The electrodeposition of Zn-Cr alloys

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Wirkung von anorganischen und organischen Additiven wie Magnesium- und Aluminiumsalzen sowie Polyethylenglykol (PEG) auf die Zusammensetzung der galvanischen Zn-Cr Legierungsschichten. Die vorliegende Arbeit ist Teil eines ECHEM- Kooperationsprojektes mit Industriepartnern (voestalpine AG, Andritz AG und Robert Bosch GmbH) dessen Hauptziel die Suche nach Alternativen zur Chromatierung von Zinkoberflächen ist.<br />Aufgrund vorangegangener Forschungsarbeiten wurde das Zn-Cr Legierungssystem untersucht. Die experimentellen Arbeiten wurden an einer rechnergesteuerten Anlage mit der rotierenden Zylinder Elektrode (RCE) und an zwei Strömungszellen durchgeführt. Die Einflüsse von Elektrolytzusammensetzung, Stromdichte und Strömung wurden sorgfältig analysiert. Die Zn-Cr Legierungszusammensetzung wurde mit XRF und REM bestimmt. Zusätzliche Kriterien waren Qualität und optisches Erscheinungsbild der Beschichtungen. Die Stromausbeute wurde gravimetrisch ermittelt. Für Beschichtungen mit PEG wurden auch Korrosionstests wie z.B.<br />Salzsprühtests oder der VDA Klimatest durchgeführt.<br />Es konnte gezeigt werden dass Zn-Cr Legierungen sowohl mit organischen als auch mit anorganischen Additiven wie Mg2+ oder Al3+ abgeschieden werden können. Werden Aluminiumsalze als Additiv verwendet, ist der Chromgehalt generell höher als bei Magnesiumsalzen. Bei Aluminiumsalzen wurde eine stärkere Abhängigkeit des Chromgehalts von der Rotationsgeschwindigkeit der Zylinderelektrode beobachtet, während dieser Effekt bei den Magnesiumsalzen kleiner ist. Der Chromgehalt der Legierungen, die mit PEG hergestellt wurden, hängt vom Verhältnis Zn:Cr im Bad und von der Stromdichte ab. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die galvanische Abscheidung von Zn-Cr Schichten mit Hilfe von anorganischen Additiven möglich ist, allerdings wiesen diese Schichten generell eine schlechtere Qualität aufgrund nichtmetallischer Einschlüsse auf. Die mit PEG hergestellten Schichten wiesen eine glänzende, helle Oberfläche auf. Die Haftung dieser Schichten war in der Regel ausgezeichnet. Die Korrosionstests zeigten dass die Zn-Cr Legierungen aus den Bädern mit PEG signifikant bessere Korrosionsergebnisse zeigten als die Standard-Zinklegierungen.<br />Für eine industrielle Anwendung muss die Stabilität von PEG noch weiter untersucht werden. Ebenso sind weitere Untersuchungen an den Bädern mit anorganischen Additiven und auch Erforschung des Mechanismus notwendig.

The aim of this work was to investigate the influence of different inorganic and organic additives such as magnesium and aluminium salts and polyethylene glycol (PEG), on the composition of electrodeposited Zn-Cr alloys. The work presented in this thesis is a part of a project with industrial partners (voestalpine AG, Andritz AG and Robert Bosch GmbH) where one of the main goals was to search for an alternative to the chromate conversion layers for zinc. According to the previous research done on this project the investigation and studies in this work were limited to the Zn-Cr alloy system. A rotating cylinder electrode and two flow cell systems, with a computer controlled experimental set-up, were used for the research work. The effects of the electrolyte composition, the current density, the rotational velocity of the cathode or a flow rate of the electrolyte, respectively on the coatings were extensively investigated. The composition of the Zn-Cr alloy layers was analysed by the XRF and SEM methods. As an additional criteria, the quality and appearance of the electrodeposited layers were reviewed. The current efficiency of the Zn-Cr electrodeposition was obtained by the gravimetric method. The corrosion tests, like the salts spray test or the VDA cyclic climate test, were carried out for the deposits obtained in the presence of the PEG. It could be shown that the Zn-Cr alloys can be deposited either with an organic or some inorganic additives like Mg2+ or Al3+ salts. The chromium content of the layers is generally higher in the presence of aluminium salt as a bath additive, than in the case with magnesium salt.<br />In the case of aluminium salt additive, a stronger dependency of the Cr content on the rotational velocity of the cathode was observed, while in the presence of the magnesium salt this effect was smaller. The chromium content, in the alloys obtained in the presence of the PEG, depends on the ratio of Zn:Cr in the electrolytic bath, and on the used current density. The experimental results proved that the electrodeposition of the Zn-Cr alloys is also possible from the solutions with inorganic additives, but with a generally lower quality, due to non-metallic fractions in the deposits. The deposited Zn-Cr alloys with the PEG have a smooth, frequently glossy surface and the bright appearance. The adhesion of the layers deposited with PEG was generally very good. The corrosion tests show that the corrosion resistance of the Zn-Cr alloys deposited in the presence of the PEG is significantly higher than the resistance of the standard Zn alloys. For an industrial scale of the experiments, subsequent research investigations concerning the stability of PEG should be carried out. In addition, further research with the inorganic additives and mechanistic studies would be required.