| DE2218471A | ||||
| DE3934681A | ||||
| FR842792A | ||||
| 2745798 | Method of coating metal surfaces |
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Behandlung von metallischen Werkstücken, insbesondere aus Aluminium und Aluminium-Legierungen, bei der die Werkstücke einer in einem Behandlungsbehälter sich einstellenden Elektrolytströmung aussetzbar sind, der Elektrolyt durch eine Pumpe kontinuierlich dem Behandlungsbehälter unten entzogen und über einen Rohrkreis einem Kühler zuführbar und gekühlt im Gegenstrom zur natürlichen Bewegung des sich im Behandlungsbehälter erwärmenden Elektrolyten oben in den Behandlungsbehälter einspeisbar ist.
Es ist bei einer gattungsgleichen Vorrichtung (FR-A-842 792) bekannt, unten am Mantel des Behandlungsbehälters ein Rohr für die Absaugung von Elektrolyt vorzusehen und den Elektrolyten vermittels einer Pumpe nach Durchleitung durch einen externen Kühler dem Behandlungsbehälter von oben zentrisch wieder zuzugeben.
Es ist Aufgabe der Erfindung bei einer Vorrichtung obiger Gattung eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Elektrolyten zu schaffen.
Der Erfindung gemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Werkstücke frei oder vermittels eines Werkstückraums im Abstand der Seitenwandungen und des Bodens im Behandlungsbehälter angeordnet sind, daß zwischen den Werkstücken bzw. dem Werkstückraum und dem Boden Rohre oder Durchflußplatten zur Elektrolytabsaugung und im oberen Bereich des Behandlungsbehälters zwischen den Werkstücken bzw. dem Werkstückraum und den Seitenwandungen Rohre oder Durchflußplatten zur Elektrolytrückführung ausgebildet sind. Bevorzugt durchsetzt dabei der Elektrolyt den Behandlungsbehälter im wesentlichen mit einer Fließgeschwindigkeit von im wesentlichen 0,6 bis 3,0 m/sec, vorzugsweise 0,2 bis 5,0 m/sec und mit einer Umwälzfrequenz von 4 bis 12, gegebenenfalls bis zu 300 Durchsätzen pro Stunde. Die Kühlung des Elektrolyten kann in beliebiger Weise, z.B. durch einen externen oder durch einen im Behandlungsbehälter untergebrachten internen Kühler erfolgen. Der gekühlte Elektrolyt trifft bei seiner Rückführung in das Elektrolytbad zunächst auf den im oberen Teil des Elektrolytbads befindlichen stark erwärmten Teil des Elektrolyten, um bei weiterer abwärts Durchströmung des Elektrolytbades nach und nach auf weniger warmen Elektrolyten aufzutreffen. Die gleichmässige großflächige Elektrolytabsaugung und -rückführung ergibt eine innige Vermischung im Behandlungsbehälter, wodurch sich ein in der Temperatur gleichmäßiges Elektrolytbad über das gesamte Volumen desselben mit konstanten Temperaturen an den Werkstücken einstellt, was zum Aufbau von in der Stärke gleichmäßigen Oxydschichten an den Werkstücken Voraussetzung ist. Außerdem wird die Rücklösung von Aluminium auf ein Minimum reduziert, wodurch sich eine geringe Schlammbildung mit günstiger Entsorgung ergibt.
Zweckmäßig erstrecken sich die Rohre und Durchflußplatten für die Absaugung und Rückführung des Elektrolyten im wesentlichen über die ganze Länge der Werkstücke oder des Werkstückraumes, was einen gleichmäßigen Ab- und Zufluß von Elektrolyt fördert. Es versteht sich, daß die Rohre oder Durchflußplatten für die Elektrolytrückführung, wahlweise oberhalb und/oder seitlich der Werkstücke bzw. des Werkstückraumes im Behandlungsbehälter angeordnet sind. Bevorzugt erstrecken sich dabei die Rohre oder Durchflußplatten für die Rückführung des Elektrolyten im oberen Drittel der Höhe der Werkstücke oder des Werkstückraumes im Behandlungsbehälter. Vorteilhaft ist ferner wenn der gekühlte Elektrolyt mit vorbestimmter Ausrichtung in das Elektrolytbad übertritt. Hierzu können die Rohre bzw. Durchflußplatten für die Rückführung von Elektrolyt diametral zu den Werkstücken bzw. dem Werkstückraum angeordnete und zueinander gerichtete Austrittsöffnungen und/oder Austrittsdüsen aufweisen. Zweckmäßig erstrecken sich die Austrittsöffnungen und/ oder Austrittsdüsen mit schräg nach oben und zueinander gerichteten Austrittsachsen. Der gekühlte Elektrolyt kann so zunächst über eine Teilhöhe durch die neben den Werkstücken befindlichen Bereiche des Elektrolytbades geführt und nachfolgend durch Umlenkung neben und zwischen den Werkstücken hindurchtreten.
Besonders günstige Vermischungen von durch den elektrolytischen Prozeß erwärmten Elektrolytmengen mit gekühlten Elektrolytmengen läßt sich noch dadurch erzielen, wenn die rückführungsseitigen Rohre und/oder Durchflußplatten und/oder Düsen für den Elektrolyten zu den Werkstücken bzw. dem Werkstückraum einzeln oder gemeinsam verschwenk- und/oder verschiebbar ausgebildet sind. Die Bewegungen der Rohre und/oder Durchflußplatten und/oder Düsen können dabei gleichermaßen kontinuierlich, intermittierend oder zyklisch verschwenk- oder verschiebbar erfolgen, wobei die Frequenzen der Bewegungen manuell oder selbsttätig steuerbar sind. Eine innige Vermischung der verschieden temperierten Elektrolytmengen kann auch dadurch vorteilhaft bewirkt werden, wenn die Werkstücke und/oder der Werkstückraum selbst schwenkbeweglich und/ oder verschiebbeweglich im Elektrolytbad ausgebildet sind. Die Bewegungsabläufe derselben können wiederum kontinuierlich, intermittierend oder zyklisch mit festen oder regelbaren Frequenzen erfolgen.
Schließlich ist noch vorgesehen, den Rohren und/oder Durchflußplatten für Absaugung und Rückführung von Elektrolyt Druckausgleichsgefäße, insbesondere weitere Rohrabschnitte oder Durchflußplattenabschnitte, zuzuordnen, die bevorzugt gemeinsam mit den Rohren und/oder Durchflußplatten für die Rückführung und/oder Absaugung Druckausgleichskammern bilden. Die als Druckausgleichsgefäße dienenden Rohrabschnitte oder Durchflußplattenabschnitte können hierzu mit den Rohren und/oder Durchflußplatten für Rückführung und Absaugung einstückig ausgeführt sein.
Zur Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit der aus einem metallischen Werkstoff, z.B. aus Aluminium oder Aluminium-Legierungen gebildeten Werkstücke wird eine Vorbehandlung durch Beizen vorgeschlagen, wobei die Werkstücke in ein Beizbad frei oder vermittels eines Werkstückraums einer sauren oder alkalischen Beizlösung aussetzbar sind. Hierzu weist der Behandlungsbehälter unten zwischen den Werkstücken bzw. dem Werkstückraum und dem Boden an eine Pumpeinrichtung anliegende Rohre oder Durchflußplatten zur Beizlösungsabsaugung und im Abstand zwischen den Werkstücken bzw. dem Werkstückraum und den Seitenwandungen des Behandlungsbehälters Kühlkörper auf. Weiter sind zwischen den Kühlkörpern und Seitenwandungen ausmündenden Düsen vorgesehen, wodurch die Beizlösung gekühlt von oben an die Werkstücke bzw. den Werkstückraum turbulent rückführbar ist. Hierbei wird in Talbereichen der Werkstückoberflächen der Abtrag von Werkstückteilchen durch den beim Beizvorgang entwikkelten Wasserstoff gebremst, während die Bergbereiche der Werkstückoberflächen durch die, die Werkstücke anströmende Beizflüssigkeit unter laufender Abführung der exothermen Wärme und der Mitführung des sich an den Bergbereichen bildenden Wasserstoffs abgetragen werden. Auf diese Weise sind bei kurzen Beizzeiten Glättungen von Werkstückoberflächen und infolge geringer im wesentlichen konstanter Beiztemperaturen Minimierungen des Abtrags, Reduzierungen des Chemikalieneinsatzes und dadurch wiederum Entlastungen für die Entsorgung und der Umwelt erzielt.
Es versteht sich, daß die Kühlung der Beizlösung auch durch Vorbeiführen an oder Hindurchbewegen derselben an oder in externen Kühlkörpern möglich ist.
Durch alleinige oder gemeinsame kontinuierliche, intermittierende oder zyklische Schwenk- oder Verschiebebewegungen der Rohre bzw. Durchflußplatten und/oder Abgabedüsen für die Beizlösung, läßt sich der Beizvorgang noch vorteilhaft intensivieren. Die gleichen Wirkungen sind auch durch entsprechende Bewegungen der Werkstücke und/oder des Werkstückraumes im Beizbad erreichbar. Schließlich erlaubt die Vorrichtung auch Maßnahmen zum elektrolytischen oder chemischen Glänzen von metallischen Werkstoffen, insbesondere von Aluminium oder Aluminium-Legierungen durch den Einsatz eines chromsauren oder chromsäurefreien bzw. alkalischen Elektrolyten.
Wie die Erfindung ausführbar ist, zeigen die in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Hierin bedeuten:
In den Fig. 1 bis 5 ist mit 1 ein Behandlungsbehälter bezeichnet, in dem das Elektrolytbad 2 untergebracht ist, das mit einer Annode 3 verbundene Werkstücke 4 bzw. einen Werkstückraum sowie Kathoden 5 aufnimmt. Die beim elektrolytischen Prozeß erzeugte Joule'sche Wärme bewegt sich im Elektrolytbad 2 selbsttätig von unten nach oben. Zwischen den Werkstücken 4 und dem Boden 1' des Behandlungsbehälters 1 sind beim Ausführungsbeispiel über die ganze Länge der Werkstücke 4 sich erstreckende Rohre 6 angeordnet, die mit einer Pumpeinrichtung 7 und einem Kühler 8 (Fig. 6) in Verbindung stehen. Die Rohre 6 weisen zur Absaugung von Elektrolyt Lochungen 9 auf. Im oberen Bereich des Behandlungsbehälters 1 sind mit dem Kühler 8 in Verbindung stehende Rohre 10 ausgebildet, die über Düsen 11 oder Lochungen (nicht gezeigt) in das Elektrolytbad 2 ausmünden. Die Rohre 10 stehen mit als Ausgleichskammern dienenden Rohrabschnitten 12 (Fig.2) in Verbindung. Zweckmäßig sind die Rohrabschnitte 12 mit den Rohren 10 einstückig ausgeführt.
Bei den Fließbildern der Fig. 6 und 8 sind für die Absaugung von Elektrolyt Rohre 6 mit zum Druckausgleich dienenden Rohrabschnitten 6' vorgesehen, wobei die Rohre 6, wie in Fig. 7 erkennbar, jeweils Lochungen 9 und die Rohre 6 der Fig. 8 ebenfalls Lochungen 9 für den Übertritt von Elektrolyt in Richtung Pumpeinrichtung 7 aufweisen, während die Rohre 10 der Fig. 6 und 8 mit Düsen 11 versehen sein können.
Über die Dauer des elektrolytischen Prozesses steigt Joule'sche Wärme von unten nach oben, mit zunehmender Temperaturerhöhung im Elektrolytbad 2 auf. Über die Lochungen 9 der Rohre 6 bzw. Durchflußplatten, wird Elektrolyt durch die Pumpeinrichtung 7 in den Kühler 8 eingebracht und von dort über Rohre 10 bzw. Durchflußplatten vermittels Düsen 11 in das Elektrolytbad 2 rückgeführt. Hierbei trifft die gekühlte Elektrolytströmung zunächst auf stärker erwärmten Elektrolyt und im weiteren Verlauf auf weniger stark erwärmten Elektrolyt. Die Wechselwirkung der gekühlten Elektrolytströmung mit stark erwärmten Elektrolytmengen bzw. im späteren Verlauf zwischen gekühlter Elektrolytströmung mit weniger stark erwärmten Elektrolytmengen sorgt für eine gleichmäßige Vermischung in allen Ebenen und für den Ausschluß von ungünstigen Temperaturdifferenzen im Elektrolytbad 2.
Schließlich zeigt Fig. 5 eine Vorrichtung mit im Elektrolytbad verschwenk- und/oder verschiebbeweglichen Rohren 6 und/oder 10 und/oder Werkstücken 4 bzw. Rohren 6 und/oder 10 in Verbindung mit Druckausgleichsrohren 12,6' (Fig.6). Die verschieden möglichen Bewegungsrichtungen der Rohre bzw. Werkstücke sind durch Richtungspfeile 15 gekennzeichnet.
Mit 16,17 sind Anschlüsse am Kühler 8 für die Zu- und Abführung von Kühlmedium, mit 19 und 20 die Zuleitung und Ableitung des Kühlers 8 für Elektrolyt und mit 18 eine Stromquelle bezeichnet.
In Fig. 10 ist mit 21 ein Behandlungsbehälter für eine sauere oder alkalische Beizlösung 22 bezeichnet, in die Werkstücke oder ein Werkstückraum 23 untergebracht ist. Zwischen den Werkstücken oder Werkstückraum 23 und Boden 21' des Behandlungsbehälters 21 sind Absaugrohre 24 für die Beizlösung 22 vorgesehen, die an einer Pumpeinrichtung 25 anliegen, die ihrerseits die Beizflüssigkeit 22 über mit Düsen 26 versehene Rohre 27 in die Bereiche 28 zwischen im Behandlungsbehälter 21 angeordneten Kühlkörpern 29 und Seitenwandungen 21" des Behandlungsbehälters 21 fördern. Wie insbesondere das zugehörige Fließbild gemäß Fig. 11 erkennen läßt, liegen die Kühlkörper 29 mit ihren unteren Enden 29' über Rohrleitungen 30 und einem Ventil 31 an einen Kühlturm 32 an, der über eine weitere Rohrleitung 33 mit einem Kaltwasserbecken 34 in Verbindung steht. Aus dem Kaltwasserbecken 34 kann vermittels einer Kaltwasserpumpe 35 über Rohrleitungen 36 das als Kühlflüssigkeit dienende Wasser in die oberen Enden 29" der Kühlkörper 29 eingebracht werden.
Bei Beizvorgängen an Werkstücken wird unter der Einwirkung der Beizlösungen 22 bei der Abtragung von Werkstückteilchen exotherme Wärme erzeugt, die sich in Pfeilrichtung 37 in der Beizlösung 22 nach oben bewegt. In Abhängigkeit von der Beiztemperatur wird gleichzeitig eine mehr oder weniger große Schlammbildung durch die abgetragenen Werkstückteilchen bewirkt. Die an den Kühlkörpern 29 in der Temperatur verminderte Beizlösung 22 nimmt durch Bewegen entgegen der exothermen Wärme, Pfeilrichtung 37, exotherme Wärme auf und wird nachfolgend in den Kühlbereichen zwischen den Kühlkörpern 29 und den Seitenwandungen 21" gekühlt. Durch Kühlung der Beizlösung und Bewegung im Gegenstrom, Pfeilrichtung 38, zur exothermen Wärme 37 ist eine in engen Grenzen konstante Beibehaltung eingestellter Beiztemperaturen erzielbar. Dies führt zu einer Verringerung der Beizzeit um etwa 30 bis 50 Prozent. Bei ihrer Rückleitung trifft die gekühlte Beizflüssigkeit 22, wie in Fig. 14 dargestellt, jeweils auf Spitzenbereiche 39 der Werkstücksoberfläche 40 und trägt diese ab, während ein Abtragen in den Talbereichen 41 der Werkstückoberfläche 40 durch den dort eingeschlossenen Wasserstoff 42 begrenzt ist. Durch den Abtrag der Spitzenbereiche 39 erfolgt in kurzer Zeit und mit verminderter Schlammbildung eine Glättung der Werkstückoberfläche 40.
Bei der Vorrichtung der Fig. 12 und dem zugehörigen Fließbildern der Fig. 13 erfolgt abweichend die Absaugung der sich bei der Abwärtsbewegung erwärmenden Beizlösung 22 über getrennte Absaugrohre 24, die gemeinsam mit einer Pumpeinrichtung 25 in Verbindung stehen. Die Pumpeinrichtung 25 fördert, wie vor beschrieben, Beizlösung in die Kühlbereiche zwischen den Kühlkörpern 29 und Seitenwandungen 21" und weiter nach Umleitung an den Werkstücken bzw. Werkstückraum 23.
Mit 43 ist eine Frischwasserzuführung an das Kaltwasserbecken 34 mit einem Ventil 44 bezeichnet. Mit 45 sind mögliche Bewegungsrichtungen für Werkstücke bzw. den Werkstückraum 23 und Bewegungsrichtungen für die Abflußrohre 24 oder Düsen 26 (Fig.10) dargestellt.