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Freitag, 19 Februar 2021 16:00

Anbrennungen bei der Verkupferung

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Geschätzte Lesezeit: 3 - 5 Minuten
Saure Kupfer-Elektrolyten verlangen sorgfältige Badpflege Saure Kupfer-Elektrolyten verlangen sorgfältige Badpflege Foto: Heinz Käsinger

Frage: An unserer Gestellanlage werden u.a. Aluminiumrohre (h:400 mm; d:150 mm) außen verkupfert und versilbert. Die Rohre werden innen mit Lack abgedeckt. Nach der Zinkatbeize werden sie chemisch vernickelt und anschließend 200–250 µm dick in einem schwefelsauren Kupferelektrolyt beschichtet. Bevor die Rohre versilbert werden, schleifen wir die Kupferschicht plan. Hier stellen wir in letzter Zeit fest, dass die Rohre immer mehr Verbrennungen aufweisen. Teilweise ist die Kupferschicht im Außenbereich derart schlecht, dass sie bis zum Nickel abbröselt / abreißt.

Täglich wird der Kupfergehalt analysiert und ergänzt. Dreimal die Woche kontrollieren wir den Gehalt der Schwefelsäure. Dieser ist, im Rahmen der Badbelastung, relativ konstant. Der Kupfergehalt hingegen schwankt ziemlich stark, obwohl die Anoden regelmäßig nachgefüllt werden.

Der Kupfergehalt wird auf 20 g/L eingestellt. Der Schwefelsäuregehalt liegt bei 100 ml/L. Die Aluminiumrohre wurden bei 4 A/dm2 verkupfert, mittlerweile haben wir sie halbiert.

Durch die Anbrennungen steigen der mechanische Aufwand und die interne Nacharbeit massiv an. Aufgrund der geringeren Stromdichte wird die Metallabscheidung zunehmend unwirtschaftlich. Welche Ursachen und Maßnahmen könnte es für dieses Problem geben?

Antwort: Wie so oft gibt es auch hier mehrere Ursachen für das Problem. Auffällig ist, dass Sie bei den angegebenen Analysen einen wichtigen Wert nicht erwähnen: das Chlorid!

Außerdem arbeitet bei einer Stromdichte von 4 A/dm2 mit 20 g/L Kupfer der Elektrolyt im Grenzbereich. 2 A/dm2 ist die übliche Einstellung bei dem Metallgehalt. Bei dieser kathodischen Stromdichte beträgt die Abscheidegeschwindigkeit rund 0,44 µm/min. Obwohl Sie die kathodische Stromdichte so hoch gewählt haben, sollten die Probleme bei der Abscheidung nicht so massiv sein. Die anodische Stromdichte sollte bei 0,5–2,5 A/dm2 liegen.

Chloridgehalt

Der Chloridgehalt sollte bei 50–80 mg/L liegen und wird meist auf 60 mg/L eingestellt. Chlorid unterstützt die Arbeitsweise der Kupferbadzusätze und sichert eine gleichmäßige Auflösung der Anode. Ist der Gehalt zu niedrig, steigt das Wachstum von Dendriten im hohen Stromdichtebereich.

Problematischer ist ein zu hoher Chloridgehalt. Da er sich im Milligramm Bereich befinden sollte, kann es hier schnell zu einer Überdosierung kommen. Werte über 100 mg/L sind in schwefelsauren Kupferelektrolyten als kritisch zu sehen. Ein zu hoher Chloridgehalt verursacht Anodenpolarisation, die durch einen weißen Anodenbelag sichtbar wird.

Die Polarisation führt zu einer geringen Lösligkeit der Anoden, was zu einer Metallverarmung führt. Da ihr Kupfergehalt bei 20 g/L liegt, kommen Sie bei 4 A/dm2 schnell in einen Bereich, in dem die von Ihnen beschriebenen Anbrennungen auftreten können. Dies ist nicht verwunderlich, da bei einer mittleren Schichtdicke von 220 µm pro Aluminiumrohr circa 371 g Kupfer abgeschieden werden.

Bei Einsatz von neuen Anoden ist während der Formierungsphase mit einem erhöhten Chloridverbrauch zu rechnen. Der Chloridgehalt sollte in dieser Phase regelmäßig analysiert und korrigiert werden.

Der Chloridgehalt kann durch eine potentiometrische Analyse bestimmt werden. Durch Zugabe von 2,5 ml konzentrierte Salzsäure je 100 L Bad wird der Chloridgehalt um 10 mg/L erhöht.

Anoden

Zum Einsatz kommen phosphorhaltige Kupferanoden mit einem Phosphorgehalt von 0,04–0,06 %, die mit Anodenbeuteln aus geeignetem, säurefestem Material zu umhüllen sind. Die Anodenoberfläche soll stets mindestens so groß sein wie die Warenoberfläche.

Bei neu eingesetzten, ungebrauchten Anoden wird empfohlen, das Bad einige Stunden bei Raumtemperatur und einer Stromdichte von etwa 1 A/dm² durchzuarbeiten, da neue, nicht eingearbeitete Anoden dazu neigen können, einen feinen Schlamm auszubilden, der auch die Anodenbeutel durchdringen kann.

Ist die anodische Stromdichte zu hoch (> 2,5 A/dm2), kann es ebenfalls zu Passivität mit den oben beschriebenen Folgen kommen. Sollte dies der Fall sein, ist die Anodenoberfläche zu vergrößern. Gleiches kann bei einem zu hohen Sulfatgehalt geschehen.

Selbst wenn der Chloridgehalt nach Analyse i.O. oder leicht erhöht ist, raten wir dringend dazu, die Anoden gründlich zu kontrollieren und ggf. zu reinigen.

Der Vollständigkeit sei gesagt, dass Anbrennungen ebenso bei einem Mangel an Zusätzen und einer niedrigen Elektrolyttemperatur auftreten können. Aufgrund der Schilderung des Problems schließen wir dies aber aus.

Badpflege und Wartung

Der Chloridgehalt sollte unbedingt im selben Intervall wie Kupfer und Schwefelsäure analysiert und ergänzt werden. Außerdem empfehlen wir wöchentlich ein Hullzellenblech und mindestens zweiwöchentlich einen Durchlichttest oder die Untersuchung mittels Winkelkathode.

Der Durchlichttest erfolgt in einer Plexiglasprüfzelle (Volumen 1,25 Liter) mit Lufteinblasung. Die Stromdichte beträgt 1 A/dm2, die Expositionszeit 5 Minuten.

Mit einer Winkelkathode werden i. d. R. zwei Bleche gefahren. Eines bei 1 A/dm2 und 5 Minuten und ein zweites bei 2 A/dm2 und 60 Minuten. Neben der Optik und der Schichtdickenverteilung lässt sich beim ersten Blech hervorragend die Duktilität testen. Das zweite Blech gibt Auskunft über den Schichtaufbau bei hoher Schichtdicke. Die mittlere Schichtdicke liegt hier bei circa 26 µm.

Höhere Stromstärken sind nicht sinnvoll, da im kleinen Volumen die Strömungszustände und somit die Nachlieferung der Metallionen nur schwer simuliert werden können. Eine genauere Auskunft über dieses Verhalten kann näherungsweise über das Hullzellenblech ermittelt werden. Hierfür werden polierte Messingbleche verwendet. Bei einem Badvolumen von 250 ml wird bei 1,5 A 15 Minuten lang metallisiert. Die Anbrennzone liegt circa 5 mm im hohen Stromdichtebereich (lokal liegt die Stromdichte bei 10 A). Das heißt: Anbrennungen sind in dieser Zone normal. Die restliche Oberfläche muss gleichmäßig, je nach Zusätzen sogar glänzend sein.

Um etwas mehr Sicherheit im hohen Stromdichtebereich zu haben, empfehlen wir, den Kupfergehalt auf 25 g/L zu erhöhen. Bei der Luftbewegung im Elektrolyt empfehlen wir eine Luftmenge von 3–6 m3/ h /m Rohrlänge. Die Filtration muss kontinuierlich, bei mindestens 2–3 Badvolumina je Stunde, erfolgen.

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 2
  • Jahr: 2021
  • Autoren: B. C.

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