DE2629879B2 - Verfahren zur Instandhaltung eines galvanischen Verchromungsbades auf der Basis von 3-wertigem Chrom und ein hierzu verwendetes Testpapier - Google Patents
Verfahren zur Instandhaltung eines galvanischen Verchromungsbades auf der Basis von 3-wertigem Chrom und ein hierzu verwendetes TestpapierInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Instandhaltung, d. h. die Sicherstellung der Brauchbarkeit von Galvanisierbädern
auf der Basis von 3wertigem Chrom sowie ein hierzu verwendetes Testpapier.
Zwar sind die beträchtlichen Vorteile der galvanischen Chromabscheidung aus Lösungen, die 3wertiges
Chrom enthalten, seit mehr als 50 Jahren bekannt, jedoch haben Schwierigkeiten, die bei der praktischen
Anwendung solcher Lösungen auftreten, deren Eingang in die Betriebspraxis verhindert. Chromüberzüge
werden daher aus galvanischen Bädern aufgebracht, die 6wertiges Chrom enthalten, obwohl auch solche
Bäder gewisse Nachteile aufweisen.
Erst in neuerer Zeit wurden Vorschläge bekannt, einige der Schwierigkeiten der Anwendung von Bädern
mit 3wertigem Chrom zu überwinden. So ist insbesondere ein Bad der ein 3wertiges Chromsalz, ein
Formiat, ein Bromid und Ammonium als wesentliche Bestandteile enthält, in der US-PS 3954574 beschrieben
worden und hat Eingang in die industrielle Praxis gefunden.
Es wurde jedoch gefunden, daß einige Galvanisierungsbäder, die 3wertiges Chrom enthalten und die
unter Labor- oder Test-Bedingungen zufriedenstellend arbeiten, mitunter Abscheidungs-Defekte entwickeln,
wenn sie in technischem Maßstab betrieben werden. Es kann insbesondere mindestens eine Störung,
für gewöhnlich aber eine Kombination von folgenden Störungen auftreten:
A. ein weißer Schleier bei hohen Stromdichten, der sich in ernsten Fällen zunehmend auch bei niedrigen
Stromdichten ausbreiten kann;
B. ein weißes Band an der unteren Grenze des GaI-
vanisierungsbereichs, was häufig von einem Verlust der Adhäsion bei hohen Stromdichten begleitet
ist;
C. eine weiße Abscheidung bei Stromdichten von rund 5,4 A/dm2;
D. braune oder schwarze Flecken bei Stromdichten zwischen etwa 1ΰ,8 und 21,5 A/dm2.
Wie nun gefunden wurde, können die vorerwähnten Störungen in vielen Fällen vermindert oder ganz
ίο ausgeschaltet werden durch Zugabe eines wasserlöslichen
Ferrocyanids zur Galvanisierungslösung, sobald die Störungen beobachtet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Instandhaltung eines galvanischen Verchromungsbades auf der
is Basis von 3wertigem Chrom, das Abscheidungs-Störungen
zeigt, ist dadurch gekennzeichnet, daß ein wasserlösliches Ferrocyanid, insbesondere Kaliumferrocyanid
in einer Menge zugesetzt wird, die ausreicht, um überschüssiges, als Verunreinigung vor-
2u handenes Spurenmetall zu beseitigen.
Wie gefunden wurde, ist die Erfindung auf den Betrieb von galvanischen Verchromungsbädern, die
3wertiges Chrom enthalten, generell anwendbar. Sie kann z. B. bei Bädern des in der vorerwähnten US-PS
beschriebenen Typs oder bei Bädern angewendet werden, die Glycolsäure enthalten, wie sie in den
US-PS 3706636 bis 3706543 beschrieben sind. Die Erfindung kann beispielsweise auch in Kombination
mit Bädern des Typs angewendet wurden, die in der
)« GB-PS 1144913unddenUS-PS3021267,3006823, 3069333 und 3 111464 beschrieben sind. Das Verhalten
dieser Bäder ist insofern überraschend, als bekannt war, Schwermetallionen, wie Chromionen aus
Abwasser durch Zusatz von Kaliumferrocyanid auszufallen (Chem. Abstracts Bd. 74 [1971] Referat
102822).
Zur erfindungsgemäßen Instandhaltung geeignet sind Bäder, die ein 3wertiges Chromsalz, wie
Chromchlorid, -sulfat oder -fluorid, und ein kompex-
■40 bildendes Mittel, z. B. eine Carbonsäure, vorzugsweise
ein Formiat oder - alternativ - beispielsweise ein Acetat, Glykolat oder Oxalat enthalten. Halogenide,
vorzugsweise Bromide, sollen zweckmäßig anwesend sein. Die Lösung enthält vorzugsweise Alkaliionen,
z. B. Natrium und bzw. oder Kaliumionen, und Sulfationen. Auch aprotische dipolare Lösungsmittel,
wie Dimethylformamid, können Bestandteile des Bades sein, sind aber besser nicht vorhanden. Im typischen
Fall beträgt der pH-Wert des Bades etwa 1 bis
w 7, z. B. 1,5 bis 5.
Das Ferrocyanid kann irgendein Ferrocyanid sein, das im Bad löslich ist, z. B. ein Alkali- oder Ammoniumferrocyanid,
wie Natrium- oder Kaliumferrocyanid.
v-, Das Ferrocyanid kann dem Bad zweckmäßig als
eine wäßrige Lösung zugegeben werden. Die Konzentration der Ferrocyanidlösung ist nicht kritisch und
wird normalerweise entsprechend der Löslichkeit des verwendeten Ferrocyanids gewählt. Bei Verwendung
W) von z. B. Kaliumferrocyanid ist es empfehlenswert,
eine Lösung mit etwa 20 Gew.-% Ferrocyanid anzuwenden.
Ist der Zusatz von Ferrocyanid größer als die zur Eliminierung der vorerwähnten Störungen erforderli-
tv3 chen Menge, kann eine Verschlechterung des Badbetriebes
eintreten. Dies wird vermieden, wenn man beim Eintreten der vorerwähnten Störungen die Ferrocyanidlösung
in kleinen Portionen zugibt, bis der
Chromüberzug wieder zufriedenstellend ist. Falls ein
Überschuß an Ferrocyanid zufällig gegeben worden ist und eine signifikante Verschlechterung verursacht,
so kann der Überschuß durch Zugabe einer geringen Menge eines löslichen Kations, wie Kupfer oder Zink
entfernt werden, z. B. dadurch, daß man eine kleine Menge einer galvanischen Vernickelungslösung zum
Bad zugibt. Der Zusatz des Metallions sollte innerhalb von 15 Minuten, vorzugsweise 10 Minuten, nach Zugabe
des Ferrocyanids gemacht werden, um voll wirksam zu sein, da beim Stehenlassen das überschüssige
Ferrocyanid mit dem Chrom Komplexe bildet. Es ist dann schwer oder unmöglich, die Ausfällung mit dem
zugegebenen Metall herbeizuführen.
Man kann annehmen, daß die genannten Störungen durch zufällige Verunreinigungen des Bades durch
Spuren von Metaiikationen, die sich zusammen mit dem Chrom abscheiden, zustande kommen. Versuche
haben ergeben, daß die Störung A dadurch simuliert werden kann, daß man Kupfer zum Bad zusetzt; in
analoger Weise scheint die Störung B mit der Anwesenheit von Zink verbunden zu sein, die Störung C
mit der von Blei und die Störung D mit der von Eisen und Nickel. Überraschenderweise vermag das Ferrocyanid
die Gesamtheit der stark schädlichen Spurenmetalle zu fällen, die in sehr geringen Konzentrationen
als Verunreinigungen im praktischen Betrieb auftreten, ohne daß jedoch hier das Chrom gefällt
wird, welches den hauptsächlichen kationischen Bestandteil des Bades bildet. Vorzugsweise wird das Bad
analysiert, um die Konzentration der genannten Spurenmetall-Verunreinigungen in dem Bad zu ermitteln
bzw. das wasserlösliche Ferrocyanid zugesetzt wird.
Das Bad oder irgendeine Probe, die für die Analyse verwendet wird, sollte vorzugsweise vorher filtriert
werden, um alle Metalle, die vor der Analyse bereits ausgefüllt sind, zu entfernen.
Die Analyse des Bades kann nach irgendeinem bekannten Analyseverfahren für die quantitative Bestimmung
von Spurenmetallen erfolgen, z. B. durch spektographische Bestimmungen, wie durch Funkenionisation
oder Atomabsorption. Auch kann man von polarographischen Methoden Gebrauch machen.
Für gewöhnlich ist es nur erforderlich, auf Kupfer, Zink, Eisen und Nickel zu analysieren, da diese vorrangig
die Schwierigkeiten beim praktischen Betrieb bereiten. Die Erfindung ist jedoch auch zur Beseitigung
von Galvanisierungs-Störungen geeignet, die auf der Anwesenheit von anderen, gemeinschaftlich abscheidbaren
Metallen, wie Blei, Cadmium, Silber und Gold, beruhen, wenngleich eine signifikante Verunreinigung
durch solche Metalle in der Praxis vermutlich kaum auftreten wird.
Die zugesetzte Ferrocyanidmenge ist vorzugsweise im wesentlichen die stöchiometrische Menge, bezogen
auf die vorhandenen Spurenmetall-Verunreinigungen, oder sie liegt etwas darunter. Ein wesentlicher
Überschuß an Ferrocyanid sollte vermieden werden. Die Zugabe einer wirksamen Menge, die merklich
kleiner als die stöchiometrische Menge ist, kann — wenngleich sie nützlich ist - die Abscheidungs-Störung
nicht vollständig beseitigen. Gemäß einer Faustregel werden 1 ml einer 20%igen Kaliumferrocyanidlösung
pro Liter Galvanisierungslösung für jeweils 50 ppm Spurenmetall-Verunreinigung zugegeben,
wenn das Bad in dem Rahmen zumindest der gemeinhin anzutreffenden Verunreinigungen gehalten
werden soll.
ι ο
Es ist empfehlenswert, sämtliches in dem Bad vorhandene freie Halogen zu Halogenid zu reduzieren,
ehe man das Ferrocyanid zusetzt, und zwar durch Zusatz eines Reduktionsmittels, das ein Halogen in ein
Halogenid umzuwandeln vermag, ohne den Betrieb der Bades zu beeinträchtigen. Hierzu besonders geeignet
ist Ammoniumformiat. Die Formiatmenge soll vorzugsweise ausreichen, um das in der Lösung vorhandene
gesamte Halogen zu reduzieren. Gewöhnlich können 2 bis 3 g Formiat pro Liter zugesetzt werden,
vorzugsweise als wäßrige Lösung, empfehlenswerterweise unter Rühren und zwar etwa 10 Minuten vor
dem Ferrocyanid-Zusatz. Halogen ist in dem Bad für gewöhnlich unmittelbar nach der galvanischen Abscheidung
vorhanden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann nach einer Schnellmethode der Nachweis
des Vorhandenseins von schädlichen Überschüssen des Ferrocyanids oder einiger der üblichen metallischen
Verunreinigungen erfolgen, so daß eine Aktion zur Beseitigung der Störungen ohne Verzögerung
in Angriff genommen werden kann.
Hierzu wird vor der Beseitigung der Verunreinigung das Bad mit einem wasser-permeablen Medium
in Kontakt gebracht, durch welches das Medium nach oben diffundiert und es werden separate Teile der diffundierten
Lösimg mit einem wasserlöslichen Ferrocyanidsalz, insbesondere Kaliumferrocyanid und/oder
einem wasserlöslichen Eisensalz, insbesondere Ferrosulfat oder -chlorid in Kontakt gebracht.
Zweckmäßig wird der Kontakt zwischen der diffundierenden Lösung und den beiden Salzen in der
Weise herbeigeführt, daß man separate Teile des Mediums mit den beiden Salzen imprägniert, wobei die
imprägnierten Teile so angeordnet sind, daß sie separate Portionen der diffundierenden Lösung auffangen.
Empfehlenswerterweise sollen die imprägnierten Teile für einen außenstehenden Beobachter leicht
überschaubar angeordnet sein, so daß die Entwicklung von irgendwelchen Farbänderungen erleichtert wird.
Das permeable Medium besteht vorzugsweise aus einem Cellulosematerial, wie Filterpapier oder Chromatographiepapier.
Im Prinzip kann jedoch auch jedes andere Medium verwendet werden, das imstande ist, wäßrige Lösungen dazu zu bringen, durch das Medium
nach oben zu diffundieren, wenn dessen unterer Teil eingetaucht ist. Es ist vorteilhaft, wenn das Medium
ohne Eigenfarbe ist, so daß man in ihm auch geringe Farbänderungen beobachten kann.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung betrifft daher ein aus einem wasser-permeablen Testpapier
bestehendes Mittel zur Durchführung dieses Verfahrens, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das
Testpapier einem nicht imprägnierten Teil sowie davon getrennte, daran angrenzende, sich nicht überlappende
Testteile aufweist, die mit einem wasserlöslichen Ferrocyanid bzw. einem Eisensalz imprägniert
sind.
Eine besonders zweckmäßige Form des Testpapiers besteht in einem Streifen des permeablen Papiers,
z. B. des Filterpapiers, der beispielsweise rechteckig oder von einer ähnlichen zweckentsprechenden Form
sein kann, von dem 1 Teil an einem Ende oder nahe bei diesem Ende mit dem Ferrocyanid imprägniert
und 1 Teil am anderen Ende oder nahe bei diesem anderen Ende mit dem Eisensalz imprägniert ist, und
vorzugsweise ein nicht-imprägnierter Mittelteil zwischen den beiden imprägnierten Teilen verbleibt. Für
den Gebrauch kann ein solches Papier um den nichtimprägnierten
Teil gebogen oder gefaltet werden, so daß der letztgenannte Teil mit der Lösung in Kontakt
gebracht werden kann und die beiden imprägnierten Teile nicht eingetaucht werden. Die Lösung diffundiert
in jedem eingetauchten Teil des Papiers, das suspendierte Feststoffe heraustrennt, nach oben, wodurch
jede Farbänderung in jedem Streifenteil leichter beobachtet werden kann.
Die erfindungsgemäßen Testpapiere können zweckmäßig dadurch erhalten werden, daß man
rechteckige Streifen des permeablen Papiers zubereitet und die beiden Enden eines jeden Streifens in Lösungen
der beiden Salze eine solche Zeit lang eintaucht, die ausreicht, um zu ermöglichen, daß die
beiden Lösungen in separate, vorzugsweise sich nicht überlappende Teile des Papiers diffundieren. Das Papier
kann dann z. B. in einem Trockenschrank getrocknet werden.
Die Tests gemäß der Erfindung können alternativ auch unter Verwendung von zwei separaten Test-Papieren,
die mit den beiden Salzen imprägniert sind, durchgeführt werden. Ist das Medium von Natur aus
nicht-kohärent oder bröckelig, dann kann eine geeignete Unterlage vorgesehen werden. So ist es z. B.
möglich, die Tests unter Verwendung einer dünnen Schicht von Silicagel, das auf einer als Unterlage dienenden
Platte angebracht ist, durchzuführen, oder es kann im Falle der Verwendung von pulverigen oder
gelatinösen Medien das Medium in eine Säule gefüllt werden (die vorzugsweise aus Glas oder einem ähnlichen
transparenten Material besteht).
Das Ferrocyanidsalz ist vorzugsweise ein Alkalioder Ammoniumferrocyanid, z. B. Tetrakaliumferrocyanid.
Das Eisensalz kann ein Ferrisalz oder empfehlenswerterweise ein Ferrosalz sein, vorzugsweise das
Salz einer Mineralsäure, z. B. ein Chlorid, Nitrat oder Sulfat.
Bildet sich ein blauer Fleck beim Kontakt zwischen der zu testenden Lösung und dem Ferrocyanid, dann
enthält die Lösung einen Überschuß an metallischen Verunreinigungen, wohingegen ein blauer Fleck, der
sich beim Kontakt zwischen der Lösung und dem Eisensalz bildet, einen Überschuß an Ferrocyanid anzeigt.
Vorzugsweise wird ein Teil der galvanischen Verchromungslösung mit dem 3wertigen Chrom genommen
und hierzu — stufenweise — Ferrocyanid zugesetzt. Die Lösung wird nach jedem Zusatz mit dem
Testpapier geprüft. Der Endpunkt in ml Ferrocyanid pro Liter Galvanisierungslösung stellt ein Maximum
dar. Im praktischen Betrieb werden vorzugsweise etwa 50% von dieser Ferrocyanidmenge zum Bad zugesetzt,
und danach erfolgt - erforderlichenfalls - ein weiterer Zusatz von z. B. 25%.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert.
Eine galvanische Verchromungslösung auf der Basis von 3wertigem Chrom, die zunächst zufriedenstellend
arbeitete, entwickelte einen Verchromungsfehler und ergab dunkle Flecken im Bereich von 10,8 bis
21,5 A/dm2. Eine Probe der Lösung wurde in eine 300 ml-Hull-Zelle mit Kreislaufkühlung gegeben und
ein 3-Minuten-10-A-Plattenversuch durchgeführt.
Die Platte zeigte schwarze Streifen bei Stromdichten zwischen 10,8 und 21,5 A/dm2, und aus früheren Versuchen
war bekannt, daß dies einer Nickel- oder möglicherweise Eisen-Verunreinigung der Lösung zuzuschreiben
war. Es wurde festgestellt, daß eine geringe Menge von Nickelplattierungskomponenten sich von
den Galvanisierungs-Einspannvorrichtungen abgelöst hatte und einige Zeit in dem Elektrolyten in Lösung
gegangen war. Der Elektrolyt wurde spektroskopisch auf Spurenmetalle analysiert und ergab folgende
Werte:
ίο Nickel 134
Kupfer 13
Eisen 193
Zink 26
Metalle insgesamt: 366
Nun wurde eine 20gew.%ige Lösung von Kaliumferrocyanid
(K4Fe(CN)6 · 3H2O) hergestellt, und 1 ml
dieser Lösung wurde pro 50 ppm Gesamtmetalle pro Liter zugegeben, d. h. tatsächlich wurden 7 ml pro
Liter zugesetzt. Das Gemisch wurde 30 Minuten stehen gelassen und dann für die Galvanisierung verwendet.
Die schwarzen Streifen blieben völlig weg, und es war wieder ein normales Galvanisierungsverhalten
erreicht worden.
Die nachfolgende Analyse des Elektrolyten ergab folgende Werte:
ppm | entfernt in % | |
Nickel | 20 | 85 |
Eisen | 98* | (49) |
Kupfer | 4 | 69 |
Zink | 8 | 69 |
* Dieser Zahlenwert schließt auch einen Beitrag von irgendeinem überschüssigen Reagens ein.
Ein ähnlicher Elektrolyt, der mit Eisen, Nickel,
4n Kupfer und Zink verunreinigt war, ergab Abscheidungs-Störungen.
In diesem Fall konnte keine Spurenmetall-Analyse durchgeführt werden. Das Halogen
wurde durch Zugabe von 5 ml/1 einer 55gew.%igen Ammoniumformiatlösung zum Bad re-5
duziert. Das Bad wurde 10 Minuten gerührt, und dann wurde eine 20%ige Kaliumferrocyanidlösung stufenweise
zugesetzt, wobei mit 1 ml pro Liter Elektrolyt begonnen und der Zusatz in 1 ml/1-Portionen erhöht
wurde, wobei man zwischen den Zusätzen 30 Minuten verstreichen ließ. Nach Zugabe von 3 ml pro Liter
wurde eine geringe Verbesserung beobachtet, und nach einem Zusatz von 5 ml pro Liter wurde ein völlig
befriedigendes Arbeiten des Elektrolyten erreicht. Die Fällung der unlöslichen Metallsalze wurde in dem
Bad belassen und sie störte den Verchrom ungsvorgang in keiner Weise, doch wurde die Lösung beim
nächsten Stillstand filtriert, um die ausgefällten Metalle zu entfernen.
Es wurden Testpapiere in der Weise hergestellt, daß man ein Ende eines rechteckigen Filterpapierstreifens
in eine 20gew.%ige Lösung von Tetrakaiiumferrocy- rnid und das andere Ende in eine 20gew.%ige Lösung
von Ferrochlorid tauchte. Man ließ jede der Lösungen einen Teil des Weges zur Mitte des Streifens hin diffundieren,
und der Streifen wurde dann in einem Trockenschrank getrocknet.
Eine galvanische Verchromungslösung auf Basis von 3wertigem Chrom entwickelte, nachdem sie mehrere
Wochen zufriedenstellend gearbeitet hatte, eine Störung, die in der Bildung von dunklen Flecken bei
Stromdichten zwischen 10,8 und 21,5 A/dm2 bestand. Ein nach Beispiel 3 hergestelltes Testpapier wurde
quer über den nicht-imprägnierten Mittelteil gefaltet, der in das Bad getaucht wurde. Der Elektrolyt diffundierte
nach beiden Enden des Papiers hin und erzeugte einen blauen Fleck nahe beim ferrocyanid-imprä-
gnierten Ende, was das Vorhandensein von metallischen Verunreinigungen anzeigte.
Nun wurde eine 10gew.%ige wäßrige Lösung von Tetrakaliumferrocyanid in 4-ml-Teilmengen zugege-
> ben, wobei man nach jeder Zugabe 30 Minuten wartete
und dann den Test wiederholte. Nach der zweiten Zugabe wurde ein blauer Fleck an dem eisen-imprägnierten
Ende des Papiers beobachtet. Es wurden 2 ml einer 20gew.%igen Ferrochloridlösung zugegeben,
ίο und danach war kein Fleck mehr zu beobachten. Die
technische Verchromung wurde wieder angefangen, und das Bad funktionierte zufriedenstellend.
Claims (3)
1. Verfahren zur Instandhaltung eines galvanischen Verchromungstades auf der Basis von
3wertigem Chrom, das Abscheidungs-Störungen zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß ein wasserlösliches
Ferrocyanid, insbesondere Kaliumferrocyanid, zum Bad in einer Menge zugesetzt wird, die ausreicht, um überschüssiges, als Verunreinigung
vorhandenes Spurenmetall zu beseitigen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Beseitigung der Verunreinigung
das Bad mit einem wasser-permeablen Medium in Kontakt gebracht wird, durch welches
die Lösung nach oben diffundiert und daß separate Teile der diffundierenden Lösung mit einem löslichen
Ferrocyanidsalz, insbesondere Kaliumferrocyanid und/oder einem löslichen Eisensalz, insbesondere
Ferrosulfat oder -chlorid in Kontakt gebracht werden.
3. Aus einem wasser-permeablen Testpapier bestehende Mittel zur Durchführung des Verfahrens
gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Testpapier einen nicht imprägnierten Teil
sowie davon getrennte daran angrenzende, sich nicht überlappende imprägnierte Testteile aufweist,
die mit einem wasserlöslichen Ferrocyanid bzw. einem Eisensalz imprägniert sind.
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