DE1908571A1

DE1908571A1 - Verfahren und Vorrichtung zum galvanischen Plattieren

Info

Publication number: DE1908571A1
Application number: DE19691908571
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung. P C23b 9-02 Antrag
Original assignee: Nova Chrome Inc
Current assignee: Nova Chrome Inc
Priority date: 1968-04-18
Filing date: 1969-02-20
Publication date: 1970-01-15
Also published as: US3616434A

Description

DR. ING. ERNST MAIER PATENTANWALT

8 MÜNCHEN 32

aTE. 3 · tiluox »«aa«o. ii

A 2169 20. Februar 1969

EM/Ml/My

Firma 1!OVA-CHROME, IHC, 3432 Uorth Avondale Avenue, Chicago, Illinois 60618/USA

Verfahren und Vorrichtung zum galvanischen Plattieren

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum galvanischen Plattieren, in denen einem G-rundgleichstrom ein 7/echselstrom überlagert wird.

Die US-Patentschrift 2 824 830 beschreibt ein galvanisches Plattieren, bei welchem im galvanischen Bad einem elektrischen Gleichfeld wenigstens zwei Hochfrequenz-Wechselfelder von relativ hoher Frequenz überlagert werden.

Die Erfindung strebt eine weitere Verbesserung dieses Verfahrens an. Diese wird dadurch erzielt, daß mit Hilfe

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Spartan. Sdirarab.rg Bankhaus Merck.findc & Co., München, Nr.254&4 Bankhaus H. Aufhciul.r, München, Nr. 53697 Poslsdi.d: München 153861 Telegrammadresse! Pat.nti.nior

einer Halbleiterelemente enthaltenden Schaltung ein GaI-vanisier-Gleichstrom erzeugt wird, dem »Vechselstromimpulse mit variierender Pulshöhe überlagert werden, die außerdem naon ihrer Frequenz und ihrer Impulsdauer variiert werden, um die Form der Wechselstromimpulse zu steuern und damit wesentlich bessere Plattierung zu erzielen. Es ist ein Verstärker in der Schaltung vorgesehen, durch den eine Rückkopplung verhindert wird.

Anhand des nachfolgend beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird diese in ihren Vorteilen und Eigenschaften sowie weiteren Merkmalen offenbar. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild der Galvanisiervorrichtung gemäß der Erfindung}

Fig. 2 eine graphische Darstellung des mit der Galvanisierung erzielten Ergebnisses bei einer Wechselspannungsfrequenz von 450 Hz;

Fig. 3 eine Fig. 2 vergleichbare Darstellung bei 550 Hz;

Fig. 4 eine Darstellung wie Fig. 2 mit einer Wechselspannung von 700 Hz}

Fig. 5 eine Darstellung wie Fig. 2 bei 600 Hz Wechselspannung; und

Fig. 6 eine Darstellung wie Fig. 2 mit einer Wech.-selspannungsfrequenz von 1800 Hz.

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In der Pig. 1 ist mit 10 ein galvanisches Plattierungsbad angedeutet, dessen Kathode 11 und Anode 12 mit Anschlußleitungen 15 und 14 versehen sind. Zwischen die Leitungen 13 und 14 ist ein Kathodenstrahloszillograph 16 geschaltet, der es einem Bedienungsmann ermöglicht, die Impulsform zu "beobachten, die dem Plattierungsbad zugeführt wird.

Die Plattierung kann z.B. in einem wässerigen Jilektrolysebad für Chromplattierung vorgenommen werden, in dem 250 g je Liter CrO-. (als Chromsäure), 1,8?ό Schwefelsäure (H₂SO.), 3$ .Borsäure. (EUBO,) und 1$ Oxalsäure enthalten sind. In diesem Bad wird die pH-Wert-Steuerung durch die Schwefelsäure vorgenommen, jedoch v/erden die Ergebnisse verbessert, wenn etwa 0,5 bis 5»Oft Borsäure und 0,1 bis 3,0$ Oxalsäure enthalten sind. (Wenn keine anderen Angaben gemacht sind, so sind die Ausdrücke "Teile" und "Prozent" auf das Gewicht bezogen) Das plattierungsbad wird auf einer Temperatur von 57°C gehalten, und die Stromdichte der Kathode ist etwa 0,3 bis 0,45 A/cm . Die Anode kann aus Blei oder einem sonst üblichen Werkstoff bestehen. Die spezifische Stromdichte der Kathode (Gleichstrom) wird gemessen, wenn die in den Fig. 2 bis 6 aufgeführten Bedingungen mit dem überlagerten, pulsierenden Strom vorhanden sind.

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BAD

Ein Widerstand R₁ verbindet die beiden Zuleitungen 13 und H miteinanderο Ein Amperemeter 17 liegt in der Zuleitung 13 zusammen mit einem geeigneten Shunt Rp · In Reihe mit dem Shunt R₂ liegt eine Diode D₁, und ein Kondensator C₁ verbindet den Diodeneingang mit der zweiten Zuleitung 14· Parallel zum Kondensator C- liegt ein Voltmeter 18. An die Eingangsklemmen 19» 20 und 21 der Schaltung ist eine Drehstromciuelle von beispielsweise 220 V Spannung angeschlossen; der Strom wird über einen ersten Schalter 22 einer in Stern geschalteten Wicklung 23 eines Transformators zugeleitet. Zwischen zwei Zuleitungen zum Transformator ist eine Kontrollampe 24 geschaltet, die zwischen den beiden Anschlüssen 19 und 20 mit einem Widerstand R, in Reihe liegt und anzeigt, daß die Anordnung eingeschaltet ist. Die Primärwicklung des Transformators besteht aus einem in Dreieck geschalteten Wicklungsteil 24 mit unveränderbarer Windungszahl, dessen Dreieckspunkte an verschiebliche Abgriffe 26, 27, 28 geführt sind, die auf dem bereits vorstehend genannten, in Stern geschalteten Wicklungsteil 23 der Transformatorprimärwicklung gleiten, um dem Wicklungsteil 24 eine veränderbare Spannung zuführen zu können. Die Sekundärwicklung 29 des Transformators ist mit der Primärwicklung magnetisch gekoppelt und in Stern geschaltet; ihre Anschlüsse sind an die Anschlußpunkte

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einer Drehstrom-Vollwellengleichrichterachaltung 31 gelegt, die die Dioden D₂ bis Dr, enthält. Zwischen den gemeinsamen Ausgang der Dioden Dp» D, und D, und den Eingang der Diode D₁ ist eine Glättungsdrossel L₁ gelegt. Die Gleichrichteranordnung 31 liefert also einen gleichgerichteten Strom an daa galvanische Plattierungsbad. Die Glättungsdrosseln L₁ und der Kondensator C₁ dienen

als Glatteinrichtungen. An die Zuleitung 14 ist eine Leitung 32 geführt, die als Zuleitung für ein überlagertes Wechselspannungsimpulssignal dient, das dem Gleichstrom überlagert wird. Eine zweite Zuleitung 33 bildet die zweite Zuführung für das Wechselspannungsimpulssignal. Sie ist an die Zuleitung 13 geführt.

Ein Paar Eingangsleitungen 34 und 36 ist mit einer geeigneten Wechselspannungsquelle von z.B. 120 V Einphasenwechselspannung verbunden. Zuleitungen 34 und 36 sind an einen Schalter 37 geführt. Ein Widerstand R. und eine Kontrollampe 38 liegen quer zu den Eingangsleitungen 34 und 36. Die Eingangsleitungen 34 und 36 führen dann an die Primärwicklung 39 eines Spartransformators, an dessen Sekundärseite eine Primärwicklung 41 eines weiteren Transformators in der Weise angeschlossen ist, daß der eine Anschluß der Wicklung 41 mit einem über einen Stellknopf

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verstellbaren Abgriff des Spartransformators verbunden ist. Die Sekundärseite 43 des zweiten Transformators ist magnetisch Jiit der Primärseite 41 gekoppelt und speist auf eine Gleichrichtergraetzschaltung, bestehend aus den Dioden D_ß bis D^₁. Die beiden Ausgangsklemmen der Gleichrichterschaltung 44 werden durch einen Glättungskondensator Cp miteinander verbunden. An die Ausgangsklemme B der Gleichrichterschalmng ist ein Stellwiderstand 46 angeschlossen, mit dem die stromlose Zeit der Wechselspannung am Ausgang der Schaltung gesteuert wird. Der zweite Anschluß des Stellwiderstands 46 ist mit der Basis eines Transistors T-. verbunden, dessen Kollektor mit der Basis eines weiteren Tranaistors Tp Verbindung iiat. Der Kollektor des Transistors T₂ ist an eine Tunneldiode D-,ρ angeschlossen. Ein Stellwiderstand 471 der die Einschaltzeit steuert, ist mit dem Emitter des Transistors T- verbunden. Zwischen die beiden Emitteranschlüsse der Transistoren T- und Tp ist ein Paar Dioden D,_Q und D₁, geschaltet. Ein Widerstand E,-ist in die Verbindung zwischen dem zweiten Abgang der Tunneldiode D^₂ und der Basis eines weiteren Transistors T* eingeschaltet. Der Emitteranschluß des Transistors T, ist mit der Basis eines Transistors T. verbunden. Der Kollektor des Transistors T. führt an die Basis der Transistoren Τ- bis Tq. Eine Leitung 48 verbindet den Stell-

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widerstand 46 mit den Widerständen Rg bis R₁^, während der zweite Anschluß des Widerstands Rc an die Basis des Transistors Tr- und die zweiten Anschlüsse der Widerstände Rr₇ bis R₁₁ an die Emitter der Transistoren Tc bis Tg geführt sind. An.die Leitung 48 ist eine Eingangsklemme 49 angeschlossen, über die eine entgegengesetzte Vorspannung zugeführt werden kann, und eine Anschlußklemme 51 ist über einen vYiderstand R₁₂ mit den Basisanschlüssen der Transistoren Tr- bis Tq verbunden. Die mit den Kollektoranschlüssen der Transistoren Tr bis T_q verbundene Leitung 33 weist in ihrem Leitungszug einen Schalter 52 auf. Der Schalter 52 wird durch eine Magnetspule 53 geschlossen, wenn diese von Strom durchflossen wird. Über die Gleichrichteranordnungen 54 und 56, die die Gleichrichter D₁ ■* bis D_1{- und D₁₇ bis Dp₀ enthalten, wird eine Vorspannung zugeführt. Die Gleichrichteranordnung 54 liegt an der Sekundärwicklung 57 eines Transformators, dessen Primärwicklung 58 an die Eingangsklemmen 34 und 36 gelegt ist. Die Primärwicklung 59 eines weiteren Transformators ist ebenfalls an die Anschlußklemmen 34 und 36 geführt, wobei die Sekundärwicklung 61 die Gleichrichteranordnung 56 speist. Eine Ausgangsklemme der Gleichrichteranordnung 54 führt zu einem Widerstand H^, und zwischen dem zweiten Anschluß des Widerstands R₁, und der zweiten Ausgangsleitung

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BAD ORIGINAL

der Gleichrichteranordnung 54 liegen Kondensatoren C₅, Cg und C₇. Zwischen dem einen Anschluß des Widerstands R₁, und dem Anschlußpunkt B des Gleichrichtersatzes 44 besteht eine Leitungsverbindung 62. Der für den Einschaltpunkt maßgebende Stellwiderstand 47 ist ebenfalls mit den Kondensatoren C₅, Cg und C₇ verbunden. Die Ausgangsleitungen der Gleichrichtersätze 54 und 56 sind an eine Leitung 63 angeschlossen, und ein Widerstand R₁ . verbindet den Kollektoranschluß des Transistors T_? mit dieser Leitung 63. Die Leitung 63 ist außerdem an den Emitteranschluß des Transistors T. geführt. Eine Kontrollampe 64 liegt zwischen den .ausgangsklemmen der Gleichrichteranordnung 56. Mit einer Diode D₂₁ liegt in Reihe ein Widerstand R₁C und im Leitungszug der Ausgangsleitung des Gleichrichtersatzes 56, und ein Paar Kondensatoren Cg und Cq verbinden die Leitungen 66 und 67 miteinander. Ein Widerstand R₁gι ein stellbarer Widerstand R₁₇ und ein weiterer Widerstand R.. _Q sowie ein Kondensator 0_ΛΓί sind in Reihe zwischen die Leitung 16 am einen Ausgang der Gleichrichter anordnung 56 und den Kollektoranschluß des Transistors T₁ geschaltet. Ein Widerstand R₁Q führt vom Widerstand E^g an einen Doppelbasistransistors UT₁, und zwar zu dessen ersten Basisanschluß. Der Emitteranschluß des Doppelbasistransistors UT₁ führt an den Verbindungspunkt

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zwischen dem Widerstand R₁Q und dem Kondensator C_1Q. Die zweite Basiselektrode des Doppelbasistransistors UT₁ ist mit Widerständen R₂₀ und R₂₁ verbunden, die mit ihren zweiten Anschlüssen an die Leitung 66 geführt sind. Eine Diode 22 liegt zwischen dem Anschluß der zweiten Basis des Doppelbasistransistors UT₁ und einem Widerstand R₂₂» der mit seinem zweiten Anschluß an den ?/iderstand R₁ q und einen weiteren Widerstand R₂, geführt ist, dessen zweiter Anschluß mit der Leitung 67 Verbindung hat. Ein Kondensator C₁, liegt zwischen den Anschlußenden der Widerstände Rp, und R₂^ auf der der Anschlußleitung 67 gegenüberliegenden Seite der Widerstände. Ein Thyristor SCR₁ ist zwischen den Kondensator C₁, und die Leitung 66 geschaltet, und seine Steuerelektrode ist an die zweite Basis des Doppelbasistransistors UT₁ geführt. Ein zweiter Thyristor SCR₂ ist zwischen den Widerstand Rp. und die Leitung 66 gelegt, wobei seine Steuerelektrode an die zweite Basis eines zweiten Doppelbasistransistors UT₂ gelegt ist. Zwischen die Steuerelektrode des Thyristors SCR₂ und die Leitung ist ein Widerstand R₂,- eingefügt. Ein Widerstand R₂g verbindet den Widerstand R₂, mit der ersten Basis des zweiten Doppelbasistransiators UT₂. Ein stellbarer Widerstand Έ._Οη liegt mit einem Widerstand R_Oq in Reihe zwischen dem einen Anschlußpunkt des Widerstands R_9i- und dem Emitter-

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anschluß des Doppelbasistransistors UT₂. Ein Kondensator C₁₁ ist zwischen die Leitung 66 und den Widerstand R₂Q eingeschaltet. Die Magnetspule 53 liegt an den Ausgangsklemmen des Gleichrichtersatzes 56.

Im Betrieb liegt an den Eingangsklemmen 19, 20, und 34 und 36 Spannung, und die Stellwiderstände 46 und und der Stellknopf 42 sowie die Abgriffe 26, 27 und 28 sind so eingestellt, daß den Elektroden 11 und 12 im galvanischen Plattierungsbad in der Weise Strom zugeführt wird, daß die günstigsten Bedingungen vorliegen. Die von den Leitungen 32 und 33 zugeführten Wechselspannungsimpulse werden dem dem Bad aus dem Vollweggleichrichtersatz

31 zugeführten Gleichstrom überlagert, und die Frequenz der Impulse und deren Impulsdauer kann mittels der Stellwiderstände 46 und 47 eingestellt werden. Die Transistoren T₁ bis Tq wirken dabei als Impulsgenerator, und ein Meßinstrument 70, das zwischen die Leitungen 48 und

32 gelegt ist, zeigt die Amplitude der Impulse an. Die Doppelbasistransistoren UT₁ und UT₃ und die Thyristoren SCR₁ und SCR sorgen dafür, daß keine Rückkopplung auftritt und die Abgabe des Impulsgenerators einwandfrei ist«,

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In den Pig. 2 bis 6 sind charakteristische Darstellungen wiedergegeben, die die Plattierung bei verschiedenen Einstellungen des Schaltkreises nach Fig. 1 zeigen. Pig. 2 z.B. zeigt aie Plattierungscharakteristik bei einer Wechselstromausgangspulsfolge von 450 Hz, deren Amplitude 7 V ist, wobei die am Instrument 18 abgelesene Gleichspannung 5 V» der am Instrument 17 abgelesene Strom 3 A und der Impulsstrom 1,5 A betragen. Es zeigte sich dann, daß die Plattierung eine Rockwell-Härte von 068 hatte, daß die Güte der Plattierung gering war, daß die Niederschlagskraft gering war und daß eine starke Schichtung auftrat, daß Blasen jedoch nicht vorhanden waren. Wie aus der Pig.2 erkennbar, erfolgte der Schichtaufbau relativ langsam.,

Pig. 3 gibt die Plattierungscharakteristik bei Verwendung einer Frequenz des Pulsgenerators von 550 Hz wieder, wobei das Instrument 70 7 V Spannung anzeigt, das Instrument 80 5 V, der Strom am Amperemeter 17 zu 3 A gemessen wurde und die Stromstärke der Impulse 1,5 A betrug. Die Rockwell-Härte war dabei 072j die Plattierungsgüte war ausgezeichnet, die Niederschlagskraft war sehr gut und es trat keine Blasenbildung oder Schichtung auf. Besonders ist noch festzustellen, daß die Schicht-Wachstumgeschwindigkeit mehr als zweimal so groß war wie unter den in Fig.2

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wiedergegebenen Bedingungen. V/ährend die Schicht in 4 Stunden bei den Bedingungen nach Fig. 2 auf 0,15 mm angewachsen war, hatte die Schicht bei den Bedingungen nach Fig. 3 eine Dicke von 0,35 mm erreicht.

In Fig. 4 ist das Ergebnis wiedergegeben, wenn eine Pulsfrequenz von 700 Hz mit einer Amplitude von 6 V bei einer Gleichspannung von 5 V" und einem Gleichstrom von 3 A sowie einem Impulsstrom von 1,5 A angewendet wird. Die erzielte Rockwell-Härte betrug C70j die Qualität war gut; die Niederschlagskraft war ebenfalls gut} es waren keine Blasen und nur eine ganz geringe Schichtung feststellbar.

Das Ergebnis, das die Fig. 5 wiedergibt, wurde mit einer Pulsfrequenz von 600 Hz bei einer Amplitude von 5 V, einer Gleichspannung von 6 V, einem Gleichstrom von 3 A und einem Impulsstrom von 1,5 A erzielt. Die dabei erzielte Rockwell-Härte war C72j Güte und ülederschlagskraft waren ausgezeichnet und Blasen und Schichtbildung waren nicht vorhanden. .

Das in Fig. 6 wiedergegebene Ergebnis wurde mit einer Pulsfrequenz von 1800 Hz bei einer Amplitude, die 5 V entspricht. Die Gleichspannung betrug 5 V,. die Impulsspannung 3,5 V; der Gleichstrom betrug 2 A und der Impuls-

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strom 1,5 A. Die erzielte Rockwell-Härte war 070; die erzielte Güte und die Niederschlagskraft waren in Ordnung; es traten keine Blasen auf und auch die Schichtbildung nur sehr gering.

Bs läßt sich daraus erkennen, daß das in der Fig.3 wiedergegebene Ergebnis dem Ergebnis aus den Pig. 2, 4f 5 und 6 weit überlegen ist. Es können also bei entsprechender Wahl der Amplitude und der Frequenz der Impulse erheblich verbesserte Ergebnisse erzielt werden. Die Ein und Ausschaltzeiten der Impulse steuern den Impulsstrom, und die Bedingungen, die zu dem Ergebnis nach Fig. 3 geführt haben, ergeben eine besonders gute Plattierung.

Es ist interessant, die Veränderung der Plattierungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Frequenz zu betrachten. Bei Pulsfrequenzen von 450 und 1800 Hz wurde nach 4 Stunden eine Schichtdicke von 0,15 mm erreicht, wogegen bei einer Pulsfrequenz von 550 Hz die Schichtdicke in 4 Stunden 0,35 mm erreichte.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. ) Vorrichtung zum galvanischen Plattieren mit Elektroden in einem Galvanisierungsbad, an die eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wechselstromimpulsgenerator (T, bis Tq) ausgangsseitig der Gleichstromquelle (j51) aufgeschaltet ist und Steuermittel (46, 42, 47) zur Einstellung der Frequenz, der Amplitude und der Einschaltzeit des Wechselspannungsimpulsgenerators vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsimpulsgenerator im wesentlichen Rechteckimpulse abgibt.»

35. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfrequenz zwischen 450 und 800 Hz liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Impulsdauer zwischen 10 und liegt.

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5· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfrequenz zwischen 500 und 700 Hz liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Impulsgenerators in der Nähe von 550 Hz liegt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Hilfsmittel (UT₁₅ UT₂, SCR₁, SCRp) zur Vermeidung einer Rückkopplung im Impulsgenerator vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator aus Halbleiterelementen aufgebaut ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7$ dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsmittel zur Unterdrückung der Rückkopplung aus Halbleiterbauelementen (UT₁, UTp, SCR₁, SCR₂) bestehen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstrom-Stromversorgung aus einer Drehstromquelle (19, 20, 21) gespeist ist und eine an die Drehstrom-

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Quelle angeschlossene Gleichrichteranordnung (j51) sowie ein nachgeschaltetes Glättungsfilter (L-, C-) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Transformatoreinrichtung (2j5, 24, 29) zwischen der Drehstromquelle (19, 20, 21) und der Gleichrichteranordnung (31) zur Steuerung der Größe des Ausgangs-Gleichstroms.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Stellmittel (26, 27, 28) zum Verändern der Ausgangsspannung der Transformatoreinrichtung.

IJ. Verfahren zur Erzeugung eines Galvanisierungsstroms, dadurch gekennzeichnet, daß einem Gleichstrom ein Wechselstrom von der Frequenz* 450 bis 800 Hz überlagert wird.

14. Verfahren nach Anspruch IJ, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Wechselstroms zwischen 500 und 700 Hz liegt.

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