Zinn‐Zink Legierungsschichten in der praktischen Anwendung
Slotoloy ZSN 20Erfahrungswerte aus der Praxis
Dr. Heitmüller – Surface Technology Germany 2018
Technische Informationen:Zinn‐Zink Legierungsschichten
DuktilGute SchweißbarkeitGute LeitfähigkeitVerminderung von Kontaktkorrosion (Fe/Al)Passivierbar (auch Chromatierbar (veraltet))
Geringe Beständigkeit gegen Weissrost Blasenbildung bei höheren Temperaturen
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SLOTOLOY ZSN 20
Zinn‐Zink Legierungsschichten
• schwach saurer (pH 3,8 ‐ 5,0)• fluoridfreier Elektrolyt • matte bis halbglänzender Überzüge • optimale Arbeitstemperatur liegt bei 40 °C• die Stromausbeute beträgt ca. 80 %• weiter (variabler) Legierungsbereich• Beschichtung von Massenware in Trommel
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70
75
80
85
90
95
100
43,43 64,93 81,04
Stromau
sbeu
te in
%
Legierung in % Sn
SA
Abhängigkeit der Stromausbeute von der Legierungszusammensetzung bei 1A/dm²
Zinn‐Zink Legierungsschichten
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SLOTOLOY ZSN 20
Zinn‐Zink Legierungsschichten
Einsatzgebiet:Vermeidung von Al/Fe Kontaktkorrosion
(optimale Korrosionsbeständigkeit bei 70 ‐ 90 % Sn)
Schmelzpunkt für die eutektische Zink‐Zinn Legierung (91 % Sn, 9 % Zn) beträgt 197 °C,
daher beginnt auch für nicht‐eutektische Legierungen (z.B. 70 % Sn, 30 % Zn) bei 197 °C der Schmelzvorgang.
Mit Blasenbildung ist ab 150 °C zu rechnen.Dr. Heitmüller Surface Technology Germany 2018 5
Zinn‐Zink Legierungsschichten
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VerfahrensablaufSlotoloy ZSN 20
Stahl‐Beschichtung
SpülenSpülen
AnodischeEntfettung
Neutralisierenverd. HCl
SLOTOLOYZSN 20
Aktivieren(verd. HNO3 o.
verd. HCl)
Passivieren
Trocknen
Flutentfetten
Beizen
Spülen
Spülen
Spülen
Spülen
Zinn‐Zink Legierungsschichten
Bereich OptimumAnsatzkonzentrat SLOTOLOY ZSN 21 300 ‐ 450 350 g/lZinn (je nach gewünschter Leg.) 1,0 ‐ 1,8 1,4 g/lZink 25 ‐ 40 33 g/lBorsäure 10 ‐ 50 30 g/lKaliumchlorid 40 ‐ 50 45 g/lZusatz SLOTOLOY ZSN 22 35 ‐ 50 40 ml/lZusatz SLOTOLOY ZSN 23 0 ‐ 2 1,5 ml/lZusatz SLOTOLY ZSN 26 0 ‐ 40 ‐‐ ml/lpH‐Wert 3,8 ‐ 5,0 4,0Temperaturbereich 35 ‐ 50 40 °Ckathodische Stromdichte 0,3 ‐ 0,7 0,5 A/dm²anodische Stromdichte < 1 A/dm²Abscheidegeschwindigkeit bei 40 °C 0,4 µm/min. bei 1 A/dm²
Slotoloy ZSN 20Konzentration und Arbeitsbereiche
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Instandhaltung und WirkungsweiseZinn‐Zink Legierungsschichten
Zinn Steuerung der Legierung durch den Zinngehalt(in Abhängigkeit der gewünschten Legierung 1,0 – 1,8 g/l
Eine regelmäßige analytische Kontrolle ist erforderlich
Verwendung von Zinnkonzentraten zur Erhöhung bzw. Aufrechterhaltung des Zinngehaltes:Zinnkonzentrat FS enthält 100 g/kg bzw. 125 g/l Zinn, Zinnkonzentrat FS 20 enthält 200 g/kg bzw. 310 g/l Zinn.
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Instandhaltung und WirkungsweiseZinn‐Zink Legierungsschichten
Zink geringer Einfluss auf Legierung
Bei (gemäß Gebrauchsanweisung) neu angesetzten Trommelelektrolyten liegt ein Zinkgehalt von ca. 33 g/l vor.Eine regelmäßige analytische Überwachung des Zinkgehalts ist erforderlich. Eine Korrektur erfolgt mit Zinkchlorid.
KCl Gehalt steuert die LeitfähigkeitMangel bewirkt eine Erhöhung der BadspannungErgänzung erfolgt nach Analyse bzw. Erhöhung der Spannung in Schritten von 10 g/l bis auf max. 50 g/l Kaliumchlorid
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66,572,2 78,8 85,1 90,8 96,6
90101
109,3119,3 124,5
136,6
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 10 20 30 40 50
Leitfäh
igkeit (m
S/cm
)
Leitsalz KCL g/l
20°C
40°C
LeitfähigkeitZinn‐Zink Legierungsschichten
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Instandhaltung und WirkungsweiseZinn‐Zink Legierungsschichten
Borsäure Pufferung des pH‐Wertes
Gehalt liegt zwischen 10 ‐ 50 g/l und ideal bei 30 g/l. Regelmäßige analytische Kontrolle ist erforderlich.
pH‐Wert 3,8 ‐ 5,0 (Optimum 4,0)
Ist pH‐Wert zu niedrig (mit verdünnter Kalilauge korrigieren), kann es zu Ausfällungen kommen. Ist der pH‐Wert zu hoch (mit verdünnter Salzsäure korrigieren), wird die Abscheidung zu zinkreicheren Legierungen verschoben.
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Legierung in Abhängigkeit vom pH‐Wert
0102030405060708090
100
3,5 4 5
Sn‐Legierungs‐An
teil in %
pH‐Wert
mit Borsäure
ohne Borsäure
Zinn‐Zink Legierungsschichten
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Instandhaltung und WirkungsweiseZinn‐Zink Legierungsschichten
ASK SLOTOLOY ZSN 21 Komplexierung
wird überwiegend durch Ausschleppung verbrauchtBei zu hohen Konzentrationen neigt der Elektrolyt zum Auskristallisieren und die Verbrauchskosten durch stärkere Ausschleppungsverluste steigen
SLOTOLOY ZSN 22 gleichmäßige feinkörnige, seidenmatte Abscheidung sowie Stabilisierung der LegierungEine regelmäßige analytische Kontrolle ist erforderlich.
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Instandhaltung und WirkungsweiseZinn‐Zink Legierungsschichten
SLOTOLOY ZSN 23 starker Einfluss auf LegierungKonzentrationen von 0,5 ‐ 2,0 ml/l liefern gleichmäßige, halbglänzende Zinn‐Zink Überzüge; ein Mangel führt zu matten Abscheidungen, der Zinnanteil in der Schicht steigt
Abbau durch Standzeiten und hohe Temperaturen(bei Arbeitsbeginn 1,0 ml/l SLOTOLOY ZSN 23 zugeben)kontinuierlich bzw. automatisch nach Durchsatz dosieren
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Instandhaltung und WirkungsweiseZinn‐Zink Legierungsschichten
SLOTOLOY ZSN 26 Klärung des Elektrolyten
Bei Zugabe von Kaliumchlorid, Anstieg der Metallkonzentrationim Bad oder durch Temperaturerhöhung kann es zur Eintrübungdes Bades kommen. Zugabe von SLOTOLOY ZSN 26 in Schrittenvon 5 ml/l drängt Eintrübung zurück. Das Bad ist wieder klar.
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Instandhaltung und WirkungsweiseZinn‐Zink Legierungsschichten
Anoden LegierungsanodenAlternativ Zink‐ bzw. Zinnanoden mit getrennten StromkreisenPotentialdifferenz: Zinn zementiert auf Zinkanoden aus (Belagvon Zeit zu Zeit entfernen)A‐Beutel ratsam (Anodenschlamm vermeiden),aber: bei unzureichender Durchlässigkeit bildet sich weißer aufBelag den Zinnanoden, dann Anodenbeutel mit gröberemGewebe einsetzen, bzw. die Anodenbeutel entfernen. InRuhepausen die Zinkanoden aus Elektrolyten entnehmen.
Achtung: Einsatz von unlöslichen Anoden, z.B. platinierte Titananoden, führt zur Bildung von Chlorgas!
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ArbeitstemperaturZinn‐Zink Legierungsschichten
Temperaturbereich 35 ‐ 50 °C. (Optimum 40 ± 2 °C)
Bei steigender Temperatur verstärkter Zinneinbau,Anstieg der anwendbaren kathodischen StromdichteVerbesserung der kathodische Stromausbeute
Verbrauch an SLOTOLOY ZSN 23 nimmt mit steigender Temperatur deutlich zu.
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Temperatureinfluss auf Legierungszusammensetzung
40
50
60
70
80
90
100
35 40 45
Legierun
gsan
teil Sn(%
)
Temperatur in °C
0,5 A/dm²0,75 A/dm²1 A/dm²
Zinn‐Zink Legierungsschichten
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Fehlerbeseitigung im SLOTOLOY ZSN 20
Zinn‐Zink Legierungsschichten
Fehler Mögliche Ursache BeseitigungStarkeSchaumbildung
starker Lufteintrag im Bad Zugabe EntschäumerKonzentration von Zusatz SLOTOLOY ZSN 22 zu hoch
Dosierung stoppen
Kath. Stromausbeute niedrig Gesamtstrom reduzieren
Kath. Stromdichte zu hochstarker weißer Belag auf Zinnanoden
Elektrolytaustausch an den Anoden zu gering
gröberes Anodengewebe; Rücklösung (Ruhephasen)
Mangel an Ansatzkonzentrat SLOTOLOY ZSN 21
analysieren und auf Sollwert einstellen
anodische Stromdichte zu hoch
Stromreduzierung , vermehrter Einsatz von Zinnanoden (Anzahl hoch)
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Fehlerbeseitigung im SLOTOLOY ZSN 20
Zinn‐Zink Legierungsschichten
Fehler Mögliche Ursache Beseitigungfalsche Legierungs‐zusammensetzung
falsches Metall‐Verhältnis im Bad
Zn‐ und Sn‐Gehalt analysieren/einstellen
Temperatur zu hoch bzw. zu niedrig
Temperatur kontrollieren und einstellen
Trommel dreht zu schnell Umdrehungen reduzierenMangel an Zusatz SLOTOLOY ZSN 23
Zugabe von 1 ‐ 1,5 ml/l Zusatz SLOTOLOY ZSN 23
kathodische Stromdichte zu niedrig
Gesamtstrom erhöhen bzw. Trommelfüllung reduzieren
pH‐Wert zu hoch oder zu niedrig
pH‐Wert kontrollieren und einstellen
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Fehlerbeseitigung im SLOTOLOY ZSN 20
Zinn‐Zink Legierungsschichten
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Komplexometrische Titration zur Zinkbestimmung
Iodometrische Titration zur Zinnbestimmung
Fehlerbeseitigung im SLOTOLOY ZSN 20
Zinn‐Zink Legierungsschichten
Fehler Mögliche Ursache Beseitigungmatte Abscheidung über den gesamten Stromdichtebereich
Temperatur zu hoch Temperatur kontrollieren und einstellen
Mangel an ZusatzSLOTOLOY ZSN 23
Zugabe von 1 ‐ 1,5 ml/l Zusatz SLOTOLOY ZSN 23
flockiger Niederschlag im Bad
Mangel an Ansatzkonzentrat SLOTOLOY ZSN 21
Konzentration von Ansatzkonzentrat SLOTOLOY ZSN 21 analysieren und auf Sollwert einstellen
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Fehlerbeseitigung im SLOTOLOY ZSN 20
Zinn‐Zink Legierungsschichten
Fehler Mögliche Ursache Beseitigungschlechtes Passivierverhalten
LegierungsverhältnisZinn‐Zink nicht optimal
Legierung bestimmen und ggf. korrigieren (optimale Ergebnisse liegen bei 75 ‐ 65 % Zinn)
unzureichende Aktivierung Aktivieren in 0,5 %‐igerHNO3 (Raumtemperatur; 30 sec.)
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Passivierung von Zinn/Zink Schichten aus Slotoloy ZSN 20
Sn/Zn mit GelbchromatierungSlotopas SL 10
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Sn/Zn ohne Passivierung
Sn/Zn mit Passivierung ZNT 21
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Kontaktkorrosionsversuche ‐Korrosionsprüfung DIN 50 021 SS
Versuchsbeginn nach 1756 Stunden
Beschichtete Stahlschraube in Aluminiumblech SnZn(Fe)/Al
Zinn‐Zink Legierungsschichten
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0 2 4 10 10
30 30
40 40
50 50
75 75
0 5
35
50
80
85
95 95 95 95 95
80
100
100
100
100
100
100
100
100
100
100
0102030405060708090100
24 48 72 96 120 144 216 376 544 748 1012 1756 2400
% W
eissrost
Prüfdauer in h
Beurteilung des Weißrosts in %
SL 10
ZN T 20
ohne PassivierungLegierung: 69 ‐ 73% Sn/31 – 27 % ZnSchicht: 8,5 – 10,5 µm
Zinn‐Zink Legierungsschichten
Korrosionsprüfung DIN 50 021 SS
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Passivierte Polanschlüsse
Zinn‐Zink Legierungsschichten
Stromdichte 1 A/dm²61 % Sn
feinkristalline, seidenmatte Abscheidung
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Passivierte Polanschlüsse
Zinn‐Zink Legierungsschichten
Materialkontrastaufnahme:Dunkle Bildpunkte stellen die
Zinkkristalle dar
Gleiche Probe wie Bild vorher
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gleichmäßige, feinkristalline Abscheidung
Zinn‐Zink Legierungsschichten
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Darstellung Schichtaufbau im Stickstoffbruch
Stickstoffbruch ‐MaterialkontrastDarstellung der Probe im Materialkontrast
genaue Zuordnung der Kristalle zu Sn oder Zn nicht möglich, da wegen der rauen Bruchfläche teilweise Schattenbildung vorliegt.
Zinn‐Zink Legierungsschichten
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Stickstoffbruch ‐Materialkontrast
Gleiche Probe, stärkere VergrößerungErkennbar keine Mischkristallbildung, sondern Zinn und Zink werden nebeneinander abgeschieden
Zinn‐Zink Legierungsschichten
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Zusammenfassung
Zinn‐Zink Legierungsschichten
matte bis halbglänzender Überzüge Gute Schweißbarkeit
Verminderung von Kontaktkorrosion (Fe/Al)Passivierbar
Guter Korrosionsschutz (RR)variabler Legierungsbereich
bei 70 ‐ 90 % Sn optimale KorrosionsbeständigkeitBeschichtung von Massenware in TrommelGeringe Beständigkeit gegen Weissrost
Blasenbildung bei höheren Temperaturen
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