DE3418040A1

DE3418040A1 - Vorrichtung fuer die elektrolytische behandlung eines metallbandes

Info

Publication number: DE3418040A1
Application number: DE19843418040
Authority: DE
Inventors: Maurizio Rom/Roma Podrini
Original assignee: Centro Sperimentale Metallurgico SpA
Current assignee: Centro Sviluppo Materiali SpA
Priority date: 1983-05-16
Filing date: 1984-05-15
Publication date: 1984-11-22
Also published as: NO841921L; IT8348299A0; SE8402620D0; GB2140036A; US4526668A; LU85358A1; JPH0542518B2; SE459341B; BE899668A; IT1173713B; GB2140036B; JPS59219498A; SE8402620L; NO165115B; NL8401541A; BR8402414A; DE3418040C2; ES532499A0; FR2546186A1; ATA152584A

Description

C 3408 Lw/Nic.
Case C 140

Vorrichtung für die elektrolytische Behandlung eines Metallbandes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die elektrolytische Behandlung von Metallbändern und insbesondere eine Zelle für die elektrolytische Behandlung und für die Abscheidung von metallischen und/oder nicht-metallischen Überzügen auf Metallbändern, beispielsweise Stahlbändern oder Streifen. Allgemein beobachtet man den Trend, zurückzuführen im wesentlichen auf die Notwendigkeit, die Nutzlebensdauer der Produkte aus Metallbändern und insbesondere Stahlbändern zu erhöhen, Bänder herzustellen, die ^^u auf ein oder beiden Seiten mit Metallen, Metallegierungen oder Metallverbindungen überzogen sind, die das Band und daher die hieraus hergestellten Produkte gegen Korrosion schützen.

Solche Überzüge können im wesentlichen auf einem von zwei Wegen hergestellt werden: entweder indem das Band in ein Bad schmelzflüssigen Metalls oder einer Legierung getaucht wird oder auf elektrolytischem Wege.

°Q Beide Überzugstechniken zeitigen Vorteile und Nachteile. Das Elektroplattieren macht es möglich, überzüge zu erzeugen, die nicht durch andere Mittel erhalten werden konnten, wie bei Legierungen, deren Komponenten erheblich hinsichtlich Schmelzpunkt sich unterscheiden oder bei Oxyden oder anderen Verbindungen, die nur schwierig schmelzen, oder die, wenn sie heiß sind, sich zersetzen. Dagegen werden nicht allgemein dicke Überzüge, wenn man auf industrielle Geschwindigkeiten geht, hergestellt.

Dies ist darauf zurückzuführen, daß die im elektrolytischen Verfahren freigesetzten Gase, Sauerstoff an den Anoden und Wasserstoff an den Kathoden, an den Elektroden haften und physikalische Defekte im überzug erzeugen, was zu einem Abfall im Behandlungsstrom führt. Um diese Effekte auf ein Minimum zu bringen, ist es notwendig, mit relativ niedrigen Stromdichten zu arbeiten, es sei denn, es geht um sehr lange Behandlungszeiten, die industriell ökonomisch nicht zur Anwendung kommen.
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Die elektrochemische Abscheidung hat so viele Vorteile, daß erhebliche Anstrengungen unternommen werden müssen, um die obenbeschriebenen Probleme zu überwinden.

Kürzlich wurde ein sehr einfaches Verfahren vorgeschlagen und benützt. Dieses besteht darin, die Gase zu eliminieren, indem man den Elektrolyten in einer Richtung entgegengesetzt zu dem im Behandlungsvorgang befindlichen Band bei einer besonderen Geschwindigkeit drückt. Tatsächlich geht es dabei darum, eine gegebene Relativgeschwindigkeit zwischen Band und Elektrolyt, von denen beide sich bewegen, zu erzielen, um so gleichzeitig das Gas von den Elektroden wegzuschaffen und eine ausreichende Austauschgeschwindigkeit des Elektrolyten auf dem Band zu erzielen. Hierdurch soll eine optimale Konzentration des oder der über die Gesamtlänge der Galvanisierzelle abgeschiedenen Elemente erhalten werden. Unter Berücksichtigung dieser Betrachtungen wurde erfindungsgemäß eine Zelle für ein Galvanisieren sowie eine elektrolytische Behandlung für hohe Stromdichten entwickelt. Diese soll gegenüber horizontalen Zellen den Vorteil haben, daß die Gasentfernung besser ist und daß weniger Bodenfläche eingenommen wird.

Erfindungsgemäß wird die vertikale Elementarzelle aus einem Behälter zusammengesetzt, in dem zwar vertikale Leitungen rechteckigen Querschnitts vorgesehen sind. Diese bilden die elektrolytischen Behandlungszellen, in welchen der Elektrolyt gezwungen wird, sich vertikal zu

bewegen.

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, die erfindungsgemäß aus einer vertikalen Zelle für elektro-Iytische Behandlungen, vorzugsweise mit hoher Stromdichte besteht, wird die notwendige hohe Relativgeschwindigkeit von Elektrolyt und Band erzielt, indem man eine gegebene Differenz in der hydraulischen Druckhöhe zwischen dem in einer oberen Verteilerkammer enthaltenen Elektrolyten und dem in einer unteren Sammelkammer enthaltenen Elektrolyten aufrechterhält.

Die oben beschriebene vertikale Bewegung des Elektrolyten in den erfindungsgemäß ausgebildeten Behandlungszellen wird durch die Tatsache möglich gemacht, daß der Behälter vertikal in wenigstens zwei Kammern unterteilt wird. Der Elektrolyt wird gezwungen, von der einen Kammer in die andere Kammer durch die genannten vertikalen Leitungen mit rechteckigem Querschnitt zu strömen, in dem ersten konstruierten Beispiel hat der genannte Behälter eine relativ kleine obere Kammer und eine relativ große untere Kammer. Diese oberen und unteren Kammern sind durch die genannten Vertikalleitungen mit Rechteckquerschnitt verbunden, die über eine gewisse Höhe in die obere Kammer vorstehen und sich wenigstens bis zum Halbwegpunkt in die untere Kammer erstrecken. Der Elektrolyt wird in die obere Kammer durch ein oder mehrere Tanks, die zu seiner Sammlung und zur Einstellung der Konzentration der abzuscheidenden Elemente dienen, gepumpt. Der Elektrolyt in der unteren Kammer wird auf einem gewissen Niveau, oberhalb der unteren Lippe dieser vertikalen Leitungen gehalten. Der Elektrolyt fällt von der oberen Kammer in die untere durch die vertikalen Leitungen vom Rechteckquerschnitt, welche die elektrolytischen Behandlungszellen darstellen. Der Niveau-Unterschied zwischen dem Elektrolyten in der oberen Kammer und dem in der unteren bestimmt seine Strömungsgeschwindigkeit durch die Behandlungszellen. Das zu behandelnde Band wird von oben nach

unten in der ersten Zelle geführt, verläuft dann um eine Rolle von unten nach oben in der zweiten.Durch geeignetes Einstellen der Differenz im Niveau des Elektrolyten zwischen den oberen und unteren Kammern, bezogen auf die Geschwindigkeit des Bandes, erreicht man sowohl in der ersten Zelle, wo Band und Elektrolyt in der gleichen Richtung gehen , als auch insbesondere in der zweiten eine Relativgeschwindigkeit zwischen Band und Elektrolyt, die ausreicht, um die Gase zu entfernen und die Konzentration des Elektrolyten innerhalb des optimalen Bereichs zu halten.

Nach einer zweiten Version wird dieser Behälter in drei Kammern unterteilt, von denen die obere und untere den Elektrolyten enthält, während die mittlere leer ist.

Diese Anordnung ist bevorzugt, jedoch nicht unerläßlich, weil sie die Menge des in der Vorrichtung enthaltenen Elektrolyten begrenzt. Die oberen und unteren Kammern sind durch diese Elektrolytzellen verbunden; der Elektrolyt wird durch diese Zellen von unten nach oben gepumpt.

Nach der zweiten Ausführungsform ist die Konstruktion eines Druckbehälters erforderlich; andererseits wird es möglich, die Pumpgeschwindigkeit zu variieren; es ergibt sich so ein ziemlich breiter Bereich von Relativgeschwindigkeiten, die sich zwischen Band und Elektrolyt erreichen lassen. Dies macht es möglich, für unterschiedliche Zwecke eine einzige Leitung einfach anzupassen.

Bei beiden genannten Ausführungsformen bilden die größeren Seitenwandungen dieser Elektrolytzellen die festen Elektroden. Das zu behandelnde Band läuft unter einer gleichen Entfernung zwischen den beiden und bildet die Elektrode entgegengesetzter Polarität.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert

werden. Diese zeigen in

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Elementarzelle

nach der ersten Ausführungsform; 5

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Elementarzelle

nach der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung.

Nach Fig. 1 ist der Behälter durch eine Trennwand 8 in eine obere Kammer 2 und eine untere Kammer 3 unterteilt, die über die Elektrolytzellen 9 und 10 rechteckigen Querschnitts verbunden sind, wo deren größere Innenflächen durch die Elektroden 14 und 15 gebildet sind.

Das durch die Rollen 5, 6, 7 geführte Band 4 tritt in den Behälter ein, läuft durch die Zelle 9 von oben nach unten, wird dann umgelenkt und durchläuft die Zelle 10 von unten nach oben. Der in die Kammer 2 vermittels des Rohres 12 eingeführte Elektrolyt erreicht ein Niveau 17 und strömt in die Zellen 9 und 10 über. Fließt er durch diese nach unten, so erreicht er die untere Kammer 3, von der er durch das Rohr 11 gepumpt wird, derart, daß sein Niveau 16 sich immer oberhalb der unteren Lippe der Zellen 9 und 10 befindet. Der Niveau-Unterschied zwischen den Flüssigkeitsflächen 17 und 16 steuert die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten innerhalb der Zellen 9 und 10.

Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung ist ähnlich der in Fig. 1, mit dem Unterschied, daß der Behälter in drei vertikal übereinanderliegende Kammern unterteilt ist, die durch Trennwände 8 und 13 getrennt sind. Die mittlere Kammer ist leer. In diesem Fall wird der Elektrolyt von unten nach oben durch die Zellen 9 und 10 gepumpt.

Beim Galvanisieren können die festen Elektroden entweder ?.ö-lich oder unlöslich sein.

Wird nur auf oiner Fläche des Metallbandes galvanisiert, so werden zwei homologe, feste Elektroden, vorzugsweise 14' und 15' durch Platten aus Isoliermaterial ersetzt, die in die Behandlungskammern hineinreichen, wo sie mit der nicht zu überziehenden Bandoberfläche kontaktiert werden und dieses besonders an den Rändern gegen Stromstreuung um die Kanten abschirmen.

Wie vorher erwähnt, ist die Maßnahme nach der Erfindung geeignet für eine große Zahl möglicher elektrolytischer und galvanischer Behandlungen mit Metallen, Legierungen und Verbindungen. Durch geeignetes Kombinieren einer Anzahl von sämtlich identischen Zellen wird es möglich, Reinigungs- und Beizbehandlungen des Bandes durchzuführen, sowie einfache und mehrschichtige überzüge aus unterschiedlichen Metallen und Verbindungen herzustellen.

Einige dieser Möglichkeiten sind in den folgenden Beispielen beschrieben.

Beispiel 1

Die Vorrichtung nach der Erfindung wird für das neutrale elektrolytische Beizen warmgewalzter Bänder eingesetzt, welche nach bekannten Verfahren mechanischen zunderbrechenden Behandlungen ausgesetzt wurden.

Bei der vorliegenden Maßnahme bestehen die festen Elektroden aus Weichstahl für die anodischen Zellen und aus Blei oder aus mit Bleiüberzug versehenem Stahl für die kathodischen Zellen. Das zu behandelnde Band wird 20 Wechselperioden kathodischer und anodischer Polarität

gg ausgesetzt. 20 Elementarzellen nach der Erfindung werden daher bei dieser Vorrichtung verwendet; das Band arbeitet alternativ als Anode und als Kathode in diesen Zellen.

' "" * 34180A0

Der Elektrolyt ist eine wässrige Lösung aus Natriumsulfat mit einer Konzentration von 200 q/1 bei einer Temperatur von 85 C, bei einem pH-Wert von 7,0.

Unter diesen Bedingungen wurden Bandgeschwindigkeiten zwischen 120 und 160 m/min mit Stromdichten zwischen

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und 100 A/dm untersucht. In jedem Fall zeigte sich das Band als vollkommen gebeizt, mit einer sauberen klaren Oberfläche, die merklich widerstandsfähig gegen Rosten während der Lagerungsperiode war.

Unter den gleichen Bedingungen, jedoch mit einer geringeren Anzahl von Zellen (4 anodische-kathodische Elementarzellen) wurden die Oberflächen aus kaltgewalztem weichen Stahlband, niedrig-legiertem Stahl und mikro-legiertem Stahlband für das überziehen vorbereitet, indem die Oberfläche leicht gebeizt und aktiviert wurde. Die Behandlung dauerte 0,25 bis 4 s. Die Ergebnisse hinsichtlich Reinheit und Oberflächenqualität des Bandes waren auch ⁱⁿ diesem Falle ausgezeichnet.

Beispiel 2

Ein kaltgewalztes, geglühtes und geglättetes bzw. kaltnachgewalztes Band (skinpassed strip), welches vorzugsweise wie nach dem vorhergehenden Beispiel behandelt wurde, wurde elektrolytisch galvanisiert. Die Behandlungslösung enthielt zwischen 60 bis 80 g/l Zinkionen in saurer wässriger Lösung bei einem pH-Wert zwischen 0 und 2 und bei Temperaturen zwischen 40 und 60 °C.

Viele Versuche wurden im Bereich der obenbeschriebenen 2g Bedingungen durchgeführt. In din.sGm Fall arbeitet das Band immer als Kathode, während die Anoden entweder unlöslich, aus Bleilegierung bestanden, oder löslich, aus Zinklegierung bestanden.

-ιοί Die Anlage bestand aus 12 Elementarzellen in Reihe. Unter jeder der genannten Versuchsbedingungen erhielt man bei einer festen Bandgeschwindigkeit von 90 m/min und unter

2 Verwendung von Stromdichten von 100, 120 und 135 A/dm gleichförmige und kompakte Zinkabscheidungen von 7, 8,5 und 9,5, was etwa jeweils 50, 60 und 70 g/dm² entsprach.

Aus den erhaltenen Ergebnissen ergibt sich, daß, dank des schnellen Umschlags der Lösung in den Abscheidungszellen, der Einfluß der Änderungen hinsichtlich Konzentration und Temperatur des Elektrolyten innerhalb sehr schmaler Grenzen gehalten wird.

Beispiel

Ein Band aus galvanisiertem Stahl, welches vorzugsweise . nach dem obigen Beispiel hergestellt wurde, wurde erfindungsgemäß einer weiteren Überzugsbehandlung mit aufeinanderfolgenden Schichten metallischen Chroms und von Chromoxyden ausgesetzt. Das überzugsverfahren wurde in zwei aufeinanderfolgenden Stufen durchgeführt. Hierbei sind ein und zwei Elementarzellen in Reihe jeweils erforder^lich·

Die Anoden dieser Zellen sind sämtlich vom unlöslichen Typ, aus Bleilegierung.

Die Arbeitsbedingungen in der Zelle der ersten Stufe sind die folgenden:

Die Zusammensetzung des Elektrolyten war CrOo 115 g/l; NaF 1,73 g/l; H₂SO₄ 0,5 ml/1, HBF₄ 0,5 ml/1. Der oH-Wert lag unter 0,8, die Temperatur bei 4 5 ⁰C und die Stromdichte bei 85 A/dm².

Unter diesen Bedingungen wurden mit einer Bandgeschwindig-

1 von 50 m/min 0,45 g/m metallischen Chroms abgeschieden.

Die Arbeitsbedingungen in den Zweite-Stufe-Zellen war die folgenden:

5 Die Zusammensetzung des Elektrolyten betrug CrO^ 40 g/l; NaF 1,73 g/l; HBF₄ 0,5 ml/1. Der pH-Wert betrug 3, die Temperatur 30 ⁰C und die Stromdichte 40 A/dm

2 Bei einer-Bandgeschwindigkeit von 50 m/min wurden 0,05 g/m

10 Chrom als Oxyde abgeschieden.

Claims

Patentanwälte · European Patent Attorneys *··"--.* ".. * : Dr. W. Müiler-Bore f

Dietrich Lewald

Dr. Paul Deufel

Dipl.-Chem., Dipl.-Wirtsch.-Ing.

Dr. Müller-Bori und Partner · POB 260247 · D-aooo München 2β * °^Π

DipL-Chem.

Weiner Hertel

Dipl.-Phys.

Dr.-Ing. Dieter Otto

Dipl.-Ing.

C 3508 Lw/Nic. Case C 140

CENTRO SPERIMENTALE METALLURGICO S.P.A.
Via di Castel Romano
Rom, Italien

Vorrichtung für die elektrolytische Behandlung

eines Metallbandes

Patentansprüche

1jL Vorrichtung zur kontinuierlichen elektrolytischen Behandlung von Metallbändern, gekennzeichnet durch eine Kammer, die in wenigstens zwei vertikal übereinander angeordnete Kammern unterteilt ist, die mittels zweier vertikaler Leitungen von Rechteckquerschnitt in Verbindung stehen, wobei deren
größere Wandungen durch feste Elektroden gebildet sind, durch welche der Elektrolyt gezwungen wird, in vertikaler Richtung zu strömen.

D-8000 München 2 Isartornlat» R

POB 26 02 47 D-8000 München 26

Kabel:

Muebopat

Telefon

089/221483-7

Telecopier Infotec 0400 B Telex

GH + III (0 89} 22 96 43 5-24 285
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese vertikalen Leitungen sich nach oben in die obere Kammer und nach unten in die untere Kammer über wenigstens die halbe Höhe der unteren Kammer erstrecken.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der Teil der Leitungen, der nach oben in die obere Kammer vorsteht, einen Auslaß für den in dieser oberen Kammer enthaltenen Elektrolyten bildet, wobei der Elektrolyt gegen die untere Kammer durch diese Leitungen strömt, deren untere Lippen in den in der unteren Kammer enthaltenen Elektrolyten tauchen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Behälter durch zwei Trennwände in drei vertikal übereinander angeordnete Kammern unterteilt ist, deren obere und untere den Elektrolyten enthalten, wobei letzterer gezwungen ist, von der unteren Kammer in die obere Kammer durch die vertikalen Leitungen zu strömen.