EP2342373A2 - Vorrichtung sowie verfahren zum elektrochemischen beschichten eines werkstücks - Google Patents

Vorrichtung sowie verfahren zum elektrochemischen beschichten eines werkstücks

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Publication number
EP2342373A2
EP2342373A2 EP09760128A EP09760128A EP2342373A2 EP 2342373 A2 EP2342373 A2 EP 2342373A2 EP 09760128 A EP09760128 A EP 09760128A EP 09760128 A EP09760128 A EP 09760128A EP 2342373 A2 EP2342373 A2 EP 2342373A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating
container
workpiece
reservoir
liquid
Prior art date
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Granted
Application number
EP09760128A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2342373B1 (de
Inventor
Gerhard Reusmann
Werner Schauf
Martin Wiese
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ewald Doerken AG
Original Assignee
Ewald Doerken AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Ewald Doerken AG filed Critical Ewald Doerken AG
Publication of EP2342373A2 publication Critical patent/EP2342373A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2342373B1 publication Critical patent/EP2342373B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D17/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells for electrolytic coating
    • C25D17/02—Tanks; Installations therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D17/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells for electrolytic coating
    • C25D17/16—Apparatus for electrolytic coating of small objects in bulk
    • C25D17/22—Apparatus for electrolytic coating of small objects in bulk having open containers
    • C25D17/24—Oblique barrels

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for electrochemical coating of a workpiece.
  • a variety of methods for electroplating workpieces are known. Here, above all, the processes for electroplating on the one hand and the processes for electrochemical dip painting on the other hand are to be distinguished. Common to this method is that the workpiece is at least partially introduced into a bath of a coating liquid.
  • an electrically conductive dip forms the coating liquid.
  • the dip coat often contains metal particles.
  • a voltage is applied between the workpiece and a counter electrode.
  • dissolved in the bath binder and / or metal particles are precipitated on the surface of the workpiece, whereby a closed, adherent paint film or a metal-containing coating is formed.
  • ATL anodic dip coating
  • KTL cathodic dip painting
  • the coating bath contains ions of one or more elements with which the workpiece is to be coated.
  • the ions in the coating liquid are contained in a solvent, but it is also possible to use a melt of a salt containing the ions in question.
  • a voltage is applied to the workpiece, whereby the ions in the coating liquid are electrolytically discharged at the surface of the workpiece. This results in the deposition of a layer on the surface.
  • the ions are cations and the workpiece forms an anode where the cations are reduced.
  • the solvent in which the ions are dissolved is in many cases water. However, there are applications for which water is poorly suited or totally unsuitable. One reason for this may be that water itself may in principle be subject to electrolysis. Thus, for example, certain metals can not be separated from an aqueous solution, since instead an electrolysis of the water takes place.
  • the object of the invention is therefore to propose measures to prevent the contamination of a coating liquid in the context of an electrochemical deposition process.
  • the object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 16.
  • the device according to the invention for the electrochemical coating of a workpiece comprises a coating container for receiving the workpiece and a reservoir for a coating liquid.
  • the containers mentioned must have sufficient stability in order to be able to pick up the workpiece or coating liquid.
  • a construction material here offer metals, especially stainless steel.
  • the materials it should be noted that in particular those parts of one of the containers which may come into contact with the coating liquid to be insensitive to this. If, for example, the coating liquid dissolves the material of the container - albeit only slightly -, this would result in increased wear of the container on the one hand and on the other hand the coating liquid would be contaminated. This is particularly important when using ionic liquids, as these are sometimes excellent solvents.
  • each of the containers may be wholly or partially provided with a protective coating.
  • the storage container is connected to the coating container through at least one passage opening for the coating liquid.
  • coating liquid can pass from the reservoir into the coating container or vice versa.
  • the passage opening should be relatively small in relation to the dimensions of the coating container and of the storage container, as this minimizes the penetration of gases and moisture dissolved therein from the coating container into the storage container.
  • the cross section of the passage opening should, however, be sufficiently large that an unhindered passage of the coating liquid is ensured. In this way, the reservoir, in particular in the rest position (see below), even without closing mechanism for the passage opening a largely closed system.
  • the passage opening is formed as a pipe or hose line which connects the coating container with the reservoir.
  • the two containers can also adjoin one another directly, wherein in
  • Limit region is given a connection through the passage opening.
  • the latter leads to a lower inner surface of the system and is therefore preferred because in this way contamination sources for the coating liquid are minimized.
  • contamination sources for the coating liquid are minimized.
  • the meaning of the surface will be explained below.
  • the passage opening may have a grid, a sieve or a filter. This can on the one hand be prevented that a small workpiece in the reservoir - A -
  • the device must comprise at least one feed opening through which the workpiece can be introduced directly or indirectly into the coating container.
  • the charging opening is preferably formed on the coating container itself, so that an immediate introduction is possible.
  • the term of the feed opening is broad in this context. This also includes designs in which e.g. about half of the coating container is removed for insertion of the workpiece and replaced after insertion. In general, the opening is designed here in such a way that it allows the introduction of the workpiece and, if necessary, in the case of small mass parts of a basket or the like which contains the workpieces.
  • the device in addition, as known from the prior art for electrochemical coating processes, it is necessary for the device to comprise at least two electrodes. At least one electrode for contacting the workpiece serves to apply an electrical potential thereto, while at least one counterelectrode is in contact with the coating liquid during the coating process. There may also be a plurality of electrodes for contacting and / or a plurality of counterelectrodes.
  • the former can be advantageous, in particular in the case of several workpieces, as this can sometimes better realize simultaneous contacting of several workpieces.
  • the device can be adjusted by rotating the coating container and the storage container about at least one common axis between a coating position and a rest position such that the volume center of gravity of the coating container is lower in the coating position relative to the volume center of gravity of the storage container than in the inoperative position.
  • the adjustment according to the invention between the coating position and the rest position can be realized by a rotation of the coating container and the storage container by exactly one axis.
  • a rotation takes place about more than one axis.
  • the rotation that is to say rotation
  • the coating container and the storage container can also be moved, for example, along a path of increasing pitch, which corresponds to a composite movement of rotation and translation.
  • the coating container and the reservoir are rigidly connected.
  • a rigid connection further reduces moving parts, seals and the like.
  • the device can thereby be made more compact in general, resulting in a smaller surface area.
  • the invention is based on the recognition that surfaces and moving parts are a major source of contamination of the coating liquid, in particular due to moisture. Moisture can adhere to surfaces and is difficult to completely remove from them. Likewise, the coating liquid may adhere to surfaces, thus providing the ambient atmosphere with a large area of attack. Moving parts inevitably increase the overall surface area of a device. In addition, moisture can pass between moving parts. Therefore, when using pumps or similar devices, it is almost impossible to keep the interior of a coating device moisture-free. From this insight, the device according to the invention is designed so that can be dispensed with pumps, hoses or the like. Rather, the coating container and the reservoir together with the passage opening form a comparatively compact system, which has the smallest possible inner surface. In this way, there is little overall surface to which moisture might adhere. Also, the interior of the system of reservoir and coating container is sealed to the outside, except for at least one feed opening, which is necessary for the entry and discharge of workpieces.
  • the liquid, which is received in the rest position in the reservoir, where it is connected only via the - comparatively small - passage opening with the coating container, in turn - at least during the insertion and removal of workpieces - in contact with the environment stands.
  • the coating liquid is largely protected against contamination.
  • the device according to the invention therefore makes it possible to minimize the contamination of a coating liquid, in particular by atmospheric moisture. As a result, unwanted reactions of the coating liquid can be avoided and guarantee their unlimited usability for a long time. This means that high quality coatings are guaranteed and the cost of replacing or recycling the coating liquid is reduced.
  • the coating container and the reservoir are arranged in each case so that a rotation causes the former is raised or lowered relative to the latter, and vice versa.
  • coating liquid thus flows in each case from the container which is raised to the one which is lowered.
  • “flowing” means that the coating liquid moves only under the influence of gravity after adjustment of the device, ie it does not require the use of pumps or other means of conveyance for this purpose one container in the other "poured out".
  • Such a flow can be realized well be that in the Be Anlagenungsstellimg down part of the wall of the reservoir (so to speak, the "bottom") has a sloping in the direction of the passage opening profile, while the lower part located in the rest position of the wall of the coating container in the direction of the passage opening has lendes profile.
  • the most complete back and forth flow of the coating liquid can also be assisted by the fact that at least the inner surfaces of the coating container and the reservoir are made of a material which is hardly or not wetted by the coating liquid. In this way, it is particularly avoided that small residual volumes in the form of droplets or liquid films adhere to the surface of the container. These residual volumes, which provide a particularly large relative surface area to the ambient atmosphere, are particularly susceptible to contamination. By using a suitable surface material, possibly in the form of a coating, this can be effectively prevented.
  • the device comprises an opening for gas exchange between the coating container and the reservoir.
  • an opening for gas exchange between the coating container and the reservoir is advantageous because it can be used to equalize the pressure between the two containers, even if the passage opening is completely filled with coating liquid. In this way, the flow of the coating liquid can be substantially facilitated, in particular if the passage opening has a very small cross section or if a very fast liquid exchange between the containers is to take place. Since gases within the containers are always above the coating liquid, the opening for gas exchange above the
  • Passage opening arranged for the coating liquid.
  • the opening for gas exchange may be formed as a pipe or hose line, or else it is located in an area where the coating container and storage container almost directly adjoin one another and are virtually directly connected to each other through the opening.
  • a coating container arranged receiving device for the workpiece advantageous.
  • a receiving device serves to store the workpiece during the coating process and - at least within certain limits - to secure against position shifts.
  • the recording device can eg as a frame, as a basket o. ⁇ . be educated. It is also possible that the receiving device does not directly receive the workpiece or workpieces, but, for example, a basket which in turn is filled with mass small parts which are coated. As is known from the prior art, in this case, the entire basket in the coating container and be brought out again.
  • a positioning of the receiving device within the coating container is preferred, which, in combination with a suitable degree of filling of the device, ensures that in the inoperative position a workpiece located in the receiving device is above the level of the coating liquid. If the design and filling are selected such that all the coating liquid flows into the storage container when the coating position is adjusted to the rest position, the receiving device can basically have any desired position within the coating container. However, it should also be noted that, in the coating position, a workpiece located in the receiving device must be at least partially below the level of the coating liquid so that a coating is possible. The choice of a suitable construction and the appropriate filling, however, represents a standard task for the skilled person.
  • the receiving device arranged within the coating container is rotatably mounted.
  • a receiving device is mounted on a shaft, which in turn is coupled to a motor or a motor-gear unit.
  • a design of the receiving device is advantageous, which has an axis symmetry with respect to the axis of rotation.
  • a slow rotation of the workpiece during the coating process can be achieved. This is especially important in the coating of mass small parts. Between these there are numerous contact points, which are not or only partially coated in the case of stationary workpieces. If the workpieces are moved, the contact points change constantly and it can be a uniform coating of the surface can be achieved. In order to ensure an effective circulation of the workpieces, it makes sense to choose a speed at which no stronger centrifugal forces occur. Therefore, it is preferable that the pickup device is rotatable in the coating position at a rotational speed of at most 100 rpm. As the skilled person knows it is in this case advantageous if the rotational axis of the receiving device by at least 5 0 preferably, at least 20 0 deviates from the vertical, since the circulation can be better supported by the gravity in this manner.
  • the receiving device can serve as a centrifuge for a workpiece located therein, so that coating liquid still adhering after coating is thrown off.
  • the receiving device is rotatable at a speed of at least 250 U / min, when the device is in the rest position. In this position, the coating liquid has flowed at least partially from the coating container into the storage container and, as described above, the workpiece is preferably above the level of the coating liquid.
  • the cradle can be used for centrifuging like centrifuges known in the art.
  • the spin-off occurs between step b) and step d), i.
  • the spin-off may possibly already begin during the adjustment into the rest position, ie during step c). This may be useful to save time, but it is obvious that a centrifuging should start only when the coating liquid has drained so far that the workpiece is above the liquid level.
  • Steps are realized within a device, however, a combination of the two functions is to be regarded as advantageous.
  • the largest possible portion of the liquid should be in the coating container during the coating process, i. it should be left as little fluid in the reservoir.
  • the region of the receiving device, if any will be at least partially below the level of the coating liquid. Therefore, it is preferred that in the coating position at most 50% of the volume of the reservoir are below the passage opening.
  • the entire volume of the reservoir is in the coating position above the passage opening.
  • the device according to the invention is designed in a further development so that in the rest position, a partial volume of the coating container, which corresponds to at most 50%, of the volume of the reservoir, is below the passage opening. Particularly preferably, in the rest position, the entire volume of the coating container is located above the passage opening.
  • the coating space may be exposed to a risk of contamination from ambient air and moisture associated therewith. Therefore, it makes sense that in the rest position as little as possible coating liquid remains in the coating container, for example, while an input and discharge of the workpiece takes place. Because at least in this phase, a gas exchange between the environment and the interior of the coating container via the feed opening is possible. Furthermore, a higher residual level of coating liquid in the coating container in the rest position is disadvantageous in so far as in this position usually a dripping o. ⁇ . the still adhering to the workpiece liquid. For this, care must be taken that no part of the workpiece is immersed in any liquid still in the coating container. That is, if a recording device is present, should be these are in the rest position above the liquid level. This can be more easily achieved, the lower the remaining level of residual liquid.
  • the coating container has a closable feed opening for introducing the workpiece.
  • the feed opening is preferably hermetically sealed. It is also conceivable that at the feed opening a lock chamber is formed, which is airtight sealable on both sides and thus completely prevents gas exchange between the environment and the coating container.
  • the device is preferably designed so that in the coating position, a partial volume of the coating container, which is at least equal to the volume of the reservoir, located below the feed opening. This ensures that even if all the coating liquid has flowed from the reservoir into the coating container, the feed opening is above the level of the coating liquid.
  • the feed opening is protected from possible harmful influences, i. it must be in the construction of seals o. ⁇ . It is not necessary to use materials which are insensitive to the coating liquid.
  • it can be ruled out that e.g. When opening a closure of the charging opening coating liquid is unintentionally discharged.
  • the electrochemical coating process is significantly affected by the temperature at which it is carried out.
  • some ionic liquids show a sensitivity to temperature fluctuations, the worst may cause the fluid to become completely unusable.
  • properties such as viscosity and conductivity, which are crucial for the electrochemical coating process, are temperature dependent.
  • the device in a development of the invention comprises means for heating and / or means for cooling the coating liquid. Which means are necessary here depends on the coating liquid used. If the optimum working temperature between 70 0 C and 80 0 C and the device is in an environment with room temperature, so you will be able to do without means for cooling. On the other hand, if the optimum working temperature is between 15 ° C. and 20 ° C., means for heating are generally unnecessary. It should be noted that during the coating of the liquid heat is constantly supplied, since the coating current experiences resistance losses in the liquid.
  • both the means for cooling and the means for heating can be of different types.
  • electrical heating coils that are integrated into the container wall or project into the container interior.
  • snake- or lamellar heat exchanger systems which are flowed through a warm or cool liquid, are suitable.
  • warm or cool inert gas can also be used for heating.
  • infrared radiation can also be used for heating. If the passage opening is designed as a line, that is stretched, means for heating or cooling can be arranged on the wall, so that the passage opening acts as a water heater or flow cooler.
  • the device comprises means for mixing the coating liquid. These can be designed so that they act on the liquid in the coating container and / or in the reservoir.
  • Such means may comprise a mechanical stirrer driven by a motor and a shaft.
  • magnetic stirrers are also advantageous since they do not provide any additional opening in a container wall for mechanical coupling. necessary.
  • Particularly advantageous is a mixing by means of ultrasound, since this requires no additional parts within the respective container.
  • the respective means for mixing can be operated periodically or continuously.
  • a part of the wall of the coating container, the receiving device or parts thereof are formed as an electrode for contacting the workpiece. It must be ensured that during the entire coating process (apart from any brief interruptions) each workpiece is in direct or indirect electrical contact (via other workpieces) with this electrode.
  • at least one electrode for contacting the workpiece in the coating container is movable. Such a method can be done via a gear, pneumatic or hydraulic, the latter being preferred.
  • the at least one counterelectrode can in this case be permanently installed or likewise arranged to be movable. In any case, it must be ensured that the counter electrode dips into the coating liquid during the coating process.
  • the electrode when at least one electrode for contacting the workpiece is suspended flexibly is particularly advantageous. By such a suspension, it is possible that the electrode follows the movements of the same even with moving workpieces and thus keeps in constant contact.
  • the flexibility can be realized by a cable or a kind of hose. Typically, in this case, the electrode may hang down from above, thus keeping contact with the workpieces substantially due to gravity.
  • a coating process can be carried out.
  • the coating container and / or the storage container are at least partially filled in advance with a coating liquid.
  • the following steps are carried out in chronological order: a) introduction of the workpiece into the coating container, b) electrochemical deposition of a coating on the workpiece while the device is in the coating position, c) adjusting the device to the rest position and d) removing the workpiece from the coating container
  • the device is moved into the coating position before or after the introduction of the workpiece into the coating container.
  • a device which comprises a receiving device and motor means for rotating the receiving device, wherein the receiving device is rotated by the motor means during the deposition of the metal layer with at most 100 U / min.
  • a device which comprises a receiving device and motor means for rotating the receiving device, and between step b) and step d) the receiving device by the motor means rotated at least 250 rpm.
  • a device which comprises at least one electrode which can be moved to contact the workpiece in the coating container, and the electrode is moved into the coating container before the deposition process, ie before step b), so that it contacts the workpiece at least temporarily during step b).
  • the electrode is again moved out of the coating container.
  • the electrode is preferably moved into and out of the coating container before the workpiece is removed. The electrode can be moved out before, during or after the adjustment of the device in the rest position from the coating container.
  • a volume of coating liquid between 80% and 110%, preferably between 95% and 105%, more preferably between 99% and 101% of the volume of the reservoir is used.
  • the reservoir is as completely as possible filled with coating liquid.
  • the only part of the surface of the liquid which is in contact with gas from the coating container is the one which is at the passage opening and, if present, at the gas exchange opening. This means that potential contamination can only occur via these relatively small surfaces and is therefore largely prevented.
  • the coating liquid used is an ionic liquid which comprises ions of at least one element.
  • ions can either be part of the ionic liquid or be present dissolved in it.
  • metals and semiconductors are considered as elements, but also non-metals are explicitly included.
  • the deposition of aluminum from an ionic liquid, e.g. i-ethyl-3-methylimidazolium chloride in which an aluminum salt, e.g. Aluminum chloride, dissolved be carried out.
  • an aluminum salt e.g. Aluminum chloride
  • aluminum alloys can be deposited.
  • alloys of aluminum with at least one of the elements silicon, iron, copper, manganese, magnesium, chromium, nickel, zinc, lead and titanium are preferred.
  • FIG. 1 a shows a schematic representation of a first embodiment of a device according to the invention in the rest position prior to loading
  • FIG. 1b shows a schematic representation of the device from FIG. 1 a in the rest position after loading
  • FIG. 1 c shows a schematic representation of the device from FIG. 1 a in the coating position
  • FIG. 2a shows a schematic representation of a second embodiment of a device according to the invention in the rest position
  • FIG. 2b shows a schematic representation of the device from FIG. 2a in the coating position
  • Fig. 3a is a schematic representation of a third embodiment of a device according to the invention in the rest position
  • Fig. 3b is a schematic representation of the device of Fig. 3a in the coating position.
  • FIGS. 1 a to 1 c show a coating device 1 according to the invention in the rest position (FIG. 1 a) and after the charging (FIG. 1 b) and during the coating (FIG. 1 c).
  • the coating device 1 comprises a coating container 2 and a storage container 3, in which a coating liquid 20 is located.
  • the coating liquid 20 consists of a melt of i-ethyl-3-methylimidazolium chloride in which aluminum chloride is dissolved.
  • the coating liquid 20 tends to hydrogen chloride upon contact with moisture, which is limited by the low humidity in the drying chamber.
  • the formation of CH gas is suppressed by continuously purging the coating container 2 with dried air (relative humidity of the dried air below 0.1%).
  • the containers 2, 3 are interconnected by a passage opening 4 for the coating liquid 20.
  • a second connection is provided by an opening 15 located above the passage opening 4 for gas exchange.
  • the device 1 can be adjusted by rotation of the containers 2, 3 about a common axis of rotation A between the rest position shown in FIG. 1 a and a coating position according to FIG.
  • the axis of rotation A is perpendicular to the plane of the representation.
  • the first axis A (not shown) by a shaft, by means of which the containers 2, 3 are connected to a base 16 mounted on a motor-gear unit (also not shown).
  • the adjustment of the device 1 is realized.
  • both containers are ter 2, 3 made of one piece of a ceramic material or glass, which is insensitive to hydrogen chloride.
  • the entire volume of the storage container 3 is below the passage opening 4, the entire volume of the coating container 2 is located above the passage opening 4.
  • the volume of the coating liquid 20 is identical to that of the storage container 3 , so that it is completely filled in the rest position. Therefore, only a small part of the coating liquid has
  • the - low anyway - humidity of the air in the coating container 2 thus has only a small contact surface with the coating liquid 20, which further minimizes the hydrogen chloride evolution.
  • the coating container 2 in Fig. Ia has a feed opening 5, which is closed by a cover 6. This cover 6 is open for introducing a basket 21.
  • a contact electrode 11 is attached to a pivotable and movable suspension 12, which can be moved through an electrode opening 17 in the lid 6 in the coating container 2.
  • the suspension 12 also has a flexible portion 13.
  • the receiving device 7 can be rotated via a guided through the wall of the coating container 2 shaft 8 in rotation.
  • the receiving device 7 is formed in this case as a tub with openwork wall, so that the basket 21 can be inserted into it and is secured against large changes in position, but at the same time liquid 20 can pass through the wall of the receiving device 7 to the basket 21.
  • the shaft 8 can be controlled via a transmission 9 arranged on the coating container 2. This is in turn driven by a motor 10.
  • the receiving device 7 can be rotated about a rotation axis B, which is approximately symmetrical Axis of the receiving device 7 is identical and in the rest position - relative to the direction predetermined by gravity - perpendicular.
  • the centers of gravity are two containers 2, 3 on different sides of a vertical plane through the first axis A, wherein the first axis A, however, passes through the coating container 2.
  • the first axis A passes through the coating container 2.
  • 20 kg steel screws 22 are intended for coating with aluminum.
  • the coating should be carried out at room temperature.
  • the screws 22 are prepared for coating by first sandblasted and then for degreasing in a basket 21 in a cleaning solution consisting of water in which in 1 liter of water 9 g of potassium phosphate and 27 g of potassium hydroxide were dissolved at 85 0 C. degreased. After a contact time of 5 min, the basket 21 is lifted out of the bath (not shown here).
  • the basket 21 with the screws 22 rinsed with tap water and then thrown dry. Thereafter, the screws 22 are further dried by means of a hot air flow.
  • the dried screws 22 are transferred in the basket 21 to the coating device 1.
  • the basket 21 is inserted into the tub of the receiving device 7, whereby it is secured against large displacements.
  • the contact electrode 11 is moved by means of the suspension 12 in the coating container 2. This state is shown in FIG.
  • the coating device 1 is now moved to the coating position.
  • the volume center of gravity of the coating container 2-in relation to the vertical plane through the first axis A- is located on the side of the axis A, on which the three causes a lowering, while the center of gravity of the reservoir 3 is located on the side where the rotation causes a lifting.
  • the center of gravity of the storage container 3 is displaced upward relative to that of the coating container 2.
  • Coating liquid 20 flows through the passage opening 4 into the coating container 2, while it is ensured through the opening 15 for gas exchange that even when the passage opening 4 is completely filled with coating liquid 20, a pressure equalization can take place.
  • FIG. 1c which shows the coating device 1 in the coating position
  • the profile of the storage container 3 is designed so that it slopes down in this position in the direction of the passage opening 4, thereby assisting outflow.
  • the entire volume of the reservoir 3 is above the passage opening 4.
  • the screws 22 are lapped by the coating liquid 20, the aluminum electrode 14 immersed in the coating liquid 20 a.
  • the flexible contact electrode 11 is in this case loose on the
  • the voltage is switched off, the receiving device 7 is stopped and the device 1 is moved back to the rest position, after which the entire volume of Reservoir 3 again below the passage Opening 4 is located (see Fig. Ib).
  • the majority of the liquid 20 runs from the coating container 2 into the storage container 3.
  • the receiving device 7 is set in rapid rotation of 300 rpm. After three spin operations of 20 seconds each with a pause of 10 seconds, the screws 22 are almost free of coating liquid 20.
  • the contact electrode 11 is moved out of the coating container 2.
  • the lid 6 of the feed opening 5 is opened and the basket 21 is lifted out of the coating container 2. This completes the coating process according to the invention.
  • the finished coated screws 22 are subjected to an anodization process, whereby the surface of the aluminum coating is passivated.
  • FIG. 2 a and FIG. 2 b show in highly schematic form another embodiment of an apparatus 101 for electrochemical coating.
  • a coating container 102 with a feed opening 105 and a reservoir 103 on the same side of a common axis of rotation A ', wherein, however, the reservoir 103 is located further out.
  • the reservoir 103 In the rest position shown in Fig. 2a, the reservoir 103 is below a passage opening 104 and coating liquid 120 is received in it.
  • the center of gravity of the reservoir 103 shifts upward relative to that of the coating container 102, whereby the coating liquid 120 flows into the coating container 102.
  • a counterweight 108 located on the other side of the axis of rotation A '.
  • FIG. 3a and 3b show a third embodiment of an apparatus 201 for electrochemical coating, in which a coating container 202 with a feed opening 205 and a reservoir 203 on one side of a common axis of rotation A "are, again with a counterweight 218 with the containers 202, 203.
  • both containers 202, 203 have the same distance from the Rotational axis A ", however, the reservoir 203 is in the rest position shown in Fig. 3a below the coating container 202, while it is in the coating position shown in Fig. 3b above the coating container 202.
  • a passage opening 204 is here in each case between the container -
  • the rotation takes place in each case so that the two containers 202, 203 are guided above the common axis of rotation A "along.
  • the illustrated device 201 operates on the principle of an hourglass.
  • an opening for gas exchange 215 is also provided here, which is arranged so that it always remains free of coating liquid 220.
  • FIGS. 2 and 3 the illustration of the electrodes is dispensed with in order to better emphasize the functional scheme of the coating device.
  • the device according to the invention can be installed in a housing or in a room in which a controlled room climate prevails , z. B. with particularly low air humidity of less than 1%, preferably below 0.1%.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1, 101, 201) zum elektrochemischen Beschichten eines Werkstücks (22) mit einem Beschichtungsbehälter (2, 102, 202), der eine Beschicköffnung (5) aufweist und mit einem Vorratsbehälter (3, 103, 203), wobei die beiden Behälter durch eine Durchtrittsöffnung (4, 104, 204) verbunden sind. Die Vorrichtung weist mindestens eine Elektrode (11) und eine Gegenelektrode (14) auf. Um die Kontamination einer Beschichtungsflüssigkeit (20, 120, 220) bei einem elektrochemischen Abscheideprozess zu verhindern, ist die Vorrichtung Durchdrehung von Vorrichtungs- und Beschichtungsbehälter um wenigstens eine gemeinsame Achse (A, A', A") zwischen einer Beschichtungsstellung und einer Ruhestellung verstellbar, so dass sich der Volumenschwerpunkt des Beschichtungsbehälters (2, 102, 202) in der Beschichtungsstellung relativ zum Volumenschwerpunkt des Vorratsbehälters (3, 103, 203) niedriger befindet als in der Ruhestellung. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Beschichten von Werkstücken.

Description

Vorrichtung sowie Verfahren zum elektrochemischen Beschichten eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum elektrochemischen Beschichten eines Werkstücks.
Es ist eine Vielzahl von Verfahren zum elektrochemischen Beschichten von Werkstücken bekannt. Hier sind vor allem die Verfahren zum galvanischen Beschichten einerseits und die Verfahren zur elektrochemischen Tauchlackierung andererseits zu unterscheiden. Gemeinsam ist diesen Verfahren, dass das Werkstück wenigstens teilweise in ein Bad aus einer Beschichtungsflüssigkeit eingebracht wird.
Beim elektrochemischen Tauchlackieren bildet ein elektrisch leitfähiger Tauchlack die Beschichtungsflüssigkeit. Der Tauchlack enthält häufig Metallpartikel. Zum Beschichten wird zwischen dem Werkstück und einer Gegenelektrode eine Spannung angelegt. Hierdurch werden im Bad gelöste Bindemittel und/oder Metallpartikel an der Oberfläche des Werkstücks ausgefällt, wodurch ein geschlossener, haftender Lackfilm bzw. eine metallhaltige Beschichtung entsteht. Je nachdem, ob das Werkstück als Anode oder Kathode geschaltet ist, unterscheidet man zwischen Anodischer Tauchlackierung (ATL) und Kathodischer Tauchlackierung (KTL).
Beim galvanischen Beschichten enthält die Beschichtungsbad Ionen eines oder mehrerer Elemente, mit denen das Werkstück beschichtet werden soll. Typischerweise sind die Ionen in der Beschichtungsflüssigkeit in einem Lösemittel enthalten, daneben ist es aber auch möglich, eine Schmelze eines Salzes zu verwenden, das die betreffenden Ionen enthält. Zum Beschichten wird eine Spannung an das Werkstück gelegt, wodurch die in der Beschichtungsflüssigkeit befindlichen Ionen an der Oberfläche des Werkstücks elektrolytisch entladen werden. Hierdurch kommt es zur Abscheidung einer Schicht auf der Oberfläche. Häufig sind die Ionen Kationen und das Werkstück bildet eine Anode, an der die Kationen reduziert werden. Das Lösemittel, in dem die Ionen gelöst sind, ist in vielen Fällen Wasser. Es gibt allerdings Anwendungen, für die Wasser schlecht geeignet oder völlig ungeeignet ist. Ein Grund hierfür kann darin liegen, dass Wasser grundsätzlich selbst einer Elektrolyse unterliegen kann. So lassen sich z.B. bestimmte Metalle nicht aus einer wässrigen Lösung abscheiden, da stattdessen eine Elektrolyse des Wassers erfolgt.
Der Einsatz alternativer Lösemittel ist jedoch zum einen kostspieliger als der von Wasser, zum anderen sind diese Lösemittel vielfach auch empfindlich gegenüber Verunreinigungen. Hier kann insbesondere die Verunreinigung durch Luftfeuchtigkeit bereits zu einer erheblichen Beeinträchtigung des Beschichtungsvorgangs führen. Einige derartige Lösemittel reagieren mit Wasser und sind nach einer entsprechenden Kontamination unbrauchbar. Dies betrifft insbesondere die sogenannten ionischen Flüssigkeiten, d.h. Salze, die einen Schmelzpunkt von unter ioo°C besitzen. Gerade der Einsatz von ionischen Flüssigkeiten stellt aber bei der Abscheidung von bestimmten Metallen wie z.B. Aluminium die deutlich bevorzugte Wahl dar. Im Zuge eines industriellen Beschich- tungsverfahrens muss daher der besonderen Empfindlichkeit solcher Lösemittel Rechnung getragen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Maßnahmen vorzuschlagen, um die Kontamination einer Beschichtungsflüssigkeit im Rahmen eines elektrochemischen Abscheideprozess es zu verhindern.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 16.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum elektrochemischen Beschichten eines Werkstücks umfasst einen Beschichtungsbehälter zur Aufnahme des Werkstücks sowie einen Vorratsbehälter für eine Beschichtungsflüssigkeit. Die genannten Behälter müssen eine hinreichende Stabilität aufweisen, um Werkstück bzw. Beschichtungsflüssigkeit aufneh- men zu können. Als Konstruktionsmaterial bieten sich hier Metalle, insbesondere Edelstahl an. Daneben sind aber auch nichtmetallische Werkstoffe, wie z.B. Keramik oder Glas, geeignet. Bei der Auswahl der Werkstoffe ist zu beachten, dass insbesondere solche Teile eines der Behälter, die mit der Beschichtungsflüssigkeit in Kontakt kommen kön- nen, dieser gegenüber unempfindlich sein sollten. Würde beispielsweise die Beschich- tungsflüssigkeit das Material des Behälters - wenn auch nur geringfügig - auflösen, käme es hierdurch zum einen zu einem verstärkten Verschleiß des Behälters, zum anderen würde die Beschichtungsflüssigkeit kontaminiert. Dies ist insbesondere zu beachten, wenn ionische Flüssigkeiten verwendet werden, da diese teilweise hervorragende Lösemittel sind. Um einen Angriff des Behälters durch die Beschichtungsflüssigkeit zu verhindern, kann jeder der Behälter ganz oder teilweise mit einer Schutzbeschichtung versehen sein.
Erfindungsgemäß ist der Vorratsbehälter durch wenigstens eine Durchtrittsöffnung für die Beschichtungsflüssigkeit mit dem Beschichtungsbehälter verbunden. Durch die Durchtrittsöffnung kann Beschichtungsflüssigkeit vom Vorratsbehälter in den Beschichtungsbehälter hindurchtreten bzw. umgekehrt. Die Durchtrittsöffnung soll hierbei in Relation zu den Abmessungen des Beschichtungs- und des Vorratsbehälters relativ klein sein, da hierdurch ein Eindringen von Gasen und in diesen gelöster Feuchtigkeit vom Beschichtungsbehälter in den Vorratsbehälter minimiert wird. Der Querschnitt der Durchtrittsöffnung sollte allerdings hinreichend groß gewählt werden, dass ein ungehindertes Hindurchtreten der Beschichtungsflüssigkeit gewährleistet ist. Auf diese Weise bildet der Vorratsbehälter, insbesondere in der Ruhestellung (siehe unten), auch ohne Verschließmechanismus für die Durchtrittöffnung ein größtenteils abgeschlossenes System.
Es ist denkbar, dass die Durchtrittsöffnung als Rohr- oder Schlauchleitung, die den Beschichtungsbehälter mit dem Vorratsbehälter verbindet, ausgebildet ist. Alternativ hier- zu können die beiden Behälter auch unmittelbar aneinander angrenzen, wobei im
Grenzbereich eine Verbindung durch die Durchtrittsöffnung gegeben ist. Letzteres führt zu einer geringeren inneren Oberfläche des Systems und wird daher bevorzugt, weil auf diese Weise Kontaminationsquellen für die Beschichtungsflüssigkeit minimiert werden. Die Bedeutung der Oberfläche wird im Folgenden noch erläutert.
Die Durchtrittsöffnung kann ein Gitter, ein Sieb oder einen Filter aufweisen. Hierdurch kann einerseits verhindert werden, dass ein kleines Werkstück in den Vorratsbehälter - A -
gelangt, zum anderen können bestimmte Verunreinigungen, die mit dem Werkstück eingetragen werden, vom Vorratsbehälter ferngehalten werden.
Es versteht sich, dass die Vorrichtung wenigstens eine Beschicköffnung umfassen muss, durch die das Werkstück - direkt oder indirekt - in den Beschichtungsbehälter eingebracht werden kann. Die Beschicköffnung ist bevorzugt am Beschichtungsbehälter selbst ausgebildet, so dass ein unmittelbares Einbringen möglich ist. Der Begriff der Beschicköffnung ist in diesem Zusammenhang weit gefasst. Hierbei sind auch Bauformen eingeschlossen, bei denen z.B. zum Einbringen des Werkstücks etwa die Hälfte des Beschich- tungsbehälters entfernt und nach dem Einbringen wieder aufgesetzt wird. Generell ist die Öffnung hierbei so ausgebildet, dass sie das Einbringen des Werkstücks und ggf. bei Massekleinteilen eines Korbs oder dergleichen, der die Werkstücke enthält, erlaubt.
Daneben ist es, wie aus dem Stand der Technik für elektrochemische Beschichtungsver- fahren bekannt, notwendig, dass die Vorrichtung wenigstens zwei Elektroden umfasst. Wenigstens eine Elektrode zur Kontaktierung des Werkstücks dient dazu, ein elektrisches Potential an dieses anzulegen, während wenigstens eine Gegenelektrode während des Beschichtungsvorgangs in Kontakt mit der Beschichtungsflüssigkeit steht. Es können auch mehrere Elektroden zur Kontaktierung und/oder mehrere Gegenelektroden vor- handen sein. Ersteres kann insbesondere bei mehreren Werkstücken von Vorteil sein, da sich hierdurch mitunter eine gleichzeitige Kontaktierung mehrerer Werkstücke besser realisieren lässt.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung durch Drehung des Beschichtungsbehälters und des Vorratsbehälters um wenigstens eine gemeinsame Achse zwischen einer Beschich- tungsstellung und einer Ruhestellung derart verstellbar, dass sich der Volumenschwerpunkt des Beschichtungsbehälters in der Beschichtungsstellung relativ zum Volumenschwerpunkt des Vorratsbehälters niedriger befindet als in der Ruhestellung.
Grundsätzlich lässt sich die das erfindungsgemäße Verstellen zwischen der Beschichtungsstellung und der Ruhestellung durch eine Drehung von Beschichtungsbehälter und Vorratsbehälter um genau eine Achse realisieren. Es ist jedoch auch denkbar, dass eine Drehung um mehr als eine Achse erfolgt. Im Sinne einer physikalischen Sprechweise, wonach sich alle möglichen Lageveränderungen eines Körpers als Rotationen, Translationen oder ein Kombination hieraus klassifizieren lassen, ist es auch denkbar, die Drehung, also Rotation, mit einer Translation zu kombinieren. D.h., der Beschichtungsbe- hälter und der Vorratsbehälter können auch z.B. entlang einer Bahn mit zunehmender Steigung verfahren werden, was einer zusammengesetzten Bewegung aus Rotation und Translation entspricht.
Bevorzugt sind der Beschichtungsbehälter und der Vorratsbehälter starr verbunden. Durch eine starre Verbindung werden bewegliche Teile, Dichtungen und Ähnliches wei- ter reduziert. Zudem lässt sich die Vorrichtung hierdurch im Allgemeinen kompakter gestalten, was zu einer kleineren Oberfläche führt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Oberflächen und bewegliche Teile eine Hauptquelle von Kontamination der Beschichtungsflüssigkeit sind, insbesondere durch Feuchtigkeit. Feuchtigkeit kann Oberflächen anhaften und kann nur schwer vollständig von ihnen entfernt werden. Genauso kann die Beschichtungsflüssigkeit Oberflächen anhaften und bietet somit der Umgebungsatmosphäre eine große Angriffsfläche. Bewegliche Teile erhöhen zwangsläufig die Gesamtoberfläche einer Vorrichtung. Außerdem kann Feuchtigkeit zwischen beweglichen Teilen hindurchtreten. Daher ist es bei Einsatz von Pumpen oder ähnlichen Vorrichtungen nahezu unmöglich, den Innenbereich einer Beschichtungsvorrichtung feuchtigkeitsfrei zu halten. Aus dieser Einsicht heraus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet, dass auf Pumpen, Schläuche oder dergleichen verzichtet werden kann. Vielmehr bilden der Beschichtungsbehälter und der Vorratsbehälter zusammen mit der Durchtrittsöffnung ein vergleichsweise kompaktes System, das eine möglichst kleine innere Oberfläche aufweist. Auf diese Weise gibt es insgesamt nur wenig Oberfläche, an der Feuchtigkeit anhaften könnte. Auch ist der Innenraum des Systems aus Vorratsbehälter und Beschichtungsbehälter nach außen dicht abgeschlossen, abgesehen von wenigstens einer Beschicköffnung, die zum Ein- und Austragen von Werkstücken notwendig ist.
Hinzu kommt, dass bestimmte ionische Flüssigkeiten, z.B. alkylierte Imidazoliumchlori- de, im Kontakt mit Luftfeuchtigkeit Chlorwasserstoff bilden, der hochaggressiv ist und empfindliche Bauteile wie Dichtungen unmittelbar angreifen würde. Eine vollständige Abschirmung gegen Feuchtigkeit ist im industriellen Prozess kaum möglich. Daher ist es ein weiterer Vorteil des weitgehenden Verzichts auf bewegliche Teile bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass sich bildender Chlorwasserstoff wenig oder keinen Schaden anrichten kann.
Vorteilhaft ist auch, dass die Flüssigkeit, die in der Ruhestellung im Vorratsbehälter aufgenommen ist, dort nur über die - vergleichsweise kleine - Durchtrittsöffnung mit dem Beschichtungsbehälter verbunden ist, der seinerseits - wenigstens während des Ein- und Ausbringens von Werkstücken - mit der Umgebung in Kontakt steht. Hierdurch ist die Beschichtungsflüssigkeit gegenüber Kontamination weitgehend geschützt.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann daher die Kontamination einer Beschichtungsflüssigkeit, insbesondere durch Luftfeuchtigkeit, minimiert werden. Hierdurch lassen sich unerwünschte Reaktionen der Beschichtungsflüssigkeit vermeiden und deren uneingeschränkte Verwendbarkeit für lange Zeit garantieren. Dies bedeutet, dass qualitativ hochwertige Beschichtungen gewährleistet sind und die Kosten für Ersatz oder Wiederaufbereitung der Beschichtungsflüssigkeit reduziert werden.
Daneben ergeben sich weitere Vorteile. Der Verzicht auf bewegliche Teile bringt eine Reduzierung des Verschleißes mit sich. Dies gilt, wie bereits dargelegt wurde, in besonderem Maße, wenn aggressive Substanzen freigesetzt werden könnten, die Dichtungen und ähnliche Bauteile angreifen. Die Vorrichtung muss weniger oft gewartet werden und kann längere Zeit ohne Unterbrechungen im Betrieb sein. Es entfallen auch Kosten für Ersatzteile, Schmiermittel und dergleichen.
Für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind verschiedene Anordnungen der Behälter denkbar, wobei hier vereinfachend von den Positionen der Behälter gesprochen wird statt von denen ihrer Volumenschwerpunkte. Befinden sich die beiden Behälter, bezogen auf eine senkrechte Ebene (senkrecht im Sinne der durch die Schwerkraft vorgegebenen Richtung) durch die Drehachse, auf der gleichen Seite der Drehachse, wobei sich ein Behälter weiter außen befindet, so verlagert sich bei einer Drehung, die ein Anheben auf dieser Seite der Drehachse bewirkt, dieser Behälter gegenüber dem anderen nach oben. Befinden sich beide Behälter auf der gleichen Seite der Drehachse gleich weit außen, aber übereinander, so wird bei einer Drehung, die auf dieser Seite ein Anheben bewirkt, der anfangs untere Behälter relativ zum anfangs oberen Behälter angehoben, bis er auf dem Scheitelpunkt der Drehung neben diesen gelangt. Wird die Drehung bis auf die an- dere Seite der Drehachse fortgesetzt, gelangt der anfangs untere Behälter über den anfangs oberen Behälter. Es kommt also zu einer Art „Umstürzen" der beiden Behälter, ähnlich wie bei einer Sanduhr.
Befinden sich Beschichtungsbehälter und Vorratsbehälter auf verschiedenen Seiten einer senkrechten Ebene durch die Drehachse, verlagert sich selbstverständlich der Behälter, auf dessen Seite die Drehung ein Anheben bewirkt, gegenüber dem anderen nach oben. Eine solche Anordnung, bei der sich die Drehachse also zwischen den Behältern befindet, hat den Vorteil, dass die Drehmomente durch das Gewicht der beiden Behälter einander wenigstens teilweise aufheben, so dass sie gewissermaßen „ausbalanciert" sind. Bei einer Positionierung der Behälter auf unterschiedlichen Seiten der Achse ist daher nur ein geringes Haltemoment bzw. Gegengewicht notwendig, um ein unkontrolliertes Kippen zu verhindern. Ist ein Behälter wesentlich schwerer als der andere, ist es in diesem Sinne bevorzugt, dass der schwerere Behälter näher an der Drehachse angeordnet ist bzw. dass die Drehachse unmittelbar an ihm ansetzt.
Der Beschichtungsbehälter und der Vorratsbehälter sind in jedem Fall so angeordnet, dass eine Drehung dazu führt, dass ersterer gegenüber letzterem angehoben bzw. abgesenkt wird, und umgekehrt. Bei geeigneter Anordnung der Durchtrittsöffnung, die der Fachmann ohne Weiteres bestimmen kann, fließt somit Beschichtungsflüssigkeit jeweils von dem Behälter, der angehoben wird, zu demjenigen, der abgesenkt wird. Bei den meisten Ausführungen der Vorrichtung wird es sich empfehlen, die Durchtrittsöffnung möglichst tief anzuordnen.
Im Zusammenhang mit dieser Erfindung bedeutet „fließen", dass die Beschichtungsflüs- sigkeit sich nach dem Verstellen der Vorrichtung nur unter dem Einfluss der Schwerkraft bewegt, d.h. es ist hierfür kein Einsatz von Pumpen oder anderen Vorrichtungen zum Fördern erforderlich. Es wird gewissermaßen die Beschichtungsflüssigkeit aus dem einen Behälter in den anderen „ausgegossen". Ein solches Fließen kann gut dadurch realisiert werden, dass der in der Beschichtungsstellimg unten befindliche Teil der Wandung des Vorratsbehälters (also gewissermaßen der „Boden") ein in Richtung der Durchtrittsöffnung abfallendes Profil aufweist, während der in der Ruhestellung unten befindliche Teil der Wandung des Beschichtungsbehälters ein in Richtung der Durchtrittsöffnung abfal- lendes Profil aufweist.
Das möglichst vollständige Hin- und Herfließen der Beschichtungsflüssigkeit kann auch dadurch unterstützt werden, dass wenigstens die Innenflächen des Beschichtungsbehälters und des Vorratsbehälters aus einem Material bestehen, das durch die Beschich- tungsflüssigkeit kaum oder nicht benetzt wird. Hierdurch wird insbesondere vermieden, dass geringe Restvolumina in Form von Tröpfchen oder Flüssigkeitsfilmen an der Oberfläche des Behälters anhaften. Diese Restvolumina, die der Umgebungsatmosphäre eine besonders große relative Oberfläche bieten, sind gegenüber Kontamination besonders anfällig. Durch den Einsatz eines geeigneten Oberflächenmaterials, evtl. in Form einer Beschichtung, kann dies wirksam unterbunden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Öffnung zum Gasaustausch zwischen dem Beschichtungsbehälter und dem Vorratsbehälter. Eine solche Öffnung ist vorteilhaft, da durch diese ein Druckausgleich zwischen den beiden Behäl- tern erfolgen kann, auch wenn die Durchtrittsöffnung vollständig durch Beschichtungsflüssigkeit ausgefüllt ist. Auf diese Weise kann das Fließen der Beschichtungsflüssigkeit wesentlich erleichtert werden, insbesondere, wenn die Durchtrittsöffnung einen sehr kleinen Querschnitt aufweist bzw. wenn ein sehr schneller Flüssigkeitsaustausch zwischen den Behältern erfolgen soll. Da sich Gase innerhalb der Behälter stets oberhalb der Beschichtungsflüssigkeit befinden, ist die Öffnung zum Gasaustausch oberhalb der
Durchtrittsöffnung für die Beschichtungsflüssigkeit angeordnet. Die Öffnung zum Gasaustausch kann als Rohr- oder Schlauchleitung ausgebildet sein, oder aber sie befindet sich in einem Bereich, wo Beschichtungsbehälter und Vorratsbehälter quasi unmittelbar aneinander grenzen und durch die Öffnung praktisch direkt miteinander verbunden sind.
Wenngleich es prinzipiell möglich ist, ein Werkstück während des Beschichtungsvor- gangs gewissermaßen „lose" im Beschichtungsbehälter aufzunehmen, ist eine im Be- schichtungsbehälter angeordnete Aufnahmevorrichtung für das Werkstück vorteilhaft. Eine derartige Aufnahmevorrichtung dient dazu, das Werkstück während des Beschich- tungsvorgangs zu lagern und - zumindest innerhalb gewisser Grenzen - gegen Positionsverschiebungen zu sichern. Die Aufnahmevorrichtung kann z.B. als Gestell, als Korb o. Ä. ausgebildet sein. Es ist auch möglich, dass die Aufnahmevorrichtung nicht unmittelbar das bzw. die Werkstücke aufnimmt, sondern z.B. einen Korb, der wiederum mit Massekleinteilen gefüllt ist, die beschichtet werden. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, kann in diesem Fall der gesamte Korb in den Beschichtungsbehälter ein- und wieder herausgebracht werden.
Es ist eine Positionierung der Aufnahmevorrichtung innerhalb des Beschichtungsbehäl- ters bevorzugt, die in Kombination mit einem geeigneten Befüllungsgrad der Vorrichtung gewährleistet, dass in der Ruhestellung ein in der Aufnahmevorrichtung befindliches Werkstück sich oberhalb des Pegels der Beschichtungsflüssigkeit befindet. Falls Bauweise und Befüllung so gewählt sind, dass beim Verstellen von der Beschichtungs- stellung in die Ruhestellung sämtliche Beschichtungsflüssigkeit in den Vorratsbehälter fließt, kann die Aufnahmevorrichtung grundsätzlich eine beliebige Position innerhalb des Beschichtungsbehälters haben. Allerdings ist weiterhin zu beachten, dass in der Be- schichtungsstellung ein in der Aufnahmevorrichtung befindliches Werkstück sich - we- nigstens teilweise - unterhalb des Pegels der Beschichtungsflüssigkeit befinden muss, damit eine Beschichtung möglich ist. Die Wahl einer geeigneten Bauweise und der hierzu passenden Befüllung stellt allerdings für den Fachmann eine Standard-Aufgabe dar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die innerhalb des Beschichtungs- behälters angeordnete Aufnahmevorrichtung drehbar gelagert. Gemäß einer typischen Konstruktionsweise ist eine solche Aufnahmevorrichtung auf einer Welle befestigt, die ihrerseits an einen Motor bzw. eine Motor-Getriebe-Einheit gekoppelt ist. Um unnötige Belastungen der Lager bei einer Drehung der Aufnahmevorrichtung zu vermeiden, ist eine Bauweise der Aufnahmevorrichtung vorteilhaft, die eine Achssymmetrie bezüglich der Rotationsachse aufweist.
Durch die Drehbarkeit lassen sich in Kombination mit einer geeigneten Motor-Getriebe- Einheit zwei Funktionen gewährleisten. - IO -
Zum einen kann durch langsame Drehung ein Umwälzen des Werkstücks während des Beschichtungsvorgangs erreicht werden. Dies ist insbesondere bei der Beschichtung von Massenkleinteilen von Bedeutung. Zwischen diesen gibt es zahlreiche Kontaktstellen, die im Falle von ruhenden Werkstücken nicht oder nur unvollständig beschichtet werden. Werden die Werkstücke bewegt, wechseln die Kontaktstellen ständig und es kann eine gleichmäßige Beschichtung der Oberfläche erreicht werden. Um ein effektives Umwälzen der Werkstücke zu gewährleisten, ist es sinnvoll, eine Drehzahl zu wählen, bei der keine stärkeren Zentrifugalkräfte auftreten. Daher ist es bevorzugt, dass die Aufnahmevorrichtung in der Beschichtungsstellung mit einer Drehzahl von höchstens 100 U/min drehbar ist. Wie dem Fachmann bekannt ist, ist es hierbei vorteilhaft, wenn die Drehachse der Aufnahmevorrichtung um wenigstens 50, bevorzugt wenigstens 200, von der Senkrechten abweicht, da auf diese Weise das Umwälzen durch die Schwerkraft besser unterstützt werden kann.
Zum anderen kann durch schnelle Drehung die Aufnahmevorrichtung als Zentrifuge für ein darin befindliches Werkstück dienen, so dass nach dem Beschichten noch anhaftende Beschichtungsflüssigkeit abgeschleudert wird. Hierzu ist es bevorzugt, dass die Aufnahmevorrichtung mit einer Drehzahl von wenigstens 250 U/min drehbar ist, wenn sich die Vorrichtung in der Ruhestellung befindet. In dieser Stellung ist die Beschichtungsflüs- sigkeit wenigstens teilweise vom Beschichtungsbehälter in den Vorratsbehälter abgeflossen und das Werkstück befindet sich - wie oben geschildert - bevorzugterweise oberhalb des Pegels der Beschichtungsflüssigkeit. Somit kann die Aufnahmevorrichtung wie Zentrifugen, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, zum Abschleudern genutzt werden. Innerhalb des oben geschilderten Verfahrens erfolgt das Abschleudern zwischen Schritt b) und Schritt d), d.h. das Abschleudern kann ggf. schon während des Verstellens in die Ruhestellung, also während Schritt c), beginnen. Dies kann eventuell zur Zeitersparnis sinnvoll sein, allerdings liegt es auf der Hand, dass ein Abschleudern erst einsetzen sollte, wenn sich die Beschichtungsflüssigkeit so weit abgeflossen ist, dass sich das Werkstück oberhalb des Flüssigkeitspegels befindet.
Es ist möglich, die Umwälzfunktion ohne die Zentrifugenfunktion zu realisieren und umgekehrt. Für eine effiziente Verfahrensführung, bei der möglichst viele Verfahrens- - li ¬
schritte innerhalb einer Vorrichtung realisiert werden, ist jedoch eine Kombination der beiden Funktionen als vorteilhaft anzusehen.
Im Sinne einer effizienten Nutzung der vorhandenen Beschichtungsflüssigkeit sollte sich während des Beschichtungsvorgangs ein möglichst großer Anteil der Flüssigkeit im Be- schichtungsbehälter befinden, d.h. es sollte möglichst wenig Flüssigkeit im Vorratsbehälter zurückbleiben. Insbesondere wird sich in der Regel in der Beschichtungsstellung der Bereich der Aufnahmevorrichtung - falls eine solche vorhanden ist - wenigstens teilweise unterhalb des Pegels der Beschichtungsflüssigkeit befinden. Daher ist es bevorzugt, dass sich in der Beschichtungsstellung höchstens 50% des Volumens des Vorratsbehälters unterhalb der Durchtrittsöffnung befinden. Besonders bevorzugt befindet sich das gesamte Volumen des Vorratsbehälters in der Beschichtungsstellung oberhalb der Durchtrittsöffnung.
In gleichem Maße sollte in der Ruhestellung der Beschichtungsbehälter möglichst frei von Beschichtungsflüssigkeit sein. Daher ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Weiterentwicklung so ausgebildet, dass sich in der Ruhestellung ein Teilvolumen des Beschichtungsbehälters, das höchstens 50%, des Volumens des Vorratsbehälters entspricht, unterhalb der Durchtrittsöffnung befindet. Besonders bevorzugt befindet sich in der Ruhestellung das gesamte Volumen des Beschichtungsbehälters oberhalb der Durchtrittsöffnung.
Grundsätzlich kann der Beschichtungsraum einem Kontaminationsrisiko durch Umgebungsluft und hiermit verbundene Feuchtigkeit ausgesetzt sein. Daher ist es sinnvoll, dass in der Ruhestellung möglichst wenig Beschichtungsflüssigkeit im Beschichtungsbehälter verbleibt, z.B. während ein Ein- und Austragen des Werkstücks erfolgt. Denn zumindest in dieser Phase ist ein Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem Inneren des Beschichtungsbehälters über die Beschicköffnung möglich. Des Weiteren ist ein höherer Restpegel von Beschichtungsflüssigkeit im Beschichtungsbehälter in der Ruhestel- lung in sofern nachteilig, als in dieser Stellung üblicherweise ein Abtropfen o. Ä. der noch am Werkstück haftenden Flüssigkeit erfolgt. Hierzu muss dafür gesorgt werden, dass kein Teil des Werkstücks in eventuell noch im Beschichtungsbehälter stehende Flüssigkeit eintaucht. D.h., falls eine Aufnahmevorrichtung vorhanden ist, sollte sich diese in der Ruhestellung oberhalb des Flüssigkeitspegels befinden. Dies kann umso leichter erreicht werden, je niedriger der verbleibende Pegel an Restflüssigkeit ist.
Eine möglichst effiziente Nutzung des Vorratsbehälters, insbesondere ein vollständiges Abfließen der Beschichtungsflüssigkeit in diesen, wird auch dadurch unterstützt, dass sich in der Ruhestellung das gesamte Volumen des Vorratsbehälters unterhalb der Durchtrittsöffnung befindet. Hierdurch lässt sich auch bei entsprechender Befüllung, auf die unten noch eingegangen wird, gewährleisten, dass der gesamte Vorratsbehälter in der Ruhestellung mit Beschichtungsflüssigkeit gefüllt ist.
In einer Weiterentwicklung der Erfindung weist der Beschichtungsbehälter eine verschließbare Beschicköffnung zum Einbringen des Werkstücks auf. Um eine Kontamination der Beschichtungsflüssigkeit zu verhindern, ist die Beschicköffnung bevorzugt luftdicht verschließbar. Es ist auch denkbar, dass an der Beschicköffnung eine Schleusen- kammer ausgebildet ist, die beidseitig luftdicht verschließbar ist und somit einen Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem Beschichtungsbehälter völlig unterbindet.
Um einen Kontakt zwischen der Beschichtungsflüssigkeit und der Beschicköffnung zu vermeiden, ist die Vorrichtung bevorzugt so ausgebildet, dass sich in der Beschichtungs- Stellung ein Teilvolumen des Beschichtungsbehälters, das wenigstens gleich dem Volumen des Vorratsbehälters ist, unterhalb der Beschicköffnung befindet. Hierdurch ist gewährleistet, dass selbst dann, wenn alle Beschichtungsflüssigkeit aus dem Vorratsbehälter in den Beschichtungsbehälter geflossen ist, die Beschicköffnung sich oberhalb des Pegels der Beschichtungsflüssigkeit befindet. So wird zum einen die Beschicköffnung vor möglichen schädlichen Einflüssen geschützt, d.h. es müssen bei der Konstruktion von Dichtungen o. Ä. nicht notwendigerweise Materialien verwendet werden, die gegen die Beschichtungsflüssigkeit unempfindlich sind. Schließlich kann ausgeschlossen werden, dass z.B. beim Öffnen eines Verschlusses der Beschicköffnung Beschichtungsflüssigkeit ungewollt ausgetragen wird.
Oft wird der elektrochemische Beschichtungsprozess durch die Temperatur, bei der er durchgeführt wird, maßgeblich beeinflusst. Insbesondere einige ionische Flüssigkeiten zeigen hier eine Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen, die schlimms- tenfalls dazu führen kann, dass die Flüssigkeit völlig unbrauchbar wird. Generell sind Eigenschaften wie Viskosität und Leitfähigkeit, die für den elektrochemischen Beschich- tungsprozess entscheidend sind, temperaturabhängig. Um eine Temperierung der Be- schichtungsflüssigkeit zu gewährleisten, umfasst die Vorrichtung in einer Weiterbildung der Erfindung Mittel zum Heizen und/oder Mittel zum Kühlen der Beschichtungsflüs- sigkeit. Welche Mittel hierbei nötig sind, hängt mitunter von der verwendeten Beschich- tungsflüssigkeit ab. Liegt deren optimale Arbeitstemperatur zwischen 700C und 800C und die Vorrichtung steht in einer Umgebung mit Raumtemperatur, so wird man auf Mittel zum Kühlen verzichten können. Liegt die optimale Arbeitstemperatur hingegen zwischen 150C und 200C, so sind in der Regel Mittel zum Heizen entbehrlich. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass während des Beschichtens der Flüssigkeit ständig Wärme zugeführt wird, da der Beschichtungsstrom Widerstandsverluste in der Flüssigkeit erfährt.
In jedem Fall können sowohl die Mittel zum Kühlen als auch die Mittel zum Heizen un- terschiedlichster Art sein. In Frage kommen elektrische Heizschlangen, die in die Behälterwand integriert sind oder in den Behälterinnenraum ragen. Auch schlangen- oder lamellenartige Wärmetauschersysteme, die einer warmen bzw. kühlen Flüssigkeit durchflössen werden, sind geeignet. Schließlich ist es möglich, warmes oder kühles Inertgas direkt durch die Beschichtungsflüssigkeit zu leiten. Zum Heizen kann natürlich auch Infrarotstrahlung eingesetzt werden. Falls die Durchtrittsöffnung als Leitung, also gestreckt ausgebildet ist, können Mittel zum Heizen bzw. Kühlen an deren Wandung angeordnet sein, so dass die Durchtrittsöffnung als Durchlauferhitzer bzw. Durchlaufkühler wirkt.
Praktisch alle Beschichtungsflüssigkeiten, insbesondere Tauchlacke, aber auch Flüssigkeiten zum galvanischen Beschichten, zeigen ein Absetzverhalten. Zwar erfolgt ein gewisses Durchmischen der Beschichtungsflüssigkeit beim Fließen von einem Behälter in den anderen. Dennoch ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung Mittel zum Durchmischen der Beschichtungsflüssigkeit umfasst. Diese können so ausgebildet sein, dass sie auf die Flüssigkeit im Beschichtungsbehälter und/oder im Vorratsbehälter einwirken.
Solche Mittel können einen mechanischen Rührer, der über einen Motor und eine Welle angetrieben wird, umfassen. Daneben sind aber auch Magnetrührer vorteilhaft, da diese keine zusätzliche Öffnung in einer Behälterwand für eine mechanische Ankopplung be- nötigen. Besonders vorteilhaft ist ein Durchmischen mittels Ultraschall, da es hierbei überhaupt keiner zusätzlichen Teile innerhalb des jeweiligen Behälters bedarf. Die jeweiligen Mittel zum Durchmischen können periodisch oder kontinuierlich betrieben werden.
Es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar, dass ein Teil der Wandung des Beschichtungsbehälters, die Aufnahmevorrichtung oder Teile derselben als Elektrode zur Kontaktierung des Werkstücks ausgebildet sind. Hierbei ist zu gewährleisten, dass während des gesamten Beschichtungsvorgangs (abgesehen eventuell von kurzen Unterbre- chungen) jedes Werkstück direkt oder indirekt (über andere Werkstücke) in elektrischem Kontakt zu dieser Elektrode steht. In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist allerdings wenigstens eine Elektrode zur Kontaktierung des Werkstücks in den Beschich- tungsbehälter verfahrbar. Ein solches Verfahren kann über ein Getriebe, pneumatisch oder hydraulisch erfolgen, wobei letzteres bevorzugt ist.
Die wenigstens eine Gegenelektrode kann hierbei fest installiert oder ebenfalls verfahrbar angeordnet sein. Es muss in jedem Fall gewährleistet sein, dass die Gegenelektrode während des Beschichtungsvorgangs in die Beschichtungsflüssigkeit taucht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn wenigstens eine Elektrode zur Kontaktierung des Werkstücks flexibel aufgehängt ist. Durch eine solche Aufhängung ist es möglich, dass die Elektrode auch bei sich bewegenden Werkstücken den Bewegungen derselben folgt und somit ständig Kontakt hält. Die Flexibilität kann durch ein Kabel oder eine Art Schlauch realisiert werden. Typischerweise kann in diesem Fall die Elektrode von oben herabhängen, womit sie im Wesentlichen aufgrund der Schwerkraft Kontakt mit den Werkstücken hält.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein Beschichtungsverfahren durchgeführt werden. Hierzu werden der Beschichtungsbehälter und/oder der Vorratsbehälter vorab wenigstens teilweise mit einer Beschichtungsflüssigkeit gefüllt. Bei dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren werden in zeitlicher Abfolge die folgenden Schritte durchgeführt: a) Einbringen des Werkstücks in den Beschichtungsbehälter, b) elektrochemisches Abscheiden einer Beschichtung auf dem Werkstück, während sich die Vorrichtung in der Beschichtungsstellung befindet, c) Verstellen der Vorrichtung in die Ruhestellung und d) Entfernen des Werkstücks aus dem Beschichtungsbehälter
Hierbei ist es möglich, dass die Vorrichtung vor oder aber nach dem Einbringen des Werkstücks in den Beschichtungsbehälter in die Beschichtungsstellung verstellt wird.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, die einer Aufnahmevorrichtung sowie motorische Mittel zum Drehen der Aufnahmevorrichtung um- fasst, wobei die Aufnahmevorrichtung durch die motorischen Mittel während des Ab- scheidens der Metallschicht mit höchstens 100 U/min gedreht wird.
Um Beschichtungsflüssigkeit bereits innerhalb des Beschichtungsbehälters vom Werkstück abzuschleudern, ist es vorteilhaft, wenn bei dem Verfahren eine Vorrichtung verwendet wird, die eine Aufnahmevorrichtung sowie motorische Mittel zum Drehen der Aufnahmevorrichtung umfasst, und zwischen Schritt b) und Schritt d) die Aufnahmevorrichtung durch die motorischen Mittel mit wenigstens 250 U/min gedreht wird.
In einer bevorzugten Variante des geschilderten Beschichtungsverfahrens wird eine Vorrichtung verwendet, die mindestens eine Elektrode umfasst, die zur Kontaktierung des Werkstücks in den Beschichtungsbehälter verfahrbar ist, und die Elektrode wird vor dem Abscheidevorgang, also vor Schritt b), in den Beschichtungsbehälter verfahren, so dass sie während Schritt b) wenigstens zeitweise das Werkstück kontaktiert. Nach dem Ende des Abscheidevorgangs wird die Elektrode wieder aus dem Beschichtungsbehälter verfahren. Bevorzugt wird die Elektrode nach dem Einbringen des Werkstücks in den Beschichtungsbehälter in diesen verfahren und wieder aus diesem heraus verfahren, bevor das Werkstück entfernt wird. Die Elektrode kann vor, während oder nach dem Verstellen der Vorrichtung in die Ruhestellung aus dem Beschichtungsbehälter herausgefahren werden. Um bei dem Verfahren einen optimalen Schutz der Beschichtungsflüssigkeit vor Kontamination zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn ein Volumen an Beschichtungsflüssigkeit zwischen 80% und 110%, bevorzugt zwischen 95% und 105%, besonders bevorzugt zwischen 99% und 101% des Volumens des Vorratsbehälters eingesetzt wird. Somit bleibt in der Ruhestellung zum einen wenig bzw. keine Flüssigkeit im Beschichtungsbe- hälter, zum anderen ist der Vorratsbehälter möglichst vollständig mit Beschichtungsflüssigkeit gefüllt. In diesem Fall ist der einzige Teil der Oberfläche der Flüssigkeit, der mit Gas aus dem Beschichtungsbehälter in Kontakt steht, derjenige, der sich an der Durchtrittsöffnung und, falls vorhanden, an der Öffnung zum Gasaustausch befindet. Dies bedeutet, dass eine potenzielle Kontamination auch nur über diese relativ kleinen Oberflächen erfolgen kann und somit weitgehend unterbunden wird.
Vorzugsweise wird bei diesem Verfahren als Beschichtungsflüssigkeit eine ionische Flüssigkeit verwendet wird, die Ionen wenigstens eines Elementes umfasst. Diese Ionen können entweder Teil der ionischen Flüssigkeit sein, oder aber in dieser gelöst vorliegen. Als Elemente kommen hierbei insbesondere Metalle und Halbleiter in Frage, aber auch Nichtmetalle sind explizit eingeschlossen.
Insbesondere kann mit der Vorrichtung die Abscheidung von Aluminium aus einer ioni- sehen Flüssigkeit, z.B. i-Ethyl-3-Methylimidazoliumchlorid, in der ein Aluminiumsalz, z.B. Aluminiumchlorid, gelöst ist, durchgeführt werden. Ebenso können Aluminium- Legierungen abgeschieden werden. Hierbei sind Legierungen von Aluminium mit wenigstens einem der Elemente Silizium, Eisen, Kupfer, Mangan, Magnesium, Chrom, Nickel, Zink, Blei sowie Titan bevorzugt.
Details der Erfindung werden im Folgenden mit Bezug auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigt
Fig. ia eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung in der Ruhestellung vor dem Beschicken;
Fig. ib eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. ia in der Ruhestellung nach dem Beschicken; - YJ -
Fig. ic eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. la in der Beschichtungs- stellung;
Fig. 2a eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Ruhestellung; Fig. 2b eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 2a in der Beschichtungs- stellung;
Fig. 3a eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Ruhestellung und
Fig. 3b eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 3a in der Beschichtungs- Stellung.
Die Figuren la bis ic zeigen eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung 1 in Ruhestellung vor (Fig. ia) und nach dem Beschicken (Fig. ib) sowie während des Beschichtens (Fig. ic). Die Beschichtungsvorrichtung 1 umfasst einen Beschichtungsbehälter 2 sowie einen Vorratsbehälter 3, in dem sich eine Beschichtungsflüssigkeit 20 befindet. Die Be- schichtungsflüssigkeit 20 besteht aus einer Schmelze von i-Ethyl-3- Methylimidazoliumchlorid, in der Aluminiumchlorid gelöst ist. Die Beschichtungsflüssigkeit 20 neigt bei Kontakt mit Feuchtigkeit zur Chlorwasserstoffbildung, was durch die geringe Luftfeuchtigkeit in der Trockenkammer begrenzt wird. Die Bildung von CH-Gas wird dadurch unterdrückt, dass der Beschichtungsbehälter 2 ständig mit getrockneter Luft gespült wird (relative Feuchte der getrockneten Luft unter 0,1%).
Die Behälter 2, 3 sind durch eine Durchtrittsöffnung 4 für die Beschichtungsflüssigkeit 20 miteinander verbunden. Daneben ist eine zweite Verbindung durch eine oberhalb der Durchtrittsöffnung 4 befindliche Öffnung 15 zum Gasaustausch gegeben.
Die Vorrichtung 1 ist durch Drehung der Behälter 2, 3 um eine gemeinsame Drehachse A zwischen der in Fig. ia dargestellten Ruhestellung und einer Beschichtungsstellung gemäß Fig. ic verstellbar. Die Drehachse A verläuft senkrecht zur Ebene der Darstellung. Hierbei ist die erste Achse A durch eine Welle (nicht dargestellt) vorgegeben, mittels der die Behälter 2, 3 mit einer an einem Sockel 16 montierten Motor-Getriebe-Einheit (ebenfalls nicht dargestellt) verbunden sind. Über die Motor-Getriebe-Einheit wird das Verstellen der Vorrichtung 1 realisiert. Bei der dargestellten Vorrichtung 1 sind beide Behäl- ter 2, 3 aus einem Stück aus einem Keramikmaterial oder aus Glas gefertigt, das gegenüber Chlorwasserstoff unempfindlich ist.
In der Ruhestellung (Fig. ia, b) befindet sich das gesamte Volumen des Vorratsbehälters 3 unterhalb der Durchtrittsöffnung 4, das gesamte Volumen des Beschichtungsbehälters 2 befindet sich oberhalb der Durchtrittsöffnung 4. Das Volumen der Beschichtungsflüs- sigkeit 20 ist identisch mit dem des Vorratsbehälters 3, so dass dieser in der Ruhestellung vollständig gefüllt ist. Daher hat nur ein kleiner Teil der Beschichtungsflüssigkeit
20 angrenzend an die Durchtrittsöffnung 4 sowie die Öffnung 15 zum Gasaustausch Kontakt mit der Luft im Beschichtungsbehälter 2. Die - ohnehin geringe - Luftfeuchtigkeit der Luft im Beschichtungsbehälter 2 hat somit nur eine geringe Berührungsfläche mit der Beschichtungsflüssigkeit 20, was die Chlorwasserstoffentwicklung weiter minimiert.
Der Beschichtungsbehälter 2 in Fig. ia weist eine Beschicköffnung 5 auf, die durch einen Deckel 6 verschließbar ist. Dieser Deckel 6 ist zum Einbringen eines Korbes 21 geöffnet. An der Außenseite des Beschichtungsbehälters 2 ist an einer schwenk- und verfahrbaren Aufhängung 12 eine Kontaktelektrode 11 angebracht, die durch eine Elektrodenöffnung 17 im Deckel 6 in den Beschichtungsbehälter 2 verfahren werden kann. Die Aufhängung 12 weist auch einen flexiblen Abschnitt 13 auf. Im Beschichtungsbehälter 2 befindet sich eine Aluminiumelektrode 14, die als Gegenelektrode zu der Kontaktelektrode 11 dient.
Innerhalb des Beschichtungsbehälters 2 ist eine Aufnahmevorrichtung 7 für einen Korb
21 mit Werkstücken 22 angeordnet. Die Aufnahmevorrichtung 7 kann über eine durch die Wand des Beschichtungsbehälters 2 geführte Welle 8 in Drehung versetzt werden.
Die Aufnahmevorrichtung 7 ist in diesem Fall als Bottich mit durchbrochener Wandung ausgebildet, so dass der Korb 21 in sie eingesetzt werden kann und gegen größere Positionsänderungen gesichert ist, gleichzeitig aber Flüssigkeit 20 durch die Wandung der Aufnahmevorrichtung 7 zum Korb 21 gelangen kann.
Die Welle 8 ist über ein am Beschichtungsbehälter 2 angeordnetes Getriebe 9 ansteuerbar. Dieses wird wiederum von einem Motor 10 angetrieben. Somit kann die Aufnahmevorrichtung 7 um eine Rotationsachse B gedreht werden, die in etwa mit der Symmetrie- achse der Aufnahmevorrichtung 7 identisch ist und die in der Ruhestellung - bezogen auf die durch die Schwerkraft vorgegebene Richtung - senkrecht verläuft.
In der Ruhestellung befinden sich die Volumenschwerpunkte beiden Behälter 2, 3 auf unterschiedlichen Seiten einer senkrechten Ebene durch die erste Achse A, wobei die erste Achse A allerdings durch den Beschichtungsbehälter 2 verläuft. Dies liegt daran, dass sowohl die Aufhängung 12 mit der Kontaktelektrode 11 als auch Aufnahmevorrichtung 7, Getriebe 9 und Motor 10 mit dem Beschichtungsbehälter 2 verbunden sind, weshalb der effektive Massenschwerpunkt des Systems auf Seiten des Beschichtungsbehäl- ters 2 liegt. Durch die vorliegende Anordnung der ersten Achse A wird erreicht, dass die Drehmomente durch das Gewicht der Bauteile auf beiden Seiten einander wenigstens teilweise aufheben, so dass sie gewissermaßen „ausbalanciert" sind.
Nachstehend wird die Arbeitsweise der in den Figuren ia bis ic dargestellten Beschich- tungsvorrichtung 1 beispielhaft erläutert. 20 kg Stahlschrauben 22 sind zur Beschichtung mit Aluminium vorgesehen. Die Beschichtung soll bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Die Schrauben 22 werden zur Beschichtung vorbereitet, indem sie zunächst gesandstrahlt und anschließend zur Entfettung in einem Korb 21 in eine Reinigungslösung bestehend aus Wasser, in dem in je 1 Liter Wasser 9 g Kaliumphosphat und 27 g Kalium- hydroxid gelöst wurden, bei 850C entfettet. Nach einer Einwirkzeit von 5 min wird der Korb 21 aus dem Bad (hier nicht dargestellt) herausgehoben. Der Korb 21 mit den Schrauben 22 mit Leitungswasser abgespült und anschließend trocken geschleudert. Danach werden die Schrauben 22 mittels eines Heißluftstroms weiter getrocknet.
Die getrockneten Schrauben 22 werden im Korb 21 zur Beschichtungsvorrichtung 1 überführt. Der Korb 21 wird in den Bottich der Aufnahmevorrichtung 7 eingesetzt, wodurch er gegen größere Verschiebungen gesichert ist. Nach dem Verschließen des Deckels 6 wird die Kontaktelektrode 11 mittels der Aufhängung 12 in den Beschichtungsbehälter 2 verfahren. Dieser Zustand ist in Fig. ib dargestellt.
Die Beschichtungsvorrichtung 1 wird nun in die Beschichtungsstellung verstellt. Hierbei befindet sich der Volumenschwerpunkt des Beschichtungsbehälters 2 - bezogen auf die senkrechte Ebene durch die erste Achse A - auf der Seite der Achse A, auf der die Dre- hung ein Absenken bewirkt, während sich der Schwerpunkt des Vorratsbehälters 3 auf der Seite befindet, wo die Drehung ein Anheben bewirkt. Hierdurch verlagert sich der Volumenschwerpunkt des Vorratsbehälters 3 gegenüber dem des Beschichtungsbehäl- ters 2 nach oben. Beschichtungsflüssigkeit 20 fließt durch die Durchtrittsöffnung 4 in den Beschichtungsbehälter 2, während durch die Öffnung 15 zum Gasaustausch sichergestellt ist, dass auch dann, wenn die Durchtrittsöffnung 4 vollständig mit Beschichtungsflüssigkeit 20 gefüllt ist, ein Druckausgleich erfolgen kann.
Wie in Fig. lc erkennbar ist, die die Beschichtungsvorrichtung 1 in der Beschichtungsstel- lung zeigt, ist das Profil des Vorratsbehälters 3 so ausgebildet, dass es in dieser Stellung in Richtung auf die Durchtrittsöffnung 4 abschüssig ist, wodurch das Abfließen unterstützt wird. In der Beschichtungsstellung befindet sich das gesamte Volumen des Vorratsbehälters 3 oberhalb der Durchtrittsöffnung 4. Die Schrauben 22 sind von der Beschichtungsflüssigkeit 20 umspült, die Aluminiumelektrode 14 taucht in die Beschich- tungsflüssigkeit 20 ein. Die flexible Kontaktelektrode 11 liegt hierbei lose auf den
Schrauben 22 auf, so dass jede der Schrauben 22 direkt oder indirekt mit elektrisch mit dieser verbunden ist.
Zur Beschichtung wird die Aufnahmevorrichtung 7 mit dem Korb 21 in langsame Dre- hung von 20 U/min versetzt, während zwischen der Aluminiumelektrode 14 und der
Kontaktelektrode 11 eine Spannung angelegt wird, so dass die Aluminiumelektrode 14 als Anode fungiert. Die Spannung wird so eingestellt, dass ein Abscheidungsstrom mit einer mittleren Stromdichte von 10 A/dm2 resultiert. Die Schrauben 22, die durch die lose aufliegende Kontaktelektrode 11 das gleiche elektrische Potential aufweisen wie diese, werden durch Abscheidung von Aluminium aus der Beschichtungsflüssigkeit 20 beschichtet, während sich kontinuierlich Aluminiumionen durch Oxidation von der Anode 14 ablösen, so dass die Aluminiumkonzentration in der Beschichtungsflüssigkeit 20 konstant bleibt.
Nach einer Beschichtungsdauer von 5 min ist auf den Schrauben 22 eine AI-Schicht von ca.10 μm Dicke abgeschieden, die Spannung wird abgeschaltet, die Aufnahmevorrichtung 7 wird angehalten und die Vorrichtung 1 wird zurück in die Ruhestellung verfahren, wonach sich das gesamte Volumen des Vorratsbehälters 3 wieder unter der Durchtritts- Öffnung 4 befindet (siehe Fig. ib). Hierbei läuft der Großteil der Flüssigkeit 20 aus dem Beschichtungsbehälter 2 in den Vorratsbehälter 3 ab. Es haften allerdings noch Flüssigkeitsreste an den Schrauben 22 an. Um diese abzuschleudern wird die Aufnahmevorrichtung 7 in schnelle Rotation von 300 U/min versetzt. Nach drei Schleudervorgängen von jeweils 20 Sekunden mit jeweils 10 Sekunden Pause sind die Schrauben 22 nahezu frei von Beschichtungsflüssigkeit 20.
Nach dem Abschleudern wird die Kontaktelektrode 11 aus dem Beschichtungsbehälter 2 verfahren. Der Deckel 6 der Beschicköffnung 5 wird geöffnet und der Korb 21 wird aus dem Beschichtungsbehälter 2 gehoben. Damit ist das erfindungsgemäße Beschichtungs- verfahren abgeschlossen.
Die fertig beschichteten Schrauben 22 werden einem Eloxierungsprozess unterzogen, wodurch die Oberfläche der Aluminiumbeschichtung passiviert wird.
Fig. 2a und Fig. 2b zeigen stark schematisiert eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 101 zum elektrochemischen Beschichten. Hierbei befinden sich ein Beschichtungsbehälter 102 mit einer Beschicköffnung 105 und ein Vorratsbehälter 103 auf derselben Seite einer gemeinsamen Drehachse A', wobei sich allerdings der Vorratsbehälter 103 weiter außen befindet. In der in Fig. 2a dargestellten Ruhestellung befindet sich der Vorratsbehälter 103 unterhalb einer Durchtrittsöffnung 104 und Beschichtungsflüssigkeit 120 ist in ihm aufgenommen. Beim Verstellen in die Beschichtungsstellung 101 verlagert sich der Volumenschwerpunkt des Vorratsbehälters 103 gegenüber dem des Be- schichtungsbehälters 102 nach oben, wodurch die Beschichtungsflüssigkeit 120 in den Beschichtungsbehälter 102 fließt. Um das durch die Behälter 102, 103 hervorgerufene Drehmoment auszugleichen, sind diese mit einem Gegengewicht 108 verbunden, das sich auf der anderen Seite der Drehachse A' befindet.
Fig. 3a und Fig. 3b zeigen eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung 201 zum elekt- rochemischen Beschichten, bei der sich ein Beschichtungsbehälter 202 mit einer Beschicköffnung 205 und ein Vorratsbehälter 203 auf einer Seite einer gemeinsamen Drehachse A" befinden, wobei wiederum ein Gegengewicht 218 mit den Behältern 202, 203 verbunden ist. Hierbei haben beide Behälter 202, 203 den gleichen Abstand von der Drehachse A", jedoch befindet sich der Vorratsbehälter 203 in der in Fig. 3a dargestellten Ruhestellung unterhalb des Beschichtungsbehälters 202, während er sich in der in Fig. 3b dargestellten Beschichtungsstellung oberhalb des Beschichtungsbehälters 202 befindet. Eine Durchtrittsöffnung 204 befindet sich hierbei jeweils zwischen den Behäl- tern 202, 203. Die Drehung erfolgt hierbei jeweils so, dass die beiden Behälter 202, 203 oberhalb der gemeinsamen Drehachse A" entlang geführt werden. Die dargestellte Vorrichtung 201 arbeitet nach dem Prinzip einer Sanduhr. Um ein möglichst schnelles Abfließen der Beschichtungsflüssigkeit 220 zu gewährleisten, ist auch hier eine Öffnung zum Gasaustausch 215 vorgesehen, die so angeordnet ist, dass sie stets frei von Beschich- tungsflüssigkeit 220 bleibt.
In den Figuren 2 und 3 wird auf die Darstellung der Elektroden verzichtet, um das Funktionsschema der Beschichtungsvorrichtung besser herausstellen zu können.
Insbesondere dann, wenn Werkstücke aufwändig gereinigt und für die Beschichtung vorbereitet werden müssen, oder wenn nach dem Beschichten noch Spülvorgänge zu Rückgewinnung der ionischen Flüssigkeit vorgesehen sind, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Gehäuse oder in einem Raum aufgestellt sein, in dem ein kontrolliertes Raumklima herrscht, z. B. mit besonders niedriger Luftfeuchte von unter 1%, be- vorzugt unter 0,1%.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum elektrochemischen Beschichten eines Werkstücks, mit
- einem Beschichtungsbehälter (2, 102, 202) zur Aufnahme des Werkstücks (22) sowie
- einem Vorratsbehälter (3, 103, 203) für Beschichtungsflüssigkeit (20, 120, 220), der durch wenigstens eine Durchtrittsöffnung (4, 104, 204) für die Beschich- tungsflüssigkeit (20, 120, 220) mit dem Beschichtungsbehälter (2, 102, 202) verbunden ist,
- einer Beschicköffnung (5) zum Einbringen des Werkstücks (22) in den Beschichtungsbehälter (2,102,202) sowie
- wenigstens einer Elektrode (11) zur Kontaktierung des Werkstücks (22) und we- nigstens einer Gegenelektrode (14), wobei die Vorrichtung (1, 101, 201) durch Drehung des Beschichtungsbehälters (2, 102, 202) und des Vorratsbehälters (3, 103, 203) um wenigstens eine gemeinsame Drehachse (A, A, A") zwischen einer Beschichtungsstellung und einer Ruhestellung derart verstellbar ist, dass sich der Volumenschwerpunkt des Beschichtungsbehälters (2, 102, 202) in der Beschichtungsstellung relativ zum Volumenschwerpunkt des
Vorratsbehälters (3, 103, 203) niedriger befindet als in der Ruhestellung.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Beschichtungsbehälter (2, 102, 202) und der Vorratsbehälter (3,103,203) in der Beschichtungsstel- lung und in der Ruhestellung bezogen auf eine senkrechte Ebene durch die Drehachse (A, A, A") auf der gleichen Seite oder auf unterschiedlichen Seiten der Drehachse (A, A, A") befinden.
3. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Öffnung (15, 215) zum Gasaustausch zwischen dem Beschichtungsbehälter (2, 102, 202) und dem Vorratsbehälter (3, 103, 203).
4. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Beschichtungsbehälter angeordnete Aufnahmevorrichtung (7) für das Werkstück (22).
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevorrichtung (7) drehbar gelagert ist.
6. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Beschichtungsstellung höchstens 50% des Volumens des Vorratsbehälters (3, 103, 203) unterhalb der Durchtrittsöffnung (4, 104, 204) befinden.
7. Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks (22) in einer Vorrichtung (1, 101, 201) nach Anspruch 1, wobei der Beschichtungsbehälter (2, 102, 202) und/oder der Vor- ratsbehälter (3, 103, 203) wenigstens teilweise mit einer Beschichtungsflüssigkeit
(20, 120, 220) gefüllt sind, mit den in zeitlicher Abfolge durchgeführten Schritten a) Einbringen des Werkstücks (22) in den Beschichtungsbehälter (2, 102, 202), b) elektrochemisches Abscheiden einer Beschichtung auf dem Werkstück (22), während sich die Vorrichtung (1, 101, 201) in der Beschichtungsstellung befindet, c) Verstellen der Vorrichtung (1, 101, 201) in die Ruhestellung und d) Entfernen des Werkstücks (22) aus dem Beschichtungsbehälter (2, 102, 202)
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das ein Volumen an Beschichtungsflüssigkeit (20, 120, 220) zwischen 80% und 110%, bevorzugt zwischen 95% und 105%, besonders bevorzugt zwischen 99% und 101% des Volumens des Vorratsbehälters (3, 103, 203) eingesetzt wird.
9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungsflüssigkeit (20, 120, 220) eine ionische Flüssigkeit verwendet wird, die Ionen wenigstens eines Elements, bevorzugt Aluminium, umfasst.
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