DE3050290A1 - Verfahren zur bestimmung der stromausbeute bei galvanischen baedern - Google Patents

Verfahren zur bestimmung der stromausbeute bei galvanischen baedern

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Frank Dr. Vangaever
Jacky Dr. 8200 Brugge Vanhumbeeck
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25DPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D21/00Processes for servicing or operating cells for electrolytic coating
    • C25D21/12Process control or regulation

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  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Description

  • Verfahren zur Bestimmung der Stromausbeute bei galva-
  • nischen Bädern.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Stromausbeute bei galvanischen Bädern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bei der Metallabscheidung führen Schwankungen in der Stromausbeute zu Schwankungen in der Schichtdicke, vor allem wenn beim Abscheidungsprozeß lediglich nach Stromdichte und Expositionszeit (Ampdrestundenzahl) gearbeitet wird. Die Stromausbeute ist nicht nur vom Gehalt der Badkomponenten, sondern auch von einer ganzen Reihe von Einflußgrößen abhängig, die nicht mit den üblichen analytischen Verfahren erfaßbar sind. Daher sind reine Amperestundenzahlen und die übliche analytische Überwachung des Bades keine ausreichenden Kriterien für die Konstanthaltung der Schichtdicke. Für die Sonstanthaltung einer bestimmten Schichtdicke ist vielmehr das Produkt ixtmaßgebend, wobei i den Strom (bzw. die Stromdichte), t die Expositionszeit und R die Stromausbeute bedeuten.
  • Durch die DE-OS 19 35 231 ist ein Verfahren zur Bestimmung der Stromausbeute elektrolytischer Bäder bekanntgeworden, bei dem den Elektroden einer Elektrolysezelle aus einer Konstantstromquelle eine Elektrizitätsmenge zugeführt wird, welche einer 100%eigen Stromausbeute entspricht. Nach Abschaltung der Elektrolyse wird die Kathode der Elektrolysezelle entnommen und anschließend der an der Kathode abgeschiedene Stoff gemessen, und zwar entweder über die Gewichtszunahme der Kathode oder über die Schichtdicke des Stoffes auf der Kathode. Dieses bekannte Verfahren eignet sich nicht zur automatischen Bestimmung der Stromausbeute.
  • In dem Handbuch der Galanotechni, Bd. III, 1969, Seiten 438/439, sind Verfahren zur Schichtdicke-Bestimmung beschrieben, wobei zumindest ein Teil des Überzuges anodisch abgelöst wird. Hierbei entspricht die Ablösezeit der Schichtdicke. In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, daß sich bei entsprechender Wahl des Elektrolyten das Ende der Überzugsablösung durch einen Potential-bzw. Spannungssprung bemerkbar macht.
  • In der Patentanmeldung P 30 30 664.0 wird ein Verfahren der eingangs genannten Art vorgeschlagen, welches eine automatische Bestimmung der Stromausbeute ermöglicht, so daß in Verbindung mit einer entsprechenden Regelung konstante Schichtdicken eingehalten werden können. Die rotierende Scheibenelektrode wird dabei zur Steigerung und Konstanthaltung des Stofftransports eingesetzt, so daß in der Meßzelle große Stromdichten verwendet werden können, wie sie z.B. in Durchlaufanlagen üblich sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart zu gestalten, daß auch die Streuung des verwendeten Elektrolyten bestimmt werden kann. Unter der Streuung ist hierbei die an einem zu galganisierenden Teil auftretende schwankende Schichtdicke zu verstehen, die sich dann ergibt, wenn die Entfernung zwischen der Oberfläche des Teils und der Anode nicht gleich ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Ermittlung der Streuung die Zeit zum anodischen Abtragen durch mindestens zwei Messungen mit verschiedenen Abständen zwischen der rotierenden Scheibenelektrode und einer Gegenelektrode ermittelt wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Ermittlung der Streuung mindestens zwei Meßzellen mit unterschiedlichen Abständen zwischen der rotierenden Scheibenelektrode und der Gegenelektrode verwendet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Errechnung von mindestens zwei Werten der Stromausbeute, wobei das Verhältnis dieser Werte ein Maß für die Streuung bildet.
  • Anhand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Die Zeichnung zeigt dabei in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine Anordnung zum automatischen Messen der Stromausbeute.
  • Mit I ist ein Prozeßteil bezeichnet, der ein galvanisches Bad 1 als wesentlichsten Teil enthält, in welchem sich der Prozeßelektrolyt befindet. Es ist angenommen, daß es sich bei dem galvanischen Bad um eine galvanische Durchlaufanlage handelt. Durch die mit 3 und 4 bezeichneten Kästchen soll angedeutet werden, daß zur Erzielung einer bestimmten Schichtdicke eine definierte Stromdichte (bzw. Strom) und eine bestimmte Bandgeschwindigkeit vorgebbar sind, wie durch einen gestrichelten Pfeil 5 angedeutet ist. Derartige Anlagen sind antich bekannt und bilden nicht Gegenstand dieser Erfindung.
  • Mit II ist ein Meßteil zur Erfassung der fur die Bestimmung der Stromausbeute maßgebenden Größen bezeichnet. Er enthalt eine thermostatisierte Meßzelle 6, der mit Hilfe einer Dosierspritze 7 über ein Ventil 8 und eine Leitung 9 eine definierte Menge Elektrolytlösung aus dem galvanlschen Bad 1 zufuhrbar ist.
  • Die Meßzelle 7 weist als arbeitselektrode eine rotierende Elektrode 10, eine dieser gegenüberstehende Gegenelektrode 11 und eine Bezugselektrode 12 auf. Die Arbeitselektrode 10 trägt am unteren Ende eine Metallscheibe 13, die der Gegenelektrode 11 gegenübersteht. Die Bezugselektrode 12 ist herkömmlicher Art und kann beispielsweise eine Kalomel-, Äg- oder AgCL-Elektrode sein. Die Gegenelektrode 11 kann beispielsweise ein platiniertes Titanblech sein, bzw. sie ist dem jeweiligen Meßproblem angepaßt, wie auch die Metallscheibe 13 der Ärbeitselektrode 10. Mit 14 ist der elektromotorische Antrieb der rotierenden arbeitselektrode 10 bezeichnet, der über Leitungen 15 und 16 mit einem Elektronikteil III in Verbindung steht, wie weiter unten noch näher beschrieben wird.
  • Am unteren Ende der Meßzelle 6 befindet sich ein vorzugsweise automatisch betätigbarer Dreiwegehahn 17, an dem eine Rohrleitung 18 angeschlossen ist, die beispielsweise zn einem Äbfallbehälter führt. Ein weiterer Ausgang des Dreiwegehahns 18 ist über eine Rohrleitung 19 mit dem galvanischen Bad 1 verbunden, damit die in der Meßzelle 6 befindliche Badprobe in das galvanische Bad 1 zurückgeführt werden kann, was insbesondere bei Verwendung eines Edelmetall-Elektrolyten von Bedeutung ist.
  • Mit 20 ist ein Elektrolytbehälter bezeichnet, in dem sich eine geeignete Elektrolytlösung befindet, die mit Hilfe einer Dosierspritze 21 über eine Rohrleitung 22 ebenfalls der Meßzelle 6 zagefünrt werden kann. Ferner kann ueber eine Rohrleitung 23 und Ventil 24 der Meßzelle 6 Wasser oder eine andere Flüssigkeit zum Spülen und Reinigen zagefahrt werden.
  • Der Elektronikteil III enthält einen Steuerungsteil 25, für die rotierende Ärbeitselektrode 10, dessen Ausgang Mit mit dem gleich bezeichneten Anschluß der Leitung 15 in Verbindung steht. Über den Steuerungsteil 25 kann die Drehgeschwindigkeit der Arbeitselektrode 10 vorgegeben werden. Mit 26 ist ein Potentiographbezeichaet, der zur Aufnahme der Potential-Zeit-Kurve dient. Die mit ÄE und BE bezeichneten Ausgänge des Potentiographen 26 sind tnit den entsprechend bezeichneten Anschlüssen ÄE und BE der Arbeitselektrode 10 bzw. der Bezugselektrode 12 verbunden.
  • Die Ärbeitselektrode 10 und die Gegenelektrode 11 liegen in einem Stromkreis, der von einer Stronquelle 27 mit konstantem Strom versorgt werden kann. Die Ausgänge AE und GE der Stromquelle 27 sind mit den entsprechend bezeichneten Anschlüssen der Arbeitselektrode 10 bzw. der Gegenelektrode 11 verbunden.
  • Schließlich enthält der Elektronikteil III noch eine Brozeßsteuerschaltung 28 mit einem Mikroprozessor 29 sowie einem Bedienfeld 30. Ferner ist die ganze Anlage mit einer Regelung 31 ausgestattet. So kann beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit der Arbeitselektrode 10 der gevanschten Stromdichte, d.h. dem zur untersuchenden Elektrolyten von dem Mikroprozessor 29 eingestellt und gesteuert werden. Ferner kann der ganze Ablauf des Meßvorgangs und die Regelung der Stromdichte und der Bandgeschwindigkeit des galvanischen Bades von dem selben Mikroprozessor 29 gesteuert sein.
  • Der Meßzyklus besteht aus folgenden Schritten: Mit Hilfe der Dosierspritze 7 wird eine definierte Menge Elektrolytlösung dem galvanischen Bad 1 entnommen und diese Badprobe in die thermostatisierte Meßzelle 6 eingebracht. Hierbei wird die Temperatur in der Meßzelle beim Abscheiden gleich der Temperatur in dem galvanischen Bad 1 gehalten.
  • Mit einem konstanten Strom ik (bzw. Stromdichte å), der möglichst genau der Stromdichte in dem galvanischen Bad 1 entspricht, wird während einer vorgegebenen Zeit tk Metall abgeschieden. Das Produkt ik x tk entspricht der zngeführten Elektrizitätsmenge (Ämprestundenzahl). In der Praxis wird jedoch nur ein teilt k von dieser gesamten Elektrizitätsmenge fur die eigentliche Metallabscheidung verbraucht; daher ist die Größe7J1 k die fur den vorliegenden Prozeß gesuchte Stromausbeute.
  • Die Aussagekraft der automatischen Bestimmung der Stromausbeute in der Meßzelle 6 wird desto größer sein je genauer der Prozessablauf im galvanischen Bad 1 in der Meßzelle 6 simuliert wird.
  • Um große Stromdichten in der Meßzelle verwenden zu können, wie sie z.B. in Durchlaufanlagen ueblich sind, wird zur Steigering und Konstanthaltung des Stofftransportes die rorotierende Ärbeitselektrode 10 eingesetzt. Die Einstellung der entsprechenden Drehgeschwindigkeit der Arbeitselektrode und der Stromdichte jk werden von dem Mikroprozessor 29 gesteuert. Sobald die eingestellte Elektrolyse-Zeit tk erreicht ist, wird der Strom abgeschaltet und die Badprobe aus der Meßzelle 6 über den Dreiwegehahn 17 und Leitung 19 wieder dem galvanischen Bad 1 zugeführt. Anschließend wird von der Prozeßsteuerung 28 über Ventil 24 die Meßzelle 6 mit Wasser gespült und dieses über Leitung 18 abgeleitet.
  • Danach wird mit Hilfe der Dosierspritze 21 eine definierte Menge Elektrolytlösung aus dem Elektrolytbehälter 20 in die Meßzelle 6 eingebracht. Diese Elektrolytlösung wird dem Metallniederschlag angepaßt; sie soll jedoch eine konstante, möglichst 100%-ige Stromausbeute beim Abtragen des auf der Metallscheibe 13 der Arbeitselektrode 10 abgeschiedenen Metalls ermöglichen. Die Potentiale an der Arbeitselektrode 10 und an der Gegenelektrode 11 werden umgepolt, wobei mit Hilfe des Mikroprozessors 29 der anodische Strom ia und die zum Abtragen optimale Rotationsgeschwindigkeit der Arbeitselektrode 10 eingestellt werden. Während des anodischen Abtragens wird die Temperatur ebenfalls konstant gehalten. Sie kann aus verfahrenstechnischen Gründen niedriger gehalten werden, um z.B. Dampfbildung zu vermeiden.
  • Zur Aufnahme der Potential-Zeit-Kurve werden die Potential-Zeitdaten laufend im Mikroprozessor 29 eingespeichert und daraus der Endpunkt ermittelt. Mit Hilfe des Potentiographen 26 kann der Potentialverlauf zwischen Arbeitselektrode 1¢ und Bezugselektrode 12 während der Abtragung auNgenommen werden. Der Endpunkt der Metallabtragung ergibt die Zeit t und wird in der Potential-Zeit-Kurve durch eine starke Potentialänderung angezeigt. Nach Bestimmung des Endpunkten wird veranlaßt, daß die Stromzufuhr zu den Elektroden abgeschaltet wird; danach wird die Meßzelle entleert und gespült und für eine neue Messung vorbereitet.
  • Unter Umständen muß die Arbeitselektrode von restlichen Abscheidungen gereinigt werden. Hierzu wird eine entsprechende andere Blüssigkeit verwendet.
  • Die zum Abtragen benötigte Elektrizitätsmenge ist gleich ia x ta x #a, wobei #a die anodische Stromausbeute ist.
  • Durch geeignete Wahl der Elektrolytlösung, kann die anodische Stromausbeute ts = 1 gehalten werden. Die Stromausbeute kann nun mit Hilfe des Mikroprozessors 29 auf folgende Weise berechnet werden: ia x ta x #a #k = ik x tk Dieser Wert kann zusammen mit der eingestellten Stromdichte und Rotationsgeschwindigkeit protokolliert werden.
  • Vorzugsweise wird die Stromdichte im galvanischen 3ad und/oder die Expositionszeit in Abhangigkeit von der Stromausbeute (?k) \geregelte Die Auswertung der Potential-Zeit-Karve zur Bestimmung von ta kann in an sich bekannter Weise vorgenommen werden, beispielsweise durch den Schnittpunkt von Geraden durch lineare Abschnitte der Kurve oder einen Wendepunkt bei S-förmigem Kurvenverlauf.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann nun die Streuung eines Elektrolyten bestimmt werden. Unter der Streuung versteht man die an einem zu galvanisierenden Teil auftretende schwankende Schichtdicke, wenn die Entfernung zwischen der Oberfläche des Teiles und der Anode nicht gleich ist. Zur Ermittlung der Streuung sind gemaß einem weiteren Merkmal mindestens zwei Messungen mit verschiedenen Abständen zwischen der rotierenden Elektrode 10 und der Gegenelektrode 11 vorzunehmen. Vorzugsweise werden zur Ermittlung der Streuung zwei voneinander unabhängige Meßzellen mit unterschiedlichen Abständen zwischen der rotierenden Elektrode und der Gegenelektrode verwendet. Daraus werden zweig k - Werte errechnet; das Verhältnis dieser beiden Werte ist ein Maß für die Streuung.
  • Vorzugsweise wird zur Ermittlung der Streuung im obengegenannten Zweizellensystem oder in einer einzigen Zelle, eine rotierende Elektrode verwendet, welche am unteren Ende mehrere geeignete Metallscheiben trägt, z.B. 2 für die Ring-Scheibe Elektrode und 3 für eine gespaltete Ring-Scheibe Elektrode (d.h. die sog. Split-ring-disc electrode).
  • Daraus werden zwei oder mehrere gk-Werte errechnet; das Verhältnis dieser Werte ist ein Maß für die Streuung.
  • Das erfindungsgemäße Meßprinzip ist nicht beschrankt auf das Gleichspannungsverfahren, sondern kann z.B. auch für die Pulsabscheidung eingesetzt werden.
  • 2 Patenzanspruche 1 figur

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Bestimmung der Stromausbeute (k) bei galvanischen Bädern, wobei dem galvanischen Bad (1) eine Badprobe entnommen wird und aus dieser in einer Meßzelle (6) unter dem Einfluß einer negativen Gleichspannung bei konstantem Strom (ik) während einer vorgegebenen Zeit (tk) auf einer rotierenden Scheibenelektrode (10) Metall abgeschieden und nachfolgend die abgeschiedene Schicht mit Hilfe einer geeigneten Elektrolytlösung unter Umpolung der Gleichspannung bei konstantem Strom (ia) und in einer zu ermittelnden Zeit (ta) anodisch aufgelöst wird und sodann die Stromausbeute (k) nach der Formel ia x ta x na nk = ik x tk berechnet wird, worin Ma die Stromausbeute des anodischen Abtragens bedeutet, dadurch g e k e n n z e i c hn e t , daß zur Ermittlung der Streuung die Zeit (ta) zum anodischen Abtragen durch mindestens zwei Messungen mit verschiedenen Abständen zwischen der rotierenden Scheibenelektrode (10) und einer Gegenelektrode (11) ermittelt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß zur Ermittlung der Streuung mindestens zwei Meßzellen (6) mit unterschiedlichen Abständen zwischen der rotierenden Scheibenelektrode (10) und der Gegenelektrode (11) verwendet werden.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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NICHTS-ERMITTELT *

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