VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ELEKTROLYTISCHEN OBERFLAECHEN- BESCHICHTUNG VON WERKSTUECKEN
Die hier beschriebene Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur elektrolytischen Oberflächenbeschichtung von den elektrischen Strom leitenden Gegenständen, insbesondere von Metall- Werkstücken, sowie eine spezielle Verwendung der genannten Vorrich¬ tung.
Elektrolytische Oberflächenbeschichtungen von metallischen Gegen¬ ständen bilden seit langem einen Teil des bekannten Standes der Technik; in der Patentliteratur ist die genannte Technologie breit vertreten.
Neuere, einschlägige, veröffentlichte Patentanmeldungen sind u.a. die EP-A 0 196 420, die EP-A 0 387 750 sowie die DE-A 34 29 890.
In der EP-A 0 196 420 (Veröffentlichungsdatum 8. Oktober 1986) wird eine Hochgeschwindigkeits-Elektrolysezelle für die Oberflächen¬ beschichtung von bandförmigem Gut gelehrt. Die genannte Vorrichtung umfasst eine vertikale elektrolytische Verzinkungszelle zur Beschich¬ tung von Stahlbändern, in der das Band von einer oberen Umlenk- oder Stromrolle zu einer unteren umlenkenden Tauchrolle und von dort zu einer weiteren, oberen Umlenk- oder Stromrolle geführt wird. Dabei
wird der zu beschichtende ab- und aufsteigende Bandabschnitt in einem Spalt zwischen senkrecht angeordneten Anoden von dem im Umlauf geführ¬ ten Eletrolytstrom mit hoher Geschwindigkeit entgegen der Bandlauf¬ richtung beaufschlagt. Bei einer solchen Elektrolysezelle wird die Umwälzung grosser Elektrolytmengen unter Einsatz möglichst geringer Pumpenergie erreicht.
Gemäss der EP-A 0 387 750 (Veröffentlichungsdatum 19. September 1990) ist die darin beschriebene Elektrolysezelle durch mehrere Stro ein- Speisungen und mehrere Elektrolytzuführungen bzw. -ableitungen spezi¬ fiziert. Dadurch wird eine gleichförmige Elektrolyse und Beschichtung erreicht.
Die Vorrichtung aus der DE-A 34 29890 schliesslich dient zum Aufbringen einer Kupferschicht auf einen Tiefdruckzylinder in einem Galvanisierbad, das einen kupferhaltigen Elektrolyten und wenigstens einen Anodenkörper aus Kupfer aufweist. Der Anodenkörper kann die Form einer mit einer Vielzahl von Durchbrechungen versehenen Platte haben, speziell die einer konzentrisch um den Druckzylinder angebrachten Loch- oder Streckmetallplatte. Diese Anordnung erlaubt das Fahren der Elektrolyse unter einer verhältnis ässig geringen Spannung und ein Aufbringen einer gleichmässigen Kupferschicht auf den kathodisch geschalteten Tiefdruckzylinder.
Den drei genannten Lehren ist gemeinsam, dass sie der konzeptionellen Beseitigung des Anodenschlammes keine genügende Beachtung schenken. Die Lösung dieser Aufgabe führt aber, wie Versuche der Anmelderin eindeutig gezeigt haben, zu einer hinsichtlich Homogenität, d.h. homo¬ genem, feinkristallinem Gefügeaufbau wie auch Korrosionsbeständigkeit, wesentlich verbesserten Qualität der elektrisch aufgebrachten Ober¬ flächenschicht.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur elektrolytischen Oberflächen- beschichtung von den elektrischen Strom leitenden, insbesondere von Metall-Werkstücken, mittels eines fluiden Elektrolyten ist dadurch gekennzeichnet,
- dass der Elektrolyt in kontrolliertem Umlauf in und um die Elektro¬ lysezone zwischen der Anode und dem kathodisch geschalteten Werk¬ stück gefördert wird, wobei der Elektrolyt zum grösseren Teil mit hoher Durchsatzrate, gegebenenfalls unter höherem Eintrittsdruck, durch den Raum zwischen dem kathodisch geschalteten Werkstück und der Anode sowie, zum kleineren Teil, mit geringerer Durchsatzrate an der der Kathode abgewandten hinteren Seite der Anode nach oben gefördert wird,
- dass der Elektrolyt nach dem Verlassen der Elektrolysezone in einen separaten Ueberlaufbehälter geführt wird und
- dass der Elektrolyt aus dem Ueberlaufbehälter wieder in und um die Elektrolysezone zwischen Anode und Kathode gefördert wird,
wobei im Ueberlaufbehälter und/oder in der Rückfördereinrichtung vom Elektrolyten Anodenschlamm abgeschieden bzw. abgetrennt wird.
Beim genannten Verfahren ist weiter relevant, dass der Elektrolyt so an die Anode heran-, durch die Anode hindurch- bzw. von der Anode abgeführt wird, dass der wesentliche Teil des sich während der Elektrolyse bildenden Anodenschlammes vom strömenden Elektrolyten abgeführt wird.
Vorteilhafterweise wird der Elektrolyt auf dem Umlauf hinsichtlich der wesentlichen Verfahrensparameter wie Temperatur, Umsatz, Gehalte usw. dauernd kontrolliert und, nötigenfalls, optimiert.
Das kathodisch geschaltete Werkstück ist dabei entweder fixiert oder es wird während der elekrolytisehen Oberflächenbeschichtung bewegt, insbesondere gedreht; die Anode wird entweder periodisch ersetzt oder das Anodenmaterial kontinuierlich nachgeführt.
Vom Elektrolyten wird, wie gesagt, während dessen Durchlauf durch den Ueberlaufbehälter der Anodenschlamm entweder mittels Absetzen und/oder mittels Elektroden abgetrennt bzw. abgeschieden, und/oder
die Schlammteilchen werden an einem in die Rückfördereinrichtung ein¬ geschalteten Filter zurückgehalten.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur elektrolytischen Oberflächen- beschichtung von den elektrischen Strom leitenden, insbesondere
Metall-Werkstücken, mittels eines fluiden Elektrolyten, ist gekenn¬ zeichnet
- durch einen Elektrolysebehälter, in welchem die Oberflächenbe- Schichtung des als Kathode geschalteten Werkstückes und die Abgabe des Beschichtungsmaterials von der Anode oder aus dem Elektrolyten ablaufen,
- durch Zuführleitungen bzw. -Öffnungen für den Elektrolyten unten in den Raum zwischen dem kathodisch geschalteten Werkstück und der
Anode bzw. unten hinter die Anode,
- durch mindestens einen an den bzw. unter dem Elektrolysebehälter anschliessenden Ueberlaufbehälter, in welchen der Elektrolyt nach dem Durchlaufen der Elektrolysezone gelangt, und
- durch eine Rückfördereinrichtung mit einem Filter, welche sowohl den Umlauf des Elektrolyten, wie dessen Reinigung von Anodenschlamm wie auch dessen hinsichtlich Menge, Richtung und Geschwindigkeit tech- nisch genügend kontrollierte Zuführung an bzw. durch die Anode ermöglicht.
Speziell geeignet sind dabei die Zuführleitungen bzw. -Öffnungen für den Elektrolyten in die Anodenzone, die in ihrer Anzahl, Anordnung und Durchsatz variabel und optimierbar sind.
Entweder ist also der Boden des Ueberlaufbehälters als Absetzkonus mit Entleerungsvorrichtung ausgebildet - welcher Absetzkonus noch Umlenkbleche und/oder Abscheideelektroden zur Verbesserung des Abscheidungsgrades aufweisen kann - und/oder es ist in der Leitung der
Rückfördereinrichtung in Strömungsrichtung vor dem Förderaggregat ein Filter vorgesehen, das kontinuierlich oder periodisch gereinigt wird.
In der oben spezifizierten Vorrichtung
- kann der kathodisch geschaltete Gegenstand entweder fixiert oder beweglich, insbesondere drehbar, teilweise oder ganz eingetaucht im sich im Elektrolysebehälter befindlichen Eletrolyten gehalten sein und
- kann/können die Anode bzw. die Anodenteile - ebenfalls im Elektroly¬ ten - eingetaucht und hinsichtlich ihrer Lage gegenüber dem katho¬ disch geschalteten Gegenstand optimal angeordnet sein.
Der kathodisch geschaltete Gegenstand kann ein Druckzylinder für den Tiefdruck sein, welcher teilweise in den Elektrolyten eingetaucht ge¬ halten und fixiert oder drehbar angeordnet ist; die Anodenteile sind dann schalenförmig und in geringem Abstand vom Druckzylinder ange¬ ordnet, wobei die Teile porös oder gelocht vorliegen können. Die Zu- führungsleitungen- bzw. -Öffnungen für den Elektrolyten zur Elektro¬ lysezone sind solche, die hinsichtlich Menge, Verteilung, Richtung und Geschwindigkeit eine technisch genügend genau kontrollierte Zuführung des Elektrolyten in die genannte Zone erlauben.
Wichtig sind dabei auch Vorrichtungen zur Kontrolle und Optimierung der Verfahrens-Hauptparameter des Elektrolyten wie Durchsatz, Tempera¬ tur, Konzentrationen usw.
Verwendung findet die erfindungsgemässe Vorrichtung primär zur Her- Stellung von Tiefdruckzy!indem mit einer fremdkörper- (v.a. schlämm-) einschlussfreien und daher feinkristallinen, homogenen und auch korrosionsbeständigen MaterialStruktur der Oberflächenbeschichtung.
Im folgenden werden nun sowohl die erfindungsgemässe Verrichtung wie auch das damit ausgeführte Verfahren anhand der beiden zur Erfindungs¬ beschreibung gehörenden Figuren beispielhaft und detailliert erläu¬ tert.
Dabei zeigen
- die Figur 1 eine schematisch dargestellte erfindungsgemässe
Vorrichtung mit dem an den Elektrolysebehälter anschliessenden Ueberlaufbehälter und
- die Figur 2 eine analog dargestellte entsprechende Vorrichtung mit dem unterhalb des Elektrolysebehälters angeordneten Ueberlaufbehälter.
In der Vorrichtung gemäss der Figur 1 ist der Elektrolysebehälter 1.01 mit dem Elektrolytbad 1.02 zentral angeordnet; selbstverständlich entsprechen die tatsächlichen Dimensionen dieses Behälters denjenigen des zu beschichtenden Werkstückes. Die Anode bzw. die Anodenteile 1.03 sind entsprechend dem kathodisch geschalteten Werkstück 1.04 einge¬ richtet. Mittels der zwei Zuführleitungen 1.05a, 1.05b wird der Elektrolyt zu den entsprechenden Austrittsöffnungen 1.06a, 1.06b und 1.07a, 1.07b gebracht. Die beiden Austrittsöffnungen 1.07a, 1.07b sind so beschaffen und gerichtet, dass ein Grossteil des geförderten Elektrolyten unten in den Raum zwischen den Anodenteilen 1.03 und dem kathodisch geschalteten Werkstück 1.04 gelangt und von dort zwischen den Elektroden hinauf- und zum Teil durch die Anodenteile hindurch- fliesst: Dies wird in der Figur durch die Pfeile angedeutet. Ein geringerer Teil des Elektrolyten tritt bei den Oeffnungen 1.06a, 1.06 in das Elektrolytbad aus und bewegt sich von dort an der der Kathode abgewandten Seite der Anode nach oben. Diese beiden gelenkten Strömun¬ gen bewirken eine optimale Entfernung und einen genügend sicheren Abtransport des grössten Teils des beim Auflösen der Anode sich bildenden Anodenschlammes.
Zusammen mit dem umlaufenden Elektrolyten tritt der Anodenschlamm aus dem Elektrolysebehälter aus in die neben dem genannten Behälter ange¬ ordneten Ueberlaufbehälter 1.08a, 1.08b. Falls also der Elektrolyt¬ behälter 1.02 eine längere Wanne ist, sind die beiden angeschlossenen Ueberlaufbehälter 1.08a, 1.08b schmale Seitenwannen. Aus den Ueber-
laufbehältern 1.08a, 1.08b läuft der flüssige Elektrolyt durch die Leitungen 1.09a, 1.09b den Förderaggregaten 1.10a, 1.10b zu, welche das Medium via die Filter 1.11a, 1.11b wieder durch die Leitungen 1.05a, 1.05b den weiter oben beschriebenen Austrittsöffnungen zuför- dem.
Die zwei Ueberlaufbehälter 1.08a, 1.08b (sie können gemeinsam einen umlaufenden, geschlossenen Auffangbehälter bilden) können unten einzelne bzw. einen zusammenhängenden Absetzkonus 1.12a, 1.12b mit entsprechender Entleerungsleitung aufweisen.
In der Figur 2 ist die entsprechende Vorrichtung mit dem unter dem Elektrolysebehälter 2.01 angeordneten Ueberlaufbehälter 2.08 darge¬ stellt. Auch der letztgenannte Behälter weist einen Absetzzylinder 2.12 mit einer Entleerungsleitung auf.
In beiden Figuren sind die Behelfsvorrichtungen zur Kontrolle und Optimierung der Betriebsparameter für den Elektrolyten nicht eingezeichnet.
Erst durch die aktive Entfernung des Anodenschlammes am Entstehungsort und der passiven Abscheidung desselben aus dem Elektrolytkreislauf wird der erfindungsgemäss zu lösende Effekt voll erreicht. Für den Fachmann ist dabei klar, dass die in diesen Beispielen angegebenen praktischen Mittel für die aktive und die passive Anodenschia m- entfernung noch durch andere, wirkungsanaloge Elemente ersetzt werden können.