EP0552097A1

EP0552097A1 - Appareil et procédé de révêtement électrolytique de nickel

Info

Publication number: EP0552097A1
Application number: EP93400070A
Authority: EP
Inventors: Béatrice Sala; Laurent Guerin; Bernard Michaut
Original assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID; Framatome SA
Current assignee: Institut de Recherches de la Siderurgie Francaise IRSID; Areva NP SAS
Priority date: 1992-01-16
Filing date: 1993-01-13
Publication date: 1993-07-21
Anticipated expiration: 2013-01-13
Also published as: EP0552097B1; DE69317315T2; FR2686352B1; ZA93264B; DE69317315D1; US5403460A; FR2686352A1

Abstract

Appareil de revêtement électrolytique de nickel d'une pièce, à partir de bains de nickelage utilisant, comme apport de nickel, du sulfamate de nickel et constitué de récipients contenant les bains de nickelage dans lesquels sont plongées une anode et une cathode, caractérisé en ce qu'il comprend une paroi semi-perméable séparant le compartiment cathodique du compartiment anodique.

Description

La présente invention concerne un appareil perfectionné et un procédé de revêtement électrolytique de nickel. Elle intéresse le domaine du nickelage par revêtement électrolytique de pièces métalliques ou non, à l'aide de bains de nickelage utilisant du sulfamate de nickel comme apport de nickel.
Elle trouve une application importante dans le Revêtement Electrolytique De Nickel (REDN) à l'intérieur des tubes tels que des tubes de générateurs de vapeur, des manchettes de pressuriseur ou des adaptateurs de couvercle de cuve des centrales nucléaires à eau sous pression, ou tout autre tube du domaine nucléaire ou non nucléaire.
Une autre application importante concerne le nickelage d'éléments de connecteurs électriques et plus généralement à toute opération de nickelage utilisant un bain de sulfamate de nickel soit par un procédé statique (bain dans une cuve avec des électrodes fixes), soit par un procédé dynamique (circulation du bain ou circulation des pièces à nickeler).
Une troisième application importante concerne la purification des bains de nickelage utilisés au cours desdits revêtements.
On sait que le nickelage interne des zones des tubes en U de générateur de vapeur, soumises à des contraintes particulièrement élevées, permet d'obturer des microfissures ou de prévenir ces fissurations. A titre d'exemple de procédé de réparation par nickelage connu, on pourra se reporter au document EP-A-O 167 513.
Les appareils classiquement utilisés dans le domaine du nickelage par revêtement électrolytique sont constitués:

d'un récipient contenant le bain de nickelage agité ou non, une anode souvent constituée d'un panier grillagé (par exemple en titane) et rempli de billes de nickel soluble (par exemple celles commercialisées par la Société INCO), et une cathode constituée de la pièce à revêtir de nickel, ou
des mêmes récipient, bain de nickelage et anode que ci-dessus, mais avec une cathode constituée d'une plaque métallique quelconque (par exemple en acier inoxydable)l'ensemble du dispositif étant, dans ce cas, destiné à préparer le bain de nickelage avant utilisation en le purifiant par élimination, par électrolyse contrôlée, des impuretés métalliques non désirées (par exemple du cobalt dans le cas des installations nucléaires), ou
d'une anode cylindrique creuse revêtue de nickel soluble et placée au centre du tube à réparer par nickelage constituant la cathode, le bain de nickelage circulant dans un sens entre la cathode et l'anode puis dans le sens opposé à l'intérieur de l'anode.

Or, avec les dispositifs décrits ci-dessus, lors de l'électrolyse, il se forme, tant au niveau de la cathode qu'au niveau de l'anode, des composés complexes qui, de plus, peuvent se recombiner librement entre eux.
On entend par composés complexes des composés provenant de la modification du ligand sulfamate tel que par exemple l'azodisulfonate.
Ces composés complexes posent des problèmes lors de l'opération de nickelage qui se manifestent le plus souvent par la passivation de l'anode de nickel du fait notamment de la réduction sur la cathode de composés oxydés formés à l'anode qui déséquilibrent le système électrochimique vers un potentiel où l'anode se passive, et/ou par une augmentation de la résistance électrochimique de la cellule de nickelage du fait notamment de la présence de composés peu ionisés, ce qui conduit à ne plus travailler dans les conditions d'intensité ou de potentiel voulues pour le nickelage, à obtenir des dépôts n'ayant plus la qualité requise et/ou à dégrader rapidement les bains de nickelage.
L'article "Nickel electroplating cell" page 500, col. 2 de Chemical Abstracts, vol. 102, n° 18, Mai 1985, fait par ailleurs connaître un appareil de revêtement électrolytique de nickel conforme au préambule de la revendication 1. L'invention propose en revanche un dispositif conforme à la partie caractérisante de la revendication 1.
La paroi semi-perméable en matériau fritté inerte ou polymère empêche le passage de composés oxydés formés à l'anode, du compartiment anodique au compartiment cathodique.
L'invention vise également à fournir un procédé permettant de prévenir ou d'empêcher la dégradation des bains de nickelage et d'utiliser ces bains jusqu'à épuisement de leur teneur en nickel, sans risquer d'incidents dus à la passivation précoce de l'anode dans le cas où elle est constituée de nickel soluble, à savoir du nickel dépolarisé au soufre, tel que par exemple les produits commercialisés par la Société INCO (pellets, billes, etc.).
Pour cela, l'invention propose un procédé de revêtement électrolytique d'une pièce conforme à la revendication 5.
La cathode peut être constituée de la pièce à revêtir, cette pièce étant en contact avec le bain du compartiment cathodique.
Par ailleurs, le procédé peut comprendre une étape préliminaire à l'opération de nickelage dans laquelle la cathode est constituée d'une simple électrode permettant l'électrolyse des bains de nickelage, afin d'empêcher et de prévenir leur dégradation et permettre ainsi leur utilisation jusqu'à épuisement de leur teneur en nickel.
Pour mieux comprendre l'invention on va décrire maintenant plus en détails l'appareil de revêtement électrolytique de nickel conforme à l'invention.
La figure 1 et la figure 2 représentent des modes particuliers de mise en oeuvre de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs.
La figure 3 représente l'évolution des paramètres électrochimiques au cours d'une électrolyse telle que réalisée dans l'art antérieur.
La figure 4 représente l'évolution des paramètres électrochimiques au cours d'une électrolyse réalisée selon l'invention.
La représentation schématique de la figure 1 comporte un récipient 1 formé de deux cuves verticales communiquant par un canal transversal, destiné à recevoir le bain 2 à électrolyser. Une cathode 3 est immergée dans l'une des cuves verticales et une anode 4 est immergée dans l'autre cuve verticale. Une paroi semi-perméable 5 obture le canal transversal qui relie les deux cuves verticales et sépare ainsi le compartiment anodique du compartiment cathodique.
La figure 2 représente schématiquement une cuve 6 destinée à recevoir le bain 7 à purifier. Dans le bain sont immergées une cathode 8 et une anode 9 isolée du reste du bain par une paroi semi-perméable 10 délimitant ainsi, autour de l'anode, un compartiment à l'intérieur même du bain de nickelage. Dans un tel dispositif la paroi semi-perméable peut être un fritté ou une membrane de polymère.
L'agencement de la figure 2 peut être inversé, c'est-à-dire que c'est alors la cathode qui est isolée du reste du bain par une paroi semi-perméable.
L'électrolyse réalisée est en elle-même connue tant pour la liaison des électrodes que pour le contrôle des différents paramètres.
Par exemple, l'anode et la cathode pourront être reliées, par l'intermédiaire d'un rhéostat, aux bornes d'une source de courant continu permettant de fournir une tension U de quelques volts sous une intensité I de quelques ampères . Un organe de mesure de tension pourra être monté entre l'anode et une électrode de référence et fournira le potentiel (Ea) de l'anode par rapport à l'électrode de référence.
Dans le cas d'appareil de nickelage par revêtement électrolytique de l'art antérieur, les trois électrodes : cathode, anode et électrode de référence, sont placées dans la cuve non compartimentée.
La figure 3 montre que, jusqu'au temps T₁, les trois paramètres I, U, Ea sont constants et le processus d'électrolyse se déroule normalement, au delà de T₁ on a représenté le phénomène de passivation de l'anode qui engendre non seulement une élévation du potentiel de l'anode par rapport à l'électrode de référence Ea, mais surtout qui provoque une chute brutale du courant I de nickelage avec dégradation rapide du bain par oxydation et formation d'un dépôt de nickel non homogène. Cette passivation de l'anode produit également une détérioration du bain par acidification avec, en conséquence, la formation d'un dépôt de nickel fragile.
Cette description basée sur une électrolyse à potentiel U imposé pourrait être également appliquée au cas d'une électrolyse à intensité I imposée. Au lieu d'une chute brutale du courant I on noterait une montée brutale de la tension U, mais les conséquences sur le bain et la qualité du dépôt seraient les mêmes.
Dans le cas d'un appareil conforme à l'invention, la cathode est placée dans l'une des deux cuves verticales d'un dispositif du genre de celui schématiquement représenté en figure 1, l'anode et l'électrode de référence sont placées dans l'autre cuve verticale, la paroi semi-perméable étant placée entre les deux cuves dans le canal transversal.
La figure 4 montre que, jusqu'au temps T₁, l'électrolyse évolue de la même façon que dans le cas précédent représenté à la figure 3. De même que dans le cas précédent, le phénomène de passivation de l'anode provoque une élévation du potentiel Ea.
En revanche, les paramètres de l'électrolyse dans le bain de sulfamate de nickel continuent à se maintenir, c'est-à-dire que l'intensité I et le potentiel U restent constants.
Cette description reste valable, que l'électrolyse soit faite à potentiel U imposé ou à intensité I imposée.
En conséquence, ni la qualité du bain cathodique ni celle du dépôt ne sont perturbées par l'éventuelle passivation de l'anode.
La description permet de comprendre également que l'on peut désormais, grâce à l'invention, utiliser une anode insoluble dès le début de l'électrolyse, ce qui était impossible dans l'art antérieur compte tenu de la dégradation rapide des paramètres.
Pour permettre d'évaluer les avantages apportés par l'invention, deux opérations de nickelage sont réalisées, l'une selon l'art antérieur, l'autre en compartiments séparés par une paroi semi-perméable, dans deux bains de nickelage de composition de départ identique.
Dans chaque opération de nickelage :

on prépare 120 cm3 d'une solution de nickelage comprenant :
- 93 g/l de nickel sous forme de sulfamate et
- 40 g/l d'acide borique.
la distance entre les électrodes est de 8 cm,
les électrodes sont constituées de plaquettes de 1,4 cm x 1,4 cm x 0,1 cm,
la cathode est en alliage "Inconel 600",
l'anode est en nickel et recouverte, sur une face, de nickel dépolarisé au soufre,
avant le nickelage, les électrodes subissent :
un décapage électrolytique dans l'acide sulfurique à 10 % à 58°C,
- pendant 60 secondes avec une intensité de 32 A/cm2 pour la cathode,
- pendant 25 secondes avec une intensité de 32 A/cm2 pour l'anode,
un rinçage à l'eau,
une polarisation en milieu acide sulfamique/ sulfamate de nickel à 58°C pendant 30 secondes avec une intensité de 4,8 A/cm2, la cathode étant polarisée cathodiquement,

les électrodes décrites ci-dessus et une électrode de référence au sulfamate mercureux sont placées dans le bain de sulfamate de nickel,
au cours de l'opération de nickelage on électrolyse le bain de sulfamate de nickel avec une différence de potentiel U maintenue constante, après une variation linéaire de 0 à U volts en une minute, de manière à avoir en régime stable une densité de courant I comprise entre 20 et 25 A/dm2; la densité de courant et la tension de l'anode (c'est-à-dire le potentiel Ea de l'anode par rapport à l'électrode de référence) sont enregistrées.

Dans le cas d'un appareil de nickelage par revêtement électrolytique de l'art antérieur, les trois électrodes : cathode, anode et électrode de référence au sulfamate mercureux, sont placées dans une cuve non compartimentée; dans le cas d'un appareil conforme à l'invention, la cathode est placée dans l'une des deux cuves verticales d'un dispositif du genre de celui schématiquement représenté en figure 1, l'anode et l'électrode de référence sont placées dans l'autre cuve verticale, la paroi semi-perméable étant un fritté en pyrex n° 4 d'épaisseur 3 mm, commercialisé par la Société SOVIREL placé entre les deux cuves dans le canal transversal.

Résultats des électrolyses

Dans les deux cas, la durée totale de l'électrolyse a été volontairement fixée à 8 heures 30.
Dans le cas de la cuve non compartimentée, la passivation de l'anode est intervenue au bout de 30 minutes environ et a été mise en évidence par la montée de son potentiel de surface d'une valeur Ea égale à environ 300 mV jusqu'à une valeur dépassant 1000 mV.
Dans ce premier cas, pour un volume de 60 cm3 de solution dans le compartiment cathodique, ou pour 5,6 grammes de nickel présents dans la solution de départ, 0,86 grammes de nickel ont été déposés sur la cathode, soit 15% du nickel disponible dans la solution, pendant les 8 heures 30 de nickelage; la figure 3 représente l'évolution des paramètres électrochimiques.
Dans le cas de l'appareil conforme à l'invention, la passivation, mise en évidence par la montée de potentiel de l'anode, s'est produite après 40 minutes de nickelage. Par contre, la densité de courant I étant restée stable, le nickelage s'est poursuivi pendant 8 heures 30 avec arrêt volontaire de l'essai; la figure 4 représente l'évolution des paramètres électrochimiques.
Dans ce dernier cas, pour un volume de 60 cm3 de solution dans le compartiment cathodique, ou pour 5,6 grammes de nickel présents dans la solution de départ, 4,4 grammes de nickel ont été déposés sur la cathode, soit 78 % du nickel disponible dans la solution, pendant les 8 heures 30 de nickelage.
Nous allons maintenant illustrer l'intérêt de l'invention lorsque l'appareil conforme à l'invention est utilisé pour la purification ou la régénération de bain de nickelage.
L'expérience précédente a été prolongée par les essais suivants :

I - Après les 8 heures 30 d'électrolyse de l'expérience précédente, le compartiment cathodique a été vidangé et remplacé par du bain neuf et une cathode neuve y a été placée à la place de la cathode d'origine. Dans le compartiment anodique d'origine, on a plongé une cathode neuve à la place de l'anode d'origine. On a donc inversé les deux compartiments. Dès mise en route de l'électrolyse, l'anode placée dans le bain neuf s'est passivée.
II - L'expérience inverse a été réalisée : après 8 heures 30 d'électrolyse, le compartiment anodique a été vidangé et remplacé par du bain neuf avec une cathode neuve à la place de l'anode d'origine, la cathode d'origine ayant été remplacée par une anode neuve qui donc est plongée dans le bain cathodique d'origine déjà utilisé pendant 8 heures 30. Dans ce cas, avec l'électrolyse, le nickelage s'est poursuivi pendant 30 minutes sans passivation, l'arrêt du test ayant été volontaire.

On constate donc que le bain de nickelage initial s'est largement enrichi de composés complexes tels que par exemple l'azidosulfonate dans l'un des compartiments rendant impossible toute électrolyse, alors que le bain contenu dans l'autre compartiment reste apte à assurer un nickelage efficace après 9 heures d'utilisation du bain d'origine.
Le maintien du composé oxydé dans un compartiment spécifique de manière à ne pas polluer le bain permet d'effectuer l'épuration des bains de sulfamate par électrolyse (extraction des traces de cobalt par exemple) sans pollution de bains par l'azodisulfonate.

Claims

Appareil de revêtement électrolytique de nickel d'une pièce, à partir d'un bain de nickelage utilisant, comme composé d'apport de nickel, du sulfamate de nickel, ayant un récipient contenant le bain de nickelage dans lequel sont plongées une anode et une cathode,
caractérisé en ce qu'il comprend une paroi semi-perméable en matériau fritté inerte ou en polymère séparant un compartiment cathodique d'un compartiment anodique.
Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi semi-perméable est de nature telle qu'elle empêche le passage de composés oxydés formés à l'anode.
Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le récipient est formé de deux cuves verticales communiquant par un canal transversal obturé par la paroi semi-perméable.
Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la paroi semi-perméable délimite, autour de l'anode ou de la cathode, un compartiment à l'intérieur même du bain de nickelage.
Procédé de revêtement électrolytique d'une pièce suivant lequel on fait passer un courant d'électrolyse dans un bain de nickelage utilisant comme composé d'apport de nickel, du sulfamate de nickel, entre une cathode constituée par la pièce à revêtir et une anode, l'une et l'autre plongées dans le bain,
caractérisé en ce que l'on empêche les libres échanges entre les composés complexes formés à la cathode et ceux formés à l'anode en séparant l'anode de la cathode par une paroi semi-perméable en matériau fritté inerte ou en polymère permettant le passage du courant d'électrolyse.
Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'anode utilisée est insoluble.
Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend une étape préliminaire de passage d'un courant au cours de laquelle la cathode est constituée d'une simple électrode.