RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 207675 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 371109 (22) Data zgłoszenia: 09.11.2004 (51) Int.Cl. G01N 33/00 (2006.01) C25D 17/00 (2006.01) C25D 19/00 (2006.01) (54) Urządzenie do badania kąpieli galwanicznych (43) Zgłoszenie ogłoszono: 15.05.2006 BUP 10/06 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.01.2011 WUP 01/11 (73) Uprawniony z patentu: SZCZEPANIAK STANISŁAW, Kielce, PL SZCZEPANIAK REMIGIUSZ, Kielce, PL (72) Twórca(y) wynalazku: STANISŁAW SZCZEPANIAK, Kielce, PL REMIGIUSZ SZCZEPANIAK, Kielce, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Grażyna Basa PL 207675 B1
2 PL 207 675 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do badania kąpieli galwanicznych, przeznaczone szczególnie do jednoczesnego badania zakresu osadzania powłok o określonej jakości i pomiaru wgłębności kąpieli. Do badania właściwości kąpieli galwanicznych służą komórki elektrolityczne różniące się między sobą różnorakim rozmieszczeniem elektrod, szczególnie anody do katody, które mogą być umieszczone równolegle, prosto padle lub ukośnie. W celu uzyskania nierównomiernego rozdziału gęstości prądu stosuje się przesłony nieprzewodzące prądu lub różnorakie szczeliny. Najbardziej znana i rozpowszechniona wśród galwanizerów do badania obszaru roboczego kąpieli jest komórka Hulla, która często zastępuje wykonywanie uciążliwych analiz galwanicznych. Komórka Hulla znana jest ze zgłoszenia patentowego nr US2149344 i składa się z dwóch elektrod tj. anody i katody umieszczonych względem siebie pod kątem mniejszym od 90, które to elektrody umieszczone są w pojemniku. Pojemnik w narożach i ścianach bocznych ma wykonane szczeliny przeznaczone do stabilnego mocowania katod, przy czym katody podłączone są do ujemnego źródła zasilania, zaś każda z katod ma postać prostej płytki. Najczęściej stosowana komórka Hulla jest małą wanienką wykonaną z tworzywa sztucznego odpornego na działanie temperatury do 80 C. Schemat komórki zamieszczony jest: Hull R.O.: Proc. Am. Electroplat. Soc. 1939. 52. Przekrój komórki jest trapezem o wymiarach 63,5 x 48,3 x 103,2 x 127 mm. Anodą jest płytka metalowa lub grafitowa, korzystnie o wymiarach 60 x 70 i grubości od 2 do 5 mm, katodą wypolerowana blaszka stalowa, miedziana lub mosiężna o długości 100 mm i szerokości około 70mm i grubości 0,2 do 0,5 mm. Płytki metalowe muszą być dokładnie odtłuszczone, wypłukane i dotrawione na przykład w 10% kwasie solnym płytki stalowe. Po dokładny wypłukaniu jeszcze mokre płytki kontrolne przenosi się do komórki Hulla zawierającej zawsze 250 cm 3 badanej kąpieli. Przed włączeniem prądu płytkę kontrolną należy poruszać tam i z powrotem w komórce, aby pozbyć się warstewki wody płuczącej i osiągnąć dokładne zwilżenie całej powierzchni badaną kąpielą. Jako źródło prądu stałego służy bateria akumulatorowa lub stabilizowany prostownik z płynną regulacją napięcia. Niezbędny jest amperomierz prądu stałego w zakresie do 5A lub wbudowana blokada na zaprogramowane natężenie również w tym zakresie. Dodatkowo komórka może być wyposażona w otwory do mieszania sprężonym powietrzem i grzałki do podgrzewania badanej kąpieli. Dalsze szczegóły badania w komórce Hulla zamieszczone są w wydawnictwie: Poradnik Galwanotechnika Praca zbiorowa. Wyd. 3 WNT Warszawa 2002. 614-633s. Znana jest również komórka Hulla z patentu US3121053 przeznaczona do badania obszaru roboczego kąpieli galwanicznych. Komórka ta wyposażona jest w pionową przegrodę, która przytwierdzona jest do bocznej ściany. Ta pionowa przegroda pełni rolę ekranu. Komórka ta służy do określenia tylko jednego parametru kąpieli. Do pomiaru wgłębności kąpieli galwanicznych służą opisane w cytowanym poradniku, komórki Harringa i Bluma, Fielda, Horsza i Fuwy, Kudriawcewa i Nikiforowej, Glimonta, Pinnera i Hakera. W praktyce galwanizerzy nie stosują żadnej z nich, z uwagi na dość skomplikowane metody badawcze, a zwłaszcza ich ocenę. W laboratoriach badawczych do pomiaru zdolności krycia kąpieli stosuje się sporadycznie metodę Pirmera i Hakera. Jest to komórka wykonana z tworzywa sztucznego w kształcie prostopadłościanu, w której katoda jest zgięta pod kątem 90. Po przeprowadzeniu elektrolizy płytkę wyprostowuje się i ocenia na przykład przez nałożenie kalki lub płytki szklanej z odpowiednimi podziałkami i ocenia się obszar powierzchni pokrytej do niepokrytej. Zbliżoną metodę proponuje Rousselot, który umieszcza w opisanej już komórce Hulla katodę zgiętą pod kątem 78, którą po przeprowadzeniu elektrolizy wyprostowuję się i mierzy w jej środku długość odcinka niepokrytego. W innych wariantach płytkę katodową zgina się pod kątem 60, a w innym pod kątem 90, a następnie się też wyprostowuje. Znane są też komórki z wirującą elektrodą kątową według Chapdelaina, też do określenia zdolności krycia kąpieli. Te różnorakie metody określenia podstawowego parametru kąpieli, jakim jest wgłębność, czyli zdolność pokrywania wgłębień powłoką o jednakowym wyglądzie - w praktyce produkcyjnej nie sprawdziły się. Głównie z konieczności doboru właściwego natężenia prądu, zwłaszcza na narożach zgiętej katody, które muszą być różne i zmienne przy różnym zakresie pracy kąpieli. Dodatkowo różna też jest interpretacja i pomiar osadzonej powłoki, a tym samym ocena wgłębności kąpieli.
PL 207 675 B1 3 W dotychczasowym stanie techniki do pomiaru zakresu pracy kąpieli i do oceny wgłębności kąpieli stosuje się oddzielne komórki, używa się oddzielnych próbek kąpieli i w różnym okresie sieje testuje. Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia do równoczesnego badania dwóch podstawowych właściwości kąpieli galwanicznych, wykorzystując tylko jedną komórkę, jedną próbkę kąpieli i w tym samym czasie. Urządzenie do badania kąpieli galwanicznych zawiera komórkę Hulla z anodą i co najmniej jedną katodą i charakteryzuje się tym, że zawiera dodatkowo co najmniej jedną wnękę pomiarową wgłębności kąpieli, wystającą z naroży i/lub ścian bocznych komórki w której to wnęce pomiarowej umieszczona jest katoda. Katody mają postać płytek prostych lub wygiętych pod kątem i usytuowane są tak, że wchodzą w obręb wnęk pomiarowych oraz w obszar komórki Hulla. Długość płytek katodowych jest większa od 10 mm i korzystnie wynosi 100 mm. Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania pokazany jest na rysunku, na którym fig 1 przedstawia urządzenie w widoku perspektywicznym, które ma wnęki pomiarowe wykonane jako przedłużenie ścianki skośnej - katodowej, fig. 2 przedstawia schemat połączeń urządzenia ze źródłem zasilania, fig. 3, fig. 4 i fig. 5 przedstawiają przykładowe usytuowanie wnęk pomiarowych w urządzeniu według wynalazku - w widoku z góry. W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 1, urządzenie według wynalazku ma ścianki a o długości zgodnie z normą określającą komórkę Hulla, gdzie a ma długość 63,5 mm, b i c od standartowych wymiarów są mniejsze o szerokość wnęki pomiarowej e - przykładowo o 10 mm. Ścianka d nie ma długości 103,2 mm, lecz jest przedłużona w jednym lub obu kierunkach, tak iż utworzone są wnęki pomiarowe WP1 i WP2. Jak widać na schemacie przedstawionym na fig 2 - przy ściance a umieszczona jest anoda A, zaś przy ściance d -katoda K. Dołączone są one odpowiednio do bieguna dodatniego "+" i ujemnego "-" źródła zasilania B. Pomiędzy anodą i katodą jest woltomierz, a pomiędzy anodą A i dodatnim biegunem źródła B znajduje się amperomierz i regulator R natężenia prądu płynącego przez urządzenie według wynalazku. W kolejnym przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 3 urządzenie ma wnękę pomiarową WP3 w narożu, wykonaną jako przedłużenie ścianki b o długość k - korzystnie o 100 mm i poszerzenie ścianki a o szerokość kieszeni e. Pozostałe wymiary ścianek c i d zastosowano jak w tradycyjnej komórce Hulla. Katoda jest zagięta tak, iż umieszczona jest wzdłuż ścianki d, czyli wchodzi we wnękę WP3. Korzystnie jest stosować jako katody dwie niezależne płytki metalowe o długości 100 mm, podpięte jednocześnie do źródła prądu. W kolejnym przykładzie wykonania urządzenie schematycznie przedstawione jest na fig 4 i ma wnękę pomiarową WP3 jak na fig. 3 i drugą wnękę WP4 wychodzącą z naroża ścian c i d, ale pod kątem do obu ścian różnym od kąta prostego. Nie przeszkadza to żeby wnęka WP4 była równoległa lub prostopadła do którejś ze ścian. Katoda K jest zgięta dwukrotnie i przebiega wzdłuż ścianki d oraz wchodzi we wnęki WP3 i WP4. W praktyce korzystnie jest stosować niezależne dwie lub trzy płytki metalowe o długości 100 mm, również podpięte jako katody. W kolejnym przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 5 urządzenie ma jedną wnękę pomiarową WP5. Jest ona wkomponowana tak, że wystaje ze ściany b. Katoda K w tym przypadku obowiązkowo jest dwuczęściowa i składa się z płytki K1 i K2. Obie są połączone do bieguna ujemnego źródła prądu B. Badanie właściwości kąpieli galwanicznej odbywa się następująco nie ograniczając zakresu wynalazku. P r z y k ł a d 1. Sporządzono kąpiel alkaliczną do galwanicznego nakładania cynku o składzie: tlenek cynku (ZnO) w ilości 12 g/dm 3 i wodorotlenek sodu (NaOH) w ilości 125 g/dm 3. Do kąpieli dodano czwartorzędowego alifatyczno-heterocyklicznego polimeru o nazwie handlowej wybłyszczacz Inwex-cynk Zn/04 w ilości 3 g/dm 3. Kąpiel przetestowano w urządzeniu do badania kąpieli galwanicznej, czyli w zmodyfikowanej komórce Hulla, o nazwie roboczej komórka HS-1 (Hulla-Szczepaniaka), której wygląd i dokładne wymiary podane są na rysunku 1. W komórce tej jednocześnie na dwóch niezależnych płytkach stalowych można dokonać zakresu osadzania powłok cynkowych o kreślonej jakości (obszaru roboczego kąpieli) i pomiaru zdolności krycia (wgłębności) kąpieli. Do komórki HS-1 wstawiono anodę cynkową o zawartości 99,98% Zn, o wymiarach 70 x 70 mm i grubości 3 mm i dwie płytki stalowe niskowęglowe dokładnie odtłuszczone, wytrawione i wypłukane o wymiarach 100 x 65 mm i grubości 0,4 mm, spięte
4 PL 207 675 B1 krótkim przewodem elektrycznym zakończonym dwoma metalowymi krokodylkami. Płytka stalowa ustawiona skośnie do anody służy do pomiaru obszaru roboczego kąpieli, tak jak w konwencjonalnej komórce Hulla, a płytka ustawiona prostopadle do anody służy do pomiaru zdolności krycia kąpieli (wgłębności). Komórkę podłączono do typowego prostownika laboratoryjnego, a następnie do komórki wlano 350 cm 3 kąpieli do galwanicznego cynkowania o powyższym składzie i testowano kąpiel przy temperaturze 25 C, w czasie 10 minut, przez komórkę płynął prąd o natężeniu 2A. Po tym okresie obie płytki stalowe opłukano w bieżącej wodzie i chromianowano na białoniebiesko w 3% firmowej kąpieli do pasywacji Inwex-pas 3Cr/03 w czasie 5 sekund, a następnie opłukano i wysuszono w temperaturze 70 C. W wyniku powyższych czynności uzyskano powłokę o dobrej plastyczności i przyczepności do podłoża i półpołysku w zakresie 0,2 do 5 A/dm 3. Zdolność rozpraszania osadzonego cynku na płytce prostopadłej do anody wyniosła po pasywacji 34 mm, można określić, że jest to umowne 34% maksymalnej wgłębności. W tym przypadku nie może być mowy o dowolnej interpretacji wyników pomiaru wgłębności kąpieli, ponieważ długość osadzonego metalu na płytce mierzy się linijką milimetrową. Wynik będzie taki sam dla dowolnej liczby osób dokonującej pomiaru lub może maksymalnie się różnić o 1 mm czyli zaledwie o 1%. P r z y k ł a d 2. Do kąpieli jak wyżej dodano 0,15 g/dm 3 dodatku blaskotwórczego - wybłyszczacz RDES-99/B i 2,5 g/dm 3 firmowego niwelatora WT i ponownie przetestowano w komórce według wynalazku w tych samych warunkach jak powyżej. Uzyskano powłokę o bardzo wysokim połysku w zakresie 0,1 do 10 A/dm 3. Umowna wgłębność na płytce prostopadłej do anody wyniosła 87%, czyli płytka na długości 87 mm była pokryta błyszczącą powłoką cynkową. W ten prosty, szybki i tani sposób można dokonać podstawowych badań właściwości kąpieli galwanicznych, dotyczy to nowo opracowywanych kąpieli jak i już eksploatowanych produkcyjnie. P r z y k ł a d 3. Sporządzono kąpiel chlorkową do nakładania cynku galwanicznego o składzie: chlorek cynku (ZnCb) w ilości 75 g/dm 3 chlorek potasu (KCl) w ilości 210 g/dm 3 i kwas borowy (HsBOs) w ilości 25 g/dm 3 Do powyższej kąpieli dodano firmowy wybłyszczacz RDES-99/AW w ilości 30 g/dm 3 i wybłyszczacz RDES-99/BA w ilości 2 g/dm 3. Kąpiel przetestowano w zmodyfikowanej komórce Hulla, o nazwie roboczej komórka HS-2, której dokładne wymiary podane są na rysunku 2. Do komórki HS-2 wstawiono anodę cynkową o zawartości 99,98 Zn o wymiarach 62 x 70 mm i grubości 2 mm i dwie płytki stalowe, niskowęglowe odtłuszczone, wytrawione i dobrze wypłukane o wymiarach 100 x 65 i grubości 0,3 mm. Płytka stalowa ustawiona ukośnie do anody służy do pomiaru roboczego kąpieli, a płytka stalowa ustawiona równolegle do anody służy do pomiaru zdolności krycia kąpieli (wgłębności). Do komórki HS-2 wlano 300 cm 3 kąpieli do galwanicznego cynkowania o powyższym składzie i testowano kąpiel przy temperaturze 30 C, w czasie 10 minut, a przez komórkę płynął prąd o natężeniu 1A. Po tym czasie pocynkowane płytki stalowe wyjęto i opłukano w bieżącej wodzie i chromianowano na żółto w 5% firmowej kąpieli Inwex-pas 3 Cr/04 w czasie 10 sekund. Płytki wypłukano i wysuszono w temperaturze 75 C, a następnie dokonano oceny wizualnej. Płytka służąca do oceny jakości obszaru roboczego kąpieli była barwy jasno żółtej równomiernie błyszcząca, pokryta cynkiem w zakresie od 0 do 8 A/dm 3. Płytka służąca do oceny pomiaru wgłębności była pokryta równomiernym cynkiem na długości 85 mm, co świadczy o bardzo dobrej wgłębności kąpieli cynkowej, dotychczas niespotykanej. P r z y k ł a d 4. Przykład porównawczy. Do badań użyto kąpiel chlorkową do cynkowania tylko z wybłyszczaczami renomowanej firmy zagranicznej. Do komórki HS-2 wlano 300 cm 3 i testowano w tych samych warunkach jak w przykładzie 2. Po pasywacji na żółto w tym samym roztworze jak w przykładzie 2 i w takim samym czasie chromianowania dokonano oceny płytek. Płytka służąca do oceny jakości obszaru roboczego posiadała dużo mniejszy połysk i była błyszcząca w zakresie 0,2 do 5 A/dm 3, poniżej 0,2 A/dm 3 była półbłyszcząca, zaś płytka służąca do oceny pomiaru wgłębności była pokryta tylko na długości 33 mm. W ten prosty, szybki i niepodważalny sposób możemy dokonać oceny właściwości różnych kąpieli galwanicznych, a zwłaszcza precyzyjnego pomiaru wgłębności i zakresu pracy.
PL 207 675 B1 5 Zastrzeżenia patentowe 1. Urządzenie do badania kąpieli galwanicznych, zawierające komórkę Hulla z anodą i co najmniej jedną katodą, znamienne tym, że zawiera dodatkowo co najmniej jedną z wnęk pomiarowych do pomiaru wgłębności kąpieli (WP1), (WP2), (WP3), (WP4), (WP5) lub ich kombinacje, wystającą z naroży i/lub ścian bocznych komórki, w której to wnęce pomiarowej (WP1), (WP2), (WP3), (WP4), (WP5) umieszczona jest katoda (K). 2 Urządzenie do badania kąpieli galwanicznych według zastrz. 1, znamienne tym, że katody (K) mają postać płytek prostych lub wygiętych pod kątem i usytuowane są tak, że wchodzą w obręb wnęk pomiarowych (WP1), (WP2), (WP3), (WP4), (WP5) oraz w obszar komórki Hulla. 3. Urządzenie do badania kąpieli galwanicznych według zastrz. 1, znamienne tym, że długość płytek katodowych jest większa od 10 mm i korzystnie wynosi 100 mm.
6 PL 207 675 B1 Rysunki
PL 207 675 B1 7
8 PL 207 675 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)