DE3011005C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 25 27 623 bekannt. Es liefert eine galvanische Beschichtung, deren Gleichmäßig­ keit in den Randbereichen des Metallbands zu wünschen übrig läßt. Dort treten unregelmäßige Beschichtungsstrukturen auf, die als "Baumwuchs" (tree growth) und "Kantenaufbau" (edge buildup) bekannt sind. Es ist daher eine Nachbehandlung des Metallbands, z. B. ein Beschneiden der Metallbandränder notwen­ dig.

Aus der US-PS 39 75 242 ist ein Verfahren zum beidseitigen Galvanisieren eines Metallbandes bekannt, bei dem die Galvani­ sierströmung im Gegenstrom parallel zu der Bewegungsrichtung des zu beschichtenden Bands geführt ist. Auch bei einem solchen beidseitigen Beschichtungsverfahren stellen die Metallband- Randbereiche bezüglich der Beschichtungsqualität kritische Zonen dar. Zur Erhöhung der Beschichtungsqualität in diesen Bereichen sieht die US-PS 39 75 242 elektrostatische Abschir­ mungen vor, deren Kanten parallel zu der Strömungsrichtung der Galvanisierflüssigkeit und der Bewegungsrichtung des Me­ tallbands orientiert sind. Die Abschirmungen haben die Funk­ tion, den elektrischen Stromfluß zum Kantenbereich des Metall­ bands zu begrenzen. Sie wirken aber nicht als mechanische Blen­ de im Galvanisierflüssigkeitsstrom, und sie haben selbst bei Verstellung quer zur Bewegungsrichtung des Bands keinen nennens­ werten Einfluß auf die Galvanisierflüssigkeits-Strömungsver­ hältnisse im Bereich der Bandkanten, die im übrigen bei einer beidseitigen galvanischen Beschichtung auch anders sind, als bei einer einseitigen Beschichtung.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art derart zu gestalten, daß das Metallband auf der gesamten Oberfläche einschließlich der Seitenränder gleich­ mäßig beschichtbar ist.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst. Die erfindungsgemäß vorgesehene Isolatoran­ ordnung hat nicht nur die Funktion, den elektrischen Strom­ fluß zum Kantenbereich des Metallbands zu begrenzen. Sie liegt vielmehr überdies auch als mechanische Blende im Galvanisier- Flüssigkeitsstrom, so daß dieser nicht unmittelbar auf den seitlichen Randbereich des Metallbandes auffällt. Man erhält so im Kantenbereich des Metallbands eine Flüssigkeitsströmung, die zur Verhinderung von Dickeninhomogenitäten der galvanischen Beschichtung beiträgt.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung ist in Anspruch 2 gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine Galvanisierstrecke, bei der das erfin­ dungsgemäße Galvanisierverfahren angewendet wird,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene perspektivische An­ sicht einer Anoden­ zelle der Galvanisierstrecke,

Fig. 3 die schematische Darstellung einer Galvanisierzelle mit herausgefahrener, das zu behandelnde Metallband nicht abdeckender Isolatoranordnung,

Fig. 4 dieselbe Galvanisierzelle mit zur Gewährleistung eines einheit­ lich dicken galvanischen Überzugs hereingefahrener, das zu behandelnde Metallband im Randbereich abdeckender Isolatoranordnung, und

Fig. 5 eine der in Fig. 1 gezeigten Galvanisierstrecke ähnelnde Zweizellen-Galvanisierstation.

Fig. 1 zeigt das Schema einer Galvanisier­ strecke 10, die für das Aufbringen eines galvanischen Überzugs auf einer Seite eines Werkstückes 11, z. B. eines Stahlstreifens, geeignet ist.

Die Galvanisierstrecke 10 umfaßt eine bei 20 gezeigte Anodenzelle. Die Zelle ist in einem Abstand oberhalb des Werkstückes 11 ange­ ordnet und ist zur Aufnahme einer Galvanisierlösung ausge­ bildet. In der Zeichnung ist nur eine Anodenzelle darge­ stellt; jedoch kann eine Industriegalvanisierstrecke 30 oder mehr dieser Zellen umfassen. Die Lösung wird aus einem Be­ hälter 17 für das Auftragsmaterial über zwei Pumpen 12 und eine Leitung 13 in Umlauf gebracht bzw. gehalten. Die Lösung tritt aus der Leitung in die Anodenzelle 20 ein und ver­ läßt diese, um über das Werkstück zu fließen.

Die Anodenzelle 20 ist oberhalb des Werkstücks 11 unter Bei­ behaltung eines schmalen Spaltes zwischen dem Werkstück 11 und der Anodenzelle 20 aufgehängt. Nach dem Verlassen der Anodenzelle 20 füllt die Galvanisierlösung diesen Spalt, fließt dann vom Werkstück 11 fort und wird in einem Sammelbehälter 14 ge­ sammelt. Die aufgefangene Lösung wird dann zu einer Reaktions­ station 15, durch einen Filter 16 und zum Behälter 17 zu­ rückgeführt, um wieder in Umlauf zu den Anoden hingepumpt zu werden. In Fig. 1 ist der Sammelbehälter 14 mit auf einer Seite weggebrochener Seitenwand dargestellt, um das Abfließen der Lösung vom Werkstück 11 zu zeigen.

Bei Beginn des Galvanisierverfahrens verwendet man eine geeignete Zinkgalvanisierlösung mit einem pH oberhalb von 4,5, vorzugsweise im Bereich 1,5-2,5, und mit einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur, vorzugsweise etwa 60°C. Diese Lösung wird mit technisch reinen Zinksulfatsalzen vorberei­ tet und angesetzt und mit Kohlepulver und Zinkstaub ge­ reinigt. Die Zinksulfatsalze dissoziieren und liefern Zink­ ionen für den Überzug.

Das Werkstück 11 und die Anodenzelle 20 werden durch eine elektrische Energiequelle, wie sie z. B. ein Gleichstromgleichrichter liefert, auf unterschiedlichem elektrischen Potential gehal­ ten. Aufgrund dieses Energieunterschiedes erfolgt auf dem Werkstück Galvanisierung, die auf den Elektronenfluß von der Anode zum Werkstück zurückzuführen ist. Die Galvanisie­ rungsreaktion folgt der bekannten Gleichung 2e^- + Zn⁺⁺ → Zn⁰. Die für diese Reaktion erforderlichen Elektro­ nen fließen durch die Anode, die daher ein metallisches oder ein geeignetes leitendes Material enthalten muß. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Anode in einem Blei- Silber-Legierungsmaterial ausgeführt. Ein korrosionsbeständi­ ges, für die Anodenausbildung geeignetes Material enthält ¹/₂% Silber und 99 ¹/₂% Blei.

Der Gleichrichterstrom wird über ein Steuermodul gesteuert, dessen Steuerausgangssignal der Bandgeschwindigkeit und der Breite des Stahlstreifens proportional ist.

Wenn sich der galvanische Überzug auf dem Werkstück ablagert, nimmt die Zinkionenkonzentration ab. Um die Ionenkonzentra­ tion aufrechtzuerhalten, wird der Behälter 17 an der Reaktions­ station 15 ständig mit Zinkionen aufgefüllt. Das Auffüllen mit Ionen wird vorzugsweise durchgeführt, indem metallisches Zink und Zinkoxid in die in der Reaktionsstation enthaltene Galvanisierlösung eindringt. Da das Galvanisieren über Zink­ ionen erfolgt, wird an der Anode Schwefelsäure erzeugt. Die­ se Säure wird verwendet, um in der Lösung aus metallischem Zink und Zinkoxid die Erzeugung von Zinksulfat zu unterstützen, das unter Bildung von Zinkionen für das Galvanisierverfah­ ren dissoziiert.

Antriebswalzen 19 bewirken die relative Längsbewegung zwi­ schen der Anodenzelle 20 und dem Werkstück 11. Die Strom­ dichte auf dem Werkstück, die gewünschte Überzugsdicke und die Zahl der vorhandenen Anodenzellen bestimmen die Geschwindigkeit, mit der diese Antriebswalzen das Werkstück 11 antreiben.

Die Breite des Spaltes zwischen der Anodenzelle 20 und dem Werk­ stück 11 ist einstellbar. Die Einstellung erfolgt mittels einer Führungswalze 22, die auf beiden Seiten der Zelle 20 vorgesehen ist. Wenn die Führungswalzen 22 relativ zur Anodenzelle 20 nach oben oder nach unten bewegt werden, wird der Spalt zwi­ schen dem Werkstück 11 und der Zelle 20 entweder kleiner oder größer.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Anodenzelle 20. Sie ist ein quaderförmiger Behälter mit einer Bodenfläche 23, die eine Anzahl von Öffnungen 24 mit einem Durchmesser von 6,4 mm (¹/₄ ″) besitzt. Diese dienen zum Durchtritt der Galva­ nisierlösung. Außerdem hat der Anodenbehälter vier Wandflächen 25. Ein Oberteil 26 ist mit Bolzen an einem Flansch 27 des Anoden­ behälters befestigt, der sich längs des Umfangs des Ano­ denbehälters erstreckt. Der Anodenbehälter ist mittels Bolzen an einem Rahmen 36 befestigt. Dieser Rahmen haltert den Anodenbehälter oberhalb des Werkstücks. Das Oberteil 26 besteht aus nichtlei­ tendem Material, wie z. B. Methacrylharz und trägt dazu bei, eine Kontaktschiene 28 an ihrem Platz zu haltern. Die Kontaktschiene 28 stellt ein geeignetes Mittel zum Anschluß der Anode an eine elektrische Gleichstrom­ quelle zur Aufrechterhaltung des Stromflusses für die Galvanisierreaktion dar.

Die Leitung 13 tritt von oben in den Ano­ denbehälter ein. Innerhalb des Anodenbehälters verzweigt sich die Leitung 13 in ein "T" oder andere geeigne­ te Armaturen 30, wodurch die Galvani­ sierungslösung auf beide Seiten des Anodenbehälters geleitet wird.

Man kann den durch die Pumpe 12 gelieferten Druck einstel­ len, um den Fluidstrom durch den Anodenbehälter zu ändern. Ein höherer Druck führt zu einem schnelleren Fließen der Galvanisierlösung durch die Öffnungen 24 und stellt sicher, daß der Spalt zwischen dem Werkstück 11 und der Anodenzelle 20 während des Galvanisiervorgangs gefüllt bleibt. Die Strömung, die erforderlich ist, um im Spalt ein volles Elektrolytvolumen aufrechtzuerhalten, hängt von der Querschnittsfläche des Überlaufs aus dem Spalt zum Sammelbehälter 14 ab. Diese Fläche ist: Anodenlänge mal Abstand zwischen Anode und Werkstück. Eine an beiden Enden der Anode angeordnete Prallplatte 42 kann den Überlauf an den Austritts- und Eintrittsenden herabsetzen (Fig. 2). Die Prallplatte 42 erstreckt sich entlang der Anodenbreite und tritt mit dem Werkstück 11 direkt in Kontakt, um die Lösung von bei­ den Werkstückseiten in den Sammelbehälter 14 zu treiben. Für den Fall, daß Lösung an der Prallplatte 42 vorbeisickert, verhindert ein Paar von Gummiquetschwalzen 43, 44 (Fig. 1), daß Lösung am Sammelbehälter 14 vorbeifließt.

Tests ergeben, daß die zur Aufrechterhaltung eines vollstän­ dig gefüllten Spalts erforderliche Fließrate ungefähr der Überlauffläche proportional ist. Wenn die Spaltbreite bei konstant gehaltener Anodenlänge halbiert wird, so kann man auch die Lösungsfließrate halbieren, die zur Füllung des Spaltes benötigt wird.

Fig. 2 veranschaulicht die Führungswalzen 22, die das Werk­ stück 11 relativ zur Anodenzelle 20 positionieren. Durch Lösen eines Paars von Verbindungsgliedern auf beiden Seiten der Walzen 22 kann ihre vertikale Position eingestellt werden. Diese Einstellung legt den Spalt zwischen dem Werkstück 11 und der Anodenzelle 20 fest. Durch Änderung des Anoden-/Werkstück-Abstandes kann der Benutzer empirisch sicherstellen, daß der Spalt vollständig mit Lösung befüllt ist und so einen maximalen Galvanisierungsstromfluß er­ reichen.

Neben jeder Galvanisierungsanodenzelle 20 befinden sich zwei Abdeckplatten 31, die in die Galvanisierungs-Lösungs­ strömung hinein und aus ihr heraus bewegt werden. Diese Abdeckplatten 31 werden eingestellt, um den Stromfluß zu den Werkstückkanten zu beschränken und so zwei als "Kan­ tenaufbau" und "Baumwuchs" be­ kannte Phänomene zu vermeiden. In der bevorzugten Ausfüh­ rung bestehen diese Masken aus 1,9 mm dicken Platten aus rostfreiem Stahl, die mit einer 1,0 mm dicken Farbschicht überzogen sind, um elektrische Isolierung zu gewährleisten.

Baumwuchs und Kantenaufbau können auftreten, wenn es der Galvanisierlösung gestattet ist, uneingeschränkt von der Anode zum Werkstück zu fließen. Baumwuchs wird in Fig. 3 schematisch veranschaulicht. Die sogenannten Bäume wachsen längs der Werkstückkante und verringern den galvanischen Überzug nahe der Werkstückkante. Kantenaufbau ist ein Phänomen, bei dem längs den Werkstückkanten makroskopische Knollen auf­ treten und zu einem nicht einheitlichen galvanischen Überzug führen.

Durch ständiges Ausblenden eines Abschnitts des Stromflusses ist es möglich, diese Phänomene auszuschalten. Während der Galvanisierung werden die Abdeckplatten 31 so angeordnet, daß ihre Kanten fast mit der Kante des Werkstücks zusammenfallen (Fig. 4). Wenn die Abdeckplatten 31 sich in dieser Lage befinden, treten weder die Bäume noch die Knollen längs der Kante des Werkstücks auf. Übermäßige Ablagerung des galvanischen Über­ zugs auf oder in der Nähe der Werkstückkante wird verhindert, da der Stromweg über die Werkstückkante hinweg nicht kontinuier­ lich ist.

Fig. 2 zeigt die Anbringung der Abdeckplatten 31. Eine Abdeckplattenführung 33 ist am Rahmen 36 befestigt und daher bezüglich der Anodenzelle 20 fest­ gelegt. Die Abdeckplatten 31 gleiten längs eines Bereiches 40 der Führung 33 parallel zur Anodengalvanisierungsfläche. Die Führung 33 ist in vertikaler Richtung so positioniert, daß die Abdeckplatten 31 im eingefahrenen Zustand die Fläche des Stromflusses innerhalb des Spalts zwischen der Anode und dem Werkstück verkleinert. Die Positio­ nierung der Abdeckplatten variiert in Abhängigkeit von der Brei­ te des zu galvanisierenden Materials. Wenn eine Neueinstellung auf­ grund des Wachsens von Bäumen oder Knollen erforderlich wird, positioniert der Benutzer die Abdeckplatten 31 neu, indem er sie entlang der Führung 33 bewegt. Auf diese Weise behält der Benutzer die Kontrolle über die Abdeckungsbreite und kann diese in Abhängigkeit von den wäh­ rend des Galvanisierverfahrens erzielten Ergebnissen variie­ ren.

Im Aufbau können auf vorteilhafte Weise Abänderungen durchge­ führt werden. Insbesondere können die Galvanisierzellen in einer vertikalen Anordnung positioniert sein und die Galvanisierlösung auf ein vertikal angeordnetes Werkstück gepumpt werden. Die Lösung tritt mit dem Werkstück und der Anode nur für einen Augenblick in Kontakt und fließt dann aufgrund von Gravita­ tionskräften vom Werkstück weg. Man kann die Anode auch un­ terhalb des Werkstückes anordnen, und die Lösung kann in einen Spalt zwischen dem Werkstück und der Anode getrieben werden und kann von beiden Seiten der Anode abfließen.

Bei Betrieb bewegen die Antriebswalzen 19 das Werkstück 11 an den Anodenzellen 20 vorbei, wenn die Galvanisierlösung aus dem Behälter 17 zu den Zellen 20 und auf das Werkstück 11 gepumpt wird. Die Anzahl der zum Erzielen der richtigen Dicke des galvani­ schen Überzugs erforderlichen Anodenzellen hängt von der Ge­ schwindigkeit des Werkstücks, der Galvanisierstromdichte und der geforderten Beschichtungsdicke ab. Die Potentialdifferenz zwischen Anode und Werkstück verursacht die Galvanisierreaktion. Eine ein­ heitliche Stromdichte wird aufrechterhalten, indem sicher­ gestellt wird, daß der Spalt gefüllt bleibt. Der Lösungs­ fluß wird für verschiedene Spaltbreiten überwacht und ein­ gestellt, um die Kontinuität des Stroms sicherzustellen.

Fig. 5 zeigt eine Galvanisierstation 50 mit zwei Anoden. Diese Station umfaßt einen Unterbau 52 für die Montage von zwei Anoden­ zellen und eine Anzahl von Walzen. Die Walzen halten die re­ lative Position des streifenförmigen Werkstücks und der Anodenzellen aufrecht und zusätzlich elektrische Potentialdifferenzen zwischen den beiden.

Wie im Fall der in Fig. 2 gezeigten Galvanisierstrecke umfaßt jede in Fig. 5 dargestellte Zelle einen Anodenbehälter mit einem Flansch 27, der sich um den Anodenbehälter herum er­ streckt. Die Anodenbehälter haben eine Anzahl von Löchern im Boden (in Fig. 5 nicht gezeigt), die es der Galvanisier­ lösung beim Durchlaufen der Station gestatten, zum Werkstück zu fließen. Die Anoden­ behälter ruhen nach Fig. 5 auf einem trgenden Gestell 56, das mit einem einstellbaren Abschnitt 58 des Unterbaus 52 verbunden ist. Das Gestell 56 legt eine rechtwinklige Ober­ fläche 59 mit geeigneter Innenabmessung zur Aufnahme des Anodenflansches 27 fest. Da der Unterbau 52 und das tragende Gestell 56 bezüglich ihrer Umgebung fest angeordnet sind, sind die Anoden gleichermaßen stationär.

Am Unterbau 52 sind ein Paar Einstellwalzen 60 und zwei Paar Gummiquetsch­ walzen 62, 63 befestigt. Die Einstellwalzen 60 dienen dazu, das Werkstück in einem festen Abstand von der Anode zu halten, wenn dieses die Galvanisierstation durchläuft. Die Gummiquetschwalzen 62, 63 verhindern, daß die Galvanisierlösung längs des Streifens an den Sammelbehälterkanten vorbeifließt. Die obere Gummiquetschwalze 62 ist an einem Träger 64 drehbar angebracht, welcher am Unterbau 52 befestigt ist. Der Träger 64 ist so ange­ bracht, daß er um eine zur Oberfläche des Werkstücks parallele Achse 65 schwenken kann. Diese Rotationsfreiheit gestattet es der Gummiquetschwalze, sich Streifen mit verändernder Dicke und auch Unregelmäßigkeiten im Streifen anzupassen.

Eine Niederhaltewalze 66 und eine Kontaktwalze 67 sind gestrichelt gezeigt. Die Kontaktwalze 67 wird verwendet, um den Streifen beim Durchlaufen an der Station auf konstantem elektrischen Potential zu halten. Die Niederhaltewalze 66 dient bloß als Hilfe, um das Werkstück auf seinem Laufweg zu halten.

Die in Fig. 5 gezeigte Leitung 13 verzweigt sich in drei Ein­ läufe 68, die sicherstellen, daß die Lösung den Anodenbehälter vollständig füllt. Wie bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführung endet jede Einheit in einem T-Auslaufstück zum Einspritzen der Lösung in den Behälter. Sowie die Lösung durch die Löcher der Anoden­ behälter hindurchgetreten ist, fließt sie dem Werkstück zu und dann von den Werkstückkanten weg für den Rücklauf in den Sammelbehälter.

Claims (2)

1. Verfahren zum einseitigen Galvanisieren eines die Kathode bildenden und durch eine Galvanisierstation bewegten Metall­ bandes, dessen eine Oberfläche einem Galvanisier-Flüssig­ keitsfilm ausgesetzt wird, wobei die von diesem Film über die Metallband-Seitenränder entweichende Galvanisierflüs­ sigkeit in einem unterhalb des Metallbandes angeordneten Sammelbecken aufgefangen, in einer Behandlungsstation aufbereitet und über Öffnungen in der Galvanisierober­ fläche eines Anodenbehälters ergänzt wird, der von der zu behandelnden Metallbandoberfläche unter Ausbildung eines Spaltes beabstandet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine den elektrischen Stromfluß zum Kantenbereich des Metallbandes (11) begrenzende Isolatoranordnung (31, 33, 40) im Gal­ vanisier-Flüssigkeitsstrom derart angeordnet ist, daß der die Galvanisierung bewirkende Flüssigkeitsfilm von den unmittelbar an die Seitenränder des Metallbandes (11) anschließenden Bandbereichen zumindest teilweise abgeschirmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß als abschirmende Isolatoranordnung (31, 33, 40) Abdeckplatten (31) vorgesehen werden, daß die Oberflächen der Abdeckplatten (31) elektrisch isolierend ausgeführt werden, daß die Abdeckplatten (31) mit Abstand zur Galvani­ sieroberfläche (32) des Anodenbehälters (20) und zur behandelnden Oberfläche des Metallbandes (11) angeordnet werden, und daß die Abdeckplatten (31) in ihrer Stellung gegenüber den Metallband-Seitenrändern einstellbar ge­ lagert (33, 40) werden.