EP3222757A1 - Method and device for loosening zinc - Google Patents
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- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
- C23C4/129—Flame spraying
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
- C23C4/131—Wire arc spraying
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/18—After-treatment
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
- C23F1/00—Etching metallic material by chemical means
- C23F1/10—Etching compositions
- C23F1/14—Aqueous compositions
- C23F1/32—Alkaline compositions
- C23F1/40—Alkaline compositions for etching other metallic material
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
- C23F1/00—Etching metallic material by chemical means
- C23F1/44—Compositions for etching metallic material from a metallic material substrate of different composition
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
- C23F1/00—Etching metallic material by chemical means
- C23F1/08—Apparatus, e.g. for photomechanical printing surfaces
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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
- C25D3/00—Electroplating: Baths therefor
- C25D3/02—Electroplating: Baths therefor from solutions
- C25D3/22—Electroplating: Baths therefor from solutions of zinc
Definitions
- the present invention relates to a method of dissolving zinc or a zinc alloy in an aqueous alkaline solution, a zinc or zinc alloy electroplating method using this method of dissolving zinc or a zinc alloy, and a zinc dissolving apparatus or a zinc alloy.
- the zinc or zinc alloy is brought into electrically conductive contact with the thermally sprayed iron layer (cathode). It can be an immediate or indirect spatial contact between zinc or zinc alloy and the iron layer. Direct physical contact occurs when the thermally sprayed iron layer is directly adjacent to the zinc or zinc alloy.
- An example of this would be a releasing basket coated with the iron layer, for example a steel basket filled with zinc or zinc alloy, for example in the form of pellets, granules or spheres.
- An indirect spatial contact is present when the thermally sprayed iron layer is not directly adjacent to the zinc or the zinc alloy, that is spaced apart. Such a spacing can be realized for example by means of a spacer, for example a washer. It is also possible to hang the zinc or zinc alloy and the substrate with the thermally sprayed iron layer separately from each other in the bath. The electrically conductive contact between the iron layer and zinc or zinc alloy can then take place via a metallic conductor, for example a metal pin, a metal screw or a cable, which electrically conductively connects the iron layer to the zinc or zinc alloy.
- a metallic conductor for example a metal pin, a metal screw or a cable, which electrically conductively connects the iron layer to the zinc or zinc alloy.
- the process enables high zinc dissolution rates which are significantly higher than those of conventional processes in which an untreated steel or iron sheet or a rusted steel sheet is used as the cathode.
- high levels of zinc dissolution can occur over a long period of time and even at high zinc concentrations in the aqueous alkaline solution be enabled.
- the erfindungsffleße method allows to provide within a relatively short time a larger amount of dissolved zinc and dissolved zinc in high concentrations. This allows the zinc concentration to be more easily and reliably controlled, for example, in zinc baths used in galvanic processes.
- the aqueous, alkaline solution is cyanide-free. It is preferably an alkaline, cyanide-free zinc bath or a zinc electrolyte, which is suitable for the electrodeposition of zinc or zinc alloys.
- the zinc bath may contain one or more typical additives for alkaline zinc baths, such as brighteners, surfactants, polymers, carbonates, silicates, and chelating agents.
- the method for dissolving zinc or a zinc alloy can thus be combined with a process for electroplating with zinc or a zinc alloy.
- the zinc to be dissolved or the zinc alloy to be dissolved can basically be present in any desired form, for example in the form of a sheet, a coating on a support, as ingots or in the case of a dissolving basket as pellets, granules, spheres or the like.
- a zinc alloy preferably contains at least 50% by weight of zinc, more preferably at least 75% by weight of zinc, more preferably at least 95% by weight of zinc, for example 98.0 to 99.9% by weight.
- the iron layer is a thermally sprayed iron layer. That is, it was obtained by a thermal spraying method on the substrate or is obtainable by such a method.
- the production by means of thermal spraying is easy to carry out and associated with less effort than, for example, the production of Raney catalysts, so that there are also economic advantages over the latter.
- the thermally sprayed iron layer contains iron (0) and at least one or more iron (III) oxygen compounds.
- Iron (III) oxygen compounds can be detected, for example, in an XPS analysis of a thermally sprayed iron layer.
- the iron (III) oxygen compounds are formed by thermal spraying of the iron material, that is by reaction of iron with oxygen.
- the iron material used for thermal spraying usually contains metallic iron and / or an iron alloy.
- Suitable iron alloys are, in particular, those which contain at least one transition metal other than iron and / or carbon.
- a suitable iron alloy may also consist of iron and the at least one transition metal and / or carbon.
- the transition metal is selected, for example, from manganese, nickel, copper, molybdenum, zirconium, and combinations thereof.
- the iron material used for the thermal spraying may contain, for example, at least 60% by weight of iron.
- the content of iron refers to both iron in the form of metallic iron, iron alloys described above, and other iron compounds. It thus indicates the total iron content based on the total weight of the iron material used for thermal spraying.
- the iron material used is preferably metallic iron or a steel which, in addition to iron for example, contains small amounts ( ⁇ 5% by weight, in particular ⁇ 2% by weight) of carbon and transition metal. As a result, particularly favorable, environmentally friendly thermally sprayed iron layers can be produced, with which high zinc dissolution rates are made possible.
- the iron material is preferably used in a form suitable for thermal spraying, for example as a powder or wire.
- the iron layer has a roughness Ra of at least 4 ⁇ m, preferably 5 to 50 ⁇ m, more preferably 6 to 40 ⁇ m.
- Ra indicates the arithmetic mean roughness value according to DIN EN ISO 4287: 2010.
- the roughness of the thermally sprayed iron layer need not result in a very high specific surface area. In some examples, significantly lower specific surface values were found for a thermally sprayed iron layer than for a rusted steel sheet. Since significantly higher zinc dissolution rates were nevertheless observed with a thermally sprayed iron layer, it can be assumed that the specific surface of the thermally sprayed iron layer has only a slight influence on the zinc dissolution rates.
- the thermally sprayed iron layer has a comparatively positive potential.
- the thermally sprayed layer may comprise iron in 1 M sodium hydroxide solution has a redox potential of more than +0.6 V, when a hydrogen electrode (for example, a hydro-Flex ® -Wasserstoffelektrode Fa. Gaskatel) is used as reference electrode.
- a hydrogen electrode for example, a hydro-Flex ® -Wasserscherlektrode Fa. Gaskatel
- the iron layer has an average thickness of 10 ⁇ m to 1000 ⁇ m, preferably 30 ⁇ m to 600 ⁇ m and particularly preferably 50 ⁇ m to 400 ⁇ m.
- a certain layer thickness is helpful for the strength of the iron layer. If the layer thickness is chosen too large, this in turn may lead to the iron layer flaking off.
- the average thickness of the iron layer is determined by scanning electron microscopy on a transverse section of the iron layer.
- the substrate may be a metal, a semiconductor or a nonmetal. Of course, those materials are used which are suitable for the thermal spraying of the iron material, so in particular have a sufficient temperature stability.
- a substrate made of metal, in particular steel is used. It may for example be in the form of a sheet, preferably in the form of a perforated plate, or in the form of a basket.
- the substrate is preferably not of a thermally sprayed iron material.
- the substrate primarily serves to produce a flat iron layer by thermal spraying.
- the iron layer is supported by the substrate.
- a primer may be arranged between substrate and the iron layer. This may for example be based on bronze, nickel or a nickel-titanium alloy or consist entirely of it.
- a primer is preferably applied flatly directly to the substrate before the iron material is thermally sprayed on.
- the primer may be produced by the same thermal spraying method as the iron layer, for example flame spraying or arc spraying. Usually, the primer is produced with a thickness of up to 50 microns. If a primer is used, the iron material is usually sprayed directly on the primer thermally.
- the iron material is typically thermally sprayed directly onto the substrate.
- the iron layer according to one of the embodiments described above can be thermally sprayed onto the substrate (with or without a primer) by means of conventional methods.
- the iron material according to one of the embodiments described above may be thermally sprayed onto the substrate by one of the following methods: arc wire spraying, thermo spray powder spraying, flame spraying, high velocity flame spraying, plasma spraying, autogenous rod spraying, Autogenous wire spraying, laser spraying, cold gas spraying, detonation spraying and PTWA spraying.
- arc wire spraying thermo spray powder spraying, flame spraying, high velocity flame spraying, plasma spraying, autogenous rod spraying, Autogenous wire spraying, laser spraying, cold gas spraying, detonation spraying and PTWA spraying.
- flame spraying is particularly suitable for the use of a pulverulent iron material.
- arc spraying is suitable.
- the zinc or zinc alloy is brought into electrically conductive contact with the iron layer. This can be done via the Substrate happen when this is electrically conductive and in contact with the zinc or the zinc alloy. Another possibility is to provide a dissolving basket with a thermally sprayed iron layer and to fill the zinc or the zinc alloy in these.
- the iron layer may also be brought into electrical contact with the zinc or zinc alloy via a metallic conductor.
- a metallic conductor may be, for example, a metal rod or a metal screw, for example made of steel, copper or another metal, which is not attacked by the aqueous alkaline solution, or the like.
- the substrate with the iron layer and the zinc. or the zinc alloy in parallel for example, via a spacer such as a washer separated from each other to be arranged.
- the metallic conductor can then be guided perpendicular thereto by substrate and iron layer and zinc or zinc alloy to produce the electrically conductive contact.
- the metallic conductor may also pass through the spacer. Another possibility is to make the electrically conductive contact via a cable that connects zinc or zinc alloy with the iron layer or a metallic substrate.
- the substrate with the thermally sprayed iron layer and the zinc or zinc alloy can be spaced apart from one another.
- a spacer for example a washer
- the electrically conductive contact can take place via one or more metallic conductors, for example as described in the preceding paragraph.
- the spacing can thus be designed so that the contact surface with the aqueous, alkaline solution of the substrate with the Iron layer and the zinc or zinc alloy is relatively large.
- the process for dissolving zinc or a zinc alloy is very robust. It can be carried out successfully over a wide temperature range.
- the aqueous alkaline solution may, for example, have a temperature of 10 to 90 ° C, preferably 15 to 75 ° C, particularly preferably 20 to 60 ° C.
- the process can be readily operated at temperatures typical of galvanic zinc baths, especially in the range of 10 to 60 ° C, preferably 15 to 50 ° C and more preferably 20 to 40 ° C. At such temperatures, the additives commonly used in zinc baths are stable. If this need not be taken into account, for example, if the dezincification of scrap metal only a simple caustic solution is used, then higher temperatures can be used.
- the aqueous, alkaline solution is mixed during the process. This can be done, for example, by stirring, circulation or (partial) replacement of the aqueous, alkaline solution.
- the immersion depth can be varied into the aqueous, alkaline solution.
- zinc or zinc alloy and substrate having the thermally sprayed iron layer can be easily taken out of the aqueous alkaline solution, or the aqueous alkaline solution is drained.
- the method for dissolving zinc or a zinc alloy can be easily carried out on an industrial scale.
- the process coats a component or other electrically conductive body with zinc or a zinc alloy.
- the deposited zinc alloy may differ from the zinc alloy used for dissolution.
- the method of electrodeposition benefits from the above-described advantages of the method of dissolving zinc or a zinc alloy.
- step (A) and (B) are preferably performed spatially separated from each other.
- step (B) may be performed in a separate compartment.
- the zinc-containing aqueous alkaline solution may then be supplied as needed to the zinc bath used for coating to supply dissolved zinc, which is consumed in electroplating.
- steps (A) and (B) can thus be carried out at the same time or else offset in time.
- the galvanic coating with zinc or a zinc alloy from a zinc-containing, aqueous, alkaline solution, in particular a cyanide-free zinc bath, is known per se to a person skilled in the art.
- This arrangement or the device is suitable for dissolving zinc or a zinc alloy.
- an aqueous, alkaline solution preferably an alkaline, cyanide-free zinc bath, is then filled into the container and the assembly wholly or partially immersed therein.
- the container preferably contains an opening for filling and a closable outlet in order to drain the aqueous alkaline solution.
- the device comprises means for mixing the aqueous alkaline solution during the dissolution process.
- the device can, for example, comprise means for stirring, circulating or for a (partial) replacement of the aqueous, alkaline solution.
- the device may also include means to regulate the temperature in the aqueous alkaline solution.
- the in Fig. 1 recorded XPS spectra of a thermally sprayed iron layer.
- a thermally sprayed iron layer was analogously to Example 4, a steel sheet without primer coated by arc spraying.
- an iron arc wire was used as the iron material.
- the average layer thickness was about 200 ⁇ m.
- iron (III) compounds were mainly detected in all measurements.
- the iron (III) oxygen compounds FeOOH and Fe 2 O 3 could be detected. It is noticeable that more iron (III) oxygen compounds were found on the surface of the thermally sprayed iron layer than in the interior of the layer.
- the XPS analysis was performed on an XPS Quantum 2000 system equipped with a 180 ° hemispheric analyzer and a 16 channel detector.
- the spectra were recorded by a focused, monochromatic X-ray source (Al-K ⁇ , 1486.68 eV) with a beam diameter of 50 ⁇ m and a power of 12 W.
- the pressure in the analysis chamber was about 5 ⁇ 10 -7 Pa.
- the instrument was operated in FAT mode of the analyzer with a 45 ° electron take-off angle to the surface normal.
- the samples were neutralized using an electron gun (cold cathode 1.2 eV) and a low energy Ar ion beam (10 eV).
- a sputter cleaning was performed using an Ar ion beam with an energy of 2 kV, rastered over the area of 3 x 3 mm.
- Fig. 2A and Fig. 2B show SEM images of the surface of the above-described thermally sprayed iron layer Fig. 1 at a 500 times ( Fig. 2A ) and at a 100x magnification ( Fig. 2B ). These images clearly show a rough surface structure formed by the particles spun during thermal spraying.
- FIGS. 4A and 4B show SEM images at 100x magnification ( Fig. 4A ) and at 500X magnification of a cross section of a thermal sprayed iron layer according to another embodiment of the invention.
- a steel sheet (5) was first provided with a primer made of nickel-titanium alloy.
- the primer was applied by arc spraying.
- an iron arc wire was applied as iron material by arc spraying as a thermal spraying method.
- the average layer thickness of the thermally sprayed iron layer was about 250 to 300 microns.
- the preparation was carried out analogously to Example 5.
- FIG. 4B For example, a part of the primer with "6”, grain edges of spin iron particles with "7” and “8” and a spot inside such a grain are marked with "9". In each case an EDX measurement was carried out at these locations. The corresponding spectra are in the Figs. 5A to 5D in this order. In the lower part of Fig. 4B the steel substrate (5) can be seen.
- Iron (0) and iron (III) oxygen compounds were detected at the grain boundaries of spin-coated iron particles, marked “7” and “8” respectively, which is reflected in the Fig. 5B and 5C you can see.
- Fig. 5D In the interior of a grain, at the location "9”, mainly iron was found ( Fig. 5D ).
- the iron particles spun on thermal spraying were oxidized, especially at the surface.
- the roughness of an uncoated strip steel sheet, a rusted steel sheet and two thermally sprayed iron layers according to the invention were measured analogously to DIN EN ISO 4287: 2010. Instead of the palpation procedure, measurements were taken with a confocal microscope ( ⁇ surf explorer from NanoFocus AG) and then evaluated in accordance with DIN EN ISO 4287: 2010.
- the thermally sprayed iron layers according to the invention were produced with an iron powder (Example 2) or an iron wire (Example 4) as iron material.
- Table 1 sample Average Average Average Ra [ ⁇ m] Rt [ ⁇ m] Rz [ ⁇ m] Uncoated steel sheet (Comparative Example 1) 0.2 2.1 1.5 Rusted steel sheet (Comparative Example 8) 0.9 19.8 11.3 Iron layer (iron powder, example 2) 7.1 71.0 43.5 Iron layer (iron wire, example 4) 22.6 180.0 121.0
- the specific surface area denotes a BET specific surface measured in accordance with DIN ISO 9277 (krypton at 77 K).
- Table 2 sample Specific surface area [m 2 / g] Uncoated steel sheet (Comparative Example 1) not definable Rusted steel sheet (Comparative Example 8) 0.2171 ⁇ 0.0021 Iron layer (iron wire, example 4) 0.0141 ⁇ 0.0001
- the steel sheet was then thermally sprayed by arc spraying.
- an iron wire so-called iron arc wire with 0.7 wt.% Mn, 0.07 wt.% C and the balance Fe, diameter 1.6 mm
- arc temperature 3000 to 4000 ° C at the burner head
- compressed air (6 bar
- a steel sheet (A 0.175 dm 2 ) was degreased.
- Example 1 Compared to a bare steel sheet as a cathode (Comparative Example 1, curve (2)), the cathode according to the invention with a thermally sprayed iron layer (Example 1, curve (1)) gave a significantly higher current flow. This means that a correspondingly higher zinc dissolution rate than in Comparative Example 1 was achieved. After 1 hour, the current flow in Example 1 was higher by a factor of 13.5 than in Comparative Example 1 (see Fig. 6 ). During the flow of electricity in Comparative Example 1 presumably then dropped sharply due to the higher zinc concentration, it remains relatively constant in Example 1 at a high level.
- Example 1 After 15 hours, at the end of the measurement, the current flow is a flow of current of 1.048 A / dm 2 over 0,025 A / dm 2 was in Example 1 with the inventive iron layer by a factor of 40 higher than in Comparative Example 1. It was measured.
- a zinc anode (19.8 ⁇ 5 ⁇ 1 cm with A 2.48 cm 2 ) (15) with a steel screw (17) and associated nut (18) made of steel at the respective cathode was used to produce the electrically conductive contact (16) fixed in parallel and immersed in a hook (23) made of polypropylene (PP) entirely in the electrolyte.
- PP polypropylene
- the dezincing carried out by the process according to the invention which uses an iron layer produced by thermal spraying on a substrate as the cathode, shows significantly higher zinc removals under comparable conditions. That is, more zinc per unit time can be removed from the test body.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung in einer wässrigen, alkalischen Lösung. Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird dabei metallisches Zink oder eine Zinklegierung in elektrisch leitenden Kontakt mit einer Eisenschicht gebracht und mit dieser ganz oder teilweise in eine wässrige, alkalische Lösung getaucht. Die Eisenschicht besteht aus einem auf ein Substrat thermisch aufgespritzten Eisenmaterial. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum galvanischen Beschichten mit Zink oder einer Zinklegierung sowie eine Vorrichtung zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung. The present invention relates to a process for dissolving zinc or a zinc alloy in an aqueous alkaline solution. In accordance with at least one embodiment, metallic zinc or a zinc alloy is brought into electrically conductive contact with an iron layer and immersed with it in whole or in part in an aqueous, alkaline solution. The iron layer consists of an iron material thermally sprayed onto a substrate. Furthermore, the invention relates to a method for galvanic coating with zinc or a zinc alloy and a device for dissolving zinc or a zinc alloy.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung in einer wässrigen, alkalischen Lösung, ein Verfahren zum galvanischen Beschichten mit Zink oder einer Zinklegierung, das dieses Verfahren zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung verwendet, sowie eine Vorrichtung zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung.The present invention relates to a method of dissolving zinc or a zinc alloy in an aqueous alkaline solution, a zinc or zinc alloy electroplating method using this method of dissolving zinc or a zinc alloy, and a zinc dissolving apparatus or a zinc alloy.
Bei der galvanischen Abscheidung von Zink aus alkalischen, cyanidfreien Zinkbädern kommen in den Aktivbädern gewöhnlich unlösliche Anoden zum Einsatz. Um den Zinkgehalt des Elektrolyten zu kontrollieren, wird dieser üblicherweise über ein separates Abteil zum Auflösen von Zink (ein sogenanntes Zinklöseabteil) geleitet, in dem größere Mengen Zink vorgehalten werden. Problematisch ist dabei, dass sich Zink allerdings nur sehr langsam in einem alkalischen Elektrolyten auflöst, da die Wasserstoffentwicklung auf der Zinkoberfläche durch eine hohe Überspannung gehemmt ist.In the galvanic deposition of zinc from alkaline, cyanide-free zinc baths in the active baths usually insoluble anodes are used. In order to control the zinc content of the electrolyte, it is usually passed through a separate zinc dissolving compartment (a so-called zinc dissolving compartment) in which larger amounts of zinc are held. The problem is that zinc dissolves only very slowly in an alkaline electrolyte, since the hydrogen evolution is inhibited on the zinc surface by a high overpotential.
Der Stand der Technik versucht dieses Problem dadurch zu lösen, dass Zink in direkten Kontakt bzw. elektrisch leitenden Kontakt mit einem Material gebracht wird, das eine geringere Überspannung für Wasserstoff besitzt, um so die Löserate des Zinks (Zinklöserate) zu erhöhen. Dazu werden aus Kostengründen meist Lösekörbe aus Stahl mit Zinkpellets oder Zinkkugeln befüllt und in den alkalischen Elektrolyten getaucht. Dabei findet, neben der anodischen Oxidation des Zinks, eine kathodische Reduktion von Protonen zu Wasserstoff an den Stahlkörben statt. Die Reaktionsgleichungen können beispielsweise wie folgt formuliert werden:
(1) Zn(0) → Zn(II) + 2 e-
(2) 2 H+ + 2 e- → H2 bzw. 2 H2O + 2 e- → H2 + 2 OH-
The prior art attempts to solve this problem by bringing zinc into direct contact or electrically conductive contact with a material having a lower hydrogen overvoltage so as to increase the dissolution rate of the zinc (zinc dissolvers). For reasons of cost, usually steel release baskets are filled with zinc pellets or zinc balls and immersed in the alkaline electrolyte. In addition to the anodic oxidation of zinc, a cathodic reduction of protons to hydrogen takes place on the steel baskets. The reaction equations may be formulated, for example, as follows:
(1) Zn (0) → Zn (II) + 2 e -
(2) 2 H + + 2 e - → H 2 or 2 H 2 O + 2 e - → H 2 + 2 OH -
Neben einer ausreichenden Umflutung, die zur Vermeidung einer Anodenpassivierung dienen soll, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die katalytische Oberfläche vergrößert wird. Stahl kann beispielsweise zur Verwendung oxidiert werden. Üblicherweise erreicht man eine ausreichende Oxidation durch Säuretauchen und anschließender Auslagerung des Stahls von einigen Tagen an die Atmosphäre oder durch thermische Verfahren (
Diese herkömmlichen Verfahren weisen jedoch einige Nachteile auf. Zum Beispiel kann es durch Schwankungen der Zinklöserate immer wieder zu Unregelmäßigkeiten bis hin zu Engpässen bei der Bereitstellung von gelöstem Zink kommen. Zudem sinkt die Löserate mit steigender Konzentration an Zink in der Lösung. Darüber hinaus ist die Löserate bei diesen herkömmlichen Verfahren meist stark von der Temperatur abhängig. In der Regel sinkt die Zinklöserate beim Verringern der Temperatur. Im Fall von alkalischen, cyanidfreien Zinkbädern ist auf eine Betriebstemperatur der Aktivbäder von 20 bis 35°C zu achten (vgl.
Insgesamt wäre daher eine über einen langen Zeitraum aktive und gegenüber äußeren Einflüssen inerte Kathode wünschenswert, mit der eine hohe Zinklöserate auch in realen alkalischen Zinkbädern realisiert werden kann und kein negativer Einfluss auf die Funktionsweise dieser Zinkbäder beobachtet wird.Overall, therefore, a cathode that is active over a long period of time and resistant to external influences would be desirable, with which a high zinc dissolution rate can also be achieved in real alkaline zinc baths and no negative influence on the functioning of these zinc baths is observed.
Im Stand der Technik gibt es einige Ansatzpunkte, um diese Problematik zu lösen:
- In der Patentschrift
US 5,302,260
- In the patent
US 5,302,260
In der Offenlegungsschrift
In
Die oben beschriebenen Verfahren werden aus Kostengründen, unzureichender Badverträglichkeit, zu geringer Zinklöserate, ungenügender Robustheit oder auch aus ökologischen und regulatorischen Überlegungen nicht großtechnisch eingesetzt, um Zink für die galvanische Beschichtung in Lösung zu bringen.The above-described methods are not used industrially for reasons of cost, inadequate bath compatibility, too low zinc dissolution rates, inadequate robustness, or even for ecological and regulatory considerations, in order to bring zinc into solution for electroplating.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Auflösen von metallischem Zink oder einer Zinklegierung bereitzustellen, das aus den Verfahren des Stands der Technik resultierende Bedürfnisse reduziert oder überwindet. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges, ökologisch akzeptables, robustes Verfahren mit hoher Zinklöserate bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum galvanischen Beschichten mit Zink oder einer Zinklegierung, das das Verfahren zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung verwendet, sowie eine Vorrichtung zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung bereitzustellen.It is therefore an object of the present invention to provide an improved process for dissolving metallic zinc or a zinc alloy which reduces or overcomes needs arising from the prior art processes. It is especially a task of the present invention to provide a low cost, ecologically acceptable, robust high zinc dissolving process. Another object is to provide a zinc or zinc alloy plating method using the zinc or zinc alloy dissolution method, and a zinc or zinc alloy dissolution apparatus.
Die genannten Aufgaben werden durch das Verfahren zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung, das Verfahren zum galvanischen Beschichten mit Zink oder einer Zinklegierung und der Vorrichtung zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Abhängige Ansprüche geben weitere vorteilhafte Ausgestaltungen an.The above objects are achieved by the method of dissolving zinc or a zinc alloy, the method of electroplating zinc or a zinc alloy, and the device for dissolving zinc or a zinc alloy according to the independent claims. Dependent claims indicate further advantageous embodiments.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung. Gemäß diesem Verfahren wird metallisches Zink, also Zink(0), oder eine Zinklegierung in elektrisch leitenden Kontakt mit einer Eisenschicht gebracht und mit dieser ganz oder teilweise in eine wässrige, alkalische Lösung getaucht. Die Eisenschicht besteht aus einem auf ein Substrat thermisch aufgespritzten Eisenmaterial. Diese Eisenschicht wird im Folgenden auch als "thermisch gespritzte Eisenschicht" bezeichnet.One aspect of the invention relates to a method of dissolving zinc or a zinc alloy. According to this method, metallic zinc, ie zinc (0), or a zinc alloy is brought into electrically conductive contact with an iron layer and immersed with it in whole or in part in an aqueous, alkaline solution. The iron layer consists of an iron material thermally sprayed onto a substrate. This iron layer is also referred to below as "thermally sprayed iron layer".
Bei dem Verfahren wird also metallisches Zink (also Zink der Oxidationsstufe null) aufgelöst und liegt dann in der Lösung als Zn(II), beispielsweise als Zinkat, vor. Zink(0) kann ggf. auch aus einer Legierung herausgelöst werden, sodass Rückstände der Legierung verbleiben und nicht die gesamte Legierung aufgelöst wird. Eine solche Variante wird erfindungsgemäß zum "Auflösen" einer Zinklegierung gezählt.In the process, therefore, metallic zinc (ie zero oxidation state zinc) is dissolved and is then present in the solution as Zn (II), for example as zincate. If necessary, zinc (0) can also be dissolved out of an alloy so that residues of the alloy remain and not the entire alloy is dissolved. Such a variant is counted according to the invention for "dissolving" a zinc alloy.
Zum Auflösen wird das Zink oder die Zinklegierung (Anode) in elektrisch leitenden Kontakt mit der thermisch gespritzten Eisenschicht (Kathode) gebracht. Dabei kann ein unmittelbarer oder ein mittelbarer räumlicher Kontakt zwischen Zink bzw. Zinklegierung und der Eisenschicht bestehen. Ein unmittelbarer räumlicher Kontakt liegt vor, wenn die thermisch gespritzte Eisenschicht direkt an das Zink bzw. die Zinklegierung angrenzt. Ein Beispiel hierfür wäre ein mit der Eisenschicht beschichteter Lösekorb, zum Beispiel ein Stahlkorb, der mit Zink bzw. Zinklegierung beispielsweise in Form von Pellets, Granalien oder Kugeln gefüllt ist.For dissolution, the zinc or zinc alloy (anode) is brought into electrically conductive contact with the thermally sprayed iron layer (cathode). It can be an immediate or indirect spatial contact between zinc or zinc alloy and the iron layer. Direct physical contact occurs when the thermally sprayed iron layer is directly adjacent to the zinc or zinc alloy. An example of this would be a releasing basket coated with the iron layer, for example a steel basket filled with zinc or zinc alloy, for example in the form of pellets, granules or spheres.
Ein mittelbarer räumlicher Kontakt liegt vor, wenn die thermisch gespritzte Eisenschicht nicht direkt an das Zink bzw. die Zinklegierung angrenzt, also beabstandet ist. Eine solche Beabstandung kann beispielsweise mittels eines Abstandshalters, zum Beispiel eine Beilagscheibe, realisiert sein. Es ist auch möglich, das Zink bzw. die Zinklegierung und das Substrat mit der thermisch gespritzten Eisenschicht separat voneinander in das Bad zu hängen. Der elektrisch leitende Kontakt zwischen Eisenschicht und Zink bzw. Zinklegierung kann dann über einen metallischen Leiter, zum Beispiel ein Metallstift, eine Metallschraube oder ein Kabel, erfolgen, der die Eisenschicht mit dem Zink bzw. der Zinklegierung elektrisch leitend verbindet.An indirect spatial contact is present when the thermally sprayed iron layer is not directly adjacent to the zinc or the zinc alloy, that is spaced apart. Such a spacing can be realized for example by means of a spacer, for example a washer. It is also possible to hang the zinc or zinc alloy and the substrate with the thermally sprayed iron layer separately from each other in the bath. The electrically conductive contact between the iron layer and zinc or zinc alloy can then take place via a metallic conductor, for example a metal pin, a metal screw or a cable, which electrically conductively connects the iron layer to the zinc or zinc alloy.
Um Zink in Lösung zu bringen, müssen das Zink bzw. die Zinklegierung sowie die Eisenschicht ganz oder teilweise in die wässrige, alkalische Lösung eintauchen. Folglich bilden Zink bzw. Zinklegierung und die thermisch gespritzte Eisenschicht jeweils Oberflächen, die unmittelbar mit der wässrigen, alkalischen Lösung in Kontakt kommen.In order to bring zinc into solution, the zinc or the zinc alloy and the iron layer must be completely or partially immersed in the aqueous, alkaline solution. Consequently, zinc or zinc alloy and the thermally sprayed iron layer respectively form surfaces which come into direct contact with the aqueous alkaline solution.
Überraschend wurde gefunden, dass mit dem Verfahren hohe Zinklöseraten ermöglicht werden, die deutlich über denen herkömmlicher Verfahren liegen, bei denen ein unbehandeltes Stahl- oder Eisenblech oder ein verrostetes Stahlblech als Kathode verwendet wird. Darüber hinaus können hohe Zinklöseraten über einen langen Zeitraum und auch bei hohen Zinkkonzentrationen in der wässrigen alkalischen Lösung ermöglicht werden. Somit erlaubt das erfindungsmäße Verfahren, binnen vergleichsweise kurzer Zeit eine größere Menge an gelöstem Zink und auch gelöstes Zink in hohen Konzentrationen bereitzustellen. Hierdurch kann die Zinkkonzentration, zum Beispiel bei in galvanischen Verfahren verwendeten Zinkbädern, leichter und zuverlässiger gesteuert werden. Des Weiteren ist es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich, kleinere Volumina an Zinklösung vorrätig zu halten bzw. kleinere Zinklöseabteile zu verwenden, da Zink bei Bedarf rasch und in höherer Konzentration in Lösung gebracht werden kann.Surprisingly, it has been found that the process enables high zinc dissolution rates which are significantly higher than those of conventional processes in which an untreated steel or iron sheet or a rusted steel sheet is used as the cathode. In addition, high levels of zinc dissolution can occur over a long period of time and even at high zinc concentrations in the aqueous alkaline solution be enabled. Thus, the erfindungsmäße method allows to provide within a relatively short time a larger amount of dissolved zinc and dissolved zinc in high concentrations. This allows the zinc concentration to be more easily and reliably controlled, for example, in zinc baths used in galvanic processes. Furthermore, it is possible by the method according to the invention to keep smaller volumes of zinc solution in stock or to use smaller zinc solution compartments, since zinc can be brought into solution quickly and in higher concentration if required.
In Bezug auf die Wirtschaftlichkeit werden neben der gesteigerten Prozesssicherheit auch in Bezug auf die Anlagentechnik Vorteile erhalten, da generell kompakter geplant bzw. weniger Lösung verwendet werden kann. Ebenso können Lösezeiten bzw. Entzinkungszeiten verkürzt werden. Eine Beschränkung von galvanischen Verfahren durch das Auflösen des Zinks wird somit überwunden oder zumindest deutlich gemildert. Des Weiteren ist die Eisenschicht leicht und kostengünstig mittels thermischen Spritzens herstellbar. Aus der guten Wirtschaftlichkeit ergeben sich natürlich auch ökologische Vorteile, wie niedrigerer Materialeinsatz und geringerer Energieverbrauch.In terms of cost-effectiveness, in addition to the increased process reliability, advantages are also obtained with regard to the system technology, since in general a more compact design or less solution can be used. Likewise, dissolution times or Entzinkungszeiten can be shortened. A limitation of galvanic processes by the dissolution of the zinc is thus overcome or at least significantly mitigated. Furthermore, the iron layer can be produced easily and inexpensively by means of thermal spraying. Of course, good economic efficiency also results in ecological advantages, such as lower material usage and lower energy consumption.
Die Erfinder haben weiterhin gefunden, dass das obige Verfahren zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung sehr robust ist. Es zeigt nur eine geringe Abhängigkeit von der Temperatur und kann bei allen für galvanisches Beschichten mit Zink gängigen Temperaturen betrieben werden. Des Weiteren ist das Verfahren unempfindlich gegenüber den gängigen Additiven, die in Zinkbädern für die galvanische Beschichtung verwendet werden. Organische Additive können ohne weiteres eingesetzt werden. Das Verfahren ist somit insbesondere dafür geeignet, gelöstes Zink für galvanische Verfahren bereitzustellen.The inventors have further found that the above method of dissolving zinc or a zinc alloy is very robust. It shows only a small dependence on the temperature and can be operated at all common for galvanic coating with zinc temperatures. Furthermore, the process is insensitive to the common additives used in zinc baths for electroplating. Organic additives can be readily used. The method is therefore particularly suitable for providing dissolved zinc for galvanic processes.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die wässrige, alkalische Lösung cyanidfrei. Sie ist bevorzugt ein alkalisches, cyanidfreies Zinkbad bzw. ein Zinkelektrolyt, der für das galvanische Abscheiden von Zink oder Zinklegierungen geeignet ist. Das Zinkbad kann ein oder mehrere typische Additive für alkalische Zinkbäder, wie zum Beispiel Glanzbildner, Tenside, Polymere, Carbonate, Silicate und Komplexbildner, enthalten.According to a further embodiment, the aqueous, alkaline solution is cyanide-free. It is preferably an alkaline, cyanide-free zinc bath or a zinc electrolyte, which is suitable for the electrodeposition of zinc or zinc alloys. The zinc bath may contain one or more typical additives for alkaline zinc baths, such as brighteners, surfactants, polymers, carbonates, silicates, and chelating agents.
Das Verfahren zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung kann somit mit einem Verfahren zum galvanischen Beschichten mit Zink oder einer Zinklegierung kombiniert werden.The method for dissolving zinc or a zinc alloy can thus be combined with a process for electroplating with zinc or a zinc alloy.
Ein weiteres Anwendungsfeld des Verfahrens zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung ist das Entzinken von Zink oder Zinklegierung enthaltendem Altmetall (z.B. Schrott). Das Altmetall enthält zumindest an der Oberfläche metallisches Zink oder eine Zinklegierung. Beispiele für Zink oder Zinklegierung enthaltendes Altmetall sind Metall mit einer Beschichtung aus galvanisch abgeschiedenem Zink oder galvanisch abgeschiedener Zinklegierung, feuerverzinktes Metall und mit Zinklamellen überzogenes Metall.Another field of application of the process for dissolving zinc or a zinc alloy is the dezincing of scrap metal containing zinc or zinc alloy (e.g., scrap metal). The scrap contains at least on the surface of metallic zinc or a zinc alloy. Examples of zinc or zinc alloy-containing scrap metal are metal having a coating of electrodeposited zinc or electrodeposited zinc alloy, hot-dip galvanized metal and zinc flake-coated metal.
Die wässrige, alkalische Lösung kann ein Hydroxid, beispielsweise ein Alkalimetallhydroxid und/oder ein Erdalkalimetallhydroxid, enthalten. Bevorzugt sind dabei Natriumhydroxid und/oder Kaliumhydroxid. Der pH-Wert der wässrigen, alkalischen Lösung beträgt üblicherweise 10 oder mehr, bevorzugt 12 oder mehr, besonders bevorzugt 13 oder mehr.The aqueous alkaline solution may contain a hydroxide, for example, an alkali metal hydroxide and / or an alkaline earth metal hydroxide. Preference is given to sodium hydroxide and / or potassium hydroxide. The pH of the aqueous alkaline solution is usually 10 or more, preferably 12 or more, more preferably 13 or more.
Das aufzulösende Zink bzw. die aufzulösende Zinklegierung können grundsätzlich in beliebiger Form, beispielsweise in Form eines Blechs, einer Beschichtung auf einem Träger, als Barren oder im Falle eines Lösekorbes als Pellets, Granalien, Kugeln oder ähnliches, vorliegen. Für das Verfahren können metallisches Zink, eine Zinklegierung oder auch Kombinationen davon eingesetzt werden. Eine Zinklegierung enthält bevorzugt mindestens 50 Gew.% Zink, mehr bevorzugt mindestens 75 Gew.% Zink, besonders bevorzugt mindestens 95 Gew.% Zink, zum Beispiel 98.0 bis 99.9 Gew.%.The zinc to be dissolved or the zinc alloy to be dissolved can basically be present in any desired form, for example in the form of a sheet, a coating on a support, as ingots or in the case of a dissolving basket as pellets, granules, spheres or the like. For the process, metallic zinc, a zinc alloy or combinations used of it. A zinc alloy preferably contains at least 50% by weight of zinc, more preferably at least 75% by weight of zinc, more preferably at least 95% by weight of zinc, for example 98.0 to 99.9% by weight.
Wie oben bereits ausgeführt, ist die Eisenschicht eine thermisch gespritzte Eisenschicht. Das heißt, sie wurde durch ein thermisches Spritzverfahren auf dem Substrat erhalten bzw. ist durch ein solches Verfahren erhältlich. Die Herstellung mittels thermischen Spritzens ist leicht durchführbar und mit weniger Aufwand verbunden als zum Beispiel die Herstellung von Raney-Katalysatoren, sodass sich gegenüber letzteren auch wirtschaftliche Vorteile ergeben.As stated above, the iron layer is a thermally sprayed iron layer. That is, it was obtained by a thermal spraying method on the substrate or is obtainable by such a method. The production by means of thermal spraying is easy to carry out and associated with less effort than, for example, the production of Raney catalysts, so that there are also economic advantages over the latter.
Die thermisch gespritzte Eisenschicht enthält Eisen(0) und mindestens eine oder mehrere Eisen(III)-SauerstoffVerbindungen. Eisen(III)-Sauerstoff-Verbindungen können beispielsweise in einer XPS-Analyse einer thermisch gespritzten Eisenschicht nachgewiesen werden. Die Eisen(III)-Sauerstoff-Verbindungen bilden sich beim thermischen Spritzen des Eisenmaterials, das heißt durch Reaktion von Eisen mit Sauerstoff.The thermally sprayed iron layer contains iron (0) and at least one or more iron (III) oxygen compounds. Iron (III) oxygen compounds can be detected, for example, in an XPS analysis of a thermally sprayed iron layer. The iron (III) oxygen compounds are formed by thermal spraying of the iron material, that is by reaction of iron with oxygen.
Die Eisen(III)-Sauerstoff-Verbindungen beinhalten mindestens eine Verbindung, ausgewählt aus einem Eisen(III)-Oxid, einem Eisen(III)-Oxidhydroxid, einem Eisen(III)-Hydroxid und Kombinationen davon. Hierbei ist davon auszugehen, dass sich Hydroxidverbindungen, zum Beispiel an der Oberfläche der thermisch gespritzten Eisenschicht, auch in Gegenwart der wässrigen, alkalischen Lösung bilden können. Nach dem thermischen Spritzen und vor dem Einsatz in der wässrigen, alkalischen Lösung enthält die gespritzte Eisenschicht insbesondere mindestens eine Eisen(III)-SauerstoffVerbindung, ausgewählt aus Eisen(III)-Oxid (Fe2O3), Eisen(III)-Oxidhydroxid (FeOOH) oder einer Kombination davon.The iron (III) oxygen compounds include at least one compound selected from an iron (III) oxide, an iron (III) oxide hydroxide, a ferric hydroxide and combinations thereof. It can be assumed that hydroxide compounds, for example on the surface of the thermally sprayed iron layer, can also be formed in the presence of the aqueous, alkaline solution. After thermal spraying and before use in the aqueous alkaline solution, the sprayed iron layer contains in particular at least one iron (III) oxygen compound selected from iron (III) oxide (Fe 2 O 3 ), iron (III) oxide hydroxide ( FeOOH) or a combination thereof.
Das zum thermischen Spritzen verwendete Eisenmaterial enthält üblicherweise metallisches Eisen und/oder eine Eisenlegierung. Geeignete Eisenlegierungen sind insbesondere solche, die mindestens ein von Eisen verschiedenes Übergangsmetall und/oder Kohlenstoff enthalten. Eine geeignete Eisenlegierung kann auch aus Eisen und dem mindestens einen Übergangsmetall und/oder Kohlenstoff bestehen. Bei den Eisenlegierungen ist das Übergangsmetall zum Beispiel aus Mangan, Nickel, Kupfer, Molybdän, Zirkonium und Kombinationen davon ausgewählt.The iron material used for thermal spraying usually contains metallic iron and / or an iron alloy. Suitable iron alloys are, in particular, those which contain at least one transition metal other than iron and / or carbon. A suitable iron alloy may also consist of iron and the at least one transition metal and / or carbon. In the iron alloys, the transition metal is selected, for example, from manganese, nickel, copper, molybdenum, zirconium, and combinations thereof.
Das zum thermischen Spritzen verwendete Eisenmaterial kann zum Beispiel mindestens 60 Gew.% Eisen enthalten. Die Angabe des Eisengehalts bezieht sich sowohl auf Eisen in Form von metallischem Eisen, oben beschriebenen Eisenlegierungen und anderen Eisenverbindungen. Sie gibt also den Gesamtgehalt an Eisen bezogen auf das Gesamtgewicht des für das thermische Spritzen verwendeten Eisenmaterials an.The iron material used for the thermal spraying may contain, for example, at least 60% by weight of iron. The content of iron refers to both iron in the form of metallic iron, iron alloys described above, and other iron compounds. It thus indicates the total iron content based on the total weight of the iron material used for thermal spraying.
Die Erfinder haben gefunden, dass ein hoher Eisengehalt in dem Eisenmaterial zu besonders hohen Zinklöseraten führt. Bevorzugt enthält das zum thermischen Spritzen verwendete Eisenmaterial daher mindestens 80 Gew.% Eisen, mehr bevorzugt mindestens 90 Gew.% und noch mehr bevorzugt mindestens 95 Gew.% Eisen, bezogen auf das Gesamtgewicht des Eisenmaterials.The inventors have found that a high iron content in the iron material results in particularly high zinc dissolution rates. Preferably, the iron material used for thermal spraying therefore contains at least 80% by weight of iron, more preferably at least 90% by weight and even more preferably at least 95% by weight of iron, based on the total weight of the iron material.
Bevorzugt wird als Eisenmaterial einfach metallisches Eisen oder ein Stahl, der beispielsweise neben Eisen geringe Mengen (< 5 Gew.%, insbesondere < 2 Gew.%) an Kohlenstoff und Übergangsmetall enthält, verwendet. Hierdurch können besonders günstige, umweltfreundliche thermisch gespritzte Eisenschichten erzeugt werden, mit denen hohe Zinklöseraten ermöglicht werden.The iron material used is preferably metallic iron or a steel which, in addition to iron for example, contains small amounts (<5% by weight, in particular <2% by weight) of carbon and transition metal. As a result, particularly favorable, environmentally friendly thermally sprayed iron layers can be produced, with which high zinc dissolution rates are made possible.
Das Eisenmaterial wird bevorzugt in einer für das thermische Spritzen geeigneten Form, zum Beispiel als Pulver oder Draht, eingesetzt.The iron material is preferably used in a form suitable for thermal spraying, for example as a powder or wire.
Üblicherweise werden beim thermischen Spritzen erhitzte, an-, ab- bzw. aufgeschmolzene Spritzpartikel beschleunigt und auf das Substrat geschleudert. Hierdurch wird eine gute Anbindung an das Substrat und eine rissfeste Eisenschicht gebildet. Hierbei erfolgt vermutlich auch eine Oxidation, insbesondere an der Oberfläche der Partikel, wodurch eine oder mehrere Eisen(III)-Sauerstoff-Verbindungen gebildet werden.Usually, during the thermal spraying, heated, on, off or molten spray particles are accelerated and thrown onto the substrate. As a result, a good connection to the substrate and a crack-resistant iron layer is formed. In this case, an oxidation, presumably also takes place on the surface of the particles, whereby one or more iron (III) oxygen compounds are formed.
Verfahrensbedingt wird beim thermischen Spritzen in der Regel eine relativ raue Oberfläche erzeugt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Eisenschicht eine Rauheit Ra von mindestens 4 µm, bevorzugt 5 bis 50 µm, mehr bevorzugt 6 bis 40 µm, auf. Hierbei gibt Ra den arithmetischen Mittenrauwert nach DIN EN ISO 4287:2010 an.Due to the process, a relatively rough surface is usually produced during thermal spraying. According to a preferred embodiment, the iron layer has a roughness Ra of at least 4 μm, preferably 5 to 50 μm, more preferably 6 to 40 μm. Here, Ra indicates the arithmetic mean roughness value according to DIN EN ISO 4287: 2010.
Die Rauheit der thermisch gespritzten Eisenschicht muss nicht zu einer sehr hohen spezifischen Oberfläche führen. In einigen Beispielen wurden deutlich geringere spezifische Oberflächenwerte für eine thermisch gespritzte Eisenschicht als bei einem verrosteten Stahlblech gefunden. Da mit einer thermisch gespritzten Eisenschicht dennoch deutlich höhere Zinklöseraten beobachtet wurden, ist zu vermuten, dass die spezifische Oberfläche der thermisch gespritzten Eisenschicht nur einen geringen Einfluss auf die Zinklöserate hat.The roughness of the thermally sprayed iron layer need not result in a very high specific surface area. In some examples, significantly lower specific surface values were found for a thermally sprayed iron layer than for a rusted steel sheet. Since significantly higher zinc dissolution rates were nevertheless observed with a thermally sprayed iron layer, it can be assumed that the specific surface of the thermally sprayed iron layer has only a slight influence on the zinc dissolution rates.
Die thermisch gespritzte Eisenschicht weist ein vergleichsweise positives Potential auf. So kann die thermisch gespritzte Eisenschicht in 1 M Natronlauge ein Redoxpotential von mehr als +0.6 V aufweisen, wenn als Referenzelektrode eine Wasserstoffelektrode (z.B. eine HydroFlex®-Wasserstoffelektrode der Fa. Gaskatel) verwendet wird.The thermally sprayed iron layer has a comparatively positive potential. Thus, the thermally sprayed layer may comprise iron in 1 M sodium hydroxide solution has a redox potential of more than +0.6 V, when a hydrogen electrode (for example, a hydro-Flex ® -Wasserstoffelektrode Fa. Gaskatel) is used as reference electrode.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Eisenschicht eine durchschnittliche Dicke von 10 µm bis 1000 µm, bevorzugt 30 µm bis 600 µm und besonders bevorzugt 50 µm bis 400 µm, auf. Eine gewisse Schichtdicke ist für die Festigkeit der Eisenschicht hilfreich. Wenn die Schichtdicke zu groß gewählt wird, kann dies wiederum zum Abplatzen der Eisenschicht führen. Die durchschnittliche Dicke der Eisenschicht wird per Rasterelektronenmikroskopie an einem Querschliff der Eisenschicht bestimmt.According to a preferred embodiment, the iron layer has an average thickness of 10 μm to 1000 μm, preferably 30 μm to 600 μm and particularly preferably 50 μm to 400 μm. A certain layer thickness is helpful for the strength of the iron layer. If the layer thickness is chosen too large, this in turn may lead to the iron layer flaking off. The average thickness of the iron layer is determined by scanning electron microscopy on a transverse section of the iron layer.
Grundsätzlich kann das Substrat ein Metall, ein Halbleiter oder ein Nichtmetall sein. Es werden natürlich solche Materialien verwendet, die für das thermische Aufspritzen des Eisenmaterials geeignet sind, also insbesondere eine ausreichende Temperaturstabilität aufweisen. Bevorzugt wird ein Substrat aus Metall, insbesondere Stahl, eingesetzt. Es kann beispielsweise in Form eines Blechs, bevorzugt in Form eines Lochblechs, oder auch in Form eines Korbes vorliegen. Das Substrat ist bevorzugt nicht aus einem thermisch gespritzten Eisenmaterial. Das Substrat dient in erster Linie dazu, dass eine flächige Eisenschicht durch thermisches Spritzen erzeugt werden kann. Die Eisenschicht wird durch das Substrat gestützt.In principle, the substrate may be a metal, a semiconductor or a nonmetal. Of course, those materials are used which are suitable for the thermal spraying of the iron material, so in particular have a sufficient temperature stability. Preferably, a substrate made of metal, in particular steel, is used. It may for example be in the form of a sheet, preferably in the form of a perforated plate, or in the form of a basket. The substrate is preferably not of a thermally sprayed iron material. The substrate primarily serves to produce a flat iron layer by thermal spraying. The iron layer is supported by the substrate.
Zwischen Substrat und der Eisenschicht kann ein Haftgrund angeordnet sein. Dieser kann beispielsweise auf Basis von Bronze, Nickel oder einer Nickel-Titan-Legierung sein oder ganz daraus bestehen. Durch die Verwendung eines Haftgrunds wird die Anhaftung der thermisch gespritzten Schicht auf dem Substrat weiter verbessert. Ein Haftgrund wird bevorzugt flächig unmittelbar auf das Substrat aufgetragen, bevor das Eisenmaterial thermisch aufgespritzt wird. Der Haftgrund kann mit demselben thermischen Spritzverfahren wie die Eisenschicht erzeugt werden, beispielsweise Flammspritzen oder Lichtbogenspritzen. Üblicherweise wird der Haftgrund mit einer Dicke von bis zu 50 µm erzeugt. Wenn ein Haftgrund verwendet wird, so wird das Eisenmaterial in aller Regel unmittelbar auf den Haftgrund thermisch aufgespritzt.Between substrate and the iron layer, a primer may be arranged. This may for example be based on bronze, nickel or a nickel-titanium alloy or consist entirely of it. By using a primer, the adhesion of the thermally sprayed layer to the substrate is further improved. A primer is preferably applied flatly directly to the substrate before the iron material is thermally sprayed on. The primer may be produced by the same thermal spraying method as the iron layer, for example flame spraying or arc spraying. Usually, the primer is produced with a thickness of up to 50 microns. If a primer is used, the iron material is usually sprayed directly on the primer thermally.
Wenn kein Haftgrund verwendet wird, so wird das Eisenmaterial in der Regel unmittelbar auf das Substrat thermisch aufgespritzt.If no primer is used, the iron material is typically thermally sprayed directly onto the substrate.
Die Eisenschicht gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen kann mittels herkömmlicher Verfahren auf das Substrat (mit oder ohne Haftgrund) thermisch aufgespritzt werden. Es kann beispielsweise zur Erzeugung der Eisenschicht das Eisenmaterial gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen mittels einem der folgenden Verfahren auf das Substrat thermisch aufgespritzt werden: Lichtbogen-Drahtspritzen, Thermo-Spray-Pulverspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Plasma-Spritzverfahren, Autogenes Stabspritzen, Autogenes Drahtspritzen, Laserspritzen, Kaltgasspritzen, Detonationsspritzen und PTWA-Spritzen. Diese Verfahren sind dem Fachmann an sich bekannt. Die Eisenschicht kann insbesondere mittels Flammspritzen oder Lichtbogenspritzen erzeugt werden. Für den Einsatz eines pulverförmigen Eisenmaterials eignet sich insbesondere das Flammspritzen. Bei einem drahtförmigen Eisenmaterial eignet sich insbesondere das Lichtbogenspritzen.The iron layer according to one of the embodiments described above can be thermally sprayed onto the substrate (with or without a primer) by means of conventional methods. For example, to produce the iron layer, the iron material according to one of the embodiments described above may be thermally sprayed onto the substrate by one of the following methods: arc wire spraying, thermo spray powder spraying, flame spraying, high velocity flame spraying, plasma spraying, autogenous rod spraying, Autogenous wire spraying, laser spraying, cold gas spraying, detonation spraying and PTWA spraying. These methods are known per se to the person skilled in the art. The iron layer can be produced in particular by means of flame spraying or arc spraying. Flame spraying is particularly suitable for the use of a pulverulent iron material. In the case of a wire-shaped iron material, in particular arc spraying is suitable.
Das Lichtbogenspritzen zeichnet sich durch eine hohe Auftragsrate und einen niedrigen Energieverbrauch aus. Des Weiteren kommt es zu einer vergleichsweise geringen Substraterwärmung, so dass eine große Variabilität beim verwendeten Substrat besteht. Die thermisch gespritzte Eisenschicht wird daher bevorzugt mittels Lichtbogenspritzen erzeugt, insbesondere wenn im industriellen Maßstab gearbeitet wird.Arc spraying is characterized by a high application rate and low energy consumption. Furthermore, there is a comparatively low substrate heating, so that there is great variability in the substrate used. The thermally sprayed iron layer is therefore preferably produced by means of arc spraying, in particular when working on an industrial scale.
Wie oben bereits erwähnt, wird das Zink bzw. die Zinklegierung in elektrisch leitenden Kontakt mit der Eisenschicht gebracht. Dies kann beispielsweise über das Substrat geschehen, wenn dieses elektrisch leitend ausgebildet und in Kontakt mit dem Zink bzw. der Zinklegierung steht. Eine weitere Möglichkeit ist, einen Lösekorb mit einer thermisch gespritzten Eisenschicht zu versehen und das Zink bzw. die Zinklegierung in diesen zu füllen.As mentioned above, the zinc or zinc alloy is brought into electrically conductive contact with the iron layer. This can be done via the Substrate happen when this is electrically conductive and in contact with the zinc or the zinc alloy. Another possibility is to provide a dissolving basket with a thermally sprayed iron layer and to fill the zinc or the zinc alloy in these.
Unabhängig von dem Material des Substrats kann die Eisenschicht auch über einen metallischen Leiter in elektrisch leitenden Kontakt mit dem Zink bzw. der Zinklegierung gebracht werden. Ein solcher Leiter kann beispielsweise ein Metallstab oder eine Metallschraube, zum Beispiel aus Stahl, Kupfer oder einem anderen Metall, das durch die wässrige, alkalische Lösung nicht angegriffen wird, oder ähnliches sein. Hierzu können das Substrat mit der Eisenschicht und das Zink. bzw. die Zinklegierung parallel, zum Beispiel über einen Abstandshalter wie eine Beilagscheibe voneinander getrennt, angeordnet sein. Der metallische Leiter kann dann senkrecht hierzu durch Substrat und Eisenschicht sowie Zink bzw. Zinklegierung geführt werden, um den elektrisch leitenden Kontakt herzustellen. Optional kann der metallische Leiter auch durch den Abstandshalter führen. Eine weitere Möglichkeit ist, den elektrisch leitenden Kontakt über ein Kabel herzustellen, das Zink bzw. Zinklegierung mit der Eisenschicht oder einem metallischen Substrat verbindet.Regardless of the material of the substrate, the iron layer may also be brought into electrical contact with the zinc or zinc alloy via a metallic conductor. Such a conductor may be, for example, a metal rod or a metal screw, for example made of steel, copper or another metal, which is not attacked by the aqueous alkaline solution, or the like. For this purpose, the substrate with the iron layer and the zinc. or the zinc alloy in parallel, for example, via a spacer such as a washer separated from each other to be arranged. The metallic conductor can then be guided perpendicular thereto by substrate and iron layer and zinc or zinc alloy to produce the electrically conductive contact. Optionally, the metallic conductor may also pass through the spacer. Another possibility is to make the electrically conductive contact via a cable that connects zinc or zinc alloy with the iron layer or a metallic substrate.
Wie oben bereits erläutert können das Substrat mit der thermisch gespritzten Eisenschicht und das Zink bzw. die Zinklegierung voneinander beabstandet sein. Hierfür kann ein Abstandshalter, zum Beispiel eine Beilagscheibe, verwendet werden. Es kann auch eine separate Aufhängung von Zink bzw. Zinklegierung und Substrat mit Eisenschicht erfolgen. Der elektrisch leitende Kontakt kann über einen oder mehrere metallische Leiter, zum Beispiel wie im vorstehenden Absatz beschrieben, erfolgen. Die Beabstandung kann somit so ausgestaltet werden, dass die Kontaktfläche mit der wässrigen, alkalischen Lösung des Substrats mit der Eisenschicht sowie des Zinks bzw. der Zinklegierung relativ groß ist.As already explained above, the substrate with the thermally sprayed iron layer and the zinc or zinc alloy can be spaced apart from one another. For this purpose, a spacer, for example a washer, can be used. There may also be a separate suspension of zinc or zinc alloy and substrate with iron layer. The electrically conductive contact can take place via one or more metallic conductors, for example as described in the preceding paragraph. The spacing can thus be designed so that the contact surface with the aqueous, alkaline solution of the substrate with the Iron layer and the zinc or zinc alloy is relatively large.
Das Verfahren zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung ist sehr robust. Es kann über einen breiten Temperaturbereich erfolgreich durchgeführt werden. Die wässrige, alkalische Lösung kann zum Beispiel eine Temperatur von 10 bis 90°C, bevorzugt 15 bis 75°C, besonders bevorzugt 20 bis 60°C, aufweisen. Das Verfahren kann ohne weiteres bei Temperaturen, die für galvanische Zinkbäder typisch sind, insbesondere im Bereich von 10 bis 60°C, bevorzugt 15 bis 50°C und mehr bevorzugt 20 bis 40°C, betrieben werden. Bei solchen Temperaturen sind die üblicherweise in Zinkbädern eingesetzten Additive stabil. Wenn hierauf keine Rücksicht genommen werden muss, zum Beispiel wenn beim Entzinken von Altmetall nur eine einfache Lauge eingesetzt wird, so können höhere Temperaturen verwendet werden.The process for dissolving zinc or a zinc alloy is very robust. It can be carried out successfully over a wide temperature range. The aqueous alkaline solution may, for example, have a temperature of 10 to 90 ° C, preferably 15 to 75 ° C, particularly preferably 20 to 60 ° C. The process can be readily operated at temperatures typical of galvanic zinc baths, especially in the range of 10 to 60 ° C, preferably 15 to 50 ° C and more preferably 20 to 40 ° C. At such temperatures, the additives commonly used in zinc baths are stable. If this need not be taken into account, for example, if the dezincification of scrap metal only a simple caustic solution is used, then higher temperatures can be used.
Bevorzugt wird die wässrige, alkalische Lösung während des Verfahrens durchmischt. Dies kann beispielsweise durch Rühren, Umwälzen oder einem (teilweisen) Austausch der wässrigen, alkalischen Lösung geschehen.Preferably, the aqueous, alkaline solution is mixed during the process. This can be done, for example, by stirring, circulation or (partial) replacement of the aqueous, alkaline solution.
Zum Steuern der Zinklöserate kann die Eintauchtiefe in die wässrige, alkalische Lösung variiert werden. Zum Unterbrechen oder Beenden des Lösevorgangs können Zink bzw. Zinklegierung und Substrat mit der thermisch gespritzten Eisenschicht einfach aus der wässrigen, alkalischen Lösung herausgenommen werden oder die wässrige, alkalische Lösung wird abgelassen.To control the zinc dissolution rates, the immersion depth can be varied into the aqueous, alkaline solution. To interrupt or terminate the dissolution process, zinc or zinc alloy and substrate having the thermally sprayed iron layer can be easily taken out of the aqueous alkaline solution, or the aqueous alkaline solution is drained.
Das Verfahren zum Auflösen von Zink bzw. einer Zinklegierung kann ohne weiteres im industriellen Maßstab durchgeführt werden.The method for dissolving zinc or a zinc alloy can be easily carried out on an industrial scale.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum galvanischen Beschichten mit Zink oder einer Zinklegierung. Dieses Verfahren umfasst:
- (A) das galvanische Abscheiden von Zink oder einer Zinklegierung aus einer wässrigen, alkalischen Lösung, die gelöstes Zink und gegebenenfalls andere gelöste Metalle enthält, auf einem Bauteil oder einem anderen elektrisch leitenden Körper, um das Bauteil oder den elektrisch leitenden Körper mit Zink oder einer Zinklegierung zu beschichten, und
- (B) das Durchführen eines Verfahrens zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen, um gelöstes Zink für den Schritt (A) bereitzustellen.
- (A) the galvanic deposition of zinc or a zinc alloy from an aqueous alkaline solution containing dissolved zinc and optionally other dissolved metals, on a component or other electrically conductive body to the component or the electrically conductive body with zinc or a To coat zinc alloy, and
- (B) performing a method of dissolving zinc or a zinc alloy according to any of the above-described embodiments to provide dissolved zinc for the step (A).
Durch das Verfahren wird ein Bauteil oder ein anderer elektrisch leitender Körper mit Zink oder einer Zinklegierung beschichtet. Die abgeschiedene Zinklegierung kann sich in von der zum Auflösen verwendeten Zinklegierung unterscheiden. Das Verfahren zum galvanischen Abscheiden profitiert von den oben beschriebenen Vorteilen des Verfahrens zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung.The process coats a component or other electrically conductive body with zinc or a zinc alloy. The deposited zinc alloy may differ from the zinc alloy used for dissolution. The method of electrodeposition benefits from the above-described advantages of the method of dissolving zinc or a zinc alloy.
Die Schritte (A) und (B) werden bevorzugt räumlich getrennt voneinander durchgeführt. Der Schritt (B) kann beispielsweise in einem separaten Abteil durchgeführt werden. Die Zink enthaltende wässrige, alkalische Lösung kann dann nach Bedarf dem zum Beschichten verwendeten Zinkbad zugeführt werden, um diesem gelöstes Zink zuzuführen, das beim galvanischen Beschichten verbraucht wird.The steps (A) and (B) are preferably performed spatially separated from each other. For example, step (B) may be performed in a separate compartment. The zinc-containing aqueous alkaline solution may then be supplied as needed to the zinc bath used for coating to supply dissolved zinc, which is consumed in electroplating.
Die Schritte (A) und (B) können somit ohne weiteres zeitgleich oder auch zeitlich versetzt durchgeführt werden.The steps (A) and (B) can thus be carried out at the same time or else offset in time.
Das galvanische Beschichten mit Zink oder einer Zinklegierung aus einer Zink enthaltenden, wässrigen, alkalischen Lösung, insbesondere einem cyanidfreien Zinkbad, ist dem Fachmann an sich bekannt.The galvanic coating with zinc or a zinc alloy from a zinc-containing, aqueous, alkaline solution, in particular a cyanide-free zinc bath, is known per se to a person skilled in the art.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung. Diese Vorrichtung umfasst:
- eine Anordnung mit einer Zinkanode, einer Eisenschicht als Kathode, die in elektrisch leitenden Kontakt mit der Zinkanode steht, wobei
- die Zinkanode metallisches Zink oder eine Zinklegierung umfasst oder daraus besteht,
- die Eisenschicht aus einem auf ein Substrat thermisch aufgespritzten Eisenmaterial besteht, und
- die Vorrichtung einen Behälter umfasst, der zur Aufnahme einer wässrigen, alkalischen Lösung, in die die Anordnung ganz oder teilweise eintauchen kann, geeignet ist.
- an arrangement with a zinc anode, an iron layer as a cathode, which is in electrically conductive contact with the zinc anode, wherein
- the zinc anode comprises or consists of metallic zinc or a zinc alloy;
- the iron layer consists of an iron material thermally sprayed onto a substrate, and
- the device comprises a container which is suitable for receiving an aqueous, alkaline solution into which the arrangement can completely or partially submerge.
Der Behälter, zum Beispiel eine Wanne, ist also von seinen Dimensionen her groß genug, dass die Anordnung ganz oder teilweise hineinpasst.The container, for example a tub, is thus large enough in terms of dimensions that the arrangement fits in whole or in part.
Diese Anordnung bzw. die Vorrichtung ist zum Auflösen von Zink bzw. einer Zinklegierung geeignet. Zum Betrieb der Vorrichtung wird dann eine wässrige, alkalische Lösung, bevorzugt ein alkalisches, cyanidfreies Zinkbad, in den Behälter gefüllt, und die Anordnung ganz oder teilweise darin eingetaucht. Der Behälter enthält bevorzugt eine Öffnung zum Befüllen und einen verschließbaren Auslass, um die wässrige alkalische Lösung ablassen zu können.This arrangement or the device is suitable for dissolving zinc or a zinc alloy. To operate the device, an aqueous, alkaline solution, preferably an alkaline, cyanide-free zinc bath, is then filled into the container and the assembly wholly or partially immersed therein. The container preferably contains an opening for filling and a closable outlet in order to drain the aqueous alkaline solution.
Des Weiteren umfasst die Vorrichtung bevorzugt Mittel, mit denen im Betrieb der Vorrichtung die Eintauchtiefe der Anordnung in die wässrige, alkalische Lösung gesteuert werden kann. Bevorzugt kann die Anordnung dann auch ganz aus der wässrigen, alkalischen Lösung herausgenommen werden, um den Lösevorgang zu unterbrechen. Die Steuerung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Anordnung unterschiedlich hoch aufgehängt wird. Zur Steuerung des Verfahrens kann die wässrige, alkalische Lösung auch teilweise oder vollständig abgelassen werden.Furthermore, the device preferably comprises means with which the depth of immersion of the arrangement into the aqueous, alkaline solution can be controlled during operation of the device. Preferably, the arrangement can then be removed completely from the aqueous alkaline solution to interrupt the dissolution process. The control can be effected, for example, by the arrangement being suspended at different heights. To control the Method, the aqueous alkaline solution can also be partially or completely drained.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung Mittel, um die wässrige, alkalische Lösung während des Auflöseverfahrens zu durchmischen. Die Vorrichtung kann beispielsweise Mittel zum Rühren, Umwälzen oder für einen (teilweisen) Austausch der wässrigen, alkalischen Lösung aufweisen.According to another embodiment, the device comprises means for mixing the aqueous alkaline solution during the dissolution process. The device can, for example, comprise means for stirring, circulating or for a (partial) replacement of the aqueous, alkaline solution.
Die Vorrichtung kann auch Mittel umfassen, um die Temperatur in der wässrigen, alkalischen Lösung zu regulieren.The device may also include means to regulate the temperature in the aqueous alkaline solution.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung entspricht die Eisenschicht einer Eisenschicht gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausführungsformen.
- Zusätzlich oder stattdessen entspricht das Substrat einem Substrat gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Es kann beispielsweise aus Metall, bevorzugt aus Stahl, sein. Es kann beispielsweise als Blech, Lochblech oder Korb geformt sein.
- Zusätzlich oder stattdessen kann zwischen Substrat und Eisenschicht ein Haftgrund, bevorzugt auf Basis von Bronze, Nickel oder einer Nickel-Titan-Legierung, angeordnet sein.
- Additionally or instead, the substrate corresponds to a substrate according to one of the embodiments described above. It may for example be made of metal, preferably of steel. It can be shaped, for example, as a sheet metal, perforated plate or basket.
- In addition or instead, a primer, preferably based on bronze, nickel or a nickel-titanium alloy, can be arranged between the substrate and the iron layer.
Die Vorrichtung kann mit einem Galvanikbad kombiniert werden.The device can be combined with a galvanic bath.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren und Beispielen näher erläutert, ohne dass hierdurch die in den Patentansprüchen definierte Erfindung begrenzt werden soll.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to figures and examples, without thereby limiting the invention defined in the claims invention.
Es zeigen
- Fig. 1
- an einem Querschliff einer thermisch gespritzten Eisenschicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufgenommene XPS-Spektren;
- Fig. 2
- REM-Aufnahmen der Oberfläche dieser thermisch gespritzten Eisenschicht bei 500-facher Vergrößerung sowie bei 100-facher Vergrößerung; und
- Fig. 3
- ein dazugehöriges EDX-Spektrum;
- Fig. 4
- an einem Querschliff einer thermisch gespritzten Eisenschicht auf einem Stahlsubstrat mit einem Nickel/Titan-Haftgrund gemachte REM-Aufnahmen bei 100-facher Vergrößerung und 500-facher Vergrößerung; und
- Fig. 5
- dazugehörige EDX-Spektren;
- Fig. 6
- eine
Langzeitstromdichtemessung von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1; und - Fig. 7
- eine schematische Darstellung einer in
den Beispielen 2bis 10 und Vergleichsbeispielen 2bis 8 verwendeten Anordnung zur Messung der Zinklöserate.
- Fig. 1
- XPS spectra recorded on a transverse section of a thermally sprayed iron layer according to an embodiment of the invention;
- Fig. 2
- SEM images of the surface of this thermally sprayed iron layer at 500x magnification and at 100x magnification; and
- Fig. 3
- an associated EDX spectrum;
- Fig. 4
- SEM images taken at a cross section of a thermal sprayed iron layer on a steel substrate with a nickel / titanium primer at 100x magnification and 500x magnification; and
- Fig. 5
- associated EDX spectra;
- Fig. 6
- a long term current density measurement of Example 1 and Comparative Example 1; and
- Fig. 7
- a schematic representation of an arrangement used in Examples 2 to 10 and Comparative Examples 2 to 8 for the measurement of zinc solubles.
Um die Zusammensetzung und den Aufbau einer thermisch gespritzten Eisenschicht gemäß einer Ausführungsform der Erfindung näher zu charakterisieren, wurden zunächst die in
An einem Querschliff der thermisch gespritzten Eisenschicht wurden drei XPS-Spektren (Fe2p und Ols) innerhalb der Beschichtung aufgenommen, die in
In allen Messungen wurden neben Eisen(0) vor allem Eisen(III)-Verbindungen nachgewiesen. Es konnten insbesondere die Eisen(III)-Sauerstoff-Verbindungen FeOOH und Fe2O3 nachgewiesen werden. Auffällig ist, dass an der Oberfläche der thermisch gespritzten Eisenschicht mehr Eisen(III)-Sauerstoff-Verbindungen als im Innern der Schicht aufgefunden wurden.In addition to iron (0), iron (III) compounds were mainly detected in all measurements. In particular, the iron (III) oxygen compounds FeOOH and Fe 2 O 3 could be detected. It is noticeable that more iron (III) oxygen compounds were found on the surface of the thermally sprayed iron layer than in the interior of the layer.
Die XPS-Analyse wurde mit einer XPS Quantum 2000 Anlage durchgeführt, die mit einem 180° hemisphärischen Analysator und einem 16 Kanaldetektor ausgestattet ist. Die Spektren wurden durch eine fokussierte, monochromatische Röntgenquelle (Al-Kα, 1486,68 eV) mit einem Strahldurchmesser von 50 µm und einer Leistung von 12 W aufgenommen. Der Druck in der Analysenkammer betrug ca. 5 x 10-7 Pa. Das Gerät wurde im FAT-Modus des Analysators betrieben und mit einem "take-off" Winkel des Elektrons von 45° zur Oberflächennormalen. Die Proben wurden mit Hilfe einer Elektronenkanone (Kaltkatode 1,2 eV) und eines niederenergetischen Ar-Ionenstrahls (10 eV) neutralisiert. Zuvor wurde eine Sputter-Reinigung mit Hilfe eines Ar-Ionenstrahl mit einer Energie von 2 kV, gerastert über die Fläche von 3 x 3 mm, durchgeführt.The XPS analysis was performed on an
An dem in
Für die in
In
Wie in
An den mit "7" bzw. "8" gekennzeichneten Kornrändern von aufgeschleuderten Eisenpartikeln wurden Eisen(0) und Eisen(III)-Sauerstoff-Verbindungen nachgewiesen, was in den
Die Rauheit von einem unbeschichteten Bandstahlblech, einem verrosteten Stahlblech und zwei erfindungsgemäßen thermisch gespritzten Eisenschichten wurden analog zu DIN EN ISO 4287:2010 gemessen. Dabei wurde statt dem Tastschnittverfahren mit einem Konfokalmikroskop (µsurf explorer der NanoFocus AG) gemessen und dann gemäß DIN EN ISO 4287:2010 ausgewertet. Die erfindungsgemäßen thermisch gespritzten Eisenschichten wurden mit einem Eisenpulver (Beispiel 2) bzw. einem Eisendraht (Beispiel 4) als Eisenmaterial hergestellt.
Wie oben bereits erwähnt, wurde bei den erfindungsgemäßen thermisch gespritzten Eisenschichten eine robuste, raue Oberflächenstruktur aufgefunden. Diese wiesen etwa das 7-fache bzw. 23-fache der Rauheit Ra des verrosteten Stahlblechs auf.As already mentioned above, in the thermally sprayed iron layers according to the invention, a robust, rough surface structure was found. These showed about 7 times or 23 times the roughness Ra of the rusted steel sheet.
Die erhöhte Rauheit der thermisch gespritzten Eisenschicht spiegelte sich allerdings nur bedingt in einer großen spezifischen Oberfläche wider. Bei der durch thermisches Spritzen mit einem Eisendraht als Eisenmaterial auf einem Stahlblech erzeugten Eisenschicht wurde ein Wert von 0,0141 m2/g für die spezifische Oberfläche ermittelt. Das atmosphärisch verrostete Stahlblech ergab im Vergleich hierzu einen deutlich höheren Wert von 0,2171 m2/g. Überraschenderweise wurde festgestellt, dass ein verrostete Stahlblech trotz der etwa 15fach höheren spezifischen Oberfläche eine geringe Zinklöserate ergab (siehe Tabelle 4). Bei dem unbeschichteten Bandstahlblech war keine Bestimmung der spezifischen Oberfläche möglich. Die gemessenen Werte sind in Tabelle 2 zusammengefasst.However, the increased roughness of the thermally sprayed iron layer was only partially reflected in a large specific surface area. In the iron layer produced by thermal spraying with an iron wire as an iron material on a steel sheet, a value of 0.0141 m 2 / g was determined for the specific surface area. In comparison, the atmospheric rusted steel sheet gave a significantly higher value of 0.2171 m 2 / g. Surprisingly, it was found that a rusted steel sheet gave a low zinc dissolution rate despite the approximately 15 times higher specific surface area (see Table 4). In the uncoated band steel sheet, no determination of the specific surface area was possible. The measured values are summarized in Table 2.
Die spezifische Oberfläche bezeichnet eine BET spezifische Oberfläche gemessen gemäß DIN ISO 9277 (Krypton bei 77 K).
Des Weiteren wurde das Redoxpotential in 1 M Natronlauge gemessen. Als Referenzelektrode diente eine Wasserstoffelektrode (HydroFlex®-Wasserstoffelektrode der Fa. Gaskatel). In Tabelle 4 sind die Messwerte, die sich nach 1 Stunde eingestellt hatten, angegeben.
Wie in Tabelle 3 gezeigt, ergaben sich zwischen den thermischen gespritzten Beschichtungen aus einem Eisendraht bzw. einem Eisenpulver als Eisenmaterial nur unwesentliche Unterschiede hinsichtlich des Redoxpotentials. Insgesamt lagen die Potentiale im Vergleich zu dem unbeschichteten Stahlblech bei deutlich positiveren Werten.As shown in Table 3, there were only insignificant differences in the redox potential between the thermal sprayed coatings of iron wire and iron powder as the iron material. Overall, the potentials compared to the uncoated steel sheet were significantly more positive.
Herstellung der Kathoden:Preparation of the cathodes:
Ein Stahlblech (A = 0,175 dm2) wurde entfettet, mit Glasperlen (Durchmesser 150 bis 250 µm) gestrahlt und anschließend mit Druckluft von anhaftenden Resten befreit. Das Stahlblech wurde dann mittels Lichtbogenspritzen thermisch bespritzt. Dabei wurde ein Eisendraht (sogenannter Eisen-Lichtbogendraht mit 0,7 Gew.% Mn, 0,07 Gew.% C und dem Rest Fe; Durchmesser 1,6 mm) im Lichtbogen (Temperatur 3000 bis 4000°C am Brennerkopf) abgeschmolzen und mit Druckluft (6 bar) als Zerstäubergas auf das Stahlblech gestrahlt. Durch Schwenken des Strahls im Abstand von 15 bis 18 cm wurde eine gleichmäßige, ca. 300 µm dicke thermisch gespritzte Eisenschicht erzeugt. Dieses beschichtete Stahlblech diente als Kathode für die unten beschriebene Langzeitmessung der Stromdichte.A steel sheet (A = 0.175 dm 2 ) was degreased, blasted with glass beads (diameter 150 to 250 microns) and then freed of adhering residues with compressed air. The steel sheet was then thermally sprayed by arc spraying. In this case, an iron wire (so-called iron arc wire with 0.7 wt.% Mn, 0.07 wt.% C and the balance Fe, diameter 1.6 mm) in the arc (
Ein Stahlblech (A = 0,175 dm2) wurde entfettet.A steel sheet (A = 0.175 dm 2 ) was degreased.
Versuchsdurchführung:
- Die katalytische Wirkung der Kathode auf die Zinklöserate bzw. die entsprechende Wasserstoffentwicklung beim Auflösen von Zink oder einer Zinklegierung spiegelt sich in der Stromdichte wider, die in einem elektrischen Leiter, der Zinkanode und die Kathode miteinander verbindet, fließt. In
Fig. 6 ist eine Langzeitmessung dieser Stromdichte gezeigt (x-Achse: Zeit t in Sekunden, y-Achse: Stromdichte in A/dm2). Dabei diente jeweils eine Zink-Elektrode (A = 0,35 dm2) als Anode, die über einen Kupfer-Leiter mit der Kathode aus Beispiel 1 bzw.aus Vergleichsbeispiel 1 verbunden wurde. Zum Befestigen dienten Krokodilklemmen. Anode und die Kathode waren jeweils parallel in 3,5 cm angeordnet.einem Abstand von
- The catalytic effect of the cathode on the zinc dissolution rates or the corresponding evolution of hydrogen in the dissolution of zinc or a zinc alloy is reflected in the current density flowing in an electrical conductor connecting the zinc anode and the cathode. In
Fig. 6 a long-term measurement of this current density is shown (x-axis: time t in seconds, y-axis: current density in A / dm 2 ). In each case, a zinc electrode (A = 0.35 dm 2 ) was used as the anode, which was connected via a copper conductor to the cathode of Example 1 or of Comparative Example 1. Crocodile clips were used for attaching. Anode and the cathode were each arranged in parallel at a distance of 3.5 cm.
Die Messungen wurden jeweils in 3 M NaOH (350 mL) bei 25°C durchgeführt, wobei mit 100 Umdrehungen pro Minute (U/min) mittels eines Magnetrührstabes gerührt wurde. Es wurde der in dem Leiter gemessene Stromfluss über 15 Stunden aufgezeichnet (siehe
Im Vergleich zu einem blanken Stahlblech als Kathode (Vergleichsbeispiel 1, Kurve (2)) ergab die erfindungsgemäße Kathode mit einer thermisch gespritzten Eisenschicht (Beispiel 1, Kurve (1)) einen deutlich höheren Stromfluss. Das bedeutet, dass eine entsprechend höhere Zinklöserate als im Vergleichsbeispiel 1 erzielt wurde. Nach 1 Stunde war der Stromfluss in Beispiel 1 um den Faktor 13,5 höher als beim Vergleichsbeispiel 1 (siehe
Herstellung der Kathoden:Preparation of the cathodes:
Ein Stahllochblech (Rv 8-10; A = 1,1 cm2) wurde entfettet, mit Glasperlen (Durchmesser 150 bis 250 µm) gestrahlt und anschließend mit Druckluft von anhaftenden Resten befreit. Das Stahllochblech wurde mit einem Schweißbrenner auf ca. 300°C vorgewärmt und dann mittels Flammspritzen thermisch bespritzt. Dabei wurde ein Eisenpulver (-325 mesh, 97%ig von Sigma-Aldrich) der Flamme zugeführt, die mit einem Acetylen-Sauerstoff-Gemisch betrieben wurde (Temperatur der Brennerflamme betrug ca. 2000°C), und durch Druckluft (maximal 3 bar) aus einem Abstand von 15 bis 20 cm auf das Stahllochblech aufgespritzt. Mit einer schwenkenden Bewegung (ca. 50 bis 100 mm/s) wurde solange beschichtet, bis eine gleichmäßige, ca. 300 µm dicke thermisch gespritzte Eisenschicht erzeugt worden ist.A steel perforated plate (Rv 8-10, A = 1.1 cm 2 ) was degreased, blasted with glass beads (diameter 150 to 250 microns) and then freed of adhering residues with compressed air. The steel perforated plate was preheated with a welding torch to approx. 300 ° C and then thermally sprayed by means of flame spraying. In this case, an iron powder (-325 mesh, 97% from Sigma-Aldrich) was fed to the flame, which was operated with an acetylene-oxygen mixture (burner flame temperature was about 2000 ° C), and by compressed air (maximum 3 bar ) from a distance of 15 to 20 cm sprayed onto the steel perforated plate. With a pivoting movement (about 50 to 100 mm / s) was coated until a uniform, about 300 microns thick thermally sprayed iron layer has been produced.
Ein Stahllochblech (Rv 8-10; A = 1,1 cm2) wurde entfettet, mit Glasperlen (Durchmesser 150 bis 250 µm) gestrahlt und anschließend mit Druckluft von anhaftenden Resten befreit. Sodann wurde eine Grundierung aus Bronze (CuSn8) als Haftgrund mittels Flammspritzens unter denselben Bedingungen wie die anschließend aufgebrachte thermisch gespritzte Eisenschicht mit einer Dicke von ca. 10 bis 40 µm aufgebracht. Im Anschluss wurde das Stahllochblech mit Haftgrund mit einem Schweißbrenner auf ca. 300°C vorgewärmt und dann analog zu Beispiel 2 eine gleichmäßige, ca. 300 µm dicke thermisch gespritzte Eisenschicht mittels Flammspritzen erzeugt.A steel perforated plate (Rv 8-10, A = 1.1 cm 2 ) was degreased, blasted with glass beads (diameter 150 to 250 microns) and then freed of adhering residues with compressed air. Then a primer made of bronze (CuSn 8 ) as a primer by flame spraying under the same conditions as the subsequently applied thermally sprayed Iron layer applied with a thickness of about 10 to 40 microns. Subsequently, the steel perforated plate with primer was preheated to about 300 ° C. with a welding torch and then, in analogy to example 2, a uniform, approximately 300 μm thick thermally sprayed iron layer was produced by means of flame spraying.
Ein Stahllochblech (Rv 8-10; A = 1,1 cm2) wurde analog zu Beispiel 1 vorbehandelt und dann eine gleichmäßige, ca. 300 µm dicke thermisch gespritzte Eisenschicht unter Verwendung eines Eisendrahtes (Eisen-Lichtbogendraht mit 0,7 Gew.% Mn, 0,07 Gew.% C und dem Rest Fe; Durchmesser 1,6 mm) erzeugt.A steel perforated plate (Rv 8-10, A = 1.1 cm 2 ) was pretreated analogously to Example 1 and then a uniform, about 300 microns thick thermally sprayed iron layer using an iron wire (iron arc wire with 0.7 wt.% Mn, 0.07 wt% C and the balance Fe, diameter 1.6 mm).
Ein Stahllochblech (Rv 8-10; A = 1,1 cm2) wurde entfettet, mit Glasperlen (Durchmesser 150 bis 250 µm) gestrahlt und anschließend mit Druckluft von anhaftenden Resten befreit. Sodann wurde eine Grundierung aus Bronze (CuSn8) als Haftgrund mittels Lichtbogenspritzen unter denselben Bedingungen wie die anschließend aufgebrachte thermisch gespritzte Eisenschicht mit einer Dicke von ca. 10 bis 40 µm aufgebracht. Anschließend wurde analog zu Beispiel 1 eine gleichmäßige, ca. 300 µm dicke thermisch gespritzte Eisenschicht unter Verwendung eines Eisendrahtes (Eisen-Lichtbogendraht mit 0,7 Gew.% Mn, 0,07 Gew.% C und dem Rest Fe; Durchmesser 1,6 mm) erzeugt.A steel perforated plate (Rv 8-10, A = 1.1 cm 2 ) was degreased, blasted with glass beads (diameter 150 to 250 microns) and then freed of adhering residues with compressed air. Then a primer made of bronze (CuSn 8 ) was applied as a primer by means of arc spraying under the same conditions as the subsequently applied thermally sprayed iron layer with a thickness of about 10 to 40 microns. Thereafter, a uniform, approximately 300 μm thick, thermally sprayed iron layer was produced analogously to Example 1 using an iron wire (iron arc wire with 0.7% by weight of Mn, 0.07% by weight of C and the remainder Fe, diameter 1.6 mm).
Ein Stahllochblech (Rv 8-10; A = 1,1 cm2) wurde analog zu Beispiel 1 vorbehandelt und dann eine gleichmäßige, ca. 300 µm dicke thermisch gespritzte Eisenschicht unter Verwendung eines Drahtes aus einer Eisenlegierung (Durchmesser 1,6 mm) erzeugt.A steel perforated plate (Rv 8-10, A = 1.1 cm 2 ) was pretreated analogously to Example 1 and then a uniform, about 300 microns thick thermally sprayed iron layer using a wire made of an iron alloy (diameter 1.6 mm) produced ,
Dabei wies der zum Lichtbogenspritzen verwendete Draht die folgende Zusammensetzung auf:
- Beispiel 6: Eisen-Nickel-Legierung mit 90 Gew.
% Fe und 10 Gew.% Ni. - Beispiel 7: Eisen-Kupfer-Legierung mit 90 Gew.
% Fe und 10 Gew.% Cu. - Beispiel 8: Eisen-Molybdän-Legierung mit 90 Gew.
% Fe und 10 Gew.% Mo. - Beispiel 9: Eisen-Zirkonium-Legierung mit 90 Gew.
% Fe und 10 Gew.% Zr. - Beispiel 10: Eisen-Kupfer-Zirkonium-Legierung mit 70 Gew.% Fe, 25 Gew.% Cu und 5 Gew.% Zr.
- Example 6: Iron-nickel alloy with 90 wt.% Fe and 10 wt.% Ni.
- Example 7: Iron-copper alloy with 90 wt.% Fe and 10 wt.% Cu.
- Example 8: Iron-molybdenum alloy with 90% by weight of Fe and 10% by weight of Mo.
- Example 9: Iron-zirconium alloy with 90 wt.% Fe and 10 wt.% Zr.
- Example 10: Iron-copper-zirconium alloy with 70 wt.% Fe, 25 wt.% Cu and 5 wt.% Zr.
Ein Stahllochblech (Rv 8-10; A = 1,1 cm2) wurde analog zu Beispiel 1 vorbehandelt und dann eine gleichmäßige, ca. 300 µm dicke Schicht unter Verwendung eines Drahtes (Durchmesser 1,6 mm) analog zu Beispiel 1 thermisch aufgespritzt.A steel perforated plate (Rv 8-10, A = 1.1 cm 2 ) was pretreated analogously to Example 1 and then a uniform, about 300 micron thick layer using a wire (diameter 1.6 mm) thermally sprayed analogously to Example 1 ,
Dabei wies der zum Lichtbogenspritzen verwendete Draht die folgende Zusammensetzung auf:
- Vergleichsbeispiel 2: Nickel-Legierung mit 95 Gew.% Ni und 5 Gew.% Al/Ti.
- Vergleichsbeispiel 3: Kupfer.
- Vergleichsbeispiel 4: Molybdän.
- Vergleichsbeispiel 5: Zirkoniumoxid.
- Vergleichsbeispiel 6: Chromoxid.
- Comparative Example 2: Nickel alloy with 95 wt.% Ni and 5 wt.% Al / Ti.
- Comparative Example 3: Copper.
- Comparative Example 4: Molybdenum.
- Comparative Example 5: zirconium oxide.
- Comparative Example 6: Chromium oxide.
Ein Stahllochblech (Rv 8-10; A = 1,1 cm2) wurde entfettet, mit Glasperlen (Durchmesser 150 bis 250 µm) gestrahlt und anschließend mit Druckluft von anhaftenden Resten befreit. Vergleichsbeispiel 8A steel perforated sheet (Rv 8-10; A = 1.1 cm 2) was degreased, blasted with glass beads (diameter 150 to 250 microns) and then freed from adhering residues with compressed air. Comparative Example 8
Ein Stahllochblech (Rv 8-10; A = 1,1 cm2) wurde entfettet. Anschließend wurde es in 5%iger wässriger HCl-Lösung dekapiert und für 4 Tage bei Raumtemperatur in der Atmosphäre über dieser Lösung gelagert, so dass ein atmosphärisch verrostetes Stahlblech erhalten wurde.A steel perforated plate (Rv 8-10, A = 1.1 cm 2 ) was degreased. Subsequently, it was decanted in 5% aqueous HCl solution and stored for 4 days at room temperature in the atmosphere over this solution, so that an atmospheric rusted steel sheet was obtained.
Wie in
Es wurde zur Herstellung des elektrisch leitenden Kontakts jeweils eine Zinkanode (19,8 x 5 x 1 cm mit A = 2,48 cm2) (15) mit einer Stahlschraube (17) und zugehöriger Mutter (18) aus Stahl an der jeweiligen Kathode (16) parallel befestigt und an einem Haken (23) aus Polypropylen (PP) gänzlich in den Elektrolyten getaucht. Mittels einer Beilagscheibe (19) wurde der Abstand zwischen Zinkanode und der jeweiligen Kathode auf 1,6 mm eingestellt.In each case, a zinc anode (19.8 × 5 × 1 cm with A = 2.48 cm 2 ) (15) with a steel screw (17) and associated nut (18) made of steel at the respective cathode was used to produce the electrically conductive contact (16) fixed in parallel and immersed in a hook (23) made of polypropylene (PP) entirely in the electrolyte. By means of a washer (19), the distance between the zinc anode and the respective cathode was set to 1.6 mm.
Es wurde jeweils die Menge an gelöstem Zink nach 5 Stunden in dem Elektrolyten bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefasst.
Die Beispiele 2 bis 10 zeigen, dass beim Auflösen von Zink nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erheblich höhere Zinklöseraten als unter Verwendung eines herkömmlichen Stahlblechs oder eines verrosteten Stahlblechs erhalten werden. Im Vergleich zu verrostetem Stahl (Vergleichsbeispiel 8) wurde eine Steigerung von bis zu 350% beobachtet. In Bezug auf unbeschichteten Stahl (Vergleichsbeispiel 7) konnten sogar Steigerungen um einen Faktor von 20 beobachtet werden.Examples 2 to 10 show that dissolution of zinc by the process of the present invention gives significantly higher zinc dissolution rates than using a conventional steel sheet or a rusted steel sheet. As compared with rusted steel (Comparative Example 8), an increase of up to 350% was observed. With respect to uncoated steel (Comparative Example 7), even increases by a factor of 20 could be observed.
Die Verwendung von Stahlblechen mit einer thermisch gespritzten Schicht aus einem erfindungsgemäßen Eisenmaterial als Kathode (Beispiele 2 bis 10) resultierte in deutlich höheren Zinklöseraten als der Einsatz von Kathoden mit thermisch gespritzten Beschichtungen aus anderen Materialien, unabhängig davon, ob Metall (Vergleichsbeispiele 2 bis 4) oder ein Oxid zum thermischen Spritzen eingesetzt wird (Vergleichsbeispiele 5 und 6).The use of steel sheets with a thermally sprayed layer of an iron material according to the invention as a cathode (Examples 2 to 10) resulted in significantly higher zinc dissolvers than the use of cathodes with thermally sprayed coatings of other materials, regardless of whether metal (Comparative Examples 2 to 4) or an oxide is used for thermal spraying (Comparative Examples 5 and 6).
Die thermisch gespritzten Beschichtungen aus metallischem Eisen als Eisenmaterial (Beispiele 2 bis 5) ergaben in diesen Versuchen bessere Zinklöseraten als die aus Eisenlegierungen hergestellten thermisch gespritzten Schichten (Beispiele 6 bis 10).The thermal sprayed coatings of metallic iron as the iron material (Examples 2 to 5) gave better zinc dissolvers in these experiments than the thermally sprayed coatings made of iron alloys (Examples 6 to 10).
Unabhängig von der unterschiedlichen Rauheit (siehe Tabelle 1) ergaben thermisch gespritzte Eisenschichten aus Eisendraht und Eisenpulver als Eisenmaterial vergleichbare Zinklöseraten. Wie oben bereits erwähnt, ist die katalytische Aktivität erheblich höher als bei dem verrosteten Stahlblech (Vergleichsbeispiel 8), das eine höhere spezifische Oberfläche als die erfindungsgemäßen Beispiele aufweist (siehe Tabelle 2).Irrespective of the different roughness (see Table 1), thermally sprayed iron layers of iron wire and iron powder as iron material gave comparable zinc dissolution rates. As already mentioned above, the catalytic activity is considerably higher than in the case of the rusted steel sheet (Comparative Example 8), which has a higher specific surface than the examples according to the invention (see Table 2).
In den Beispielen 2 bis 10 wurde ein reales Zinkbad, wie es auch beim galvanischen Beschichten mit Zink eingesetzt wird, als alkalische, wässrige Lösung verwendet. Diese Beispiele belegen eindrucksvoll, dass das erfindungsgemäße Verfahren robust ist, da es beispielsweise organische Zusätze toleriert, und sich insbesondere dafür eignet, gelöstes Zink für galvanische Verfahren bereitzustellen.In Examples 2 to 10, a real zinc bath, as used in galvanic zinc coating, was used as the alkaline aqueous solution. These examples impressively prove that the process according to the invention is robust because it tolerates organic additives, for example, and is particularly suitable for providing dissolved zinc for galvanic processes.
Mit den Kathoden aus Beispiel 3 und Vergleichsbeispiel 8 wurde weiterhin die katalytische Wirkung auf das Entzinken von zinkhaltigem Altmetall (Schrott) untersucht.With the cathodes from Example 3 and Comparative Example 8, the catalytic effect on the dezincification of zinc-containing scrap metal (scrap) was further investigated.
Versuchsdurchführung:
- In eine Petrischale (1000 mL) mit wässriger NaOH-Lösung (500 mL) wurde die jeweilige Kathode aus Beispiel 3 bzw.
Vergleichsbeispiel 8 gelegt. Darauf wurde in direkten Kontakt über die Grundfläche der Kathode ein zu entzinkender Testkörper mittig positioniert. Die Testkörper hatten jeweils die Maße 30 mm x 40 mm x 6 mm und waren mit einer ca. 30 µm dicken galvanisch abgeschiedenen Zinkschicht verzinkt (Testkörper 1) oder mit einer ca. 100 µm dicken Zinkschicht feuerverzinkt (Testkörper 2). Bei den Experimenten wurde die Temperatur (T) und die Konzentration der Natronlauge ([NaOH]) variiert und der Abtrag der Zinkbeschichtung pro Zeiteinheit (Kontaktzeit t) ausgewogen. Die Ergebnisse sind inTabelle 5 zusammengefasst.
- In a Petri dish (1000 mL) with aqueous NaOH solution (500 mL), the respective cathode of Example 3 and Comparative Example 8 was placed. Then, in direct contact over the base of the cathode, a test piece to be dezincified was centered. The test specimens each had the dimensions 30 mm × 40 mm × 6 mm and were galvanized with a zinc coating deposited approximately 30 μm thick (test body 1) or hot-dip galvanized with a zinc layer approximately 100 μm thick (test specimen 2). In the experiments, the temperature (T) and the concentration of the sodium hydroxide solution ([NaOH]) were varied and the removal of the zinc coating per unit time (contact time t) was balanced. The results are summarized in Table 5.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführte Entzinken, das eine durch thermisches Spritzen auf einem Substrat erzeugte Eisenschicht als Kathode verwendet, zeigt unter vergleichbaren Bedingungen deutlich höhere Zinkabträge. Das heißt, es kann mehr Zink pro Zeiteinheit von dem Testkörper abgetragen werden.The dezincing carried out by the process according to the invention, which uses an iron layer produced by thermal spraying on a substrate as the cathode, shows significantly higher zinc removals under comparable conditions. That is, more zinc per unit time can be removed from the test body.
Die Ergebnisse in Tabelle 5 zeigen, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren für das Auflösen sowohl von galvanisch abgeschiedenem Zink als auch von einer robusteren Feuerverzinkung eignet.The results in Table 5 show that the process according to the invention is suitable for the dissolution of both electrodeposited zinc and more robust hot-dip galvanizing.
Claims (16)
metallisches Zink oder eine Zinklegierung in elektrisch leitenden Kontakt mit einer Eisenschicht gebracht wird und mit dieser ganz oder teilweise in eine wässrige, alkalische Lösung getaucht wird, wobei die Eisenschicht aus einem auf ein Substrat thermisch aufgespritzten Eisenmaterial besteht.Process for dissolving zinc or a zinc alloy, in which
metallic zinc or a zinc alloy is brought into electrically conductive contact with an iron layer and is immersed with this wholly or partly in an aqueous alkaline solution, wherein the iron layer consists of a thermally sprayed onto a substrate iron material.
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