CN111118551A - 电铸系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于电铸部件的电铸系统和方法，其包括电铸容器，该电铸容器具有限定流体通道的壳体。电铸室可位于壳体内，并经由电铸室的至少一个壁中的一组孔口流体地联接到流体通道。

Description

电铸系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年10月31日提交的美国申请序列号16/176,232的优先权，其全部主题通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及电铸容器以及用于电铸的系统和方法。

背景技术

电铸处理可以产生，生成或以其它方式形成所需部件的金属层。在电铸处理的一个示例中，可以将所需部件的模具或基底浸入电解液中并带电。模具或基底的电荷可以通过电解溶液吸引带相反电荷的电铸材料。电铸材料对模具或基底的吸引最终将电铸材料沉积在裸露的模具或基底表面上，从而形成外部金属层。

发明内容

在一方面，本发明涉及一种电铸容器。电铸容器包括：壳体，其限定流体通道；电铸室，其位于壳体内并且经由电铸室的至少一个壁中的一组孔口流体地联接到流体通道；至少一个阳极，其位于电铸室内。

附图说明

在附图中：

图1是用于形成部件的现有技术电铸浴的示意图。

图2是根据本公开的各个方面的用于电铸部件的系统的示意图。

图3是可以在图2的系统中使用的电铸容器的立体图。

图4是包含电铸部件的图3的电铸容器的一部分的立体图。

图5是图3的电铸容器沿线V-V的横截面视图。

图6是示出根据本公开的各个方面的电铸部件的方法的流程图。

具体实施方式

本公开的各方面涉及一种用于电铸部件的系统和方法。将理解的是，本公开可以在各种应用中具有普遍的适用性，包括可以在任何合适的移动和非移动的工业，商业和住宅应用中利用电铸部件。

如本文中所使用的，被描述为“相适应(conformable)”的元件将是指具有被定位或形成为具有变化的几何轮廓的能力的元件，该变化的几何轮廓与另一部件匹配或以其它方式相似或相适应。这可以包括该元件可以是相适应的条状物或可模制的元件。另外，如本文所用，“非牺牲阳极”是指当从电源供应电流时不溶解在电解液中的惰性或不溶性阳极，而“牺牲阳极”是指当从电源供应电流时可以溶解在电解液中的活性或可溶阳极。非牺牲阳极材料的非限制性示例可包括钛，金，银，铂和铑。牺牲阳极材料的非限制性示例可以包括镍，钴，铜，铁，钨，锌和铅。将理解的是，以上列出的金属的各种合金可以用作牺牲或非牺牲阳极。

所有方向参考(例如，径向，轴向，近端，远端，上，下，向上，向下，左，右，侧向，前，后，顶部，底部，上方，下方，竖直，水平，顺时针，逆时针，上游，下游，后部等)仅用于识别目的，以帮助读者理解本公开，并且不产生限制，特别是关于本公开的位置，取向或用途的限制。除非另有说明，否则连接参考(例如，附接，联接，连接和接合)将被广义地解释，并且可包括元件集合之间的中间构件以及元件之间的相对移动。这样，连接参考不一定推断两个元件直接连接并且处于彼此固定的关系。另外，如本文所使用的，“一组”可以包括任意数量的相应描述的元件，包括仅一个元件。

示例性附图仅出于说明的目的，并且所附附图中反映的尺寸，位置，顺序和相对大小可以变化。

在图1中通过电沉积浴示出了现有技术的电铸处理。如本文所用，“电铸”或“电沉积”可包括用于在另一基片或基底上构建，形成，生长或以其他方式产生金属层的任何处理。电沉积的非限制性示例可包括电铸，无电成形，电镀或其组合。尽管本公开的其余部分涉及电铸，但是任何和所有电沉积处理均可以等同地适用。

现有技术的浴槽1承载具有合金化金属离子的单金属成分溶液2。在浴槽1中提供有与阴极4间隔开的可溶阳极3。要被电铸的部件可以形成阴极4。

可包括电源的控制器5可以通过电导管6电联接到可溶阳极3和阴极4，以经由导电单金属成分溶液2形成电路。可选地，沿着控制器5，可溶阳极3和阴极4之间的电导管6可包括开关7或子控制器。在操作期间，可以将电流从可溶阳极3供应到阴极4，以在阴极4处电铸本体。电流的供应可导致来自单金属成分溶液2的金属离子在阴极4处的部件上形成金属层。

在常规的电镀处理中，可溶阳极3溶解时会改变形状，从而导致可溶阳极3和阴极4之间的电场发生变化。可溶阳极3的形状变化导致沉积层的厚度变化，从而导致厚度不均匀。而且，当可溶阳极溶解时，微粒会释放到电解质中。这些微粒物质污染用于电沉积的阴极表面，导致沉积不均匀。尽管没有具体示出，但是现有技术的浴槽1可以包括通过将可溶阳极3容纳在多孔阳极袋中来减少来自可溶阳极3的微粒污染的常规技术。即使阳极袋防止大尺寸的污染物释放到电镀液中，也不能防止较小尺寸的微粒进入电镀液并污染阴极电镀表面。这导致不均匀的沉积。本公开的方面涉及一种相适应的非牺牲阳极系统，其中阳极溶解和电铸在单独的槽中发生。使在阳极溶解槽处释放的微粒到达位于电铸槽处的阴极的机会最小化。

图2示出了根据本文所述的各个方面的用于电铸部件12的系统10。系统10包括溶解容器14，其容纳电解液或电解质溶液16。在非限制性示例中，电解液16可以包括氨基磺酸镍，但是，可以利用任何合适的电解液16。牺牲阳极18形式的第一阳极位于溶解容器14内，浸入电解液16中，并通过所示的电导管22电联接至电源20。可以想到，牺牲阳极18可以包括在多孔或网袋中并放置在钛篮26内的硬币形式的镍和钴件24。网袋可容纳镍和钴硬币24以及牺牲阳极18内可能存在的任何微粒材料，同时允许电解液16流过牺牲阳极18。

电源20还可以包括控制器模块，以控制流过电导管22的电流；替代地，可以提供单独的控制器并将其电联接至电源20。另外，可以在牺牲阳极18和电源20之间提供开关28。

电联接至电源20的电铸容器30可以包括在系统10中。电铸容器30也可以通过入口导管36和排放导管38流体联接到溶解容器14。电铸容器30可以是金属的或聚合物的，并且可以通过任何合适的处理(包括机加工或注塑成型)形成。电铸容器30可包括流体地联接到入口导管36的至少一个入口40和流体地联接到排放导管38的至少一个出口42。电铸容器30可包括壳体50(图3)，壳体50限定在至少一个入口40与至少一个出口42之间延伸的流体通道68。电铸室70位于壳体50内。阴极32，以及相适应的非牺牲阳极34形式的第二阳极均可以位于电铸室70内。

可以在溶解容器14和电铸容器30之间限定再循环回路44，其中电解液16可以从溶解容器14通过入口导管36流动，流过电铸容器30，并且流过排放导管38返回溶解容器14。可选地，泵46可以流体地联接到再循环回路44，并且示意性地示出为沿着排放导管38定位，尽管并非必须如此。可以在再循环回路44中的任何合适位置处(包括在电铸容器的入口侧处)使用泵46；替代地，可以利用多个泵46。以这种方式，可以将电解液16从溶解容器14供应到电铸容器30。电解液16可以从溶解容器14连续地供应。这可以包括根据需要以规则或不规则的时间间隔在分离部分中供应电解液16。例如，可以指示泵46以预定的时间间隔(例如每35分钟)向电铸容器30供应预定量的电解液(例如2.0升)。

图3进一步详细地示出了壳体50，包括其可以联接至基底52。在所示示例中，两个入口40提供在壳体50的上部分54上，以及一个出口42提供在壳体50与基底52之间的过渡部分56上。进一步想到，电铸容器30可形成为具有构造成联接在一起的第一部分58和第二部分60的两件式本体31，其中每个部分58、60具有如图所示的相应入口40。出口42可以由排放开口61形成，该排放开口61流体地联接至排放导管38(图2)并且延伸到电铸容器30中。在过渡部分56中示出了排放开口6161和出口42；以这种方式，排放开口61和出口42可以至少位于电铸容器30的基底52中。

图4示出了电铸容器30的第一部分58，为清楚起见，第二部分60被移除。将理解的是，所描述的第一部分58的方面和部件也适用于第二部分60。

电铸室70可以由壳体50内的内壁64限定。电铸室70构造成容纳示例性工件72，该工件72被示出为包括联接至心轴74的托架73。底座76可以位于电铸室70内，并且被构造为在电铸室70内的预定位置接收工件72。在所示的示例中，心轴74可以定位在底座76上，使得在电铸处理期间电解液(图2)可以包围尽可能多的工件72。工件72可以例如通过电导管22限定电联接到电源20(图2)的阴极32。例如，电导管22可以例如通过壳体50中的开口(未示出)直接连接到工件72。替代地，电导管22和工件72可以连接至壳体50的导电部分(未示出)。

至少一个相适应的非牺牲阳极34可位于工件72的周边78的至少一部分周围。相适应的阳极已经被示出为联接到电铸室70的内壁64的多个相适应的非牺牲阳极34。相适应的非牺牲阳极34可以包括任何合适的金属材料(包括钛条状物)，该金属材料可以形成为具有与工件72或内壁64相同的形状或几何轮廓。

图5示出了电铸容器30的横截面视图。第一部分58上的入口40以横截面示出，而第二部分60上的入口40以虚线示出。可以理解的是，将第一部分58和第二部分60联接在一起可以限定电铸容器30。壳体50中包括具有一组开口或孔口66的外壁62和内壁64。可以在外壁62和内壁64之间限定流体通道68。流体通道68可以通过入口40流体地联接至溶解容器14(图2)。流体通道68可以经由联接的第一部分58和第二部分60绕着电铸室70周边形成。电铸室70可以经由一组孔口66流体地联接到流体通道68。箭头表示电解液16通过入口40进入流体通道68并通过孔口66进入电铸室70的流动。电铸室70也可以流体地联接至排放导管38。

示出了沉积在工件72上的金属层80，以限定电铸部件12。金属层80可具有层厚度，该层厚度可基于引导电解液16围绕工件72的流动的孔口66以及相适应的阳极34与工件72之间的间隔距离而定制。在非限制性示例中，金属层80可以具有恒定的层厚度；在另一个示例中，金属层80可以在电铸部件12的不同部分上具有可变的厚度。

在操作中，电源20从牺牲阳极18供应电流，该电流使金属离子进入电解液16。电解液16从溶解容器14(图2)流出，并可被泵送(例如经由泵46)或重力输送到电铸容器30和流体通道68中。一组孔口66可被构造成在预定方向上将电解液16从流体通道68朝向工件72推进以形成金属层80。预定方向的非限制性示例包括垂直于或正交于工件72的周边78。例如，上部分54附近的孔口66可以引导电解液16垂直于工件72的顶部并且平行于工件72的侧面流动。壳体50的中心附近或基底52附近的孔口66可以引导电解液16在向下流向基底52之前垂直撞击周边78。可以理解的是，孔口66也可以形成为具有变化的形状或中心线角度，以进一步引导或调整电解液16围绕工件72的流动。例如，孔口66可以成形为以预定速度将电解液16撞击在工件72上，例如减小孔66的尺寸导致撞击在工件72上的电解液速度增加。改变孔口66的中心线角度可导致电解液16以0度至90度之间的角度撞击工件72，这可提供金属层80的定制厚度。然后，排放开口61可以将用过的电解液16引导出电铸室70，并进入至少一个出口42和排放导管38(图2)。用过的电解液16可以再循环回到溶解容器14(图2)，在溶解容器14可以经由牺牲阳极18将附加的离子添加到电解液16。

图6是示出了电铸部件(诸如部件12)的方法100的流程图。在102处，方法100包括将电解质溶液供应到流体通道，诸如电铸容器30中的流体通道68。可选地，供应可以包括将电解质溶液从流体容器供应到电铸容器30内的室70，该室70包括工件72和至少一个非牺牲阳极34。在104处，方法100包括使电解质溶液从流体通道68通过一组孔口66流到具有工件72和至少一个非牺牲阳极34的电铸室70。在106处，方法100包括在工件72上形成金属层80以限定电铸部件12。这可以包括在工件72周围定位相适应的阳极并且将电解质溶液撞击在电铸室70内的工件72上，例如以预定速度或预定方向中的至少一个进行撞击。可选地，该方法可以进一步包括如上所述从电铸室中例如泵送或重力输送地排放用过的电解质溶液。可选地，方法100可以包括通过向牺牲阳极18供应电力，经由电源20在流体容器(诸如溶解容器14)中的溶液内产生电解质，以限定电解溶液(诸如电解液16)。这可以包括将镍和钴离子溶解在氨基磺酸镍溶液中，并且从流体容器(诸如溶解容器14)连续或不连续地供应电解液16，或者通过再循环回路44连续地循环电解液16。

本公开的各方面提供了多种益处，包括将牺牲阳极与阴极放置在单独的槽或容器中可以极大地减少微粒物质到达单独的电铸容器中的阴极的机会，并且因此减少了电铸部件中任何不希望的不规则性。另一个优点是，电铸容器中的一组孔口可以用来提供电解质溶液在工件上的各种“投掷角”或撞击角。投掷角的这种调整可以改善电解质溶液在工件难以到达的区域上的覆盖率，以及在电铸部件的各个区域提供定制的金属层厚度。还应当理解，结合到工件上的流速或速度来调整撞击角可以进一步在电铸部件的各个区域提供定制的金属层厚度。

另一个优点是，电铸容器可以被构造为适应不同工件的各种形状和尺寸。例如，在非限制性示例中，多件式电铸容器可以以任何期望的形状注塑成型以容纳托架，管道区段，硬件或歧管。另外，另一个优点是可以将多个电铸容器流体地联接到共同的溶解容器，使得可以在它们各自的电铸室中同时电铸多个部件。这可以在电铸部件的形成期间提高生产速度并改善处理效率。电铸部件和溶解容器的分离也可以提供人口较少的工作区域；例如小型工件可以放置在小型容器中，大型工件可以放置在大型容器中，而不是将小型工件放置在大型电铸浴槽中。可以实现另一个优点，即可以在不干扰其中的电铸容器或阴极的情况下更容易地完成对溶解容器内的牺牲阳极或部件的调节。

在尚未描述的范围内，各个实施例的不同特征和结构可以根据需要彼此组合使用。不能在所有实施例中示出的一个特征并不意味着解释该特征不能有，而是为了描述的简洁。因此，不管是否明确地描述了新的实施例，不同实施例的各种特征可以根据需要被混合和匹配以形成新的实施例。本文所描述的特征的所有组合或置换都被本公开覆盖。

本发明的进一步方面由以下条项的主题提供：

1.一种电铸容器，包括：壳体，其限定流体通道；电铸室，其位于壳体内并经由电铸室的至少一个壁中的一组孔口流体地联接到流体通道；阳极，其位于电铸室内。

2.根据任一前述条项所述的电铸容器，其中电铸室被构造为接收限定阴极的工件。

3.根据任一前述条项所述的电铸容器，进一步包括底座，该底座位于电铸室内，并且被构造为在电铸室内的预定位置接收工件。

4.根据任一前述条项所述的电铸容器，其中位于电铸室内的阳极包括非牺牲阳极。

5.根据任一前述条项所述的电铸容器，其中非牺牲阳极与位于电铸室内的工件相适应。

6.根据任一前述条项所述的电铸容器，其中相适应的非牺牲阳极包括钛条状物。

7.根据任一前述条项所述的电铸容器，进一步包括至少一个排放开口，该至少一个排放开口位于电铸容器的基底中并且流体地联接至电铸室。

8.根据任一前述条项所述的电铸容器，其中该一组孔口被构造成在预定方向上朝着工件推进流体。

9.根据任一前述条项所述的电铸容器，其中流体通道绕着电铸室周边形成。

10.根据任一前述条项所述的电铸容器，其中电铸容器包括两件式本体，该两件式本体构造成联接在一起以形成流体通道和电铸室。

11.一种用于电铸部件的系统，包括：溶解容器，其包含电解液和第一阳极；电源，其电联接到第一阳极；电铸容器，该电铸容器包括：壳体，其限定流体通道，该流体通道流体地联接至溶解容器；电铸室，其位于壳体内，并经由电铸室的至少一个壁中的一组孔口流体地联接到流体通道；至少一个第二阳极，其位于电铸室内。

12.根据任一前述条项所述的系统，其中第一阳极包括牺牲阳极，该牺牲阳极包括镍或钴硬币中的至少一个，至少一个第二阳极包括钛条状物，并且电解液包括氨基磺酸镍。

13.根据任一前述条项所述的系统，进一步包括入口导管和排放导管，该入口导管和排放导管至少部分地限定溶解容器和电铸室之间的再循环回路。

14.根据任一前述条项所述的系统，进一步包括泵，该泵流体地联接到再循环回路。

15.根据任一前述条项所述的系统，其中至少一个第二阳极电联接至电源。

16.一种电铸部件的方法，该方法包括：向电铸容器中的流体通道供应电解质溶液；使电解质溶液从流体通道通过一组孔口流到电铸室，该电铸室具有工件和至少一个阳极；在工件上形成金属层以限定电铸部件。

17.根据任一前述条项所述的方法，其中供应电解质溶液包括从流体地联接至电铸容器的流体容器连续地供应电解质溶液。

18.根据任一前述条项所述的方法，其中再循环回路流体地联接流体容器和电铸室，并且供应电解质溶液包括通过再循环回路连续地循环电解质溶液。

19.根据任一前述条项所述的方法，其中将电解质溶液供应到电铸室包括将电解质溶液撞击到电铸室内的工件上。

20.根据任一前述条项所述的方法，其中撞击电解质溶液包括以预定速度或预定方向中的至少一个撞击。

该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这样的其他示例意图落入权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种电铸容器，其特征在于，包括：

壳体，所述壳体限定流体通道；

电铸室，所述电铸室在所述壳体内并经由所述电铸室的至少一个壁中的一组孔口流体地联接到所述流体通道；和

阳极，所述阳极位于所述电铸室内。

2.根据权利要求1所述的电铸容器，其特征在于，其中所述电铸室被构造为接收限定阴极的工件。

3.根据权利要求2所述的电铸容器，其特征在于，进一步包括底座，所述底座位于所述电铸室内，并且被构造为在所述电铸室内的预定位置接收所述工件。

4.根据权利要求1所述的电铸容器，其特征在于，其中位于所述电铸室内的所述阳极包括非牺牲阳极。

5.根据权利要求4所述的电铸容器，其特征在于，其中所述非牺牲阳极与位于所述电铸室内的工件相适应。

6.根据权利要求5所述的电铸容器，其特征在于，其中相适应的所述非牺牲阳极包括钛条状物。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的电铸容器，其特征在于，进一步包括至少一个排放开口，所述至少一个排放开口位于所述电铸容器的基底中并且流体地联接至所述电铸室。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的电铸容器，其特征在于，其中所述一组孔口被构造成在预定方向上朝着所述工件推进流体。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的电铸容器，其特征在于，其中所述流体通道绕着所述电铸室周边形成。

10.根据权利要求1-6中任一项所述的电铸容器，其特征在于，其中所述电铸容器包括两件式本体，所述两件式本体构造成联接在一起以形成所述流体通道和所述电铸室。

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