EP3569742A1 - Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung und verfahren - Google Patents

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EP3569742A1
EP3569742A1 EP18172342.0A EP18172342A EP3569742A1 EP 3569742 A1 EP3569742 A1 EP 3569742A1 EP 18172342 A EP18172342 A EP 18172342A EP 3569742 A1 EP3569742 A1 EP 3569742A1
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EP
European Patent Office
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coating
electrolyte
cell
workpiece
coating cell
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18172342.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Gerhard Gramm
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gramm Technik GmbH
Original Assignee
Gramm Technik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Gramm Technik GmbH filed Critical Gramm Technik GmbH
Priority to EP18172342.0A priority Critical patent/EP3569742A1/de
Publication of EP3569742A1 publication Critical patent/EP3569742A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
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    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/026—Anodisation with spark discharge
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    • C25D21/00—Processes for servicing or operating cells for electrolytic coating
    • C25D21/12—Process control or regulation

Definitions

  • the present invention relates to a high-speed electrochemical coating apparatus according to the preamble of claim 1 and to a high-speed electrochemical coating method according to the preamble of claim 6.
  • a high-speed electrochemical coating apparatus for example, in an anodization process, oxide layers or anodization layers may be produced on surfaces of metal workpieces and galvanizations and others electrochemical coating processes are performed.
  • a coating cell which has an anode, a cathode, an electrolyte and at least one input and an output for the electrolyte. It is provided a reservoir, in which the electrolyte is stored and via which at least one supply line is connected to the input of the coating cell, and a pump which is connected via a discharge line to the output of the coating cell and adapted to remove the electrolyte from the coating cell.
  • a workpiece to be coated is provided in a coating cell in which the workpiece is immersed in an electrolyte.
  • the coating cell is supplied with fresh electrolyte from a storage container, wherein the workpiece forms a first electrode of the coating cell and wherein between the workpiece and a counter electrode of the coating cell, an electric current is passed.
  • Generic coating devices which cause a deposition of material, in particular of metals or metal oxides, on a surface by means of current, are usually constructed such that a first circuit is provided, by means of which electrolyte is supplied to the coating device, whereby in a coating cell continuously fresher Electrolyte is provided for coating.
  • a first pump is required, which pumps the electrolyte into the coating cell.
  • a gas space is provided in an upper region of the coating cell, in which gases which are formed, for example, during the electrolysis deposition of metal on a workpiece surface, in particular oxygen and hydrogen, can migrate. The gas evolution of oxygen and hydrogen can occur more frequently, especially when high voltages are applied in the coating cell.
  • This embodiment is disadvantageous in that failure of the pump for the gas space immediately causes the probability of explosion to increase enormously.
  • the present invention has the object to provide an apparatus and a method for high-speed electrochemical coating of workpieces, which eliminates the risk of explosion in the coating cell.
  • the pump is arranged in a flow direction of the electrolyte downstream of the output of the electrolytic cell and that at least the coating cell is designed in the operating state as a gas-phase-free space.
  • a basic idea of the present invention is to provide a coating cell without gas space above the electrolyte, in which hydrogen and can collect and concentrate oxygen gas from the electrolysis of the electrolyte.
  • the area between the coating cell and the pump, in particular including at least one of these devices is designed as a gas-free space. Accordingly, an advantage of the present invention is that the coating cell and a region in which the resulting gases are separated from the electrolyte, are spatially separated from each other.
  • the pump which conveys the electrolyte through the coating cell can be arranged downstream of the coating cell in the flow direction of the electrolyte, as a result of which the deposition of oxygen and / or hydrogen formed on surfaces in the coating cell, in particular the surface of the workpiece is favored.
  • the coating cell may in particular be a galvanization cell or an anodization cell.
  • a recombination of individual gas bubbles on the surface of the workpiece to be coated can be favored to larger gas bubbles, whereby a discharge of the gas bubbles from the coating cell increases and the residence time of the gases formed at the corresponding electrodes is reduced.
  • the recombination can be promoted in particular by a suction effect of the pump on the electrolyte in the coating cell, which can have a positive effect on a short residence time of the gas at the electrodes.
  • the suction effect of the pump can have a pressure and / or a flow component which influences the removal of the gases from the electrodes.
  • a gas-phase-free space in the coating cell or between the coating cell and the pump can already be realized if a spatial separation of the coating cell and a region is provided is, in which the gas provided in the electrolyte can leave the electrolyte.
  • the leaving of the electrolyte according to the invention is a removal of the gas from the electrolyte.
  • the mere transport of gas bubbles formed by or by means of the electrolyte is not covered by the invention defined separation or removal.
  • this spatial separation of electrolytes and the gases contained therein in an area downstream of the pump and / or in a collection or storage tank for electrolytes be feasible.
  • a sink in the flow direction of the electrolyte downstream of the pump, a sink, preferably as part of the reservoir, is arranged, in which a gas phase is provided above the electrolyte, which preferably has a higher pressure than the electrolyte in the stress cell.
  • the region of the depression or of the reservoir can be open to the atmosphere and / or be provided with a vent, which allows or supports the outgassing of the detonating gas and / or other gases.
  • the sink or the reservoir can be formed for this purpose above the electrolyte, a free space in which the gas can remplisplen.
  • the coating cell is designed to coat more than one workpiece simultaneously and / or that the individual workpieces each form a first electrode, wherein an electric current is conducted between the workpieces and a counterelectrode and / or that each workpiece is assigned its own rectifier for power supply.
  • one or more workpieces can be used simultaneously the coating cell are coated. It may be advantageous to individually set and / or monitor the current intensity at each of the workpieces. Since the layer thickness of an electrochemical coating can fundamentally depend both on the current intensity and on the time, it may be advantageous to monitor at least one of the two variables, particularly preferably both.
  • the coating device is formed with an alarm signaling device which emits an alarm signal when, for example, in a preset time, a minimum current intensity for an individual workpiece has not been reached.
  • counter-electrode in particular cathode, one counter-electrode per workpiece or also one for several workpieces or for all workpieces that are coated at one time can be provided in each case.
  • a particularly accurate adjustment of the current intensity of individual workpieces can be achieved in particular by means of individual rectifier to the respective workpieces.
  • quality management or monitoring of the quality of the coating on the individual workpieces can already be carried out during the coating, and a result of the coating can be read out directly without further measurements on the workpiece after coating.
  • the individual rectifiers can be connected to a computer-controlled computing unit, via which a current intensity for the at least one workpiece, preferably individually, can be set and / or after completion of the coating, the actual actual values of the current flow that has flowed through the respective workpiece. can be readable.
  • a workpiece is provided in a coating cell, wherein a plurality of coating cells are provided in parallel.
  • a spatial separation of individual workpieces from each other may be advantageous.
  • such an individual flow rate for the electrolyte can be adjustable by the coating cell and / or current intensity.
  • individual pumps may be provided for each one coating cell.
  • the individual coating cells can be formed with a uniform electrolyte supply, that is to say a common downstream pump and / or a common reservoir for the electrolyte.
  • An individual embodiment of the flow velocity can be carried out, for example, via throttles and / or a diameter adaptation of the supply of electrolytes in the coating cell.
  • the individual coating cells can be individually connected to the storage container or connected to the storage container via a common dividing supply line.
  • the individual coating cells can be separated independently of one another from a supply line of a further electrolyte, that is to say in particular from the storage container.
  • a coating can be carried out in a first coating cell, while in another coating cell a workpiece to be coated or the entire coating cell can be exchanged.
  • the electrolyte which contains hydrogen gas formed
  • the electrolyte which contains formed oxygen gas
  • the resulting hydrogen and the resulting oxygen can be removed from the individual electrodes basically without mixing. This can be achieved, in particular, by virtue of the fact that the flow of electrolyte from the storage container through the coating cell is provided with low turbulence or without turbulence.
  • a partition wall between cathode and anode may also be provided in regions at least in an upper region of the coating cell, which supports the separation of the individual gases within the coating cell.
  • the electrolyte flows within the coating cell along a longitudinal side of the workpiece to be coated and / or from bottom to top through the coating cell.
  • a ventilation unit is arranged between the coating cell and the pump, via which gases emerging can be diverted.
  • a device can be provided which allows the resulting gases to leave the electrolyte, that is to be separated from it. Such a device can also be referred to as a degassing device.
  • a gas well or otherwise designed device for degassing in which the resulting gases, in particular the resulting oxyhydrogen gas mixture, ausblen from the electrolyte and / or can accumulate in a gas space within the degassing. Since this device is spatially separated from the coating cell, a risk of explosion of the resulting explosive gas mixture, ie of hydrogen and oxygen, is significantly reduced in the coating cell.
  • the gas well or the otherwise formed device may be arranged in an area in which the gas, preferably above the electrolyte and / or separated from it, can collect.
  • the device is self-contained apart from in each case at least one inlet and a drain for the electrolyte from the coating cell (inlet) to the pump (drain).
  • the degassing device is thus preferably flowed through continuously by the electrolyte, wherein gas bubbles within the electrolyte and dissolved gas in the electrolyte can leave this.
  • the resulting gas is discontinuously removed from the degassing, wherein in the region of the gas phase, preferably in an upper region, the degassing device is formed with a valve, via which gas can be discharged from the interior of the degassing.
  • the degassing device is formed with a valve, via which gas can be discharged from the interior of the degassing.
  • a sensor arrangement which monitors an electrolyte level in the degassing device. The more gas is collected in the degassing, the lower the level of the flowing through the degassing electrolyte, since this is displaced by the collected gases from the degassing, in particular from the drain out. If a minimum filling quantity of the degassing device with electrolytes is reached, that is to say a particularly low level of electrolyte, venting of the degassing device can take place automatically or manually, in particular via the valve provided.
  • the gas region within the degassing device has a reduced pressure relative to the atmospheric pressure.
  • the reduced pressure in the degassing for example via the already existing electrolyte pump or via a further pump, which is preferably connected to the valve of the degassing device, are provided.
  • the inventive method for high-speed electrochemical coating is characterized in that the electrolyte is sucked by a pump during the coating of the workpiece, preferably continuously, from the coating cell, wherein fresh electrolyte from the storage container is tracked in the coating cell, that during coating at least the coating cell is provided as a gas phase free space.
  • a basic idea of the present invention is to suck electrolytes through a coating cell, wherein the suction effect that occurs promotes the removal of gases generated at the electrodes.
  • the support can consist both in the form of an eroding flow and by an increased recombination of gas beads on the surface of the electrodes into larger, in particular ablatable, glass beads. Due to the gas phase-free design within the coating cell, the suction effect of a pump can act directly on the electrolyte, which can have an advantageous effect on the discharge of gases from the coating cell.
  • a pump which is arranged in the flow direction in front of the coating cell and thus promotes the electrolyte sliding into the coating cell, can be benefited in a suction pump from a reduction of so-called burners on the workpiece to be coated due to high voltages in the coating cell. This can ultimately lead to a particularly uniform coating of particularly high quality.
  • a gas-phase-free space is provided.
  • the gas-phase-free process control in the area of the coating cell can, in particular, prevent a danger from explosive gas explosions.
  • burners are perceptible to the naked eye and are very feared in the coating process, especially in the anodization process.
  • These burners are, in particular, a plasma state of oxygen at the anode. Through these burners, the metal of the anode is oxidized, so burned, and extremely large amounts of energy are released in the form of heat energy.
  • the tracking of electrolyte can be done in particular passively by the removal of electrolytes from the coating cell.
  • An active tracking is, however, also conceivable in principle insofar as this does not eliminate the suction effect of the pump required according to the invention in the region of the coating cell on the electrolyte.
  • coating current densities are set in open baths that are ⁇ 10 A / qdm (amperes per square centimeter).
  • the rate of formation of the oxide layer at open baths is 1 ⁇ m / min to 3 ⁇ m / min.
  • Low rates of formation of the oxide layer occur, for example, in 2000 Al alloys and Al die casting, higher in 5000 and 6000 Al alloys.
  • the present invention eliminates these disadvantages.
  • the coating cell is operated with a current density of 1 to 2000 A / qdm and a voltage of 1 to 1000 volts.
  • the method according to the invention and the device according to the invention can profit from the suction effect of the downstream pump and the concomitant reduced pressure in the electrolyte in each operating mode.
  • the method according to the invention or the device according to the invention then benefits when particularly high voltages or particularly high current densities (A / qdm) / current strengths (A) are present.
  • the higher the applied voltage or current intensity / current density the greater the possibility of the occurrence of the so-called burners, which can damage the surface coating to be produced by means of the present invention.
  • the method according to the invention and the device according to the invention it is possible to use electrical currents which can not be reached under previous conditions. This allows particularly short coating times and associated high workpiece throughput.
  • this preferred embodiment is not merely defined by a range of values, but also expresses that the method according to the invention can be carried out with low torches or no burners, irrespective of the current intensity / current density used.
  • the electrolyte flows through the coating cell at a flow rate of 0.01 liter / min to 100,000 liter / min, preferably 1 liter / min to 100 liter / min.
  • a suction effect can be individually adjusted by adjusting the flow rate of the electrolyte in the device as required.
  • a higher current density / current is coupled to a higher flow rate, thereby increasing oxygen production at the anode or increased gas production is taken into account at the electrodes in the coating cell.
  • the resulting gas can be sufficiently removed from the coating cell or a sufficient suction effect can be provided, whereby the above-mentioned burners is sufficiently prevented.
  • the electrochemical coating process is particularly preferred for the electrochemical coating process to be carried out as anodization, in particular as plasma-electrolytic oxidation (PEO).
  • PEO plasma-electrolytic oxidation
  • the formation speed of the oxide layer in particular by means of an adaptation of the current density, preferably on the workpiece, to between 0.001 ⁇ m / min to 1000 ⁇ m / min, preferably between 0.1 ⁇ m / min to 100 ⁇ m / min is set.
  • a preferred embodiment of the present invention is that corners and edges of the workpiece are homogeneously coated with the same layer thicknesses as the planar regions of the workpiece.
  • a procedure that allows the uniform coating of corners and edges as well as the flat portions of the workpiece is not possible by conventional methods described above.
  • the suction effect of the pump on the electrolyte in the coating cell and / or the increased flow velocity of the electrolyte through the coating cell can have a positive effect on the homogeneous structure of the coating.
  • the average roughness Ra is the arithmetic mean of all deviations of a roughness profile from the middle line along the reference line (D m). This means that the average roughness Ra theoretically corresponds to the distance of several lines that would be formed if the mountains and valleys around the midline were converted into equal rectangles.
  • FIG. 1 shows a simple embodiment of the electrochemical high-speed coating apparatus 10 according to the invention with a reservoir 20, a coating cell 30 and a pump 40.
  • the reservoir 20 is connected in an electrolyte-conducting manner with the at least one coating cell 30 via at least one feed line 21.
  • the reservoir 20 of the electrolyte 22 is stored, which can be cooled, for example, in the reservoir 20 or in a separate device.
  • the electrolyte is conveyed from the reservoir 20 by means of the pump 40 into the coating cell 30 and sucked off via the discharge line 31 from the coating cell 30 by means of the pump 40.
  • At least one workpiece 32 is arranged in the coating cell, which has a potential with respect to a counterelectrode, preferably a housing of the coating cell, so that current can flow between the counterelectrode 34 and the workpiece.
  • a counterelectrode preferably a housing of the coating cell
  • the deposited material may form a surface on the workpiece in the form of metals, alloys or metal oxides, thereby refining it.
  • gas evolution may occur at the electrodes, which may occur due to the electrolysis of a portion of water in the electrolyte.
  • the oxygen thus formed, for example, at the anode and hydrogen formed at the cathode is formed in a surface region of the workpiece 32 and its counter electrode.
  • the electrolyte liquid can be passed through the coating cell in a particularly low turbulence-free manner, whereby a separate discharge of oxygen and hydrogen or a separate movement of the gases within the coating cell are made possible.
  • a partition between the anode and cathode, preferably in a region of the outlet opening 33 may be provided, which the two streams of transported Hydrogen and oxygen, at least within the coating cell 30, from each other.
  • the separated streams are brought together only at the outlet of the coating cell and sucked via a common discharge in the direction of the pump.
  • the discharge line 31 leads the electrolyte out of the coating cell and back into the reservoir 20.
  • a region 50 may be provided, for example in the form of a sink, in which the transported away gas, in particular the explosive gas mixture of hydrogen and oxygen, from the electrolyte is separable. This may be possible, for example, by bubbling the gases into a gas region / atmosphere above the electrolyte in the reservoir 20.
  • the region 50 may be open to the atmosphere.
  • a vent may be provided which allows an exchange of the atmosphere above the electrolyte 22 in the reservoir 20 continuously or discontinuously.
  • a pump may be provided which sucks gases from the region above the electrolyte 22 in the reservoir 20 as needed.
  • the gas phase above the electrolyte 22 in the reservoir 20 may have a higher pressure than the pressure of the electrolyte 22 in the coating cell 30. This can be reduced in particular due to the suction effect of the pump 40.
  • the suction effect or the reduced pressure applied to the electrolyte 22 by the pump 40 can have a positive effect on the recombination of formed gas bubbles on the surface of the workpiece 32, whereby a rapid removal of recombined (assembled), or gas beads of transportable size on the workpiece and / or its counter electrode is enabled.
  • the region of the coating cell is preferably formed gas-free. It is clear to the person skilled in the art that gas bubbles transported in the electrolyte and dissolved gases are present in the electrolyte. However, this is not to be understood as a gas phase here. Accordingly, in particular in the area of the coating cell, an area is avoided in which a blast gas mixture of oxygen and hydrogen could collect, which would give rise to the danger of an explosion within the coating cell (gas phase).
  • the coating cell may be formed according to at least one embodiment as an extended region of a conduit and / or preferably be completely filled with the electrolyte.
  • the flow direction of the electrolyte and / or input and output of the coating cell vertically, so that the output above the entrance into the coating cell for electrolyte solution or that an approximately vertical flow direction of the electrolyte is provided by the coating cell.
  • gas bubbles and electrolyte can have the same direction of movement, which can prevent thorough mixing of the gases of the individual electrodes.
  • the coating cell can also be designed as a line segment between reservoir 20 and pump 40, in particular with reference to FIG FIG. 3 will be described in more detail.
  • FIG. 2 shows a particular embodiment 60 of the high-speed electrochemical coating device according to the invention, which basically according to the structure according to the embodiment according to FIG. 1 equivalent.
  • a degassing 70th be provided, which is designed to separate gas and electrolytes from each other.
  • the degassing device 70 may function in a manner similar to the drain 50 in the reservoir 20, from which the gases may escape into a gas space G above the electrolyte 22.
  • the degassing device 70 in particular in the embodiment according to FIG. 1 , supplementary or alternatively to the sink 50 may be provided.
  • the coating cell can be connected via at least one line 31 to the degassing device 70 and / or the degassing device 70 via at least one line 41 to the pump 40 and / or the pump 40 to the reservoir 20, in particular with the sink 50th
  • FIG. 3 shows an enlarged view of the degassing 70 with an inlet 71 and a drain 72 for the electrolyte.
  • the sequence is with the pump according to FIG. 2 connected.
  • One or more sensors 73, 75 which can detect at least two liquid levels of electrolyte 22 in the degassing device 70, can be arranged on the degassing device 70.
  • the degassing device 70 may be formed with at least one valve 74, via which gas from the degassing device 70 can be derived.
  • the valve 74 is connected to a pump which assist in assisting in the removal of the gas 80 from the degasifier 70.
  • the valve is arranged in an upper region of the degassing device 70 in the region of the gas phase 80.
  • the valve 74 is coupled to the at least one first sensor 73 and is then opened for escape of the gas 80 from the degassing 70 when a certain level of electrolyte 22 is exceeded, which is detected by the sensor 73 becomes.
  • an at least second sensor 75 which is arranged closer to the valve 74 than the first sensor 73, can be determined after opening, if desired Maximum level or at least elevated level of electrolyte 22 is achieved in the degassing device 70, whereby a signal to the valve 74 can be provided to close this again.
  • the signal required for this purpose can be transmitted by the at least second sensor 75, for example, when the level of electrolyte 22 in the device 70 reaches the at least second sensor 75.
  • the valve 74 is also coupled to the second sensor 75.
  • a first level I of electrolyte 22 may be selected as the desired highest electrolyte filling of the degassing device 70.
  • the valve 74 may be closed, with the gas phase 80 above the electrolyte 22 preferably being provided at a pressure which is less than the atmospheric pressure.
  • the apparatus basically functions even when a pressure is provided in the degassing means 70 which is higher than the atmospheric pressure. The reduction of the pressure in the gas phase 80 serves only to assist the degassing of the electrolyte 22 from the gases formed in the region of the coating cell (hydrogen and oxygen) at the electrodes.
  • electrolyte 22 flows out of the coating cell 30 into the degassing device 70 through the inlet 71 and out through the outlet 72 in the direction of the pump 40. Since a gas phase 80 is provided in the degassing device 70, at least part of the blast gas mixture can escape from the electrolyte 22 into it. Preferably, this process is assisted by a negative pressure in the gas phase relative to an atmospheric pressure. Due to the escaping into the degassing 70 gas components of the electrolyte 22, the level I of the electrolyte in the direction of level II is displaced. This is also freely selectable and is lower than the level I. If the level II is reached, this can be detected by at least one first sensor 73.
  • valve 74 By a corresponding signal to the valve 74, this can be opened, and the gases can be removed from the gas phase 80 via the valve from the degassing device 70.
  • a control device can be provided which, based on the signals from the sensors 73, 75, actuates the valve 74, thus creating a connection between sensors and valve.
  • the gas phase 80 has a negative pressure relative to the atmospheric pressure, it may be expedient for a pump to discharge the gases from the gas space 80 via the valve 74. Should the degassing device be provided in the gas phase 80 with respect to the atmospheric pressure with an overpressure, an escape of the oxyhydrogen gas mixture from the degassing device 70 can be effected by merely opening the valve 74.
  • the transition from negative pressure to overpressure in the gas phase 80 to an atmospheric pressure may be a flowing / changing depending on the gases collected therein.
  • the pressure of the gas phase 80 is reduced to the electrolyte 22, whereby the level II rises again until it reaches the level I. If the level I is reached, this is detected by at least one second sensor 75, which can lead to a signal which closes the valve 74.
  • the at least second sensor 73 may in this case be arranged closer to the first sensor 73 closer to the valve or another closable opening, so that it can detect an increased electrolyte level in the device 70.
  • the sensor 74 is disposed above the sensor 73 in the degassing device.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a coating cell 90 according to the invention, which may be formed as a pipe segment.
  • the electrolyte flows through the coating cell 90 at a predetermined flow rate, wherein the pump 40 is also arranged downstream of the coating cell / the pipe segment 90 in the flow direction.
  • the wall of the coating cell is preferably formed as a cathode and the workpiece as an anode.
  • a plurality of coating cells can be connected side by side, that is, preferably connected in parallel, with the reservoir 20 and the pump 40, preferably also with the degassing device 70. It is particularly preferred that each of the individual coating cells 30, 90 is connected by a line 21 to the reservoir 20 and by a line 31 to the pump 40. As a result, several workpieces can be coated at the same time, at any time individual coating cells 30, 90 can be cut off from the inflow of electrolyte 22 via line 21, whereby an uninterrupted coating of other workpieces is guaranteed. If two or more coating cells are provided, a coating can be carried out, for example, in a first or further coating cell 30, while in an additional coating cell 30 a coated workpiece 32 can be exchanged for an uncoated workpiece 32.
  • each workpiece 32 is connected to a separate rectifier, via which the current flows between the counter electrode and the workpiece 32.
  • a separate rectifier via which the current flows between the counter electrode and the workpiece 32.
  • This allows the actual flowed between the workpiece and the counter electrode Amperage, current density and / or the coating time for each workpiece individually set and checked.
  • Arrangements are known in the prior art, in which workpieces 32 are supplied in series via the same current / voltage source, whereby the individual workpieces are coated with different current density. As a result, a variance of the layer thickness between the individual workpieces occur. By parallel connection, this phenomenon can be prevented, wherein the each individual workpiece individually associated rectifier can cause a shutdown of the current flow through the workpiece after reaching a desired current or desired current density.
  • the rectifier is connected to the control unit, which causes the power cut off after a predetermined time or a predetermined current.
  • the following is a comparison test, which indicates the advantages of the present invention over a coating apparatus or a coating method in which above the electrolyte, a gas phase is provided, or in which the benefits of the suction effect of the pump on the electrolyte in the coating cell according to the present invention not consist:
  • the upper ring groove of an engine piston of the alloy G-AlSi 12 MgCuNi is hard anodized in a closed reactor (coating cell with inlet and outlet for electrolytes) with sulfuric acid-containing electrolyte.
  • the electrolyte temperature is 15 ° C and the flow rate of the electrolyte 10 liters / sec.
  • the current density is set to 20 A / qdm at 50-100 volts.
  • the electrode spacing was 3 mm.
  • a conventional normal pressure anodization process In a Hartanodisationsbad with the same concentration of sulfuric acid as in the preceding example, an equal piston as in the embodiment 1 is anodized at 0 ° C. The current density is 2 A / qdm. The coating time is 12 min. The layer thickness is 20 +/- 5 microns, and the roughness is Ra> 3.0 microns. With an analogous electrolyte and adapted process parameters, the anodization was carried out under normal pressure conditions under otherwise identical conditions, such as electrode spacing and choice of material.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren mit einer Beschichtungszelle, welche eine Anode, eine Kathode, einen Elektrolyten, mindestens einen Eingang und einen Ausgang für den Elektrolyten aufweist, einem Vorratsbehälter, in welchem der Elektrolyt bevorratet ist und über mindestens eine Zuleitung mit dem Eingang der Beschichtungszelle verbunden ist, und einer Pumpe, welche über eine Ableitung mit dem Ausgang der Beschichtungszelle verbunden ist und ausgebildet ist, den Elektrolyten aus der Beschichtungszelle abzuführen, wobei die Pumpe in einer Flussrichtung des Elektrolyten nach dem Ausgang der Beschichtungszelle angeordnet ist und dass zumindest die Beschichtungszelle im Betriebszustand als gasphasenfreier Raum ausgebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrochemische Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein elektrochemisches Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Mit einer solchen Vorrichtung beziehungsweise einem solchen Verfahren können beispielsweise in einem Anodisierungsprozess Oxidschichten beziehungsweise Eloxalschichten an Oberflächen von metallenen Werkstücken erzeugt sowie Galvanisierungen und andere elektrochemische Beschichtungsprozesse durchgeführt werden.
  • In einer gattungsgemäßen Vorrichtung ist eine Beschichtungszelle vorgesehen, welche eine Anode, eine Kathode, einen Elektrolyten sowie mindestens einen Eingang und einen Ausgang für den Elektrolyten aufweist. Es ist ein Vorratsbehälter vorgesehen, in welchem der Elektrolyt bevorratet ist und über welchen mindestens eine Zuleitung mit dem Eingang der Beschichtungszelle verbunden ist, und eine Pumpe, welche über eine Ableitung mit dem Ausgang der Beschichtungszelle verbunden ist und ausgebildet ist, den Elektrolyten aus der Beschichtungszelle abzuführen.
  • Bei einem gattungsgemäßen Verfahren wird ein zu beschichtendes Werkstück in einer Beschichtungszelle vorgesehen, in welcher das Werkstück in einen Elektrolyten eingetaucht wird. Während des Beschichtens wird die Beschichtungszelle mit frischem Elektrolyten aus einem Vorratsbehältnis versorgt, wobei das Werkstück eine erste Elektrode der Beschichtungszelle bildet und wobei zwischen dem Werkstück und einer Gegenelektrode der Beschichtungszelle ein elektrischer Strom geleitet wird.
  • Gattungsgemäße Beschichtungsvorrichtungen, welche mittels Strom eine Abscheidung von Material, insbesondere von Metallen oder Metalloxiden, auf einer Oberfläche bewirken, sind in der Regel so aufgebaut, dass ein erster Kreislauf bereitgestellt ist, mittels welchem Elektrolyt der Beschichtungsvorrichtung zugestellt wird, wodurch in einer Beschichtungszelle kontinuierlich frischer Elektrolyt zur Beschichtung bereitgestellt ist. Hierzu ist eine erste Pumpe erforderlich, welche den Elektrolyten in die Beschichtungszelle hineinpumpt. Zusätzlich ist ein Gasraum in einem oberen Bereich der Beschichtungszelle vorgesehen, in welchen Gase, welche beispielsweise bei der Elektrolyseabscheidung von Metall an einer Werkstückoberfläche entstehen, insbesondere Sauerstoff und Wasserstoff, abwandern können. Die Gasentwicklung von Sauerstoff und Wasserstoff kann insbesondere bei angelegten hohen Spannungen in der Beschichtungszelle vermehrt auftreten.
  • Aus diesem Gasraum oberhalb des Elektrolytbades ist es erforderlich, das Sauerstoff-Wasserstoff-Gemisch zügig abzuführen, um eine kritische Konzentration dieses Knallgases in der Beschichtungszelle zu vermeiden. Die teilweise sehr hohen in der Beschichtungszelle angelegten Spannungen, beziehungsweise Ströme, zur Beschichtung eines darin vorgesehenen Werkstücks, können zu explosionsartigen Reaktionen zwischen dem gebildeten Wasserstoff und dem gebildeten Sauerstoff führen. Zum Abführen des Knallgasgemisches ist eine weitere Pumpe vorgesehen, welche das entstandene Knallgasgemisch aus dem Gasraum oberhalb der Elektrolytflüssigkeit aus der Beschichtungszelle abführt.
  • Diese Ausführungsform ist dahingehend nachteilig, als dass ein Ausfall der Pumpe für den Gasraum unmittelbar die Wahrscheinlichkeit einer Explosion enorm ansteigen lässt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur elektrochemischen Hochgeschwindigkeitsbeschichtung von Werkstücken, welche die Explosionsgefahr in der Beschichtungszelle eliminiert, zu schaffen.
  • Die Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung durch eine elektrochemische Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung sowie ein entsprechendes Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6 gelöst.
  • Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Pumpe in einer Flussrichtung des Elektrolyten nach dem Ausgang der Elektrolysezelle angeordnet ist und, dass zumindest die Beschichtungszelle im Betriebszustand als gasphasenfreier Raum ausgebildet ist.
  • Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Beschichtungszelle ohne Gasraum oberhalb des Elektrolyten bereitzustellen, in welcher sich Wasserstoff- und Sauerstoffgas aus der Elektrolyse des Elektrolyten sammeln beziehungsweise konzentrieren können. Vorzugsweise ist der Bereich zwischen Beschichtungszelle und Pumpe, insbesondere inklusive mindestens eine dieser Einrichtungen, als gasfreier Raum ausgebildet. Demnach besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass die Beschichtungszelle und ein Bereich, in welchem die entstehenden Gase von dem Elektrolyten abgetrennt werden, voneinander räumlich getrennt sind. Ein weiterer Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Pumpe, welche den Elektrolyten durch die Beschichtungszelle fördert, in Flussrichtung des Elektrolyten hinter der Beschichtungszelle angeordnet sein kann, wodurch die Abscheidung von entstehendem Sauerstoff und/oder Wasserstoff an Oberflächen in der Beschichtungszelle, insbesondere von der Oberfläche des Werkstücks, begünstigt ist.
  • Die Beschichtungszelle kann insbesondere eine Galvanisierungszelle oder eine Anodisierungszelle sein.
  • Insbesondere kann eine Rekombination von einzelnen Gasbläschen auf der Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks zu größeren Gasbläschen begünstigt sein, wodurch ein Austrag der Gasbläschen aus der Beschichtungszelle erhöht und die Verweildauer der gebildeten Gase an den entsprechenden Elektroden reduziert ist. Die Rekombination kann insbesondere durch eine Saugwirkung der Pumpe auf den Elektrolyten in der Beschichtungszelle begünstigt sein, was sich positiv auf eine geringe Verweildauer des Gases an den Elektroden auswirken kann. Die Saugwirkung der Pumpe kann eine Druck- und/oder eine Strömungskomponente aufweisen, welche den Abtransport der Gase von den Elektroden beeinflusst.
  • Erfindungsgemäß kann ein gasphasenfreier Raum in der Beschichtungszelle beziehungsweise zwischen Beschichtungszelle und Pumpe bereits dann verwirklicht sein, wenn eine räumliche Trennung von Beschichtungszelle und einem Bereich bereitgestellt ist, in welchem das in dem Elektrolyten vorgesehene Gas den Elektrolyten verlassen kann.
  • Das Verlassen des Elektrolyten ist erfindungsgemäß ein Abtransport des Gases von dem Elektrolyten. Der bloße Transport von gebildeten Gasbläschen durch beziehungsweise mittels des Elektrolyten ist durch die erfindungsgemäß definierte Trennung beziehungsweise den Abtransport nicht erfasst.
  • Vorzugsweise kann diese räumliche Trennung von Elektrolyten und den darin enthaltenen Gasen in einem Bereich nach der Pumpe und/oder in einem Sammel- oder Vorratsbehälter für Elektrolyten durchführbar sein.
  • Nach einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass in Flussrichtung des Elektrolyten nach der Pumpe eine Senke, vorzugsweise als Teil des Vorratsbehälters, angeordnet ist, in welcher eine Gasphase oberhalb des Elektrolyten vorgesehen ist, die vorzugsweise einen höheren Druck aufweist als der Elektrolyt in der Spannungszelle. Der Bereich der Senke beziehungsweise des Vorratsbehälters kann gegenüber der Atmosphäre offen und/oder mit einer Entlüftung ausgebildet sein, welche das Ausgasen des Knallgases und/oder anderer Gase erlaubt beziehungsweise unterstützt. In der Senke beziehungsweise dem Vorratsbehälter kann hierfür oberhalb des Elektrolyten ein Freiraum gebildet sein, in welchem das Gas ausperlen kann.
  • Besonders bevorzugt ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass die Beschichtungszelle ausgebildet ist, mehr als ein Werkstück gleichzeitig zu beschichten und/oder, dass die einzelnen Werkstücke jeweils eine erste Elektrode bilden, wobei zwischen den Werkstücken und einer Gegenelektrode ein elektrischer Strom geleitet wird und/oder, dass jedem Werkstück ein eigener Gleichrichter zur Stromversorgung zugeordnet ist. Grundsätzlich können ein oder mehrere Werkstücke gleichzeitig in der Beschichtungszelle beschichtet werden. Hierbei kann es vorteilhaft sein, die Stromstärke an jedem der Werkstücke individuell einzustellen und/oder zu überwachen. Da die Schichtdicke einer elektrochemischen Beschichtung grundsätzlich sowohl von der Stromstärke als auch von der Zeit abhängen kann, kann es vorteilhaft sein, mindestens eine der beiden Größen, besonders bevorzugt beide, zu überwachen. Hierbei lässt sich ein Rückschluss auf die gebildete Schichtdicke anhand der Stromstärke und/oder der vergangenen Zeit während der Beschichtung ziehen. Besonders bevorzugt ist die Beschichtungsvorrichtung mit einer Alarmmeldevorrichtung ausgebildet, welche ein Alarmsignal aussendet, wenn beispielsweise in einer voreingestellten Zeit eine Mindeststromstärke für ein individuelles Werkstück nicht erreicht wurde. Es kann auch eine automatische Abschaltung nach Bereitstellung eines vordefinierten elektrischen Stroms (elektrische Stromstärke = I= dQ/dt; Q = Ladungsmenge, t = Zeit) bereitgestellt sein. Als Gegenelektrode, insbesondere Kathode, kann jeweils eine Gegenelektrode pro Werkstück oder auch eine für mehrere Werkstücke oder für alle Werkstücke die zu einem Zeitpunkt beschichtet werden, vorgesehen sein.
  • Eine besonders genaue Einstellung der Stromstärke an einzelnen Werkstücken kann insbesondere mittels individueller Gleichrichter an den jeweiligen Werkstücken erreicht werden. So kann ein Qualitätsmanagement beziehungsweise eine Überwachung der Qualität der Beschichtung an den einzelnen Werkstücken bereits während der Beschichtung durchgeführt werden und ein Resultat der Beschichtung direkt auch ohne weitere Messungen am Werkstück nach der Beschichtung ausgelesen werden. Grundsätzlich können die einzelnen Gleichrichter mit einer computergesteuerten Recheneinheit verbunden sein, über welche eine Stromstärke für das mindestens eine Werkstück, vorzugsweise individuell, einstellbar ist und/oder nach Beendigung der Beschichtung die tatsächlichen Ist-Werte der Stromstärke, die durch das jeweilige Werkstück geflossen ist, auslesbar sein können.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass jeweils ein Werkstück in einer Beschichtungszelle vorgesehen ist, wobei mehrere Beschichtungszellen parallel vorgesehen sind. Grundsätzlich kann eine räumliche Trennung einzelner Werkstücke voneinander vorteilhaft sein. Insbesondere kann so eine individuelle Strömungsgeschwindigkeit für den Elektrolyten durch die Beschichtungszelle und/oder Stromstärke einstellbar sein. Hierfür können individuelle Pumpen für jeweils eine Beschichtungszelle vorgesehen sein.
  • Grundsätzlich können die einzelnen Beschichtungszellen mit einer einheitlichen Elektrolytversorgung, also einer gemeinsamen nachgeschalteten Pumpe und/oder einem gemeinsamen Vorratsbehälter für den Elektrolyten ausgebildet sein. Eine individuelle Ausgestaltung der Strömungsgeschwindigkeit kann beispielsweise über Drosseln und/oder eine Durchmesseranpassung der Zuleitung von Elektrolyten in die Beschichtungszelle erfolgen. Die einzelnen Beschichtungszellen können individuell mit dem Vorratsbehälter verbunden sein oder über eine gemeinsame sich aufteilende Zuleitung mit dem Vorratsbehälter verbunden sein.
  • Insbesondere können die einzelnen Beschichtungszellen unabhängig voneinander von einer Zuleitung von einem weiteren Elektrolyten, also insbesondere von dem Vorratsbehälter, abtrennbar sein. So kann beispielsweise in einer ersten Beschichtungszelle eine Beschichtung durchgeführt werden, während in einer weiteren Beschichtungszelle ein zu beschichtendes Werkstück oder die ganze Beschichtungszelle austauschbar ist.
  • Besonders zweckmäßig ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass der Elektrolyt, welcher gebildetes Wasserstoffgas enthält, und der Elektrolyt, welcher gebildetes Sauerstoffgas enthält, zumindest innerhalb der Beschichtungszelle voneinander getrennt gefördert werden. Insbesondere im Bereich der Beschichtungszelle ist aufgrund der vorhandenen elektrischen Ströme ein erhöhtes Gefährdungspotenzial für eine Knallgasexplosion gegeben. Erfindungsgemäß kann der entstehende Wasserstoff und der entstehende Sauerstoff von den einzelnen Elektroden im Grunde vermischungsfrei abgeführt werden. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Elektrolytströmung von dem Vorratsbehälter durch die Beschichtungszelle turbulenzarm oder frei von Turbulenzen bereitgestellt ist. Ergänzend oder alternativ hierzu kann auch bereichsweise eine Trennwand zwischen Kathode und Anode zumindest in einem oberen Bereich der Beschichtungszelle vorgesehen sein, welche die Separierung der einzelnen Gase innerhalb der Beschichtungszelle unterstützt. Vorzugsweise strömt der Elektrolyt innerhalb der Beschichtungszelle entlang einer Längsseite des zu beschichtenden Werkstücks und/oder von unten nach oben durch die Beschichtungszelle.
  • Sobald die in dem Elektrolyten vorhandenen Gase die Beschichtungszelle verlassen, kann das Explosionsrisiko verringert sein, da die Ableitung in Richtung Pumpe von den Strom- beziehungsweise Spannungsquellen der Beschichtungszelle entfernt ist. Besonders bevorzugt ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass zwischen Beschichtungszelle und Pumpe eine Entlüftungseinheit angeordnet ist, über welche entstehende Gase ableitbar sind. Ergänzend oder alternativ zu der Senke, in welcher das entstehende Gas beziehungsweise Gasgemisch den Elektrolyten verlassen kann, kann eine Einrichtung vorgesehen sein, die es den entstehenden Gasen erlaubt, den Elektrolyten zu verlassen, also von diesem abgetrennt zu werden. Eine solche Einrichtung kann auch als Entgasungseinrichtung bezeichnet werden. Besonders bevorzugt ist hierzu ein Gastopf oder eine anderweitig ausgebildete Einrichtung zur Entgasung vorgesehen, in welcher die entstehenden Gase, insbesondere das entstehende Knallgasgemisch, aus dem Elektrolyten ausperlen kann und/oder sich in einem Gasraum innerhalb der Entgasungseinrichtung sammeln kann. Da sich diese Einrichtung räumlich getrennt von der Beschichtungszelle befindet, ist eine Explosionsgefahr des entstehenden Knallgasgemisches, also von Wasserstoff und Sauerstoff, in der Beschichtungszelle deutlich herabgesetzt.
  • Der Gastopf oder die anderweitig ausgebildete Einrichtung kann in einem Bereich angeordnet sein, in welchem sich das Gas, vorzugsweise oberhalb des Elektrolyten und/oder getrennt von diesem, sammeln kann. Vorzugsweise ist die Einrichtung dabei in sich geschlossen abgesehen von jeweils mindestens einem Zulauf und einem Ablauf für den Elektrolyten aus der Beschichtungszelle (Zulauf) hin zu der Pumpe (Ablauf). Die Entgasungseinrichtung wird somit vorzugsweise kontinuierlich vom Elektrolyten durchströmt, wobei Gasbläschen innerhalb des Elektrolyten sowie gelöstes Gas in dem Elektrolyten diesen verlassen können.
  • Besonders bevorzugt wird das entstandene Gas diskontinuierlich aus der Entgasungseinrichtung entfernt, wobei im Bereich der Gasphase, vorzugsweise in einem oberen Bereich, die Entgasungseinrichtung mit einem Ventil ausgebildet ist, über welches Gas aus dem Inneren der Entgasungseinrichtung abgeleitet werden kann. Zur Überwachung der gesammelten Gasmenge in der Entgasungseinrichtung kann insbesondere eine Sensoranordnung vorgesehen sein, welche einen Elektrolytpegel in der Entgasungseinrichtung überwacht. Je mehr Gas in der Entgasungseinrichtung gesammelt wird, desto niedriger wird der Pegelstand des durch die Entgasungseinrichtung strömenden Elektrolyten, da dieser durch die gesammelten Gase aus der Entgasungseinrichtung, insbesondere aus dem Ablauf heraus, verdrängt wird. Wird eine Mindestfüllmenge der Entgasungseinrichtung mit Elektrolyten erreicht, also ein besonders niedriger Pegelstand an Elektrolyten, kann eine Entlüftung der Entgasungseinrichtung automatisch oder manuell, insbesondere über das vorgesehene Ventil, erfolgen.
  • Nach einer zweckmäßigen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Gasbereich innerhalb der Entgasungseinrichtung einen verminderten Druck gegenüber dem atmosphärischen Druck aufweist. Hierdurch kann eine Unterstützung der Separierung von Gas und Elektrolyten in der Entgasungseinrichtung bereitgestellt sein. Der verminderte Druck in der Entgasungseinrichtung kann beispielsweise über die bereits vorhandene Elektrolytpumpe oder über eine weitere Pumpe, welche vorzugsweise mit dem Ventil der Entgasungseinrichtung verbunden ist, bereitgestellt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur elektrochemischen Hochgeschwindigkeitsbeschichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt mittels einer Pumpe während des Beschichtens des Werkstücks, vorzugsweise kontinuierlich, aus der Beschichtungszelle gesaugt wird, wobei frischer Elektrolyt aus dem Vorratsbehältnis in die Beschichtungszelle nachgeführt wird, dass während des Beschichtens zumindest die Beschichtungszelle als ein gasphasenfreier Raum bereitgestellt wird.
  • Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, Elektrolyten durch eine Beschichtungszelle zu saugen, wobei die dabei auftretende Sogwirkung den Abtransport von an den Elektroden entstehenden Gasen unterstützt. Die Unterstützung kann sowohl in Form einer abtragenden Strömung als auch durch eine erhöhte Rekombination von Gasperlen auf der Oberfläche der Elektroden zu größeren, insbesondere abtragfähigen Glasperlen, bestehen. Durch die gasphasenfreie Ausgestaltung innerhalb der Beschichtungszelle kann die Sogwirkung einer Pumpe unmittelbar auf den Elektrolyten wirken, was sich vorteilhaft auf den Austrag von Gasen aus der Beschichtungszelle auswirken kann. Im Vergleich zu einer Pumpe, welche in Flussrichtung vor der Beschichtungszelle angeordnet ist und damit den Elektrolyten schiebend in die Beschichtungszelle fördert, kann bei einer saugenden Pumpe von einer Reduzierung von sogenannten Brennern an dem zu beschichtenden Werkstück aufgrund von hohen Spannungen in der Beschichtungszelle profitiert werden. Dies kann letztlich zu einer besonders gleichmäßigen Beschichtung von besonders hoher Qualität führen. Vorzugsweise wird während eines Beschichtungsvorgangs zwischen Beschichtungszelle und Pumpe, vorzugsweise mindestens eine dieser Einrichtungen mit einschließend, in Strömungsrichtung des Elektrolyten ein gasphasenfreier Raum bereitgestellt.
  • Die gasphasenfreie Verfahrensführung im Bereich der Beschichtungszelle kann insbesondere einer Gefahr durch Knallgasexplosionen vorbeugen.
  • Aufgrund des bei einer elektrochemischen Beschichtung an der Anode entstehenden Sauerstoffs ist es nicht möglich, sehr hohe Stromdichten in offenen Bädern einzusetzen, da bei der Anodisation, Galvanisierung oder ähnlichen Verfahren entstehende "Brenner" das zu beschichtende Bauteil/Werkstück und die Kontakte am Gestell, an die das zu anodisierende Bauteil geklemmt ist, zerstören.
  • Diese "Brenner" sind mit bloßem Auge wahrnehmbar und sind im Beschichtungsprozess, insbesondere im Anodisierungsprozess, sehr gefürchtet. Bei diesen Brennern handelt es sich insbesondere um einen Plasmazustand von Sauerstoff an der Anode. Durch diese Brenner wird das Metall der Anode oxidiert, also verbrannt, und extrem hohe Energiemengen werden in Form von Wärmeenergie frei.
  • Das Nachführen von Elektrolyt kann insbesondere passiv durch das Abführen von Elektrolyten aus der Beschichtungszelle erfolgen. Ein aktives Nachführen ist jedoch grundsätzlich ebenfalls denkbar, soweit dadurch die erfindungsgemäß erforderliche Sogwirkung der Pumpe im Bereich der Beschichtungszelle auf den Elektrolyten nicht aufgehoben wird.
  • Deshalb werden Stromdichten bei der Beschichtung in offenen Bädern eingestellt, die < 10 A/qdm (Ampere pro Quadratzentimeter) sind. Die Bildungsgeschwindigkeit der Oxidschicht liegt bei offenen Bädern je nach zu anodisierender AI-Legierung bei 1 µm/min bis 3 µm/min.
  • Niedrige Bildungsgeschwindigkeiten der Oxidschicht treten beispielsweise bei 2000er AI-Legierungen und AI-Druckguss, höhere bei 5000er und 6000er AI-Legierungen auf.
  • Trotz aller eingesetzten vorher ausgeführten Maßnahmen wird für die Anodisation in offenen Bädern eine lange Beschichtungszeit benötigt.
  • Die in offenen Bädern mit beispielsweise dem Eloxal- oder Harteloxal-Verfahren hergestellten Aluminium-Oxidschichten und anderen Metalloxidschichten haben folgende Nachteile:
    • Scharfe Kanten an den zu anodisierenden Werkstücken werden nicht mit einer Aluminiumoxidschicht überzogen, da die Schichtbildung senkrecht zur Aluminium-Oberfläche erfolgt [siehe dazu: Keller, F.; Hunter, M.S.; Robinson, D.L. "J. Electrochem. Soc." 100, 411 -419 (1953)]. Das daraus resultierende Modell wird auch als KHR-Modell bezeichnet.
    • Die Schichtdickentoleranz der Aluminiumoxidschicht ist sehr groß, bei 50 µm Schichtdicke beispielsweise +/- 5 µm und höher.
    • Die Rauheit der Aluminiumoxidschicht ist bei höheren Schichtdicken >15 µm sehr groß aufgrund von Rücklösung und liegt bei Ra > 1 µm bei den gebräuchlich verwendeten Elektrolyten wie Schwefel- und/oder Oxalsäure.
    • Die Schichtdicken sind typisch je nach Legierung auf 10 - 70 µm begrenzt.
  • Die vorliegende Erfindung räumt diese Nachteile aus.
  • Nach einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass die Beschichtungszelle mit einer Stromdichte von 1 bis 2000 A/qdm und einer Spannung von 1 bis zu 1000 Volt betrieben wird. Grundsätzlich können das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung bei jeder Betriebsart von der Sogwirkung der nachgeschalteten Pumpe und dem damit einhergehenden verminderten Druck im Elektrolyten profitieren. Besonders wird jedoch dann von dem erfindungsgemäßen Verfahren beziehungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung profitiert, wenn besonders hohe Spannungen beziehungsweise besonders hohe Stromdichten (A/qdm)/Stromstärken (A) vorliegen. Je höher die angelegte Spannung beziehungsweise Stromstärke/Stromdichte, desto größer ist die Möglichkeit des Auftretens der sogenannten Brenner, welche die Oberflächenbeschichtung, die mittels der vorliegenden Erfindung erzeugt werden soll, beschädigen können. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können elektrische Ströme verwendet werden, die unter bisherigen Bedingungen nicht erreichbar sind. Dies erlaubt besonders kurze Beschichtungszeiten und einen damit verbundenen hohen Werkstückdurchsatz.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch besonders hohe Stromdichten beziehungsweise Stromstärken beim Beschichten des Werkstücks in der Elektrolytlösung eingesetzt werden, ohne dass es zu einer signifikanten Ausbildung von Brennern beziehungsweise, dass es zu einem Ausbleiben vom Brenner, kommt. Diese bevorzugte Ausführungsform ist daher nicht lediglich durch einen Wertebereich definiert, sondern bringt auch zum Ausdruck, dass das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von der verwendeten Stromstärke/Stromdichte brennerarm beziehungsweise brennerfrei durchführbar ist.
  • Nach einer besonders zweckmäßigen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist es vorgesehen, dass der Elektrolyt mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,01 Liter/min bis 100.000 Liter/min, vorzugsweise 1 Liter/min bis 100 Liter/min durch die Beschichtungszelle strömt. Bei gleichbleibender Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu einer elektrochemischen Hochgeschwindigkeitsbeschichtung kann durch bedarfsgerechtes Anpassen der Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten in der Vorrichtung eine Sogwirkung individuell einstellbar sein. Hierbei kann insbesondere ein Zusammenhang zwischen der Höhe der verwendeten Stromdichte oder Stromstärke und der Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten durch die Beschichtungszelle bestehen. Vorzugsweise ist eine höhere Stromdichte/Stromstärke mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit gekoppelt, wodurch einer erhöhten Sauerstoffproduktion an der Anode beziehungsweise einer erhöhten Gasproduktion an den Elektroden in der Beschichtungszelle Rechnung getragen wird. So kann das entstehende Gas in ausreichender Menge aus der Beschichtungszelle abgeführt werden beziehungsweise kann eine ausreichende Sogwirkung bereitgestellt werden, wodurch den voranstehend genannten Brennern ausreichend vorgebeugt wird.
  • Besonders bevorzugt ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass das elektrochemische Beschichtungsverfahren als Anodisation, insbesondere als Plasma-Elektrolytische-Oxidation (PEO), durchgeführt wird.
  • Besonders zweckmäßig ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass die Bildungsgeschwindigkeit der Oxidschicht, insbesondere mittels einer Anpassung der Stromdichte, vorzugsweise an dem Werkstück, auf zwischen 0,001 µm/min bis 1000 µm/min, vorzugsweise zwischen 0,1 µm/min bis 100 µm/min eingestellt wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Ecken und Kanten des Werkstücks mit denselben Schichtdicken homogen beschichtet werden wie die ebenen Bereiche des Werkstücks. Eine Verfahrensführung, welche die gleichmäßige Beschichtung von Ecken und Kanten wie auch die flachen Bereiche des Werkstücks ermöglicht, ist nach herkömmlichen, vorangehend beschriebenen Verfahrensweisen nicht möglich. Insbesondere die Sogwirkung der Pumpe auf den Elektrolyten in der Beschichtungszelle und/oder die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten durch die Beschichtungszelle können sich positiv auf den homogenen Aufbau der Beschichtung auswirken.
  • Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Beschichtung des Werkstücks mit einer Schichtdicke von 0,001 µm bis 100 µm, vorzugsweise 0,1 µm bis 50 µm und einer Rauheit von Ra = 0,3 bis max 3 µm gebildet wird.
  • Beim Mittenrauwert Ra handelt es sich um den rechnerischen Mittelwert aller Abweichungen eines Rauheitsprofils von der mittleren Linie entlang der Bezugsstrecke (Dm). Das bedeutet, dass der Mittenrauwert Ra theoretisch dem Abstand mehrerer Linien entspricht, die entstehen würden, wenn die Berge und die Täler um die Mittellinie in gleich große Rechtecke umgewandelt werden würden.
  • Berechnung des Mittenrauwerts Ra : R a = 1 Lr ∫ 0 Lr z x dx
    Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    (http://www.technisches-zeichnen.net/technischeszeichnen/diverses/rauheitswerte.php)
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine einfache Ausführungsform einer elektrochemischen Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung,
    Figur 2
    eine elektrochemische Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung mit Entgasungseinrichtung,
    Figur 3
    eine erfindungsgemäße Entgasungseinrichtung und
    Figur 4
    eine alternative oder ergänzende rohrförmige Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beschichtungszelle.
  • Figur 1 zeigt eine einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrochemischen Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung 10 mit einem Vorratsbehälter 20, einer Beschichtungszelle 30 und einer Pumpe 40. Der Vorratsbehälter 20 ist mit der mindestens einen Beschichtungszelle 30 über mindestens eine Zuführleitung 21 elektrolyt-leitend verbunden. In dem Vorratsbehälter 20 ist der Elektrolyt 22 bevorratet, welcher beispielsweise in dem Vorratsbehälter 20 oder in einer separaten Einrichtung gekühlt werden kann. Der Elektrolyt wird von dem Vorratsbehälter 20 mittels der Pumpe 40 in die Beschichtungszelle 30 befördert und über die Abführleitung 31 aus der Beschichtungszelle 30 mittels der Pumpe 40 abgesaugt.
  • In der Beschichtungszelle ist mindestens ein Werkstück 32 angeordnet, welches gegenüber einer Gegenelektrode, vorzugsweise einem Gehäuse der Beschichtungszelle, ein Potenzial aufweist, so dass Strom zwischen der Gegenelektrode 34 und dem Werkstück fließen kann. Mittels dieses Stroms ist eine elektrochemische Abscheidung von Material an der Oberfläche des Werkstücks ermöglicht.
  • Das abgeschiedene Material kann in Form von Metallen, Legierungen oder Metalloxiden eine Oberfläche auf dem Werkstück bilden, wodurch dieses veredelt wird. In Abhängigkeit von der angelegten Stromstärke, insbesondere bei höheren Stromstärken von > 10 A, kann eine Gasentwicklung an den Elektroden auftreten, welche aufgrund der Elektrolyse eines Wasseranteils in dem Elektrolyten auftreten kann. Der so beispielsweise an der Anode gebildete Sauerstoff und an der Kathode gebildete Wasserstoff entsteht in einem Oberflächenbereich des Werkstücks 32 und seiner Gegenelektrode. Die Elektrolytflüssigkeit kann besonders turbulenzarm durch die Beschichtungszelle geleitet werden, wodurch ein separater Austrag von Sauerstoff und Wasserstoff beziehungsweise eine separate Bewegung der Gase innerhalb der Beschichtungszelle ermöglicht sind. Alternativ oder ergänzend hierzu kann eine Trennwand zwischen Anode und Kathode, vorzugsweise in einem Bereich der Austrittsöffnung 33 vorgesehen sein, welche die beiden Ströme von transportiertem Wasserstoff und Sauerstoff, zumindest innerhalb der Beschichtungszelle 30, voneinander trennt. Besonders bevorzugt werden die separierten Ströme erst am Ausgang der Beschichtungszelle zusammengeführt und über eine gemeinsame Ableitung in Richtung Pumpe gesaugt.
  • Die Abführleitung 31 leitet den Elektrolyten aus der Beschichtungszelle hinaus und in den Vorratsbehälter 20 zurück. In dem Vorratsbehälter 20 kann ein Bereich 50 beispielsweise in Form einer Senke vorgesehen sein, in welchem das abtransportierte Gas, insbesondere die Knallgasmischung aus Wasserstoff und Sauerstoff, von dem Elektrolyten abtrennbar ist. Dies kann beispielsweise durch ein Ausperlen der Gase in einen Gasbereich/eine Atmosphäre oberhalb des Elektrolyten in dem Vorratsbehälter 20 ermöglicht sein. Bevorzugt kann der Bereich 50 gegenüber der Atmosphäre offen sein. In dem Vorratsbehälter kann eine Entlüftung vorgesehen sein, welche einen Austausch der Atmosphäre oberhalb des Elektrolyten 22 in dem Vorratsbehälter 20 kontinuierlich oder diskontinuierlich ermöglicht. Alternativ oder ergänzend hierzu kann eine Pumpe vorgesehen sein, welche bedarfsgerecht Gase aus dem Bereich oberhalb des Elektrolyten 22 in dem Vorratsbehälter 20 saugt.
  • Grundsätzlich kann die Gasphase oberhalb des Elektrolyten 22 in dem Vorratsbehälter 20 einen höheren Druck aufweisen, als der Druck des Elektrolyten 22 in der Beschichtungszelle 30 ist. Dieser kann insbesondere aufgrund der Sogwirkung der Pumpe 40 vermindert sein.
  • Die Sogwirkung beziehungsweise der an den Elektrolyten 22 durch die Pumpe 40 angelegte verminderte Druck können sich positiv auf die Rekombination von gebildeten Gasbläschen auf der Oberfläche des Werkstücks 32 auswirken, wodurch ein zügiger Abtransport von rekombinierten (zusammengefügten), beziehungsweise Gasperlen transportierbarer Größe auf dem Werkstück und/oder seiner Gegenelektrode ermöglicht ist.
  • Der Bereich der Beschichtungszelle ist bevorzugt gasphasenfrei ausgebildet. Dem Fachmann ist klar, dass in dem Elektrolyten transportierte Gasbläschen sowie gelöste Gase vorhanden sind. Dies ist hier jedoch nicht als Gasphase zu verstehen. Demnach ist insbesondere im Bereich der Beschichtungszelle ein Bereich vermieden, in welchem sich ein Knallgasgemisch von Sauerstoff und Wasserstoff sammeln könnte, wodurch die Gefahr einer Explosion innerhalb der Beschichtungszelle gegeben wäre (Gasphase).
  • Vielmehr kann die Beschichtungszelle zumindest nach einer Ausführungsform als ausgeweiteter Bereich einer Leitung ausgebildet sein und/oder bevorzugt vollständig mit dem Elektrolyten befüllt sein.
  • Im Hinblick auf eine optimierte Separierung der im Bereich der Elektroden gebildeten Gase (Wasserstoff, Sauerstoff) kann es von Vorteil sein, die Flussrichtung des Elektrolyten und/oder Ein- und Ausgang der Beschichtungszelle vertikal auszugestalten, so dass der Ausgang oberhalb des Eingangs in die Beschichtungszelle für Elektrolytlösung liegt beziehungsweise dass eine in etwa vertikale Flussrichtung des Elektrolyten durch die Beschichtungszelle bereitgestellt ist. Hierdurch können Gasperlen und Elektrolyt dieselbe Bewegungsrichtung aufweisen, was einer Durchmischung der Gase der einzelnen Elektroden vorbeugen kann.
  • Unabhängig von diesen Optimierungen kann die Beschichtungszelle auch als Leitungssegment zwischen Vorratsbehälter 20 und Pumpe 40 ausgebildet sein, wie insbesondere mit Bezug zu Figur 3 genauer beschrieben wird.
  • Figur 2 zeigt eine besondere Ausführungsform 60 der erfindungsgemäßen elektrochemischen Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung, welche dem Grunde nach dem Aufbau gemäß der Ausführungsform nach Figur 1 entspricht. Zwischen Pumpe 40 und Beschichtungszelle 30 kann jedoch eine Entgasungseinrichtung 70 vorgesehen sein, welche ausgebildet ist, Gas und Elektrolyten voneinander zu trennen. Dem Grunde nach kann die Entgasungseinrichtung 70 in ähnlicher Weise funktionieren wie die Senke 50 im Vorratsbehälter 20, aus welcher die Gase in einen Gasraum G oberhalb des Elektrolyten 22 entweichen können. Die Entgasungseinrichtung 70 kann, insbesondere in dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1, ergänzend oder alternativ zu der Senke 50 vorgesehen sein. Die Beschichtungszelle kann über mindestens eine Leitung 31 mit der Entgasungseinrichtung 70 verbunden und/oder die Entgasungseinrichtung 70 über mindestens eine Leitung 41 mit der Pumpe 40 und/oder die Pumpe 40 mit dem Vorratsbehälter 20, insbesondere mit dessen Senke 50.
  • Figur 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Entgasungseinrichtung 70 mit einem Zulauf 71 und einem Ablauf 72 für den Elektrolyten. Vorzugsweise ist der Ablauf mit der Pumpe gemäß Figur 2 verbunden. An der Entgasungseinrichtung 70 können eine oder mehrere Sensoren 73, 75 angeordnet sein, welche mindestens zwei Flüssigkeitsstände an Elektrolyten 22 in der Entgasungseinrichtung 70 detektieren können. Die Entgasungseinrichtung 70 kann mit mindestens einem Ventil 74 ausgebildet sein, über welches Gas aus der Entgasungseinrichtung 70 ableitbar ist. Vorzugsweise ist das Ventil 74 mit einer Pumpe verbunden, welche unterstützend die Entfernung des Gases 80 aus der Entgasungseinrichtung 70 unterstützt. Besonders bevorzugt ist das Ventil in einem oberen Bereich der Entgasungseinrichtung 70 im Bereich der Gasphase 80 angeordnet.
  • Besonders vorteilhaft ist es vorgesehen, dass das Ventil 74 mit dem mindestens einen ersten Sensor 73 gekoppelt ist und dann für ein Entweichen des Gases 80 aus der Entgasungseinrichtung 70 geöffnet wird, wenn ein bestimmter Pegel an Elektrolyten 22 unterschritten wird, was durch den Sensor 73 detektiert wird. Mittels eines mindestens zweiten Sensors 75, welcher näher am Ventil 74 angeordnet ist als der erste Sensor 73, kann nach dem Öffnen festgestellt werden, wenn ein gewünschter Höchstpegel oder zumindest erhöhter Pegel an Elektrolyten 22 in der Entgasungsvorrichtung 70 erreicht ist, wodurch ein Signal an das Ventil 74 bereitgestellt werden kann, dieses wieder zu verschließen. Das dafür notwendige Signal kann der mindestens zweite Sensor 75 beispielsweise dann senden, wenn der Pegel an Elektrolyten 22 in der Einrichtung 70 den mindestens zweiten Sensor 75 erreicht. Vorzugsweise ist das Ventil 74 auch mit dem zweiten Sensor 75 gekoppelt.
  • Nach einer Ausführungsvariante kann im Betrieb der Entgasungseinrichtung 70 folgendes Vorgehen vorgesehen sein:
    Als Grundeinstellung kann beispielsweise ein erster Pegel I an Elektrolyten 22 als gewünschte höchste Elektrolytbefüllung der Entgasungseinrichtung 70 ausgewählt sein. In diesem Zustand kann das Ventil 74 verschlossen sein, wobei die Gasphase 80 oberhalb des Elektrolyten 22 vorzugsweise mit einem Druck zur Verfügung gestellt ist, welcher geringer ist als der atmosphärische Druck. Die Vorrichtung funktioniert jedoch grundsätzlich auch dann, wenn ein Druck in der Entgasungseinrichtung 70 vorgesehen ist, welcher höher ist als der atmosphärische Druck. Die Verminderung des Drucks in der Gasphase 80 dient lediglich der Unterstützung der Entgasung des Elektrolyten 22 von den im Bereich der Beschichtungszelle (Wasserstoff und Sauerstoff) gebildeten Gasen an den Elektroden.
  • Unter der Saugwirkung der Pumpe 40 strömt durch den Zulauf 71 Elektrolyt 22 aus der Beschichtungszelle 30 in die Entgasungseinrichtung 70 hinein und über den Ablauf 72 in Richtung Pumpe 40 hinaus. Da in der Entgasungseinrichtung 70 eine Gasphase 80 bereitgestellt ist, kann zumindest ein Teil des Knallgasgemisches aus dem Elektrolyten 22 in diese entweichen. Vorzugsweise wird dieser Vorgang durch einen Unterdruck in der Gasphase gegenüber einem atmosphärischen Druck unterstützt. Durch die in die Entgasungseinrichtung 70 entweichenden Gasanteile des Elektrolyten 22 wird der Pegel I des Elektrolyten in Richtung Pegel II verdrängt. Dieser ist ebenfalls frei wählbar und liegt niedriger als der Pegel I. Wird der Pegel II erreicht, kann dies durch mindesten einen ersten Sensor 73 erkannt werden. Durch ein entsprechendes Signal an das Ventil 74 kann dieses geöffnet werden, und die Gase können aus der Gasphase 80 über das Ventil aus der Entgasungseinrichtung 70 abgeführt werden. Für die Übertragung und Verarbeitung von Signalen von den Sensoren kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, welche aufgrund der Signale von den Sensoren 73, 75 das Ventil 74 ansteuert und so eine Verbindung zwischen Sensoren und Ventil schafft.
  • Sollte die Gasphase 80 gegenüber dem atmosphärischen Druck einen Unterdruck aufweisen kann es zweckmäßig sein, dass eine Pumpe die Gase aus dem Gasraum 80 über das Ventil 74 abführt. Sollte die Entgasungseinrichtung in der Gasphase 80 gegenüber dem atmosphärischen Druck mit einem Überdruck vorgesehen sein, kann durch bloßes Öffnen des Ventils 74 ein Entweichen der Knallgasmischung aus der Entgasungseinrichtung 70 bewirkt werden. Der Übergang von Unterdruck zu Überdruck in der Gasphase 80 gegenüber einem atmosphärischen Druck kann in Abhängigkeit von den darin gesammelten Gasen ein fließender/wechselnder sein.
  • Durch das Entweichen wird der Druck der Gasphase 80 auf den Elektrolyten 22 vermindert, wodurch der Pegel II wieder ansteigt, bis er den Pegel I erreicht. Wird der Pegel I erreicht, wird dies durch mindesten einen zweiten Sensor 75 erkannt, was zu einem Signal führen kann, welches das Ventil 74 verschließt. Der mindestens zweite Sensor 73 kann hierbei gegenüber dem ersten Sensor 73 näher an dem Ventil oder einer anderen verschließbaren Öffnung angeordnet sein, so dass dieser einen erhöhten Elektrolytpegel in der Einrichtung 70 detektieren kann. Vorzugsweis ist der Sensor 74 oberhalb des Sensors 73 in der Entgasungseinrichtung angeordnet. Durch Wiederholung dieses Vorgangs kann in verlässlicher Weise das Abführen der Gasphase 80 getrennt von der Beschichtungszelle 30 verwirklicht werden, wodurch mit besonderem Vorteil die Bildung von Knallgasphasen im Bereich der Beschichtungszelle 30 vermieden wird.
  • Figur 4 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Beschichtungszelle 90, welche als Rohrleitungssegment ausgebildet sein kann. Hierbei durchströmt der Elektrolyt die Beschichtungszelle 90 mit einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit, wobei die Pumpe 40 in Flussrichtung ebenfalls hinter der Beschichtungszelle/dem Rohrleitungssegment 90 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform ist die Wandung der Beschichtungszelle vorzugsweise als Kathode und das Werkstück als Anode ausgebildet.
  • Grundsätzlich können in allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mehrere Beschichtungszellen nebeneinander, also bevorzugt parallel geschaltet, mit dem Vorratsbehälter 20 und der Pumpe 40, vorzugsweise auch mit der Entgasungseinrichtung 70, verbunden sein. Hierbei ist es besonders bevorzugt, dass jede der einzelnen Beschichtungszellen 30, 90 mit einer Leitung 21 mit dem Vorratsbehälter 20 und mit einer Leitung 31 mit der Pumpe 40 verbunden ist. Hierdurch können mehrere Werkstücke gleichzeitig beschichtet werden, wobei jederzeit einzelne Beschichtungszellen 30, 90 von dem Zufluss von Elektrolyten 22 über die Leitung 21 abgeschnitten werden können, wodurch eine unterbrechungsfreie Beschichtung anderer Werkstücke gewährleistet ist. Sind zwei oder mehrere Beschichtungszellen vorgesehen, kann beispielsweise in einer ersten oder weiteren Beschichtungszelle 30 eine Beschichtung durchgeführt werden, während in einer zusätzlichen Beschichtungszelle 30 ein beschichtetes Werkstück 32 gegen ein unbeschichtetes Werkstück 32 austauschbar ist.
  • Besonders bevorzugt ist jedes Werkstück 32 mit einem separaten Gleichrichter verbunden, über welchen der Strom zwischen Gegenelektrode und Werkstück 32 fließt. Hierdurch kann die tatsächliche zwischen Werkstück und Gegenelektrode geflossene Stromstärke, Stromdichte und/oder die Beschichtungszeit für jedes Werkstück einzeln eingestellt und überprüft werden. Aus dem Stand der Technik sind Anordnungen bekannt, in welchen Werkstücke 32 in Serie über dieselbe Strom-/Spannungsquelle versorgt werden, wodurch die einzelnen Werkstücke mit unterschiedlicher Stromdichte beschichtet werden. Hierdurch kann eine Varianz der Schichtdicke zwischen den einzelnen Werkstücken auftreten. Durch Parallelschaltung kann diesem Phänomen vorgebeugt sein, wobei die einem jeden Werkstück einzeln zugeordneten Gleichrichter eine Abschaltung des Stromflusses durch das Werkstück nach dem Erreichen einer Soll-Stromstärke oder Soll-Stromdichte bewirken können. Dies kann bereits bei einem einzelnen Werkstück in einer einzelnen Beschichtungszelle in einer erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung 10 zu einem qualitativ hochwertigen und eindeutig bestimmbaren Beschichtungsergebnis mit klar definierbaren Schichtdicken führen. Vorzugsweise ist der Gleichrichter mit der Steuerungseinheit verbunden, welche die Stromabschaltung nach einer vorgegebenen Zeit oder einer vorgegebenen Stromstärke bewirkt.
  • Nachstehend ist ein Vergleichstest angeführt, welcher die Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber einer Beschichtungsvorrichtung beziehungsweise ein Beschichtungsverfahren angibt, bei welchem oberhalb des Elektrolyten eine Gasphase vorgesehen ist, beziehungsweise bei welchem die Vorteile der Sogwirkung der Pumpe auf den Elektrolyten in der Beschichtungszelle gemäß der vorliegenden Erfindung nicht bestehen:
    Die obere Ringnut eines Motorkolbens der Legierung G-AlSi12MgCuNi wird in einem geschlossenen Reaktor (Beschichtungszelle mit Eingang und Ausgang für Elektrolyten) mit schwefelsäurehaltigem Elektrolyten hartanodisiert.
  • Die Elektrolyttemperatur beträgt 15°C und die Strömungsgeschwindigkeit des Elektrolyten 10 Liter/sec. Die Stromdichte ist auf 20 A/qdm bei 50 - 100 Volt eingestellt. Der Elektrodenabstand betrug 3 mm.
  • In einer Minute Prozesslaufzeit wurde eine Schichtdicke von 20 ± 2 µm erhalten. Es entsteht eine homogene Aluminiumoxidschicht mit einer Rauheit von Ra < 1,0 µm an der Kante und in der Vertiefung der Ringnut.
  • Zum Vergleich ein herkömmliches Normaldruck-Anodisierungsverfahren:
    In einem Hartanodisationsbad mit gleicher Konzentration an Schwefelsäure wie im voranstehenden Beispiel wird bei 0°C ein gleicher Kolben wie bei dem Ausführungsbeispiel 1 anodisiert. Die Stromdichte beträgt 2 A/qdm. Die Beschichtungszeit ist 12 min. Die Schichtdicke beträgt 20 +/-5 µm, und die Rauheit ist Ra >3,0 µm. Mit analogem Elektrolyten und angepassten Prozessparametern wurde unter Normaldruckbedingungen bei ansonsten gleichen Bedingungen, wie Elektrodenabstand und Werkstoffwahl, die Anodisierung durchgeführt. Es war jedoch nicht möglich, mit so hohen Stromdichten zu arbeiten wie unter den erfindungsgemäßen Bedingungen der Sogwirkung der Pumpe auf eine Beschichtungszelle, welche gasphasenfrei ausgebildet ist, da ansonsten sofort ein Abbrennen der Legierung und ein sehr starker Anstieg der Rauheit bis Rz = 15 µm oder höher erfolgen würden.

Claims (15)

  1. Elektrochemische Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung mit
    - einer Beschichtungszelle, welche eine Anode, eine Kathode, einen Elektrolyten, mindestens einen Eingang und einen Ausgang für den Elektrolyten aufweist,
    - einem Vorratsbehälter, in weichem der Elektrolyt bevorratet ist und über mindestens eine Zuleitung mit dem Eingang der Beschichtungszelle verbunden ist, und
    - einer Pumpe, welche über eine Ableitung mit dem Ausgang der Beschichtungszelle verbunden ist und ausgebildet ist, den Elektrolyten aus der Beschichtungszelle abzuführen,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Pumpe in einer Flussrichtung des Elektrolyten nach dem Ausgang der Beschichtungszelle angeordnet ist und
    - dass zumindest die Beschichtungszelle im Betriebszustand als gasphasenfreier Raum ausgebildet ist.
  2. Elektrochemische Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass in Flussrichtung des Elektrolyten nach der Pumpe eine Senke vorzugsweise als Teil des Vorratsbehälters angeordnet ist, in welcher eine Gasphase oberhalb des Elektrolyten vorgesehen ist, die vorzugsweise einen höheren Druck aufweist als der Elektrolyt in der Spannungszelle.
  3. Elektrochemische Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Beschichtungszelle ausgebildet ist, mehr als ein Werkstück gleichzeitig zu beschichten,
    dass die einzelnen Werkstücke jeweils eine erste Elektrode bilden, wobei zwischen den Werkstücken und einer Gegenelektrode ein elektrischer Strom geleitet wird und
    dass jedem Werkstück ein eigener Gleichrichter für die Stromversorgung zugeordnet ist.
  4. Elektrochemische Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jeweils ein Werkstück in einer Beschichtungszelle vorgesehen ist, wobei mehrere Beschichtungszellen parallel vorgesehen sind.
  5. Elektrochemische Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Elektrolyt, welcher gebildetes Wasserstoffgas enthält, und der Elektrolyt, welcher gebildetes Sauerstoffgas enthält, zumindest innerhalb der Beschichtungszelle voneinander getrennt gefördert werden.
  6. Elektrochemische Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen Beschichtungszelle und Pumpe eine Entlüftungseinheit angeordnet ist, über welche entstehende Gase ableitbar sind.
  7. Elektrochemisches Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsverfahren, bei welchem
    - mindestens ein zu beschichtendes Werkstück in einer Beschichtungszelle vorgesehen wird,
    - in welcher das Werkstück in einen Elektrolyten eingetaucht wird,
    - während des Beschichtens die Beschichtungszelle mit frischem Elektrolyten aus einem Vorratsbehältnis versorgt wird,
    - das Werkstück eine erste Elektrode der Beschichtungszelle bildet, wobei zwischen dem Werkstück und einer Gegenelektrode der Beschichtungszelle ein elektrischer Strom geleitet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der Elektrolyt mittels einer Pumpe während des Beschichtens des Werkstücks aus der Beschichtungszelle gesaugt wird, wobei frischer Elektrolyt aus dem Vorratsbehältnis in die Beschichtungszelle nachgeführt wird, und
    - dass während des Beschichtens zumindest die Beschichtungszelle als ein gasphasenfreier Raum bereitgestellt wird.
  8. Elektrochemisches Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsverfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Elektrolyt in einem Kreisprozess der Beschichtungszelle wiederholt zugeführt wird.
  9. Elektrochemisches Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Elektrolyt nach der Pumpe in eine Senke geleitet wird, welche vorzugsweise als Teil des Vorratsbehältnisses ausgebildet ist.
  10. Elektrochemisches Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsverfahren nach einem der Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet
    dass der Elektrolyt in der Senke einer Gasphase ausgesetzt wird, welche einen höheren Druck aufweist als der Druck in dem Elektrolyten der Beschichtungszelle auf-grund der Saugwirkung der Pumpe.
  11. Elektrochemisches Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsverfahren nach einem der Anspruch 7 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Beschichtungszelle mit einer Stromdichte von 1 bis 2000 A/qdm und/oder einer Spannung von 1 bis zu 1000 Volt betrieben wird.
  12. Elektrochemisches Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Elektrolyt mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,01 Liter/min bis 100.000 Liter/min, vorzugsweise 1 Liter/min bis 100 Liter/min durch die Beschichtungszelle geleitet wird.
  13. Elektrochemisches Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das elektrochemische Beschichtungsverfahren als Anodisation, insbesondere als Plasma-Elektrolytische-Oxidation (PEO) durchgeführt wird.
  14. Elektrochemisches Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Bildungsgeschwindigkeit der Oxidschicht insbesondere mittels einer Anpassung der Stromdichte, vorzugsweise an dem Werkstück, auf zwischen 0,001 µm/min bis 1000 µm/min, vorzugsweise zwischen 0,1 µm/min bis 100 µm/min, eingestellt wird.
  15. Elektrochemisches Hochgeschwindigkeitsbeschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Ecken und Kanten des Werkstücks mit denselben Schichtdicken homogen beschichtet werden wie die ebenen Bereiche des Werkstücks.
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