DE8520383U1

DE8520383U1 - Vorrichtung zur kontinuierlichen galvanischen Abscheidung von Metallen bei hoher Stromdichte in vertikalen Zellen

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Publication number: DE8520383U1
Application number: DE8520383U
Authority: DE
Original assignee: Centro Sviluppo Materiali SpA
Current assignee: Centro Sviluppo Materiali SpA
Priority date: 1984-07-24
Filing date: 1985-07-15
Publication date: 1991-03-21
Anticipated expiration: 1995-07-16
Also published as: BE902951A; AT392294B; FR2568271A1; IT1177925B; FR2568271B1; CA1278764C; JPS6141795A; NO852806L; GB8517612D0; DE3525183C2; ES8604319A1; US4655894A; ATA218285A; US4645575A; SE8503576D0; GB2162202B; SE8503576L; IT8448617A0; GB2162202A; ES545501A0

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen galvanischen Abscheiden von Metallen bei hoher Stromdichte auf metallische Bänder, mit einem Elektrolyt enthaltenden Tank mit darin befindlichen vertikalen Elektrolytzellen, in cfen das zu galvanisierende Band als Kathode über eine obere stromführende Walze eine Abwärtsstrecke hinab durch wenigstens eine Zelle zu einer unteren Walze und von dort eine Aufwärtsstrecke hinauf durch wenigstens eine Zelle zu einer oberen Walze führbar ist.

Inbesondere befaßt sich die Erfindung mit dem galvanischen Überziehen von Metallbändern mit einem oder mehreren Metallen bei hoher Stromdichte in Behandlungszellen, die so ausgelegt sind, daß sie für die Gleichförmigkeit der fluiddynamischen Bedingungen und der Relativbewegung zwischen Elektrolyt und Metallband sorgen.

Vorrichtungen für elektrolytische Verfahren haben sich seit geraumer Zeit durchgesetzt, wenn metallische Bänder mit Schutzsubstanzen, insbesondere mit anderen Metallen, ( ) 25 überzogen werden sollen. Diese Vorrichtungen arbeiten aber oft bei weitem viel zu langsam, um den Notwendigkeiten moderner industrielle Hochproduktionseinheiten zu genügen; die Kosten liegen also höher al=! sie eigentlch dürften.

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In den vergangen Jahren wurden auch Überzüge, die nicht aus einem Metall, sondern aus wenigstens zwei Metallen bestanden, galvanisch abgeschieden. Zn-Fe und Zn-Ni Überzüge scheinen in dieser Hinsicht von besonderem Vorteil zu sein.

Diese technologischen Trends, bei denen es um das galvanische Überziehen bei hohen Stromdichten auf der einen Seite und das galvanische Abscheiden unterschiedlicher Metalle auf der anderen Seite geht, bergen eine Reihe technischer Probleme verschiedenster Art, die manchmal schwierig gemeinsam zu lösen sind.

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Die Notwendigkeit beispielsweise, die Produktivität von ElektröplättieEanlagen zu erhöhen, bedeutet j daß die Geschwindigkeit des Bandes gesteigert werden muß, manchmal über 150 m/min, so daß die in den elektrolytischen Zellen

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angewendete Stromdichte (A/dm ) ebenfalls erhöht werden muß» Dies verschlimmert andererseits die Probleme des galvanischen Niederschlags j da mit steigender Stromdichte die Geschwindigkeit steigt, bei der die Metallionen im Elektrolyten auf dem Band abgeschieden werden; dies führt

IQ dazu, daß der dem Band am nächsten befindliche Elektrolyt, verglichen mit dem Rest des Bades, verarmt. Wird die Stromdichte über ein gegebenes Niveau erhöht, so geht die Ab- *- Scheidungsgeschwindigkeit über die Geschwindigkeit hinaus _t bei der die Metallionen sich vom '\auptkorper der Lösung in die Nähe des Bandes bewegen. Diese Situation führt zu einer drastischen Verminderung im Wirkungsgrad beim Elektroplattieren sowie der Prozeßgeschwindigkeit; die Ergebnisse sind also genau umgekehrt als die, die man wünscht.

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Es hat sich herausgestellt,, daß, um diese Schwierigkeiten zu überwinden, die Elektrolytströmung ziemlich turbulent sein muß, im wesentlichen, um die Dicke der elektrolytverarmten Zone in Kontakt mit dem Band minimal zu halten. |

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Verschiedene Einrichtungen wurden bereits vorgeschlagen, um dieses Ergebnis zu erhalten, die sämtlich auf dem Konzept basierten, daß der Elektrolyt in den Raum zwischen dem Band (Kathode) und den Anoden gedrückt wurde. Diese Einrichtungen sind entweder vom horizontalen Typ, bei dem das Band durch eine Zelle geht, deren Längsabmessung horizontal sich befindet oder sie sind vom vertikalen Typ, wobei das Band nach unten abgelenkt wird, um in ein Bad einzutreten, wobei eine Umkehrwalze am Boden vorge-

gc sehen ist, die das Band wieder nach oben leitet. Das Band folgt somit zwei Wegen, einem nach unten gehenden wie einem nach oben gehenden durch die elektrolytischen Zellen.

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Der Vorteil der horizontalen Anordnung ist der, daß die Anlage einfäöhef als im Fälle der vertikalen Anordnung ist, jedoch eine kompaktere Linie (Anlage) sicherstellt *

Bin Nachteil der horizontalen Anordnung ist der, daß das horizontal laufende Metallband leicht eine Kettenlinie bildet und so nicht die gleiche Entfernung von beiden Elektroden an allen Punkten hat; dies führt nicht nur zu einer ungleichmäßigen Abscheidung, bildet in einigen Fällen noch den Ausgangspunkt von Schwingungen, die das Band in der Zelle beeinflussen; dies wiederum kann dazu führen, daß das Band in Kürzschluß mit den Elektroden gerät. Diese Nachteile lassen sich dadurch vermindern, indem man mit Einrichtungen arbeitet, bei denen der Elektrolyt von der Mitte der Elektroden zwangszugeführt wird und so eine Art hydraulisches Kissen bildet, welches das Band am maximalen Durchhang der "Kette" unterstützt, während dies auch dazu beiträgt, die Schwingungen zu dämpfen» Mit dieser Lösung wird jedoch klar, daß die Elektrolytströmung in den elektrolytischen Zellen teilweise in der gleichen Richtung wie das Band und teilweise im Gegenstrom hierzu erfolgt.

Anlagen, die die vertikale Anordnung benützen, leiden nicht an dem Kettenproblem; auch die mit Schwingungen

&zgr;\ 25 zusammenhängenden Schwierigkeiten gehen zurück. Genau wegen deren natürlicher Anordnung fließt aber der Elektrolyt entweder nach unten in den Zellen infolge Schwerkraft oder wird beispielsweise von unten nach oben mittels Pumpen gedrückt. Da das Band in diesen Vorrichtungen einem Weg folgt, der erst nach unten und dann nach oben gerichtet ist, erfolgt die Relativbewegung zwischen Band und Elektrolyt natürlich im Gegenstrom in der einen Zelle und im Gleichstrom in der anderen.

Während solch eine Situation im Falle des Elektroplattieren mit einem einzigen Metall noch erträglich sein mag - obwohl unvermeidlicherweise Unterschiede in den Überzugsausbeuten und im Wirkungsgrad unter Gegenstrom bzw. Gleichstrom-

bedingungen auftreten müssen - ist dies im Fälle der gemeinsamen galvanischen Abscheidung völlig

unannehmbar, da bereits in umfangreicher Weise demonstriert wurde, daß die Zusammensetzung einer gemischten elektrolytischen Abscheidung eng von den fluiddynamischen Bedingungen an der Grenzfläche von Band/Elektrolyt zusammenhängt. Im Falle der galvanischen Abscheidung mit modernen Verfahren, die mit hoher Stromdichte und mit vorhandenen oder geplanten Anlagen arbeiten, hatte somit der Überzug 1Ö in jeder Gleichstromströmungsstrecke eine Zusammensetzung unterschiedlich zu der in der Gegenstromstrecke. Zusammengefaßt also hat zur Zeit mit den neuesten elektrolytischen Abscheidungsaniagen, die mit hoher Strom-

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dichte (oberhalb 100 A/cm und bis zu 180 A/dm vorgeschlagen) arbeiten, fler Überzug, bei dem nur ein einziges Metall auftritt manchmal unzufriedenstellende Ergebnisse was das Aussehen und/oder die Qualität betrifft, und zwar aufgrund der unterschiedlichen fluiddynamischen Bedingungen in den beiden Hälften einer horizontalen Zelle oder in den Paaren vertikaler Zellen, während aus den gleichen Gründen eine gemeinsame galvanische Abscheidung zu nichtgleichförmigen Überzügen unterschiedlicher Zusammensetzung führt.Qn also bisher gemeinsame galvanische Abscheidungen hervorzubringen, war es notwendig, entweder Reihenanlagen mit niedrigen Stromdichten (weniger als etwa 80 A/dm ) zu verwenden, die somit langsam sind, wodurch Produktivität verlorengeht oder moderne Anlagen mit vertikaler Zelle zu verwenden, wo eine jedes Paares von Zellen ausgeschlossen werden muß (das im Behandlungsvorgang befindliche Band wird entweder nur in der Abwärtsstrecke oder nur in der Aufwärtsstrecke behandelt), wodurch der Vorteil der Kompaktheit, die solche Anlagen bieten, verlorengeht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Schwierigkeiten zu überwinden, indem

eine entsprechende Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden soll, um im wesentlichen gleichförmige fluiddynamische Bedingungen im Elektrolyt in vertikalen

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Tankahiageri und auch eine gleichförmige Relativgeschwindigkeit zwischen dem Band und dem Elektrolyten in dem Paar voil Zellen jeder Einrichtung, die bei hohear Stromdichte arbeiten, sicherzustellen.

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Auch geht es erfindungsgemäß darum, eine ausgezeichnete Gleichförmigkeit der resultierenden Überzüge sowohl im Falle der Abscheidung eines Metalls allein öder im Fälle der gemeinsamen Abscheidung verschiedener Metalle sicherzustellen.

Die Erfindung richtet sich auch auf eine. Vorrichtung,

die kompakt und extrem flexibel

und in der Lage ist, galvanische Abscheidungen sehr gleichförmiger guter Qualität oder gemeinsame galvanische Abscheidungen gegebenenfalls bei hoher Stromdichte sicherzustellen.

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Die Vorrichtung nach der Erfindung zur Lösung der oben genannten Aufgabe zeichnet sich dadurch aus, daß die mit Einlaßseite und Auslaßseite für das Band versehenen im Elektrolyt angeordneten nur oben und unten offenen elektrolytischen Zellen mit den gleichen Einrichtungen in den Abwärtsstrecken wie den Aufwärtsstrecken jeder Behandlungseinheit versehen sind, derart, daß eine intensive turbulente Strömung des Elektrolyten innerhalb der Zellen sichergestellt ist, wobei die Einrichtungen nahender gleichen Einlaß- öder Äuslaßseite in jeder Zelle angerodnet sind.

Der Elektrolyt wird vorzugsweise gezwungen, im Gegenstrom zum Band in den Zellen sich zu bewegen.

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Zusammengefaßt handelt es sich bei der Vorrichtung

zur kontinuierlichen galvanischen Abscheidung von Metallen bei hoher Stromdic i_e in vertikalen Zellen darum, daß der zu plattierende Körper, gewöhnlich Metallband, einem ersten Abwärtsweg und dann einem Aufwärtsweg jQ folgt, währendderen beiden er wenigstens eine elektrolytische Abscheidungszell-3 durchläuft, durch welche ein Elektrolyt in turbulentem Strömungsverhalten geführt ist, { er sich im Abwärtsbereich in einer Richtung entgegengesetzt zu der im Aufwärtsbereich bewegt, so daß in beiden Strecken J5 die fluiddynamischen Bedingungen sehr gleichförmig sind.

Es handelt sich um eine einfache, jedoch ungewöhnliche und überraschende Anordnung der elektrolytischen Abscheidungszellen.

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Es ist so möglich sicherzustellen, daß die Bewegungsrichtung des Elektrolyten relativ zu dem des Bandes die gleiche in der Zelle bei der Abwärtsstrecke wie die bei der Aufwärtsstrecke ist. Eine turbulente Strömung des Elektrolyten in den Zellen kann erreicht werden, entweder *· durch eine Druckpumpe bzw. zwangsweise arbeitende Pumpe oder Saugpumpe (die beispielsweise vom Ejektortyp sein kann).

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Bevorzugt wünscht man eine Gegenstrombewegung zwischen dem Elektrolyten und dem Band; die Zwangspumpen müssen natürlich nahe der Seite liefern, von der das Band die Zellen verläßt und muß den Elektrolyten in die Zellen liefern; im Falle von Saugpumpen dagegen müssen diese die Saugwirkung in den Zellen nahe der Seite ausüben, wo das Band in die Zellen eintritt und müssen den Elektrolyten aus den Zellen saugen.

In im kleinen Maßstab durchgeführten Tests wurden Stromdichten bis zu 250 A/dm bei Bandgeschwindigkeiten zwischen 2 und 20 m/min erreicht. Der Test erzeugte beispielsweise gleichförmige kompakte Abscheidungen von Zink, die zwischen

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15 und 100 g/m wogen und führten zu kompakten gemeinsamen Abscheidungen von Zink und Eisen gleichförmiger Zusammensetzung, die aus 10 bis 75 Gew.-% Fe bestanden, und zwar abhängig von der angewendeten Stromdichte sowie der Relativgeschwindigkeit zwischen Band und Elektrolyt sowie der Zusammensetzung des Elektrolyten selbst.

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Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert werden:

Diese zeigt, wie das Band 1 sich im wesentlichen von links nach rechts, wie angegeben, bewegt und nach unten durch eine Walze 2 abgelenkt wird und in den mit Elektrolyt gefüllten Tank 6 eintritt, sich durch die erste Zelle 7 nach unten bewegt, durch die Walze 3 nach oben umgelenkt wird, durch die zweite Zelle 7¹ tritt und den Tank 6 verläßt, wobei sie an dieser Stelle durch die Walze 4 in die Horizontale umgelenkt wird.

Das Band wird elektrisch durch stromführende Walzen (es kann sich hierbei Um die Walzen 2_t 3 und 4 handeln) mit dem negativen Pol eines elektrischen Gleichstromkreises Verbunden und wirkt so als Kathode; der positive Pol dieses Kreises ist mit den Anoden 8 über die Sammel-

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-&Igr;&Ogr;&Igr; schienen 12 verbunden; der Kreis ist natürlich durch den Elektrolyten in dem Raum zwischen dem Band (Kathode) und den Anoden 8 jeder Zelle geschlossen.

Auf der Seite, wo das Band in die Zellen eintritt, verfügt jede hiervon über eine Ejektoreinrichtung, die durch die leere Kammer 10 und die Ejekt-oren 9 schematisiert ist; die Druckbeaufschlagung erfolgt über die Lieferleitungen 5, die ihrerseits vom Überlauf 13 im Tank 6 bedient werden. Die Gegenstände 11 und II¹ sind Schutzeinrichtungen, die jeweils benötigt werden, um den Elektrolyten daran zu hindern, aus dem Tank 6 durch die Zelle 7 geschleudert ^- zu werden und die verhindern, daß Luft in die Zelle T

eingesaugt wird. Sind die Anoden 8 vom unlöslichen Typ, so ist es notwendig, einen Reaktor zwischen den Überstromauslauf 13 und Elektrolytzuführungsrohren 5 zwischenzuschalten, um ^ie geforderte Konzentration der Metallionen im Elektrolyten für die Abscheidung wieder herzustellen und möglicherweise den pH Wert nachzustellen und sonstige gegebenenfalls notwendige Korrekturen in der Zusammensetzung vorzunehmen. Im Betrieb wird ein ^Ineilvakuum in der Kammer 10 aufgrund der Strömung des Elektrolyten erzeugt, der von den Ejektoren 9 zugeführt wird und gegen die Außenseite der Zellen gerichtet ist; f\ 25 dieses Teilvakuum saugt heftig im anderen Elektrolyten durch die Zellen mit turbulenter Strömung. Wie sich ohne weiteres aus der Darstellung ergibt, wird der Elektrolyt in der Zelle 7 von unten nach oben und in der Zelle 7¹ von oben nach unten gesaugt. Die gewünschte und notwendige

3Q Parität der fluiddynamisehen Bedingungen wird so in beiden Zellen sichergestellt.

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1. Vorrichtung zum kontinuierlichen galvanischen Abscheiden von Metallen bei noher Stromdichte auf metallische Bänder,

mit einem Elektrolyt enthaltenden Tank mit darin befindlichen vertikalen Elektrolytzellen (7,7'), in den das zu galvanisierende Band als Kathode über eine obere stromführende Walze (2) eine Abwärtsstrecke hinab durch wenigstens eine Zelle (7) zu einer unteren Walze (3) und von dort eine Aufwärtsstrecke hinauf durch wenigstens eine Zelle (7') zu einer oberen Walze (4) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Einlaßseite und Auslaßseite für das Band (1) versehenen im Elektrolyt angeordneten nur oben und unten offenen elektrolytischen Zellen (7,7') mit den gleichen Einrichtungen in den Abwärtsstrecken wie den Aufwärtsstrecken jeder Behandlungseinheit versehen sind, derart, daß eine intensive turbulente Strömung des Elektrolyten innerhalb der Zellen (7, T) sichergesteiit ist, wobei die Einrichtungen nahe der gleichen Einlaß- oder Auslaßseite in jeder Zelle (7, 7") angeordnet sind.

2 .Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die intensive turbulente Strömung des Elektrolyten innerhalb der Zelle sicherstellenden Einrichtungen Druckpumpen sind, deren Lieferseite nahe der Stelle sich befindet, wo das Band (1) die Zelle verläßt

3 .Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gegenbewegung zwischen Elektrolyt und Band die Einrichtungen, die eine intensive turbulente Strömung des Elektrolyten in den Zellen (7, T) sicherstellen, Saugpumpen, insbesondere Ejektoren, sind, deren Saugseite für jede Zelle nahe der Stelle sich befindet, wo das Band (1) in die Zelle (7, T) eintritt und so ein Saugen durch die Zelle ermöglicht.