,8pH 1.8
Abscheidungsbereich 60 bis 5000 A/mDeposition range 60 to 5000 A / m
Hull-Zellenspannung 12 VHull cell voltage 12 V
Hull-Zellenstrom . 10 AHull cell stream. 10 A
Die Proben wurden 2 Minuten bei 25°C mit folgenden Ergebnissen plattiert:The samples were stored for 2 minutes at 25 ° C with the following results plated:
Stromdichte, A/m2 150 300 600 1000 2000 4000Current density, A / m 2 150 300 600 1000 2000 4000
Dicke,/im 0,1 0,15 0,25 0,25 0,20 0,15Thickness, / in 0.1 0.15 0.25 0.25 0.20 0.15
5 0 9 816/11095 0 9 816/1109
Ein τ Olli G wässriges Sulfatbad warde au 3 folgenden Bestand teilen ηernesteiltjAn τ Olli G aqueous sulfate bath was made up of the following 3 constituents share ηernesteilj
0,5 Mol (3r2{SO453.9H2O <1 Mol0.5 mol (3r 2 {SO 4 5 3 .9H 2 O <1 mol
2 MdI (1H4)2SO4 (4 »öl2 MdI (1H 4 ) 2 SO 4 (4 »oil
1 M1 M.
Wasser ζ or tof füllung auf insgesamt 1 LiterWater ζ or tof filling to a total of 1 liter
Hiermit war Se ein Bad mit folgenden Eigenschaften erhaltsn pH 2,5A bath with the following properties was thus obtained pH 2.5
Abscheidrrnssbereiuih 5ö bi^ 5DO0 A/mAbscheidrnssbereiuih 5ö bi ^ 5DO0 A / m
Hall-2ellenspannariJg 1Ό THall-2ellenspannari J g 1Ό T
10 A10 A
Proten -wurden 2 liiaateu !bei 25°C plattiert, wobei "Niederschläge mit folgenden Eigenschaften erkalten wurden: Stromdichte, A/m2 100 400 1000 3000 3000 Dicke, am 0,1 0a28 0,33 0,30 0,20Protes were plated 2 times at 25 ° C., with "precipitates having the following properties being cooled: current density, A / m 2 100 400 1000 3000 3000 thickness, at 0.1 0 a 28 0.33 0.30 0.20
Ein erfindiansgemäßer Elektrolyt warde olhne Borsäure aus folgenden Bestandteilen 'hergestellt:An electrolyte according to the invention was made without boric acid the following components':
0,8 Mol OrGl3. 6H2O0.8 moles of OrGl 3 . 6H 2 O
1,5 Mol IH4Gl1.5 moles IH 4 Eq
0,8 Mol UaH2PO2 .H2 Q0.8 moles of UaH 2 PO 2 .H 2 Q
200 E DME200 E DME
Wasser .zur Auffüllung auf 1 1Water. To fill up to 1 1
Hiermit wurde ein Bad mit fönenden Eigenschaften erhaltens PH 2,0This gave a bath with blow-drying properties PH 2.0
ADseneidungslaerelDn 60 bis 5000 A/m2 Hull—Zellenspannung 12 TADseneidungslaerelDn 60-5000 A / m 2 Hull cell oltage 12 T
Hull-Zellenstroin 10 AHull cell flow 10 A
Proben wurden 2 Minuten bei 25°G mit inenden Ergebnissen plattiert:Samples were plated for 2 minutes at 2 5 ° G with results:
5 0 9 81B/11Ü 95 0 9 81B / 11Ü 9
2 4 /f 7 8 9 72 4 / f 7 8 9 7
Stromdichte, A/m2' 100 250 600 1000 2000 4000 Dicke, ,um 0,1 0,12 0,24 0,24 0,15 0,06Current density, A / m 2 '100 250 600 1000 2000 4000 Thickness, around 0.1 0.12 0.24 0.24 0.15 0.06
Die Dicken wurden coulometrisch durch Abstreifen des Chroms bis zur Nickelunterlage bestimmt.The thicknesses were determined coulometrically by stripping off the chrome down to the nickel base.
Ein vollständig wässriger Chloridelektrolyt der folgenden Zusammensetzung wurde hergestellt:A completely aqueous chloride electrolyte of the following Composition was made:
0,8 Mol CrCl3 ο6H2O0.8 moles of CrCl 3 ο6H 2 O
1,5 Mol NH4Cl1.5 moles of NH 4 Cl
0,8 Mol NaH2P02oH200.8 mol NaH 2 P0 2 oH 2 0
0,8 Mol B(OH)3 0.8 moles of B (OH) 3
Wasser zur Auffüllung auf 1 1Water to make up to 1 1
Das Bad wurde mit Ammoniak auf pH 2,5 eingestellt. Es hatte einen Abscheidungstereich auf einer nickelplattierten Hull-Zellenplatte von 60 bis 4000 A/cm^. Die HuIl-Zellenspannung betrug 10 V, der Hull-Zellenstrom 10 A, coulometrisch ermittelt.The bath was adjusted to pH 2.5 with ammonia. It had a deposit area on a nickel-plated Hull cell plate from 60 to 4000 A / cm ^. The HuIl cell voltage was 10 V, the Hull cell current was 10 A, determined coulometrically.
Stromdichte, A/m2 150 250 500 1000 3000 4500 Dicke, um 0,15 0,16 0,20 0,20 0,25 0,20Current density, A / m 2 150 250 500 1000 3000 4500 thickness, around 0.15 0.16 0.20 0.20 0.25 0.20
Ein Elektrolyt der folgenden Zusammensetzung wurde hergestellt:An electrolyte of the following composition was prepared:
CrCl3-6H2O 370 g H2O 500 g PeCl2-4H2O 50 g DMP 500 g NH4C1 50 g DPP gesättigt B(OH)ν 2 g NaH9PO0-H0O unterschiedlichCrCl 3 -6H 2 O 370 g H 2 O 500 g PeCl 2 -4H 2 O 50 g DMP 500 g NH 4C1 50 g DPP saturated B (OH) ν 2 g NaH 9 PO 0 -H 0 O different
~ cad. ~ cad.
Diese Lösung hatte einen pH-Wert von 1,5. Elektroplattierversuche wurden bei 25°C durchgeführt, um festzustellen, wie steigende Mengen von HaH2PO2 den Abscheidungswirkungsgrad und die Zusammensetzung des Niederschlages beeinflussen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 genannt.This solution had a pH of 1.5. Electroplating tests were carried out at 25 ° C to determine how increasing amounts of HaH 2 PO 2 affect the deposition efficiency and the composition of the precipitate. The results are given in Table 1.
509816/1109509816/1109
24 47.8 924 47.8 9
Ialie lie 1Ialie lie 1
pp Strom- Zeit Zusammensetzung Wirkungsgrad,^pp current time composition efficiency, ^
" dichte, Sek. in φ "density, sec. in φ
1 A/m£ ___£e Cr Pe Cr Fe+Cr 1 A / m £ ___ £ e Cr Pe Cr Fe + C r
0 300 300 80,0 20,0 23,0 9,0 32,00 300 300 80.0 20.0 23.0 9.0 32.0
O 1500 150 4-2,0 58,0 13,5 30,5 44,0O 1500 150 4-2.0 58.0 13.5 30.5 44.0
10 300 300 91,0. 9,1 18,0 4,5 22,510 300 300 91.0. 9.1 18.0 4.5 22.5
10 1500 150 44,0 56,0 11,5 23,0 34,510 1500 150 44.0 56.0 11.5 23.0 34.5
Wie diese Ergebnisse zeigen, hat eine Erhöhung der Konzentration des Natriurnhypophosühits einen Anstieg des Abscheidungswirkun£Sgrades von Chrom bei niedrigen Stromdichten und eine Verringerung des Abscheidungswirkungsgrades von Chrom bei hohen Stromdichten zur Folge. Der Gesamteffekt ist, daß die Metallabscheidungsgeschwindigkeiten mit sich ändernder Stromdichte fast konstant sind und die Zusammensetzung des Legierun^sniederschlags über den ganzen Abscheidungsbereich im wesentlichen gleichmäßig ifct,As these results show, an increase in the concentration of sodium hypophosphite has an increase in the separation efficiency of chromium at low current densities and a reduction in the separation efficiency of chromium at high current densities. The overall effect is that the metal deposition rates are almost constant with changing current density and the composition of the alloy precipitate over the entire deposition area essentially evenly ifct,
Der in Beispiel 7 beschriebene Versuch wurde wiederholt, wobei jedoch kein DPP im Elektrolyten verwendet wurde und 400 g DME1 und 600 HpO zugesetzt wurden. Der pH-Wert betrug 1,5. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 genannt.The experiment described in Example 7 was repeated, except that no DPP was used in the electrolyte and 400 g of DME 1 and 600 HpO were added. The pH was 1.5. The results are given in Table 2.
509816/1 109509816/1 109
- 2'Ί - - 2'Ί -
24*789724 * 7897
'fafaelle 2'fafaelle 2
Stromdichte,
A/mg Current density,
A / mg
ZeIt3 TIME 3
ZaasaKEmemsetzums Wirkungsgrad,, ■$ Fs Gr . Fe Cr' Pe-KQr ZaasaKEmemsetzum efficiency ,, ■ $ Fs Gr. Fe Cr ' Pe-KQr
I500,
300I500,
300
300
150©300
150 ©
300 Sl3O 9,0300 Sl 3 O 9.0
15© 68,5 3I35015 © 68.5 3I 3 50
300 97,0 3*0300 97.0 3 * 0
180 693® 3I3O180 69 3 ® 3I 3 O
300 95,5 ^,5300 95.5 ^, 5
150 .71*6150 .71 * 6
3Ü0 77,03Ü0 77.0
15© %3*0 5?*©15 ©% 3 * 0 5? * ©
300 62*5 57,5300 62 * 5 57.5
15© 41,515 © 41.5
7,07.0
8,08.0
323©32 3 ©
0,50.5
11*0 ©35 11,511 * 0 © 3 5 11.5
1335 B35 223013 3 5 B 3 5 22 3 0
■ 83© %30 1230■ 8 3 ©% 3 0 12 3 0
I3O 15,5 2235I 3 O 15.5 22 3 5
7*© B35 15*57 * © B 3 5 15 * 5
Diese Urneibinlssce selgeicij äaiß !bei äl-esem El-ektrclyiteita mit stelgeiiader -Hypop]b©.spl3ltk(D.nze:ntratIo:n üeT ifleders-ßhlages sow-oihl "bei äaoJaer ,StroEidlellate alsThis Urneibinlssce selgeicij äaiß! Bei äl-esem El-ektrclyiteita with stelgeiiader -Hypop] b © .spl3ltk (D.nze: ntratIo: n üeT ifleders-ßhlages sow-oihl "bei äaoJaer, StroEidlellate als
:niedriier Stromflleilate steigt,»: low current fill rate rises, "
Electrolyte - gemalß der Erfindlaing mit der toigewäen 2;ias ffle;nsetz;amg wurdeaa ziiar AibseHaeMiiaing ^oira Cühroffl~Hel£el- umd -'Gihroin-JIskel-EIseua—ieglerssriiiem verwenadet:Electrolyte - according to the invention with the toigee 2 ; ias ffle; nsetz; amg was twistedeaa ziiar AibseHaeMiiaing ^ oira Cühroffl ~ Hel £ el- umd -'Gihroin-JIskel-EIseua — ieglerssriiiem:
37© g37 © g
MH4GlMH 4 Eq
500 £ 500 g500 pounds 500 g
Uac3a elmer A^sciheldiiaiQgsdaoer ^©m 4 Ampere-Staandein wurde eine Bull-Eelleaaplatte plattiert. Die Qualität des lleder-Uac3a elmer A ^ sciheldiiaiQgsdaoer ^ © m 4 ampere-Staandein was a Bull Eelleaaplate plated. The quality of the leather
509816/moa509816 / moa
Schlages war schlecht. Er zeigte zahlreiche schwarze Streifen und zwei verschiedene Bereiche: bei hohen Stromdichten einen chromreicben Bereich und bei niedrigen Stromdichten einen nickelreichen Bereich.Hit was bad. He showed numerous black ones Stripes and two different areas: at high current densities a chrome-rich area and at low current densities Current densities a nickel-rich area.
Der Zusatz von 25 g/l Natriumhypophosphit hatte eine deutliche Verbesserung des Aussehens des Siederschlages zur Folge. Der Niederschlag war von guter Qualität und gleichmäßig, hatte jedoch nur einen begrenzten Bereich« Die Metallabscheidung fand oberhalb von 500 A/m statt. Durch Erhöhung der Hypophosphitkonzentration wurde dieser Schwellenstrom herabgesetzt, bis bei einer Konzentration von 100 g/l eine Abscheidung bei 150 A/m^ erreicht wurde. Durch Zusatz von 15 ppm CetyltrimethylammoniumbromidThe addition of 25 g / l sodium hypophosphite had a significant improvement in the appearance of the boiler impact Episode. Precipitation was of good quality and uniform, but had a limited area «The Metal deposition took place above 500 A / m. By Increasing the hypophosphite concentration, this threshold current was decreased until at one concentration of 100 g / l a separation at 150 A / m ^ was achieved. By adding 15 ppm of cetyltrimethylammonium bromide
wurde die Schwellenstrorndichte weiter unter 100 A/m gesenkt. the threshold current density was further reduced below 100 A / m.
Der Wirkungsgrad der Metallabscheidung und die Zusammensetzung des aus diesem Elektrolyten gebildeten Niederschlages sind nachstehend in Tabelle 3 genannt» Der Gesamtwirkungsgrad ist niedrig (weniger als 15/0, jedoch zeigt die Zusammensetzung nur eine geringe Veränderung mit der Stromdichte.The metal deposition efficiency and composition of the precipitate formed from this electrolyte are listed in Table 3 below is low (less than 15/0, but shows the composition only changes slightly with current density.
Aus Tabelle 3 ist ferner die Wirkung des Zusatzes von 100 g/l FeCIp.4HpO zum Elektrolyten zur Bildung eines ternären Systems ersichtlich. Niederschläge von guter Qualität wurden erhalten, und der Bereich, in dem keineTable 3 also shows the effect of adding 100 g / l FeClp.4HpO to the electrolyte to form a ternary system can be seen. Good quality rainfall was obtained, and the area where none
Rostbildung stattfand, erstreckte sich bis 50 A/m . Dieser Elektrolyt hat Metallabscheidungswirkungsgrade, die sich 5O?a nähern. Der Niederschlag besteht zwar vorwiegend aus Eisen, jedoch ist damit zu rechnen, daß durch entsprechende Änderung der Zusammensetzung ein Niederschlag mit einer Zusammensetzung ähnlich dem nichtrostenden Stahl 18/8 erhalten werden kann.Rust formation took place, extended to 50 A / m. This electrolyte has metal deposition efficiencies approaching 50? A. The precipitation is predominant made of iron, however, it is to be expected that a precipitate will result from a corresponding change in the composition with a composition similar to 18/8 stainless steel.
509816/1109509816/1109
g/1g / 1
' tabelle' Tabel
Ström- Zeit dichte A/m2 Flow time density A / m 2
O 300O 300
0 15000 1500
100- 300100-300
100 1500100 1500
ZUsammen-Together-
Sek. FeSec. Fe
KiKi
Ausbeute,Yield,
Gr Fe M Cr Fe+lLi+CrGr Fe M Cr Fe + ILi + Cr
300- - 27,0 73,0 2,5 12,0 14,5300- - 27.0 73.0 2.5 12.0 14.5
150 - 23,5 76,5 - 2,0 10,5 12,5150-23.5 76.5-2.0 10.5 12.5
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