TWI451003B - 鎳ｐｈ值調整方法及設備 - Google Patents

Description

鎳PH值調整方法及設備

本發明大致關於鍍鎳浴之調整及pH控制。

電鍍為將金屬塗層施加於導電性基板之已知方法。該方法係使用充填含有金屬鹽之電解質、至少一個金屬陽極、及直流電來源(如整流器)之浴。欲塗覆之加工品係作為陰極。

鎳電鍍係涉及將鎳沉積在浸入電解液中且作為陰極之零件上，而鎳陽極則以鎳離子之形式溶於電解質中，通過溶液及沉積在陰極表面上。

常用之鎳電鍍浴係包括鍍光亮鎳浴、鍍半光亮鎳浴等。鍍光亮鎳浴因其覆蓋基底金屬中缺陷之能力(例如整平)而用於在基板上提供裝飾性外觀。鍍光亮鎳浴係用於希望有光亮表面之汽車、電器、用具、工具、及其他產業。鍍半光亮鎳浴係用於不希望有亮度之工程目的，且因其易於拋光而用於零件。

最常用之鍍鎳浴已知為瓦特(Watt)浴，且一般係含有約20-40盎司/加侖之硫酸鎳、4-12盎司/加侖之氯化鎳、及4-6盎司/加侖之硼酸。瓦特浴一般係在約2-5之pH範圍內及以20-100 asf之電流密度操作。其他之電鍍浴舉例而非限制則包括高氯化物溶液、全氯化物溶液、氟硼酸鹽溶液、及磺胺酸鹽溶液。

鍍磺胺酸鎳浴係基於磺胺酸之鎳鹽，且該浴之pH係使用磺胺酸、氧化鎳或碳酸鎳調整。此型鎳塗層係呈現非常低之應力值及高伸展性。此浴之一個優點為其可於較高之鎳濃度(例如約180-200克/公升)操作而可使用高電流密度卻不損失塗層之性質。鎳磺胺酸浴一般包含約40-60盎司/加侖之磺胺酸鎳、0-4盎司/加侖之氯化鎳、及4-6盎司/加侖之硼酸，且係在3.5-4.5之pH範圍內及以5-260 asf之電流密度操作。磺胺酸鎳電解質之高鎳濃度可將產物以高電流密度(高沉積速率)電鍍。

不論使用何種型式之鎳電鍍浴，現仍經常需要對鍍鎳浴進行化學添加以增加該浴的pH及補充鎳濃度。

如以上所討論，鍍光亮及半光亮鎳浴一般在3.5-4.5之間的pH操作。由於陰極效率稍微低於陽極效率，故pH一般在操作期間緩慢地上升。碳酸鎳為較佳之pH調整劑，因為其易在低於4.0之pH溶解。此外，電鍍浴之溫度範圍關於物理性質為重要的，且隨攪拌而有助於將浴成分保持混合及溶解。如果溫度太高，則添加試劑消耗增快而增加操作成本及電鍍問題。如果溫度太低，則浴中之硼酸可能開始沉澱但光亮度卻未有效率地回應。

典型電鍍操作係將一系列金屬陽極從一個或以上之陽極匯流排垂吊，同時將欲電鍍加工品浸於電鍍浴中且附接陰極匯流排。DC電源之負端係連接陰極匯流排，而電源之正端則連接陽極匯流排。調整電源之電壓而對陰極加工品提供最適之電流密度。

大部分鍍鎳法係以可溶性鎳陽極材料操作。來自陽極之鎳被轉化成為離子，其進入電鍍浴而取代在陰極處所排放者。此外，陽極亦將電流分布於欲電鍍加工品且影響金屬分布。不溶性陽極，亦稱為惰性陽極，在電解期間不溶解，因為不溶性陽極係包含惰性材料。典型不溶性陽極係包括白金鈦、白金鉭、白金鈮、鈦、鈮、不銹鋼、及其他之惰性材料。

如以上所討論，滿足陽極要求的最簡單方式之一為將鎳棒從置於陽極之吊鉤懸掛而將鎳浸入電鍍液中。雖然可使用棒或電解片作為陽極，但亦可使用陽極籃，如鈦陽極籃。該鈦籃一般由經固態鈦片強化之鈦網所製成。該網利於鍍鎳液自由流動。

惰性陽極電鍍法係需要在電解液中補充陽離子。因此在電鍍鎳中使用惰性陽極則造成浴之pH降低及鎳金屬濃度降低。其對應地加入碳酸鎳及/或碳酸鋰以增加pH。然而這些化學物昂貴且亦難以溶解。其可加入硫酸鎳及/或氯化鎳以補充電鍍浴的鎳金屬。然而該pH調整化學物比鎳金屬更昂貴。

因此希望克服一些先前技術缺點而提供一種增加鍍鎳浴的pH及補充電鍍浴的鎳金屬之方法。

本發明之一個目的為提供一種用於調整鍍鎳浴的pH之改良方法。

本發明之另一個目的為提供一種補充鍍鎳浴之鎳之改良方法。

本發明之又一個目的為提供一種用於調整鍍鎳液的pH及補充鎳之電解槽。

本發明之又一個目的為提供一種不需要添加金屬鹽的補充鍍鎳液之方法。

關於此點，在一個較佳具體實例中，本發明大致關於一種用於調整鍍鎳液的pH及補充鎳之電解槽，該電解槽係包含：

a)　用於接收來自鍍鎳浴的鍍鎳液之入口；

b)　冷陰極；

c)　在施加電流時可在該冷陰極上製造氫氣之複數鎳陽極；及

d)　用於將電解槽中的鍍鎳液送回鍍鎳浴之出口。

在另一個較佳具體實例中，本發明大致關於一種用於調整鍍鎳液的pH及鎳含量之方法，該方法係包含以下之步驟：

a)　將一部分鍍鎳液從鍍鎳浴轉移至電解槽，該電解槽係包含冷陰極、及在施加電流時可在該冷陰極上製造氫氣之複數鎳陽極；

b)　對該鎳陽極及該冷陰極施加電流歷時一段時間而增加鍍鎳液的pH，其中該電解槽因鎳陽極溶解而補充鎳；及

c)　將該電解槽中之鍍鎳液送回鍍鎳浴。

本發明大致關於一種包含鎳陽極、銅電連接、整流器、及冷陰極之電解槽，其功能為藉鎳陽極溶解而增加鎳浴的pH及補充鎳浴之鎳。

在一個具體實例中，本發明大致關於一種用於調整鍍鎳液的pH及補充鎳之電解槽10，電解槽10係包含：

a)　用於接收來自鍍鎳浴的鍍鎳液之入口12；

b)　連接第一匯流排44之冷陰極14，該第一匯流排係連接電源40之負端；

c)　在施加電流時可在冷陰極14上製造氫氣之複數鎳陽極16，其係連接至少一個第二匯流排42，該至少一個第二匯流排42係連接電源40之正端；及

d)　用於將電解槽10中的鍍鎳液送回鍍鎳浴之出口18。

如以上所討論，各鎳陽極16係連接至少一個第二匯流排42，其係連接電源40之正端。此外，至少一個冷陰極14係連接第一匯流排44，其係連接電源40之負端。電源40亦包括用於將交流電轉化成直流電之整流器，且帶正電鎳陽極16與帶負電陰極14之間的直流電動係造成鎳陽極16溶解。

電解槽10一般維持在約70℉至約150℉之間，更佳為約130℉至約140℉之間的溫度。

複數鎳陽極16較佳為包含複數鎳陽極籃，使得鍍鎳液可自由地流動通過電解槽10。

至少一個陰極14一般維持在低於約100℉，更佳為低於約90℉之溫度，且較佳為由鈦、不銹鋼或鋼所構成。在一個較佳具體實例中，至少一個陰極14因提供至少一條含有冷水之導管30而將冷水在由陰極14所形成之穴內部循環以將陰極14冷卻而被冷卻。陰極14亦可因將陰極連接水冷匯流排44而冷卻，其中冷水係通過匯流排44之長度。較佳為冷陰極14係包含將冷水循環通過之內穴。

此外，陰極14較佳為被施加大於約150 asf之電流密度，更佳為大於約250 asf之電流密度。

在另一個具體實例中，本發明大致關於一種用於調整鍍鎳液的pH及鎳含量之方法，該方法係包含以下之步驟：

a)　將一部分鍍鎳液從鍍鎳浴轉移至電解槽，該電解槽係包含冷陰極、及在施加電流時可在該冷陰極上製造氫氣之複數鎳陽極；

b)　對該鎳陽極及該冷陰極施加電流歷時一段時間以增加電解槽中鍍鎳液的pH，其中該電解槽因鎳陽極溶解而補充鎳；及

c)　將該電解槽中之鍍鎳液送回鍍鎳浴。

在此所述之電解槽10的鎳溶解效率為95-100%，且鍍鎳效率係小於5%。陰極反應主要為將氫離子還原成氫氣。

Ni⁰ →Ni⁺² +2e^- 　陽極反應

H⁺ 2e^- →H₂ T　陰極反應

電解槽10係以鎳離子取代氫離子而造成pH及鎳濃度增加。其將鎳金屬以90-95%之效率從典型鍍鎳浴鍍出。相反地，在此所述之電解槽因蓄意地改變電流密度及陰極溫度而將鍍鎳陰極效率降至小於5%。

在一個較佳具體實例中，將大於150安/平方呎之陰極電流密度結合低於100℉之陰極溫度則本質上在陰極處排除鍍鎳。其更佳為希望陰極電流密度大於250安/平方呎且陰極溫度低於90℉。

因此，雖然先行技藝係藉由對該浴添加碳酸鎳或碳酸鋰而控制鍍鎳浴的pH，本發明則使用電解槽控制pH及補充鎳，且可基於所需之pH調整量而決定大小。例如在一個較佳具體實例中，電解槽係具有400安之電容量，其一般可類似每小時添加1磅碳酸鋰及每小時1磅鎳金屬而調整鍍鎳液的pH。

雖然使用在此所述之方法可處理各種鍍鎳液，但在一個具體實例中，鍍鎳液係包含鍍半光亮鎳液。該鍍鎳液可包含鍍磺胺酸鎳液，雖然其他之電鍍液亦為熟悉此技術領域者所熟知且可用於本發明。

此外，雖然本發明已關於電解電鍍而揭述，但本發明亦意圖應用於調整無電鍍液。

本發明現在依照以下之非限制實施例而說明。

[實施例1]

以鍍鋼陰極的惰性陽極組裝電解槽而展現鍍鎳，及以在冷陰極上製造氫氣的鎳陽極組裝電解槽而展現本發明之電解槽。

測試包含50盎司/加侖之磺胺酸鎳、5盎司/加侖之硼酸，且起始pH為4.0的鍍半光亮鎳浴。

如此可見到pH在30分鐘內從4.13降至3.8。

然後關閉惰性陽極，且依照本發明之方法運作鎳陽極及冷陰極。

以冷陰極將電解槽運作6分鐘則將pH從3.8增至4.63。該陰極係具有7平方吋之表面積，且未在鈦陰極上電鍍。將陰極面積增至15平方吋則造成在陰極上發生電鍍且阻礙pH增加。如以上所討論，該陰極應具有大於150安/平方呎之電流密度結合低於100℉之陰極溫度以防止電鍍。

亦應了解，以下之申請專利範圍係意圖以文字可及範圍涵蓋在此所述本發明之全部一般及特定特點、及本發明範圍之全部敘述。

10．．．電解槽

12．．．入口

14．．．冷陰極

16．．．鎳陽極

18．．．出口

30．．．導管

40．．．電源

42．．．第二匯流排

44．．．第一匯流排

為了更完整地了解本發明，茲結合附圖參考以上之說明，其中：

圖1描述依照本發明之一個較佳具體實例的電解槽之略示圖。

又雖然並非全部之元件均在圖中標示，但所有參考號碼相同之元件係表示類似或相同之零件。

10．．．電解槽

12．．．入口

14．．．冷陰極

16．．．鎳陽極

18．．．出口

30．．．導管

40．．．電源

42．．．第二匯流排

44．．．第一匯流排

Claims (23)

1. 一種用於調整鍍鎳液的pH及補充鎳之電解槽，該電解槽係包含：a)　用於接收來自鍍鎳浴的鍍鎳液之入口；b)　連接第一匯流排之冷陰極，該第一匯流排係連接電源之負端；c)　在施加電流時可在冷陰極上製造氫氣之複數鎳陽極，其係連接至少一個第二匯流排，該至少一個第二匯流排係連接電源之正端；及d)　用於將電解槽中的鍍鎳液送回鍍鎳浴之出口。
2. 如申請專利範圍第1項之電解槽，其中該複數鎳陽極係包含複數鎳陽極籃。
3. 如申請專利範圍第1項之電解槽，其中該冷陰極係包含鈦。
4. 如申請專利範圍第1項之電解槽，其中該電解槽中的鍍鎳液係維持在約70℉至約150℉之間的溫度。
5. 如申請專利範圍第4項之電解槽，其中該電解槽中的鍍鎳液係維持在約130℉至約140℉之間的溫度。
6. 如申請專利範圍第1項之電解槽，其中該陰極係維持在低於約100℉之溫度。
7. 如申請專利範圍第6項之電解槽，其中該陰極係維持在低於約90℉之溫度。
8. 如申請專利範圍第6項之電解槽，其係包含至少一條冷水導管，其中該至少一條導管係將冷水在陰極內循環以將陰極冷卻。
9. 如申請專利範圍第1項之電解槽，其中係對陰極施加大於約150 asf之電流密度。
10. 如申請專利範圍第9項之電解槽，其中係對陰極施加大於約250 asf之電流密度。
11. 一種用於調整鍍鎳液的pH及鎳含量之方法，該方法係包含以下之步驟：a)　將一部分鍍鎳液從鍍鎳浴轉移至電解槽，該電解槽係包含冷陰極、及在施加電流時可在該冷陰極上製造氫氣之複數鎳陽極；b)　對該鎳陽極及該冷陰極施加電流歷時一段時間以增加電解槽中鍍鎳液的pH，其中該電解槽因鎳陽極溶解而補充鎳；及c)　將該電解槽中之鍍鎳液送回鍍鎳浴。
12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該電解槽中的鍍鎳液係維持在約70℉至約150℉之間的溫度。
13. 如申請專利範圍第12項之方法，其中該電解槽中的鍍鎳液係維持在約130℉至約140℉之間的溫度。
14. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該陰極係維持在低於約100℉之溫度。
15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該陰極係維持在低於約90℉之溫度。
16. 如申請專利範圍第14項之方法，其中該陰極係藉由將冷水在陰極內部循環而冷卻。
17. 如申請專利範圍第16項之方法，其中該冷水係在低於約100℉之溫度。
18. 如申請專利範圍第11項之方法，其中係對陰極施加大於約150 asf之電流密度。
19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中係對陰極施加大於約250 asf之電流密度。
20. 如申請專利範圍第11項之方法，其中在該電解槽中鍍鎳之陰極效率係小於5%。
21. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該電解槽之鎳溶解效率為約95至約100%。
22. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該鍍鎳液係包含鍍半光亮或光亮鎳液。
23. 如申請專利範圍第22項之方法，其中該鍍鎳液係包含鍍磺胺酸鎳液。