FI61921B - Foerfarande foer framstaellning av katodiskt utfaelld metallprodukt och katodenhet foer genomfoerande av foerfarandet - Google Patents

Description

.... KUULUTUSJULKAISU

jääTa ® *11) UTLÄGGN I NGSSKRI FT 61921 c Patentti ay3nnotty 11 10 1932 ^ (51) Kv.ik?/int.ci.3 e 25 C 7/02 SUOM I — Fl N LAN D (21) P»«*rttMi«k*mi·· — PKmtmeknlng 763539 (22) Htk«mltptivl — An*eknlopd*f 09.12.76 (Fl) (23) Alkuplivt—GIMgh«tida| 09«12.76 (41) Tullut |ulkt*«k*l — Bllvlt offwKHg 02.10.77

Patentti-)· rekisterihallitut (44) NihttvikiipuKxi f> kuuLjullutem pvm. —

Patent- och registerstyrelsen Anittlun utltgd och uti.tkriftun publk*r»d 30.06.Ö2 (32)(33)(31) Pyydetty «tuoikMt—B«glrd prlorltut 01. Ok .76

Engl ajat i-Engl and (GB) 133^0/76 (71) Falconbridge Nickel Mines Limited, P.0. Box i+0, Commerce Court West, Toronto, Ontario, Kanada(CA) (72) Ronald Parkinson, Thornhill, Ontario, Richard Allan Sinton, Scarborough, Ontario, Kanada(CA) (7^) Leitzinger Oy (5U) Menetelmä katodisesti seostetun metallituotteen valmistamiseksi ja katodiyksikkö menetelmän suorittamiseksi - Förfarande för framställ-ning av katodiskt utfälld metallprodukt och katodenhet for genom-förande av förfarandet

Keksinnön kohteena on vaatimuksen 1 johdannon määrittelyn mukainen elektrolyyttinen saostusmenetelmä ja vaatimuksen 2 johdannon määrittelyn mukainen katodiyksikkö menetelmän suorittamiseksi .

Tuotantomittaisessa sähkömetallurgiassa suuria tonnimääriä puhdistettua metallia otetaan talteen liuoksesta saostamalla se galvaanisesti ja panosmaisesti useiden katodiemälevyjen päälle. Katodit ja kerääntynyt metalli poistetaan jaksottaisesti säiliöstä ja leikataan palasiksi, jotka tehdään sen kokoisiksi, että niitä voidaan mukavasti käsitellä niissä myöhemmissä teollisuuksissa, joihin ne on tarkoitettu. Tämä käytäntö vaatii paljon työtä, ja sellaisia menetelmiä on kuvattu, joissa valmistetaan yksittäisiä sakkoja saostamalla modifioidun katodin päälle, jossa on johtavia saarekkeita säännöllisin välein eristävässä taustassa. Sakat poistetaan sen jälkeen mekaanisesti ja katodi käytetään uudelleen.

2 61921 Tämä perusajatus on kuvattu amerikkalaisessa patentissa 3,860,509, jossa sitä on käytetty hienojakoisen, jauhemaisen metallin jatkuvaan muoaostamiseen mikroskooppisten saarekkeiden päälle mutta tässä patentissa esitetty tekniikka ei sovi panosmaisiin kaupallisiin sovellutuksiin, joissa on kyseessä paljon suuremmat sakat.

Suurien sakkojen osalta teollisuudessa on havaittu välttämättömäksi tehdä kompromissi, ja sen sijaan saostaa panosmaisesti normaalin kokoisten suorakulmaisten katodien päälle, joissa on suhteellisen suuria johtavia saarekkeita. Metalli otetaan talteen mekaanisesti ja katodi käytetään uudelleen. Tietämämme mukaan tätä alaa koskevia aikaisempia tietoja on esitetty ainoastaan kanadalaisessa patentissa 955,195 ja amerikkalaisissa patenteissa 3,577,330 ja 3,668,081 ja niiden vastineissa muissa maissa.

On ilmeistä, että alan tämän uuden kentän onnistuminen riippuu hyvin paljon uudelleenkäytettävän katodin kyvystä kestää toistuvia, saosta-misen ja poistamisen käsittäviä jaksoja. Johtavat saarekkeet, halkaisijaltaan tyypillisesti vähintään 15,9 mm, ovat niin suuria, että metallisakat, jotka vastaavat oleellisesti kooltaan johtavia alueita, muodostavat kiinteän sidoksen saarekkeen kanssa. Itse asiassa haurasta sidosta on vältettävä, jotta estettäisiin tuotehäviöt elektrolyytti-säiliöön. Siten poistaminen, joka repii metallituotteen saarekkeesta, asettaa katodin alttiiksi huomattavalle mekaaniselle kulutukselle, joka on suurempi kuin se voimakas käsittely, joka siihen rutiininomaisesti kohdistuu sen siirtämisen aikana elektrolyyttisäiliöiden sisään ja sieltä pois. Tästä johtuen tähän sovellutukseen kelpaavien katodien on oltava kestäviä, itsetukevia rakenteita, jotka pystyvät kestämään tähän teolliseen sovellutukseen luontaisesti liittyvän suhteellisen kovakouraisen käsittelyn.

Aikaisempi, kolmessa edellä mainitussa patentissa mainitunlainen katodi muodostuu johtavasta metallilevystä, joka on osittain peitetty ohuella, johtamattomasta materiaalista olevalla päällysteellä sellaisella tavalla, että metallilevystä jää valittuja eristettyjä alueita esille johtavina metallisaarekkeina. Näiden nk. "pysyvien katodi-sydänten" kaikkein vakavin haitta on niiden lyhyt käyttöikä, joka on yleensä vain 10 saostusjaksoa tai vähemmän. Kaikissa maskirakenteissa johtavat saarekkeet ovat luontaisesti alempana kuin peittävä kerros ja galvaanisen saostumisen aikana metalli kerrostuu syntyneeseen 3 61921 onkaloon. Maskaavan materiaalin ja sen alla sijaitsevan metal-lialustan välipinnalla sijaitseva sidos on kriittinen katodin käyttökelpoisuudelle metallin poistossa, koska sakkoja poistettaessa maskiin kohdistuu huomattava rasitus, erityisesti harjanteessa, jossa maski ympäröi painautuneita saarekkeita.

Kohdissa, joissa maskaava materiaali on repeytynyt pois, saareke suurenee ei-toivottavalla tavalla siten, että seurauksena on epänormaalien sakkojen muodostuminen myöhemmän galvaanisen saostuksen aikana, joka sakkaa poistettaessa tuhoaa päällystettä vieläkin enemmän. Huononeminen on sekä nopeaa että kumulatiivista ja johtaa katodin poistamiseen käytöstä uudelleen-maskausta varten noin 10 galvaanisen saostusjakson sisällä.

Sopivan maskaustekniikan etsiminen on ulottunut yhä monimutkaisemmasta sähkösaostusvärien, -lakkojen ja teippien järjestyksestä aikaisemmissa patenteissa aina erään myöhemmän patentin mukaisesti kromipinnoitteisen ruostumattoman teräslevyn päälle levitettyihin epokseihin ja viime aikoina lasimaisiin emalikerroksiin. Jokaisessa parannuksessa on pidetty katodien arkana ominaisuutena niiden kykenemättömyyttä kestää toistuvaa galvaanista saostusta maskin huonontumisen johdosta.

Keksinnön tarkoituksena on saada aikaan sellainen katodisesti saostettujen metallituotteiden valmistusmenetelmä, joka on tähänastista yksinkertaisempi ja taloudellisempi, jolla menetelmällä valmistetut tuotteet ovat tähänastista helpommin irroi-tettavissa katodiyksiköltä ilman sen rikkoutumisvaaraa ja jossa menetelmässä voidaan käyttää sellaista uudelleenkäytettävää ka-todiyksikköä, joka on rakenteeltaan yksinkertaisempi, kestävämpi ja toimintavarmempi kuin aikaisemmin tunnetut katodiyksiköt.

Edellä mainitun tarkoituksen saavuttamiseksi on katodisesti saostetun metallituotteen valmistusmenetelmä keksinnön mukaisesti tunnettu siitä, että muodostetaan kruunun muotoisia, 5 - 50 g painavia, oleellisesti puolipallomaisia tai puoli-ellipsoidisia metallisakkoja käyttämällä sellaista katodiyk- sikköä, jonka kahdella vastakkaisella toimintapinnalla olevien 2 johtavien metallisaarekkeiden pinta-ala on välillä 1,3 cm 2 0,13 cm , jolloin riittävän välin päässä toisistaan olevien 4 61921 metallisaarekkeiden päälle saostetaan galvaanisesti metallisak-koja, joiden jokaisen pohjan pinta-ala on moninkertainen verrattuna sen saarekkeen pinta-alaan, jolle metallisakka muodostetaan, ja jonka metallisakan suurimman korkeuden, mitattuna kohtisuoraan litteää pohjaa vasten, ja litteän pohjan pinta-alan suhde on vähintään 0,118 cm

Menetelmän toteuttamiseksi käytetty katodiyksikkö on tunnettu siitä, että mainitussa metallirakenteessa on ulkonemia, jotka läpäisevät laatan pinnan välimatkan päässä toisistaan olevissa kohdissa siten, että muodostuu ryhmä kiinteitä, johtavia metallisaarekkeita, joista kunkin metallisaarekkeen pinta-ala 2 2 on pienempi kuin noin 1,3 cm ja suurempi kuin noin 0,13 cm ja joiden metallisaarekkeiden välimatka toisistaan on niin suuri, että niiden päälle voidaan saostaa metallisakkoja, joiden jokaisen pohjan pinta-ala on moninkertainen verrattuna sen saarekkeen pinta-alaan, jolle sakka on muodostunut. Katodiyksikön erilaisten sovellutusmuotojen rakenneratkaisuja on kuvattu tarkemmin patenttivaatimuksissa 3-7.

Keksintöä, siihen liittyvine etuineen ja erikoisuuksineen, selostetaan seuraavassa lähemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 on isometrinen projektio metalliaggregaatin, joka muodostaa katodiyksikön yhden komponentin, erään suoritusmuodon murretusta osasta.

Kuvio 2(a) on isometrinen projektio keksinnön mukaisen metalliaggregaatin toisen suoritusmuodon eräästä murretusta osasta, jossa kuviossa on esitetty ympäröivä johtamaton materiaali.

5 61921

Kuvio 2(b) on kuvio 2(a) sivultapäin.

Kuvio 3 on murto-osa keksinnön kolmannen suoritusmuodon mukaisen metalliaggregaatin isometrisestä projektiosta.

Kuvio 4(a) esittää leikkauksena osaa katodiyksiköstä, joka on valmistettu kuvion 3 mukaisesta aggregaatista.

Kuvio 4(b) havainnollistaa kuviossa 4(a) esitetyn suoritusmuodon erästä muunnelmaa.

Kuvio 4(c) on leikkaus kuviossa 4(a) kuvatun suoritusmuodon eräästä muunnelmasta.

Kuvio 5 esittää oheisen keksinnön tarkoittamaa integroitua katodi-yksikköä yleisesti.

Kuviot 6(a) ja (b) esittävät oheisen keksinnön mukaisella menetelmällä valmistettuja galvaanisia sakkoja.

Kuviot 6(c) ja (d) esittävät kuvioiden 6(a) ja 6(b) galvaanisten sakkojen keskeltä otettujen leikkausten muotoa.

Katodiyksikön kolmea suoritusmuotoa kutsutaan jäljempänä tappi-lanka-, tappi-levy- ja aaltolanka-suoritusmuodoiksi.

Keksinnön tappi-lanka-suoritusmuodon mukaisen integroidun katodiyksikön valmistuksen osana valmistetaan kuviossa 1 esitetynlainen aggregaatti sähköisesti johtavasta metallista. Aggregaatti muodostuu johtavasta kehikosta 4, jonka sisällä on ryhmä johtavia metallilankoja 5, jotka on kiinnitetty moneen kiinteään sylinterimäiseen tappiin 6, joiden jokaisen halkaisija on tavallisesti aina noin 12,7 mm asti. Suositeltavaa on, että tapit sijaitsevat säännöllisin välein ja työntyvät suuntaan, joka on kohtisuorassa lankojen tasoa vastaan, mutta on ymmärrettävä, että myös muunlaiset tappien järjestelytavat ja suunnat sisältyvät keksinnön piiriin. Johtavat poikkitangot 7 voivat tukea nominaalisesti lankoja valmistusprosessin myöhempään vaiheeseen asti. Tähän aggregaattiin on hitsattu sähköliittimet 3 esitetyllä tavalla. Virran kuljettamiseen katodissa valittu materiaali voi olla mikä 6 61921 tahansa johtava metalli, joka on inertti sen kanssa kosketuksessa olevan elektrolyyttiliuoksen suhteen. Tässä suhteessa erityisen hyviksi on havaittu nikkeli-kromiteräkset, kuten AISI 304-tyyppinen ruostumaton teräs. Metallilankojen tulisi olla virran kuljettamiseen riittävän paksuja. Halkaisijoiden on havaittu sopivimmin olevan 3,2 - 9,5 mm. Metalliaggregaatissa olevien tappien lukumäärä valitaan niin, että metallien kerrostumiskohtien lukumäärä katodiyksikössä on mahdollisimman suuri, ja samalla galvaanisten tuotemetallisakkojen välinen tila on mahdollisimman pieni.

Metalliaggregaatti on upotettu johtamattomasta materiaalista, kuten muovista olevaan laattaan. Nimitystä "muovi" käytetään tässä yhteydessä kuvattaessa keksinnön erilaisia suoritusmuotoja, koska muovien on havaittu ryhmänä olevan tarkoituksenmukaisempia materiaaleja.

On kuitenkin ymmärrettävä, että jokainen aine on sopiva, jonka ominaisuuksiin kuuluu se, että se on inertti elektrolyytin suhteen, että se on kyllin vahva kestämään toistuvassa käytössä esiintyvän normaalin kulumisen, ja että sen laajenemiskerroin sopii niin hyvin yhteen upotetun metallin kanssa, ettei tapahdu näiden kahden osan liiallista eroamista valmistuksen tai käytön aikana esiintyvien lämpötilamuutosten seurauksena. Monilla muoveilla on tällainen sopiva ominaisuuksien yhdistelmä mukaanlukien epokseilla, polyuretaaneilla, polypropyleenillä, polyetyleenillä ja akryyleillä. Tarvittaessa voidaan käyttää myös inerttejä täyteaineita, kuten lasia tai kemiallisesti aktiivisia modifiointiaineita muovimateriaalin ominaisuuksien säätämiseksi.

Upottaminen voidaan tehdä kuumentamalla muovia, jolloin se virtaa aggregaatin ympäri jäykän muotin sisällä, käyttämällä injektiovaluna tunnettua tekniikkaa. Vaihtoehtoisesti muottionkaloon voidaan kaataa nestemäisiä hartseja tai kaksi muoviarkkia, joiden välissä metalli-aggregaatti sijaitsee, voidaan kuumapuristaa yhteen. Riippumatta käytetystä tekniikasta tarkoituksena on sulauttaa muovi tehokkaasti metalliaggregaatin kanssa, jolloin muodostuu kuviossa 5 kuvattu integroitu katodilaatta.

Lopputuloksena on jäykkä laattamainen integroitu katodiyksikkö, joka muodostuu kahdesta, hyvin toisiinsa sulautetusta täydentävästä osasta. Tässä rakenteessa metalliaggregaatti ja johtamaton laatta ovat liitetyt toisiinsa ja toisistaan erottamattomia. Siten on ymmärrettävä, että oheisen katodiyksikön uusi integroitu rakenne 7 61921 on helppo tapa ratkaista aikaisempi metallin ja johtamattoman materiaalin liittämisongelma.

Keksinnön toiselle suoritusmuodolle (levy-tappi) on tunnusomaista johtavasta metallista tehty aggregaatti, joka on esitetty isometrisenä leikkauksena kuviossa 2(a) ja sivuprojektiona kuviossa 2(b)- Johtavaan metallilevyyn 8, jossa on sähköliitäntä 3, on tehty joukko kiinteitä sylinterimäisiä ulkonemia tai tappeja 9, jotka kuviossa 2 esitetyssä suoritusmuodossa ovat yhdensuuntaisia niin, että niiden akselit ovat kohtisuorassa levyn tasoa vastaan. Levyn paksuus On välillä 1,6 mm ja 4,8 mm ja levy on tyypillisesti, vaikkakaan ei välttämättä, ruostiimattomasta teräksestä. Metallitappien, jotka myös on tarkoituk- senmukaisesti tehty ruostumattomasta teräksestä, halkaisija on alle 12,7 mm ja pituus aina noin 12,7 mm asti. Näiden tappien kiinnittä-mistapoja on useita ja niihin kuuluvat hitsaaminen, niittaaminen ja muut tavat. Saatu metalliaggregaatti upotetaan sen jälkeen johtamattomaan materiaaliin, esimerkiksi muoviin 2 (ääriviivat esitetty katkoviivoin ainoastaan kuviossa 2(a)) jollakin edellä kuvatulla menetelmällä niin, että saadaan kuviossa 2 esitetty integroitu katodiyksikkö, jolla on kuviossa 5 esitetty ulkomuoto, so. litteät johtavat metallisaarekkeet ovat samassa tasossa johtamattoman laatan 2 pinnan kanssa. Tapit muodostavat riittävät tartuntakohdat muoville 2, mutta metalliaggregaatin ja muovin toisiinsa liittymisen saamiseksi vieläkin paremmaksi, on edullista saada muovi jatkumaan metalliaggre-gaatin läpi, esimerkiksi tekemällä teräslevyyn useisiin kohtiin reikiä ulkonemien välille. Eräs tällainen reikä 16 on esitetty kuviossa 2.

Keksinnön kolmannessa suoritusmuodossa (aaltolanka) käytetään kuviossa 3 havainnollistettua johtavasta metallista tehtyä aggregaattia. Tässä suoritusmuodossa metalliaggregaatti muodostuu ryhmästä aallotettuja metallilankoja 10, jotka on kiinnitetty päätekehikkoon 11 sellaisella tavalla, että langat ovat oleellisesti yhdensuuntaisia ja aaltojen harjat on porrastettu. Välikappaleet 12 voivat toimia väliaikaisina tuki- ja erotuseliminä ennenkuin aggregaatti upotetaan johtamattomaan materiaaliin. Sähkölaittimet 13 on kiinnitetty taitekehikkoon. Aalto-lankojen koostumus on samanlainen kuin edellä kuvatuilla tapeilla ja niiden halkaisija on 3,2 - 9,5 mm. Metalliaggregaatti on upotettu johtamattomasta materiaalista muodostettuun laattaan käyttämällä aikaisemmin kuvattujen valutapojen muunnelmaa. Muotin tai teräksisten β 61921 tukilevyjen sivut on tässä tapauksessa esivuorattu kumilla tai muulla pehmeällä materiaalilla, johon aaltolankojen harjat voidaan painaa. Tällä tekniikalla saadaan integroitu katodiyksikkö, jossa on koholla olevia saarekkeita, kuten kuviossa 4(a) on esitetty leikkauksena. Aaltojen harjat työntyvät muovin läpi, jolloin muodostuu elliptisiä, johtamattoman laatan 2 yläpuolella koholla olevia saarekkeita 13.

Kuviossa 4(b) on esitetty suoritusmuodon eräs muunnelma, jossa kuvion 4(a) koholla olevat saarekkeet on typistetty, esimerkiksi hiomalla niin, että johtamattoman laatan 2 päälle muodostuu litteitä elliptisiä saarekkeita 14.

Kaikkia edellä kuvattuja katodin suoritusmuotoja voidaan modifioida laittamalla pehmeä, muotonsa muuttavaa muovimateriaalia tai kumimaista materiaalia metalliaggregaattiin ennen sen upottamista laattaan. Muotonsa muuttava materiaali muodostaa vyöhykkeen johtavasta metallista tehdyn aggregaatin ja muovin, johon se upotetaan, välille. Sopiva materiaali on esimerkiksi vinyylihartsi, joka on dispergoitu haihtu-mattomaan pehmentimeen ja joka alalla tunnetaan nimellä plastisol, vaikkakin on ymmärrettävä, että mahdollisesti voidaan käyttää mitä tahansa ainetta, jolla on samanlaiset ominaisuudet. Saadussa katodi-yksikössä, josta kuviossa 4(c) on esitetty aaltolanka-suoritusmuoto, jossa saarekkeet ovat koholla, on elastinen vyöhyke 15 metallisaa-rekkeen 3 ja sitä ympäröivän johtamattoman laattamateriaalin 2 välillä.

Edellisen kuvauksen perusteella on selvää, että oheisen keksinnön mukaisen integroidun katodiyksikön kaikilla suoritusmuodoilla ja muunnelmilla on yhteinen merkittävä tunnusmerkki. Johtamattoman metalli-saarekkeen osa, joka liittyy muoviin, on joko muovin pinnan tasalla tai sen yläpuolella. Katodiyksikölle on oleellista jakopintavyöhyke, koska juuri tämä kohta kuluu eniten galvaanisten sakkojen poistamisen aikana. Metallisaarekkeiden konfiguraatio voi siten olla mikä tahansa edellyttäen, että niiden pinta on muovin pinnan tasalla tai hieman sen yläpuolella.

Kuvio 5 esittää yleisesti ulkoapäin oheisen keksinnön tarkoittamaa katodiyksikköä. Siinä näkyy johtava metallisaareke 1, joka on integroitu johtamattomasta materiaalista 2 olevan laatan kanssa. Sähkö- 9 . 61921 .

liitännät 13 tuottavat virran saarekkeisiin, joiden päälle metalli saostuu galvaanisesti.

Alan ammattimiehet ymmärtävät, että tässä kuvatun integroidun katodi-yksikön minkä tahansa suoritusmuodon mukaisen litteiden saareke-muunnelmien käyttäminen on erityisen edullista sen yksinkertaisuuden ansiosta, jolla voidaan saada tuore toimintapinta, kun korjaus on tarpeen. Kulunut tai vahingoittunut materiaali voidaan poistaa yksinkertaisen hiekkapaperihionnan, hionnan, laikkakiilloituksen tai samanlaisen tekniikan avulla ja saada uusi katodipinta. Oheisen keksinnön tämä yksinkertainen uusittavuus tulee sitäkin merkittävämmäksi, kun, kuten jäljempänä kuvataan, on olemassa todisteita siitä, että oheisen keksinnön mukaisen katodiyksikön korjausten välinen käyttöikä on selvästi parempi kuin aikaisempien katodien.

Kun katodiyksikköä käytetään suositellussa elektrolyyttisessä' menetelmässä metallin valmistamiseksi, on havaittu yllättäen, että saadaan ainutlaatuinen, kruununmuotoinen tuote, kun saarekkeiden pinta-alat ovat alle noin 1,3 cm . Galvaanisessa saostuksessa pyöreiden ja elliptisten saarekkeiden päälle syntyneet kruununmuotoiset sakat on esitetty vastaavasti kuvioissa 6(a) ja (b). Kuvioissa 6(c) ja (d) on esitetty sakkojen leikkaukset keskikohdalta.

Kruununmuotoisella tuotteella on suuri kasvukomponentti katodin pintaa kohtisuoraan olevassa suunnassa. Sen vuoksi on tarkoituksenmukaista kuvata kvantitatiivisesti galvaanisen sakan muotoa muotopara-‘ metrillä S, joka määritellään sakan korkeudeksi h jaettuna sen ponjapinta-alalla A, eli, kuvioon 6(c) viitaten: S = h = 4h Ä *3*"

Kruununmuotoisille galvaanisille sakoille muotoparametri S on vähintään 0,118 cm”* ja tavallisesti noin 0,177“*·. Sitä vastoin galvaaniset sakat, jotka ovat kasvaneet saarekkeiden päälle, joiden pinta-ala 2 on suurempi kuin noin 1,3 cm , ovat nappimaisia, ja niiden S-arvo on tyypillisesti vain noin 0,079 mm“*· tai pienempi.

Kuviosta 6 on huomattava, että oheisen keksinnön mukaiselle kruunun-muotoiselle tuotteelle on tunnusomaista koko, joka on useita kertoja suurempi kuin saarekkeet, joiden päälle ne kasvoivat. Sitä vastoin 10 61 9 21 tiedetään, että nappimainen tuote saadaan talteen kokoina, jotka vastaavat oleellisesti johtavien saarekkeiden kokoa. Kruunuraaisen kerrostuman paino pidetään välillä noin 5 g ja 50 g säätämällä gal-vanoimisaikaa. Sakoilla, joiden paino on alle noin 5 g, katodit on vaihdettava noin joka toinen päivä, ja katodien alkuperäinen työtä säästävä etu tulee melkein merkityksettömäksi. Kun sakat painavat yli 50 g, ne ovat niin paksuja, että on olemassa vaara kosketuksesta vastaavan anodin kanssa.

c

Tuotteen muodolla ja sen koolla johtavan saarekkeen suhteen on käytännössä tärkeä merkitys. Oheisen keksinnön mukaisilla kruunun-muotoisilla sakoilla on suuri kasvukomponentti galvanointipintaa kohtisuorassa olevaan suuntaan verrattuna pohjakasvuun, joka määritellään galvanointipinnan kanssa yhdensuuntaiseksi kasvuksi. Metallin galvanointia katodien päälle, joissa on johtavat saarekkeet, rajoittaa tavallisesti vierekkäisten kerrostumien koskettaminen, mikä johtuu pöhjakasvusta johtavien saarekkeiden välillä. Kun pohja-halkaisija on määrätty, kruununmuotoinen tuote voi sen vuoksi olla suuremman korkeutensa ansiosta huomattavasti raskaampi kuin levymäinen tuote. Galvanointijaksot voivat siten olla paljon pidempiä, esimerkiksi 2 viikkoa tavanomaisemman yhden viikon asemesta, ja vastaavasti voidaan pienentää taajuutta, jolla katodeista on poistettava sakat. Pidempi galvanointijakso on käytännössä suuri etu, koska se pienentää käyttökustannuksia menetelmässä ja samalla se lisää katodiyksikön toimintaikää.

Keksinnön mukaisten galvaanisten sakkojen kruununmuotoisella muodolla on lisäetuna sen suhteellisen suuri pinta-ala. Tämä ominaisuus vaikuttaa edullisesti liuottamisnopeuksiin galvanointi- tai sulatusta- pahtumissa. Sakkojen oleellisesti puolipallomaisen pinnan teoreetti- 2 nen pinta-ala on 3irr , jossa r on pohjasäde. Tämä pinta-ala on 50 % suurempi kuin mitä saadaan napin muotoisella sakalla, jonka säde on yhtä suuri. Todellinen kasvu on luultavasti paljon suurempi kuin 50 % kuviossa 6 esitetyn kruunumaisten muotojen poimumaisen rakenteen vuoksi.

Vaikkakin oheisen keksinnön suositellussa menetelmässä käytetään 2 hyödyksi saarekepinta-aloja alle 1,29 cm , näin ei asianlaita tarvitse olla. On ymmärrettävä, että tässä yhteydessä kuvatun kestävän 11 61 921 katodiyksikön kaikki edut ja hyvät puolet koskevat yhtä hyvin galvaanisia saostusmenetelmiä, joissa käytetään saarekepinta-aloja yli 1,29 cm^.

Oheisen keksinnön mukaisesta integroidusta katodiyksiköstä ja menetelmästä saavutettava lisäetu on sen automatisointimahdollisuus.

Tämä mahdollisuus on olemassa ensisijassa siksi, että oheisen keksinnön mukaiset integroidut katodiyksiköt ovat poikkeuksellisen selväpiirteisiä, niitä ei tarvitse esikäsitellä ennen galvanointia, esimerkiksi pintaa ei tarvitse tehdä karkeaksi, ja niiden käyttöikä voi olla erittäin pitkä. Siten voidaan ajatella, että tuotteen poistaminen voitaisiin suorittaa elektrolyyttisäiliöiden sisällä, josta kruunumainen tuote voitaisiin myöhemmin ottaa talteen tarvitsematta poistaa katodiyksiköitä.

Oheisen keksinnön mukaista katodiyksikköä ja menetelmää voidaan soveltaa minkä tahansa alusmetallin valmistukseen, mutta tarkoituksenmukaisesti nikkelin, koboltin ja kuparin tai niiden lejeerinkiseos-ten galvaaniseen saostukseen.

Seuraavat esimerkit havainnollistavat keksintöä ja sen etuja.

Esimerkki 1

Kaksi aaltolanka-katodiyksikköä, joista toinen oli valmistettu aalto-lankamuunnelman mukaisesti, jossa pinta on hiottu niin, että esiin saadaan litteät saarekkeet (katodi A), ja toinen muunnelman mukaisesti, jossa saarekkeet ovat koholla (katodi B), ja joiden kummankin koko oli noin 102 x 64 x 1,3 cm (lukuunottamatta sähköliittimiä) ja joissa oli noin 1650 elliptistä johtavaa saareketta 304-tyyppisestä ruostumattomasta teräksestä, jolloin jokaisen saarekkeen suurin mitta oli noin 9,5 mm ja pienin mitta 4,8 mm, ja saarekkeita ympäröi johtamaton epoksihartsi, asennettiin liukenemattomien anodien väliin nikkelin talteenoton tuotantosäiliöön.

Elektrolyytin koostumus oli seuraava: 12 61 921

Ni2+ 68,9 g/1 S022“ 49,6 g/1

Cl” 89,7 g/1

Na+ 27,0 g/1 H3B03 14,6 g/1 ja sen pH oli 2,5 käyttölämpötilassa 60°C. Sakkojen alkukasvun kontrolloimiseksi katodiyksiköihin johdettua virtaa nostettiin vaiheittain ensimmäisen kolmen päivän aikana ja pidettiin sen jälkeen oleellisesti vakiona loput saostamisen 4 päivää, kuten taulukossa 1 on esitetty.

Taulukko 1: Virtamäärät galvanointijakson aikana

Virta (amp./katodi)

Päivä Katodiyksikkö A Katodiyksikkö B

1 80 90 2 140 150 3 260 270 4 260 270 5 260 270 6 265 270 7 270 185 2

Virran lähtötiheys katodiyksikölle A oli noin 1360 A/m ja katodille 2 B 1530 A/m . Jännite 200 ampeerilla oli 2,65 volttia.

7 päivän galvaanisen saostuksen jälkeen molemmat katodiyksiköt poistettiin valmistussäiliöstä ja nikkelisakat voitiin erottaa helposti pinnalta kaapimen avulla. Sakkojen muoto oli yhtenäinen ja suurin piirtein puoliellipsoidinen. Keskimääräinen paino oli 22 g, ja puoliellipsoidin pohjan halkaisija oli keskimäärin 28,6 mm ja keskimääräinen korkeus 12,7 mm mitattuna kohtisuoraan laatan pintaa vastaan. Jokaisen sakan pohjan pinta-ala oli siten noin 7 kertaa suurempi kuin alkuperäisen johtavan saarekkeen. Sakkojen poistamisen jälkeen katodiyksiköt tarkistettiin, jolloin havaittiin, että ympäröivää epoksimateriaalia ei ollut poistunut sakkojen poistamisen aikana.

61921 13

Esimerkki 2 Tämän keksinnön mukaisesti valmistettuja katodiyskiköitä käytettiin useaan kertaan uudelleen edellä kuvatulla menetelmällä. Seuraavassa on osoitettu niiden pitkä toimintaikä ilman korjaustarvetta.

Seuraavat laboratoriomittaiset kokeet suoritettiin käyttämällä katodiyksiköiden edellä kuvattujen aaltolanka- ja tappi-lanka- suoritusmuotojen erilaisia litteitä saarekemuunnelmia. Elektrolyytti oli samanlainen kuin esimerkissä 1. Jokaisen katodiyksikön koko oli noin 34 x 16,5 x 1,3 cm, ja johtava väliaine oli kaikissa tapauksissa 304-tyyppinen ruostumaton teräs. Aaltolanka-katodiyksiköissä oli 108 elliptistä johtavaa saareketta, joiden keskimääräinen pinta-ala oli noin 0,45 cm, ja tappi-lanka-katodiyksiköissä oli 154 pyöreää saareketta, joiden jokaisen halkaisija oli 6,4 mm ja pinta-ala 2 0,32 cm . Saarekkeiden kokonaispinta-ala oli siten suurin piirtein 2 sama kaikilla katodeilla eli noin 48,4 cm . Lähtövirta oli 7,5 2 ampeeria, mikä vastasi virran lähtötiheyttä noin 1550 A/m . Tämä virtatiheys pieneni galvanoinnin tapahtuessa sakan kolmidimensio-naalisen kasvun vaikutuksesta, ja sen arvioitiin olevan galvanointi-jakson lopussa noin 220 A/m . Jokaisen viikon aikana tehtiin kolme galvanointijaksoa, ja siten jokaisen jakson virran kokonaissyöttö oli 22,5 ampeeripäivää.

Jokaisen galvanointijakson jälkeen katodiyksiköt poistettiin niihin kiinnittyneine sakkoineen elektrolyyttitankista, huuhdeltiin vedellä ja kaavittiin varovasti sakkojen irroittamiseksi. Sen jälkeen katodi-yksiköt palautettiin galvanointisaostukseen seuraavaan jaksoon. Katodiyksiköiden käyttöikä määriteltiin niiden galvanointijaksojen lukumääränä, jotka tehtiin tietyllä katodiyksiköllä ennenkuin pinta oli korjattava.

14 . 61921 ·

Taulukko II: Erilaisten katodlyksiköiden käyttöikä _Katodityyppl _ Galvanointi-

Koe Metalliaggregaatti _Laatta jaksoja_ C Päällystämätön aaltolanka Polyetyleeni 34 D Päällystämätön aaltolanka Polypropyleeni 35 E Plastisolilla päällystetty Araldiitti ja , aaltolanka Hycar CTBN* P Päällystämätön tappi-lanka Polypropyleeni 90 G Plastisolilla päällystetty Araldiitti ja 12o

tappi-lanka Hycar CTBN

Araldiitti on epoksihartsia tarkoittava tavaramerkki, ja Hycar CTBN on kumitelisäainetta tarkoittavat tavaramerkki.

Taulukosta' II voidaan havaita, että oheisen keksinnön mukaisille katodeille on kaikille tunnusomaista paljon pidempi galvanointi-ikä kuin alan aiemmille katodeille.

Esimerkki 3

Kahdella katodilla, joissa oli kahta vastaavasti eri kokoa olevia saarekkeita, suoritettiin sarja saostuskokeita. Jokaisella katodilla galvanoitiin 14 g sakkaa käyttämällä kahta erilaista virran alku-tiheyttä. Elektrolyytti oli samanlainen kuin esimerkissä 1. Tulokset on esitetty taulukossa III.

Taulukko III: Virran alkutiheyden ja saarekkeen koon taivutus tuotteen muotoon__

Saarekkeen Virran alkutiheys Muototekijä S

halkaisija (A/nr) (cm”1) (mm)__ _________ ___ 15.9 540 0,095 15.9 2150 0,037 7.9 540 0,181 7.9 2150 0,169

Saarekkeiden, joiden halkaisija oli 15,9 mm, galvaaniset sakat olivat levymäisiä, oleellisesti identtisiä yleiseltä muodoltaan ja erosivat vain pinnan rakenteen suhteen. Pienempien saarekkeiden päälle muodostuneet galvaaniset sakat olivat kummatkin kruununmuotoisia ja laa- is · 61921 » dullisesti erilaisia kuin levymäiset sakat.

Tämä esimerkki osoittaa selvästi, että tuotteen kruunumainen muoto ja siihen liittyvät edut eivät johdu toimimisesta korkeammalla virrantiheydellä, mikä liittyy pienemmän saarekkeen käyttöön, vaan johtuvat luontaisesti itse saarekkeen absoluuttisesta koosta.

Esimerkki 4

Suoritettiin samanlaisia lisäkokeita kuin esimerkissä 3, mutta käytettiin vakiona pysyvää saarekekokoa 11,1 mm ja vakiona pysyvää virta- 2 tiheyttä 2150 A/m . Sen sijaan vaihdeltiin kerrostamisaikoja, jolloin saatiin eripainoisia sakkoja. Tämän testin avulla tutkittiin sakan painon vaikutusta sakan muotoon.

«

Tulokset on esitetty taulukossa IV.

Taulukko IV: Galvaanisen sakan painon ja muodon välinen suhde

Sakan paino Muototekijä S

g_ (cmT*)_ 5 0,138 15 0,134 30 0,122 Tämä esimerkki osoittaa, että sakkojen kasvaessa niiden muototekijä pysyy karkeasti ottaen vakiona. Kun näitä tuloksia tarkastellaan esimerkin 3 tulosten yhteydessä, on siten ilmeistä, että saarekkeen absoluuttinen koko on tärkein tuotteen muotoon vaikuttava muuttuja. Näiden kahden esimerkin avulla voidaan myös määritellä keksinnön rajat. Esimerkistä 3 nähtiin, että saarekkeiden, joiden halkaisija oli 15,9 mm, päälle syntyi nappimuotoja, ja tästä esimerkistä taas havaitaan, että halkaisijaltaan 11,1 mm saarekkeesta saadaan kruunumainen sakka. Saarekekokojen, joista keksinnön mukaisesti saadaan kruunumaisia sakkoja, käytännön raja näyttää siten olevan noin 2 13 mm:n halkaisija eli noin 1,3 cm pinta-ala.

Esimerkki 5

Plastisolilla päällystetyn aaltolanka-suoritusmuodon muunnelman mukaisesti valmistettiin katodi käyttämällä kohollaan olevia saa- 16 61 921 rekkeita esimerkissä 2 kuvattujen litteiden saarekkeiden asemesta. Matriisimateriaali oli Araldiitin ja Hycar CTBN:n seos. Kaikki galvaanisen saostuksen parametrit, mukaanlukien virtatiheys, olivat samanlaiset kuin esimerkeissä 1 ja 2. Katodi kesti 56 jaksoa ja tuotti sakkoja, jotka voitiin poistaa vieläkin helpommin kuin sakat katodeista, joissa käytettiin litteitä saarekkeita. Tuotesakat olivat kaikissa suhteissa samanlaiset kuin aikaisemmat sakat lukuunottamatta pohjan koholla olevia saarekkeita vastaavaa painaumaa.

Esimerkki 6

Rakennettiin laboratoriomittainen katodi, jossa plastisolilla päällystetty tappi-lanka-aggregaatti upotettiin Araldiitti- ja Hycar CTBN-muovilaattaan. Katodin pinnalla oli 154 saareketta, joiden jokaisen halkaisija oli 7,9 mm.

Katodi upotettiin kennoon, joka sisälsi samanlaista elektrolyyttiä kuin esimerkissä 1. Kennoon syötettiin 16,5 ampeerin virta, mikä vastasi virran lähtötiheyttä 2260 A/m . Nikkelin galvaanista saosta-mista jatkettiin 14 päivää, minkä jälkeen katodi ja sakat poistettiin säiliöstä ja sakat poistettiin kevyesti kaapimalla.

Mitkään saarekkeet eivät olleet muodostaneet siltaa ja ne kaikki olivat kruununmuotoisia ja pinnaltaan erinomaisen yhtenäisiä. Niiden keskimääräinen paino oli noin 34 g, ja pohjan halkaisija tyypillisesti noin 22,2 mm ja korkeus 11,1 mm.

Esimerkki 7 304-tyyppisestä ruostumattomasta teräksestä valmistetusta levy-tappi-metalliaggregaatista, joka oli upotettu polyuretaaniin, valmistettiin katodi, jossa oli halkaisijaltaan 7,9 mm saarekkeita. Katodi upotettiin kennoon, joka sisälsi samanlaista elektrolyyttiä kuin esimerkissä 1. Virta oli tällöin 16,5 ampeeria, mikä vastasi virran lähtötiheyttä 2 2260 A/m . Jokainen viikko tehtiin kolme galvaanista saostusjaksoa ja jokainen jakso päätettiin poistamalla aikaisemmin kuvatulla tavalla galvaaniset nikkelisakat. Katodi oli kestänyt irroittamishet-kellä 40 jaksoa eikä osoittanut mitään merkkejä huononemisesta.

, 17 61 9 21

Esimerkki 8

Katodilla, jossa oli halkaisijaltaan 7,9 mm saarekkeita, tehtiin saostuskoe. Katodi asetettiin kennoon, joka sisälsi kuparia sisältävää sulfaattielektrolyyttiä, ja kupari saostettiin saarekkeiden päälle noin 30 g painoisiksi saakka käyttämällä virran lähtötiheyttä 1510 A/m^. Koe toistettiin käyttämällä halkaisijaltaan 15,9 mm saarekkeita. 7,9 mm saarekkeista kasvaneet sakat olivat kruununmuotoisia ja niiden S'-tekija oli 0*157 cnT^, kun taas 15,9 mm saarekkeiden sakat olivat levymäisiä ja niiden S-tekijä oli 0,087 cm

Esimerkki 9

Tehtiin esimerkin 8 mukainen saostuskoe, mutta käytettiin koboltti-kloridi-elektrolyyttiä. Saadut kobolttisakat olivat muodoltaan hyvin samankaltaiset kuin esimerkin 8 kuparisakat ja samoissa -olosuhteissa saostetut nikkelisakat. Tästä voidaan vetää se johtopäätös, että keksinnön mukaista menetelmää voidaan soveltaa kuparin ja koboltin galvaaniseen saostukseen.

( 0

Claims (7)

1. Menetelmä katodisesti saostetun metallituotteen valmistamiseksi, jossa menetelmässä käytetään sellaista katodiyksikköä, joka muodostuu kahdesta yhteenlukitusta osasta, nimittäin johtamatonta materiaalia olevasta oleellisesti jäykästä laatasta ja siihen upotetusta johtavasta metallirakenteesta, jossa on ulkonemia, jotka läpäisevät laatan pinnan ja muodostavat ryhmän kiinteitä, johtavia metallisaarekkeita, jolloin galvaanisesti saostetaan useita erillisiä metallisakkoja katodiyksikön metallisaarekkeiden päälle elektrolyytissä johtamalla sähkövirta elektrolyytin läpi, poistetaan metallisakat katodiyksiköstä ja käytetään katodiyksikkö uudelleen elektrolyytissä metallin galvaanisen saostamisen suorittamiseksi uudelleen, tunnettu siitä, että muodostetaan kruunun muotoisia, 5 - 50 g painavia, oleellisesti puolipallomaisia tai puoliellipsoidisia metallisakkoja käyttämällä sellaista katodiyksikköä, jonka kahdella vastakkaisella toimintapinnalla olevien 2 johtavien metallisaarekkeiden pinta-ala on välillä 1,3 cm 2 0,13 cm , jolloin riittävän välin päässä toisistaan olevien metallisaarekkeiden päälle saostetaan galvaanisesti metallisakkoja, joiden jokaisen pohjan pinta-ala on moninkertainen verrattuna sen saarekkeen pinta-alaan, jolle metallisakka muodostetaan, ja jonka metallisakan suurimman korkeuden (h), mitattuna kohtisuoraan litteää pohjaa vasten, ja litteän pohjan pinta-alan (A) suhde (h/A) on vähintään 0,118 cm

2. Suorakulmainen, uudelleenkäytettävä katodiyksikkö patenttivaatimuksen 1 mukaisen menetelmän toteuttamiseksi, jossa katodiyksi-kössä on kaksi toimintapintaa, joissa on erillisiä, johtavia metallisaarekkeita laatan pinnan tasalla tai koholla sen yläpuolella, ja jolla yksiköllä samanaikaisesti ja panosmaisesti saostetaan galvaanisesti yksikön metallisaarekkeiden päälle useita erillisiä metallisakkoja, jolloin katodiyksikkö muodostuu kahdesta yhteen lukitusta osasta, nimittäin johtamatonta materiaalia olevasta oleellisesti jäykästä laatasta ja siihen upotetusta johtavasta metallirakenteesta, tunnettu siitä, että mainitussa metallirakenteessa on ulkonemia, jotka läpäisevät laatan pinnan välimatkan päässä toisistaan olevissa kohdissa siten, että muodostuu ryhmä kiinteitä, johtavia metallisaarekkeita, joista kunkin metallisaarekkeen pinta- 2. ala on pienempi kuin noin 1,3 cm ja suurempi kuin noin 0,13 cm 19 61 921 ja joiden metallisaarekkeiden välimatka toisistaan on niin suuri, että niiden päälle voidaan saostaa metallisakkoja, joiden jokaisen pohjan pinta-ala on moninkertainen verrattuna sen saarekkeen pinta-alaan, jolle sakka on muodostunut.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen katodiyksikkö, tunnettu siitä, että upotettu johtava metallirakenne on sarja metallilan-koja, joihin on kiinnitetty erillisiin kohtiin pitkin lankojen pituutta johtavia metallitappeja, jotka työntyvät metallilangoista ulospäin laatan pintaa kohti ja läpäisevät johtamattoman laatta-materiaalin pinnan, jolloin syntyy katodiyksikkö, jossa on ryhmä litteitä pyöreitä metallisaarekkeita, jotka ovat laatan pinnan tasalla.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen katodiyksikkö, tunnettu siitä, että johtava metallirakenne on metallilevy, jonka pinnalle erillisiin kohtiin on kiinnitetty sarja johtavia tappeja, jotka työntyvät metallilevystä ulospäin ja läpäisevät johtamattoman laat-tamateriaalin pinnan, jolloin syntyy katodiyksikkö, jossa on ryhmä litteitä pyöreitä metallisaarekkeita, jotka ovat laatan pinnan tasalla .

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen katodiyksikkö, tunnettu siitä, että levy on rei'itetty, jolloin tappien välissä on useita reikiä.

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen katodiyksikkö, tunnettu siitä, että upotettu johtava metallirakenne muodostuu sarjasta lankoja, jotka ovat pitkin pituuttaan varustetut aalloilla, joiden harjat läpäisevät johtamattoman laattakappaleen pinnan, jolloin syntyy katodiyksikkö, jossa on ryhmä elliptisiä johtavia metalli-saarekkeita, jotka ovat koholla laatan pinnan yläpuolella tai jotka on tasoitettu laatan pinnan tasolle.

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 2-6 mukainen katodiyksikkö, tunnettu siitä, että johtavaa metallirakennetta ja sitä ympäröivää johtamatonta laattamateriaalia erottaa johtamattoman elastisen materiaalin muodostama alue, joka leikkaa johtamattoman kappaleen pinnan ja on typistetty mainitun pinnan tasossa,, jolloin syntyy katodi, jossa on ryhmä saarekkeita sen pinnan tasalla 20 61 921 tai koholla sen yläpuolella ja joita ympäröi täydellisesti mainitun johtamattoman elastisen materiaalin muodostama litteä reunus, joka erottaa ne johtamattomasta laattamateriaalista.