CN103108995B - 镍pH值调整方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于调整镀镍浴中镀镍液的pH并补充镍的电解槽及其使用方法。该电解槽包括用于接收来自镀镍浴的镀镍液的入口；与第一总线连接的经冷却的阴极，该第一总线与电源的负极端连接；在施加电流时能够在该经冷却的阴极上制造氢气的多个镍阳极，其与至少一个第二总线连接，该至少一个第二总线与电源的正极端连接；和用于将电解槽中的镀镍液送回镀镍浴的出口。

Description

镍pH值调整方法及设备
技术领域
本发明涉及镀镍浴中pH的调整及控制。
背景技术
电镀为将金属涂层施加于导电性基板的已知方法。该方法使用充填含有金属盐的电解质的浴、至少一个金属阳极、和直流电流源(如整流器)。欲涂覆的工件作为阴极。
镍电镀需要将镍沉积在浸入电解质溶液中作为阴极的部件上，同时镍阳极则以镍离子的形式溶于电解质中并通过溶液而沉积在阴极表面上。
常用的镍电镀浴包括光亮镀镍浴、半光亮镀镍浴等。光亮镀镍浴因其覆盖基底金属中缺陷的能力(例如整平)而用于在基板上提供装饰性外观。光亮镀镍浴用于汽车、电子、家电、五金及需要光亮表面的其它产业中。半光亮镀镍浴用于不需要亮度的工程目的，且部分原因是其易于抛光而被开发。
最常用的镀镍浴公知为瓦特(Watt)浴，且一般含有约20～40盎司/加仑(oz/gal)的硫酸镍、4～12盎司/加仑的氯化镍、及4～6盎司/加仑的硼酸。瓦特浴一般在约2～5的pH范围内并在20～100asf的电流密度下操作。其它电镀浴(举例而非限制的)包括高氯化物溶液、全氯化物溶液、氟硼酸盐溶液及氨基磺酸盐溶液。
氨基磺酸镀镍浴基于氨基磺酸的镍盐，且该浴的pH使用氨基磺酸、氧化镍或碳酸镍来调整。由此类浴获得的镍涂层典型地呈现出非常低的应力值和高延伸率。此浴的一个优点为其可在较高的镍浓度(例如约180～200克/升)下操作，从而可以使用高电流密度而不损失涂层的性质。氨基磺酸镍浴一般包含约40～60盎司/加仑氨基的磺酸镍、0～4盎司/加仑的氯化镍、和4～6盎司/加仑的硼酸，且在3.5～4.5的pH范围内并以5～260asf的电流密度操作。高镍浓度的氨基磺酸盐电解质允许在高电流密度(高沉积速率)下进行电镀。
不论使用何种形式的镍电镀浴，经常需要对镀镍浴进行化学添加以增加浴中的pH和补充镍浓度。
如以上所讨论，光亮及半光亮镀镍浴一般在3.5～4.5的pH范围内操作。由于阴极效率稍微低于阳极效率，故pH一般在操作期间缓慢地上升。碳酸镍为优选的pH调整剂，因为其在低于4.0的pH下易溶解。此外，就物理性质而言，电镀浴的温度范围很重要，其与搅拌一起有助于将浴成分保持混合和溶解。如果温度太高，则添加试剂消耗增快，从而增加操作成本及电镀问题。如果温度太低，则浴中的硼酸可能开始沉淀且增亮剂不能有效地响应。
在典型的电镀操作中，将一系列金属阳极悬挂于一个或多个阳极总线上，同时将欲电镀的工件浸于电镀浴中并且与阴极总线连接。DC电源的负极端连接阴极总线，而该电源的正极端则连接阳极总线。调整电源的电压，以对阴极工件提供最适的电流密度。
大部分镀镍法都以可溶性镍阳极材料操作。来自阳极的镍被转化成为离子，其进入电镀浴中以取代在阴极处排出的镍离子。此外，阳极也将电流分布于欲电镀的工件上而影响金属分布。不溶性阳极，也称为惰性阳极，在电解期间不溶解，因为不溶性阳极由惰性材料组成。典型的不溶性阳极包括镀铂钛、镀铂钽、镀铂铌、钛、铌、不锈钢和其它惰性材料。
如以上所讨论，满足阳极要求的最简单的方式之一为将镍棒悬挂在置于阳极棒上的吊钩上而将镍浸入电镀液中。虽然可使用棒或电解片作为阳极，但也可使用阳极篮，如钛阳极篮。该钛篮一般由经固态钛片强化的钛网所制成。该网有利于镀镍液自由流动。
惰性阳极电镀法需要在电解液中补充阳离子。因此在电镀镍中使用惰性阳极会造成浴的pH降低及镍金属浓度降低。对应地，向镀浴中加入碳酸镍和/或碳酸锂以增加pH。然而这些化学物质昂贵且难以溶解。可以加入硫酸镍和/或氯化镍以补充电镀浴中的镍金属。然而，该pH调整化学物质比镍金属更昂贵。
因此，希望提供一种克服了现有技术的一些缺点的增加镀镍浴的pH并补充电镀浴中镍金属的方法。
发明内容
本发明的一个目的为提供一种用于调整镀镍浴的pH的改良方法。
本发明的再一个目的为提供一种补充镀镍浴中的镍的改良方法。
本发明的另一个目的为提供一种用于调整镀镍液的pH并补充镍的电解槽。
本发明的又一个目的为提供一种不需要添加金属盐的补充镀镍浴的方法。
为此，在一个优选的实施方式中，本发明一般地涉及一种用于调整镀镍液的pH并补充镍的电解槽，该电解槽包括：
a)用于接收来自镀镍浴的镀镍液的入口；
b)经冷却的阴极；
c)在施加电流时能够在该经冷却的阴极上制造氢气的多个镍阳极；和
d)用于将电解槽中的镀镍液送回镀镍浴的出口。
在另一个优选的实施方式中，本发明涉及一种调整镀镍液的pH和镍含量的方法，该方法包括步骤：
a)将一部分镀镍液从镀镍浴转移至电解槽，该电解槽包括经冷却的阴极和在施加电流时能够在该经冷却的阴极上制造氢气的多个镍阳极；
b)对该镍阳极和该经冷却的阴极施加一段时间的电流，以增加镀镍液的pH，其中该电解槽通过镍阳极的溶解而补充镍；和
c)将该电解槽中的镀镍液送回镀镍浴。
附图说明
为了更完整地了解本发明，需结合附图并参考以下说明，其中：
图1描述了本发明一个优选实施方式的电解槽的示意图。
另外，虽然在各图中没有标示出所有的组件，具有相同附图标记的所有组件表示类似或相同的部件。
具体实施方式
本发明涉及一种包括镍阳极、铜电连接、整流器和经冷却的阴极的电解槽，其通过镍阳极的溶解而用于增加镍浴的pH并补充镍浴中的镍。
在一个实施方式中，本发明涉及一种用于调整镀镍液的pH并补充镍的电解槽10，该电解槽10包括：
a)用于接收来自镀镍浴的镀镍液的入口12；
b)与第一总线44连接的经冷却的阴极14，该第一总线与电源40的负极端连接；
c)在施加电流时能够在经冷却的阴极14上制造氢气的多个镍阳极16，其与至少一个第二总线42连接，该至少一个第二总线42与电源40的正极端连接；和
d)用于将电解槽10中的镀镍液送回镀镍浴的出口18。
如以上所讨论，各镍阳极16与至少一个第二总线42连接，该至少一个第二总线与电源40的正极端连接。此外，至少一个经冷却的阴极14与第一总线44连接，该第一总线与电源40的负极端连接。电源40还包括用于将交流电转化成直流电的整流器，且在带正电的镍阳极16与带负电的阴极14之间流动的直流电使镍阳极16溶解。
电解槽10一般维持在约70°F～约150°F，更优选约130°F～约140°F的温度。
多个镍阳极16优选包含多个镍阳极篮，使得镀镍液可自由地流动通过电解槽10。
该至少一个阴极14一般维持在低于约100°F，更优选低于约90°F的温度，且优选为由钛、不锈钢或钢构成。在一个优选的实施方式中，该至少一个阴极14是通过至少一条含有冷冻水的导管30所提供的冷冻水在由阴极14所形成的腔内进行循环而得到冷却的。阴极14也可通过将该阴极连接至经水冷的总线44而冷却，其中冷冻水通过总线44的全长。优选地，经冷却的阴极14包括供冷水循环通过的内腔。
此外，在阴极14上优选施加大于约150asf的电流密度，更优选地为大于约250asf的电流密度。
在另一个实施方式中，本发明涉及一种调整镀镍液的pH和镍含量的方法，该方法包含步骤：
a)将一部分镀镍液从镀镍浴转移至电解槽，该电解槽包含经冷却的阴极和在施加电流时能够在该经冷却的阴极上制造氢气的多个镍阳极；
b)对该镍阳极和该经冷却的阴极施加一段时间的电流以增加电解槽中镀镍液的pH，其中该电解槽通过镍阳极的溶解而补充镍；和
c)将该电解槽中的镀镍液送回镀镍浴。
此处所述的电解槽10的镍溶解效率为95～100％，且镀镍效率小于5％。阴极反应主要为将氢离子还原成氢气。
Ni0→Ni+2+2e-阳极反应
H+2e-→H2T阴极反应
电解槽10以镍离子取代氢离子，从而使得pH和镍浓度增加。镍金属将以90～95％的效率从典型的镀镍浴中镀出。相反地，此处所述的电解槽因蓄意地改变了电流密度和阴极温度而将阴极的镀镍效率降至小于5％。
在一个优选的实施方式中，大于150安/平方英尺(amp/ft2)的阴极电流密度结合低于100°F的阴极温度本质上消除了阴极处的镀镍。更优选地，希望阴极电流密度大于250安/平方英尺且阴极温度低于90°F。
因此，现有技术通过向浴中添加碳酸镍或碳酸锂来控制镀镍浴的pH，而本发明则使用电解槽来控制pH并补充镍，并且可基于所需的pH调整量来决定大小。例如，在一个优选的实施方式中，电解槽具有400安的电容量，其一般可类似于每小时添加1磅碳酸锂和每小时1磅镍金属而调整镀镍液的pH。
虽然使用此处所述的方法能够处理各种镀镍液，但在一个实施方式中，镀镍液包含半光亮镀镍液。该镀镍液可包含氨基磺酸镀镍液，尽管其它电镀液也为本领域技术人员所熟知且可用于本发明。
此外，虽然以电解电镀来描述了本发明，但可知本发明也可用于调整无电镀液。
现在依照以下的非限制实施例来说明本发明。
实施例1
以对钢阴极进行镀敷的惰性阳极组装电解槽而展示镀镍，并以在经冷却的阴极上制造氢气的镍阳极组装电解槽而展示本发明的电解槽。
测试了包含50盎司/加仑的氨基磺酸镍、5盎司/加仑的硼酸，且起始pH为4.0的半光亮镀镍浴。
时间 pH 惰性阳极 阴极 液温(°F)
9.50 4.13 21.0安，13伏特 20.5安，13.7伏特 140
10.20 3.8
如此可见，pH在30分钟内从4.13降至3.8。
然后关闭惰性阳极，且依照本发明的方法运作镍阳极和经冷却的阴极。
时间 pH 75°F惰性阳极冷水 镍阳极及经冷却的阴极 温度(°F)
10.22 3.8 n/a 23.5安，14.4伏特 140
10.28 4.63
以经冷却的阴极将电解槽运作6分钟，pH从3.8增至4.63。该阴极具有7平方英寸(in2)的表面积，且在钛阴极上没有电镀。将阴极面积增至15平方英寸，则导致在阴极上发生电镀且阻碍了pH的增加。如以上所讨论，该阴极应具有大于150安/平方英尺的电流密度并结合低于100°F的阴极温度以防止电镀。
还应了解的是，随附权利要求意在涵盖此处所述发明的所有一般特征和特定特征，并且对本发明范围的字面意义上的所有声明都落入其中。

Claims (23)

1.一种用于调整镀镍液的pH并补充镍的电解槽，该电解槽包括：
a)用于接收来自镀镍浴的镀镍液的入口；
b)与第一总线连接的经冷却的阴极，该第一总线与电源的负极端连接；
c)在施加电流时能够在经冷却的阴极上制造氢气的多个镍阳极，其与至少一个第二总线连接，该至少一个第二总线与电源的正极端连接；和
d)用于将电解槽中的镀镍液送回镀镍浴的出口。
2.如权利要求1所述的电解槽，其中该多个镍阳极包含多个镍阳极篮。
3.如权利要求1所述的电解槽，其中该经冷却的阴极包含钛。
4.如权利要求1所述的电解槽，其中该电解槽中的镀镍液维持在70°F至～150°F的温度。
5.如权利要求4所述的电解槽，其中该电解槽中的镀镍液维持在130°F～140°F的温度。
6.如权利要求1所述的电解槽，其中该阴极维持在低于100°F的温度。
7.如权利要求6所述的电解槽，其中该阴极维持在低于90°F的温度。
8.如权利要求6所述的电解槽，其包括至少一条用于冷冻水的导管，其中该至少一条导管使冷冻水在阴极内循环以冷却该阴极。
9.如权利要求1所述的电解槽，其中对阴极施加大于150asf的电流密度。
10.如权利要求9所述的电解槽，其中对阴极施加大于250asf的电流密度。
11.一种调整镀镍液的pH和镍含量的方法，该方法包含步骤：
a)将一部分镀镍液从镀镍浴转移至电解槽，该电解槽包括经冷却的阴极和在施加电流时能够在该经冷却的阴极上制造氢气的多个镍阳极；
b)对该镍阳极和该经冷却的阴极施加一段时间的电流以增加电解槽中镀镍液的pH，其中该电解槽通过镍阳极的溶解而补充镍；和
c)将该电解槽中的镀镍液送回镀镍浴。
12.如权利要求11所述的方法，其中该电解槽中的镀镍液维持在70°F～150°F的温度。
13.如权利要求12所述的方法，其中该电解槽中的镀镍液维持在130°F～140°F的温度。
14.如权利要求11所述的方法，其中该阴极维持在低于100°F的温度。
15.如权利要求14所述的方法，其中该阴极维持在低于90°F的温度。
16.如权利要求14所述的方法，其中该阴极是通过将冷冻水在该阴极内部循环而被冷却的。
17.如权利要求16所述的方法，其中该冷冻水在低于100°F的温度。
18.如权利要求11所述的方法，其中对阴极施加大于150asf的电流密度。
19.如权利要求18所述的方法，其中对阴极施加大于250asf的电流密度。
20.如权利要求11所述的方法，其中在该电解槽中阴极的镀镍效率小于5％。
21.如权利要求11所述的方法，其中该电解槽的镍溶解效率为95～100％。
22.如权利要求11所述的方法，其中该镀镍液包含半光亮或光亮镀镍液。
23.如权利要求22所述的方法，其中该镀镍液包含氨基磺酸镀镍液。
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