Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft einen borsäure- und ammoniumfreien wässrigen Elektrolyt zur
galvanischen Abscheidung von Zink-Überzügen, ein Verfahren zur Herstellung des Elektrolyts
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Zink-Überzug durch galvanisches
Abscheiden aus dem Elektrolyt.
Technischer Hintergrund
[0002] Zink-Überzüge werden in vielen technischen Bereichen verwendet, denn sie können einen
sehr guten kathodischen Korrosionsschutz von Bauteilen, insbesondere aus Eisenwerkstoffen,
bewirken. Die Zink-Überzüge können durch galvanische (elektrochemische) Abscheidung
aus einem Zink-Elektrolyt auf dem metallischen Bauteil gebildet werden. Die Abscheidung
erfolgt dabei bevorzugt aus schwachsauren Elektrolyten, weil diese in der Regel wesentlich
höhere Abscheidegeschwindigkeiten als alkalische Elektrolyte ermöglichen. Eine gute
Abscheidegeschwindigkeit ist für eine wirtschaftliche Beschichtung von Bauteilen,
beispielsweise von Zubehörteilen für die Automobilfertigung, wichtig.
[0003] Allgemein wird ein guter optischer Eindruck, also eine homogene und glänzende Oberfläche
des Zink-Überzugs gewünscht. Des Weiteren ist es für viele technische Anwendungen
auch üblich, die Zink-Überzüge zu tempern. Durch das Tempern wird der beim galvanotechnischen
Beschichtungsprozess aufgenommene Wasserstoff ausgetrieben, um der Gefahr einer nachträglichen
Versprödung des Bauteils entgegen zu wirken. Besonders bei hochfesten Stahlbauteilen
ist werkstoffbedingt eine erhöhte Gefahr eines wasserstoffinduzierten Sprödbruchs
vorhanden. Beim Tempern ist es wünschenswert, dass Blasen und andere Defekte möglichst
vermieden werden und ein guter optischer Eindruck erhalten bleibt.
[0004] Bislang ist es Stand der Technik, für die Abscheidung von Zink-Überzügen einen schwachsauren
Zink-Elektrolyt einzusetzen, der Borsäure als Puffer enthält. Borsäure gilt als erforderlich,
um bei hohen Stromdichten (z.B. 6 bis 8 A/dm
2) arbeiten zu können, was für eine hohe Abscheidegeschwindigkeit wünschenswert ist.
Borsäure verhindert bei hohen Stromdichten ein ungeordnetes und dentritisches Wachstum
der Zink-Schicht, was für die Temperfähigkeit und optischen Eigenschaften des Zink-Überzugs
wichtig ist. Wird Borsäure weggelassen, werden in der Regel ungeordnete, pulvrige,
schwarze Zink-Schichten abgeschieden.
[0005] Borsäure verhindert zudem die Reduktion von Protonen zu Wasserstoff (2 H
+ + 2e
- → H
2), was an der Kathode neben der Reduktion der Zink-Ionen zu Zink (Zn
2+ + 2e
- → Zn) auftreten kann. Durch die Reduktion von Protonen steigt der pH-Wert in der
Umgebung der Kathode an, da ein Überschuss an negativ geladenen Hydroxidionen erzeugt
wird. Dies führt dazu, dass Zinkhydroxid direkt an der Kathodenoberfläche ausfallen
und zu Beschichtungsfehlern führen kann.
[0006] Borsäure zeichnet sich weiterhin durch einen günstigen Preis, elektrochemische Stabilität,
Prozesskompatibilität und unproblematische Abwasserbehandlung aus.
[0007] Allerdings gelten Borsäure und verwandte Bor-haltige Verbindungen, z.B. Dinatriumtetraborat,
Dibortrioxid und Tetrabordinatriumheptaoxid, als reproduktionstoxisch (teratogen)
der Kategorie 1B und wurden am 18.06.2010 in die Kandidatenliste für die REACh-Verordnung
aufgenommen. Die Europäische Chemikalienagentur (ECHA) sprach sich am 01.07.2015 nach
eingehender Prüfung und Abwägung aller bekannten Daten und Fakten für die Aufnahme
von Borsäure in den Anhang XIV der REACh-Verordnung über zulassungspflichtige Stoffe
aus und übermittelte eine entsprechende Empfehlung an die EU-Kommission. Obwohl Borsäure
und die anderen oben genannten Bor-Verbindungen die Kriterien für eine Aufnahme in
den Anhang XIV der REACh-Verordnung erfüllen, beschloss die EU-Kommission, diese Verbindungen
zunächst nicht als zulassungspflichtig einzustufen (Verordnung (EU) 2017/999, am 13.06.2017
im Amtsblatt der Europäischen Union veröffentlicht).
[0008] Auch wenn Borsäure in der EU derzeit (noch) nicht zulassungspflichtig ist, wäre es
aus Gründen der Nachhaltigkeit und des Arbeitsschutzes wünschenswert, den Einsatz
von Borsäure zu reduzieren oder ganz zu vermeiden.
[0009] Vereinzelt wurden in der Literatur bereits borsäurefreie Zink-haltige Elektrolyte
beschrieben:
In einer Veröffentlichung von
J. Heber (Galvanotechnik, 2014, Vol. 105, 2150-2156) wurde vorgeschlagen, Borsäure durch Essigsäure zu ersetzen. In dieser Veröffentlichung
wurde angemerkt, dass durch die Verwendung von Essigsäure die Anwendung bei hohen
Stromdichten begrenzt wird. Weiterhin wird durch den Austausch von Borsäure durch
Essigsäure die Metallverteilung auf dem Substrat verschlechtert und der Trübungspunkt
(Temperatur bei der die organischen Zusätze ausfallen) reduziert. Ferner wird eine
niedrigere Stromausbeute als mit Borsäure beobachtet.
[0010] In
EP 2 706 132 A1 wird die Verwendung eines borsäurefreien schwachsauren Zink-Nickel-Elektrolyts beschrieben,
der insbesondere ein Gemisch von Adipinsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Sulfobernsteinsäure
und Propionsäure verwendet, um Borsäure zu ersetzen. Neben diesen als Puffersubstanzen
verwendeten organischen Säuren müssen einem Zink-Nickel-Elektrolyt auch stärkere Komplexbildner
(z.B. DETA oder EDA) für das Nickel hinzugesetzt werden, damit Nickel ausreichend
(typischerweise zu 12 bis 15 Gew.-%) in die Zink-NickelSchicht eingebaut werden kann.
Diese Komplexbildner erfordern wiederum eine aufwendige Abwasserbehandlung.
[0011] DE 2 251 103 A1 beschreibt einen sauren Zink-Elektrolyt der frei von Borsäure ist. Neben Zinksulfat
und Zinkchlorid enthält der Elektrolyt Natriumsuccinat, Nicotinsäureamid und große
Mengen an Ammoniumchlorid. Die Verwendung von Ammoniumchlorid und anderen Ammoniumsalzen
ist jedoch aus ökologischer Sicht bedenklich, denn Ammonium bzw. Ammoniak sollte nicht
ins Abwasser gelangen. Ein Grund hierfür ist, dass Ammoniak ein sehr guter Ligand
für diverse Schwermetalle ist und deren Mobilität erhöht. Die Verwendung von Ammoniumverbindungen
ist wegen der problematischen Abwasserbehandlung nicht wünschenswert.
[0012] US 4,877,497 beschreibt einen sauren Zink-Elektrolyt, der keine Borsäure enthält. Der Elektrolyt
enthält im wesentlichen Zinkchlorid, Ammoniumchlorid bzw. Kaliumchlorid. Weiterhin
können Bernsteinsäure, Essigsäure, Milchsäure, Malonsäure, Adipinsäure, Weinsäure
und Zitronensäure oder deren Salze enthalten sein. Der pH-Wert liegt bevorzugt zwischen
3 und 4. Ammoniumchlorid erfordert eine aufwendige Prozessabwasserbehandlung, wie
es oben bereits beschrieben ist. Die niedrigen pH-Werte in diesen Elektrolyten führen
zu einer hohen Löslichkeit der Zinkanoden (Anodenlöslichkeit). Die hohe Anodenlöslichkeit
hat zur Folge, dass bei Nichtbetrieb des Elektrolyts eine stetige Zunahme der Zink-Konzentration
im Elektrolyt beobachtet wird.
[0013] Wie oben beschrieben, ist es vor allem aus gesundheitlichen Gründen und in puncto
Arbeitssicherheit wünschenswert, die Verwendung von Borsäure in Zink-Elektrolyten
zu reduzieren und insbesondere ganz zu vermeiden. Ebenso sollen andere CMR-Stoffe,
also Stoffe die cancerogen, mutagen bzw. reproduktionstoxisch sind, vermieden werden.
Ammoniumchlorid sollte aus ökologischen Gründen aufgrund der Abwasserproblematik vermieden
werden. Es besteht daher ein Bedarf an einem Zink-Elektrolyt, der weder Borsäure noch
Ammoniumchlorid benötigt und dennoch wirtschaftlich betrieben werden kann und aus
gesundheitlicher und ökologischer Sicht weitgehend unbedenklich ist. Der Elektrolyt
sollte die Abscheidung von glänzenden Zink-Schichten auch bei hohen Stromdichten ermöglichen.
Zusammenfassung der Erfindung
[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zink-Elektrolyt für die galvanische
Abscheidung von Zink-Überzügen bereitzustellen, der keinen Zusatz von Borsäure und
Ammoniumverbindungen benötigt. Der Zink-Elektrolyt soll insbesondere bei hohen Stromdichten
betrieben werden können und Puffersubstanzen verwenden, die ökologisch und gesundheitlich
weitgehend unbedenklich sind. Der Elektrolyt soll insbesondere die Abscheidung von
glänzenden Zink-Überzügen mit einem vorteilhaften optischen Eindruck ermöglichen.
Weiterhin soll der Elektrolyt bevorzugt auch die galvanische Abscheidung von temperfähigen
Zink-Überzügen ermöglichen, die auch nach dem Tempern gute mechanische Eigenschaften
aufweisen und einen guten optischen Eindruck vermitteln. Weitere Aufgaben sind es,
ein Verfahren zur Herstellung des Zink-Elektrolyts und ein Verfahren zur Herstellung
eines Bauteils mit Zink-Überzug, das den Elektrolyt zum galvanischen Abscheiden von
Zink verwendet, bereitzustellen.
[0015] Diese Aufgaben werden durch den Zink-Elektrolyt, das Verfahren zu dessen Herstellung
und das Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Zink-Überzug gemäß den unabhängigen
Ansprüchen gelöst.
[0016] Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere folgendes:
- (1) Borsäure- und ammoniumfreier wässriger Elektrolyt zur galvanischen Abscheidung
von Zink-Überzügen, umfassend:
- (a) Zn2+ in einer Konzentration von 15 bis 70 g/L;
- (b) Cl- in einer Konzentration von 100 bis 200 g/L;
- (c) K+ und/oder Na+ insgesamt in einer Konzentration von 0,75 bis 6,0 mol/L;
- (d) Acetat in einer Konzentration von 5,0 bis 45 g/L;
- (e) Glycin und/oder Alanin insgesamt in einer Konzentration von 0,5 bis 30 g/L; und
- (f) Wasser;
wobei der Elektrolyt einen pH-Wert von 4,5 bis 6,5 aufweist.
- (2) Elektrolyt gemäß (1), wobei die Konzentration von Zn2+ 20 bis 60 g/L beträgt.
- (3) Elektrolyt gemäß (1) oder (2), wobei die Konzentration von Zn2+ 25 bis 50 g/L, bevorzugt 35 g/L, beträgt.
- (4) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (3), wobei die Konzentration von Cl- 120 bis 190 g/L beträgt.
- (5) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (4), wobei die Konzentration von Cl- 130 bis 180 g/L, bevorzugt 160 g/L, beträgt.
- (6) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (5), wobei die Konzentration von K+ 0,75 bis 6,0 mol/L beträgt.
- (7) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (6), wobei die Konzentration von K+ 2,7 bis 4,8 mol/L beträgt.
- (8) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (7), wobei die Konzentration von K+ 3,3 bis 4,1 mol/L beträgt.
- (9) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (8), optional enthaltend Na+ zu 0 bis 0,5 mol/L, bevorzugt 0 bis 0,2 mol/L.
- (10) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (9), wobei Zn2+, K+ und Na+ mindestens 95 Gew.-%, bevorzugt mindestens 98 Gew.-%, am meisten bevorzugt mindestens
99 Gew.-% oder 100 Gew.-% sämtlicher Kationen im Elektrolyt ausmachen.
- (11) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (10), wobei Zn2+ und K+ mindestens 90 Gew.-%, bevorzugt mindestens 95 Gew.-%, am meisten bevorzugt mindestens
99 Gew.-% oder 100 Gew.-% sämtlicher Kationen im Elektrolyt ausmachen.
- (12) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (11), wobei die Konzentration von Acetat 7,5
bis 30 g/L beträgt.
- (13) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (12), wobei die Konzentration von Acetat 10
bis 20 g/L, bevorzugt 12 g/L, beträgt.
- (14) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (13), wobei die Konzentration von Glycin und/oder
Alanin insgesamt im Bereich von 0,5 bis 20 g/L liegt.
- (15) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (14), wobei die Konzentration von Glycin und/oder
Alanin insgesamt im Bereich von 1,0 bis 10 g/L liegt.
- (16) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (15), wobei die Konzentration von Glycin und/oder
Alanin insgesamt im Bereich von 1,5 bis 5 g/L, bevorzugt 2,5 g/L, liegt.
- (17) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (16), enthaltend Glycin und optional 0 bis
1,5 g/L, bevorzugt 0 bis 0,5 g/L, Alanin.
- (18) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (17), enthaltend (g) Nicotinsäure in einer
Konzentration von 0,01 bis 2,0 g/L.
- (19) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (18), enthaltend (g) Nicotinsäure in einer
Konzentration von 0,5 bis 1,0 g/L.
- (20) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (19), enthaltend (g) Nicotinsäure in einer
Konzentration von 0,08 bis 0,5 g/L, bevorzugt 0,1 g/L.
- (21) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (20), enthaltend (h) ethoxyliertes Thiodiglycol
mit durchschnittlich mindestens 20 Struktureinheiten, die von Ethylenoxid stammen,
in einer Konzentration von 0,3 bis 10 g/L.
- (22) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (21), enthaltend (h) ethoxyliertes Thiodiglycol
mit durchschnittlich mindestens 20 Struktureinheiten, die von Ethylenoxid stammen,
in einer Konzentration von 0,5 bis 5 g/L.
- (23) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (22), enthaltend (h) ethoxyliertes Thiodiglycol
mit durchschnittlich mindestens 20 Struktureinheiten, die von Ethylenoxid stammen
in einer Konzentration von 1,0 bis 3,5 g/L, bevorzugt 2,1 g/L.
- (24) Elektrolyt gemäß einem von (1) bis (23), wobei der pH 4,5 bis 6,0, bevorzugt
4,8 bis 5,3, ist.
- (25) Verfahren zur Herstellung eines Elektrolyts gemäß einem von (1) bis (24), umfassend
die Schritte:
- A) das Erzeugen einer wässrigen Lösung von
(a') Zinkchlorid und/oder Zinkacetat;
(b') Kaliumchlorid und/oder Natriumchlorid;
(c') mindestens einem von Kaliumacetat, Natriumacetat und Essigsäure;
(d') mindestens einem aus der Gruppe, die aus Glycin, einem Salz davon, Alanin und
einem Salz davon besteht; und
(e') optional Nicotinsäure oder einem Salz davon; und
(f') optional ethoxyliertem Thiodiglycol mit durchschnittlich mindestens 20 Struktureinheiten,
die von Ethylenoxid stammen; und
- B) optional das Einstellen des pH-Werts auf 4,5 bis 6,5 durch Zugabe von Salzsäure
oder durch Zugabe von Kaliumhydroxid und/oder Natriumhydroxid, die als Feststoff oder
in Form einer wässrigen Lösung zugegeben werden können.
- (26) Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Zink-Überzug, umfassend das galvanische
Abscheiden von Zink auf einem metallischen Bauteil aus einem Elektrolyt gemäß einem
von (1) bis (24).
- (27) Verfahren gemäß (26), wobei das metallische Bauteil Eisen oder eine Eisenlegierung
umfasst oder daraus besteht.
- (28) Verfahren gemäß (26) oder (27), wobei bei einer Temperatur von 20 bis 50°C abgeschieden
wird.
- (29) Verfahren gemäß einem von (26) bis (28), wobei bei einer Temperatur von 25 bis
40°C abgeschieden wird.
- (30) Verfahren gemäß einem von (26) bis (29), wobei die Stromdichte beim Abscheiden
von 0,2 bis 10 A/dm2 ist.
- (31) Verfahren gemäß einem von (26) bis (30), wobei die Stromdichte beim Abscheiden
von 0,5 bis 8,0 A/dm2, bevorzugt 1,0 bis 8,0 A/dm2, ist.
- (32) Verfahren gemäß einem von (26) bis (31), wobei die Stromdichte beim Abscheiden
von 0,5 bis 6 A/dm2, bevorzugt 2,0 bis 6 A/dm2, ist.
- (33) Verfahren gemäß einem von (26) bis (32), wobei das Bauteil mit Zink-Überzug nach
dem galvanischen Abscheiden einer Passivierungsbehandlung unterzogen wird.
- (34) Verfahren gemäß einem von (26) bis (32), wobei das Bauteil mit Zink-Überzug nach
dem galvanischen Abscheiden, optional vor oder nach einer Passivierungsbehandlung,
getempert wird.
- (35) Verfahren gemäß (34), wobei die Temperatur beim Tempern 180 bis 230°C, bevorzugt
200 bis 230°C, beträgt.
- (36) Verfahren gemäß (34) oder (36), wobei für 2 bis 24 h getempert wird.
Detaillierte Beschreibung
[0017]
- (1) Es wird ein borsäure- und ammoniumfreier wässriger Elektrolyt zur galvanischen
Abscheidung von Zink-Überzügen (hierin auch kurz "Elektrolyt" oder "Zink-Elektrolyt"
bezeichnet) bereitgestellt. Der Elektrolyt umfasst:
- (a) Zn2+ in einer Konzentration von 15 bis 70 g/L;
- (b) Cl- in einer Konzentration von 100 bis 200 g/L;
- (c) K+ und/oder Na+ insgesamt in einer Konzentration von 0,75 bis 6,0 mol/L;
- (d) Acetat in einer Konzentration von 5,0 bis 45 g/L;
- (e) Glycin und/oder Alanin insgesamt in einer Konzentration von 0,5 bis 30 g/L; und
- (f) Wasser.
[0018] Der Elektrolyt weist einen pH-Wert von 4,5 bis 6,5 auf.
Bei diesem pH-Wert kann Acetat in protonierter und/oder deprotonierter Form vorliegen.
Ebenso können Glycin bzw. Alanin auch in protonierter und/oder deprotonierter Form
vorliegen.
[0019] Überraschend wurde gefunden, dass mit der speziellen Kombination von Acetat mit Glycin
und/oder Alanin in den oben angegebenen Konzentrationen weder der Zusatz von Borsäure
noch der Zusatz von Ammonium notwendig ist, um einen vielseitig einsetzbaren Zink-Elektrolyt
für die galvanische Abscheidung von Zink-Überzügen bereitzustellen. Acetat und Glycin
bzw. Alanin dienen unter anderem als Puffersubstanzen, um den pH-Wert in dem Elektrolyt
konstant zu halten. Sowohl von gesundheitlichen als auch ökologischen Gesichtspunkten
her sind Acetat sowie die Aminosäuren Glycin und Alanin natürlich völlig unbedenklich
und können problemlos über das Abwasser entsorgt werden. Des Weiteren sind Acetat,
Glycin und Alanin preisgünstig und nahezu unbegrenzt verfügbar und stellen daher einen
besonders vorteilhaften Ersatz für die Verwendung von Borsäure oder verwandten Borverbindungen
sowie Ammoniumverbindungen wie Ammoniumchlorid dar.
[0020] Mit dem erfindungsgemäßen Elektrolyt können Zink-Überzüge über einen praktikablen
Stromdichtebereich wie 0,2 bis 8 A/dm
2 abgeschieden werden. Insbesondere bei hohen Stromdichten, also im Bereich von 6 bis
8 A/dm
2, können signifikante Verbesserungen bei der Qualität der abgeschiedenen Zink-Überzüge
in Form des optischen Eindrucks, also homogener Glanz und Reduzierung von Anbrennungen
im Vergleich zu Zink-Elektrolyten ohne diese Substanzen erzielt werden. Unter "Anbrennungen"
werden gemeinhin missfarbene, dunkle, amorphe oder grobkristalline, meist pulvrige
Bereiche verstanden, wodurch der Zink-Überzug für viele Anwendungen unbrauchbar werden
kann.
[0021] Der Elektrolyt ist geeignet, um metallische Bauteile (Substrate) mit dichten, homogenen
Zink-Überzügen zu beschichten, die einen guten, haftfesten Korrosionsschutz beispielsweise
auf Eisen oder Eisenlegierungen bewirken. Ferner war es möglich, mit dem Zink-Elektrolyt
temperfähige Zink-Überzüge herzustellen. Mit den Puffersubstanzen Acetat, Glycin bzw.
Alanin konnte die Wasserstoffentwicklung, insbesondere bei hohen Stromdichten, während
der galvanischen Abscheidung reduziert werden, wodurch pH-Wert-Änderungen des Elektrolyts
und die Fällung von Zinkhydroxid an der Kathode reduziert bzw. vermieden werden.
[0022] Ein weiterer Vorteil, der sich aus der Kombination von Acetat und Glycin ergibt,
ist, dass eine vielseitige Verfahrensführung bei der galvanischen Abscheidung ermöglicht
wird. Beispielsweise können Zink-Salze und Leitsalze (Kaliumchlorid bzw. Natriumchlorid)
in breiten Konzentrationsbereichen eingesetzt werden und die Temperatur über einen
breiten Bereich wie 15 bis 50°C variiert werden. Der Elektrolyt eignet sich auch für
übliche Abscheidungsvorrichtungen, beispielsweise Trommel- oder Gestellvorrichtungen.
[0023] Ein weiterer Vorteil dieser Pufferverbindungen ist, dass sie nur schwach an den meisten
Fremdmetallen wie Eisen binden. Eisen kann daher ohne Weiteres in Gegenwart dieser
Pufferverbindungen in Form von Eisen(III)hydroxid (Fe(OH)
3) gefällt und entfernt werden. Ferner erhöhen die Pufferverbindungen nicht die Anodenlöslichkeit
(in der Regel Zinkanoden), wenn der Elektrolyt nicht betrieben wird. Dies ist von
Vorteil, weil die Konzentrationen im nicht betriebenen Elektrolyt weitgehend konstant
bleiben.
(2) Die Zinksalze dienen natürlich zum Bereitstellen des abzuscheidenden Metalls Zink.
Weil die Zinksalze in dem Elektrolyt aufgelöst sind, kann oftmals nicht mehr bestimmt
werden, welches Gegenion im Zinksalz vorhanden war. Aus diesem Grund wird hierin die
wesentliche Zn2+-Konzentration im Elektrolyt angegeben. Im Grunde können alle wasserlöslichen Zinksalze
wie z.B. Zinksulfat, Zinkmethansulfonat, Zinkacetat und Zinkchlorid eingesetzt werden.
Es versteht sich von selbst, dass alle Arten der Salze, beispielsweise wasserfreie
Salze oder Salze mit Kristallwasser, verwendet werden können. Bevorzugt werden Zinkacetat
und/oder Zinkchlorid verwendet, weil die Anionen Acetat und Chlorid für die Pufferwirkung
bzw. die Verbesserung der Leitfähigkeit des Elektrolyten vorteilhaft sind und die
galvanische Zink-Abscheidung nicht nachteilig beeinträchtigen. Besonders bevorzugt
wird Zinkchlorid aufgrund der besseren Leitfähigkeit, seiner guten Löslichkeit und
aus Gründen der Wirtschaftlichkeit eingesetzt.
Wie oben bereits erwähnt, kann die Zink-Konzentration über einen breiten Bereich variiert
und der Elektrolyt so spezifisch den verschiedenen Bedürfnissen angepasst werden.
Die Konzentration von Zn2+ in dem Elektrolyt beträgt 15 bis 70 g/L. Die Konzentration von Zn2+ beträgt insbesondere 20 bis 60 g/L, bevorzugt 25 bis 50 g/L, weiter bevorzugt 30
bis 40 g/L und am meisten bevorzugt 35 g/L. Ist die Zink-Konzentration zu niedrig,
so nimmt die Abscheidegeschwindigkeit ab. Bei zu hohen Zink-Konzentrationen können
Löslichkeitsprobleme auftreten. Bei den erfindungsgemäßen Zink-Konzentrationen sind
sowohl die Abscheidegeschwindigkeit, die Stabilität des Zink-Elektrolyts als auch
die Qualität der Zink-Überzüge besonders gut.
(3) Neben Zink, das natürlich für die Bildung des Zink-Überzugs benötigt wird, enthält
der Elektrolyt auch ein oder mehrere Leitsalze. Leitsalze erhöhen die Leitfähigkeit
des Elektrolyts, was wichtig ist, um bei hohen Stromdichten und mit guter Abscheidungsgeschwindigkeit
mit Zink beschichten zu können. Als Leitsalze werden insbesondere Kaliumchlorid und/oder
Natriumchlorid eingesetzt. Bevorzugt ist Kaliumchlorid, weil es eine höhere Leitfähigkeit
als Natriumchlorid aufweist.
Im Elektrolyt liegt das Leitsalz natürlich gelöst vor, weswegen hierin die Konzentrationen
der jeweiligen Ionen angegeben werden. Die Konzentration von Cl- in dem Elektrolyt beträgt 100 bis 200 g/L. Die Konzentration von Cl- kann insbesondere 120 bis 190 g/L, bevorzugt 130 bis 180 g/L und weiter bevorzugt
160 g/L, betragen. Bei diesen Chlorid- bzw. den entsprechenden Leitsalzkonzentrationen
kann der Elektrolyt gut betrieben werden.
(4) Die Kationen K+ und/oder Na+ können aus verschiedenen Reagenzien in den Elektrolyt gelangen. Zum einen stammen
K+ und/oder Na+ aus dem vorstehend beschriebenen Leitsalz. Des Weiteren können diese Ionen auch als
Bestandteil von anderen Salzen in den Elektrolyt eingebracht werden. Beispielswiese
können Acetat, Glycin bzw. Alanin und andere schwache Säuren auch in Form des entsprechenden
Kaliumsalzes und/oder Natriumsalzes für die Bildung des Elektrolyts eingesetzt werden.
[0024] Kalium und Natrium sind aus gesundheitlicher und ökologischer Sicht natürlich unbedenklich
und stören nicht bei der Handhabung des Elektrolyts. Der Elektrolyt kann, muss aber
nicht, neben Zn
2+ sowie K
+ und/oder Na
+ weitere Kationen enthalten. Bevorzugt machen Zn
2+, K
+ und Na
+ mindestens 95 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 98 Gew.-%, am meisten bevorzugt
mindestens 99 Gew.-% oder 100 Gew.-% sämtlicher Kationen im Elektrolyt aus. Wegen
der oben beschriebenen Vorteile des Kaliumchlorids enthält der Elektrolyt bevorzugt
Zn
2+ und K
+. Zn
2+ und K
+ können dabei mindestens 90 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 95 Gew.-%, am meisten
bevorzugt mindestens 99 Gew.-% oder 100 Gew.-% sämtlicher Kationen im Elektrolyt ausmachen.
[0025] Die Konzentration von K
+ und/oder Na
+ insgesamt in dem Elektrolyt liegt im Bereich von 0,75 bis 6,0 mol/L. Wegen der unterschiedlichen
Masse von K
+ und Na
+ wird hierin die Molkonzentration angegeben. Bevorzugt enthält der Elektrolyt K
+ und optional Na
+, wobei die Konzentration von K
+ 0,75 bis 6,0 mol/L, insbesondere 2,7 bis 4,8 mol/L, bevorzugt 3,3 bis 4,1 mol/L,
beträgt. Bevorzugt ist die Konzentration an Na
+ 0,5 mol/L oder weniger und weiter bevorzugt 0,2 mol/L oder weniger, was 0 mol/L einschließt
(also 0 bis 0,5 mol/L bzw. 0 bis 0,2 mol/L).
(5) Wie oben bereits erwähnt, enthält der Elektrolyt Acetat als Puffersubstanz. Bei
dem im Elektrolyt vorherrschenden pH-Wert von 4,5 bis 6,5 liegt das Acetat (AcO-) natürlich im Gleichgewicht mit der konjugierten Säure (AcOH = Essigsäure) vor. AcO- und AcOH bilden ein konjugiertes Säure-Base-Paar, bzw. die deprotonierte und protonierte
Form des Acetats. Bei niedrigen pH-Werten ist der Anteil der konjugierten Säure (protonierte
Form) höher als bei höheren pH-Werten. Als Acetat-Reagenz, also als Quelle für das
Acetat im Elektrolyt, kann mindestens eines von Kaliumacetat, Natriumacetat und Essigsäure,
bevorzugt Kaliumacetat, verwendet werden.
[0026] Die Angabe der Konzentration des Acetats bezieht sich auf die Masse des Acetat-Ions
(AcO
-), also die Masse der deprotonierten Form, unabhängig davon, wie groß der Gleichgewichtsanteil
der konjugierten Säure (AcOH), also der protonierten Form, ist. Sie kann aus der zugegebenen
Menge des Acetat-Reagenzes berechnet werden. Im Elektrolyt beträgt die Konzentration
von Acetat 5,0 bis 45 g/L. Sie kann insbesondere 7,5 bis 30 g/L, bevorzugt 10 bis
20 g/L, am meisten bevorzugt 12 g/L, betragen.
[0027] Als Puffersubstanz dient das Acetat zum einen dafür, den pH-Wert des Elektrolyts
konstant zu halten. Des Weiteren hilft das Acetat, glänzende und temperfähige Zink-Überzüge
zu erzeugen. Insbesondere bei hohen Stromdichten stellte sich Acetat als wesentlich
für den Betrieb des Elektrolyts heraus. Ist die Acetat-Konzentration (was die konjugierte
Säure, wie oben beschrieben, mit einschließt) zu niedrig, so werden die gewünschten
Effekte nur unzureichend erhalten. Bei höheren Konzentrationen können Löslichkeitsprobleme
auftreten. Die Wirtschaftlichkeit des Elektrolyts und die Qualität der Zink-Überzüge
sind in den bevorzugten Bereichen am besten.
(6) Wie oben bereits ausgeführt, enthält der Elektrolyt neben Acetat auch Glycin und/oder
Alanin, welche ebenfalls als Puffersubstanzen dienen. Als Quelle für das Glycin können
Glycin und/oder ein wasserlösliches Salz davon eingesetzt werden. Als Quelle für das
Alanin können Alanin und/oder ein wasserlösliches Salz davon eingesetzt werden. Bevorzugt
wird mindestens eines von Glycin, Kaliumsalz von Glycin (Kaliumglycinat), Natriumsalz
von Glycin (Natriumglycinat), Alanin, Kaliumsalz von Alanin (Kaliumalaninat) und Natriumsalz
von Alanin (Natriumalaninat) eingesetzt. Besonders bevorzugt werden einfach Glycin
und/oder Alanin verwendet. Am meisten bevorzugt wird Glycin eingesetzt.
[0028] Glycin hat zwei pK
s-Werte, sodass in Abhängigkeit des pH-Werts von 4,5 bis 6,5, Glycin im Gleichgewicht
in mehreren Spezies in dem Elektrolyt vorliegen kann. Glycin kann grundsätzlich vollständig
protoniert (H
3N-CH
2-CO
2H
+, protonierte Form), nach außen hin neutral (H
2N-CH
2-CO
2H bzw. H
3N
+-CH
2-CO
2-) und vollständig deprotoniert (H
2N-CH
2-CO
2-, deprotonierte Form) im Elektrolyt vorliegen. Die Spezies bilden jeweils konjugierte
Säure-Base-Paare aus. Analoges gilt für Alanin, welches ebenso vollständig protoniert
(H
3N-CHCH
3-CO
2H
+, protonierte Form), nach außen hin neutral (H
2N-CHCH
3-CO
2H bzw. H
3N
+-CHCH
3-CO
2-) und vollständig deprotoniert (H
2N-CHCH
3-CO
2-, deprotonierte Form) im Elektrolyt vorliegen kann.
[0029] Die Angabe, dass Acetat, Glycin bzw. Alanin auch in protonierter und/oder deprotonierter
Form vorliegen können, bringt zum Ausdruck, dass Acetat, Glycin bzw. Alanin in allen
bei den pH-Werten von 4,5 bis 6,5 auftretenden protonierten, deprotonierten oder nach
außen hin neutralen Spezies auftreten können. Die Spezies bilden sich im Elektrolyt
bei dem entsprechenden pH-Wert von alleine im Gleichgewicht aus, wie es für schwache
Säuren typisch und dem Fachmann bekannt ist.
[0030] Die Konzentration des Glycins bzw. des Alanins wird unabhängig davon, welche der
Spezies im Gleichgewicht gebildet wird bzw. im Gleichgewicht vorliegt, in Bezug auf
die Masse von Glycin (H
2N-CH
2-CO
2H) bzw. Alanin (H
2N-CHCH
3-CO
2H) als solches berechnet. In dem Elektrolyt beträgt die Konzentration von Glycin und/oder
Alanin insgesamt 0,5 bis 30 g/L. Die Konzentration von Glycin und/oder Alanin kann
insbesondere 0,5 bis 20 g/L, bevorzugt 1,0 bis 10 g/L, weiter bevorzugt 1,5 bis 5
g/L und am meisten bevorzugt 2,5 g/L, betragen. Enthält der Elektrolyt zu wenig Glycin
bzw. Alanin, so werden die gewünschten Effekte nur unzureichend erhalten. Bei zu großen
Mengen können Löslichkeitsprobleme auftreten.
[0031] Bevorzugt enthält der Elektrolyt Glycin und optional Alanin. Bei dieser Ausführungsform
enthält der Elektrolyt bevorzugt Glycin in einer Konzentration von 0,5 bis 20 g/L,
weiter bevorzugt 1,0 bis 10 g/L, noch weiter bevorzugt 1,5 bis 5 g/L und am meisten
bevorzugt 2,5 g/L, und Alanin in einer Konzentration von weniger als 1,5 g/L und weiter
bevorzugt 0,5 g/L oder weniger, was 0 g/L einschließt (also 0 bis 1,5 g/L bzw. 0 bis
0,5 g/L).
[0032] Wie oben bereits ausgeführt, beträgt der pH-Wert des Elektrolyts 4,5 bis 6,5. Er
kann bevorzugt 4,5 bis 6,0 und weiter bevorzugt 4,8 bis 5,3 betragen. Bei diesen pH-Werten
werden gute Abscheidegeschwindigkeiten und niedrige Anodenlöslichkeiten beobachtet.
Der pH-Wert des Elektrolyts kann sich allein aus der Zusammensetzung der Komponenten
ergeben. Es ist auch möglich, den pH-Wert einzustellen, wie es unten beschrieben ist.
[0033] Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält der Elektrolyt noch eine oder mehrere
weitere Puffersubstanzen. Die weitere Puffersubstanz ist insbesondere mindestens eine
Puffersubstanz, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Bernsteinsäure, Adipinsäure,
Äpfelsäure, 2-(N-Morpholino)ethansulfonsäure, Tris(hydroxymethyl)aminomethan, Triethanolamin,
Taurin, β-Alanin, Glutaminsäure, Glycylglycin, Threonin, Bicin, Tricin, Ascorbinsäure,
Zitronensäure und Salzen davon besteht. Die Salze sind insbesondere Kalium- und/oder
Natriumsalze.
[0034] Die weitere Puffersubstanz ist also optional und kann in einer Konzentration von
0,1 bis 40 g/L eingesetzt werden.
(7) Es versteht sich von selbst, dass die verschiedenen Ausführungsformen der in dem
Elektrolyt vorliegenden Komponenten miteinander beliebig kombiniert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Variante enthält der Elektrolyt:
- (a) Zn2+ in einer Konzentration von 20 bis 60 g/L;
- (b) Cl- in einer Konzentration von 120 bis 190 g/L;
- (c) K+ in einer Konzentration von 2,7 bis 4,8 mol/L und 0 bis 0,5 mol/L Na+;
- (d) Acetat in einer Konzentration von 7,5 bis 30 g/L; und
- (e) Glycin und/oder Alanin insgesamt in einer Konzentration von 0,5 bis 20 g/L.
[0035] Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dieser Variante enthält der Elektrolyt:
- (a) Zn2+ in einer Konzentration von 20 bis 60 g/L;
- (b) Cl- in einer Konzentration von 120 bis 190 g/L;
- (c) K+ in einer Konzentration von 2,7 bis 4,8 mol/L und 0 bis 0,5 mol/L Na+;
- (d) Acetat in einer Konzentration von 10 bis 20 g/L; und
- (e) Glycin und/oder Alanin in einer Konzentration von 1,0 bis 10 g/L.
[0036] Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung dieser Variante enthält der Elektrolyt:
- (a) Zn2+ in einer Konzentration von 20 bis 60 g/L;
- (b) Cl- in einer Konzentration von 120 bis 190 g/L;
- (c) K+ in einer Konzentration von 2,7 bis 4,8 mol/L und 0 bis 0,2 mol/L Na+;
- (d) Acetat in einer Konzentration von 10 bis 20 g/L; und
- (e) Glycin in einer Konzentration von 1,5 bis 5 g/L und 0 bis 0,5 g/L Alanin.
(8) Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält der Elektrolyt zusätzlich (g) Nicotinsäure
und/oder (h) ethoxyliertes Thiodiglycol. Besonders bevorzugt enthält der Elektrolyt
Nicotinsäure und ethoxyliertes Thiodiglycol.
[0037] Als Quelle der Nicotinsäure können Nicotinsäure als solches oder wasserlösliche Salze
davon, insbesondere das Kalium- und/oder Natriumsalz davon, eingesetzt werden. Bevorzugt
wird einfach Nicotinsäure verwendet.
[0038] Weil Nicotinsäure eine schwache Säure ist, kann es bei dem pH-Wert von 4,5 bis 6,5
in dem Elektrolyt im Gleichgewicht aus protonierter und deprotonierter Form, also
als konjugiertes Säure-Base-Paar, vorliegen. Nicotinsäure kann also analog zum Acetat
und Glycin bzw. Alanin in Form der konjugierten Base und/oder der konjugierten Säure
vorliegen.
[0039] Berechnet wird die Konzentration in Bezug auf die Masse der Nicotinsäure (C
6H
5NO
2) als solche. Die Konzentration der Nicotinsäure in dem Elektrolyt beträgt insbesondere
0,01 bis 2,0 g/L, bevorzugt 0,05 bis 1,0 g/L, weiter bevorzugt 0,08 bis 0,5 g/L, am
meisten bevorzugt 0,1 g/L.
[0040] Völlig überraschend wurde gefunden, dass durch den Zusatz von kleinen Mengen an Nicotinsäure
die Qualität der Zink-Überzüge auch bei hohen Stromdichten wie 6 bis 8 A/dm
2 noch einmal signifikant verbessert wird. Neben dem optischen Eindruck (Glanz) der
abgeschiedenen Zink-Überzüge wird insbesondere auch deren Temperfähigkeit weiter verbessert.
Es können selbst bei hohen Stromdichten temperfähige Zink-Überzüge hergestellt werden,
die nach dem Tempern wenig oder gar keine Defekte wie Blasen aufweisen und einen sehr
vorteilhaften optischen Eindruck, also einen homogenen Glanz ohne Trübungen oder Schleier,
besitzen. Ist die Konzentration an Nicotinsäure zu hoch, so kann die Bildung von Schleiern
oder Trübungen im Zink-Überzug wieder zunehmen.
(9) Ethoxyliertes Thiodiglycol ist eine oligomere oder polymere Verbindung, die aus
der Additionsreaktion von Thiodiglycol (HO-CH2-CH2-S-CH2-CH2-OH) mit Ethylenoxid (Oxiran, C2H4O) erhalten wird. Ein geeignetes ethoxyliertes Thiodiglycol weist durchschnittlich
mindestens 20 Struktureinheiten, die von Ethylenoxid stammen, auf. Bevorzugt weist
es durchschnittlich 20 bis 100 Struktureinheiten, die von Ethylenoxid stammen, auf.
Bei weniger Struktureinheiten, die von Ethylenoxid stammen, konnten die vorteilhaften
Effekte nicht in demselben Maße beobachtet werden.
[0041] Ethoxyliertes Thiodiglycol kann in Form einer wässrigen Lösung dem Elektrolyt zugefügt
werden. Im Handel ist ethoxyliertes Thiodiglycol beispielsweise als 70%-ige wässrige
Lösung erhältlich, wie CHE ED 7127 70% (Fa. Erbslöh) oder Aduxol TDG-027 70% (Fa.
Schärer & Schläpfer).
[0042] Die Konzentration des ethoxylierten Thiodiglycols mit durchschnittlich mindestens
20 Struktureinheiten, die von Ethylenoxid stammen, in dem Elektrolyt kann 0,3 bis
10 g/L, bevorzugt 0,5 bis 5 g/L, weiter bevorzugt 1,0 bis 3,5 g/L und am meisten bevorzugt
2,1 g/L, betragen.
[0043] Völlig überraschend wurde auch für das oben beschriebene ethoxylierte Thiodiglycol
gefunden, dass die Qualität der Zink-Überzüge auch bei hohen Stromdichten wie 6 bis
8 A/dm
2 noch einmal signifikant verbessert wird. Neben dem optischen Eindruck (Glanz) der
abgeschiedenen Zink-Überzüge wird insbesondere auch deren Temperfähigkeit weiter verbessert.
Es können selbst bei hohen Stromdichten temperfähige Zink-Überzüge hergestellt werden,
die nach dem Tempern wenig oder gar keine Defekte wie Blasen aufweisen und einen vorteilhaften
optischen Eindruck besitzen. Bei zu hohen Konzentrationen verschlechtert sich der
optische Eindruck der Zink-überzüge wieder.
(10) Gemäß einer weiteren Variante des Elektrolyts enthält dieser
(g) Nicotinsäure in einer Konzentration von 0,05 bis 1,0 g/L, und/oder
(h) ethoxyliertes Thiodiglycol mit durchschnittlich mindestens 20 Struktureinheiten,
die von Ethylenoxid stammen, in einer Konzentration von 0,5 bis 5 g/L.
[0044] Die vorteilhaften Effekte von Nicotinsäure und ethoxyliertem Thiodiglycol sind, wie
oben ausgeführt, recht ähnlich, obwohl die Substanzen recht unterschiedlich aufgebaut
sind. Weiterhin überraschend wurde gefunden, dass durch den Einsatz von einer Kombination
aus Nicotinsäure und ethoxyliertem Thiodiglycol die vorteilhaften Eigenschaften der
Zink-Überzüge noch einmal verbessert werden können. Bevorzugt enthält der Elektrolyt
daher Nicotinsäure und ethoxyliertes Thiodiglycol, insbesondere in den oben angegebenen
Konzentrationen.
[0045] Neben den oben beschriebenen Komponenten kann der Elektrolyt auch ein oder mehr übliche
Additive für Zink-Elektrolyte in geeigneten Mengen enthalten, wie es dem Fachmann
an sich bereits bekannt ist. Der Elektrolyt kann beispielsweise mindestens ein Additiv
aus der Gruppe, bestehend aus Netzmitteln (z.B. alkoxyliertes β-Naphthol), Grundglänzern
(z.B. Natriumbenzoat), Lösungsvermittler bzw. Hydrotrope (z.B. Natiumcumolsulfonat)
und Glanzbildnern (z.B. Benzalaceton und/oder o-Chlorbenzaldehyd), enthalten. Netzmittel
dienen der Senkung der Oberflächenspannung des Elektrolyts und gewährleisten eine
gute Benetzung der zu beschichtenden Oberfläche. Lösungsvermittler bzw. Hydrotrope
gewährleisten eine ausreichend gute Löslichkeit für organische Substanzen. Grundglänzer
und Glanzbildner dienen in Kombination der weiteren Steuerung von Glanzgrad und Brillanz
des Zink-Überzugs.
[0046] Geeignete Additive sind im Handel erhältlich. So können beispielsweise bei der Fa.
Schlötter SLOTANIT BSF 1668 (ein Zusatz für Zink-Elektrolyte, welcher Netzmittel und
Grundglänzer enthält) und SLOTANIT BSF 1662 (ein Zusatz für Zink-Elektrolyte, welcher
Lösungsvermittler und Glanzbildner enthält) bezogen werden. Diese Additive können
in üblichen Mengen gemäß den entsprechenden Gebrauchs- und Arbeitsanleitungen der
Hersteller verwendet werden.
(11) Als weiterer Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Elektrolyts
gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt. Das Verfahren
umfasst die Schritte:
- A) das Erzeugen einer wässrigen Lösung von
(a') Zinkchlorid und/oder Zinkacetat;
(b') Kaliumchlorid und/oder Natriumchlorid;
(c') mindestens einem von Kaliumacetat, Natriumacetat und Essigsäure;
(d') mindestens einem aus der Gruppe, die aus Glycin, einem Salz davon, Alanin und
einem Salz davon besteht; und
(e') optional Nicotinsäure oder einem Salz davon; und
(f') optional ethoxyliertem Thiodiglycol mit durchschnittlich mindestens 20 Struktureinheiten,
die von Ethylenoxid stammen; und
- B) optional das Einstellen des pH-Werts auf 4,5 bis 6,5 durch Zugabe von Salzsäure
oder durch Zugabe von Kaliumhydroxid und/oder Natriumhydroxid, die als Feststoff oder
in Form einer wässrigen Lösung zugegeben werden können.
[0047] Im Schritt A) wird also eine wässrige Lösung der Komponenten erzeugt. Die Komponenten
können in der angegebenen oder einer anderen beliebigen Reihenfolge zugegeben werden.
Weitere Puffersubstanzen und Additive, wie sie oben beschrieben sind, können ebenfalls
in der wässrigen Lösung enthalten sein. Es können insbesondere (g') übliche Netzmittel,
Grundglänzer, Lösungsvermittler und Glanzbildner der wässrigen Lösung zugesetzt werden,
beispielsweise die Zusätze SLOTANIT BSF 1668 und SLOTANIT BSF 1662 der Fa. Schlötter.
Hinsichtlich der Komponenten und den jeweiligen Ausführungsformen des Elektrolyts
wird auf die obigen Ausführungen verwiesen.
[0048] Um den Schritt A), insbesondere (a') bis (c'), zu beschleunigen, kann die Mischung
durchmischt, insbesondere gerührt, werden. Weiterhin kann zur Beschleunigung auch
erwärmt werden, beispielsweise auf 60°C. Nach Bildung der wässrigen Lösung kann dann
wieder auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt werden.
[0049] Der pH-Wert des Elektrolyts von 4,5 bis 6,5 kann sich allein aus der Zusammensetzung
der Komponenten ergeben. Es ist auch möglich, in einem optionalen Schritt B) den pH-Wert
einzustellen. Dies kann durch Zugabe von Salzsäure geschehen, um den pH-Wert abzusenken.
Die Salzsäure kann beispielsweise verdünnt (1 N) oder stärker konzentriert sein. Es
kann auch konzentrierte Salzsäure (ca. 12 N) eingesetzt werden. 5 oder 6 N (halbkonzentrierte)
Salzsäure ist besonders geeignet, weil sie recht sicher gehandhabt werden kann und
zu keiner wesentlichen Verdünnung des Elektrolyts führt.
[0050] Durch Zugabe von Kaliumhydroxid und/oder Natriumhydroxid kann der pH-Wert abgesenkt
werden. Diese Basen können als Feststoff oder in Form einer wässrigen Lösung zugegeben
werden. Es kann beispielsweise 50%-ige Kalilauge (KOH) eingesetzt werden.
[0051] Salzsäure, Kaliumhydroxid und Natriumhydroxid sind besonders geeignet, weil sie keine
zusätzlichen Ionen in den Elektrolyt einbringen.
(12) Als weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils
mit Zink-Überzug bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das galvanische Abscheiden
von Zink auf einem metallischen Bauteil aus einem Elektrolyt gemäß einer der oben
beschriebenen Ausführungsformen.
(13) Als Bauteil kann im Grunde jedes metallische Substrat eingesetzt werden, das
für die galvanische Abscheidung von Zink geeignet ist. Bevorzugt umfasst das Bauteil
Eisen oder eine Eisenlegierung oder es besteht ganz daraus. Es können beispielsweise
Zubehörteile für die Automobilindustrie mit Zink-Überzügen versehen werden. Das Verfahren
lässt sich beispielsweise auch sehr gut zur galvanischen Abscheidung von Zink-Überzügen
auf Bauteilen aus Gussmaterialen wie Schmiedeguss oder Grauguss einsetzen.
[0052] In der Regel wird das Bauteil vor dem galvanischen Abscheiden vorbehandelt, um es
zu reinigen, insbesondere um es zu entfetten. Geeignete Maßnahmen sind dem Fachmann
bekannt und geeignete Reagenzien sind im Handel erhältlich. Beispielsweise kann das
Bauteil, z.B. ein Stahlblech, zunächst 1) in einer heißen Reinigungslösung entfettet,
2) im Sauren (z.B. halbkonzentrierte Salzsäure) gebeizt, 3) elektrolytisch entfettet
und dann 4) mit verdünnter Salzsäure dekapiert werden. Nach den Schritten 1) bis 4)
wird jeweils mit Wasser gespült.
(14) Für das galvanische Abscheiden können übliche Bedingungen verwendet werden. Wie
oben ausgeführt, ist es mit dem erfindungsgemäßen Elektrolyten möglich, die Temperatur
über einen weiten Bereich zu variieren. Die Temperatur zum galvanischen Abscheiden
kann insbesondere 20 bis 50°C, bevorzugt 25 bis 40°C, betragen.
[0053] Des Weiteren können praktikable Stromdichten, beispielsweise 0,2 bis 10 A/dm
2, insbesondere 0,5 bis 8,0 A/dm
2, bevorzugt 1,0 bis 8,0 A/dm
2 oder 0,5 bis 6 A/dm
2, weiter bevorzugt 2,0 bis 6 A/dm
2, angelegt werden. Hierdurch kann das Verfahren mit guter Wirtschaftlichkeit betrieben
werden.
[0054] Falls gewünscht oder erforderlich kann der pH-Wert während des Verfahrens eingestellt
werden. Es kann analog zum oben beschriebenen Schritt B) vorgegangen werden. Eisen
kann gegebenenfalls als Eisen(III)hydroxid gefällt und entfernt werden.
[0055] Für das Verfahren eignen sich alle gängigen Vorrichtungen, beispielsweise Trommel-
oder Gestellvorrichtungen. Es können mehrere Kathoden bzw. Anoden verwendet werden.
Üblicherweise wird der Elektrolyt beim galvanischen Abscheiden durchmischt. Hierfür
können beispielsweise eines oder mehrere von Rührvorrichtungen, Umwälzpumpen (auch
in Kombination mit Venturidüsen) oder Lufteinblasungen eingesetzt werden.
[0056] Zum galvanischen Abscheiden von Zink wird das metallische Bauteil als Kathode geschaltet
und an dessen Oberfläche zweiwertige Zink-Ionen zu metallischem Zink reduziert, wodurch
der Zink-Überzug gebildet wird. Als Anode wird üblicherweise Zink eingesetzt.
(15) Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Bauteil mit Zink-Überzug
nach dem galvanischen Abscheiden einer Passivierungsbehandlung unterzogen. Hierfür
wird das Bauteil mit Zink-Überzug mit einem geeigneten Passivierungsmittel behandelt,
wie es dem Fachmann an sich bekannt ist. Hierfür können die beschichteten Bauteile
beispielsweise mit einer Dünnschicht- oder Dickschichtpassivierung behandelt werden.
Derartige Passivierungen enthalten typischerweise Chrom(III)- und Cobalt-Ionen als
Korrosionsinhibitoren, sowie weitere schichtbildende Substanzen (z.B. Fluoride, Sulfate,
Nitrate). Eine kommerziell erhältliche Passivierungslösung für Zink-Überzüge ist beispielsweise
die Dünnschichtpassivierung SLOTOPAS Z 20 Blau bzw. das Passivierkonzentrat SLOTOPAS
Z 21 Blau, die bei der Fa. Schlötter erhältlich sind. Es kann gemäß den entsprechenden
Gebrauchsanleitungen des Herstellers vorgegangen werden.
[0057] Die Passivierungsbehandlung erfolgt nach dem galvanischen Abscheiden. Üblicherweise
werden die Bauteile mit Zink-Überzug zunächst mit Wasser gespült. Falls eine Temperung
der Bauteile mit Zink-Überzug durchgeführt wird, so kann die Passivierungsbehandlung
grundsätzlich vor oder nach dem Tempern erfolgen.
(16) Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Bauteil mit Zink-Überzug
nach dem galvanischen Abscheiden getempert. Durch das Tempern wird der beim galvanotechnischen
Beschichtungsprozess aufgenommene Wasserstoff ausgetrieben, um der Gefahr einer nachträglichen
Versprödung des Bauteils durch den Wasserstoff entgegen zu wirken. Besonders bei hochfesten
Stahlbauteilen ist werkstoffbedingt eine erhöhte Gefahr eines wasserstoffinduzierten
Sprödbruchs vorhanden.
[0058] Zum Tempern wird üblicherweise auf eine Temperatur von 180 bis 230°C, bevorzugt 200
bis 230°C, erhitzt. Üblicherweise wird über einen längeren Zeitraum, beispielsweise
2 bis 24 h, getempert.
[0059] Vor dem Tempern wird das Bauteil üblicherweise mit Wasser gespült und getrocknet.
[0060] Die Temperung ist grundsätzlich optional und kann, unabhängig davon, ob eine Passivierungsbehandlung
durchgeführt wird, erfolgen. Wird eine Passivierungsbehandlung durchgeführt, so kann
diese sowohl vor als auch nach der Temperung erfolgen.
[0061] Zur Verdeutlichung der Erfindung wird auf die Figuren und die nachfolgenden Beispiele
verwiesen.
Kurzbeschreibung der Figuren
[0062]
Fig. 1 zeigt einen schematischen Versuchsaufbau für die galvanische Abscheidung von
Zink auf einem gewinkelten Stahlblech.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Versuchsaufbau für die galvanische Abscheidung von
Zink auf einem geraden Stahlblech.
Beispiele
Herstellung der Elektrolyte E1 bis E6
Vorgehensweise:
[0063] Der Ansatz der Elektrolyte erfolgte bei Raumtemperatur, indem entionisiertes Wasser
mit den anderen Komponenten versetzt und gerührt wurde. Die Auflösung der Feststoffe
wurde durch Erwärmen auf 60°C beschleunigt. Nach dem Bilden der Lösung wurde auf 25°C
abgekühlt.
[0064] Falls erforderlich wurde der pH-Wert auf 5,2 durch Zugabe von 5 N-Salzsäure oder
50%-iger Kalilauge (756 g/L KOH) eingestellt.
Verwendete Reagenzien:
[0065] Kaliumchlorid wurde in technischer Qualität verwendet.
[0066] Als Zinkchlorid wurde Zinkchlorid HP der Fa. Schlötter verwendet.
[0067] Es wurden die Zusätze SLOTANIT BSF 1668 (Grundzusatz-Additiv) und SLOTANIT BSF 1662
(Glanzbildner-Additiv), allesamt erhältlich bei der Fa. Schlötter, eingesetzt.
[0068] Kaliumacetat wurde in "reinst" Qualität verwendet.
[0069] Glycin wurde in "reinst" Qualität verwendet.
[0070] Nicotinsäure wurde in technischer Qualität verwendet.
[0071] Als ethoxyliertes Thiodiglycol wurde eine 70%-ige Lösung, nämlich CHE ED 7127 70%,
erhältlich bei Fa. Erbslöh, bzw. Aduxol TDG-027 70%, erhältlich bei Fa. Schärer &
Schläpfer, eingesetzt.
Komponenten für Elektrolyt E1 (Grundelektrolyt):
73 g/L |
ZnCl2 (entspricht 35 g/L Zn2+ und 38 g/L Cl-) |
260 g/L |
KCl (entspricht 136 g/L K+ und 124 g/L Cl-) |
35,0 ml/L |
SLOTANIT BSF 1668 |
0,3 ml/L |
SLOTANIT BSF 1662 |
Komponenten für Elektrolyt E2:
73 g/L |
ZnCl2 |
260 g/L |
KCl |
35,0 ml/L |
SLOTANIT BSF 1668 |
0,3 ml/L |
SLOTANIT BSF 1662 |
20 g/L |
Kaliumacetat (entspricht 8 g/L K+ und 12 g/L AcO-) |
Komponenten für Elektrolyt E3:
73 g/L |
ZnCl2 |
260 g/L |
KCl |
35,0 ml/L |
SLOTANIT BSF 1668 |
0,3 ml/L |
SLOTANIT BSF 1662 |
20 g/L |
Kaliumacetat |
2,5 g/L |
Glycin |
Komponenten für Elektrolyt E4:
73 g/L |
ZnCl2 |
260 g/L |
KCl |
35,0 ml/L |
SLOTANIT BSF 1668 |
0,3 ml/L |
SLOTANIT BSF 1662 |
20 g/L |
Kaliumacetat |
2,5 g/L |
Glycin |
2,11 g/L |
CHE ED 7127 70% bzw. Aduxol TDG-027 70% |
Komponenten für Elektrolyt E5:
73 g/L |
ZnCl2 |
260 g/L |
KCl |
35,0 ml/L |
SLOTANIT BSF 1668 |
0,3 ml/L |
SLOTANIT BSF 1662 |
20 g/L |
Kaliumacetat |
2,5 g/L |
Glycin |
0,113 g/L |
Nicotinsäure |
Komponenten für Elektrolyt E6:
73 g/L |
ZnCl2 |
260 g/L |
KCl |
35,0 ml/L |
SLOTANIT BSF 1668 |
0,3 ml/L |
SLOTANIT BSF 1662 |
20 g/L |
Kaliumacetat |
2,5 g/L |
Glycin |
2,11 g/L |
CHE ED 7127 70% bzw. Aduxol TDG-027 70% |
0,113 g/L |
Nicotinsäure |
Vorbehandlung der Stahlbleche
[0072]
- 1) Abkochentfettung mit SLOTOCLEAN 160 (Fa. Schlötter) für 15 min bei 65°C und anschließendes
Spülen mit Wasser.
- 2) Salzsäurebeize mit 19%-iger Salzsäure und 40 mL/L Beizentfetter SLOTOCLEAN BEF
30 (Fa. Schlötter) für 7 min bei 25°C und anschließendes Spülen mit Wasser.
- 3) Elektrolytisches Entfetten mittels anodischer Entfettung mit SLOTOCLEAN DCG (Fa.
Schlötter) bei einer kathodischen Stromdichte von 3 bis 6 A/dm2 für 2 min bei 25°C und anschließendes Spülen mit Wasser.
- 4) Dekapieren mit verdünnter Salzsäure (1:10 Verdünnung von konzentrierter Salzsäure)
für 1 min bei 25°C und anschließendes Spülen mit Wasser.
Galvanisches Abscheiden
[0073] Abscheideparameter im galvanischen Zinkelektrolyt:
Elektrolytvolumen: 3,0 L.
pH-Wert des Elektrolyts: 5,2.
Elektrolyttemperatur: 25°C.
Eingestellte Rührgeschwindigkeit am Magnetrührer: 300 U/min.
Allgemeine Vorgehensweise:
[0074] Der Versuchsaufbau für die galvanische Abscheidung mit einem Winkelblech aus Stahl
ist in Fig. 1 illustriert. Der Versuchsaufbau für die galvanische Abscheidung mit
einem geraden Blech aus Stahl ist in Fig. 2 illustriert.
[0075] Der Elektrolyt (1) liegt in einem Becherglas (10) vor und wurde mittels Magnetrührer
(15) und eines magnetischen Rührstäbchens (Länge: 40 mm, Durchmesser: 8 mm) (16) dauerhaft
in Bewegung gehalten. Als Becherglas wurde ein Schott Duran-Becherglas (3,0 L, niedrige
Form) verwendet. Die Temperatur wurde über ein Kontaktthermometer (17), das mit dem
Heizungsrelais des Magnetrührers verbunden ist, gesteuert und konstant gehalten. Es
wurde in den Beispielen ein Magnetrührer mit beheizbarer Platte des Typs IKA RET basic
von der FA. IKA verwendet. Als Stromquelle diente ein Konstanter (Gleichrichter) (20)
der Fa. Gossen Metrawatt vom Typ SLP 240-40. Beispielhaft sind eine Stromstärke von
3,0 A und eine Spannung von 2,5 V illustriert.
[0076] Es wurden jeweils zwei Anoden (2, 2') zum galvanischen Abscheiden verwendet. Als
Anodenmaterial wurden Feinzink-Anoden (99,99% Zn) nach DIN EN 1179 verwendet (Länge:
10 cm, Breite: 5 cm, Dicke: 1 cm). Die Anoden wurden 9 cm tief in den Elektrolyt eigetaucht.
[0077] Vor dem Einbringen der Kathodenbleche wurden diese der oben beschriebenen Vorbehandlung
für Stahlbleche unterzogen.
[0078] Das Kathodenblech (3) wurde mittig zu den beiden Anoden in dem Becherglas angeordnet.
Der Abstand zu den Anoden liegt jeweils zur Vorder- und Rückseite des Kathodenbleches
bei 6 cm. Das Kathodenblech wird so tief in den Elektrolyt eingetaucht, dass die eingetauchte
Gesamtfläche (Vorder- und Rückseite) einen Quadratdezimeter ergibt.
[0079] Falls erforderlich wurde der pH-Wert auf 5,2 durch Zugabe von 5 N-Salzsäure oder
50%-iger Kalilauge (756 g/L KOH) vor Beginn der Abscheidung eingestellt.
[0080] Es wurde jeweils bei der in den Beispielen angegebenen Stromdichte aus dem jeweiligen
Elektrolyt galvanisch abgeschieden.
Passivierung:
[0081] Die beschichteten Bleche wurden nach der galvanischen Abscheidung von Zink umgehend
mit Wasser gespült und anschließend in einer verdünnten Salzsäure (15 mL 25%-ige HCl
auf 1 L Wasser) aufgehellt. Nach einem erneuten Spülvorgang mit Wasser wurde in einer
Dünnschichtpassivierung SLOTOPAS Z 20 blau (angesetzt mit dem Passivierungskonzentrat
SLOTOPAS Z 21 BLAU der Fa. Schlötter, 35 mL/L) bei 25°C, pH-Wert = 1,9 und 60 s Tauchzeit
passiviert. Die beschichteten Bleche wurden anschließend mit Wasser gespült und bei
80°C für 15 Minuten in einem Umluftofen getrocknet. Vor der Beurteilung bzw. der weiteren
Behandlung der Bleche wurde auf Raumtemperatur abgekühlt.
Versuch A): Anbrennungen beim Winkelblech
Beispiele 1 bis 4, Vergleichsbeispiele 1 und 2:
[0082] Es wurden Winkelbleche mit der Geometrie des Typs 2 gemäß DIN 50957-2 eingesetzt.
Das Material der Winkelbleche war Kaltbandstahl gemäß DIN EN 10139/10140 (Qualität
DC03 LC MA RL). Die Winkelbleche wurden gemäß der oben beschriebenen Vorgehensweise
vorbehandelt und dann beschichtet. Es wurden für die Vergleichsbeispiele 1 und 2 (VB1
und VB2) sowie für die Beispiele 1 bis 4 die Elektrolyte E1 bis E6 wie in Tabelle
1 angegeben eingesetzt. Die Stromdichte wurde variiert und betrug 0,25, 1,0, 2,0,
4,0, 6,0 bzw. 8,0 A/dm
2.
[0083] Die abgeschiedenen Schichtdicken lagen bei 10 µm. Die Bleche wurden dann, wie oben
beschrieben, passiviert.
[0084] Bewertet wurden die Optik des abgeschiedenen Zink-Überzugs im Kantenbereich der Winkelbleche
und die Anzahl der Anbrennungen (missfarbene, dunkle, amorphe oder grobkristalline,
meist pulvrige Bereiche in der Beschichtung), die durch erhöhte lokale Stromdichten
entstehen können, durch in Augenscheinnahme beurteilt.
[0085] Es bedeuten:
Δ keine Anbrennungen
○ leichte Anbrennungen
● mäßige Anbrennungen
▲ starke Anbrennungen
[0086] Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1 - Anbrennungen beim Winkelblech
Beispiel/ Elektrolyt |
Stromdichte in A/dm2 |
0,25 |
1,0 |
2,0 |
4,0 |
6,0 |
8,0 |
VB1 |
E1 |
Δ |
Δ |
Δ |
○ |
● |
▲ |
VB2 |
E2 |
Δ |
Δ |
Δ |
○ |
○ |
● |
1 |
E3 |
Δ |
Δ |
Δ |
○ |
○ |
○ |
2 |
E4 |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
○ |
3 |
E5 |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
○ |
4 |
E6 |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
[0087] Bei niedrigen und mittleren Stromdichten bis 2 A/dm
2 konnte aus allen Elektrolyten E1 bis E6 eine brauchbare Zink-Schicht abgeschieden
werden. Bei hohen Stromdichten von 4 bzw. 8 A/dm
2 zeigten sich dann erhebliche Unterschiede bei den einzelnen Elektrolyten.
[0088] Im Vergleichsbeispiel 1 (VB1) ergab der borsäure- und ammoniumfreie Elektrolyt E1
ohne die Puffersubstanzen Acetat und Glycin untaugliche Zink-Überzüge, die an den
Kantenbereichen massive Anbrennungen aufwiesen. Durch den Zusatz von Acetat konnten
dann im Vergleichsbeispiel 2 (VB2) mit Elektrolyt E2 erste Verbesserungen erzielt
werden, doch bei 8 A/dm
2 wurden noch immer zu viele Anbrennungen beobachtet.
[0089] Im Gegensatz hierzu wurden im Beispiel 1 mit dem Elektrolyt E3 auch bei hohen Stromdichten
qualitativ gute Zink-Überzüge erhalten, die selbst bei 8 A/dm
2 nur leichte Anbrennungen zeigten. Mithin stellt der erfindungsgemäße Elektrolyt E3
einen veritablen borsäure- und ammoniumfreien Ersatz für herkömmliche Borsäure-haltige
Elektrolyte dar.
[0090] In den Beispielen 2 bis 4 konnten dann mit den Additiven ethoxyliertes Thiodiglycol
bzw. Nicotinsäure noch einmal eine deutliche Verbesserung erzielt werden.
Versuch B): Temperfähigkeit
Beispiele 5 bis 8, Vergleichsbeispiele 3 und 4:
[0091] Es wurden gerade Stahlbleche mit den Abmaßen 0,3 mm Dicke, 50 mm Breite und 130 mm
Länge verwendet. Das Material der geraden Stahlbleche war Kaltbandstahl gemäß DIN
EN 10139/10140 (Qualität DC03 LC MA RL). Die Stahlbleche wurden gemäß der oben beschriebenen
Vorgehensweise vorbehandelt und dann beschichtet. Es wurden für die Vergleichsbeispiele
3 und 4 (VB3 und VB4) sowie für die Beispiele 5 bis 8 die Elektrolyte E1 bis E6 eingesetzt
(siehe Tabelle 2 und Tabelle 3). Die Stromdichte wurde variiert und betrug 0,25, 1,0,
2,0, 4,0, 6,0 bzw. 8,0 A/dm
2. Die abgeschiedenen Schichtdicken lagen bei 10 µm.
[0092] Nach der galvanischen Zink-Abscheidung wurden die Bleche dann, wie oben beschrieben,
passiviert, 48 h bei Raumtemperatur gelagert und anschließend bei 210°C für 24 h getempert.
[0093] Im Anschluss wurde bei Raumtemperatur die durch das Tempern verursachte Blasenbildung
beurteilt.
[0094] Es bedeuten:
Δ keine Blasenbildung
○ leichte Blasenbildung
● mäßige Blasenbildung
▲ starke Blasenbildung
[0095] Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Tabelle 2 - Blasenbildung nach Tempern
Beispiel/ Elektrolyt |
Stromdichte in A/dm2 |
0,25 |
1,0 |
2,0 |
4,0 |
6,0 |
8,0 |
VB3 |
E1 |
Δ |
Δ |
Δ |
○ |
▲ |
▲ |
VB4 |
E2 |
Δ |
Δ |
Δ |
○ |
▲ |
▲ |
5 |
E3 |
Δ |
Δ |
Δ |
● |
▲ |
▲ |
6 |
E4 |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
○ |
▲ |
7 |
E5 |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
○ |
○ |
8 |
E6 |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
[0096] In Beispiel 5 konnten mit dem Elektrolyt E3, der Kaliumacetat und Glycin enthält,
bei gebräuchlichen Stromdichten zwischen 0,25 und 2 A/dm
2 sehr gut temperfähige Zink-Überzüge hergestellt werden, bei denen keinerlei Blasenbildung
beobachtet wurde.
[0097] Eine weitere Verbesserung der Temperfähigkeit der bei höheren Stromdichten abgeschiedenen
Zink-Überzüge wurde für die Elektrolyte E4 und E5 in den Beispielen 6 und 7 gefunden,
die ethoxyliertes Thiodiglycol (E4) bzw. Nicotinsäure (E5) enthielten. Durch eine
Kombination von beiden Additiven im Elektrolyt E6 konnte selbst bei einer Stromdichte
von 8 A/dm
2 noch ein vollständig blasenfreier getemperter Zink-Überzug erhalten werden (siehe
Beispiel 8).
[0098] Des Weiteren wurde bei Raumtemperatur der optische Eindruck (Glanz) beurteilt.
[0099] Es bedeuten:
Δ keine milchige Optik
○ leicht milchige Optik
● mäßige milchige Optik
▲ stark milchige Optik
[0100] Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefasst.
Tabelle 3 - Glanz nach Tempern
Beispiel/ Elektrolyt |
Stromdichte in A/dm2 |
0,25 |
1,0 |
2,0 |
4,0 |
6,0 |
8,0 |
VB3 |
E1 |
▲ |
▲ |
▲ |
▲ |
▲ |
▲ |
VB4 |
E2 |
▲ |
▲ |
▲ |
▲ |
▲ |
▲ |
5 |
E3 |
▲ |
● |
● |
● |
● |
● |
6 |
E4 |
Δ |
Δ |
Δ |
○ |
○ |
○ |
7 |
E5 |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
8 |
E6 |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
Δ |
[0101] Die borsäure- und ammoniumfreien Elektrolyte 1 und 2 ergaben in den Vergleichsbeispielen
3 und 4 eine sehr milchige Optik mit zahlreichen Schlieren. Mit dem Acetat und Glycin
enthaltenden Elektrolyt E3 konnte der Glanz verbessert und die milchig erscheinende
Optik etwas reduziert werden.
[0102] Durch den Zusatz von ethoxylierten Thiodiglycol im Elektrolyt E4 und insbesondere
durch den Zusatz von Nicotinsäure in den Elektrolyten 5 und 6 konnte dann der Glanz
der getemperten Zink-Überzüge noch weiter verbessert werden (siehe Beispiele 6 bis
8). Die Zink-Überzüge zeigten unabhängig von der eingesetzten Stromdichte nur leichte
bzw. gar keine milchig trübe Optik oder Schlieren.
Versuch C): Thermoschocktest
Beispiele 9 bis 12, Vergleichsbeispiele 5 und 6:
[0103] Es wurden gerade Stahlbleche mit den Abmaßen 0,3 mm Dicke, 50 mm Breite und 130 mm
Länge verwendet. Das Material der geraden Stahlbleche war Kaltbandstahl gemäß DIN
EN 10139/10140 (Qualität DC03 LC MA RL). Gemäß der oben beschriebenen Vorgehensweise
wurden diese vorbehandelt und dann bei einer Stromdichte von 3,0 A/dm
2 beschichtet. Es wurden für die Vergleichsbeispiele 5 und 6 (VB5 und VB6) sowie für
die Beispiele 9 bis 12 die Elektrolyte E1 bis E6 eingesetzt (siehe Tabelle 4). Die
abgeschiedenen Schichtdicken lagen bei 10 µm.
[0104] Nach der galvanischen Zink-Abscheidung wurden die Bleche, wie oben beschrieben passiviert,
48 h bei Raumtemperatur gelagert und anschließend bei 220°C für 30 min gelagert und
sogleich in auf 20°C temperiertes, filtriertes Leitungswasser gegeben.
[0105] Zunächst wurde das Leitungswasser auf etwaige Flitterbildungen untersucht und bewertet.
[0106] Die Bleche wurden im Anschluss an den Thermoschocktest für 15 min bei 80°C im Umluftofen
getrocknet und nach Abkühlung auf Raumtemperatur nochmals die Haftfestigkeit visuell
untersucht. Hierfür wurden 4 cm lange, 19 mm breite Klebestreifen (tesa® Film kristall-klar
der Fa. Tesa SE) auf die Bleche geklebt und nach 60 s wieder entfernt. Die Zink-Überzüge
wurden auf Beschädigungen hin kontrolliert.
[0107] Positiv bestanden sind beide Haftungstests, wenn keine Flitter oder andere Partikel,
Abplatzungen, Blasen oder Beschädigungen beobachtet wurden.
[0108] Es bedeutet:
Δ Bestanden (keine Flitterbildung und gute Haftung)
[0109] Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengefasst.
Tabelle 4 - Haftung nach Thermoschocktest
Beispiel/ Elektrolyt |
Stromdichte 3,0 A/dm2 |
VB5 |
E1 |
Δ |
VB6 |
E2 |
Δ |
9 |
E3 |
Δ |
10 |
E4 |
Δ |
11 |
E5 |
Δ |
12 |
E6 |
Δ |
[0110] Für alle Elektrolyte wurde keine Flitterbildung festgestellt, und es zeigte sich
eine gute Haftung des Zink-Überzugs auf dem Stahlblech. Mithin können mit dem borsäure-
und ammoniumfreien Elektrolyt haftungsbeständige Zink-Überzüge hergestellt werden.
1. Borsäure- und ammoniumfreier wässriger Elektrolyt zur galvanischen Abscheidung von
Zink-Überzügen, umfassend:
(a) Zn2+ in einer Konzentration von 15 bis 70 g/L;
(b) Cl- in einer Konzentration von 100 bis 200 g/L;
(c) K+ und/oder Na+ insgesamt in einer Konzentration von 0,75 bis 6,0 mol/L;
(d) Acetat in einer Konzentration von 5,0 bis 45 g/L;
(e) Glycin und/oder Alanin insgesamt in einer Konzentration von 0,5 bis 30 g/L; und
(f) Wasser;
wobei der Elektrolyt einen pH-Wert von 4,5 bis 6,5 aufweist.
2. Elektrolyt gemäß Anspruch 1, wobei die Konzentration von Zn2+ in dem Elektrolyt 20 bis 60 g/L, bevorzugt 25 bis 50 g/L, weiter bevorzugt 30 bis
40 g/L und am meisten bevorzugt 35 g/L, beträgt.
3. Elektrolyt gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Konzentration von Cl- in dem Elektrolyt 120 bis 190 g/L, bevorzugt 130 bis 180 g/L und weiter bevorzugt
160 g/L, beträgt.
4. Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Elektrolyt K+ enthält und die Konzentration von K+ 0,75 bis 6,0 mol/L, bevorzugt 2,7 bis 4,8 mol/L und weiter bevorzugt 3,3 bis 4,1
mol/L beträgt.
5. Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Konzentration von Acetat in
dem Elektrolyt 7,5 bis 30 g/L, bevorzugt 10 bis 20 g/L, am meisten bevorzugt 12 g/L,
beträgt.
6. Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Konzentration von Glycin und/oder
Alanin insgesamt in dem Elektrolyt im Bereich von 0,5 bis 20 g/L, bevorzugt 1,0 bis
10 g/L, weiter bevorzugt 1,5 bis 5 g/L und am meisten bevorzugt 2,5 g/L, liegt.
7. Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Elektrolyt
(a) Zn2+ in einer Konzentration von 20 bis 60 g/L;
(b) Cl- in einer Konzentration von 120 bis 190 g/L;
(c) K+ in einer Konzentration von 2,7 bis 4,8 mol/L und 0 bis 0,5 mol/L Na+;
(d) Acetat in einer Konzentration von 7,5 bis 30 g/L; und
(e) Glycin und/oder Alanin insgesamt in einer Konzentration von 0,5 bis 20 g/L
enthält.
8. Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Elektrolyt zusätzlich (g)
Nicotinsäure in einer Konzentration von 0,01 bis 2,0 g/L, bevorzugt 0,05 bis 1,0 g/L,
weiter bevorzugt 0,08 bis 0,5 g/L, am meisten bevorzugt 0,1 g/L, enthält.
9. Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Elektrolyt zusätzlich (h)
ethoxyliertes Thiodiglycol mit durchschnittlich mindestens 20 Struktureinheiten, die
von Ethylenoxid stammen, in einer Konzentration von 0,3 bis 10 g/L, bevorzugt 0,5
bis 5 g/L, weiter bevorzugt 1,0 bis 3,5 g/l und am meisten bevorzugt 2,1 g/L, enthält.
10. Elektrolyt gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Elektrolyt
(g) Nicotinsäure in einer Konzentration von 0,05 bis 1,0 g/L, und/oder
(h) ethoxyliertes Thiodiglycol mit durchschnittlich mindestens 20 Struktureinheiten,
die von Ethylenoxid stammen, in einer Konzentration von 0,5 bis 5 g/L enthält.
11. Verfahren zur Herstellung eines wässrigen Elektrolyts gemäß einem der Ansprüche 1
bis 10, umfassend die Schritte:
A) das Erzeugen einer wässrigen Lösung von
(a') Zinkchlorid und/oder Zinkacetat;
(b') Kaliumchlorid und/oder Natriumchlorid;
(c') mindestens einem von Kaliumacetat, Natriumacetat und Essigsäure;
(d') mindestens einem aus der Gruppe, die aus Glycin, einem Salz davon, Alanin und
einem Salz davon besteht; und
(e') optional Nicotinsäure oder einem Salz davon; und (f') optional ethoxyliertem
Thiodiglycol mit durchschnittlich mindestens 20 Struktureinheiten, die von Ethylenoxid
stammen; und
B) optional das Einstellen des pH-Werts auf 4,5 bis 6,5 durch Zugabe von Salzsäure
oder durch Zugabe von Kaliumhydroxid und/oder Natriumhydroxid, die als Feststoff oder
in Form einer wässrigen Lösung zugegeben werden können.
12. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit Zink-Überzug, umfassend das galvanische
Abscheiden von Zink auf einem metallischen Bauteil aus einem Elektrolyt gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 10.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das metallische Bauteil Eisen oder eine Eisenlegierung
umfasst oder daraus besteht.
14. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei bei einer Temperatur von 20 bis 50°C, bevorzugt
25 bis 40°C, abgeschieden wird, und
zum Abscheiden eine Stromdichte von 0,2 bis 10 A/dm2, bevorzugt 0,5 bis 6 A/dm2, verwendet wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei das Bauteil mit Zink-Überzug
nach dem galvanischen Abscheiden einer Passivierungsbehandlung unterzogen wird.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei das Bauteil mit Zink-Überzug
nach dem galvanischen Abscheiden, optional vor oder nach einer Passivierungsbehandlung,
getempert wird.