Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur galvanischen Beschichtung von Werkstücken, bei dem die Werkstücke zunächst an einer Transporteinrichtung aufgenommen werden, dann vorbehandelt werden und dann mittels der Transporteinrichtung, vorzugsweise an Gestellen, durch ein zinkhaltiges Elektrolytbad bewegt werden.

Die galvanische Beschichtung von Werkstücken in zinkhaltigen Elektrolytbädern gehört seit vielen Jahren zur standardmäßigen Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstücken.

Die betreffenden Verzinkungsbäder nehmen einen erheblichen Platzbedarf ein und erfordern erhebliche Durchlaufzeiten, um eine sichere Verzinkung mit einer ausreichenden Schichtqualität zu gewährleisten. Dabei liegen die Durchlaufzeiten meist in der Größenordnung von einer Stunde oder mehr.

Verzinkungsbäder zum Beschichten von Werkstücken mit reinen Zinkschichten oder mit Zink-Eisen-Schichten oder Zink-Nickel-Schichten sind in vielfältiger Weise am Markt erhältlich. Alkalische, zyanidfreie Verzinkungsbäder enthalten in der Regel Natriumhydroxid oder alternativ Kaliumhydroxid mit etwa 100 bis 150 g/l, wobei der Zinkgehalt je nach Hersteller etwa 8 bis 18 g/l beträgt. Zusätzlich werden organische Zusätze zugesetzt, um hochwertige glänzende Schichten mit gleichmäßiger Schichtdickenverteilung zu erzielen. Je nach Hersteller werden in der Regel etwa 20 bis 30 ml zu reinen Verzinkungsbädern zugesetzt, während bei Zink-Eisen-Bädern etwa 20 bis 60 ml/l und bei Zink-Nickel-Bädern etwa 250 ml/l an organischen Zusätzen zugesetzt werden.

Die Durchlaufzeit der Werkstücke durch ein Beschichtungsbad werden maßgeblich von der maximal zulässigen Stromdichte beeinflusst. Hohe Stromdichten sind zwar wünschenswert, um kurze Durchlaufzeiten zu erzielen. Jedoch führen zu hohe Stromdichten zu ungleichmäßigen Beschichtungen und zu "Anbrennungen" der Werkstücke an exponierten Stellen. Aus diesem Grund wird die maximal zulässige Stromdichte von den Herstellern der Elektrolytbäder in erheblichem Umfang begrenzt. Für reine Verzinkungsbäder sind je nach Hersteller Stromdichten von maximal 2 bis 3 A/dm² zulässig. Für Zink-Eisen-Beschichtungsbäder werden Stromdichten von 1,5 bis 4 A/dm² als zulässig angesehen, während für Zink-Nickel-Elektrolytbäder 2,5 bis 3 A/dm² als Obergrenze angegeben werden.

Aus der US 6,630,060 B1 ist ein Verfahren zur galvanischen Beschichtung von Werkstücken bekannt, bei dem die Werkstücke mit einer Stromdichte von 10 A/dm² in vier bis sechs Minuten in einem wässrigen Zinkelektrolyt beschichtet werden, der 20 g/l mit 250 g/l KOH, mit 50 g/l K₂CO₃ und verschiedenen kommerziell erhältlichen Zusätzen beschichtet wird. Mit diesem Verfahren wurden Stahlbolzen mit einer durchschnittlichen Dicke von 13 µm mit einer Zinkbeschichtung versehen.

Aus der DE 196 48 464 A1 ist es ferner grundsätzlich bekannt, dass beim Galvanisieren bei erhöhter Umwälzung von zwei bis neunzig Mal pro Stunde verbesserte Galvanisierergebnisse erzielt werden können.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur galvanischen Beschichtung von Werkstücken aus ferritischem oder austenitischen Stahl in einem alkalischen, zinkhaltigen Elektrolytbad anzugeben, mit dem die Durchlaufzeit der Werkstücke durch das Elektrolytbad erheblich verkürzt wird und dennoch eine gleichbleibend hohe Qualität der galvanischen Beschichtung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die Stromdichte während der Verzinkungsbehandlung erheblich erhöht werden kann, wenn eine starke Badagitation gewährleistet ist und gleichzeitig bei erhöhter Temperatur von 25 bis 40°C gearbeitet wird.

Das Elektrolytbad wird bevorzugt über Düsen, vorzugsweise über Venturi-Düsen, umgewälzt. Hierbei können mehrere oder eine Vielzahl von Düsen verwendet werden, über die Elektrolytflüssigkeit von einer Pumpe mit einem ausreichend hohen Massenstrom in das Bad eingedüst wird. Überschüssige Elektrolytflüssigkeit kann in einem Überlaufbehälter gesammelt werden und von dort aus mittels Pumpenunterstützung über die Düsen wieder in das Elektrolytbad zurückgeführt werden. Durch eine hohe Pumpenleistung und eine ausreichende Anzahl und Verteilung von Düsen, die beispielsweise an der Bodenfläche und/oder an den Seitenflächen des Bades angeordnet sein können, wird hierbei eine gleichmäßige Umwälzung und Verwirbelung der Elektrolytflüssigkeit über das gesamte wirksame Badvolumen gewährleistet. So können Einzelteile, die auf Gestellen durch das Bad bewegt werden, gleichmäßig und mit hoher Geschwindigkeit beschichtet werden.

Zusätzlich werden die Werkstücke während der elektrolytischen Beschichtung vorzugsweise innerhalb der Elektrolytflüssigkeit mechanisch hin- und herbewegt, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10 m/min, wie auch bei herkömmlichen Galvanik-Gestellbädern üblich.

Die Werkstücke werden vorzugsweise in einem zinkhaltigen Elektrolytbad behandelt, das einen Gehalt an Natriumcarbonat aufweist, der <80 g/l ist.

Bei Behandlung der Werkstücke in einem alkalischen Zinkbad wird der Zinkgehalt vorzugsweise auf 10 bis 50 g/l eingestellt.

Bei Behandlung in einem Zinkbad wird der Alkaligehalt vorzugsweise auf 150 bis 200 g/l an Natriumhydroxid oder alternativ an Kaliumhydroxid eingestellt.

Hierbei werden vorzugsweise organische Zusätze von 25 bis 100 ml/l, vorzugsweise von 30 bis 80 ml/l, weiter bevorzugt von 30 bis 75 ml/l zugesetzt.

Mit derartigen Behandlungsparametern und einer derartigen Badagitation lassen sich erheblich verkürzte Bad-Durchlaufzeiten erzielen, die in der Größenordnung von einigen Minuten (im Vergleich zu etwa einer Stunde gemäß dem Stand der Technik) liegen. Dabei ist die Qualität der abgeschiedenen Galvanikschichten äußerst zufriedenstellend.

Bei der Beschichtung von Werkstücken in einem alkalischen Zink-Eisen-Bad wird vorzugsweise ein Zinkgehalt von 10 bis 100 g/l und ein Eisengehalt von 100 bis 1.500 mg/l verwendet.

Weiter bevorzugt beträgt hierbei der Zinkgehalt 10 bis 50 g/l und der Eisengehalt 100 bis 1.000 mg/l.

Der Alkaligehalt wird hierbei vorzugsweise auf 150 bis 200 g/l an Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid eingestellt.

Hierbei werden bevorzugt im alkalischen Zink-Eisen-Bad organische Zusätze von 30 bis 100 ml/l, vorzugsweise von 30 bis 80 ml/l, weiter bevorzugt von 30 bis 60 ml/l zugesetzt.

Werden Werkstücke aus Stahl mit einer weitgehend glatten Oberfläche aus ferriti-schem oder austenitischem Stahl behandelt, so wird wiederum vorzugsweise eine Stromdichte von 12 bis 18 A/dm² verwendet.

Werden dagegen Gussteile, Druckgussteile, geschmiedete Teile oder Sintermetallteile in einem Zink-Bad oder einem Zink-Eisen-Bad behandelt, so wird eine höhere Stromdichte verwendet, die zwischen 10 und 25 A/dm² liegt.

Hierbei werden vorzugsweise organische Zusätze von 30 bis 100 ml/l, vorzugsweise von 30 bis 80 ml/l, weiter bevorzugt von 30 bis 60 ml/l zugefügt.

Erfolgt die Behandlung der Werkstücke in einem alkalischen Zink-Nickel-Bad, so wird vorzugsweise ein Zinkgehalt von 10 bis 100 g/l und ein Nickelgehalt von 1,5 bis 10 g/l verwendet. Weiter bevorzugt beträgt der Zinkgehalt hierbei 10 bis 50 g/l und der Nickelgehalt 2 bis 6 g/l.

Hierbei wird ferner vorzugsweise ein Alkaligehalt von 100 bis 300 g/l, vorzugsweise von 130 bis 200 g/l, besonders bevorzugt von 140 bis 180 g/l an Natriumhydroxid oder alternativ an Kaliumhydroxid verwendet.

Die Behandlung erfolgt hierbei vorzugsweise bei einer Temperatur von 25 bis 40 °C, vorzugsweise von 28 bis 40 °C.

Ferner werden vorzugsweise organische Zusätze von 300 bis 1.000 ml/l, vorzugsweise von 300 bis 500 ml/l zugesetzt.

Werden Werkstücke aus Stahl mit einer relativ glatten Oberfläche behandelt, die aus ferritischem oder austenitischem Stahl bestehen können, so wird eine Stromdichte von 10 bis 13 A/dm² verwendet.

Werden dagegen Gussteile, Druckgussteile, geschmiedete Teile oder Sintermetallteile in einem Zink-Nickel-Bad behandelt, so erfolgt dies mit einer etwas höheren Stromdichte von 10 bis 20 A/dm².

Wie bereits erwähnt, können die Werkstücke vorzugsweise während der elektrolytischen Beschichtung zusätzlich in der Elektrolytflüssigkeit bewegt werden, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10 m/min. Grundsätzlich können die Werkstücke auch mit einer höheren Geschwindigkeit innerhalb der Elektrolytflüssigkeit bewegt werden, so dass durch eine schnellere Bewegung der Werkstücke selbst eine geringere Badumwälzung erfolgen kann. Jedoch ist die Bewegung von Werkstücken, die an Gestellen aufgehängt sind, schon grundsätzlich aus mechanischen Gründen nicht beliebig zu steigern. Im Gegensatz zu Trommelware, die in einer Trommel gegebenenfalls mit relativ hoher Geschwindigkeit bewegt werden kann, ist erfindungsgemäß daher eine erhebliche Badagitation notwendig, um die erfindungsgemäß erreichbaren kurzen Durchlaufzeiten bei gleichmäßig hoher Qualität zu gewährleisten.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1

eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken nebst Vorbehandlung, galvanischer Beschichtung und Nachbehandlung;

Fig. 2

eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Elektrolytbad gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein typischer Verfahrensablauf zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet. Die zu behandelnden metallischen Werkstücke durchlaufen eine Mehrzahl von Stationen 12 - 38. Um eine kompakte Anordnung zu gewährleisten, können die Stationen entlang eines Riementriebes angeordnet sein, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist. Die Werkstücke werden hierbei mittels des an geeigneten Führungen geführten Riementriebes von Station zu Station bewegt. Durch die Riemen wird hierbei der Transport gewährleistet, während die Führung die Tragkräfte für den Transport in x-/y-Richtung aufnimmt.

Bei den Werkstücken selbst handelt es sich um Einzelteile, die an Gestellen aufgenommen sind, die mittels des Riemens von Station zu Station bewegt werden.

Die Werkstücke können beispielsweise zunächst an einer Beschickungsstation 12 beladen werden und gelangen von hier aus zu einer Abkochentfettungsstation 14. Hieran schließt sich eine Kaskadenspülung 16 an und eine Beizbehandlung der Werkstücke in einer Beizstation 18. Die Beizstation 18 ist wiederum von einer Kaskadenspülung 20 gefolgt. Hieran schließt sich optional eine Ultaschallreinigung 22 und ggf. eine elektrolytische Entfettung 24 an. An diese schließt sich vorzugsweise eine Dekapierungsstation 26 an, die von einer Kaskadenspülung 28 gefolgt sein kann.

Dann gelangen die Werkstücke in eine Verzinkungsstation 30 die in Fig. 2 ausführlicher dargestellt ist. Nach Durchlaufen der Verzinkungsstation 30 gelangen die Werkstücke wiederum zu einer Kaskadenspülung 32 und ggf. zu einer Passivierungsstation oder Chromatierungsstation 34. Diese kann optional von einer Versiegelungsstation (Lackierung) 36 gefolgt sein. Schließlich gelangen die Werkstücke zu einer Entladungsstation 38.

In Fig. 2 ist nun der mögliche Aufbau einer Verzinkungsstation 30 näher dargestellt. Die Verzinkungsstation 30 weist drei hintereinander angeordnete, miteinander gekoppelte Zellen 46, 48, 50 auf, die als Doppelzellen ausgeführt sind und die nacheinander parallel von Werkstücken 68 bzw. 68' durchlaufen werden können, die an Gestellen gehalten sind, die mittels des Riementriebes bewegt werden. Die Werkstücke 68, 68' sind als Kathode geschaltet, und an den Längs-Außenseiten des Verzinkungsbades ist jeweils eine Anode 40, 44 vorgesehen. Zusätzlich ist in der Mitte einer jeden Zelle 46 eine zentrale Anode 42 vorgesehen, die sich, wie auch die beiden äußeren Anoden 40, 44, über die gesamte Länge des Verzinkungsbades erstreckt. Die letzte Zelle 50 mündet in einen Überlauf 52.

Die Zellen 46, 48, 50 sind mit einer gemeinsamen wässrigen Elektrolytflüssigkeit befüllt, die jeweils über eine Pumpe 54, 56, 58 mit hohem Druck aus dem Überlaufbehälter 52 über Düsen 66 am Boden einer jeden Zelle 46, 48, 50 zugeführt wird. Die Düsen 66 sind gleichmäßig verteilt am Boden einer jeden Zelle 46, 48, 50 angeordnet. Neben einer gleichmäßigen Verteilung ist natürlich auch eine ungleichmäßige Anordnung am Boden und den Badwänden denkbar. Es handelt sich vorzugsweise um Venturi-Düsen, wodurch eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Austrittstelle einer jeden Düse 66 erreicht wird und gleichzeitig eine verbesserte Zirkulation innerhalb des Badvolumens.

Jede Pumpe 54, 56, 58 hat eine Pumpleistung von 365 l/min. Durch die Venturi-Wirkung der Düsen 66 ergibt sich eine erhöhte Umwälzung, was zu einer Badumwälzung in jeder Zelle 46, 48, 50 führt, die etwa 146-fach/h beträgt.

Durch eine derartig hohe Badumwälzung ergibt sich ein intensiver Kontakt der Werkstücke 68, 68' mit der Elektrolytflüssigkeit und eine gleichmäßige Beschichtung bei hoher Stromdichte.

In der nachfolgenden Tabelle 1 sind für ein alkalisches Verzinkungsbad die wesentlichen Parameter laut Herstellerangaben, die bevorzugten Werte für die Verzinkung von Stahlteilen und anderen Teilen angegeben, sowie Werte von durchgeführten Versuchen an Stahlteilen und Gussteilen.

Es wurden Verzinkungsbäder der Firma Coventya GmbH, Stadtring Nordhorn 116, D-33334 Gütersloh, Badtyp Performa 269 (Zink-Eisen), sowie Performa 285 (Zink-Nickel), sowie Oklane Star (Zink alkalisch), ferner der Firma Atotech Deutschland GmbH, Industriestraße 69, D-90537 Feucht, Badtyp Reflectalloy (Zink-Nickel) und Protolux (Zink alkalisch), ferner der Firma Kunz GmbH, Untergasse 47 65468 Trebur, Badtyp Al 450 (Zink-Nickel), ferner der Firma SurTec International GmbH, Stuckertstraße 18, D-64673 Zwingenberg, Badtyp 704 (Zink alkalisch), 712 (Zink-Eisen) und 715 (Zink-Nickel) verwendet.

Als Werkstücke wurden Gussteile für Bremssättel verwendet, wobei es sich unter anderem um Halter, Gehäuse und Rahmen handelte. Daneben wurden Stahlteile aus ferritischem Stahl verschiedener Geometrie untersucht.

In Tabelle 1 sind nun die Herstellerangaben für ein alkalisches wässriges Verzinkungsbad unter Verwendung von Natriumhydroxid, sowie die erfindungsgemäß bevorzugten Werte und durchgeführten Versuchswerte zusammengefasst. Unter der Spalte "Stahlteile" sind die bevorzugten Werte zur Behandlung von Werkstücken aus Stahl mit relativ glatter Oberfläche zusammengefasst, wobei es sich um ferritischen oder austenitischen Stahl handeln kann. In der Spalte "Andere Teile" sind die bevorzugten Werte zur Behandlung von Gussteilen, Druckgussteilen (wie Al-Druckgussteilen), geschmiedeten Teilen und Sintermetallteilen zusammengefasst. Die Versuchswerte wurden an Stahlteilen aus ferritischem Stahl bzw. Gussteilen gewonnen.

In Tabelle 2 sind die entsprechenden Angaben für eine Elektrolytbeschichtung in einem Zink-Eisen-Elektrolytbad angegeben, während in Tabelle 3 die entsprechenden Werte für eine Zink-Nickel-Elektrolytbeschichtung zusammengefasst sind. Die Herstellerangaben beziehen sich auf Natriumhydroxidbäder oder alternativ Kaliumhydroxidbäder.

Die Versuche wurden sowohl in Natriumhydroxidbädern als auch in Kaliumhydroxidbädern durchgeführt.

Die Durchlaufzeiten der Werkstücke betrugen 1 bis 3 min.

Tabelle 1 bezieht sich auf eine reine Verzinkung von Werkstücken, während Tabelle 2 sich auf eine Zink-Eisen-Beschichtung mit etwa 0,3 bis 0,8 Gew.-% Fe-Anteil bezieht. Dagegen betrifft Tabelle 3 eine Zink-Nickel-Beschichtung mit einem Nickelanteil von etwa 10 bis 20 Gew.-%.

Sämtliche Stromdichte-Angaben in dieser Anmeldung beziehen sich auf die kathodische Stromdichte.

Zusätzlich zu der angegebenen Badumwälzung wurden die Werkstücke 68, 68' mit einer Geschwindigkeit von etwa 3 bis 5 m/min während der Behandlung in x-/y-Richtung hin- und herbewegt.

Alle Werkstücke erfüllten die Spezifikationen. Die Schichtdicke, die in der Regel zwischen 8 und 16 µm lag, erfüllte die Anforderungen. Die Werkstücke waren blasenfrei und hatten einen guten Glanzgrad.

Außer der erheblich verkürzten Beschichtungszeit von etwa 1 bis 3 min unterschieden sich die beschichten Werkstücke nicht von Werkstücken, die in herkömmlichen Prozessen laut Herstellerangaben beschichtet wurden. Bei herkömmlichen Prozessen waren lediglich die Durchlaufzeiten erheblich größer und lagen in der Größenordnung von etwa 30 bis 90 min.

Durch die verwendeten Parameter (erhöhte Konzentrationen von Zink und gegebenenfalls Eisen bzw. Nickel, organischen Zusätzen, bei gleichzeitig erhöhter Temperatur und Stromdichte) ergaben sich in Verbindung mit der starken Badumwälzung drastisch verkürzte Durchlaufzeiten bei gleichzeitig hoher Beschichtungsqualität im Vergleich zu herkömmlichen Beschichtungen.

Infolge der erheblich verkürzten Durchlaufzeiten lässt sich eine Gesamtanlage deutlich kompakter aufbauen, was zu erheblichen Kosten und Platzvorteilen bei gleichzeitig geringeren Betriebskosten führt.

Außerdem lassen sich derartig kompakte Anlagen einfacher in eine vorhandene Fertigung integrieren. Herstellerangaben Bevorzugte Werte Versuchswerte Stahlteile Andere Teile Stahlteile Gussteile (1) Natriumhydroxid/   Kaliumhydroxid 100 - 150 g/l 150 - 200 g/l 150 - 200 g/l 180 g/l 180 g/l (2) Zinkgehalt 8 - 18 g/l 15 - 30 g/l 15 - 40 g/l 30 g/l 35 g/l (3) Organische Zusätze 20 - 30 ml/l 25 - 60 ml/l 25 - 75 ml/l 40 ml/l 50 ml/l (4) Natriumcarbonat <80 g/l <80 g/l <80 g/l <80 g/l <80 g/l (5) Temperatur 25 - 28 °C 25 - 40 °C 25 - 40 °C 40 °C 40 °C (6) Stromdichte 2 - 3 A/dm² 5 - 15 A/dm² 5 - 20 A/dm² 15 A/dm² 20 A/dm² Herstellerangaben Bevorzugte Werte Versuchswerte Stahlteile Andere Teile Stahlteile Gussteile (1) Natriumhydroxid/   Kaliumhydroxid 120 - 150 g/l 150 - 200 g/l 150 - 200 g/l 180 g/l 180 g/l (2) Zinkgehalt 8 - 20 g/l 15 - 30 g/l 15 - 40 g/l 30 g/l 35 g/l (3) Organische Zusätze 20 - 60 ml/l 40 - 80 ml/l 40 - 80 ml/l 40 ml/l 50 ml/l (4) Natriumcarbonat <80 g/l <80 g/l <80 g/l <80 g/l <80 g/l (5) Temperatur <21 -/+ - 2 °C 25 -/+ 2 °C 25 -/+ 2 °C 25 °C 28°C (6) Stromdichte 1,5 - 4 A/dm² 5 - 15 A/dm² 5 - 20 A/dm² 15 A/dm² 20 A/dm² (7) Fe-Gehalt 80 - 450 mg/l 100 - 600 mg/l 100 - 1000 mg/l 100 - 800 mg/l 450 mg/l Herstellerangaben Bevorzugte Werte Versuchswerte Stahlteile Andere Teile Stahlteile Gussteile (1) Natriumhydroxid/ Kaliumhydroxid 120 - 130 g/l 130 - 180 g/l 130 - 200 g/l 160 g/l 165 g/l (2) Zinkgehalt 6 - 7 g/l 10 - 30 g/l 10 - 40 g/l 28 g/l 30 g/l (3) Organische Zusätze 250 ml/l 300 - 400 ml/l 300 - 500 ml/l 330 ml/l 350 ml/l (4) Natriumcarbonat <80 g/l <80 g/l <80 g/l <80 g/l <80 g/l (5) Temperatur 24 -/+ - 1 °C 28 - 35 °C 28 - 40 °C 28 °C 30 °C (6) Stromdichte 2,5 - 3 A/dm² 3 - 20 A/dm² 6 - 30 A/dm² 10 - 13 A/dm² 12 - 15 A/dm² (7) Ni-Gehalt 1,0 - 1,5 g/l 1,5 - 6 g/l 2 - 6 g/l 4,5 g/l 4,4 g/l