DK151905B - Fremgangsmaade til elektroplettering af en genstand med chrom i oploesninger indeholdede trivalent chrom - Google Patents

Description

Den foreliggende opfindelse angår afsætning af tykke film fra chromelektropletteringsopløsninger, hvori chromkilden omfatter en vandig opløsning af et chrom (III)thiocyanatkompleks. I denne sammenhæng skal udtrykket "tyk film" betegne en film eller et lag på over 5 microns (jim) tykkelse.

Konventionelt er chrom påført ved plettering fra vandige chromsyrebade fremstillet ud fra chromoxid (CrC^) og svovlsyre. Sådanne bade, hvori chromet forefindes i hexavalent form, karakteriseres ved lav strømvirkningsgrad. Chromsyredampe udsendes som resultat af udviklingen af hydrogen, der også frembyder en betydelig sundhedsfare. Endvidere er chromkoncentrationen i sådanne bade ekstremt høj, hvilket fører til problemer med spild eller genvinding på grund af såkaldt "medslæb" af chromforbindelser over i skylletankene, som følger efter pletteringsbadet.

For at overvinde mange af disse ulemper ved plettering med hexavalent chrom er det blevet foreslået at plettere med chrom i trivalent form. En sådan chrom-pletteringsfremgangsmåde fra en vandig opløsning af et chrom(III)thiocyanatkompleks er beskrevet i britisk patent nr. 1.431.639. En anden sådan fremgangsmåde er beskrevet i britisk patentansøgning nr. 24734/77, hvad angår en chrompletteringsopløsning og en fremgangsmåde, ved hvilken en vandig opløsning af en chrom(III)thiocyana tkompleks igen benyttes, men ved hvilken et puffermateriale tilvejebringer en·af liganderne til chrom-komplekset. Puffermaterialet er valgt blandt aminosyrer (ægglycin og asparaginsyre), peptider, formiater, acetater og hypophosphiter.

Disse fremgangsmåder til plettering med trivalen-te chromforbindelser afgiver ikke chromsyredampe. De har høj virkningsgrad eller effektivitet over et bredt pletteringsområde og en god dækkeevne. Der behøves en langt lavere mængde chrom i badet, end tilfældet er ved fremgangsmåder med hexavalente chromforbindelser, således at de til medslæb af chromforbindelser knyttede problemer nedbringes. Chromkoncentrationerne har varieret fra 0,03 molær til 0,5 molær.

Selv om fremgangsmåderne til plettering med trivalent chrom ifølge britisk patent nr. 1.431.639 og britisk patentansøgning nr. 24734/77 tjener til at overvinde alle hovedulemperne ved plettering med hexavalente chromforbindelser, er det afsatte chroms udseende almindeligvis noget mørkere. Skønt denne farve er ganske acceptabel eller endog foretrækkes til mange formål, er det dog en fordel at være i stand til at plettere med lysere farvet chrom ved en trivalent fremgangsmåde.

I britisk patentansøgning nr. 44177/78 beskrives chrom(III)-thiocyanatbade, hvis chromkoncentration ligger langt under det normalt accepterede niveau med henblik på opnåelse af effektivitet og badstabilitet. Sådanne bade giver væsentligt lysere farvede afsætninger. Koncentrationen af chrom i disse bade er mindre end 0,03 molær og fortrinsvis mindre end 0,015 molær.

Chromplettering benyttes ud over til sine dekorative formål også til konstruktive og praktiske formål. På grund af en sådan chromfilms· hårdhed, lave friktion og korrosionsbestandighed anvendes den til at tilvejebringe f.eks. et slidstærkt overtræk på overfladen af en maskinglidedel eller til at tilvejebringe et sådant overtræk på møtrikker og bolte. Til sådanne formål er det almindeligvis nødvendigt, at det pletterede chromlags tykkelse er langt større end til dekorative anvendelser. Typiske dekorative chromfilm har en tykkelse på under 1 pim, hvorimod chrom til praktiske og konstruktive formål nødvendigvis skal være af størrelsesordenen 10 ^'s tykkelse. Sådanne tykkelser har hidtil kun kunnet opnås ved plettering med hexavalent chrom. Forsøg på at plettere chrom som tykkere film (over 5 ^pm) ud fra trivalente bade såsom de i britisk patentskrift nr. 1.431.639 og britisk ansøgning nr. 24734/77 omhandlede har ført til frembringelsen af grove, matte afsætninger med dårlig sammenhængskraft og/eller vedhæftning.

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til elektroplettering af en genstand med et lag chrom med en tykkelse på over 5 Mm i en vandig opløsning indeholdende et chrom(XII)-thiocyanatkompleks, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved, at man elektropletterer genstanden med et tyndt begyndelseslag chrom ud fra en afbalanceret vandig opløsning af et chrom(III)thiocyanatkompleks med lav chromkoncentration på under 0,03 molær og pletterer til den i det væsentlige resterende tykkelse i enten ét trin i den vandige opløsning af chrom(III)thiocyanatkom-plekset med høj chromkoncentration eller i flere vekselvise trin fra opløsningerne med høj og lav koncentration i tykke, hhv. tynde lag.

Opfindelsen bygger på erkendelsen af, at såfremt der afsættes et tyndt begyndelseslag fra et fortyndet Cr(III)thiocyanatbad, har efterfølgende tykke afsætninger ud fra et mere koncentreret, hurtigere virkende Cr(III)thiocyanatbad langt bedre egenskaber med hensyn til sammenhængskraft, vedhæftning og overfladeglathed.

Den lave koncentration er under 0,03 molær. Ved den foretrukne fremgangsmåde afsættes kun det tynde begyndelseslag fra opløsningen med den lavere koncentration, idet hele den resterende tykkelse pletteres fra en mere koncentreret opløsning.

Alternativt kan man plettere skiftevis tykke og tynde lag fra bade med hhv. højere og lavere koncentration.

Den foretrukne tykkelse for det tynde begyndelseslag er mindre end 1000 Ångstrømenheder (Å).

De foretrukne chrompletteringsopløsninger indbefatter en aminosyre som pufferstof, der tilvejebringer mindst én af liganderne til komplekset.

De foretrukne strømtætheder ligger i intervallet o 40-50 milliampere/cm ved pletteringstrinet til påfør- else af begyndelseslaget og i området 50-120 milliampere/-2 cm til pletteringstrinet med den koncentrerede opløsning.

Ved plettering med tykke chromlag ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen er chrom påført som plet på standardstålprøveplader med tykkelser i området fra 10-75 ^jim. Stålprøvepladerne er i nogle tilfælde pletteret med blankt nikkel til en tykkelse på 10-12 pn.

Chromgrundlag pletteres fra et bad med en 0,003 molær chromkoncentration til en tykkelse på ikke over 1000 Å. Yderligere chrom afsættes fra et bad med 0,1 molær chromkoncentration. I nogle tilfælde opfølges afsætningen af grundingslaget med et enkelt pletterings-trin fra det 0,1 molære bad til afsætning af resten af folien. I andre tilfælde veksler afsætning af pletteringslag på nogle få p fra det 0,1 molære bad med hurtigt påførte lag fra det 0,003 molære bad.

Som sammenligningseksempel pletteres fra det 0,1 molære bad alene, og prøvepladen viser sig herved at have en overfladeprofilcenterliniemiddelværdi (CLA) på 1,875 /im. De modsvarende overfladeprofilcenter-liniegennemsnit (CLA) for prøverne, som pletteres ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, er langt lavere og ligger helt ned til 0,175 pm.

ESCA-målinger af afsætningerne indicerer, at chromet afsat fra opløsninger eller pletteringsbad med lav chromkoncentration er meget ren, hvorimod chrom afsat fra højkoncentrerede chrombade indbefatter kemisk bundet oxygen og svovl. Det antages, at da det tynde begyndelseslag er meget rent og ensartet, optræder det som grundingslag eller vedhæftningslag for resten af afsætningen, hvilket begrænser denne kornethed. Den tykke film er således under et mere kohæsiv, dvs. sammenhængende og bedre hæftende, og mindre skør end film med samme tykkelse, men afsat fra badet med højere kon centration. Det fra badene med lav koncentration afsatte chroms lyse farve således som beskrevet i britisk patentansøgning nr. 44177/78 kan også have sammenhæng med chro-mets renhed. På den anden side forventes hele intervallet af bade med lav chromkoncentration ifølge den pågældende ansøgning at være gunstigt til afsætning af tykke chrom-film. Dette interval angives at være 0,0002-0,025 molært med en postuleret overgrænse på 0,03 molær.

Opfindelsen skal herefter beskrives yderligere under henvisning til de følgende eksempler.

Sammenligningseksempel 1

Der fremstilles en pletteringsopløsning med forholdsvis høj koncentration af trivalent chrom på følgende måde: a) 60 g borsyre (H^BO^) sættes til 750 ml afioniseret vand, som dernæst opvarmes og omrøres til opløsning af borsyren.

b) 33,12 g chromisulfat (C^ (SO^) ^ «ΙδΕ^Ο) og 32,43 g natriumthiocyanat (NaNCS) sættes til opløsningen, som derpå opvarmes og omrøres ved ca. 70°C i ca. 30 minutter, c) 13,3 g DL-asparaginsyre (NI^CI^CHiCOOH) 2) sættes til opløsningen, som derpå opvarmes og omrøres ved ca.

75°C i ca. 3 timer. I løbet af dette tidsrum indstilles pH fra pH 1,5 til pH 2,8 meget langsomt med en 10 vægtprocents natriumhydroxidopløsning. Så snart et pH på 2,8 er opnået, holdes pH ved denne værdi i hele afbalanceringsperioden eller ligevægttiden.

d) D.er sættes tilstrækkeligt natriumchlorid til opløsningen til at gøre dens koncentration ca. 1 molær, og der tilsættes også 0,1 g "FC 98" (et fugtemiddel af fluoreret carbonhydrid fremstillet af 3M Corporation) . Opløsningen opvarmes og omrøres i yderligere 30 minutter.

e) Opløsningens pH indstilles igen til pH 2,8 med na-triumhydroxidopløsning.

f) Opløsningens rumfang bringes op på 1 liter med afioniseret vand, som er indstillet til pH 3,0 med 10 rumfangsprocent saltsyre.

Den færdige opløsning har følgende sammensætning: 0,1 molær med hensyn til chromsulfat (Cr2(SO^)^*15H20) 0,4 molær med hensyn til natriumthiocyanat -(NaNCS) 0,1 molær med hensyn til asparaginsyre (Bffi^C^CH(COOH) 2) 60 g/liter borsyre (H^BO^) 60 g/liter natriumchlorid (NaCl) 0,1 g/liter "FC 98" fugtemiddel.

Denne elektropletteringsopløsning indføres i en pletteringscelle. En platiniseret titaniumanode og en stålprøveplade nedsænkes som katode i cellen. Stålpladen har et overtræk af blank nikkel på 10-12 jim. Der sendes o en pladestrøm på 75 milliampere/cm mellem elektroderne i 90 minutter. Der afsættes et lag chrom med en tykkelse på 20,9 ;am.

Denne afsætning er kedelig og mat af udseende og viser sig at være ekstremt skør. Profilmålinger af overfladen giver centerliniegennemsnitsmålinger i intervallet 1,5-1,9 ^im.

Eksempel 1

En anden chrompletteringsopløsning med lavere koncentration fremstilles som følger. Der laves en opløsning på nøjagtig samme måde som beskrevet i sammenligningseksempel 1 med undtagelse af, at man kun benytter den halve mængde natriumthiocyanat, hvilket fører til en natriumthiocyanatkoncentration på 0,2 molær, og 30 ml af denne opløsning bringes op på et rumfang på 1 liter ved hjælp af en opløsning indeholdende 60 g pr. liter borsyre og 60 g pr. liter natriumchlorid.

Den færdige opløsning med lavere koncentration har i det væsentlige følgende sammensætning: 0,003 molær med hensyn til chromisulfat 0,006 molær med hensyn til natriumthiocyanat 0,003 molær med hensyn til asparaginsyre 60 g/liter borsyre 60 g/liter natriumchlorid.

Elektropletteringsopløsningen med lavere koncentration indføres i en pletteringscelle med platiniser-et titaniumanode og en stålprøveplade som katode. Der sendes en pladestrøm på 10 milliampere/cm gennem cellen i 240 sekunder til afsætning af et begyndelseschrom-lag, hvis tykkelse bedømmes til ikke at være over 1000 Å.

Derpå overføres pladen uden afskylning til en anden pletteringscelle indeholdende en højere chrom-koncentration i elektropletteringsopløsningen, nemlig med den sammen sammensætning som anført i sammenligningseksempel 1. Der sendes en pletteringsstrøm på 75 milli-ampere/cm gennem cellen i 180 minutter til afsætning af et meget tykkere lag chrom ovenpå det tynde begyndelseslag. Chromlagets endelige tykkelse er 21,6 ;am.

Dette tykke lag viser sig at være glat og reflekterende set med det blotte øje. Overfladens CLA er 0,178 ;um. Afsætningen er mindre skør og hænger bedre sammen og hæfter bedre ved end det afsatte lag i sammenligningseksempel 1.

Eksempel 2

Fremgangsmåden fra eksempel 1 gentages ved en række forsøg under anvendelse af de samme to pletteringsopløsninger, selv om man i nogle tilfælde udelader fugtemidlet. Dette synes at forbedre afsætningens egenskaber endnu yderligere ved at nedsætte eller formindske kornetheden. Film med en tykkelse varierende fra 10-75 ;im pletteres. Strømtætheder til plettering fra badet med lav koncentration ligger i intervallet 40-50 milliampere/-2 cm . Strømtætheder til plettering fra badet med høj kon- o centration ligger i intervallet 50-120 milliampere/cm6.

CLA-målinger på nogle af disse prøver ligger i intervallet 0,178-0,284 jom.

Eksempel 3

Under anvendelse af samme opløsninger som til eksempel 1 og begyndende med opløsningen med lavere koncentration afsættes vekslende chromlag på en stål- prøveplade fra de to opløsninger.

Stålprøvepladen forbindes først som katode i badet med lav koncentration, og en strøm med en tæthed o på 40 milliampere/cm sendes i 240 sekunder igennem cellen til frembringelse af et tyndt begyndelseslag af chrom med en tykkelse på ikke over 1000 Å. Pladen overføres uden afskylning til badet med høj koncentration 2 og pletteres ved en strømtæthed på 50 milliampere/cm i 30 minutter til frembringelse af et tykkere chromlag. Pladen føres derefter tilbage til badet med lav koncentration og pletteres i 2 minutter ved 40 milliampere/-2 cm . Den vekslende plettering i 30 minutter i badet med høj koncentration og i 2 minutter i badet med lav koncentration fortsættes i ialt 215 minutter.

Som helhed afsættes en tykkelse på 16,9 ;om chromfilm. Den færdige afsætning er sammenhængende, godt vedhæftende, glat og ikke-skør og har et CLA på 0,2 ^im.

Claims (8)

1. Fremgangsmåde til elektroplettering af en genstand med et lag chrom med en tykkelse på over 5 jim i en vandig opløsning indeholdende et chrom(III)-thiocyanatkom-pleks, kendetegnet ved, at man elektropletterer genstanden med et tyndt begyndelseslag chrom fra en afbalanceret vandig opløsning af et chrom(III)-thiocyanatkom-pleks med lav chromkoncentration på under 0,03 molær og pletterer til den i det væsentlige resterende tykkelse i enten ét trin i den vandige opløsning af chrom (III)-thio-cyanatkomplekset med høj chromkoncentration på over 0,03 molær eller i flere vekselvise trin fra opløsningerne med høj og lav koncentration i tykke, henholdsvis tynde lag.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegne t ved, at pletteringen med det tynde begyndelseslag afsluttes efter afsætning af et lag, hvis tykkelse er under 1000 Å.

3. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at elektropletteringsopløsningerne hver især indbefatter en aminosyre som puffermateriale, der tilvejebringer i det mindste én af kompleksets ligander.

4. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at ingen af opløsningerne indbefatter et fugtemiddel.

5. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at strømtætheden, medens det tynde.begyndelseslag pletteres, ligger i inter- 2 vallet 40-50 milliampere/cm .

6. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at strømtætheden under plettering fra den mere koncentrerede opløsning ligger 2 i intervallet 50-120 milliampere/cm .

7. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at opløsningen med lavere koncentration omfatter 0/003 molær chromsulfat/ 0/006 molær natriumthiocyanat, 0,003 molær asparaginsyre, 60 g/liter borsyre og 60 g/liter natriumchlorid.

8. Fremgangsmåde ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at opløsningen med højere koncentration omfatter 0,1 molær chromisulfat, 0,4 molær natriumthiocyanat, 0,1 molær asparaginsyre, 60 g/liter borsyre og 60 g/liter natriumchlorid.