DE974072C

DE974072C - Verfahren zur Ermittlung guenstiger Polierelektrolyte zwecks Erzeugung einer homogenen Oberflaeche von unregelmaessig gestalteten Metallteilen

Info

Publication number: DE974072C
Application number: DES23045A
Authority: DE
Original assignee: Jacquet Hispano Suiza SA
Current assignee: Jacquet Hispano Suiza SA
Priority date: 1947-10-17
Filing date: 1950-06-01
Publication date: 1960-10-06
Also published as: FR1005928A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ermittlung günstiger Polierelektrolyte zwecks Erzeugung einer homogenen Oberfläche von unregelmäßig gestalteten Metallteilen, wie Motor- und Maschinenteile, Werkzeuge, Zahnräder, Federn u. dgl.

Es ist bekannt, Metalloberflächen in einem Elektrolyten anodisch zu polieren, wobei die Polierwirkung darauf beruht, daß sich entsprechend den benutzten Bädern auf der Metalloberfläche ein dünner Polierfilm bildet, dessen elektrischer Widerstand wesentlich höher liegt als der des eigentlichen Elektrolyten. Diese bekannten Polierverfahren sind in ihrer Anwendung im wesentlichen auf die Erzeugung glänzender Oberflächen beschränkt geblieben. Es trat nun nach der Erfindung zunächst der Gedanke auf, das anodische Polieren für die Behandlung von Arbeitsflächen von Werkstücken zu verwenden, um dadurch die bisher hierzu benutzte mechanische Oberflächenpolierung zu ersetzen.

Da hierbei erforderlich ist, die gewünschten Abmessungen als auch die genaue geometrische Form der Werkstücke zu erhalten, besteht die Aufgabe

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der Erfindung darin, nicht nur eine vollkommen blanke Oberfläche, sondern auch auf der gesamten Oberfläche des Werkstückes während der anodischen Behandlung im Elektrolyten eine beständige, starke und gleichmäßige Tiefenwirkung hervorzurufen.

Die bisher beim anodischen Polieren zur Anwendung kommenden Elektrolyten eignen sich für eine derartige Feinbehandlung der Oberflächen von ίο metallischen Werkstücken nicht; denn die Tiefenwirkung an den Werkstücken ändert sich an den verschiedenen Stellen der Oberfläche, und zwar infolge der unterschiedlichen Entfernung dieser Stellen von der Kathode. Mit anderen Worten verteilt sich das Potentialfeld ungleichmäßig auf der Werkstückoberfläche, so daß dadurch bei den bekannten Verfahren und Elektrolyten die genaue geometrische Form der Werkstücke nicht erhalten bleibt.

Durch systematische Reihenuntersuchungen wurde nun festgestellt, daß die vorliegende Aufgabe dann gelöst werden kann, wenn zur Ermittlung günstiger Polierelektrolyte zwecks Erzeugung einer homogenen Oberfläche von unregelmäßig gestalteten Metallteilen der eingangs erwähnten Art nach der Erfindung so vorgegangen wird, daß durch Eintauchen zweier gleicher Anoden mit unterschiedlicher, jedoch üblicher Entfernung von der Kathode in an sich bekannte, gegebenenfalls in ihrer Zusammensetzung zu ändernde Polierbäder die jeweilige Stromstärke gemessen wird, wobei die günstigste Zusammensetzung bei einem Verhältnis der Stromstärken i₂ :1₁ an den beiden Anoden über 0,9, vorzugsweise über 0,95 liegt.

Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung und an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. ι einen schematischen vergrößerten Schnitt durch eine anodisch zubehandelnde Fläche mit dem Film, der sich durch anodisches Polieren zu bilden versucht,

Fig. 2 bis 4 zur Erklärung des Verfahrens nach der Erfindung Aufsichten auf ein anodisch behandeltes Stück in einem Behälter; der die Kathode bildet,

Fig. 5 ein Gerät zur Messung des Polierkoeffizienten im schematischen Aufbau,

Fig. 6 ein Diagramm mit der Änderung des Polierkoeffizienten in Abhängigkeit von der Temperatur und der Stromdichte,

Fig. 7 und 8 Dreieckdiagramme zur Wiedergabe der Zusammensetzungen bestimmter Bäder nach der Erfindung.

Nach der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Ermittlung günstiger Polierelektrolyte zwecks Erzeugung einer homogenen Oberfläche von unregelmäßig gestalteten Metallteilen, insbesondere aus Stahl, wie Motor- und Maschinenteile, Werkzeuge, Zahnräder, Federn usw., aber auch allgemein aus Metallen und deren Legierungen, wie z. B. Kupfer, Aluminium, Bronze usw.

Zunächst ist daran zu erinnern, daß die bisher durchgeführten zahlreichen Versuche in bezug auf das elektrolytische Polieren mit Hilfe verschiedener Bäder gezeigt haben, daß sich auf den zu behandelnden Stücken ein Polierfilm 1 (Fig. 1) bildet, der sich der äußeren Form des Stückes anzupassen versucht (d. h. dem Macroprofil) und nicht dem Microprofil 2 folgt, das auf den Flächen der Stücke 3 mittels irgendwelcher Glättverfahren und mechanischer Schleifverfahren entsteht. Dieser Film ist sehr dünn, etwa von der Größenordnung 0,01 bis 0,001 mm, und besitzt einen elektrischen Widerstand, der sehr viel höher ist als der des Bades.

Ein solches Verfahren ermöglicht es, insbesondere beim mechanischen Polieren von Stücken das Feinschleifen zu ersetzen oder wenigstens zu ergänzen, jedoch entstehen hierbei bestimmte Schwierigkeiten, die insbesondere dazu führen, daß die genaue geometrische" Gestalt, d. h. das Macroprofil, nicht beibehalten wird.

Tatsächlich findet durch die bisher verwendeten Bäder eine Deformation des Macroprofils statt, und zwar oft in solchen Verhältnissen, die die Anwendung der Polierverfahren als Feinschleifverfahren nicht zuließen.

Diese Erscheinungen sind auf Grund durchgeführter Untersuchungen darauf zurückzuführen, daß die Verteilung des Stromes auf der Oberfläche des als Anode geschalteten Stückes nicht gleichmäßig ist, wenigstens in den bisher benutzten Bädern, und eine Funktion des Abstandes des Stückes von der Kathode ist, die meistens durch die Wandungen des Behandlungsbehälters gebildet wird.

Wenn man z. B. gemäß Fig. 2 eine zylindrische, vertikal gestellte Anode 4 in einem Elektrolyten (Soda, Pottasche, Salzsäure, Chlorkalium usw.) betrachtet, in welchem die erwähnte Filmbildung nicht stattfindet, und wenn die Anode stark exzentrisch in dem als Kathode dienenden Behälter S liegt, so sind die Stromlinien an den Punkten verdichtet, die der Kathode am nächsten liegen. Betrachtet man z. B. die beiden Stromröhren AB und CD mit gleichetn Schnitt auf der Anode (Fig. 3), so sieht man, daß der Widerstand der Röhre AB sehr viel kleiner ist als der der Röhre CD. Daraus folgt, daß die Stromverteilung auf der Anodenfläche ungleich ist, und zwar zugunsten der Fläche^ die der Kathode no am nächsten liegt.

Wenn man nun unter Beibehaltung der gleichen Polierzelle ein Bad verwendet, welches einen elektrolytischen Polierfilm (Fig. 1 und 4) erzeugt, so sind die Bedingungen andere, da der Widerstand dieses Films, wie oben erwähnt, sehr viel größer ist als die Wi der stands differ enz in den Stromröhren AB und CD.

Die Differenz der Widerstände der beiden Stromröhren im Bad (A'B und CD in Fig. 4) ist klein gegenüber den Widerständen des Films in den Teilen AA' und CC.

Wenn man nun bekannte anodische Polierbäder verwendet, so stellt man fest, daß die Stromverteilung immer noch sehr ungleichmäßig ist. Infolgedessen wird die äußere Form bei einer elektrolyt!-

sehen Polierung, insbesondere als Nachschleifvorgang, nicht bewahrt.

Die Erfindung besteht nun darin, solche Polierbäder zu wählen, die dem Polierfilm einen genügend großen Widerstand geben, so daß die Stromverteilung praktisch gleichmäßig ist, wodurch die äußeren Konturen des zu polierenden Stückes erhalten bleiben.

Zu diesem Zweck verwendet man vorteilhaft für die Auswahl oder Herstellung solcher Bäder eine Methode, durch die der Wert des Widerstandes im Polierfilm direkt oder indirekt, insbesondere durch Vergleichsmessung der Ströme, die durch zwei Bereiche der Anode mit verschiedenem Abstand von der Kathode laufen, bestimmt Avird.

Man kann unter geeigneten Ausführungsmöglichkeiten für diese Messungen ein Gerät verwenden, welches schematisch in Fig. S dargestellt ist und im wesentlichen aus zwei Anoden A₁ und A₂ mit gleichem Potential besteht, die in einem Isolierbehälter 6 asymmetrisch zu einer Kathode C liegen, d. h. verschiedene Entfernungen von der Kathode, z. B. im Verhältnis 1 : 2, besitzen. Das Ganze ist mit einem Meßgerät gekoppelt, durch das die Ströme I₁ und i₂ zu den beiden Anoden gemessen und verglichen werden.

Dieses Gerät besteht z. B. aus zwei Amperemetern Am₁ und Am₂ mit zwei Widerständen R₁ und R₂ und einem Voltmeter V zwischen den beiden

Anoden, durch dessen Anzeige die beiden Anoden durch Abgreifen der Widerstände R₁ und R₂ auf gleiches Potential eingestellt werden können.

Die Kathode wird mit dem Minuspol der Stromquelle verbunden, und das Ganze wird durch die Abgreifwiderstände R₁ und R₂ so eingestellt, daß das Voltmeter V auf Null stehenbleibt, wodurch die beiden Anoden A₁ und A₂ gleiches Potential besitzen und mit zwei Teilen eines einzigen Stückes vergleichbar sind, von denen das eine, A₁, begünstigt und das andere, A₂, benachteiligt ist. Bei einem Bad, welches keine Polierfilmbildung verursacht, sind die Stromstärken I₁ und i₂ sehr verschieden. Bei einem einen Polierfilm bildenden Bad dagegen liegen diese Werte sehr nahe beieinander, so daß dieses Bad sehr viel besser ist.

Nach der Meßmethode der Erfindung betrachtet

man also die Beziehung k = -ß-, und dieses Verhält-

nis bezeichnet man mit Polierkoeffizient, der bei den Bädern nach der Erfindung nahezu gleich eins sein soll.

Nach den durchgeführten Versuchen soll dieser Koeffizient zur Erreichung geeigneter Polierbedingungen, insbesondere zum Nachschleifen vor allem von Stählen, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, möglichst über 0,90, vorzugsweise über 0,95, liegen.

Der Fachmann hat auf Grund dieser Beziehung und unter Verwendung der vorbeschriebenen Meßmethode die Möglichkeit, einerseits auf die Badzusammensetzung einzuwirken, wobei von den zahlreichen Bädern im Rahmen der Erfindung vor allem solche mit Phosphorsäure und Chromsäure (Radikal P₂ O₅ und Cr O₃) und insbesondere solche verwendet werden können, die noch näher beschrieben werden, und andererseits auf die Arbeitsbedingungen einzuwirken, d. h. auf die Temperatur und die Stromdichte.

In bezug auf den letzteren Punkt zeigt die Erfahrung, daß es bei einer gegebenen Stromdichte eine Temperatur gibt, bei der der Koeffizient k ein Maximum einnimmt. Andererseits ändert sich dieses Maximum mit der Stromdichte derart, daß die optimalen Werte für die Temperatur und Stromdichte einen optimalen Wert für den Koeffizienten k liefern.

Fig. 6 zeigt beispielsweise den Kurvenverlauf von k in Abhängigkeit von der Temperatur t, die sich zwischen 20 und no⁰ C ändert, unter Verwendung eines Bades gemäß Fig. 7, welches noch beschrieben wird, und Stromdichten, die sich zwischen 120 und 300 Amp./drn² ändern.

Allgemein und aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß das Verfahren nach der Erfindung zu einer genauen Bestimmung des Polierbades und der Arbeitsbedingungen führt, die den Koeffizienten k einen Wert von über 0,90, vorteilhaft über 0,95, verleihen, so daß dadurch eine ideale Polierung unter Beibehaltung des Macroprofils erreicht wird.

Nachstehend werden als Beispiele Polierbäder, insbesondere zum Nachschleifen bzw. Feinbearbeiten von Werkstücken aus Stahl, und zwar normalem oder Spezialstahl, behandelt.

Eines dieser Bäder, dessen Diagramm in Fig. 7 wiedergegeben ist, besteht aus einer hochkonzentrierten Lösung von Phosphorsäure und Chromsäure.

Das Diagramm ist ein Dreieckdiagramm, so daß es die Prozentsätze der drei Variablen, nämlich PO4H3 (oder P₂O₃), CrO₃ und H₂O, angibt.

Für einen Punkt M dieses Diagramms sind die Prozentsätze durch die durch diesen Punkt zu ziehenden, seitenparallelen Linien ablesbar und sind P0₄H₃ = 72<Vo, CrO₃ = ΐ8°/ο und H₂O = 10%.

Nach den Versuchen wird dieser Bereich, in dem der Koeffizient k über 0,95 bleibt, durch die volle Linie MPQ begrenzt. Der Anteil des Wassers ändert sich etwa zwischen 8 und 22%, während der Anteil an Chromsäure sich etwa zwischen 10 und 28% ändert.

In ähnlicher Weise erhält man einen Bereich NN'P'Q'Q, in dem der Wert von k zwischen 0,90 und 0,95 liegt.

In diesen Bereichen arbeitet man mit den optimalen Temperaturen und Stromdichten, die sich aus Fig. 6 ergeben. Die günstigste Temperatur liegt offensichtlich zwischen 90 und 100⁰C und die günstigste Stromdichte etwa bei 250 Amp./dm².

In solchen Bädern kann sich CrO₃ in der Kälte niederschlagen, jedoch geht CrO₃ in der Wärme wieder in Lösung.

Ein anderes, noch günstigeres Bad führt zu einem Koeffizienten k wesentlich über 0,95 bis zum Wert 0,995, wenn man den vorstehend erwähnten Bädern konzentrierte Schwefelsäure zusetzt.

Ein solches Bad ist in dem Dreieckdiagramm Fig. 8 dargestellt, dessen Koordinaten die Beträge des Radikals von P₂O₅, CrO₃ und SO₃ angeben, während der Wassergehalt nicht dargestellt ist, der so klein wie möglich sein soll, entsprechend den höchsten Konzentrationen bei der Behandlungstemperatur, d. h. bei Konzentrationsbedingungen, die etwa den im Diagramm nach Fig. 7 dargestellten entsprechen.

Die zuzusetzende Menge an SO₃ (SO₄H₂ bei 6o° Baume) kann zwischen ο und 5% variieren, wie Fig. 8 zeigt, in der der Bereich RSTU die Verhältnismengen angibt, die einem Wert von k gleich 0,995 entsprechen.

In diesem Bereich ändert sich der Gehalt an Phosphorsäure zwischen 60 und 85% (ein besonders günstiges Ergebnis liegt bei 75%) und an Chromsäure zwischen 15 und 40%. Dabei sei erwähnt, daß der Bereich keine Begrenzung sein soll, denn die Erfindung erfaßt alle Bereiche, in denen der Wert des Koeffizienten k so groß ist, daß die Aufgabe der Erfindung noch gelöst wird.

Man kann in ähnlicher Weise und mit der gleichen Methode die optimalen Bedingungen für alle anderen Polierbäder bestimmen, die je nach Art der zu behandelnden Metalle oder Legierungen aus Eisen und anderen Metallen verwendet werden.

Es ist verständlich, daß bei der Durchführung

der anodischen Behandlung alle brauchbaren Mittel zur Überwachung der Konzentration des Polierbades vorgesehen werden können, so daß diese Konzentration so konstant wie möglich bleibt.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß man gemäß der Erfindung die anodische Polierung von beliebigen Stücken mit einer Genauigkeit durchführen kann, wie sie bisher nicht erreicht werden konnte. In dem besonderen Fall, wo eine Polierung der Stücke als Feinpolierung dient, wird keinerlei Deformation des Macroprofils eintreten, vielmehr behalten die Stücke ihre Ausgangsform, was sehr wesentlich ist.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Ermittlung günstiger Polierelektrolyte zwecks Erzeugung einer homogenen Oberfläche von unregelmäßig gestalteten Metallteilen, wie Motor- und Maschinenteile, Werkzeuge, Zahnräder, Federn u. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß durch Eintauchen zweier gleicher Anoden mit unterschiedlicher, jedoch üblicher Entfernung von der Kathode in an sich bekannte, gegebenenfalls in ihrer Zusammensetzung zu ändernde Polierbäder die jeweilige Stromstärke gemessen wird, wobei die günstigste Zusammensetzung bei einem Verhältnis der Stromstärken i₂: i± an den beiden Anoden über 0,9, vorzugsweise über 0,95 liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 225 873, 661 266, 131;

britische Patentschriften Nr. 526854, 558925;

USA.-Patentschriften Nr. 2347039, 2347040, 2366712;

Pfanhauser, »Galvanotechnik«, Bd. I, 1941, S. 69/70;

B ill iter, »Prinzipien der Galvanotechnik«, 1934, S. 81 und S. 87;

Elssner, »Chemie und Technik des Oberflächenschutzes«, Bd. 1, 1943, S. 145;

»Industrial and Engineering Chemistry«, Vol. 37, Nr. 8, 1945, S. 736 bis 741;

»Aluminium«, 19, 1937, S. 448 bis 450.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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