DE2528942A1

DE2528942A1 - Verfahren zum zonenweisen elektropolieren der inneren oberflaeche grossraeumiger behaelter

Info

Publication number: DE2528942A1
Application number: DE19752528942
Authority: DE
Inventors: Michael Ahlgrim; Gerhard Dipl Chem Dr Mietens; Guenter Sorbe
Original assignee: Hoechst AG
Current assignee: Hoechst AG
Priority date: 1975-06-28
Filing date: 1975-06-28
Publication date: 1976-12-30
Also published as: ES448699A1; JPS525626A; GB1509099A; IT1061585B; NL166506C; NL166506B; BE843492A; FR2317383B1; SE7607149L; FR2317383A1; JPS5912760B2; DD125086A5; NL7606851A; CH619988A5

Description

HOECHST AKTIENGESELLSCHAFT
H 1171

Verfahren zum zonenweisen Elektropolieren der inneren Oberfläche großräumiger Behälter

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zonenweisen Elektropolieren der inneren Oberfläche großräumiger Behälter, wobei die innere Oberfläche aus einem elektrisch leitfähigen metallischen Material besteht.

Unter elektrolytischem Polieren der Oberfläche von metallischen Gegenständen versteht man generell eine Behandlung, die zur Einebnung und zum Glänzen der metallischen Oberfläche führt, die ursprünglich rauh und matt ist. Das Elektropolieren ist aufgrund der dafür angewandten elektrischen Schaltung ein anodisches Verfahren. Während in der Galvanotechnik auf ein Metall - als Kathode geschaltet - ein anderes Metall galvanisch abgeschieden wird, wird beim Elektropolieren von einem Metall - als Anode geschaltet - Material abgetragen. Mit Hilfe des Elektropolierverfahrens lassen sich Apparateteile ohne Rücksicht auf Form unc Größe in relativ einfachen und vielseitig verwendbaren Anlag·-;·, nach Art der galvanischen Tauchbäder oberflächlich polieren. In den Tauchbädern wird das zu behandelnde Werkstü.k an Gestellen befestigt, die als Anode geschaltet werden. Als Material für die anodische Stromzuführung und für die Gestelle hat sich Titan und Kupfer am besten bewährt, während als Kathodenmaterial Edelstahl, Blei oder Kupfer eingesetzt werden können. Die in den Tauchbädern enthaltenen Elektrolyte können beispielsweise Gemische aus thermischer Phosphorsäure und Schwefelsäure bzw. Alkoholen und dergl. sein. Die mit diesen Elektrolyten arbeitenden Elektropolierbäder sind sehr variabel. Sie zeichnen sich durch eine einfache Wartung und relative Unempfindlichkeit gegen Störungen aus. Je nach Einsatzzweck und Zusammensetzung können diese Elektrolyte in weiten Stromdichte- und Temperaturbereichen sowie wechselnden Expositionszeiten gefahren werden. So können im Apparatebau durch die in niederen Stromdichte- und Temperaturbereichen arbeitenden Elektrolyte mit relativ kleinen Gleich-

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richtereinheiten große Flächen rationell elektropoliert werden.

Behälter und Apparate größerer Dimensionen können jedoch nach dem vorbeschriebenen Tauchbadverfahren nicht elektropoliert werden. Da in der Regel auch nur deren Innenfläche bearbeitet wird, müssen aus rationellen Gründen hier andere Verfahren als das Badverfahren zur Anwendung gebracht werden. Wegen der zu großen zu elektropolierenden Flächeneinheiten sind weiterhin die Gleichrichtereinheiten nicht analog der Flächengröße einsetzbar. Hier ist die realisierbare Kathodenfläche von der Gleichrichterkapazität abhängig.

Ein Verfahren, das diese Faktoren berücksichtigt, ist das zonenweise Elektropolieren, wobei von einem Kathodenstreifen immer nur die der Kathode gegenüberliegende anodisch geschaltete Materialfläche elektropoliert wird. Letztgenanntes Verfahren wird von G. Sorbe in dem Artikel "Einsatz des elektrochemischen Polierens im Behälter- und Apparatebau" in "Fachberichte der Oberflächentechnik¹¹, Heft OT 4/74, Seite 92-96, L.A. Klepzig Verlag, Düssaidorf, eingehend beschrieben.

Vorteil des zonenweisen Elektropolierverfahrens ist es, daß mit kleinen Gleichrichtereinheiten Behälter und Aggregate jeder Größe elektropoliert werden können. Außerdem erlaubt dieses Verfahren, die Behälter in jeder Position - stehend oder liegend zu elektropolieren. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Behälter im Herstellbetrieb und/oder Produktionsbetrieb zu elektropolieren. Die dabei angewandte Technologie der kleinen Kathodenfläche, entsprechend einer kleinen Gleichrichtereinheit, hat bei liegenden Behältern noch den Vorteil der kleinen Elektrolytmenge. Die Ausbildung der Kathode wird den apparativen Verhältnissen angepaßt und wird von den Einbauten im Behälter oder der Form der Behälter, welche rund, eckig, zylindrisch oder konisch sein können, bestimmt. Diesen Anforderungen genügen die sogenannten Wander-, Dreh- oder Pendelkathoden.

Ein Verfahren zum zonenweisen Elektropolieren der Innenwandung von ortsfest eingebauten Großraumbehältern mit Hilfe einer Drehkathode wird beispielsweise in der Deutschen Offenlegungsschrift 2 350 957 beschrieben. Kennzeichnend für dieses Verfahren ist,

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daß sich in einem angemessenen Abstand zu der mit Elektrolyt bedeckten Behälterinnenwand eine der Innenwand in der Formgebung angepaßte Kathode, deren wirksame Gesamtfläche kleiner als die Innenwand des Behälters ist, langsam bewegt und unter der Einwirkung des elektrischen Stromes die anodisch geschaltete Innenwand elektropoliert wird»

Es ist weiterhin aus der USA-Patentschrift Nr. 3 616 341 bekannt, die Innenwand eines horizontal gelagerten zylindrischen Behälters unter Verwendung einer Pendelkathode zu elektropolieren» Im Gegensatz zur Arbeitsweise mit der Drehkathode, wobei die Kathode sich bewegt und der Behälter stillsteht,sieht der Einsatz einer Pendelkathode eine Rotation des mit Elektrolyt gefüllten Behälters um die Pendelkathode vor, wobei letztere feststeht.

£s wurde festgestellt, daß das zonenweise Elektropolieren nacn herkömmlicher Arbeitsweise hinsichtlich des Erreichens eines einheitlichen Oberflächenglanzes über die gesamte zu polierende Fläche unbefriedigend ist, wenn die Kathode nur aus einem den Strom leitenden Metall besteht, wird nämlich einer großen Anodenfläche, wie z.B. die einer Behälterwand, eine Kathode mit einer im Verhältnis zur Anode kleinen Fläche gegenübergestellt, so wird der zugeführte Strom über einen großen Flächenbereich gestreut. Das bedeutet, daß die anodische Stromdichteverteilung nicht der ihr gegenüberliegenden Kathodenstromdichteverteilung entspricht. Betrachtet man beim Elektropolieren den Glänzbereich in Abhängigkeit von der Stromdichte, so ist festzustellen, daß eine ausreichende Politur nur in Stromdichtebereichen von mindestens etwa 5 A/dm erzielt wird. Wird diese Stromdichte wesentlich unterschritten, so bleibt nicht nur die Politur aus, sondern es tritt eine Anätzung und Mattierung der Anodenoberfläche ein.

In der Praxis wurde beispielsweise beim zonenweisen Elektropolieren der Innenwand eines metallischen Großraumbehälters festgestellt, daß die der Kathode genau gegenüberstehende Anodenfläche elektrolytisch hochglänzend poliert wird, während die übrige Anodenfläche, insbesondere in den an die Kathodenfläche angren-

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zenden Bereichen, aufgrund der zu geringen Stromdichte angeätzt und mattiert wird. Weiterhin wurde in dem Maße, wie die Kathode über die Anodenfläche bewegt wurde, der bereits polierte Anodenflächenanteil nachträglich wieder geätzt und mattiert.

Es wurde nunmehr gefunden, daß vorgenannter unerwünschter Ätzeffekt vermieden werden kann, wenn man den von der Kathode ausgehenden Stromfluß auf den der Kathode unmittelbar gegenüberliegenden Anodenflächenantexl begrenzt, so daß die Stromlinien zwischen Kathode und Anode nur den kürzesten Weg zurücklegen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum zonenweisen Elektropolieren von elektrisch leitfähigen, metallischen Oberflächen, vorzugsweise der inneren Oberfläche großräumiger Behälter durch Erzeugen und Aufrechterhalten eines Stromflusses in einer als Elektrolyt dienenden Badflüssigkeit, von welcher die an die Anode einer Gleichstromquelle angeschlossene metallische Oberfläche ganz oder teilweise bedeckt wird und in welche eine an die Kathode der Gleichstromquelle angeschlossene Metallelektrode vollkommen eintaucht, wobei die Metallelelektrode sich in einem geringen Abstand zur inneren Oberfläche des Behälters befindet und die Oberfläche des Behälters sowie die Metallelektrode sich in einem relativen, langsamen Bewegungszustand zueinander befinden, derart, daß die Metallelektrode stillsteht und die Oberfläche des Behälters sich langsam um die Längsachse der Metallelektrode dreht bzw. die Oberfläche des Behälters fixiert ist und die Metallelektrode die Oberfläche des Behälters überstreicht, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der während des Elektropolierprozesses von dem zu polierenden Oberflächenteil abgewandte Teil der kathodischen Metallelektrode mit Hilfe eines elektrisch nicht leitenden Materials abgeschirmt wird, so daß die Stromlinien zwischen kathodischer Metallelektrode und anodischer Oberfläche gebündelt werden und den kürzesten Weg von der Kathode zur Anode zurücklegen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Abschirmung der kathodischen Metallelektrode aus Stoffen, die den elektrischen Strom nicht leiten und säure- und temperaturbeständig sind, wie z.B. Kunststoffe in Form von Polypropylen oder Polyvinylchlorid.

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Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die kathodische Metallelektrode von der zu polierenden Oberfläche in einem Abstand von etwa 1 bis etwa 50 cm, insbesondere 5-15 cm, anzuordnen. Unter dem Einfluß der Kathodenabschirmung kann an der der Kathode gegenüberliegenden anodischen Oberfläche etwa die glei-

ehe Stromdichte von etwa 5 bis 50 A/dm erzielt werden wie an der Kathodenfläche.

Der Unterschied in der wirkungsweise einer nach der Erfindung abgeschirmten kathodischen Metallelektrode gegenüber einer herkömmlichen nicht abgeschirmten Kathode wurde durch Messung der jeweiligen Stromdichteverteilung an der Anodenfläche ermittelt. Zu diesem Zweck wurde die Anodenfläche in einzelne Segmente aufgeteilt, wobei die Segmente über definierte Widerstände miteinander verbunden waren. Der großen Anodenfläche srand eine im Verhältnis dazu kleine Kathodenfläche gegenüber, wie sie in der Praxis beim Elektropolieren von großräumigen Behältern vorliegt. Der Strornfluß durch die einzelnen Anodensegmente wurde durch den Spannungsabfall an den geeichten Widerständen gemessen. Es wurde gefunden, daß sich bei erfindungsgemäßer Abschirmung der Kathode das Stroindichtemaxiiaum an der der Kathode unmittelbar gegenüberliegenden Anodenfläche deutlich erhöht und der Einfluß der Streuströme in benachbarten Anodenflächenbereichen erheblich verrirgert wird. Der erhaltene Befund wird in Figur 1 durch die dargestellten Kurvenverläufe A und B veranschaulicht, wobei die Kurve A die mit einer nichtabgeschirmten Kathode und Kurve B die mit einer abgeschirmten Kathode erhaltenen Meßergebnisse demonstriert. Die der zu polierenden Anodenfläche zugewandte Kathodenflache besaß eine Größe von 10 dm , während die gesamte Anodenfläche, entsprechend der inneren Oberfläche eines Behälters, eine Größe von 40 dm aufwies.

In der Praxis wirken sich die in der vorstehend beschriebenen Meßanordnung erzielten Ergebnisse derart aus, daß beispielsweise beim zonenweisen Elektropolieren der inneren, metallischen Oberfläche großräumiger Behälter ein gleichmäßiger Hochglanz auf der gesamten Oberfläche erzielt wird und eine Streifenbildung mit vermindertem Glanz oder Mattigkeit vermieden wird.

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Die Erfindung beschränkt sich ausschließlich auf die Maßnahme der Kathodenabschirmung, während weitere Einzelheiten und Maßnahmen zur Durchführung des Elektropolierverfahrens, wie z.B. Stromdichte, Temperatur oder Badzusammensetzung als bekannt unterstellt werden. Es versteht sich, daß nach dem Verfahren der Erfindung sämtliche bekannten Kathodenformen, wie Pendelkathode, Drehkathode, Wanderkathode und dergleichen abgeschirmt werden können, wobei die Kathodenabschirmung der Jeweiligen Kathodenform angepaßt wird.

Zur näheren Erläuterung des Verfahrens der Erfindung dienen die Figuren 2 und 3, wobei Figur 2 einen Längsschnitt eines horizontal gelagerten zylindrischen Behälters mit einer im Behälter angeordneten Kathode und Kathodenhalterung und Figur 3 einen Querschnitt der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung zeigt.

Im einzelnen zeigt Figur 2 einen auf Rollen (1) und(2) horizontal und drehbar gelagerten, zylindrischen Behälter (3) mit den Behälteröffnungen (4) und (5), dessen Behälterwand an die Anode

(6) einer nicht dargestellten Gleichstromquelle angeschlossen ist. Innerhalb des Behälters (3) ist in geringem Abstand und parallel zur Behälterwand die netzförmige und aus Kupferstreckmetall bestehende Elektrode (7) angeordnet, welche über die ebenfalls aus Kupfer bestehende Elektrodenhalterung (8) an die Kathode der Gleichstromquelle angeschlossen ist. Die dem zu polierenden Flächenteil der Innenwand des Behälters (3) gegenüberstehende Elektrode (7) ist von der Elektrodenabschirmung (9) so ummantelt, daß die Stromlinien zwischen kathodischer Metallelektrode und anodischer Oberfläche gebündelt werden und nur den kürzesten Weg von der Kathode zur Anode zurücklegen können. Der Flüssigkeitsspiegel der Badflüssigkeit wird durch die Niveaulinie (10) angezeigt. Während des Elektropolieren wird der Behälter (3) langsam um seine Längsachse gedreht, während die Elektrode

(7) stillsteht.

Figur 3 bedarf keiner näheren Erläuterung, da den Bezugszeichen die gleiche Bedeutung wie den entsprechenden Bezugszeichen zu Figur 2 zukommt.

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Beispiel 1

Es wurde der in Figuren 2 und 3 dargestellte Behälter mit der im Behälter angeordneten abgeschirmten Pendelkathode zonenweise elektropoliert. Der Behälter besaß ein Volumen von 100 m und war aus plattierten Blechen gefertigt, wobei die Plattierung aus Chromnickelstahl mit der Werkstoff Nr. 1.4404 nach DIN bestand. Als Gleichstromquelle diente ein Gleichrichter, der während des Polierprozesses auf 5 kA bei einer Spannung von 11 Volt eingestellt war. Nachfolgende weitere Kenndaten charakterisieren den Verfahrensablauf:

1. Elektrolytmenge im Behälter: 5000 Liter oder 8,5 t

2. Art des Elektrolyten: Lösung von

53 Gew% Phosphorsäure (85 %ig) 41 Gew% H₂SO₄ (98 %ig) 6 Gew% Wasser

3. Abstand zwischen Kathode und

Anode (Behälterinnenwand): 7 cm

.2

ο ■fathodenoberflache: 1,6 m

5. Anodenoberfläche 120 m^£ (Fläche der gesamten
Behälterinnenwand):

6. Stromdichte an der Kathode: 31-33 A/dm²

7. Stromdichte an der der Kathode ₂ gegenüberliegenden Anodenfläche 31-33 A/dm

8. Temperatur des Elektrolyten

während des Polierens: 45-55 C

9. Material der Kathodenabschirmung: Polypropylen

10. Zeit für 1 Umdrehung des

Behälters: 2o Minuten

entsprechend der Größe der Oberfläche der Behälterinnenwand von

ρ
120 m , der wirksamen Oberfläche der kathodischen Elektrode von

1,6 m und des Rauhigkeitszustandes der zu polierenden Oberfläche wurde eine Expositionszeit von 36 Minuten festgelegt. Hieraus errechnet sich eine Gesamtpolierzeit von

₌ _2?Q0 _{m±n Qder} ^ ^ stunden

1,6 m*

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Während des Polierprozesses wurde der Elektrolyt weder umgepumpt noch gefiltert oder ergänzt.

Die Rauhigkeitsmessungen an der nach vorbeschriebener Verfahrensweise behandelten Behälterinnenwand ergaben folgende Ergebnisse:

Rauhtiefe (Rt)

Arithmetischer Mittenrauhwert (Ra)

Glättungstiefe (Rp)

vor der Politur

5
0,7

-

8 μιη

1,5 μπι

4 3 μιη

nach der Politur

1 0,2

3 μιη 0,5 μπι

1 μιη

Rauhtiefen von 1 μιη bedeuten, daß die polierte Oberfläche Spiegelgalnz besitzt. Die Begriffe Rauhtiefe, Mittenrauhwert und Glättungstiefe sind in DIN-Vorschrift 4762, Blatt ΐ definiert.

Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)

Es wurde analog Beispiel 1 verfahren, wobei jedoch auf eine Abschirmung der kathodischen Elektrode verzichtet wurde. Die Rauhigkeitsiaessungen der behandelten Behälterinnenwand ergaben folgende Ergebnisse:

Rauhtiefe

(Rt)

Arithmetischer (Ra) Mittenrauhwert

Glättungstiefe (Rp)

vor der Politur

0,7 -

8 μιη 1,5 μιη

nach der Politur

3 - 5 μιη 0,5 - 0,7 μπι

>1 - <5

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Claims

H 1171

Patentansprüche

Λ . Verfahren zum zonenweisen Elektropolieren von elektrisch leitfähigen, metallischen Oberflächen, vorzugsweise der inneren Oberfläche groi3räumiger Behälter durch Erzeugen und Aufrechterhalten eines Stromflusses in einer als Elektrolyt dienenden Badflüssigkeit, von welcher die an die Anode einer Gleichstromquelle angeschlossene metallische Oberfläche ganz oder teilweise bedeckt wird und in welche eine an die Kathode der Gleichstromquelle angeschlossene Metallelektrode vollkommen eintaucht, wobei die Metallelektrode sich in einem geringen Abstand zur inneren Oberfläche des Behälters befindet und die Oberfläche des Behälters sowie die Metallelektrode sich in einem relativen, langsamen Bewegungszustand zueinander befinden, derart, daß die Metallelektrode stillsteht und die Oberfläche des Behälters sich langsam um die Längsachse der Metallelektrode dreht bzw. die Oberfläche des Behälters fixiert ist und die Metallelektrode die Oberfläche des Behälters überstreicht, dadurch gekennzeichnet, daß der während des ElektropolierprozssSes von dem zu polierenden Oberflächenteil abgewandte Teil der kathodischen Metallelektrode mit Hilfe eines elektrisch nicht leitenden Materials abgeschirmt wird, so daß die Stromlinien zwischen kathodischer Metallelektrode und anodischer Oberfläche gebündelt werden und den kürzesten V/eg von der Kathode zur Anode zurücklegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung der kathodischen Metallelektrode aus den elektrischen Strom nicht leitenden, säure- und temperaturbeständigen Stoffen besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmung der kathodischen Metallelektrode aus Kunststoffen, vorzugsweise aus Polypropylen oder Polyvinylchlorid, besteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der kathodischen Metallelektrode von der zu polierenden Oberfläche etwa 1 bis etwa 50 cm, insbesondere

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etwa 5 bis 15 cm, beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte an der kathodischen Metallelektrode etwa 5

bis etwa 50 A/dm und an der gegenüberliegenden anodischen

Oberfläche etwa 5 bis 50 A/dm beträgt.

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