DE2739427C2 - Verfahren zum Impulsgalvanisieren von Metall auf einem Werkstück - Google Patents

Verfahren zum Impulsgalvanisieren von Metall auf einem Werkstück

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Impulsgalvanisieren von Metall auf einem Werkstück der im Patentanspruch 1 angegebenen Gattung.
Bei einem z.B. aus JP-PS 40-8801, JP-PS 48-5529 bekannten Impuls-Galvanisierverfahren fließt ein Impulsstrom hoher Stromdichte in einem von einem Elektrolyten durchströmten Arbeitsspalt zwischen einer Elektrode und einem Werkstück. Dieses Verfahren ermöglicht eine wirksame lonenregelung im Elektrolyten und damit eine Intensivierung des Galvanisiervorgangs.
Aus »Plating«, Aug. 1969, S.909-913 ist bereits ein Verfahren zum Impuls-Galvanisieren bekannt, bei dem zur Erzeugung einer sehr dünnen gleichmäßigen Metallschicht auf z. B. Betatron-Fenstern mit Impulsen einer Dauer zwischen 1 und 50 μ5 und Impulsfrequenzen zwischen 1000 und 2000 pro Sekunde gearbeitet wird. Ein kontinuierlich verstellbarer Impulsgenerator wurde mit einem Impuls-Stromverstärker einer Kapazität von 15 A gekoppelt, um ausreichend hohe Stromdichten in dem Arbeitsspalt zwischen einer ebenen Anode und Kathode zu erzielen. Eine an die Galvanisierzelle angeschlossene Pumpe erzeugte eine lineare Elektrolytströmung von 3 m/min, um die von der Anode gelösten Partikel aus dem Arbeitsspalt wegzuschwemmen.
Aus »Handbuch der Galvanotechnik«, C. Hanser Verlag, 1963, S. 134 ist es bekannt, daß sich bei stark ausgeprägten Profilierungen des als Kathode geschalteten Werkstückes erhebliche Dickenunterschiede der aufgetragenen Schicht bilden, wobei am Boden dieser Vertiefungen keine nachweisbare Abscheidung mehr stattfinden kann. Zur Ermittlung der Deckfähigkeit, d. h. derjenigen Tiefe, bis zu der bei einem bestimmten Oberflächenprofil noch Metallabscheidung stattfindet, werden Winkelkathoden, Spaltkathoden, Schlitz- und Blendenzellen oder Lochskalen benutzt. Bei Anwendung des Gleichstrom-Galvanisierens ist die Deckfähigkeit um so besser, je höher die Stromdichte ist. Eine Beeinflussung der Deckfähigkeit durch Steuerung verschiedener Parameter beim Impuls-Galvanisieren ist
in dieser Druckschrift nicht angesprochen.
In »Metalloberflächen«, Mai 1976, H. 5, S. 205-252 ist ein Stromumpol-Impulsverfahren beschrieben und dem Gleichstromverfahren jeweils in einem Elektrolytbad gegenübergestellt Beim Umpolverfahren erzeugen zwei Stromregler und ein elektronisches Zeitschaltwerk, wahlweise Umpol-Stromimpulse sowie Gleichstromimpulse mit einstellbaren Schaltzeiten von 0,1 bis 99,9 s und Totzeiten zwischen den Impulsen, deren Länge so eingestellt wird, daß während der Impulszeiten die Grenzstromdichte nicht erreicht wird. Diese Totzeiten, denen im Umpolbetrieb entsprechend lange Impulszeiten entgegengesetzter Polarität entsprechen, liegen im Bereich zwischen 0,1 und 10 s. Als Ergebnis der Versuche wird in dieser Druckschrift festgestellt, daß beim Umpolbetrieb durch die zusätzliche snodische Phase eine Steigerung der Auftragungsgeschwindigkeit erreicht v/erden könnte, die mit kürzeren Impulszeiten und hohen Stromdichten stark zunimmt. Über den Einfluß von Impulsparametern auf das Beschichten von profilierten Werkstücken läßt sich dieser Druckschrift nichts entnehmen.
Um profilierte Werkstücke mit schmalen Ausnehmungen oder Nuten von relativ zur Breite großer Tiefe gleichmäßig mit einem Metall galvanisch zu beschichten, mußten bisher Elektroden von entsprechend negativ profilierter Oberfläche verwendet werden, die einen den Profilierungen folgenden Arbeitsspalt konstanter Weite sicherstellten. Dieser Arbeitsspalt wurde von einem Elektrolyten durchströmt, um die sich im Arbeitsspalt bildenden Metallpartikel wegzuschwemmen und gleichzeitig die Grenzschichten abzubauen. Die Herstellung der mitunter kompliziert profilierten Elektroden war zeit- und arbeitsaufwendig sowie mit
3ί> hohen Kosten verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs angegebenen Gattung aufzuzeigen, bei dem eine gleichmäßig dicke Metallschicht galvanisch auch auf profilierten Werkstücken erzeugt werden kann, welcher enge Vertiefungen von relativ zur Breite großer Tiefe aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 schematisch im Schnitt ein Impuls-Galvanisier-Sy stern;
F i g. 2 Versuchsergebnisse der Impuls-Galvanisierung bei Verwendung des Systems nach Fig. 1;
Fig. 3 —6 Schaltbilder verschiedener elektrischer Steuerungen.
Das in F i g. 1 dargestellte Werkstück 1 weist eine Vertiefung oder Nut 1 a mit der Tiefe D und der Breite H auf. Eine Elektrode 2 ist unter Ausbildung eines Arbeitsspaltes gegenüber dem Werkstück 1 angeordnet und weist eine Bohrung 2a auf, durch die ein flüssiger Elektrolyt 3 in den Bereich des Werkstückes 1 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit zugeführt wird. Der Arbeitsspalt zwischen dem Werkstück 1 und der Elektrode 2 wird durch eine Regeleinheit konstant gehalten. Über Anschlüsse 4 wird eine Folge von elektrischen Impulsen über das Werkstück 1 und d;c Elektrode 2 zugeführt, wobei die Impulsdauer zwischen 1 und 50 μ5, vorzugsweise 1 bis 10 μ5, beträgt und die Impulspausen mehr als das Zweifache länger als die Impulsdauer sind. Unter diesen Bedingungen wird eine gleichförmige Metall-
schicht 5 galvanisch auf einem profilierten Werkstück 1 aufgetragen, wobei das Verhältnis zwischen der Nuttiefe D und der Nutbreite H beispielsweise 10:1 beträgt
Im Diagramm nach Fig.2 ist das D/H-Verhältnis einer Vertiefung auf der Ordinate und die Impulsdauer ron in \is auf der Abszisse aufgetragen. Als Elektrolyt wurde Nickelsulfat oder-Sulfonat verwendet und die Breite des Arbeitsspaltes betrug 40 mm bei einer Stromdichte von 5 A/cm2. Die Kurven a bis f !0 kennzeichnen Impuls-Beschichtungen unter folgenden Bedingungen:
(a) 7T0n/rOff=l/2
(b) 7Ton/^off=l/3 -
(c) ν cd τ on= \ 14
(d) ToiAoff=l/4
bei einer Elektrolyt-Strömungsgeschwindigkeit von 3 m/s,
(e) Γοπ/τΟΓΓ=1/4 mit einer Elektrolyt-Strömungsgeschwindigkeit von 5 m/s,
(0 Ton/roff=l/4
mit einer Elektrolyt-Strömungsgeschwindigkeit von 7 m/s.
Jede Kurve gibt an, daß mit Abnahme der Impulsdauer ein größeres D/W-Verhältnis gewählt werden kann, wobei diese Tendenz besonders bei Impulsen mit einer kleineren Impulsdauer als 50 μ5 deutlich wird. Das Verhältnis D/H kann größer gewählt werden mit länger werdender Impulspause bei gegebener Impulsdauer. Die Kurven d, e und f zeigen den Einfluß der Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten, wobei bessere Ergebnisse bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten von mindestens 5 m/s des den Arbeitsspalt duichfließenden Elektrolyten erreicht werden.
In den F i g. 3 bis 6 sind verschiedene Schaltungen zur Steuerung mindestens eines Impulsparameters wiedergegeben. Die Schaltung nach Fig.3 weist Wechselstromanschlüsse 10a, 106 und einen Spannungsregler 11 auf, der eine konstante Gleichspannung abgibt. Mit den Ausgängen 11a und 116 des Spannungsreglers 11 sind ein Strombegrenzerwiderstand R, ein elektronisches Schaltglied 12 und der Arbeitsspalt G zwischen einer Elektrode 13 und einem Werkstück 14 in Reihe geschaltet. Ein Elektrolyt 15 durchfließt zwangsweise den Arbeitsspalt C. Ein Impulsgenerator 16 erzeugt Steuerimpulse von vorgegebenen Einschalt- und Ausschaltzeiten, welche das elektronische Schaltglied 12 ansteuern und zwischen der Elektrode 13 und dem Werkstück 14 einen Impulsstromfluß von entsprechender Impulsdauer und Impulspause bewirken. Die Amplitude der Impulse wird durch den Widerstand R eingestellt. Der Impulsstrom kann bei Änderungen der Betriebsbedingungen im Arbeitsspalt G modifiziert werden. Dabei kann die Amplitude, die Impulsdauer und/oder die Impulspause gesteuert werden, und zwar in Abhängigkeit von der Spannung oder vom Strom im Arbeitsspalt G und/oder von der Impedanz zwischen der Elektrode 13 und dem Werkstück 14, deren Größe durch Änderungen der Betriebsbedingungen beeinflußt wird.
Die Schaltung nach F i g. 3 spricht auf den Spaltstrom an und weist einen Meßwiderrtand 18 auf, der mit dem elektronischen Schaltglied 12 und dem Arbeitsspalt G in Reihe geschaltet ist. Ein ausgangsseitig an den Meßwiderstand 18 angeschlossener Verstärker 19 ist mit einem ersten Eingang 17a eines UND-Gliedes 17 verbunden, dessen zweiter Eingang 176 Steuerimpulse vom Impulsgenerator 16 erhält Der Verstärker hat eine Diskriminatorwirkung und vergleicht die Größe des vom Meßwiderstand 18 erfaßten Spaltstromes mit einem Sollwert Wenn der Spaltstrom diesen Sollwert überschreitet wird ein »0«-SignaI dem ersten Eingang 17a zugeführt um den Durchgang der Steuerimpulse vom Impulsgenerator 16 zum Schaltglied 12 zu sperren und die Frequenz bzw. das Impulsdauer/Impulspausen-Verhältnis der im Arbeitsspalt G wirksamen Impulse zu verringern. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Gleichförmigkeit der auf das Werkstück 14 aufgalvanisierten Metallschicht
Die Schaltung nach F i g. 4 verwendet einen Zerhakker-Verstärker 20, dem eine Bezugsspannungsquelle 21 und ein Meßwiderstand 18 zugeordnet sind. Durch Vergleich der Bezugsspannung mit der am Meßwiderstand 18 abgegriffenen Spannung, die der Stromstärke zwischen der Elektrode 13 und dem Werkstück 14 proportional ist, wird vom Zerhacker-Verstärker 20 eine Steuersignalfolge zum Ein- und Ausschalten des elektronischen Schaltgliedes 12 mit veränderbaren Ein-/Ausschaltzeiten — ähnlich wie bei der Schaltung nach F i g. 3 — erzeugt.
In der Schaltung nach Fig.5 wird ein Multivibrator 22 als Impulsgenerator verwendet um Umschaltimpulse dem Schaltglied 12 zuzuführen. Diese Umschaltimpulse und damit die Stromimpulse im Arbeitsspalt werden mittels eines Vergleichers 23 verändert, welcher eine an einer Z-Diode 24 abfallende Bezugsspannung mit der vom Meßwiderstand 18 erfaßten Spannung vergleicht, die der Stromstärke im Spalt G proportional ist.
Bei der Schaltung nach Fig.6 ist der zwischen der Elektrode 13 und dem Werkstück 14 gebildete Arbeitsspalt G mit dem elektronischen Schaltglied 12 in Reihe geschaltet, welches drei Transistoren 12a, 12t>, 12c enthält und mit der Gleichstromquelle 11 in Reihe geschaltet ist. Das Schaltglied 12 wird von einem Impulsgenerator 16 angesteuert, der ein Multivibrator mit Zeiteinstellgliedern 16' ist. Die Zeiteinstellglieder 16' sind durch drei Paare 16ä, 166 und 16c aus je einem Transistor und einem Widerstand gebildet, die paralle!- geschaltet sind und selektiv betätigt werden. Die Widerstände dieser Paare 16a, 16Zj, 16c sind auf unterschiedliche Werte so eingestellt, daß beim Einschalten des Paares 16a die Impulspause einen Minimalwert, beim Einschalten des Paares 16c einen Maximalwert und beim Einschalten des Paares 166 einen Mittelwert hat.
Die Ausgänge des Impulsgenerators 16 führen zu drei Logikgliedern 17a, 176,17c, die das jeweilige Ausgangssignal einem der drei Schaittransistoren 12a, 126, 12c zuführen. Die Logikglieder 17a, 176, 17c besitzen je einen weiteren Eingang a, 6, c und sind jeweils gesetzt, wenn der entsprechende Eingangsimpuls aniiegt. Die Schalttransistoren 12a, 126, 12c sind mit jeweils unterschiedlichen Widerständen R\, /?2, /?3 in Reihe geschaltet, welche die Größe der dem Arbeitsspalt G zugeführten Stromimpulse bestimmen.
Eire Hilfsspannungsquelle 26 und ein Transistor 27 sind über den Arbeitsspalt G angeschlossen. Der Transistor 27 wird durch phasenverkehrte Signale des Impulsgenerators 16 durchgeschaltet und gesperrt, welche in einem Phasenumkehr-Transistor 31 erzeugt werden. Die Spannung der Hilfsspannungsquelle 26 dient als Prüfspannung und liegt am Arbeitsspalt G
während jeder Impulspause an. Der Widerstand- oder Impedanzwert während der Impulspause wird an einem weiteren Widerstand 28 selektiv erfaßt, welcher während der Impulspause über einen weiteren Transistor 29 kurzgeschlossen ist. Dieser Transistor 29 wird durch den Einschaltimpuls vom Impulsgenerator 16 durchgeschaltet. Der im Widerstand 28 erfaßte Widerstandswert wird eine Diskriminatoreinheit 30 zugeführt, die aus drei Schwellenwertschaltungen 30a, 30£>, 30c in Form von Schmitt-Triggern mit unterschiedlichen Schwellenwert-Cpannungen V30;l > V306> VW an ihren jeweiligen Ausgängen a, b, cbesteht.
Im Betrieb wird bei jedem Ausschalten des Beschichtungs-Stroms der Transistor 27 durchgeschaltet, damit die Prüfspannung von der Hilfsspannungsquelle 26 über den Arbeitsspalt G angelegt wird, während der Transistor 29 gesperrt ist. Eine der Arbeitsspalt-Spannung proportionale Spannung wird am Widerstand 28 abgegriffen und durch die Diskriminatoreinheit 30 unterschieden. Sobald im Arbeitsspalt C normale Betriebsbedingungen herrschen, tritt ein »!«-Signal am Ausgang b auf, um den Schalttransislor des Paares 26i> durchzuschalten und die Impulspause auf einen vorgegebenen mittleren Wert einzustellen. Gleichzeitig aktiviert dieses »1 «-Signal am Ausgang b selektiv das Logikglied 17</ des Schalttransistors 12d und es fließt ein impulsförmiger Niederschlags- bzw. Beschichtungsstrom durch den Arbeitsspalt G, dessen Größe vom Widerstand Ri bestimmt wird.
Wenn im Arbeitsspalt G Hochimpedanz-Bedingungen vorliegen, tritt am Ausgang a ein »1 «-Signal zur Betätigung des Paares 16a auf, um die Impulspause auf einen vorgegebenen Minimalwert einzustellen. Dieses »1 «-Signal am Ausgang a aktiviert außerdem selektiv das Logikglied 17a, damit nur der Schalttransistor 12a angesteuert wird. Der impulsförmige Beschichtungs- bzw. Niederschlagsstrom ist aufgrund des entsprechend ausgelegten Widerstandes R\ vergrößert.
Wenn im Arbeitsspalt G Niederimpedanz-Bedingungen vorliegen, wird ein »1«-Signal am Ausgang c zur Betätigung des Paares 16c erzeugt, wodurch die Impulspause auf einen vorgegebenen größeren Wert eingestellt wird. Gleichzeitig wird das »1 «-Signal am Ausgang c zum selektiven Setzen des Logikgliedes 10c, damit der Schalttransistor 12c allein angesteuert wird. Es fließt ein impulsförmiger Niederschlags- bzw. Beschichtungsstrom, dessen verringerte Stärke vom Widerstand Rz bestimmt wird.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Impuls-Galvanisieren von Metall auf einem Werkstück, bei dem im Arbeitsspalt zwischen der Werkstückfläche und der Elektrode eine Impulsfolge mit einer Impulsdauer von 1 bis 50 μ5 erzeugt wird, wobei die jeweilige Impulsdauer deutlich geringer ist als die entsprechende Impulspause, bei dem eine Elektrolytströmung im Arbeitsspalt aufrechterhalten wird und bei dem der Abstand zwischen der Elektrode und dem Werkstück im Arbeitsspalt konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur gleichmäßigen Beschichtung der Vertiefungen aufweisen-den Werkstückfläche im Arbeitsspalt eine Elektrolytströmung von mindestens 5 m/s und eire gesteuerte Impulsfolge mit einem Impulsdauer- zu Impulspausenverhältnis von kleiner 1 :2 erzeugt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Arbeitsspalt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen normaler Polarität ein Impuls entgegengesetzter Polarität erzeugt wird.
DE2739427A 1976-09-01 1977-09-01 Verfahren zum Impulsgalvanisieren von Metall auf einem Werkstück Expired DE2739427C2 (de)

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