CN1308494C - 对大致在半圆上延伸工件的圆柱形内表面电镀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种对大致在半圆上延伸的工件的圆柱形内表面进行电镀的方法，其中电解液通过位于内表面和旋转导向装置之间的间隙从液槽进行循环输送，为了保证有利的涂覆条件，电解液是在只是部分浸没于液槽中的导向装置的帮助下，沿圆周方向通过位于导向装置和在液槽外面的工件之间的间隙进行输送。

Description

对大致在半圆上延伸工件的 圆柱形内表面电镀的方法

技术领域

本发明涉及一种对大致在半圆上延伸的工件圆柱形内表面进行电镀的方法，其中电解液通过内表面和旋转导向装置之间的间隙从液槽中进行循环输送。

背景技术

因为在电解沉淀中，沉淀速度取决于电流密度，电流密度依赖于边界层的厚度和离子浓度，但主要是离子浓度，而离子浓度受到槽液运动的影响。电解液可以被导向沿着需涂覆的工件表面强制流动以提高沉淀速度。为了这个目的，众所周知在涂覆半圆形的支撑件表面时(US4399019A)，半圆形的支撑件被沿同轴方向顺序排列在一个框架内，同时在框架内设置有与半圆形支撑件同轴的圆柱形阳极，并且该阳极可以绕轴驱动。这个框架沿垂直轴向浸没于电解槽中，同时与泵相连。泵通过支撑件需涂覆表面和阳极之间的间隙从槽中循环输送电解液。轴向的电解液流通过阳极的旋转运动而与旋转流叠加在一起，同时阳极的旋转运动形成了具有轴向转向轨迹的转子，这样就可以通过支撑件需涂覆表面和阳极之间的间隙在较低的泵输出量下得到一种有利的电解液强制流。仍然需要相对高的构造上的复杂性。另一个因素是不仅需要用电解液润湿支撑件的涂层表面，而且包括半圆形支撑件的背面，这就需要特殊的措施以避免金属沉淀在支撑件需涂覆表面的外面，而且在用电解液完全润湿工件后，把工件从槽液中取走时导致夹带槽液。

为了避免在批量涂覆半圆形支撑件时的缺点，人们已经提出(US2,944,947A)沿水平滑道连续运输半圆柱形支撑件通过电解槽。这些半圆柱形支撑件被沿轴向顺序排列，同时它们的轴面处在滑道上。由于半圆柱形支撑件通过槽液罐两相对罐壁时，在密封导向方面存在困难，结果导致人们建议(US5,364,523A)，在垂直输送机的帮助下逐步降低分开输送半圆柱形支撑件到槽罐中，经过水平滑移后再次沿垂直方向把它们从槽罐中取走，这就导致了大量结构上的复杂性。而且与浸渍处理有关的困难仍然相同。工件和与工件的垂直运输有关的电解液之间的相对运动不足以得到更高的电流密度。

发明内容

本发明就是基于这个目的，即提供一种对大致在半圆上延伸的工件圆柱形内表面进行电镀的方法，特别是半圆柱形平支撑件，其涂覆方式使得高电流强度下的涂覆仅限于工件的圆柱形内表面。而且也能形成用于工件的连续处理的有利的先决条件。

基于前面提到的这种方法，通过这项发明用这种方式取得了这个目的，即电解液通过位于导向装置和放置在液槽外面的工件之间的间隙，在导向装置的帮助下沿圆周方向运输，导向装置只是部分浸没于液槽中。

由于这些措施，只是部分浸没于液槽中的导向装置通过位于导向装置和需涂覆工件的圆柱形内表面之间的间隙由液槽输送电解液。通过对位于导向装置和工件内表面的径向距离以及导向装置的圆周速度分别进行调整，就容易确保一种通过间隙的旋转层流，以得到覆盖整个工件内表面的均匀的金属沉淀。因为工件被放置在液槽的外面并以这种方式润湿，这样可以避免与把工件浸没在槽液中有关的缺点。产生的有利的先决条件是不仅电解液流限制于需涂覆的工件内表面，而且构造具有较低的复杂性，这是因为需涂覆的工件在液槽水平面的上面被涂覆，同时可以沿轴向位移。这种方式特别适用于当需涂覆工件的内表面以相似的方式被脱脂、清洗和活化，这样，脱脂液、清洗液和酸洗液在部分浸没在各自槽液中的转子的帮助下，通过位于转子和内表面之间的间隙输送。为了有助于槽液的夹带，用于此目的的转子具有调整刷(trimming of brushes)或一个多孔的中间层来接受处理液。由于工件在各自槽液的外面进行处理，这样就可以涂层每一单个工件，或当工件沿圆柱形内表面的轴向方向在槽液平面的上方以可移动方式引导时，工件沿轴向连续排列并在连续向前进料过程中对工件进行涂覆。

为了提供一种有利的电解流通过需涂覆工件内表面和导向装置之间的间隙，即使在导向装置和工件内表面之间存在较大的径向距离的情况下(这在圆柱形内表面偏离圆形时可能成为一种需要)，电解液可以从间隙的入口端沿间隙的方向流入导向装置，这样沿着导向装置的电解液流有利于电解液进入间隙。

为了避免必须处理通过预定的电解液引入流和流出流在需涂覆工件内表面的圆周上形成不同的涂层沉淀，导向装置的圆周方向和由此而产生的的通过间隙的电解液输送方向，在沉淀过程中能够重复变化。

为了实施上述涂层方法，可以有一个槽液罐，用于工件的固定装置和旋转导向装置，在导向装置和工件内表面之间有一个间隙用来输送电解液。它仅仅需要保证导向装置部分浸没在槽液中，并用作电解液的输送设备，同时固定装置使工件处于液槽水平面之上的工作位置。为了能够使通过工件的内表面和导向装置之间间隙的电解液流对各种情况进行调节，导向装置的旋转速度是可以调整的。在间隙的入口一侧对着导向装置的径向流可以通过面向导向装置的喷嘴而有利地取得，该喷嘴与各自的泵相连，从而以各自的压力由喷嘴向间隙中输送电解液。

用于工件的固定装置可以通过一个用于工件的向着转子旋转轴的滑动导向装置构成，从而提供了简单的结构条件。这样一个滑动导向装置不是强制性的，因为唯一相关的一点在于工件沿转子的同轴方向设置以涂覆内表面。

为了对沿需涂覆内表面轴向伸展的电场强度(这决定沉淀速度)，以及因而对涂层厚度的分布产生影响，作为阳极的导向装置的表面具有齿形轮廓，所以从轴向断面看得到了不同的间隙宽度。在更小的间隙宽度区域，由于更高的场强，沉淀层比在更大的间隙宽度区域增长得更快。

工件圆柱形内表面的涂覆在没有外部的能量供应时可以在特殊情况下以还原的方式发生。常规的电解金属沉淀使用外部电流，因此由于可以得到高的电流强度，上面描述的方法是非常适合的，这需要将导向装置安排作为电极。如果导向装置形成了一个可溶的阳极，那么更大的间隙宽度必定是可期望的。为了避免需涂覆的工件内表面与导向装置之间的距离增大，导向装置可以由不溶性的阳极构成。特别有利的情况是，为了这个目的导向装置在切换为阴极的工件和被设置在液槽中的阳极之间被作为双极电极。在这样一种双极电极的情况下，导向装置在偏离工件的一侧上作为阴极，因此在这个区域沉淀在导向装置上的涂层金属在由工件作为阴极的区域中再次溶解，因为在这个区域中由于电荷转移导向装置作为阳极。在导向装置上的金属沉淀与沉淀金属的溶解之间就这样形成了一个平衡，于是在较长的使用周期，可以预见稳定的沉淀条件。

按照各自的要求，为了确保涂层的厚度不仅在轴向而且在圆周方向可以做不同的选择，导向装置可以设置成相对于工件的固定装置在径向是可以位移的，这样沿圆周方向形成了一个可变的间隙宽度和不同的沉淀速率。

导向装置本质上可以具有不同的结构。特别简单的构造情况是导向装置由平行于工件内表面的轴的转子组成。导向装置也可以包括一个环形的用于透过电解液的中间层的支撑件，该中间层至少部分填充该间隙，从而促进电解液通过中间层的输送。当中间层的表面靠在工件的内表面的时候，该中间层也可以用来改善沉淀条件。介于中间层表面和工件内表面的滑动摩擦令人吃惊地改善了沉淀条件。这个事实也可以用来沉淀出齿形轮廓的涂层。例如这种情况能够以这种方式发生，一种织物被用作中间层的表面，它在经纱和纬纱的交联点区域形成厚点，在该区域中，工件的内表面或增长的涂层之间有接触，同时涂层的沉淀速率在接触区域会有所增加。

另一种形成中间层的可能性是通过使用调整刷作为中间层而得到的。所说的调整刷除了用来帮助电解液的输送外也可以用来沉淀层的表面安排。如果调整刷的导电刷毛距离工件的内表面以一定的径向距离而终止，这些刷毛则形成具有较高场强的各自结构的阳极，当刷毛形成沿圆周方向延伸的线时就会导致在刷毛区形成更高的沉淀速率。调整刷的刷毛也可以靠在工件的内表面上以利用摩擦效果来加速沉淀。在这种情况下，调整刷的刷毛需要由电绝缘性的物质组成。最后，电解液可以通过导向装置的径向通孔在介于导向装置与工件的内表面之间的间隙中运输。为了防止在电镀中因液流的不规则，需要维持导向装置的循环移动。

附图说明

通过参照所包括的附图对依据该发明的方法做进一步详细的说明：

图1表示根据本发明用于电镀工件圆柱形内表面的设备的垂直于轴向的截面图；

图2表示这种设备的部分截面图；

图3表示按照图1的结构变化的示例；

图4表示放大的导向装置的齿形表面的轴向截面图；

图5表示按照本发明的设备的进一步具体实施方案的与轴垂直的示意性截面图；

图6表示相应于图4的导向装置齿形表面结构变化的示例；

图7表示按照本发明的设备的另一具体实施方案的与轴垂直的示意性截面图；

图8表示相应于图7的另一具体实施方案的结构变化的示例；

图9表示放大的介于导向装置与工件内表面之间的间隙的与轴垂直的截面图。

具体实施方式

按照图1，示例性的设备包括槽罐1，其上方是用于工件3的固定装置2，工件3包括一个将要电镀的圆柱形内表面4，表现为半圆的横截面，例如用半圆柱形的部件表示。固定设备2由具有两个滑道的滑动导向装置5组成，工件3的轴向表面支撑在这两个滑道上。转子形式的导向装置6与工件3的内表面4是同轴的，转子通过轴7以速度可控的方式驱动。所说的导向装置6部分浸没于电解槽8中，以从槽8中通过间隙9循环输送电解液，间隙9介于导向装置6和工件3的内表面4之间。通过选择间隙9的尺寸和导向装置6的循环速度，可能以有利的方式使电解液以保持层流通过间隙9，金属层便电镀在内表面4上。为了这个目的，工件3作为阴极与电源相连，该电源又与设置在槽8中的阳极10相连。导向装置6由此而形成一种双极电极，由于在工件3作为阴极和阳极10之间的电场中发生电荷转移，在面向工件3的圆周区域作为阳极，但是在相反的圆周区域作为阴极。这意味着金属在偏离工件3的导向装置6的圆周区域上发生电镀，而在间隙9的区域再次发生溶解，因此就得到了相对直径的稳定的条件。

为了有助于电解液流通过间隙9，在间隙9的入口侧提供有喷嘴11，喷嘴11与泵12相连从而电解液从槽罐1输送到喷嘴11，以便于电解液向着间隙9的方向与导向装置6相向流动，这样有助于电解液以层状流过间隙9，特别是在较大的间隙宽度的情况下。由于通过导向装置6沿着需涂覆内表面4循环产生的电解流的速度，能够得到一个相对高的电流密度，从而导致较高的沉淀速率。电解液的运输从槽8沿着设置在槽8外面的工件3的需涂覆内表面4循环返回到槽8，也保证了用槽8中的电解液润湿工件3，其仅限于需涂覆的内表面4，结果，避免了把工件3浸没于液槽8中使工件3完全润湿和由此带来的槽液夹带的缺点。

如图2中所表示的，滑动导向装置5提供了一种简单的可能性，以使工件3连续进入单个处理阶段，以便于在金属以单层或多层沉积在内表面4之前对工件进行脱脂、清洗或酸洗。在单个处理阶段13，14和15，当转子16分别与电解槽8的导向装置6相似排列时，各个槽液能通过转子16以相同的方式作用于工件3的内表面4，以使需涂覆的内表面4受到槽液的各种处理。工件3从一个处理阶段到另一个处理阶段的位移，只需沿着滑动导向装置5作轴向位移即可发生，该滑动导向装置5延伸至所有的处理工位。应该理解利用这种工件导向系统，不仅可以连续处理单个工件3，也可以对轴向顺序排列的所有工件连续进行处理。

一个半圆形的导电支撑件由钢质的支撑外壳组成，基于含铅青铜的支撑材料涂覆于支撑外壳上，在上面所描述的设备帮助下，在支撑件上镀有由铅、锡和铜合金制成的工作层。半圆柱形的支撑件是由市售的碱性清洁液脱脂，用水清洗，然后用盐酸和氯化铁的混合物酸洗。内径150mm的转子被用于内径为155mm的半圆柱形支撑件。转子以540r.p.m的转速驱动。酸洗时间是40秒。以这种方式活化的半圆柱形支撑件的内表面在轴向位移到清洗槽中后清洗大约40秒钟。转子具有相似的尺寸和驱动条件，因为所有处理阶段的转子由一个公用轴驱动，并具有同样的直径。

用常规镍的电解液，清洗后在内表面上电镀上厚度为2μm的镍层作为扩散阻挡层。形成导向装置的转子在这个过程中被用作双极电极。由于电解液流过介于导向装置和半圆柱形支撑件之间的间隙，结果产生了75A/dm²的电流密度，并限制涂层时间为8秒。在涂覆镍层和额外清洗后，沉积而成厚度20μm的由铅-铜-锡合金制成的常规的工作层，即在电流密度为60A/dm²和涂层时间为40秒的条件下，这只有按照本发明通过介于导向装置和半圆柱形支撑件之间的间隙形成的电解液流才能获得。使用一种常用的基于含铅、锡和铜氟硼酸盐的电解液。最后，在清洗后由含氟硼酸锡的电解液沉积得到一个2μm厚的工作表面涂层。40A/dm²的电流密度使用了6秒钟。

正如图3所表示的，导向装置6可以从相对固定装置2，也就是相对工件3的内表面4同轴的起始位置进行径向位移，这样就导致了在介于导向装置6与工件3的内表面4之间的间隙9具有不同的宽度。由于间隙宽度发生了变化，各种合金以在圆周上不同的厚度沉积在内表面4上。

为了确保工件3内表面4的涂层17在轴向方向上形成齿形轮廓，根据图4用各自的方式在阳极的表面形成了齿形轮廓(profiled)，这个阳极表面是通过导向装置6形成的，并与需涂层内表面4相对。在示例性的具体实施方案中，圆周肋边在它们的涂层17区域产生了更高的沉积速率，这就导致了以凹槽状的凹陷18形式存在并沿圆周方向伸展的齿形轮廓。为了增加可以导致沉淀速率不同的电场强度差，在导向装置6的圆周肋边之间设有电绝缘件19。

为了帮助电解液的输送，根据图5在导向装置6上提供有中间层20，中间层20是多空的，例如由无纺材料组成，电解液通过中间层供给工件3的内表面4。根据图6，所述的中间层20覆盖有织物21，在织物21的经纬纱交联点的区域包括有放大部分，该部分靠在内表面4上或在增长的涂层17上，并确保了涂层的更快增长，当保证织物21的厚点在导向装置6的圆周方向上对准时，这样就导致了在涂层17的表面再次产生凹槽状的凹陷18。

正如图7和8所表示的，中间层20也可以由调整刷22组成。然而根据图7，调整刷22由非导电性的靠在工件3的内表面4上的刷毛组成；根据图8，调整刷22的刷毛由导电材料组成，刷毛距离内表面4以一定的径向距离而终止。结果，根据图7由于刷毛的接触，调整刷22导致了在接触区域涂层的更快增长。根据图8的导电性的刷毛导致了在它们区域更高的场强。尽管这也导致了涂层的齿形轮廓，然而这是由于不同的作用。

最后如图9所指示，电解液也可以通过导向装置6进入到介于导向装置6和工件3的内表面4之间的间隙，当导向装置6具有各自的通孔23时，电解液进入到工件3的内表面4，这些通孔23与用于电解液的各个进料管线相连。为了防止与沉积有关的因液流而导致的不规则，必须保持导向装置6的循环移动。

Claims (18)

1.对大致在半圆上延伸的工件的圆柱形内表面进行电镀的方法，其中电解液通过位于内表面和旋转导向装置之间的间隙从液槽中进行循环输送，其特征在于，电解液是在只是部分浸没于液槽(8)中的导向装置(6)的帮助下，沿圆周方向通过位于导向装置(6)和在液槽(8)外面的工件(3)之间的间隙而输送。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在间隙(9)的入口侧，电解液与导向装置(6)在间隙(9)的方向上相向流动。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，导向装置(6)的旋转方向和由此的电解液通过间隙(9)的输送方向是重复变化的。

4.如权利要求1至2中之一所述的方法，其特征在于，工件(3)沿其圆柱形内表面(4)的轴的方向以可位移的方式排列在液槽水平面上方。

5.用于实施根据权利要求1所述的对大致在半圆上延伸的工件的圆柱形内表面进行电镀的方法的设备，包括一个槽罐，一个用于工件的固定装置和一个旋转导向装置，在导向装置和工件内表面之间留有一个间隙，以输送电解液，其特征在于，导向装置只是部分浸没于液槽(8)中，并用作电解液的输送设备，固定设备(2)使工件(3)处于液槽水平面之上的工作位置。

6.如权利要求5所述的设备，其特征在于，导向装置(6)的旋转速度是可调的。

7.如权利要求5或6所述的设备，其特征在于，在导向装置(6)和工件(3)内表面(4)之间的间隙(9)的入口一侧至少设有一个喷嘴(11)，它面对导向装置(6)以及用于电解液流的间隙(9)。

8.如权利要求5至6中之一所述的设备，其特征在于，固定装置(2)在导向装置(6)旋转轴方向形成用于工件(3)的滑动导向装置(5)。

9.如权利要求5至6中之一所述的设备，其特征在于，导向装置(6)具有齿形表面。

10.如权利要求5至6中之一所述的设备，其特征在于，导向装置(6)在位于切换为阴极的工件(3)和在液槽(8)中的阳极(10)之间安排为双极电极。

11.如权利要求1、2、5和6中之一所述的设备，其特征在于，导向装置(6)相对于用于工件(3)的固定装置(2)在径向上是可以位移的。

12.如权利要求1、2、5和6中之一所述的设备，其特征在于，导向装置(6)由平行于工件(3)内表面(4)的轴的转子组成。

13.如权利要求1、2、5和6中之一所述的设备，其特征在于，导向装置(6)由一种支撑件组成，该支撑件用于支撑至少部分填充间隙(9)的可透过电解液的中间层(20)。

14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，中间层(20)的表面由靠在工件(3)内表面(4)的织物(21)组成。

15.如权利要求13所述的设备，其特征在于，中间层(20)由调整刷(22)组成。

16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，调整刷(22)的导电刷毛距离工件的内表面(4)以一定的径向距离而终止。

17.如权利要求15所述的设备，其特征在于，靠在工件(3)的内表面(4)上的调整刷(22)的刷毛由电绝缘性的材料组成。

18.如权利要求1、2、5和6中之一所述的设备，其特征在于，导向装置(6)包括用于电解液的径向通孔(23)。

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