EP2342373B1 - Vorrichtung sowie verfahren zum elektrochemischen beschichten eines werkstücks - Google Patents

Vorrichtung sowie verfahren zum elektrochemischen beschichten eines werkstücks Download PDF

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EP2342373B1
EP2342373B1 EP09760128.0A EP09760128A EP2342373B1 EP 2342373 B1 EP2342373 B1 EP 2342373B1 EP 09760128 A EP09760128 A EP 09760128A EP 2342373 B1 EP2342373 B1 EP 2342373B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating
container
workpiece
coating liquid
liquid
Prior art date
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Active
Application number
EP09760128.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2342373A2 (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
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Publication of EP2342373B1 publication Critical patent/EP2342373B1/de
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    • 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 electrochemically coating a workpiece.
  • an electrically conductive dip paint forms the coating liquid.
  • the dip paint often contains metal particles.
  • a voltage is applied between the workpiece and a counter electrode for coating.
  • binders and / or metal particles dissolved in the bath are precipitated on the surface of the workpiece, as a result of which a closed, adhering lacquer film or a metal-containing coating is produced.
  • ATL anodic dip coating
  • KTL cathodic dip coating
  • 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 which contains the ions in question.
  • a voltage is applied to the workpiece, as a result of which the ions in the coating liquid are electrolytically discharged on the surface of the workpiece. This results in the deposition of a layer on the surface.
  • the ions are often cations and the workpiece forms an anode at which the cations are reduced.
  • the US 4,392,936 A relates to a device and a method for the electrodeposition of aluminum from aprotic organoaluminium electrolytes by means of a rotatable galvanizing container, a rotatable electrolyte container and a tubular connection between the containers, the connection having a locking mechanism.
  • the DE 31 21 397 C1 relates to a method for the surface coating of small parts made of metal, wood or plastic in a perforated rotary drum, the small parts being continuously passed through a coating bath while the drum is rotating, constantly changing space within the pile, a centrifuge drum being used as the rotating drum during coating runs in an inclined position at a slower speed, and after the centrifuge drum has been erected vertically, the excess coating agent is separated from the small parts by accelerating the drum rotation and the separated coating agent is returned to the bath.
  • the solvent in which the ions are dissolved is water.
  • water can in principle itself be subjected to electrolysis. For example, do not separate certain metals from an aqueous solution, because the water is electrolyzed instead.
  • the object of the invention is therefore to propose measures to prevent contamination of a coating liquid in the course of an electrochemical deposition process.
  • the object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 7.
  • the device according to the invention for electrochemically coating a workpiece comprises a coating container for receiving the workpiece and a storage container for a coating liquid.
  • the containers mentioned must have sufficient stability to be able to hold the workpiece or coating liquid.
  • Metals, especially stainless steel, are suitable as construction materials.
  • the coating liquid dissolves the material of the container - even if 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 ionic liquids are used, as some of them are excellent solvents.
  • each or all of the containers can be provided with a protective coating in whole or in part.
  • the storage container is connected to the coating container by at least one passage opening for the coating liquid, the passage opening being designed without a closure mechanism.
  • Coating liquid can pass through the passage opening from the storage container into the coating container or vice versa.
  • the passage opening is relatively small in relation to the dimensions of the coating container and the storage container, since this minimizes the penetration of gases and moisture dissolved in them from the coating container into the storage container.
  • the cross section of the passage opening is sufficient selected large, so that an unhindered passage of the coating liquid is guaranteed. In this way, the storage container, especially in the rest position (see below), forms a largely closed system even without a closing mechanism for the passage opening.
  • the passage opening is designed as a pipe or hose line, which connects the coating container to the storage container.
  • the two containers can also directly adjoin one another, a connection being provided through the passage opening in the border area. The latter leads to a smaller inner surface of the system and is therefore preferred because contamination sources for the coating liquid are minimized in this way. The meaning of the surface is explained below.
  • the passage opening can have a grid, a sieve or a filter. This can on the one hand prevent a small workpiece from getting into the storage container, and on the other hand certain contaminants that are introduced with the workpiece can be kept away from the storage container.
  • the device must include at least one loading opening through which the workpiece can be introduced - directly or indirectly - into the coating container.
  • the loading opening is formed on the coating container itself, so that it can be introduced directly.
  • the term loading opening is broad in this context. This also includes designs in which e.g. About half of the coating container is removed to insert the workpiece and is replaced after the insertion. In general, the opening is designed in such a way that it allows the workpiece to be introduced and, if necessary, for small mass parts of a basket or the like that contains the workpieces.
  • the device in addition, as is 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 to it, while at least one counter electrode is in contact with the coating liquid during the coating process. Several electrodes for contacting and / or several counter electrodes can also be present.
  • the former can be of particular advantage in the case of a plurality of workpieces, since this can sometimes make it easier to simultaneously contact a plurality of 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 center of gravity of the coating container in the coating position is lower relative to the center of volume of the storage container than in the rest position.
  • the adjustment according to the invention between the coating position and the rest position can be realized by rotating the coating container and storage container about exactly one axis.
  • a rotation it is also conceivable for a rotation to take place about more than one axis.
  • the rotation i.e. rotation
  • the coating container and the storage container can also e.g. are traversed along a path with increasing incline, which corresponds to a composite movement of rotation and translation.
  • the coating container and the storage container are preferably rigidly connected.
  • a rigid connection further reduces moving parts, seals and the like. In addition, this generally makes the device more compact, which leads to a smaller surface area.
  • the invention is based on the knowledge that surfaces and moving parts are a main source of contamination of the coating liquid, in particular by moisture. Moisture can adhere to surfaces and is difficult to remove completely from them. In the same way, the coating liquid can adhere to surfaces and thus offers a large area of attack for the surrounding atmosphere. Moving parts inevitably increase the overall surface of a device. Moisture can also pass between moving parts. Therefore, when using pumps or similar devices, it is almost impossible to keep the interior of a coating device free of moisture. From this point of view, the device according to the invention is designed such that pumps, hoses or the like can be dispensed with. Rather, the coating container and the storage container together with the passage opening form a comparatively compact system which has the smallest possible inner surface. In this way, there is little surface overall that moisture could adhere to. The interior of the system comprising the storage container and the coating container is also sealed off from the outside, apart from at least one loading opening, which is necessary for the insertion and removal of workpieces.
  • the liquid which is held in the rest position in the storage container, is only connected to the coating container there via the comparatively small passage opening, which in turn is in contact with the environment - at least during the insertion and removal of workpieces.
  • the coating liquid is largely protected against contamination.
  • the device according to the invention can therefore minimize the contamination of a coating liquid, in particular by atmospheric moisture. In this way, undesirable reactions of the coating liquid can be avoided and their unrestricted usability can be guaranteed for a long time. This means that high-quality coatings are guaranteed and the costs for replacing or reprocessing the coating liquid are reduced.
  • the container on the side of which the rotation brings about a lifting, is of course shifted upwards relative to the other.
  • Such an arrangement in which the axis of rotation is thus between the containers, has the advantage that the torques at least partially cancel each other out due to the weight of the two containers, so that they are, so to speak, "balanced".
  • the containers are positioned on different sides of the axis, only a small holding torque or counterweight is therefore necessary in order to to prevent uncontrolled tipping.
  • the heavier container is arranged closer to the axis of rotation or that the axis of rotation starts directly on it.
  • the coating container and the storage container are arranged in such a way that rotation causes the former to be raised or lowered relative to the latter, and vice versa.
  • a suitable arrangement of the passage opening which the person skilled in the art can easily determine, coating liquid thus flows in each case from the container which is raised to the one which is lowered.
  • “flow” means that the coating liquid moves only under the influence of gravity after moving the device, i.e. it is not necessary to use pumps or other devices for conveying.
  • the coating liquid is "poured out” from one container into the other.
  • Such a flow can be realized well in that the part of the wall of the storage container located at the bottom in the coating position (that is to say, the “bottom”) has a profile falling in the direction of the passage opening, while the part of the wall of the coating container located at the bottom in the rest position has a sloping profile in the direction of the passage opening.
  • the most complete possible back and forth flow of the coating liquid can also be supported by the fact that at least the inner surfaces of the coating container and the storage container consist of a material that is hardly or not wetted by the coating liquid. This in particular prevents small residual volumes in the form of droplets or liquid films from adhering to the surface of the container. These residual volumes, which offer a particularly large relative surface area to the ambient atmosphere, are particularly susceptible to contamination. This can be effectively prevented by using a suitable surface material, possibly in the form of a coating.
  • the device comprises an opening for gas exchange between the coating container and the storage container.
  • an opening for gas exchange is advantageous because it allows pressure equalization 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 made considerably easier, in particular if the passage opening has a very small cross section or if a very rapid liquid exchange between the containers is to take place. Since gases are always located above the coating liquid within the container, the opening for gas exchange is arranged above the passage opening for the coating liquid.
  • the opening for gas exchange can be designed as a pipe or hose line, or else it is located in an area where the coating container and the storage container adjoin one another almost directly and are practically directly connected to one another through the opening.
  • a holding device for the workpiece arranged in the coating container is advantageous.
  • Such a holding device is used to store the workpiece during the coating process and - at least within certain limits - to secure it against position shifts.
  • the receiving device can e.g. as a frame, as a basket or similar be trained. It is also possible that the holding device does not directly hold the work piece (s), but e.g. a basket, which in turn is filled with small mass parts that are coated. In this case, as is known from the prior art, the entire basket can be brought into and out of the coating container.
  • 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 rest position a workpiece located in the receiving device is above the level of the coating liquid. If the design and filling are selected so that all coating liquid flows into the reservoir when moving from the coating position to the rest position, the receiving device can basically have any position within the coating container. However, it should also be noted that in the coating position a workpiece located in the holding device must be - at least partially - below the level of the coating liquid so that coating is possible. The choice of a suitable design and the appropriate filling is a standard task for the specialist.
  • the receiving device arranged inside the coating container is rotatably mounted.
  • a receiving device is attached to a shaft, which in turn is coupled to a motor or a motor-gear unit.
  • a construction of the receiving device is advantageous which has axis symmetry with respect to the axis of rotation. Due to the rotatability, two functions can be guaranteed in combination with a suitable motor-gear unit.
  • the workpiece can be circulated during the coating process by slow rotation. This is particularly important when coating small mass parts. There are numerous contact points between them, which are not or only partially coated in the case of stationary workpieces. If the workpieces are moved, the contact points change constantly and an even 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. It is therefore preferred that the receiving device in the coating position can be rotated at a speed of at most 100 rpm. As is known to the person skilled in the art, it is advantageous here if the axis of rotation of the receiving device deviates from the vertical by at least 5 °, preferably at least 20 °, since in this way the circulation can be better supported by gravity.
  • the receiving device can serve as a centrifuge for a workpiece located therein, so that those still adhering after coating Coating liquid is thrown off.
  • the receiving device can be rotated at a speed of at least 250 rpm when the device is in the rest position. In this position, the coating liquid has at least partially flowed from the coating container into the storage container and, as described above, the workpiece is preferably above the level of the coating liquid.
  • the receiving device such as centrifuges, which are known from the prior art, can be used for centrifuging.
  • the spinning takes place between step b) and step d), ie the spinning can possibly already start during the adjustment to the rest position, that is to say during step c). This may make sense to save time, but it is obvious that spinning should only start when the coating liquid has flowed so far that the workpiece is above the liquid level.
  • the largest possible proportion of the liquid should be in the coating container during the coating process, i.e. as little liquid as possible should remain in the storage container.
  • the area of the receiving device - if there is one - will generally be at least partially below the level of the coating liquid. It is therefore preferred that in the coating position at most 50% of the volume of the storage container is below the passage opening.
  • the entire volume of the storage container is particularly preferably in the coating position above the passage opening.
  • the coating container should be as free of coating liquid as possible in the rest position. Therefore, in a further development, the device according to the invention is designed such that a partial volume of the Coating container, which corresponds to a maximum of 50% of the volume of the storage container, is below the passage opening. In the rest position, the entire volume of the coating container is particularly preferably above the passage opening.
  • the coating room can be exposed to a risk of contamination from ambient air and the associated moisture. It is therefore advisable that as little coating liquid as possible remains in the coating container in the rest position, e.g. while the workpiece is being carried in and out. This is because, at least in this phase, gas exchange between the surroundings and the interior of the coating container is possible via the loading opening. Furthermore, a higher residual level of coating liquid in the coating container in the rest position is disadvantageous insofar as dripping or the like is usually in this position. of the liquid still adhering to the workpiece. To do this, it must be ensured that no part of the workpiece is immersed in any liquid that may still be in the coating container. In other words, if a receiving device is present, it should be in the rest position above the liquid level. The lower the remaining level of residual liquid, the easier it is to achieve this.
  • the most efficient use of the storage container in particular a complete drainage of the coating liquid into it, is also supported by the fact that the entire volume of the storage container is below the passage opening in the rest position. In this way, even with appropriate filling, which will be discussed below, it can be ensured that the entire storage container is filled with coating liquid in the rest position.
  • the coating container has a closable loading opening for introducing the workpiece.
  • the loading opening can preferably be closed airtight. It is also conceivable that a lock chamber is formed on the loading opening, which can be closed airtight on both sides and thus completely prevents gas exchange between the environment and the coating container.
  • the device is preferably designed such that a partial volume of the coating container, which is at least equal to the volume of the storage container, is located below the loading opening in the coating position. This ensures that even when all the coating liquid has flowed from the storage container into the coating container, the loading opening is above the level of the coating liquid.
  • the loading opening is protected against possible harmful influences, i.e. it must be in the construction of seals or the like. materials that are insensitive to the coating liquid are not necessarily used. Finally, it can be excluded that e.g. when opening a closure of the loading opening coating liquid is discharged unintentionally.
  • the electrochemical coating process is often significantly influenced by the temperature at which it is carried out. Some ionic liquids in particular show a sensitivity to temperature fluctuations, which in the worst case can lead to the liquid becoming completely unusable. In general, 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 depends on the coating liquid used. If their optimal working temperature is between 70 ° C and 80 ° C and the device is in an environment with room temperature, then means for cooling will be dispensed with. On the other hand, if the optimal working temperature is between 15 ° C and 20 ° C, heating means are usually not necessary. It must be taken into account here that heat is constantly supplied to the liquid during coating, since the coating current experiences losses in resistance in the liquid.
  • both the cooling means and the heating means can be of various types. Electrical heating coils that are integrated into the container wall or protrude into the container interior are suitable. Also snake or lamellar Heat exchanger systems through which a warm or cool liquid flows are suitable. Finally, it is possible to pass warm or cool inert gas directly through the coating liquid. Infrared radiation can of course also be used for heating. If the passage opening is designed as a line, that is to say stretched, means for heating or cooling can be arranged on the wall thereof, so that the passage opening acts as a flow heater or flow cooler.
  • the device comprises means for mixing the coating liquid.
  • Such means may include a mechanical stirrer driven by a motor and a shaft.
  • magnetic stirrers are also advantageous, since they do not require an additional opening in a container wall for mechanical coupling. Mixing by means of ultrasound is particularly advantageous since it does not require any additional parts within the respective container.
  • the respective means for mixing can be operated periodically or continuously.
  • part of the wall of the coating container, the receiving device or parts thereof are designed as an electrode for contacting the workpiece. It must be ensured here that during the entire coating process (apart from possibly short interruptions), each workpiece is in direct or indirect electrical contact (via other workpieces) with this electrode. In a further development of the invention, however, at least one electrode for contacting the workpiece can be moved into the coating container. Such a method can be carried out via a transmission, pneumatically or hydraulically, the latter being preferred.
  • the at least one counter electrode can be permanently installed or can also be arranged to be movable. In any case, it must be ensured that the counter electrode is immersed in the coating liquid during the coating process. It is particularly advantageous if at least one electrode for contacting the workpiece is flexibly suspended. Such a suspension makes it possible for the electrode to follow the movements of the workpieces even with moving workpieces and thus to keep in constant contact.
  • the flexibility can be realized by a cable or a kind of hose. In this case, the electrode can typically hang down from above, which essentially keeps it in contact with the workpieces due to gravity.
  • the device prefferably be adjusted into the coating position before or after the workpiece has been introduced into the coating container.
  • a device which comprises a holding device and motor means for rotating the holding device, the holding device being rotated by the motor means at a maximum of 100 rpm during the deposition of the metal layer.
  • a device is used in the method, which has a receiving device and motor means for rotating the Includes recording device, and between step b) and step d), the recording device is rotated by the motor means at least 250 rpm.
  • a device which comprises at least one electrode which can be moved into the coating container for contacting the workpiece, and the electrode is moved into the coating container before the deposition process, i.e. before step b), so that it contacts the workpiece at least temporarily during step b).
  • the electrode is moved out of the coating container again.
  • the electrode is preferably moved into and out of the coating container before the workpiece is removed. The electrode can be moved out of the coating container before, during or after the device has been moved into the rest position.
  • a volume of coating liquid is between 80% and 110%, preferably between 95% and 105%, particularly preferably between 99% and 101% of the volume of the storage container is used.
  • the storage container is filled as completely as possible with coating liquid.
  • the only part of the surface of the liquid which is in contact with gas from the coating container is that which is at the passage opening and, if present, at the opening for gas exchange. This means that potential contamination can only occur via these relatively small surfaces and is therefore largely prevented.
  • an ionic liquid which comprises ions of at least one element is preferably used as the coating liquid.
  • These ions can either be part of the ionic liquid or be present in solution in it.
  • metals and semiconductors come into consideration as elements, but also non-metals are explicitly included.
  • the device can separate aluminum from an ionic liquid, e.g. 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride in which an aluminum salt, e.g. Aluminum chloride, is dissolved.
  • an aluminum salt e.g. Aluminum chloride
  • Aluminum alloys can also 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.
  • the Figures 1a to 1c show a coating device 1 according to the invention in the rest position ( Fig. 1a ) and after loading ( Fig. 1b ) as well as during coating ( Fig. 1c ).
  • 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 1-ethyl-3-methylimidazolium chloride in which aluminum chloride is dissolved.
  • the coating liquid 20 tends to form hydrogen chloride on contact with moisture, which is limited by the low air humidity in the drying chamber.
  • the formation of CH gas is suppressed by the fact that the coating container 2 is constantly flushed with dried air (relative humidity of the dried air below 0.1%).
  • the containers 2, 3 are connected to one another by a passage opening 4 for the coating liquid 20. In addition, there is a second connection through an opening 15 located above the passage opening 4 for gas exchange.
  • the device 1 is by rotating the container 2, 3 about a common axis of rotation A between the in Fig. 1a shown rest position and a coating position according to Fig. 1c adjustable.
  • the axis of rotation A runs perpendicular to the plane of the illustration.
  • the first axis A is predetermined by a shaft (not shown), by means of which the containers 2, 3 are connected to a motor-gear unit (likewise not shown) mounted on a base 16.
  • the device 1 is adjusted via the motor-gear unit.
  • both containers 2, 3 are made in one piece from a ceramic material or from 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 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 20 adjacent to the passage opening 4 and the opening 15 for gas exchange is in contact with the air in the coating container 2. which further minimizes hydrogen chloride evolution.
  • the coating container 2 in Fig. 1a has a loading opening 5 which can be closed by a cover 6. This lid 6 is opened for the insertion of a basket 21.
  • a contact electrode 11 is attached to a pivotable and movable suspension 12, which can be moved into the coating container 2 through an electrode opening 17 in the cover 6.
  • the suspension 12 also has a flexible section 13.
  • an aluminum electrode 14 which serves as a counter electrode to the contact electrode 11.
  • a holding device 7 for a basket 21 with workpieces 22 is arranged within the coating container 2.
  • the receiving device 7 can be set in rotation via a shaft 8 which is guided through the wall of the coating container 2.
  • the receiving device 7 is in this case designed as a tub with a perforated wall, so that the basket 21 can be inserted into it and is secured against major changes in position, but at the same time liquid 20 can reach the basket 21 through the wall of the receiving device 7.
  • the shaft 8 can be controlled via a gear 9 arranged on the coating container 2. This is in turn driven by a motor 10.
  • the receiving device 7 can be rotated about an axis of rotation B which is approximately identical to the axis of symmetry of the receiving device 7 and which, in the rest position, runs perpendicularly in relation to the direction determined by gravity.
  • the centers of volume of the two containers 2, 3 are located on different sides of a vertical plane through the first axis A, the first axis A, however, running through the coating container 2. This is because both the suspension 12 with the contact electrode 11 and the receiving device 7, gear 9 and motor 10 are connected to the coating container 2, which is why the effective center of gravity of the system lies on the side of the coating container 2.
  • the present arrangement of the first axis A ensures that the torques at least partially cancel each other out on both sides due to the weight of the components, so that they are, so to speak, "balanced".
  • the operation of the in the Figures 1a to 1c illustrated coating device 1 exemplified.
  • 20 kg steel screws 22 are provided for coating with aluminum.
  • the coating should be carried out at room temperature.
  • the screws 22 are prepared for coating by first sandblasting them and then degreasing them in a basket 21 in a cleaning solution consisting of water in which 9 g of potassium phosphate and 27 g in 1 liter of water Potassium hydroxide were dissolved, degreased at 85 ° C. After an exposure time of 5 minutes, 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 spun dry.
  • the screws 22 are then dried further by means of a hot air stream.
  • the dried screws 22 are transferred to the coating device 1 in the basket 21.
  • the basket 21 is inserted into the tub of the receiving device 7, whereby it is secured against major displacements.
  • the contact electrode 11 is moved into the coating container 2 by means of the suspension 12. This state is in Fig. 1b shown.
  • the coating device 1 is now moved into the coating position.
  • the volume center of gravity of the coating container - based on the vertical plane through the first axis A - is on the side of the axis A on which the rotation causes a lowering, while the center of gravity of the storage container 3 is on the side where the rotation occurs Lifting causes.
  • the center of volume of the storage container 3 shifts upwards compared 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 if the passage opening 4 is completely filled with coating liquid 20, pressure equalization can take place.
  • the coating device 1 shows in the coating position, the profile of the storage container 3 is designed such that in this position it is sloping towards the passage opening 4, which supports the drainage. In the coating position, the entire volume of the storage container 3 is above the passage opening 4.
  • the screws 22 are washed by the coating liquid 20, the aluminum electrode 14 is immersed in the coating liquid 20.
  • the flexible contact electrode 11 lies loosely on the screws 22, so that each of the screws 22 is directly or indirectly connected to it electrically.
  • the receiving device 7 with the basket 21 rotates slowly of 20 rpm, while a voltage is applied between the aluminum electrode 14 and the contact electrode 11, so that the aluminum electrode 14 functions as an anode.
  • the voltage is set so that a deposition current with an average current density of 10 A / dm 2 results.
  • the screws 22, which have the same electrical potential as the loose contact electrode 11, are coated by the deposition of aluminum from the coating liquid 20, while aluminum ions continuously separate from the anode 14 by oxidation, so that the aluminum concentration in the coating liquid 20 remains constant.
  • the voltage is switched off, the receiving device 7 is stopped and the device 1 is moved back into the rest position, after which the entire volume of the Storage container 3 is again under the passage opening 4 (see Fig. 1b ).
  • the majority of the liquid 20 runs out of the coating container 2 into the storage container 3.
  • liquid residues still adhere to the screws 22.
  • the receiving device 7 is set in a rapid rotation of 300 rpm. After three spin processes of 20 seconds each with a 10 second pause, the screws 22 are almost free of coating liquid 20.
  • the finished coated screws 22 are subjected to an anodizing process, whereby the surface of the aluminum coating is passivated.
  • Fig. 2a and Fig. 2b show, in a highly schematic manner, a further embodiment of a device 101 for electrochemical coating.
  • a coating container 102 with a loading opening 105 and a storage container 103 are located on the same side of a common axis of rotation A ', although the storage container is 103 further out.
  • the reservoir 103 In the rest position shown, the reservoir 103 is located below a passage opening 104 and the coating liquid 120 is received in it.
  • the center of volume of the storage container 103 shifts upwards from that of the coating container 102, as a result of which the coating liquid 120 flows into the coating container 102.
  • these are connected to a counterweight 118 which is located on the other side of the axis of rotation A '.
  • FIG. 3a and 3b show a third embodiment of a device 201 for electrochemical coating, in which a coating container 202 with a loading opening 205 and a storage container 203 are located on one side of a common axis of rotation A ′′, again with a counterweight 218 being connected to the containers 202, 203 have both containers 202, 203 the same distance from the axis of rotation A ", but the reservoir 203 is in the in Fig. 3a shown rest position below the coating container 202, while it is in the in Fig. 3b Coating position shown is located above the coating container 202.
  • a passage opening 204 is located between the containers 202, 203.
  • the rotation takes place in such a way that the two containers 202, 203 are guided along above the common axis of rotation A ".
  • the device 201 shown works on the principle of an hourglass To ensure that the coating liquid 220 flows away as quickly as possible, an opening for gas exchange 215 is also provided here, which is arranged such that it always remains free of coating liquid 220.
  • the device according to the invention can be set up in a housing or in a room in which a controlled Indoor climate prevails, e.g. B. with a particularly low humidity of less than 1%, preferably less than 0.1%.

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Description

  • 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 das 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.
  • Die US 4,392,936 A betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur galvanischen Abscheidung von Aluminium aus aprotischen Organoaluminium-Elektrolyten mittels eines drehbaren Galvanisierungsbehälters, eines drehbaren Elektrolytbehälters und einer röhrenförmigen Verbindung zwischen den Behältern, wobei die Verbindung einen Verschlussmechanismus aufweist.
  • Die DE 31 21 397 C1 betrifft ein Verfahren zum Oberflächenbeschichten von Kleinteilen aus Metall, Holz oder Kunststoff in einer perforierten Drehtrommel, wobei die Kleinteile unter Rotation der Trommel fortlaufend unter ständigem Platzwechsel innerhalb der Haufwerks durch ein Beschichtungsbad geführt werden, wobei als Drehtrommel eine Zentrifugentrommel eingesetzt wird, die während der Beschichtung in Schieflage mit verlangsamter Drehzahl läuft, und wobei anschließend nach Aufrichten der Zentrifugentrommel in die Vertikale das überschüssige Beschichtungsmittel von den Kleinteilen durch Beschleunigung der Trommelrotation abgetrennt und das abgetrennte Beschichtungsmittel dem Bad wieder zugeführt wird.
  • 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 100°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 Beschichtungsverfahrens 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 7.
  • 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 aufnehmen 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 können, dieser gegenüber unempfindlich sein sollten. Würde beispielsweise die Beschichtungsflüssigkeit 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, wobei die Durchtrittsöffnung ohne Verschlussmechanismus ausgebildet ist. Durch die Durchtrittsöffnung kann Beschichtungsflüssigkeit vom Vorratsbehälter in den Beschichtungsbehälter hindurchtreten bzw. umgekehrt. Die Durchtrittsöffnung ist hierbei in Relation zu den Abmessungen des Beschichtungs- und des Vorratsbehälters relativ klein, da hierdurch ein Eindringen von Gasen und in diesen gelöster Feuchtigkeit vom Beschichtungsbehälter in den Vorratsbehälter minimiert wird. Der Querschnitt der Durchtrittsöffnung ist hinreichend groß gewählt, so 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 hierzu 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 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 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 Beschichtungsbehälters 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 Beschichtungsverfahren 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 vorhanden 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 Beschichtungsstellung 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 eine Kombination hieraus klassifizieren lassen, ist es auch denkbar, die Drehung, also Rotation, mit einer Translation zu kombinieren. D.h., der Beschichtungsbehälter 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 weiter 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 Imidazoliumchloride, 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 andere 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 Beschichtungsflüssigkeitjeweils 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 Beschichtungsflüssigkeit 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 Beschichtungsstellung 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 abfallendes 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 Beschichtungsflüssigkeit 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 Behältern 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 aneinandergrenzen und durch die Öffnung praktisch direkt miteinander verbunden sind.
  • Wenngleich es prinzipiell möglich ist, ein Werkstück während des Beschichtungsvorgangs gewissermaßen "lose" im Beschichtungsbehälter aufzunehmen, ist eine im Beschichtungsbehälter angeordnete Aufnahmevorrichtung für das Werkstück vorteilhaft. Eine derartige Aufnahmevorrichtung dient dazu, das Werkstück während des Beschichtungsvorgangs 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 Beschichtungsbehälters 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 Beschichtungsstellung 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 Beschichtungsstellung ein in der Aufnahmevorrichtung befindliches Werkstück sich - wenigstens 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 Beschichtungsbehälters 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.
  • 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 5°, bevorzugt wenigstens 20°, 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 Beschichtungsflüssigkeit 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 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 Verfahrensschritte 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 Beschichtungsbehälter 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 Ruhestellung 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 Schleusenkammer 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 Beschichtungsstellung 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 schlimmstenfalls dazu führen kann, dass die Flüssigkeit völlig unbrauchbar wird. Generell sind Eigenschaften wie Viskosität und Leitfähigkeit, die für den elektrochemischen Beschichtungsprozess entscheidend sind, temperaturabhängig. Um eine Temperierung der Beschichtungsflüssigkeit zu gewährleisten, umfasst die Vorrichtung in einer Weiterbildung der Erfindung Mittel zum Heizen und/oder Mittel zum Kühlen der Beschichtungsflüssigkeit. Welche Mittel hierbei nötig sind, hängt mitunter von der verwendeten Beschichtungsflüssigkeit ab. Liegt deren optimale Arbeitstemperatur zwischen 70°C und 80°C und die Vorrichtung steht in einer Umgebung mit Raumtemperatur, so wird man auf Mittel zum Kühlen verzichten können. Liegt die optimale Arbeitstemperatur hingegen zwischen 15°C und 20°C, 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 unterschiedlichster 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 durchflossen 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 benötigen. 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 Unterbrechungen) 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 Beschichtungsbehälter 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:
    1. a) Einbringen des Werkstücks in den Beschichtungsbehälter,
    2. b) elektrochemisches Abscheiden einer Beschichtung auf dem Werkstück, während sich die Vorrichtung in der Beschichtungsstellung befindet,
    3. c) Verstellen der Vorrichtung in die Ruhestellung und
    4. 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 eine Aufnahmevorrichtung sowie motorische Mittel zum Drehen der Aufnahmevorrichtung umfasst, wobei die Aufnahmevorrichtung durch die motorischen Mittel während des Abscheidens 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 Beschichtungsbehälter, 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 ionischen Flüssigkeit, z.B. 1-Ethyl-3-Methylimidazoliumchlorid, in der ein Aluminiumsalz, z.B. Aluminiumchlorid, gelöst ist, durchgeführt werden. Ebenso können AluminiumLegierungen 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. 1a
    eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Ruhestellung vor dem Beschicken;
    Fig. 1b
    eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 1a in der Ruhestellung nach dem Beschicken;
    Fig. 1c
    eine schematische Darstellung der Vorrichtung aus Fig. 1a in der Beschichtungsstellung;
    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 Beschichtungsstellung;
    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 Beschichtungsstellung.
  • Die Figuren 1a bis 1c zeigen eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung 1 in Ruhestellung vor (Fig. 1a) und nach dem Beschicken (Fig. 1b) sowie während des Beschichtens (Fig. 1c). Die Beschichtungsvorrichtung 1 umfasst einen Beschichtungsbehälter 2 sowie einen Vorratsbehälter 3, in dem sich eine Beschichtungsflüssigkeit 20 befindet. Die Beschichtungsflüssigkeit 20 besteht aus einer Schmelze von 1-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. 1a dargestellten Ruhestellung und einer Beschichtungsstellung gemäß Fig. 1c 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 Behälter 2, 3 aus einem Stück aus einem Keramikmaterial oder aus Glas gefertigt, das gegenüber Chlorwasserstoff unempfindlich ist.
  • In der Ruhestellung (Fig. 1a, 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 Beschichtungsflüssigkeit 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. 1a 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 Symmetrieachse 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 beider 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 Beschichtungsbehälters 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 1a bis 1c dargestellten Beschichtungsvorrichtung 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 Kaliumhydroxid gelöst wurden, bei 85°C 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. 1b dargestellt.
  • Die Beschichtungsvorrichtung 1 wird nun in die Beschichtungsstellung verstellt. Hierbei befindet sich der Volumenschwerpunkt des Beschichtungsbehälters - bezogen auf die senkrechte Ebene durch die erste Achse A - auf der Seite der Achse A, auf der die Drehung 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 Beschichtungsbehälters 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. 1c erkennbar ist, die die Beschichtungsvorrichtung 1 in der Beschichtungsstellung 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 Beschichtungsflüssigkeit 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 Drehung 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 Al-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 Durchtrittsöffnung 4 befindet (siehe Fig. 1b). 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 Beschichtungsverfahren 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 Beschichtungsbehälters 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 118 verbunden, das sich auf der anderen Seite der Drehachse A' befindet.
  • Fig. 3a und Fig. 3b zeigen eine dritte Ausführungsform einer Vorrichtung 201 zum elektrochemischen 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 Behältern 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 Beschichtungsflüssigkeit 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 zur 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%, bevorzugt unter 0,1%.

Claims (9)

  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 Beschichtungsflüssigkeit (20, 120, 220) mit dem Beschichtungsbehälter (2, 102, 202) verbunden ist,
    - einer Beschicköffnung (5) am Beschichtungsbehälter (2, 102, 202) zum Einbringen des Werkstücks (22) in den Beschichtungsbehälter (2, 102, 202) sowie
    - wenigstens einer Elektrode (11) zur Kontaktierung des Werkstücks (22) und wenigstens 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 zur Aufnahme der Beschichtungsflüssigkeit im Beschichtungsbehälter und einer Ruhestellung zur Aufnahme der Beschichtungsflüssigkeit im Vorratsbehälter 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,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Durchtrittsöffnung (4, 104, 204) ohne Verschließmechanismus ausgeführt ist,
    wobei die Durchtrittsöffnung relativ klein ist in Relation zu den Abmessungen des Beschichtungs- und des Vorratsbehälters, um ein Eindringen von Gasen und in diesen gelöster Feuchtigkeit vom Beschichtungsbehälter in den Vorratsbehälter zu minimieren, und der Querschnitt der Durchtrittsöffnung hinreichend groß ist, um ein ungehindertes Hindurchtreten der Beschichtungsflüssigkeit zu gewährleisten.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Beschichtungsbehälter (2, 102, 202) und der Vorratsbehälter (3, 103, 203) in der Beschichtungsstellung 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 Vorratsbehälter (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, in der sich Beschichtungsflüssigkeit im Beschichtungsbehälter befindet
    c) Verstellen der Vorrichtung (1, 101, 201) in die Ruhestellung, in der die Beschichtungsflüssigkeit im Vorratsbehälter (3, 103, 203) aufgenommen ist, und
    d) Entfernen des Werkstücks (22) aus dem Beschichtungsbehälter (2, 102, 202)
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass 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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