EP0183034A2

EP0183034A2 - Galvanisierverfahren

Info

Publication number: EP0183034A2
Application number: EP85113105A
Authority: EP
Inventors: Erwin A. Dr. Sauter
Original assignee: Inovan Stroebe KG; Inovan GmbH and Co KG Metalle und Bauelemente; Inovan Stroebe GmbH and Co KG
Current assignee: Inovan GmbH and Co KG Metalle und Bauelemente
Priority date: 1984-10-31
Filing date: 1985-10-16
Publication date: 1986-06-04
Anticipated expiration: 2005-10-16
Also published as: ATE54474T1; DE3439750A1; EP0183034B1; DE3439750C2; JPS61113790A; EP0183034A3; US4721554A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Abscheidegeschwindigkeit von Beschichtungsmaterialien im Wege des Galvanisierens auf bandförmige Materialien sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Hohe Abscheidegeschwindigkeit bei guter Stromausbeute kann beim Galvanisieren nur erreicht werden, wenn genügend abzuscheidende Metallionen in der Umgebung der Kathode vorhanden sind. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Elektrolytlösung im Gegenstrom zur Bewegungsrichtung des zu beschichtenden bandförmigen Materials geführt wird, so, daß auch in der Grenzschicht zwischen Material und Elektrolytlösung eine turbulente Strömung herrscht, die stets abzuscheidenen Metallionen in die unmittelbare Umgebung der zu beschichtenden Fläche bringt. Die turbulente Strömung wird durch hohe Relativgeschwindigkeit zwischen Band und Elektrolytlösung erreicht, bei einer Reynolds-Zahl oberhalb von 80.000. Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einer vorzugsweise senkrecht aufzustellenden Hohlschiene, durch die das bandförmige Material von unten nach oben geführt wird, während die Elektrolytflüssigkeit innerhalb einer Ringleitung die Hohlschiene von oben nach unten durchströmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen metallischer Schichten durch Galvanisieren auf hand- oder seilförmige Materialien, wobei die mit dem Minuspol einer Stromquelle verbundenen zu beschichtenden Materialien, durch eine in einem geeigneten Gefäß befindliche Elekrolytlösung, vorbei an einer dort mit dem Pluspol der Stromquelle verbundenen Anode, kontinuierlich hindurchgeführt werden sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Zum Beschichten der Oberfläche von Drähten, Bändern, Stanzgittern, Seilen oder sonstigen bandförmigen Materialien durch Galvanisieren, werden diese Materialien kontinuierlich durch ein Gefäß hindurchgeführt, in dem sich eine Elektrolytlösung (oder auch Salzschmelze) befindet. Hierbei bildet das zu beschichtende Material die Kathode, an der sich infolge der Ionenwanderung die im Elektrolyten gelösten Metalle anlagern. Durch diese Ionenwanderung verarmt der Elektrolyt in der Umgebung der Kathode an abscheidbarrn Metallionen, so daß stets für die Zufuhr von frischem Elektrolyt gesorgt werden muß. Dies geschieht bei den bekannten Galvanisierbädern im allgemeinn bereits dadurch, daß das bandförmige Material durch die Elektrolytlösung hindurchgeführt wird, also stets mit neuer Elektrolytlösung in Berührung kommt. Bei modernen Anlagen wird außerdem der Elektrolyt stetig umgepumpt und erneuert, so daß sich zumindest im Gefäß, durch das die bandartigen Materialien hindurchgeführt werden, stets eine genügend Metallionen auf weisende Elektrolytlösung befindet. Dies besagt allerdings noch nicht, daß in der unmittelbaren Umgebung der Kathode, also des zu beschichtenden Materials, ebenfalls genügend Metallioen vorhanden sind. Nur aber dann, wenn genügend Ionen (beziehunqsweise Anionen) für den Strnmtransport zur Verfügung stehen, kann entsprechend viel Metal auf der Kathode abgeschieden beziehungsweise kann mit einer quten Stromausbeute gerechnet werden. Daraus ergibt sich, daß, je besser der Elektrolytaustausch an der Oberfläche des zu beschichtenden Teiles durchgeführt wird, desto höher die Abscheidungsgeschwindigkeit und die Stromausbeute ist beziehungsweise desto schneller das Metall in erwünschter Weise auf dem Material abgeschieden wird bei gleichzeitig verbessertem Wirkungsgrad der Galvanisierungseinrichtung.
Um dieser Verarmung in der Nähe des zu beschichtenden Materials zu begegnen, wurde, wie oben erwähnt, bereits vorgeschlagen, die Elektrolytlösung kontinuierlich zu erneuern und auch die Elektrolytlösung innerhalb des Elektrolysegefäßes in Rewequng zu halten. Durch diese Maßnahme sollte erreicht werden, daß sich immer frische Elektrolytlösung mit genügend abzuscheidenden Metallionen in der Umgebung des zu heschichtenden Materials befindet.
Mit diesen bekannten, dem Stande der Technik zuzuzählenden Anlagen, waren bereits recht hohe Ahscheideneschwindigkeiten zu erzielen. Die Erfindung hat sich jedoch die Aufgabe gestellt, diese Abscheidegeschwindirgkeiten noch weiter zu erhöhen.
Dies gelingt nach der Erfindung dadurch, daß die Elektrolytlösunq in Gegenrichtunq zur ßewegungsrichtung des zu heschichtenden Materials bewegt wird.
Augangspunkt der Erfindung war hierbei die Überlegung, daß ein hoher Elektrolytaustausch an der Überfläche des zu beschichtenden Materials erzielt wird bei hoher Relntivgeschwindiqkeit zwischen dem zu beschichtenden Material und der Elektrolytlösunq, wobei die höchste Relativgeschwindinkeit dann erreicht wird, wenn die Bandbewegung und die Elektrolytströmung in qenau entgegengesetzter Richtung verlaufen. Dadurch ist gewährleistet, daß dann, wenn die Umgebung der Kathode, also des zu beschichtenden Materials, an abzuscheidenden Metallionen beginnt zu verarmen, bereits frische Elektrolytflüssigkeit berange führt wird, so daß stets ein ununterbrochener Zustrom von Metallionen zur Kathode gesichert ist.
Es muß allerdings hinzuge fügt werden, daß diese Überlegung zwar theoretisch richtiq, in der Praxis aber nicht immer zutreffend ist. Insbesondere trifft diese theoretische Überlegung dann nicht zu, wenn die Elektrolytströmung laminar verläuft. Es wird daher nach der Erfindung festgelegt, daß die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten und darüber hinaus auch die Relativgeschwindigkeit in der Grenzschicht zwischen der Bewegung des zu heschichtenden Materials und derjenigen des Elektrolyten im Bereich der turbulenten Strömunq liegen soll. Dies setzt im allgemeinen voraus, daß die Rewegunqsgeschwindiqkeit den bandförmigen Materials oberhalb von 0,1 m/s und die Geschwindigkeit der entgegengerichteten Strömung des Elektrolyten oberhalb von 1 m/s bei einer Reynolds-Zahl oberhnlh 80.000 liegt. Maßgebend für die laminare oder turbulente Strömung ist die Reynolds-Zahl, also das Verhältnis der Trägheitskräfte zu den Zähiqkeitskräften, wobei die Strömungsgeschwindigkeit beziehunqsweise die Relativgeschwindiqkeit zwischen dem bandförmigen Material und dem Elektrolyten in diesem Falle die ausschlaggebende Rolle spielt. Maßgebend ist ja nicht, daß in dem Elektrolysebad, also in dem die Elektrolytlösuno enthaltenden Gefäß stets frische Elektrolytlösung zur Verfügung steht, sondern daß diese frische Elektrolytlösung mit einer hohen Anzahl von abscheidbaren Metallionen in unmittelbaren Umgebung des zu beschichtenden Materials vorhanden ist. Dies wird zwar nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Elektrolytlösung in Gegenrichtung zur Rewegungsrichtung des zu beschichtenden Materials bewegt wird, daß also eine höchste Relativgeschwindigkeit zwischen dem Material und der Elektrolytlösung herbeigeführt wird. Die Verarmung wird jedoch mit Sicherheit dann vermieden, wenn auch in der Grenzschicht eine turbulente Strömung vorherrscht die bewirkt, daß die Metallionen nicht nur in die Nähe der Kathode gebracht werden, sondern, durch die turbulente Strömung, auch noch die Elektronenwanderung zur Kathode unterstützt. Es darf in diesem Zusammenhang auch darauf hingewiesen werden, daß die Grenzschicht bei turbulenter Strömung um Größenordnungen kleiner ist als bei laminarer Strömung, daß also die nach der Erfindunq angestrebte hohe Relativgeschwindigkeit und die damit herbeigeführte Turhulenz maßgebend für die hohe Abscheidegeschwindingkeit ist. Turbulente Strömung herrscht jedoch nach empirisch festqeleqten Werten bereits ah einer Reynolds-Zahl, die größer als 2.32n ist. Bei einer Reynolds-Zahl, wie dies von der Erfindung festgelegt wird, von RE 80.000, ist also mit Sicherheit eine turbulente Strömung vorhanden. Zur Durchführung des Verfahrens wird nach der Erfindung eine Vorrichtunq vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch eine aus Isoliermaterial bestehenden Hohlschiene, deren freier Durchtrittsquerschnitt etwa dem Querschnitt des zu beschichtenden Materials entspricht, durch in die Hohlschiene eingefügte Anoden sowie durch eine beidseits an die Hohlschiene angeschlossene, den Elektrolyten führende Ringleitung, in die eine Umwälzpumpe eingefügt ist. Selbstverständlich kann in diese Ringleitung noch ein Sammelhecken für Elektrolytflüssigkeit eingefügt werden, dem dann auch stets frische Elektrolytflüssigkeit zur ßeibehaltung der zuvor bestimmten optimalen Werte binzugefügt werden kann. Die Länge der Hohlschiene wird hierbei nach der aufzubrinqenden Schichtdicke festgelegt, wobei, bei konstanten Geschwindigkeiten und Stromstärken, die Schichtdicke der Länge der Hohlschiene proportional ist. Der Proportionalitätsfaktor ist allerdings materialabhängig; so müßte zum Abscheiden von Palladium unter sonst gleichen ßedingungen die Länge der Hohlschiene etwa zehnmal größer sein als für diejenqe zum Beschichten mit Silber.
Die Anoden können in erfindungsnemägßer Weise die gesamte Innenwandfläche des freien Durchgangsguerschnitts der Hohlschiene bedecken oder auch nur Teile hiervon. So können die Anoden beispielsweise nur einseitig angebracht sein, um vorzugsweise eine Seite eines bandförmigen Materials zu beschichten, wobei zweckmäßigerweise die den Anoden abgekehrte Bandseite durch eine in der Hohlschiene angebrachte oder mitlaufende Maske abgedeckt wird. Es können jedoch auch die Anoden streifenförmig in Langsrichtung der Hohlschiene verlaufen, um einen ßeschichtungsstreifen auf einem bandförmigen Material oder selbstverständlich auch mehrere derartige Streifen zu erzeugen. Auch dann, wenn die gesamte Fläche des bandförmigen Materials zu beschichten ist, empfiehlt es sich, die Annden streifenförmig innerhalb der Hohlschiene anzuordnen, wobei die einzelnen Steifen zweckmäßigerweise in Längsrichtung unterteilt und gegeneinander versetzt anzuordnen sind. Möglich ist auch, die Anoden in gleichmäßigem Abstand hintereinander innerhalb der Hohlschiene anzubringen und eine Worrichtung vorzusehen, die das zu beschichtende Material jeweils im Abstand der Anoden voneinander taktweise vorbeweqt. Dadurch können sowohl in der Breite wie auch in der Länge des bandförmigen Materials selektierte ßeschichtungslinien beziehungsweise ßeschichtungspunkte erzeugt werden.
Zweckmäßigerweise wird der Abstand der Anoden von dem zu beschichtenden Material einstellbar ausgcführt, indem die Anoden an quer zur Längsrichtung der bandförmigen Materialien verstellbaren Justierschrauben angebracht werden. Dadurch kann, durch Änderung des ßandwiderstandes, Einfluß auf die Abscheidungsgeschwindigkeit, jedoch auch auf die geometrischen Abmessungen der Abscheidunq genommen werden.
Es wurde schon erwähnt, daß es vorteilhaft sein kann, in der Hohlschiene eine das durchlaufende Material teilweise abdeckende Maske anzuordnen. Um nur selektiv zu beschichten, besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit, auf dem Band mitlaufende Abdeckunnen vorzusehen.
Hinsichtlich der Aufstellung der Hohlschiene hat es sich, wie Versuche gezeigt haben, bewährt, daß die Hohlschiene senkrecht aufgestellt wird, so, daß das bandförmige. Material von unten nach oben bewegt wird und der Elektrolyt die Hohlschiene von oben nach unten durchströmt.
Auf der Zeichnung ist schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Durch eine Hohlschiene 1 mit einem Durchtrittsquerschnitt, der etwa dem Querschnitt des durchzuführenden bandförmigen Materials 2 entspricht, wird von unten nach oben, wie dies die Pfeile 3 andeuten, das bandförmige Material 2 hindurchgeführt. Exakt in Geqenrichtunq hierzu strömt Elektrolytflüssiqkeit durch diese Hohlschiene 1, dargestellt durch die qestrichelten Pfeile 4. Die Elektrolytflüssigkeit wird von einem Sammelbehälter 5 mittels einer Umwälzpumpe 6 über eine Rinqleitung 7, die beidseits an die Hohlschiene 1 angeflanscht ist, im Kreislauf gefiihrt.
Bei Einhaltung der oben engegebenen ßedingungen, also einer Bewegungsgeschwindigkeit des bandförmigen Materials 2 oherhalb von 0,1 m/s und einer unteren Strömunnsgeschwindigkeit des Elektrolyten von 1 m/s erqehen sich damit tatsächlich, wie Versuche gezeigt haben, deutlich erhöhte Abscheidegeschwindigkeiten, die bis zum zehnfachen der Abscheidegeschwindigkeit reichen, die bei den zum Stande der Technik gehörenden Anlagen zu erzielen sind, bei einer Stromausbeute zwischen 97 % und 100 %.

Claims

1. Verfahren zum Aufbringen metallischer Schichten durch Galvanisiern auf band- oder seilförmige Materialien, wobei die mit dem Minuspol einer Stromquelle verbundenen zu beschichtenden Materialien durch eine in einem geeigneten Gefäß befindlichen Elektrolytlösunq, vorbei an einer dort mit dem Pluspol der Stromquelle verbundenen Anode kontinuierlich hindurchgeführt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrolytlösunq in Gegenrichtunq (4) zur ßewegungsrichtung (3) des zu beschichtenden Materials (2) bewegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch l,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strömungsgeschwindiqkeit des Elektrolyten im Bereich der turbulenten Strömung liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeicnet,
daß die Relativgeschwindigkeit in der Grenzschicht zwischen der Bewegung des zu beschichtenden Materials (2) und derjenigen des Elektrolyten im ßereich der turbulenten Strömung legt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ßewegungsgeschwindigkeit des Materials (2) oberhalb 0,1 m/s und die Geschwindigkeit der entgegengerichteten Strömung des Elektrolyten oberhalb von 1 m/s bei einer Reynolds-Zahl oberhalb 80.000 lient.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach den Ansprüchen 1 bis 4,
gekennzeichnet
durch eine aus Isoliermaterial bestehende Hohlschiene (1), deren freier Durchtrittsquerschnitt etwa dem Querschnitt des zu beschichtenden Materials (2) entspricht, durch in die Hohlschiene (1) eingefügte Anoden sowie durch eine beidseits an die Hohlschiene (1) angeschlossene, den Elektrolyten führende Ringleitung (7), in die eine Umwälzpumpe (6) eingefügt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Länge der Hohlschiene (1) proportional der aufzubringenden Schichtdicke ist.

7. Vorrichtung nach Annpruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anoden die gesamte Innenwandfläche des freien Durchgangsguerschnittes der Hohlschiene (1) bedecken oder auch nur Teile hiervon.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anoden streifenförmig in Längsrichtung der Hohlschiene (1) verlaufen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
.dadurch gekennzeichnet,
daß die Anoden in Längsrichtung unterteilt und verschiedenen Stromkreisen zugeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anoden in gleichmäßigem Abstand hintereinander innerhalb der Hohlschiene (1) angebracht sind und daß eine Vorrichtung zum taktweisen Vorbewegen des zu beschichtenden Materials (2), jeweils im Abstand der Anoden voneinander, vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand der Anoden vom zu beschichtenden Material (2) einstellbar ist.

12. Vorrichtung nach einem oder mehreren
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Hohlschiene (1) eine das durchlaufende Material (2) teilweise abdeckende Maske angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem oder mehreren
der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hohlschiene (1) senkrecht aufgestellt ist.