WO1992007975A1 - Verfahren zur galvanischen erzeugung eines glatten, porenfreien überzugs im mikrometerbereich aus einer palladiumlegierung definierter zusammensetzung - Google Patents

Verfahren zur galvanischen erzeugung eines glatten, porenfreien überzugs im mikrometerbereich aus einer palladiumlegierung definierter zusammensetzung Download PDF

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WO1992007975A1
WO1992007975A1 PCT/CH1991/000193 CH9100193W WO9207975A1 WO 1992007975 A1 WO1992007975 A1 WO 1992007975A1 CH 9100193 W CH9100193 W CH 9100193W WO 9207975 A1 WO9207975 A1 WO 9207975A1
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deposition
electrolyte
electrode
alloy
potential
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Application number
PCT/CH1991/000193
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Inventor
Thomas Allmendinger
Philipp Hasler
Original Assignee
Thomas Allmendinger
Philipp Hasler
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Publication date
Application filed by Thomas Allmendinger, Philipp Hasler filed Critical Thomas Allmendinger
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D3/00—Electroplating: Baths therefor
    • C25D3/02—Electroplating: Baths therefor from solutions
    • C25D3/56—Electroplating: Baths therefor from solutions of alloys
    • C25D3/567—Electroplating: Baths therefor from solutions of alloys containing more than 50% by weight of platinum group metals

Definitions

  • Palladium alloy coatings are useful for various purposes. They are used as corrosion protection, especially for electrical contacts. They are also suitable as decorative protective covers on jewelry, cutlery or other metal or metallized objects. Also, the property of palladium and its alloys to selectively dissolve or diffuse hydrogen could one day be of greater importance in hydrogen technology if it were possible to produce very thin, supported palladium-based membranes (as in US Pat. No. 3,053,741 and proposed British Patent 998,925 and in our international PCT application WO 89/04556).
  • palladium coatings are more abrasion-resistant than coatings made from other noble metals such as ruthenium, rhodium or gold.
  • ruthenium, rhodium or gold In the relevant (patent) literature, however, it is often pointed out that the properties of palladium can be considerably improved by alloying with a further metal component such as silver or nickel.
  • DE-OS 3,041,740 (Cohen and Sard) mentions that electrical contacts made of 60% palladium and 40% silver are generally in use.
  • there is extensive literature on palladium alloys as hydrogen permeation materials see, for example, G.J. Grashoff, C.E. Pilkington and C.W. Corti, Plat.Met.Rev. 27/4 (1983), 157-69).
  • Pd / Ag alloys with a silver content of 20 to 25% have so far proven best for this.
  • Electroplating methods are particularly advantageous as processes for producing such coatings from palladium and palladium alloys because they are relatively easy to carry out and are therefore inexpensive. However, especially with alloys, it is difficult to produce very thin, smooth and non-porous coatings of defined composition. However, these are particularly interesting for the applications mentioned. There are two main reasons for this difficulty: First, when using aqueous electrolytes, hydrogen evolution easily occurs as a competitive reaction, which leads to local pH increase, pore formation and embrittlement, as well as a lowering of the current efficiency.
  • the system cannot be regulated galvanostatically (g), ie by specifying a specific current density, but only potentiostatically (p), ie by specifying a specific potential. Since the current / potential curve runs horizontally in this area, the cell voltage is automatically increased (ie the potential of the working electrode is negatively) if the current density is only slightly too high, so that hydrogen is undesirably formed. While all previously known methods are now working galvanically in area 3, the method proposed here is intended to work potentiostatically in area 4. This requires a 3-electrode arrangement, where in addition to the working and counter electrodes, there is also a reference electrode is to be provided.
  • the potential of the working electrode in relation to the reference electrode is measured and set by means of a potentiostat via the counter electrode. Accordingly, it is proposed here to galvanically produce a smooth, pore-free coating from a palladium alloy by the fact that the deposition in aqueous electrolytes takes place potentiostatically and that the deposition potential is provided in such a way that all alloy components in their limiting current range are deposited without simultaneous development of hydrogen. In order for this to be possible, one or more complexing agents must be added to the electrolyte, which allow the deposition under these conditions.
  • the method proposed here in claim 1 therefore provides a diaphragm between the anode space and the cathode space. This separates the anolyte from the catholyte and prevents uncontrolled intermixing.
  • Clarifying the absence of pores is not trivial and was mostly omitted in the cited patents. It is not synonymous with surface gloss.
  • An older procedure for Determining the freedom from pores known as 'Poroprint', consists in placing an electrolyte-impregnated filter paper between the palladium alloy coating deposited on a base metal (eg copper) and a platinum sheet serving as counter electrode (cathode) and over the two Metal parts to apply a DC voltage. If pores are present in the palladium alloy, the base metal is attacked anodically, whereupon the ions formed thereby pass through the pores onto the filter paper. For better detection, they can be made more visible using a suitable reagent.
  • Diluted sulfuric acid, sodium chloride, potassium nitrate or sodium carbonate solutions, etc. come into consideration as electrolytes (see, for example, US Pat. No. 3,150,065 by Fatzer).
  • the electrode potential and thus the oxidative effect in this arrangement are difficult to control and because it cannot sometimes be completely ruled out that the palladium alloy is also attacked during the anodic loading, another, more sensitive method is used here Determination of the freedom from pores applied. It provides clear results, at least for the case of Pd / Ag alloys.
  • the starting point is the international PCT application already cited. WO 89 / 04,556) described methods.
  • a palladium alloy is deposited on one side on a smooth brass foil.
  • this brass foil is selectively dezinced on the other side by a cyclic electrochemical treatment in sulfuric acid, slightly chloride-containing electrolyte, so that a porous copper foil with the layer of palladium alloy adhering to it remains.
  • a foil treated in this way can easily be checked for leaks, for example by pressing it with the porous copper layer down onto a pH indicator paper and adding a little lye on the side of the palladium alloy. If there are leaks in the Pd alloy, the lye is sucked up by the porous copper body and produces a clear discolouration on the pH paper.
  • the deposition potential is close to the reversible hydrogen Potentials, i.e. relatively positive compared to other metal deposits
  • metals with a very base character are not suitable as substrates.
  • Precious metals are the most suitable, but the least attractive for this purpose.
  • deposition is also readily possible on semi-precious metals such as copper or copper alloys, even on nickel. The better the metallic base can be polished and kept free of oxides, the sooner a thin, non-porous and shiny palladium alloy can be deposited.
  • the deposition of Pd / Ag alloys is most suitable for the proposed method, the alloy ratio in principle being freely selectable.
  • the most interesting of the possible uses are Pd / Ag alloys with a silver content of 20-25 mol% (as hydrogen permeation membranes) or approx. 40 mol% (as corrosion protection).
  • the deposition of palladium with other alloy partners or with more than one alloy partner is also conceivable using the proposed method.
  • the mixing ratio of the components in the alloy corresponds in a first approximation to the concentration ratio of the corresponding metal ions in the electrolyte. Under limit current conditions, this is only exactly the case if all diffusion rate constants k for the metal ions involved are exactly the same size.
  • the material flow n * proportional to the electric current (in mol per s and cm 2 ) can be assumed as taking into account the 1st Fick's law for each component
  • the mixing ratio of the components in the alloy is thus determined by the ratio of numerical products from the metal concentrations in the solution times the corresponding diffusion rate constants.
  • the ratio of the latter can be calculated if, on the one hand, one knows the ratio of the metal concentrations in the solution and, on the other hand, the composition of the corresponding alloy which is deposited under limit current conditions.
  • the deposition normally takes place in the region of the potential of a reversible hydrogen electrode (RHE), preferably at -50 to +100 mV vs RHE.
  • RHE reversible hydrogen electrode
  • another reference electrode can also be used, preferably a mercury / potassium or a silver / silver chloride electrode, the potential to be maintained having to be corrected taking into account the pH of the electrolyte.
  • the reference electrode or the outlet of the intermediate electrolyte vessel must be positioned in the immediate vicinity of the working electrode or, if necessary, connected to it by means of a Luggin capillary so that the true value of the electrode potential is recorded.
  • crystal (new) formation With every galvanic deposition, a distinction can be made between crystal (new) formation and crystal growth. Most of the time, both processes run in parallel, although it often applies that crystal formation is preferred to crystal growth at higher current densities and / or at more negative potentials.
  • the potential can be briefly negated by 50 to 100 mV compared to the main potential, the Duration of the current pulse generated in this way is in the range between 0.1 and 30 seconds, preferably 20 seconds.
  • complexing agent s
  • They primarily have the function of mutually equalizing the deposition potentials of the alloy partners. This is the case if that was originally (ie in the absence of the complexing agent) nobler metal is more complex than the originally less noble metal.
  • the basic principle is that a metal becomes less noble, the more it can be bound by a complexing agent in a solution that contacts the metal, i.e. it can be removed.
  • an excessively strong complexing agent is present, the metal can be refined in such a way that it is no longer separable at the reversible hydrogen potential and that a more negative deposition potential which favors the competing development of hydrogen is therefore necessary.
  • the work is carried out in the pH range 8 to 12, preferably at pH 9.5, the pH being adjusted preferably by adding alkali metal hydroxide.
  • the electrolyte solution can additionally be buffered, preferably with borates.
  • the electrolyte may contain one or more other complexing agents in a lower concentration, such as ammonia.
  • Glycine or glycinate is known per se as a complexing agent for palladium baths (cf., for example, DE-OS 2,657,925, Schuster and Heppner; US Pat. 4,673,472, Morrisey and Kroll).
  • relatively high total metal concentrations of 0.075 mol / l or more are generally provided, so that high deposition rates and relatively thick layers of approximately 10 micrometers or more can be achieved.
  • the objective of the procedure proposed here is precisely the other way round: low deposition speeds should be achieved or layers as thin as possible should be produced in the range of approx. 1 micrometer.
  • the sum of the concentrations of all metals intended for deposition is therefore provided in the range between 0.005 and 0.05 mol / 1, preferably around 0.02 mol / 1.
  • the complexing agents ie mainly glycine / glycinate, are best added in excess, preferably with a factor of 10 to 100. As a result, the deposition process to produce the desired thin coatings takes approximately 20 to 60 minutes.
  • the crystallographic homogeneity of the alloy formation is further improved by admixing a substance known as a “brightener”, preferably 1 g / 1 disodium benzaldehyde 2,4-disulfonate. Because no acceleration of the deposition is desired, it is possible to work at room temperature or less. With a deposition around 0 ° C, deposition without dendrite formation is favored. Maintaining low temperatures also increases the durability of the electrolyte and the durability of the diaphragm.
  • a substance known as a “brightener” preferably 1 g / 1 disodium benzaldehyde 2,4-disulfonate.
  • the catholyte i.e. the electrolyte located in the space of the cathode (working electrode) and containing the metal ions to be deposited is advantageously kept free of dissolved oxygen by introducing an inert gas, preferably nitrogen.
  • an inert gas preferably nitrogen.
  • a diaphragm is provided as an important element in the entire process, an anion exchange membrane preferably being selected.
  • the PTFE-containing Permion 4035 (from RAI Inc., USA) is suitable.
  • anions - mainly glycinate ions - migrate during the deposition - from catholyte to anolyte.
  • Counterions for these anions are cations which arise when a sacrificial anode is dissolved or when a proton-developing anode is operated.
  • copper or amalgamated zinc electrodes can be considered as sacrificial anodes.
  • amalgamation of the zinc is necessary so that the base Zn electrode does not dissolve in the electrolyte without the flow of current and the development of hydrogen.
  • the cations formed when these sacrificial anodes are dissolved are not required for the deposition. They are not able to migrate through the anion exchange membrane to the catholyte, but can be recovered either at the end of the process or continuously. The recovery is possible, for example, galvanically in a separate apparatus.
  • a proton-developing anode can also be selected as the counter electrode, ie either a water-decomposing, oxygen-developing anode or a hydrogen electrode.
  • the effort required to operate the latter is relatively great.
  • An oxygen-developing counterelectrode is more suitable if it does not dissolve and if it does not substantially decompose the anolyte.
  • a major advantage of using such a membrane is that the method can be carried out continuously.
  • the metal concentrations and the electrolyte volumes can be kept constant by gradually adding concentrated catholyte and removing anolyte in the same mass. Maintaining this constant is of advantage above all in the case of the low metal concentrations, as are proposed in the method according to the invention.
  • changes in concentration are of greater importance here than in the case of concentrated electrolytes: a solution which contains, for example, 3 g of Pd / 1 changes its character much more strongly after deposition of 2 g of Pd / 1 than a solution which contains 10 g of Pd / 1 .
  • the process can be carried out continuously better, the more completely the osmotic balance of the water constantly added with the concentrated catholyte as well as any other dissolved substances - such as glycine and / or ammonia - from the cathode to the anode compartment.
  • This can be accomplished, for example, by providing a sufficiently large anion exchange membrane, the process being able to be optimized in a manner which is adapted to the individual case with regard to dimensioning of the plant and control of the material flows. 2 schematically shows the material flow of the most important particles.
  • the heavy metal ions (1) leave the catholyte (K), while cations (2) are formed on the anode to the same extent, whether through their dissolution (sacrificial anode) or through release of protons, for example with decomposition of water and evolution of oxygen.
  • anions (3) migrate from the catholyte (K) to the anolyte (A), eg glycinate ions.
  • osmotic compensation (4) of uncharged particles such as water, glycine and ammonia takes place.
  • catholyte in concentrated form (5) can be added continuously and anolyte (6) can be removed to the same extent.
  • the mixture is produced by first slowly adding the phosphoric acid to the acetic anhydride, the anhydride being hydrolyzed with the development of heat. Finally, the nitric acid is added.
  • the nickel body is in a mixture of 15% by weight of 95-97% by weight sulfuric acid, 63% by weight of 85% by weight orthophosphoric acid, 22% by weight for a few minutes, for example for approximately 20 minutes at approximately 50 ° Water and 0.1 wt% hydrogen chloride electropolished potentiostatically at +1500 mV vs SCE using a nickel counter electrode.
  • the nickel body pretreated in this way must be rinsed with water in the wet state and with the potential presented, i.e. into the galvanic Pd alloy bath under current flow.
  • Galvanic deposition Before the deposition, the catholyte is advantageously gassed with nitrogen for about 30 minutes. The subsequent deposition takes place for Pd / Ag at -750 to -800 mV vs SCE.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur galvanischen Erzeugung eines glatten, porenfreien Überzugs im Mikrometerbereich aus einer Palladiumlegierung definierter Zusammensetzung vorgeschlagen. Die Abscheidung kann auf fett- und oxidfreien Oberflächen aus edlen oder insbesondere halbedlen Metallen bzw. Legierungen wie Kupfer, Messing oder Nickel erfolgen. Als Legierungspartner von Palladium ist insbesondere Silber geeignet. Die Abscheidung erfolgt in wässrigem Elektrolyten potentiostatisch und in einer von der Gegenelektrode durch ein Diaphragma, vorzugsweise einer Anionentauschermembran, getrennten Zelle. Das Potential wird so gewählt, dass sämtliche Legierungskomponenten in ihrem Grenzstrombereich ohne gleichzeitige Entwicklung von Wasserstoff abgeschieden werden, wobei dem Elektrolyten ein oder mehrere Komplexbildner zugegeben werden. Besonders geeignet hierfür ist Glycin und/oder Glycinat in schwach alkalischem Milieu. Die Konzentrationen der abzuscheidenden Metalle werden relativ niedrig gehalten. Mit Vorteil wird dem Elektrolyten noch etwas Dinatrium-benzaldehyd-2,4-disulfonat beigegeben. Ein kontinuierlicher Betrieb ist möglich, indem man laufend Katholyt in konzentrierter Form zugibt und eine entsprechende Menge Anolyt abzieht.

Description

Verfahren zur galvanischen Erzeugung eines glatten, porenfreien Überzugs im Mikrometerbereich aus einer Palladiumleσierunσ de¬ finierter Zusammensetzung
Überzüge aus Palladiumlegierungen sind für verschiedene Zwecke vorteilhaft. So finden sie als Korrosionsschutz insbesondere für elektrische Kontakte Anwendung. Ferner eignen sie sich als dekorative Schutzüberzüge auf Schmuck, Besteck oder anderen Metall- oder metallisierten Gegenständen. Auch könnte die Eigenschaft von Palladium und dessen Legierungen, selektiv Wasserstoff zu lösen bzw. durchdiffundieren zu lassen, in der Wasserstofftechnologie dereinst von grösserer Bedeutung werden, wenn es gelingen sollte, sehr dünne, trägergestützte Membranen auf Palladiumbasis herzustellen (wie im US-Patent 3,053,741 bzw. dem Britischen Patent 998,925 sowie in unserer internat. PCT-Anmeld. WO 89/04,556 vorgeschlagen) .
Wie von H.Grossmann und G.Schandt festgestellt (Galvanotechnik 67/4 (1976), 292-97), sind Palladiumüberzüge abriebfester als Überzüge aus anderen Edelmetallen wie Ruthenium, Rhodium oder Gold. In der einschlägigen (Patent-)Literatur wird indessen häufig darauf hingewiesen, dass die Eigenschaften des Palla¬ diums durch Zulegieren einer weiteren Metallkomponente wie Silber oder Nickel beträchtlich verbessert werden können. So wird in der DE-OS 3,041,740 (Cohen und Sard) erwähnt, dass elektrische Kontakte aus 60 % Palladium und 40 % Silber allge¬ mein in Gebrauch sind. Insbesondere existiert eine umfangreiche Literatur über Palladiumlegierungen als Wasserstoff-Permea- tionsmaterialien (siehe z.B. G.J.Grashoff, C.E.Pilkington and C.W.Corti, Plat.Met.Rev. 27/4 (1983), 157-69). Am besten bewährt hiefür haben sich bisher Pd/Ag-Legierungen mit einem Silber-Anteil von 20 bis 25 %.
Als Verfahren zur Erzeugung solcher Überzüge aus Palladium und Palladiumlegierungen sind galvanische Methoden besonders vor¬ teilhaft, weil sie relativ einfach durchzuführen und daher kos- tengünstig sind. Allerdings ist es vor allem bei Legierungen schwierig, sehr dünne, glatte und porenfreie Überzüge definier¬ ter Zusammensetzung zu erzeugen. Vor allem solche sind aber für die erwähnten Anwendungen interessant. Ursache für diese Schwierigkeit sind hauptsächlich zwei Faktoren: Erstens tritt bei Verwendung wässriger Elektrolyte leicht Wasserstoffentwicklung als Konkurrenzreaktion auf, was zu lokaler pH-Erhöhung, Porenbildung und Versprödung sowie zu einer Erniedrigung der Stromausbeute führt. Zweitens lässt es sich auch durch Optimierung des galvanischen Bades hinsichtlich Komplexbildner normalerweise nicht vermei¬ den, dass die Abscheidung der beiden Legierungspartner nicht gleichermassen erfolgt, sondern dass unter den gewählten Be¬ dingungen der eine Partner bevorzugter abgeschieden wird als der andere. Als Folge dessen weicht die Legierungszusammen¬ setzung stark von der Badzusammensetzung (hinsichtlich der gelösten Metalle) ab. Ausserdem verändern sich beide Zusammen¬ setzungen im zeitlichen Verlauf des Abscheideprozesses laufend. Insbesondere ist zu gewärtigen, dass die Abscheidung des einen, bevorzugt abgeschiedenen Legierungspartners im Grenzstrombe- reich erfolgt, während der andere Legierungspartner chemisch kontrolliert abgeschieden wird. Eine Abscheidung im Grenzstrom¬ bereich ist stofftransport-kontrolliert, also in besonderem Masse abhängig von äusseren Bedingungen wie der Konvektion. Umgekehrt ist bei einer elektrochemisch kontrollierten Abschei¬ dung der Einfluss der Konvektion gering. Bei Schwankungen dieser äusseren Bedingungen wird somit die stofftransport- kontrollierte Abscheidung wesentlich stärker beeinflusst als die elektrochemisch kontrollierte, was zusätzliche Unregel- mässigkeiten zur Folge hat.
Dies gilt insbesondere für die galvanische Abscheidung von Pd/ Ag-Legierungen: In saueren Elektrolyten unter Zugabe von Halo- geniden als Komplexbildner verhält sich Palladium edler als Silber, d.h. es wird bei einem weniger negativen Potential, also bevorzugt abgeschieden. Das galvanische Bad muss somit im Vergleich zur Legierungszusammensetzung grössere Mengen an gelöstem Silber enthalten (vgl. z.B. die DE-OS 3,041,740 von Cohen und Sard) . In alkalischen Elektrolyten unter Zugabe von Aminen oder Ammoniak als Komplexbildner erweist sich umgekehrt Silber edler als Palladium."Das galvanische Bad muss somit im Vergleich zur Legierungszusammensetzung grössere Mengen an ge¬ löstem Palladium enthalten (vgl. z.B. B.Sturzenegger and J.C1. Puippe, Plat.Met.Rev.28 (1984), 117 oder die EPA 0,225,422 von Novel und Martin) . Ein Idealfall würde dann vorliegen, wenn die Strom-/Potential- kurven der Legierungspartner identisch wären respektive wenn die Stromdichte (= Strom pro Elektrodenoberfläche) für das Metall mit zweiwertigen Ionen (Palladium) bei jedem Potential- punkt genau doppelt so gross wäre wie die Stromdichte für das Metall mit einwertigen Ionen (Silber) . Dieser Fall ist aber praktisch kaum realisierbar und würde ausserdem für jedes Kon¬ zentrationsverhältnis wieder eine neue Feinabstimmung erfor¬ dern, weil die Lage jeder Strom-/Potentialkurve konzentrations- abhängig ist.
In allen andern Fällen aber ist eine gleichmässige Abscheidung lediglich in einem - genügend negativen - Potentialbereich möglich, wo für sämtliche Legierungspartner Grenzstrombedin¬ gungen vorherrschen. Dieser Sachverhalt wird in Fig.l am Beispiel der Pd/Ag-Abschei- dung in alkalischem Bereich unter Verwendung von Glycin/ Glycinat als Komplexbildner illustriert. Die Figur zeigt ide¬ alisiert den allgemeinen Verlauf der Strom-/Potentialkurve: In den Bereichen (1) und (2) erfolgt Silberabscheidung, wobei (2) den Grenzstrombereich darstellt. Bei zunehmender Negativierung des Potentials schliesst sich in den Bereichen (3) und (4) zu¬ sätzlich die Palladiumabscheidung an (wobei (4) wiederum den entsprechenden Grenzstrombereich darstellt) , gefolgt von der Wasserstoffentwicklung im Bereich (5) . Der für die Legierungs- abscheidung bevorzugte Bereich ist somit Bereich (4) , wo für beide Komponenten GrenzStrombedingungen vorherrschen. In diesem Bereich kann das System aber nicht galvanostatisch (g) , also durch Vorgabe einer bestimmten Stromdichte, sondern nur potentiostatisch (p) , also durch Vorgabe eines bestimmten Potentials, reguliert werden. Da nämlich die Strom-/Potential- kurve in diesem Bereich horizontal verläuft, wird die Zellspan¬ nung bei nur geringfügig zu hoch vorgegebener Stromdichte auto¬ matisch derart erhöht (d.h. das Potential der Arbeitselektrode negativiert) , dass sich unerwünschterweise Wasserstoff bildet. Während nun bei allen bisher bekannten Verfahren galvanosta¬ tisch im Bereich 3 gearbeitet wird, soll beim hier vorgeschla¬ genen Verfahren potentiostatisch im Bereich 4 gearbeitet werden. Dazu bedarf es einer 3-Elektrodenanordnung, wo neben der Arbeits- und der Gegenelektrode noch eine Referenzelektrode vorzusehen ist. Dabei wird das Potential der Arbeitselektrode gegenüber der Referenzelektrode gemessen und vermittels eines Potentiostaten über die Gegenelektrode eingestellt. Demzufolge wird hier vorgeschlagen, galvanisch einen glatten, porenfreien Überzug aus einer Palladiumlegierung dadurch zu erzeugen, dass die Abscheidung in wässrigem Elektrolyten potentiostatisch erfolgt und dass das Abscheidepotential so vorgesehen wird, dass sämtliche Legierungskomponenten in ihrem GrenzStrombereich ohne gleichzeitige Entwicklung von Wasserstoff abgeschieden werden. Damit dies möglich wird, müssen dem Elektrolyten ein oder mehrere Komplexbildner zugegeben werden, welche die Ab¬ scheidung unter diesen Bedingungen zulassen.
Die erwähnte 3-Elektrodenanordnung, welche ein potentiosta- tisches Arbeiten erlaubt, wird zwar labormässig in der Elektro- analytik häufig verwendet (z.B. in der zyklischen Voltamme- trie) , ist aber in der Galvanotechnik soweit bekannt noch nicht Stand der Technik. So werden bei sämtlichen nachfolgend aufge¬ führten Patenten bzw. Patentanmeldungen wie gesagt ausnahmslos galvanische Verfahren vorgeschlagen, wobei hauptsächlich Unter- schiede in der Zusammensetzung der Bäder hinsichtlich pH und Komplexbildner angeführt werden und als Legierungspartner von Palladium am häufigsten Silber und Nickel vorgesehen sind: Stark saure Bäder: DE-OS 3,041,740 ; EPA 0,112,561 ; US 4,465,563 ; US 4,478,692 Schwach saure Bäder:
DE-OS 3,443,420 ; US 4,673,472
Neutrale und alkalische Bäder:
DE 2,419,814 ; DE-OS 2,657,925 ; DE-OS 2,939,920 ; DE-OS
3,443,420 DE-OS 3,601,698 ; EPA 0,059,452 ; EPA 0,225,422 ; US 4,416,740/41 ; US 4,564,426 ; US 4,486,274 .
Einzig in unserer früheren Patentanmeldung zur Herstellung einer trägergestützten Pd/Ag-Membran (PCT Int. Anmeld. WO 89/ 04,556) wird im Ausführungsbeispiel - nicht jedoch in den Patentansprüchen - eine Vorschrift zur potentiostatischen Erzeugung einer Pd/Ag-Schicht gegeben. Allerdings können auf¬ grund der dort gemachten Angaben keine Rückschlüsse auf die hier erläuterten Zusammenhänge bzw. einzuhaltenden Randbedin¬ gungen bei der Abscheidung gezogen werden. Ausserdem hat sich gezeigt, dass gemäss jener Vorschrift nur mit einem frisch hergestellten Bad eine einwandfreie Pd/Ag-Schicht erzeugt werden kann. Bei längerem bzw. wiederholtem Betrieb wird dagegen der Komplexbildner an der Pt-Gegenelektrode in nennenswertem Masse zersetzt, was zu einer deutlichen Vermin- derung der Abscheidequalität führt. Um dies zu vermeiden, aber auch um die Möglichkeit eines kontinuierlichen, nachfolgend noch genauer erläuterten Betriebs zu haben, wird beim hier vorgeschlagenen Verfahren in Anspruch 1 deshalb ein Diaphragma zwischen Anodenraum und Kathodenraum vorgesehen. Dadurch wird der Anolyt vom Katholyten getrennt und eine unkontrollierte gegenseitige Durchmischung vermieden.
Das Arbeiten mit getrennten Zellen ist zwar in der Galvano¬ technik durchaus bekannt. So wurde bereits 1933 im sog. Atkinson-Raper Prozess (beschrieben im US-Pat. 3,150,065 von Fatzer) zur galvanischen Erzeugung von reinen Palladium-Über¬ zügen in gepuffertem, alkalischem Elektrolyten ein Ton- Diaphragma vorgesehen. Es sollte vermeiden, dass die infolge der anodischen Sauerstoffentwicklung auftretende pH-Erniedri¬ gung den Elektrolyten Unerwünschtermassen beeinflusst. In sämtlichen späteren, hier aufgeführten Patentschriften und insbesondere bei allen Patenten, welche die Abscheidung von Palladiumlegierungen betreffen, wird indessen kein Diaphragma mehr vorgesehen. Damit im Zusammenhang ist feststellbar, dass die Beschaffenheit der Anode, also der Gegenelektrode, bei den erwähnten Patentschriften stets unerwähnt bleibt. Da sich indessen Palladium sowie Palladium/Silber zumindest in den von uns geprüften, alkalischen Elektrolyten nicht als Opferanode einsetzen lässt, und weil die zum Einsatz gelangenden organ¬ ischen Komplexbildner je nach Anodenmaterial u.U. oxidativ zersetzt werden können, darf die Frage der Anodenwahl bzw. des Anolyten nicht ausgeklammert werden. Generell muss darauf hin¬ gewiesen werden, dass die galvanische Abscheidung von Überzügen aus Palladiumlegierungen eine optimale Abstimmung der nachfol¬ gend erwähnten Parametern erfordert, sollen die erzeugten Schichten bereits im Mikrometerbereich porenfrei sein und eine definierte, konstante Zusammensetzung aufweisen. Die Abklärung der Porenfreiheit ist nicht trivial und wurde in den zitierten Patentschriften meist unterlassen. Sie ist nicht gleichbedeutend mit Oberflächenglanz. Ein älteres Verfahren zur Bestimmung der Porenfreiheit, bekannt als 'Poroprint', besteht darin, zwischen den auf ein Grundmetall (z.B. Kupfer) abge¬ schiedenen Palladiumlegierungs-Überzug und ein als Gegen¬ elektrode (Kathode) dienendes Platinblech ein elektrolyt- getränktes Filterpapier zu bringen und über den beiden Metall¬ teilen eine Gleichspannung anzulegen. Bei Vorhandensein von Poren in der Palladiumlegierung wird das Grundmetall anodisch angegriffen, worauf die dabei entstehenden Ionen durch die Poren aufs Filterpapier gelangen. Zur besseren Detektierung können sie mittels eines geeigneten Reagens' besser sichtbar gemacht werden. Als Elektrolyte kommen verdünnte Schwefelsäure, Natriumchlorid-, Kaliumnitrat- oder Natriumcarbonat-Lösungen etc. in Frage (vgl. z.B. das US-Pat. 3,150,065 von Fatzer) . Da indessen das Elektroden-Potential und damit die oxidative Wir- kung bei dieser Anordnung schwierig zu kontrollieren ist und weil mitunter nicht völlig ausgeschlossen werden kann, dass auch die Palladiumlegierung bei der anodischen Belastung ange¬ griffen wird, wird hier eine andere, empfindlichere Methode zur Ermittlung der Porenfreiheit angewandt. Sie liefert zumindest für den Fall von Pd/Ag-Legierungen eindeutige Resultate. Ausge¬ gangen wird dabei von dem in der bereits zitierten internat. PCT-Anmeld. WO 89/04,556) beschriebenen Verfahren. Darnach wird in einem ersten Schritt eine Palladiumlegierung auf einer glatten Messingfolie einseitig abgeschieden. In einem zweiten Schritt wird diese Messingfolie durch eine zyklische elektro¬ chemische Behandlung in schwefelsaurem, leicht chloridhaltigem Elektrolyten anderseitig selektiv entzinkt, sodass eine poröse Kupferfolie mit der darauf haftenden Schicht aus der Palladium¬ legierung zurückbleibt. Eine derart behandelte Folie kann leicht auf Dichtigkeit geprüft werden, beispielsweise indem sie mit der porösen Kupferschicht nach unten auf ein pH-Indikator¬ papier gepresst und auf der Seite der Palladiumlegierung mit etwas Lauge versehen wird. Bei Vorhandensein von undichten Stellen in der Pd-Legierung wird die Lauge vom porösen Kupfer- körper aufgesaugt und erzeugt auf dem pH-Papier eine deutliche Verfärbung.
Eine besondere Beachtung verdient auch die Frage des Unter¬ grundes, auf dem die galvanische Abscheidung erfolgen soll. Da das Abscheidepotential in Nähe des reversiblen Wasserstoff- Potentials, also verglichen mit anderen Metallabscheidungen relativ positiv vorgesehen wird, eignen sich Metalle mit stark unedlem Charakter nicht als Untergrund. Edelmetalle sind am besten geeignet, jedoch für diesen Zweck am wenigsten attrak- tiv. Nach vorgängigem chemischem bzw. elektrochemischem Polie¬ ren ist eine Abscheidung aber ohne weiteres auch auf halbedlen Metallen wie Kupfer oder Kupferlegierungen, ja sogar auf Nickel möglich. Je besser der metallische Untergrund poliert und frei von Oxiden gehalten werden kann, umso eher gelingt auch die Abscheidung einer dünnen, porenfreien und glänzenden Palladium¬ legierung.
Am besten geeignet für das vorgeschlagene Verfahren ist die Ab¬ scheidung von Pd/Ag-Legierungen, wobei das Legierungsverhältnis im Prinzip frei gewählt werden kann. Von den Verwendungsmög- lichkeiten her am interessantesten sind Pd/Ag-Legierungen mit einem Silberanteil von 20-25 Mol% (als Wasserstoffpermeations- membranen) bzw. von ca. 40 Mol% (als Korrosionsschutz) . Die Abscheidung von Palladium mit anderen Legierungspartnern oder mit mehr als einem Legierungspartner ist mittels des vor- geschlagenen Verfahrens ebenfalls denkbar.
Das Mischungsverhältnis der Komponenten in der Legierung ent¬ spricht in erster Näherung dem Konzentrationsverhältnis der entsprechenden Metallionen im Elektrolyten. Dies ist unter GrenzStrombedingungen nur dann exakt der Fall, wenn alle Diffu- sionsgeschwindigkeitskonstanten k für die beteiligten Metall¬ ionen genau gleich gross sind. Der zum elektrischen Strom pro¬ portionale Stoffstrom n* (in mol pro s und cm2) kann unter Be¬ rücksichtigung des 1. Fick'sehen Gesetzes für jede Komponente angenommen werden als
n* = (D-c)/d = k-c
wobei D = Fick'scher Diffusionskoeffizient d = Diffusionsschichtdicke k = Diffusionsgeschwindigkeitskonstante c = (molare) Konzentration in der Lösung
Im allgemeinen Fall ist somit das Mischungsverhältnis der Komponenten in der Legierung bestimmt durch das Verhältnis der numerischen Produkte aus den Metallkonzentrationen in der Lösung mal den entsprechenden Diffusionsgeschwindigkeitskon- stanten. Umgekehrt lässt sich das Verhältnis der letzteren berechnen, wenn man einerseits das Verhältnis der Metallkon- zentrationen in der Lösung kennt und andererseits die Zusammen¬ setzung der entsprechenden, unter Grenzstrombedingungen abge¬ schiedenen Legierung.
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Abscheidung normalerweise im Bereich des Potentials einer reversiblen Wasserstoffelektrode (RHE), vorzugsweise bei -50 bis +100 mV vs RHE. Anstelle einer Wasserstoff-Referenzelektrode kann auch eine andere Referenz¬ elektrode verwendet werden, vorzugsweise eine Quecksilber/Kalo- mel- oder eine Silber/Silberchlorid-Elektrode, wobei das einzu¬ haltende Potential unter Berücksichtigung des pH-Wertes des Elektrolyten korrigiert werden muss. Durch Vorsehen eines ge¬ eigneten, mittels eines Diaphragmas abgetrennten zusätzlichen Elektrolyten zwischen Referenzelektrode und Arbeitselektrolyt kann vermieden werden, dass letzterer durch Ionen aus der Refe¬ renzelektrode kontaminiert wird. Die Referenzelektrode bzw. der Ausgang des Zwischenelektrolytgefässes muss in unmittelbarer Nähe der Arbeitselektrode positioniert werden bzw. gegebenen¬ falls mittels einer Luggin-Kapillare damit verbunden werden, damit der wahre Wert des Elektrodenpotentials erfasst wird. Bei jeder galvanischen Abscheidung kann unterschieden werden zwischen Kristall(neu)bildung und Kristallwachstum. Meist laufen beide Prozesse parallel, wenn auch oft gilt, dass bei höheren Stromdichten und/oder bei negativeren Potentialen die Kristallbildung gegenüber dem Kristallwachstum bevorzugt wird. Um vor allem zu Beginn des Prozesses eine möglichst lückenlose Bedeckung der Oberfläche mit Kristalliten - also eine Bevorzu¬ gung der Kristallbildung - zu erhalten, kann deshalb eine kurz¬ zeitige Negativierung des Potentials um 50 bis 100 mV gegenüber dem hauptsächlich vorgesehenen Potential erfolgen, wobei die Dauer des dadurch erzeugten Strompulses im Bereich zwischen 0,1 und 30 Sekunden, vorzugsweise bei 20 Sekunden liegt.
Eine besondere Bedeutung kommt der Wahl des bzw. der Komplex¬ bildner zu. Sie haben in erster Linie die Funktion, die Ab¬ scheidepotentiale der Legierungspartner gegenseitig anzu¬ gleichen. Dies ist dann der Fall, wenn das ursprünglich (d.h. in Abwesenheit des Komplexbildners) edlere Metall stärker komplexiert wird als das ursprünglich weniger edle Metall. Grundsätzlich gilt nämlich, dass ein Metall umso weniger edel wird, je stärker es von einem Komplexbildner in einer das Metall kontaktierenden Lösung gebunden, also herausgelöst werden kann. Auf der andern Seite ist zu berücksichtigen, dass bei Vorhandensein eines allzu starken Komplexbildners das Metall derart verunedelt werden kann, dass es beim reversiblen Wasserstoff-Potential nicht mehr abscheidbar ist und dass somit ein negativeres, die konkurrierende Wasserstoffentwicklung be¬ günstigendes Abscheidepotential erforderlich wird. Verkompli¬ ziert werden die Verhältnisse meist noch dadurch, dass sowohl die Komplexbildung als auch das reversible Wasserstoffpotential pH-abhängig sind, und zwar normalerweise nicht im gleichen Masse. So wird wird in alkalischem Milieu bei pH-Erhöhung zwar das reversible Wasserstoffpotential und damit das zulässige Abscheidepotential negativiert, gleichzeitig treten aber bei Palladium wie auch bei Silber recht stabile Hydroxokomp^exe auf, welche eine über ässige Negativierung des Abscheide- potentials erforderlich machen.
Der Vergleich verschiedener in Frage kommender Komplexbildner hat ergeben, dass sich mit Glycin (= Aminoessigsäure) und/oder Glycinat das Ziel einer Abscheidung von Pd/Ag-Legierungen im Grenzstrombereich ohne gleichzeitige Wasserstoffentwicklung am besten realisieren lässt. Gearbeitet wird im pH-Bereich 8 bis 12, vorzugsweise bei pH 9,5, wobei die Einstellung des pH vor¬ zugsweise durch Zugabe von Alkalihydroxid erfolgt. Die Elektro- lytlösung kann zusätzlich noch gepuffert werden, vorzugsweise mit Boraten. Ausserdem kann der Elektrolyt noch einen oder mehrere weitere Komplexbildner in geringerer Konzentration wie etwa Ammoniak enthalten.
Glycin bzw. Glycinat ist als Komplexbildner für Palladiumbäder an sich bekannt (vgl. z.B. DE-OS 2,657,925 , Schuster und Heppner; US-Pat. 4,673,472 , Morrisey und Kroll). Bei den bekannten Verfahren sind jedoch allgemein relativ hohe Gesa t- Metallkonzentrationen von 0,075 mol/1 oder mehr vorgesehen, damit hohe Abscheidegeschwindigkeiten und relativ dicke Schich¬ ten von ca.10 Mikrometern oder mehr erzielbar sind. Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren ist die Zielsetzung jedoch gerade umgekehrt: es sollen niedrige Abscheidegeschwindigkeiten erreicht bzw. möglichst dünne Schichten im Bereich von ca. 1 Mikrometer erzeugt werden. Die Summe der Konzentrationen aller zur Abscheidung vorgesehenen Metalle wird daher im Bereich zwischen 0,005 und 0,05 mol/1 vorgesehen, vorzugsweise bei ca. 0,02 mol/1. Die Komplexbildner, also hauptsächlich Glycin/ Glycinat, gibt man am besten im Überschuss zu, vorzugsweise mit dem Faktor 10 bis 100. Dadurch dauert der Abscheidevorgang zur Erzeugung der erwünschten dünnen Überzüge ca. 20 bis 60 Minu- ten.
Durch Beimischung einer als 'Glanzbildner' bekannten Substanz, vorzugsweise von 1 g/1 Dinatrium-benzaldehyd-2,4-disulfonat, wird die kristallographische Homogenität der Legierungsbildung noch verbessert. Weil keine Beschleunigung der Abscheidung erwünscht ist, kann bei Raumtemperatur oder weniger gearbeitet werden. Bei einer Abscheidung um 0°C wird eine Abscheidung ohne Dendritenbildung begünstigt. Durch die Einhaltung niedriger Temperaturen wird auch die Haltbarkeit des Elektrolyten sowie die Beständigkeit des Diaphragmas erhöht.
Der Katholyt, d.h. der im Raum der Kathode (Arbeitselektrode) befindliche, die abzuscheidenden Metallionen enthaltende Elek¬ trolyt, wird mit Vorteil durch Einbringen eines Inertgases, vorzugsweise von Stickstoff, von gelöstem Sauerstoff freige¬ halten. Diese in anderen Patenten zu diesem Thema nicht vorge¬ sehene Massnahme verbessert die Abscheidequalität, denn in Anwesenheit von gelöstem Sauerstoff ist als unerwünschte Neben¬ reaktion die teilweise elektrochemische Reduktion zu Wasser- stoffperoxid wahrscheinlich.
Als wichtiges Element beim ganzen Verfahren ist schliesslich ein Diaphragma vorgesehen, wobei vorzugsweise eine Anionen- tauschermembran gewählt wird. In Frage kommt beispielsweise das PTFE-haltige Permion 4035 (von RAI Inc., USA) . Wird als Anolyt, d.h. als im Raum der Anode (Gegenelektrode) befindlicher Elek¬ trolyt, eine Lösung vorgesehen, die mit Ausnahme der zur Ab¬ scheidung vorgesehenen Metallionen dieselben Substanzen enthält wie der Katholyt, so wandern während der Abscheidung Anionen - hauptsächlich Glycinat-Ionen - vom Katholyten zum Anolyten. Als Gegenionen für diese Anionen kommen Kationen in Frage, welche bei Auflösung einer Opferanode bzw. beim Betrieb einer proto¬ nenentwickelnden Anode entstehen. Als Opferanoden kommen bei¬ spielsweise Kupfer- oder amalgamierte Zink-Elektroden in Be- tracht. (Eine Amalgamierung des Zinks ist nötig, damit sich die unedle Zn-Elektrode nicht schon ohne Stromfluss unter Wasser¬ stOffentwicklung im Elektrolyten auflöst) . Die bei der Auf¬ lösung dieser Opferanoden entstehenden Kationen werden nicht für die Abscheidung benötigt. Sie sind nicht in der Lage, durch die Anionentauscherme bran zum Katholyten hin zu wandern, son¬ dern können entweder am Schluss des Prozesses oder aber konti¬ nuierlich zurückgewonnen werden. Die Rückgewinnung ist z.B. galvanisch in einer separaten Apparatur möglich. Anstelle einer Opferanode kann als Gegenelektrode aber auch eine protonenentwickelnde Anode gewählt werden, also entweder eine wasserzersetzende, sauerstoffentwickelnde Anode oder eine Wasserstoff-Elektrode. Der Aufwand zum Betreiben einer letzte¬ ren ist allerdings relativ gross. Eine Sauerstoffentwickelnde Gegenelektrode hingegen kommt eher in Frage, sofern sie sich nicht auflöst und sofern sie den Anolyten nicht wesentlich zer¬ setzt. Diese Erfodernisse werden beispielsweise von Elektroden auf Nickel- oder auf Eisenbasis erfüllt.
Ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung einer derartigen Membran besteht auch darin, dass eine kontinuierliche Durch- führung des Verfahrens möglich wird. Durch allmähliche Zufüh¬ rung von konzentriertem Katholyten und Entnahme von Anolyten im selben Masse können die Metallkonzentrationen sowie die Elek¬ trolytvolumina konstant gehalten werden. Diese Konstanthaltung ist vor allem bei den geringen Metallkonzentrationen von Vor- teil, wie sie im erfindungsgemassen Verfahren vorgeschlagen werden. Naturgemäss fallen hier nämlich Konzentrationsänderung¬ en stärker ins Gewicht als bei konzentrierten Elektrolyten: Eine Lösung, die beispielsweise 3g Pd/1 enthält, verändert ihren Charakter nach dem Abscheiden von 2g Pd/1 wesentlich stärker als eine Lösung, welche 10g Pd/1- enthält.
Das Verfahren kann umso besser kontinuierlich durchgeführt werden, je vollständiger der osmotische Ausgleich des mit dem konzentrierten Katholyten ständig neu zugeführten Wassers sowie allfälliger anderer gelöster Substanzen - wie z.B. von Glycin und/oder Ammoniak - vom Kathoden- zum Anodenraum vonstatten geht. Dies kann z.B. durch Vorsehen einer hinreichend grossen Anionentauschermembran bewerkstelligt werden, wobei der Prozess hinsichtlich Dimensionierung der Anlage und Steuerung der Stoffströme dem Einzelfall angepasst optimiert werden kann. In Fig. 2 ist schematisch der Stoff-Fluss der wichtigsten Teil¬ chen dargestellt. (Die Referenzelektrode ist hier weggelassen) : Bei der Abscheidung verlassen die Schwermetallionen (1) den Katholyten (K) , während sich an der Anode im selben Masse Kat- ionen (2) bilden, sei es durch deren Auflösung (Opferanode) oder durch Freisetzen von Protonen z.B. unter Zersetzung von Wasser und Entwicklung von Sauerstoff. Zur Ladungskompensation wandern Anionen (3) vom Katholyten (K) zum Anolyten (A) , z.B. Glycinat-Ionen. Gleichzeitig erfolgt aber auch ein osmotischer Ausgleich (4) von ungeladenen Teilchen wie Wasser, Glycin und Ammoniak. Bei einem kontinuierlichen Betrieb kann laufend Katholyt in konzentrierter Form (5) zugegeben und Anolyt (6) in gleichem Masse entnommen werden.
Die Erfindung wird anschliessend anhand von Arbeitsvorschriften noch genauer erläutert:
Zur Vorbehandlung der Metalloberflächen werden folgende Vorgehensweisen empfohlen:
1. Vorbehandlung von Messing
Der Messingkörper wird während 2 min bei ca. 55°C in eine Mischung aus 80 gew%iger ortho-Phosphorsäure (d=l,60), Essig¬ säureanhydrid und 65 gew%iger Salpetersäure (d=l,40) im Volu- menverhältnis 5:4:1 getaucht. Die Mischung wird hergestellt, indem man zum Essigsäureanhydrid zunächst langsam die Phosphor¬ säure gibt, wobei das Anhydrid unter Wärmeentwicklung hydro- lysiert wird. Am Schluss wird noch die Salpetersäure zufügt. Gegebenenfalls kann zusätzlich während 20 min in 85 gew%iger orth-Phosphorsäure bei Raumtemperatur elektropoliert werden, und zwar potentiostatisch bei +900 mV vs SCE (=-= mit KCl ge¬ sättigte Quecksilber/Kaiomel-Elektrode) unter Verwendung einer Kupfer- oder einer Messing-Gegenelektrode. 2. Vorbehandlung von Kupfer
Zur chemischen Polierung genau gleiches Vorgehen wie bei Mes¬ sing, aber bei Raumtemperatur mit doppelt so langer Behand¬ lungszeit. Elektropolierung gleich wie bei Messing.
3. Vorbehandlung von Nickel
Der Nickelkörper wird während einiger Minuten, beispielsweise während ca.20 min bei ca. 50°C in einer Mischung aus 15 Gew% an 95-97 gew%iger Schwefelsäure, 63 Gew% an 85 gew%iger ortho- Phosphorsäure, 22 Gew% Wasser und 0,1 Gew% Chlorwasserstoff potentiostatisch bei +1500 mV vs SCE unter Verwendung einer Nickel-Gegenelektrode elektropoliert. Der so vorbehandelte Nickel-Körper muss nach dem Abspülen mit Wasser im nassen Zustand und bei vorgelegtem Potential, d.h. unter Stromfluss, in das galvanische Pd-Legierungsbad gebracht werden.
Herstellung der galvanischen Bäder (Katholyten) : Man gibt eine konzentrierte Lösung von 9g Borsäure und 18g Ka¬ liumhydroxid (85 gew%ig) zu 75g Glycin, fügt Wasser hinzu sowie eingewogene Mengen eines Salzes des Legierungspartners und ein¬ es Pd-Salzes. Schliesslich füllt man mit Wasser auf 1 Liter auf. Als Salze des Legierungspartners Silber kommen Nitrate oder Oxide in Frage, als Pd-Salze das Oxihydrat, gefällt aus einer Lösung des Nitrats, oder Pd(NH3)<(N03)2 in Form einer konzentrierten Lösung. Die Pd-Konzentration soll am Schluss ca. 2g/l betragen.
Galvanische Abscheidung: Vor der Abscheidung wird der Katholyt mit Vorteil ca. 30 min mit Stickstoff begast. Die anschliessende Abscheidung erfolgt für Pd/Ag bei -750 bis -800 mV vs SCE.
Bei einer Abscheidedauer von 30 min und einem Pd/Ag-Massen- verhältnis von 3,30 wird ein ca. 1 μm dicker, porenfreier und glänzender Überzug mit einem Massenverhä-ltnis von 2,64 in der
Legierung erhalten. Die Stromausbeute liegt nahe bei 100 %.
Besonders bei dickeren Schichten können sich vor allem an den
Rändern geringfügige Dendriten bilden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur galvanischen Erzeugung eines glatten, poren¬ freien Überzugs im Mikrometerbereich aus einer Palladium¬ legierung definierter Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidung in wässrigem Elektrolyten potentiostatisch und in einer von der Gegenelektrode durch ein Diaphragma ge¬ trennten Zelle erfolgt und dass das Abscheidepotential so vor¬ gesehen wird, dass sämtliche Legierungskomponenten in ihrem GrenzStrombereich ohne gleichzeitige Entwicklung von Wasser¬ stoff abgeschieden werden, wobei dem Elektrolyten ein oder mehrere Komplexbildner zugegeben werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Abscheidung auf einer fett- und oxidfreien Ober¬ fläche eines edlen oder insbesondere eines halbedlen Metalls bzw. einer entsprechenden Legierung erfolgt, vorzugsweise auf chemisch und/oder elektrochemisch vorbehandeltem Silber, Kupfer, Messing, Bronze oder Nickel.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine binäre Palladiumlegierung erzeugt wird und dass als Legierungspartner von Palladium Silber, vorzugsweise mit einem Anteil von 20 bis 40 Mol%, vorgesehen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Mischungsverhältnis der Komponenten in der
Legierung vorgegeben wird durch das Verhältnis der numerischen Produkte aus den Metallkonzentrationen in der Lösung mal den entsprechenden Diffusionsgeschwindigkeitskonstanten.
5. Verfahren nach einem der-Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Abscheidung im Grenzstrombereich bei einem Potential von -50 bis +100 mV gegenüber einer reversiblen Wasserstoffelektrode (RHE) bzw. bei einem entsprechend korri¬ gierten Potential gegenüber einer anderen Referenzelektrode erfolgt, vorzugsweise einer Quecksilber/Kalomel- oder einer Silber/Silberchlorid-Elektrode.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Potential zu Beginn und/oder während des Abscheidevorgangs ein- oder mehrmals kurzzeitig negativiert wird, wodurch ein Strompuls erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das beim Strompuls angelegte Potential 50 bis 100 mV gegenüber dem hauptsächlich vorgesehenen Potential negativiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Pulsdauer im Bereich zwischen 0,1 und 30 Sekunden liegt, vorzugsweise zu Beginn des Abscheidevorgangs bei 20 Sekunden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass als Komplexbildner mindestens Glycin und/oder Glycinat vorgesehen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im pH-Bereich 8 bis 12, vorzugsweise bei pH 9,5, gearbeitet wird, wobei die Einstellung des pH vorzugsweise durch Zugabe von Al- kalihydroxid erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrolytlösung gepuffert wird, vorzugsweise mit Boraten.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Summe der Konzentrationen aller zur Abscheidung vorgesehenen Metalle im Bereich zwischen 0,005 und 0,05 mol/1, vorzugsweise bei ca. 0,02 mol/1, vorgesehen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Konzentrationen aller Komplexbildner im Über- schuss, vorzugsweise um den Faktor 10 bis 100 mal grösser, vor¬ gesehen wird als die Summe der Konzentrationen aller zur Ab¬ scheidung vorgesehenen Metalle.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektrolyten zusätzlich eine als 'Glanzbildner' bekannte Substanz zugegeben wird, vorzugsweise das Dinatriumsalz von Benzaldehyd-2,4-disulfonsäure.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des 'Glanzbildners' etwa 1 g pro Liter Elektrolyt beträgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass bei Raumtemperatur oder weniger gearbeitet wird, vorzugsweise bei einer Temperatur um 0°C.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Katholyt, d.h. der im Raum der Kathode
(Arbeitselektrode) befindliche, die abzuscheidenden Metallionen enthaltende Elektrolyt, durch Einbringen eines Inertgases, vor¬ zugsweise von Stickstoff, von gelöstem Sauerstoff freigehalten wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass als Diaphragma eine Anionentauschermembran vorgesehen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Anolyt, d.h. als der im Raum der Anode (Gegenelektrode) befindliche Elektrolyt, eine Lösung vorgesehen wird, welche mit Ausnahme der zur Abscheidung vorgesehenen Metallionen dieselben Substanzen enthält wie der Katholyt, wobei diese Metallionen durch Alkali- oder durch Erdalkalimetallionen oder durch Ionen zu ersetzen sind, welche bei Auflösung einer Opferanode bzw. beim Betrieb einer protonenentwickelnden Anode entstehen.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch ge- kennzeichnet, dass als Gegenelektrode eine Opferanode aus einem nicht für die Abscheidung benötigten Material vorgesehen wird, vorzugsweise eine Elektrode aus Kupfer oder aus amalgamiertem Zink oder eine Wasserstoffelektrode.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass ~_ls Gegenelektrode (Anode) eine Inertelek¬ trode vorgesehen wird, welche während des galvanischen Prozes¬ ses weder aufgelöst wird noch die im Anolyten gelösten Sub- stanzen in nennenswertem Masse beeinträchtigt, vorzugsweise eine Elektrode auf Nickel- oder Eisenbasis.
22. Kontinuierliche Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kathoden- räum allmählich konzentrierter Katholyt zugeführt wird und dem Anodenraum im selben Masse Anolyt entnommen wird, sodass die Metallkonzentrationen sowie die Elektrolytvolumina konstant bleiben.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass durchVorsehen einer hinreichend grossen Anionentauschermembran der osmotische Ausgleich der gelösten Substanzen sowie insbe¬ sondere des Wassers vom Kathodenraum zum Anodenraum gewährleis¬ tet ist.
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