DE2658357C2

DE2658357C2 - Dickenmessvorrichtung für Zinnschichten

Info

Publication number: DE2658357C2
Application number: DE19762658357
Authority: DE
Inventors: Helmut 7032 Sindelfingen Fischer
Original assignee: Helmut Fischer & Co Institut fur Elektronik und Messtechnik 7032 Sindelfingen De GmbH
Current assignee: Helmut Fischer & Co Institut fur Elektronik und Messtechnik 7032 Sindelfingen De GmbH
Priority date: 1976-12-23
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1983-11-24
Also published as: DE2658357A1

Description

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a) Die Kathode (36) hat die Form eines Kreisrings (41), dessen Ringebene parallel zum Blech (21) liegt

b) Es ist in der Elektrolytkammer (14) eine Hilfselektrode (46) vorgesehen, die ebenfalls eine elektrische Zuleitung (44) aufweist und an einer Stelle liegt, die außerhalb eines von der Kathode (36) aufsteigenden Bläschenstroms liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (41) aus Platin ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (41) aus einem Draht einstückig ähnlich einem Einspeichenlenkrad gebogen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine in der elektrischen Zuleitung (32,44) liegende Lötstelle (33) im säurefreien Bereich liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der Elektrode (36) aber im Abstand zum Blech (21) ein Luftbläschen-Ableitungsrohr (23) eingesetzt ist, das eine obere öffnung oberhalb der Kammer (14) aufweist, aus elektrisch nicht leitendem Material ist und dessen unterer Rand (24) in die Kammer (14) ragt und knapp oberhalb der Elektrode (36) endet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (14) als Halbkugel ausgebildet ist, deren ebener, senkrechter Boden durch das Blech (21) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Scheitelbereich der Kammer (14) ein schräger Stichkanal (27) vorgesehen ist, der an seinem oberen Ende im Ableitungsrohr (23) endet und dessen unteres Ende knapp vor dem obersten Scheitelbereich der effektiven Blechfläche endet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile symmetrisch zum Blech (21), d. h. zweimal vorgesehen sind, daß jeweils eine Elektrolyt-Zuflußleitung (51) aus elektrisch nicht leitendem Material vorgesehen ist und daß diese Zuflußleitung (51) durch einen Unterbrecher (52) elektrisch unterbrechbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrecher (52) eine Schlauchklemme und die ZuFlußleitung (51) eine flexible Kunststoffleitung ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Dicke der Zinnschicht auf einem metallischen Blech, mit einer Einspannvorrichtung für das Blech, welche Einspannvorrichtung das Blech an seinem Rand kreisringförmig flüssigkeitsdicht faßt, mit einer Elektrolytkammer zu mindestens einer Seite des Blechs, mit einer elektrischen Kontaktvorrichtung für das Blech, und mit einer an einer Halterung befestigten Kathode, welche Kathode zur Mittenachse des kreisringförmig gefaßten Blechs symmetrisch, im Abstand von diesem Blech angeordnet ist und eine elektrische Zuleitung aufweist.

Solche Vorrichtungen benötigt man z. B. um die Qualität von Konservenblech beurteilen zu können. Zwischen der Kathode und dem Blech liegt ein Spannungsmeßgerät. In Reihe dazu eine Gleichstromquelle. Läßt man den Strom fließen, dann bleibt die Spannung über der Zeit zunächst konstant. Wenn nun alles oder das meiste Zinn abgelöst ist, erhöht sich die Spannung mit einem ersten Sprung, bleibt von dort aus etwa konstant und steigt dann wieder zu dem Zeitpunkt in einem zweiten Sprung an, wenn auch die Diffusionsschicht des Zinns aus dem metallischen Blech herausgelöst ist. Die Diffusionsschicht entsteht dadurch, daß das Zinn ja nicht nur mit ganz klaren räumlichen Grenzen auf dem metallischen Blech aufliegt. Vielmehr diffundiert ja das Zinn auch etwas in das metallische Blech hinein.

Der erstgenannte Sprung ist leider kein Sprung mit unendlich hoher Steigung. Vielmehr hat dieser Sprung die Gestalt eines gestreckten »S«. Der Sprung wird umso weniger definiert, je ungleichmäßiger die Zinnschicht abgelöst wird. Wird die Zinnschicht in einem bestimmten Bereich wesentlich schneller als in anderen Bereichen abgetragen, so tritt dort viel früher das blanke metallische Blech auf, und da doch Strom den Weg des geringsten Widerstands nimmt, werden die noch vorhandenen Schichten kurzgeschlossen. Es entsteht zwar ein Sprung. Dessen zeitliches Auftreten ist jedoch nicht repräsentativ für die Dicke der Zinnschicht. Selbst wenn etwa gleichzeitig eine Mehrzahl von Inseln auftritt, bleibt restliches Zinn auf dem metallischen Blech liegen und die Messung ist falsch. Man kann den Vorgang der Inselbildung auch sehen.

Aus der DE-GMS 19 11 737 ist eine Elektrolysezelle von ähnlicher Art bekanntgeworden, jedoch mit einer stabförmigen Kathode in relativ großem Abstand vor dem zu prüfenden Blech. Dazwischen ist ein Rührer angeordnet. Diese Anordnung führt besonders zu ungleichmäßigem Abtrag und daher zu Undefinierten Meßbedingungen.

In der Zeitschrift »Stahl und Eisen« vom 28. Mai 1970 wird auf den Seiten 557 und 558 hinsichtlich dieser galvanostatischen Verfahren das Resümee gezogen, daß diese wegen der zu wenig ausgeprägten Poteniialsprünge bei der Schichtdickenmessung bei verzinkten Blechen ungeeignet sind. Als vorteilhafter wird die potentiostatische Methode angesehen. Diese erfordert

jedoch eine aufwendige Spannungsversorgung für jeweils unterschiedliche Potentiallagen und die Prüfanordnung kommt nicht ohne Rührwerk aus.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die sowohl billig ist als auch zu reproduzierbaren Ergebnissen führt und mit der man erreichen kann, daß der erstgenannte Spannungssprung extrem steil verläuft

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst:

a) Die Kathode hat die Form eines JCreisrings, dessen Ringebene parallel zum Blech liegt

b) Es ist in der Elektrolytkammer eine Hilfselektrode vorgesehen, die ebenfalls eine elektrische Zuleitung aufweist und an einer Stelle liegt, die außerhalb eines von der Kathode aufsteigenden Bläschenstroms liegt

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht man eine auch nach langer Betriebszeit stets gleichbleibende Oberflächenqualität des Rings, die derjenigen von Gold oder Silber sprunghaft überlegen ist.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 kann man den Ring samt mechanischer Befestigung und elektrischer Zuführung einstückig machen und zwar allein durch Biegen ohne zusätzliche Technologie. Man vermeidet auch Lötstellen, die zersetzungsanfällig wären, selbst wenn man Platin-Lot nimmt

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 erreicht man, daß die Kupferzuleitung überhaupt nicht in den Elektrolytbereich kommt. Der Mehrverbrauch an Platin-Draht spielt dabei keine Rolle.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 erreicht man, daß die Luftbläschen vom Blech kurz nach ihrer Entstehung ferngehalten werden ohne die Geometrie des Stromfeldes und Spannungsfeldes unsymmetrisch zu stören.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 erreicht man wesentlich bessere Symmetriebedingungen als bei viereckigen Trögen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 7 erreicht man, daß auch noch solche Luftbläschen abgeführt werden, die sich evtl. im obersten Scheitelbereich bilden wurden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 8 erreicht man, daß gleichzeitig in einem einzigen Arbeitsgang beide Zinnschichtendickün gemessen werden können.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels hervor. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Schaubild des prinzipiellen Spannungsanstiegs über der Zeit,

F i g. 2 einen schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in explodierter Darstellung,

F i g. 3 die Vordersicht einer Kathode oder Hilfselektrode,

F i g. 4 die abgebrochene Seitenansicht zu F i g. 3,

F i g. 5 einen Querschnitt durch eine Probe, die übertrieben dick gezeichnet worden ist.

Schaltet man bei Dickenmeßvorrichtungen dieses Typs zum Zeitpunkt ii den Strom ein, dann steigt die Spannung sofort auf einen Wert Lf\. Über der Zeit t bleibt die Spannung U\ praktisch konstant, fängt dann wie gezeichnet bis zum Zeitpunkt fc an zu steigen auf eine Spannung t/2, steigt dann schwach etwa linear an, um nach einem Sprung zur Zeit h die Spannung t/3 zu erreichen.

Man benötigt die Zeit von fi bis f₂, da diese der Zinnschichtdicke proportional ist Zum Zeitpunkt (2 hat sich die interessierende Zinnschicht abgelöst Der darauffolgende Anstieg und Spannungssprung bis zur Zeit f3 rührt davon her, daß auch die Diffusionsschicht noch abgelöst werden muß. Nach f₃ bleibt die Spannung wieder konstant

Bei den bekannten Vorrichtungen ist der Sprung bei t\ eine relativ flache Flanke, so daß es nicht einfach ist, u zu ermitteln. Ferner ist der Sprung vor h flacher und es fällt deshalb auch schwer, h genau zu ermitteln. Insbesondere eine automatische Auswertung von ii und t₂ macht Schwierigkeiten. Mit der Erfindung gelingt es, den Sprung vor f2 eher noch steiler als gezeichnet zu machen, da es mit der Erfindung gelingt die Zinnschicht völlig gleichmäßig abzutragen, so daß von der einen Sekunde auf die andere am Schluß des Abtragungsvorgangs die Zinnschicht vollständig verschwindet Dies kann man auch mit dem Auge sehen: Von einer Sekunde auf die andere wird die zunächst glänzende Schicht (das Zinn) matt nämlich dann, wenn das Eisen schlagartig unter der Zinnschicht sichtbar wird. Dies äußert sich in einem steilen Spannungssprung vor fe-

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt zwei Blockhälften 12,11 aus durchsichtigem Kunstglas, die im wesentlichen rechtflachförmige Gestalt haben, translatorisch aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind durch eine nicht dargestellte Vorrichtung und im aneinander gepreßten Zustand einen Würfel bilden. In die ebene Innenfläche 13 ist ein halbkugeliger Hohlraum 14 koaxial zur geometrischen Längsachse 16 eingebracht. Die Oberflächenbearbeitung ist so, daß man in den Hohlraum 14 von außen hineinschauen kann. Mit geringem radialen Abstand zum Umfangsrand 17 ist in der Innenfläche 13 koaxial zur Längsachse 16 eine Halbrundnut 18 für einen O-Ring 19 vorgesehen, der mit der Blockhälfte 11 als Gegenlager flüssigkeitsdicht gegen eine Probe 21 gedrückt werden kann. Radial senkrecht von oben und im Abstand von der Innenfläche 13 ist in die Blockhälfte 12 eine Zylinderbohrung 22 erheblichen Durchmessers eingebracht, deren unterster Randbereich weit in den Hohlraum 14 hineinreicht In diese Zylinderbohrung 22 ist ein Kunstglasrohr 23 hineingesteckt, dessen unterer Rand 24 senkrecht zur Längsachse des Kunstglasrohres 23 abgeschnitten ist. Wie gezeichnet hat das Kunstglasrohr 23 einen Abstand 26 von der Innenfläche 13 und geht rechts in die Wand des Hohlraums 14 über.

Nahe des Umfangrands 17 in dessen nördlichster Region ist ein schräger Stichkanal 27 in die Blockhälfte 12 hineingebohrt, der knapp hinter dem Umfangsrand 17 unten endet und oben seine Fortsetzung im Kunstglasrohr 23 findet und damit mit dem Inneren des Kunstglasrohres 23 kommuniziert.

Koaxial zur Längsachse 16 ist in der Blockhälfte 12 eine Zylinderbohrung 28 vorgesehen, in der flüssigkeitsdicht ein Stöpsel 29 steckt. Dieser Stöpsel 29 wird koaxial von einer elektrischen Zuleitung 31 durchquert. Bei der Zuleitung 31 ist das Kabel 32 aus Kupfer und mit einer Lötsteile 33 — oder aber auch mit einer anderen Verbindungsart — mit einem Platin-Draht 34 elektrisch leitend verbunden, der koaxial zur Längsachse 16 flüssigkeitsdicht im Stöpsel 29 ist. Am linken Ende des Stöpsels 29 tritt der Platin-Draht 34 wieder heraus und ist dort zu einer Kathode 36 gebogen. Deren Gestalt ist genau in F i g. 3 und 4 dargestellt. Der Platin-Draht 34 geht nach einem Knick 37 einstückig in einen geraden Stiel 38 über und ist dann nach einem weiteren Knick 39

nach einer Abbiegung von rund 120° zu einem Ring 41 gebogen, der kreisrund ist und direkt vor dem Knick 39 stumpf endet.

Unterhalb der Zylinderbohrung 28 ist nochmals eine Zylinderbohrung 42 vorgesehen, in der ein Stöpsel 43 flüssigkeitsdicht steckt. Auch hier ist eine Zuleitung 44 vorgesehen, die links in eine Hilfselektrode 46 übergeht, die genauso hergestellt ist und etwa die gleichen Abmessungen hat, wie die Kathode 36.

Ganz unten in der Blockhälfte 12 ist noch eine elektrische Zuleitung 47 vorgesehen, die links mit einer gefederten Spitze 48 aus der Innenfläche 13 heraustritt. Die Spitze 48 macht im geschlossenen Zustand des Systems mit dem äußeren Randbereich der Probe 21 galvanisch Kontakt.

Im unteren Bereich des Hohlraums 14 ist eine Flüssigkeitsbohrung 49 vorgesehen, die in einen Plastikschlauch 51 flüssigkeitsdicht übergeht, der durch eine Schlauchklemme 52 sowohl flüssigkeitsdicht als auch - wenn er Elektrolyt enthält - galvanisch sperrend abgeklemmt werden kann.

Spiegelbildlich zur Mittenebene der Probe 21 ist die Blockhälfte 11 genauso gestaltet wie die Blockhälfte 12, so daß deren Elemente nicht weiter beschrieben werden. Eine solche Blockhälfte 11 empfiehlt sich, wenn man gleichzeitig aber voneinander unbeeinflußt eine Probe 21 messen will, bei der auf beiden Seiten vom Blech 53 jeweils eine Zinnschicht 54,56 vorhanden ist.

Einige typische Maße bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind folgende: Die Probe 21 hat einen Durchmesser von etwa 46 Millimetern. Es kann aber auch z. B. 46 Millimeter breites Bandmaterial gemessen werden. Der Durchmesser des Platin-Drahts ist 2 Millimeter. Der Durchmesser des Rings 41 ist 9 Millimeter. Der Abstand der Kathode 36 von der Probe 21 ist 15 Millimeter.

Mit der Erfindung arbeitet man wie folgt: Zwischen die Zuleitungen 32 und 47 legt man eine Stromquelle, die die eigentliche Arbeit zum Abtragen der Zinnschicht leistet. Zwischen die Zuleitung 44 und 47 legt man die Auswerteelektronik, die unter anderem die durch F i g. 1 gegebenen Tatsachen berücksichtigt. Wenn der elektrolytische Prozeß in Gang kommt, dann bilden sich an der Kathode 36 Gasbläschen, während die Hilfselektrode 46 vollständig frei von Gasbläschen bleibt. Da die Kathode 36 aus einem relativ dünnen Platin-Draht 34 besteht, jedoch nur einen Ring bildet, können sich bei ihr kleine Gasbläschen nur bis zu einem bestimmten Maße zu größeren Gasbläschen zusammenschließen. Es ist also nicht möglich, daß große Gasblasen nach oben aufsteigen und damit eine sehr unerwünschte Turbulenz im Elektrolyten verursachen. Diese Turbulenz könnte verursachen, daß an bestimmten Stellen die Zinnschicht schneller abgelöst wird als an anderen, so daß der Übergang vor f₂ nicht so steil wäre. Insbesondere wird eine Erscheinung vermieden, die bei flächigen Elektroden unvermeidlich ist: Hier rutschen die unten sich bildenden Gasbläschen an der Elektrodenfläche nach oben und vereinigen sich in ihrem Aufwärtsrutschen mit immer weiteren Gasbläschen, so daß am Schluß am oberen Rand eine große Gasblase sich unter Wirbelbildung ablöst. Bei der Erfindung gibt es sogar nur eine geringe Wahrscheinlichkeit dafür, daß die vom unteren Bereich des Rings 41 aufsteigenden Gasblasen vom oberen Bereich des Rings 41 gefangen werden.

Die unvermeidlich auftretenden Gasbläschen sind nicht nur klein und damit in der Turbulenz ungefährlich. Vielmehr werden sie auch noch von dem knapp oberhalb der Elektrode 36 beginnenden Kunstglasrohr 23 aufgefangen und nach oben herausgeleitet und an die Probe 21 gelangt daher keine Turbulenz. Das Kunstglasrohr 23 stört auch die Feldverteilung im Hohlraum 24 nicht.

Um auch evtl. nicht eingefangene Gasbläschen schlußendlich abzuleiten, ist der Stichkanal 27 vorgesehen, dessen unteres Ende so nah wie nur irgend möglich an den Umfangsrand 17 geführt ist.

Die Schlauchklemme 52 ist bei gleichzeitigem Betrieb beider Blockhälften 11, 12 notwendig, da sonst der Elektrolyt als Kurzschlußpfad zwischen den Blockhälften 11,12 dienen würde.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Messen der Dicke der Zinnschicht auf einem metallischen Blech, mit einer Einspannvorrichtung für das Blech, welche Einspannvorrichtung das Blech an seinem Rand kreisrundförmig flüssigkeitsdicht faßt, mit einer Elektrolytkammer zu mindestens einer Seite des Blechs, mit einer elektrischen Kontaktvorrichtung für das Blech, und mit einer an einer Halterung befestigten Kathode, welche Kathode zur Mittenachse des kreisringförmig gefaßten Blechs symmetrisch, im Abstand von diesem Blech angeordnet ist, und eine elektrische Zuleitung aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

einer oder an beiden der Blockhälften (11, 12) ein Ultraschallschwinger angebracht ist, der die frühzeitige Ablösung der Bläschen von den Oberflächen unterstützt und außerdem die Selbstreinigung der Oberflächen der Elektroden (36) und (46) sowie der Proben (21) begünstigt.