Prozesse der Galvano- und der nasschemischen Oberflächentechnik

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1 Automatisierungstechnische Probleme Sommersemester 2006 Prozesse der Galvano- und der nasschemischen Oberflächentechnik 1 Galvanobranche 1 Betriebsgalvaniken ca Lohngalvaniken ca. 650 Zulieferindustrie ca. 50 vorwiegend kmu 1 Feseker, Müller in Haasis et al Produktionsint. Umweltschutz und Eigenverantw. der Unternehmen. Peter-Lang-Verl

2 Fertigungsverfahren (DIN 8580) 3 Trennverfahren (DIN 8580) 4

3 Elektrochemisches Abtragen (DIN 8590) 5 Elektrochemisches Abtragen (DIN 8590) 6

4 Beschichtungsverfahren 2 2 Gemmler et al: Metalloberfläche 55 (2001) 2, 13 7 Veränderung von Oberflächeneigenschaften durch Beschichtung dekorative Schichten Farbe Glanz funktionelle Schichten Härte chemische Beständigkeit (Korrosionsbeständigkeit) elektrische Leitfähigkeit Wärmeleitfähigkeit Gleitfähigkeit Lötbarkeit Zerspanbarkeit 8

5 Elektrochemische Spannungsreihe für: T = 298 K Li Li + + e - K K + + e - Ca Ca e - Na Na + + e - Mg Mg + 2e - Al Al e - Zn Zn e - Cr Cr e - Fe Fe e - Cd Cd e - Ni Ni e - Sn Sn e - Pb Pb e - -3,05 V -2,92 V -2,87 V -2,71 V -2,36 V -1,67 V -0,76 V -0,74 V -0,41 V -0,40 V -0,25 V -0,14 V -0,13 V Unedle Metalle Fe Fe e - -0,02 V H 2 2H + + 2e - Cu Cu e - Ag Ag + + e - Hg Hg e - Pt Pt e - Au Au e - 0 V +0,34 V +0,80 V +0,85 V +1,20 V +1,50 V Edle Metalle 9 Begriff der Lösung echte Lösungen Elektrolyte: Ionen gelöst in Flüssigkeiten Nichtelektrolyte: Moleküle gelöst in Flüssigkeiten kolloide Lösungen (Teilchengröße d = µm), Suspensionen (Teilchengröße d > µm). 10

6 Metallabscheidung ohne äußerer Stromquelle zur Metallabscheidung nötige Elektronen werden durch elektrochemische Reaktionen direkt in der Lösung gebildet Metallabscheidung : durch Tauchen in geeignete Lösung Tauchverfahren durch Kontakt des Grundmetalls mit unedlerem Metall Kontaktverfahren aus Lösung mit Reduktionsmittelzusatz Reduktionsverfahren 11 Chemische Verfahren - Anwendungen chemisch erzeugte Metallüberzüge chemisch Kupfer chemisch Nickel chemisch erzeugte Schutzschichten Phosphatieren Chromatieren Brünieren 12

7 Metallabscheidung mit äußerer Stromquelle Elektrolyse: Chemische Reaktionen welche durch einen elektrischen Strom hervorgerufen werden. Anodenreaktion: Oxidation (Elektronenabgabe) Katodenreaktion: Reduktion (Elektronenaufnahme) FARADAYsches Gesetz: FARADAYsches Gesetz für i-te Reaktion: r r el el, i M = I ν F e M = ν I i ef η 13 Galvanische Abscheidungsverfahren Anwendungen Kupfer Nickel Chrom Silber Gold Eisen Zink Blei Cadmium Kunststoffmetallisierung 14

8 Typische Verfahrensschritte galvanotechnischer Verfahren Vorbehandlung Entfetten Vorentfetten Beizentfetten Elektrolytisch Entfetten Beizen Zwischen- und Nachbehandlung Spülen Dekapieren (Entfernung dünner Oberflächenfilme) Neutralisieren Aktivieren Behandlungsschritte 15 Spülprozesse in der Galvano- und Oberflächentechnik 16

9 Spülprozesse in der Galvano- und Oberflächentechnik Ziele von Spülprozessen Vermeidung von Einschleppung von Elektrolytlösung in das nachfolgende Prozessbad (Prozessentkopplung) Abbruch von Reaktionen zwischen Bestandteilen des Prozessbades und der Warenoberfläche Erreichen einer sauberen, von Chemikalien freie Warenoberfläche Anforderungen an Spülprozesse wassersparend schnell geringe Investitionskosten geringe Betriebskosten 17 Wichtige Spülparameter Ausschleppung Spülwasserkonzentration Spülkriterium Spülzeit 18

10 Ausschleppung in Abhängigkeit von der Abtropfzeit 3 Ausschleppung (ml/m²) Abtropfzeit Elektrolyttyp 1s 3s 6s 12s Alkalisch Entfetten Cyanidisch Verkupfern Cyanidisch Verzinken Glanznickel Chrom VEM-Handbuch Galvanotechnik. Berlin: Verlag Technik Typische Spülkriterien 4 Prozessstufe Spülkriterium Abkochentfetten Elektrolytisches Entfetten Beizen, Dekapieren Verkupfern, Verzinken, Verzinnen Vernickeln Verchromen Brünieren, Chromatieren, Phosphatieren Elektrolytisches Beizen und Polieren Winkler, L.: Spülen Qualitätssicherung und Umweltschutz, Teil Galvanotechnik 85 (1994) 9, ff 20

11 Formen des Spülens Grundformen Standspüle Fließspüle Kaskadenspüle Kaskadenstandspüle Kaskadenfließspüle Sonderformen Rückführspüle (Vortauchspüle) Spritzspüle 21 Wasserbedarf in Spülkaskaden Q (l/wt) Spülstufen Spülkriterium ,00 2,54 1,66 1, ,00 9,46 4,25 2, ,00 31,11 9,64 5, ,00 99,50 21,20 9, ,00 315,73 46,08 17, ,00 999,50 99,66 31,37 22

12 Beispielprozess: Kupferbeize auf Persulfatbasis Auflösung von Kupferoxid in Schwefelsäure CuO + H2SO 4 CuSO4 + H2O Kupferbeizen durch Peroxodisulfat CuO + 2H + S O Cu + SO + H O Cu + Na2S2O 8 CuSO4 + Na2SO Cu + 2Na + S O Cu + 2Na + 2SO Anwendung: Entfernung von Oxid- und Zunderschichten Kupferabtrag insb. in der Leiterplattenherstellung 23 Beispielprozess - Kupferbeize Prozessparameter Qualitätsparameter: Gründliche Entfernung der Oxid- und Zunderschichten Geschwindigkeit des Beizens Konzentrationen: Beizmittel: Mindestkonzentration z.b.: -1 c Na2S2O > 30 gl 8 Kupferkonzentration: max. Grenzkonzentration, z.b.: c Cu < weitere Bestandteile in bestimmten Konzentrationsbereichen Temperatur, z.b.: ϑ = 50 C hydrodynamische Verhältnisse gl 24

13 Spülen am Beispielprozess Kupferbeize Spülbadparameter: Verschleppung: Spülbadvolumen: Spülkriterium: V do = 200 ml WT 3 V =1 m R = 500 einstufige Standspüle: Anzahl der spülbaren Warenträger: Wasserverbrauch: 3stufige Standspüle: Anzahl der spülbaren Warenträger: Wasserverbrauch: w =10 WT V = 100 l WT r w = 203 WT V = 4,9 l WT r 25 Spülen am Beispielprozess Kupferbeize Fließspülen: 1stufig: 2stufig: 3stufig: 4stufig: Vr = 99.8 l WT Vr = 4.37 l WT V = 1.51 l WT r V = 0,89 l WT r 26