JP2006505691A - 陰極支持体バーに良好な接触面を形成する方法および支持体バー - Google Patents

Abstract

本発明による方法は、電解法で用いられる陰極の支持体バーに良好な電流接触を得ることに関するものである。本方法では、陰極の支持体バーの端部にある接触片、とりわけ電解セルのバスバーと接触するポイントに、導電性の高い層を形成する。この導電性の高い層は支持体バーの接触片と金属結合を形成する。また本発明は陰極支持体バーに関するものであり、このバーの端部にある接触片、とりわけ電解セルのバスバーに触れる部分には、導電性の高い層が形成されている。

Description

詳細な説明

本発明は、金属電気泳動法に用いられる陰極の支持体バーに良好な接触面を得る方法に関するものである。本方法では、陰極のアルミニウム支持体バーの端部にある接触片に、導電性の高いコーティングを形成し、とりわけ、電気泳動セルのバスバーと接触するポイントにこれを形成する。導電体であるコーティング層は支持体バーの接触片と金属結合を形成する。本発明はまた、陰極支持体バーに関するものであり、このバーの端部にある接触片には導電性の高い層が形成されていて、とりわけ電気泳動セルのバスバーに接触する接触面にこれが形成されている。

今日の電解採取、とりわけ亜鉛の電解採取では、支持体バーと連結したアルミニウム製の陰極プレートが用いられている。陰極は支持体バーによって下降して電気泳動セル中に入り、このとき、支持体バーの一端部はセルの縁にあるバスバーの頂部に位置し、他端部は絶縁体上に位置している。良好な導電性を確保するために、アルミニウムの支持体バーの端部には、銅製の接触片が接合されていて、この接触片はバスバーの頂部に設置されている。接触片の下端は直線状になっていてもよいし、あるいは下端にノッチが作られていて支持体バーはノッチの分だけ下降してバスバーの頂部に接触してもよい。ノッチの両縁は接触点を形成していて、支持体バーとバスバーとの間に二重接触を形成する。接触片の下端が直線状になっている場合は、平面タイプの接触がバスバーと接触片との間で形成される。直線状の接触片は、特にジャンボ陰極として知られる大きな陰極で用いられる。

銅製の接触片は、例えば種々の溶接法によってアルミニウム支持体バーに接合してよい。これらの方法の１つは、例えば米国特許第4,035,280号に記載されている。またこの米国特許には、銅製の接触片を溶接前に銀でコーティングしてよいという一文もある。しかしながらこの刊行物には、接触片のコーティングをどのように実行するかについて、この一文以外に記載されていない。

特開昭55-89494号には、電極支持体バーの他の製造方法が記載されている。実際の支持体バーはアルミニウム製であり、その端部に、アルミニウムの核と銅のシェルとを有する接触片が溶接されている。接触片は高圧押出しによって多角形に成形されている。

公知技術によれば、上記の米国特許第4,035,280号は接触片を銀でコーティングすることを提案している。確かに銀は銅片の導電性を向上させるが、接触片全体をコーティングすることはその目的に合わないし、費用もかかる。また上記の日本の公開公報で述べられているアルミニウムおよび銅の複合押出しでは、必ずしも銅とアルミニウムとの間に金属冶金的接合が得られるわけではなく、電解質がその界面を通過してしまうため、接合部は電気工学的に脆弱なものになり、損傷を受けてしまう。

亜鉛の電解採取では、アルミニウム製の陰極支持体バーにおける接触片が、とりわけそれらの接触面で急速に磨耗してしまうことが問題となっている。その原因は主に、銅が酸化してその酸化物に変化してしまうこと、ならびに当該酸化物が電解質の作用下で腐食して硫酸銅に変化してしまうことと推測される。また、接触面で形成される硫酸銅は、接触片の導電性を低下させてしまう。

本発明による方法は、とりわけ亜鉛の電解採取法などの電解法に用いられるアルミニウム製陰極バーであって、その端部に別個の接触片が接合されているアルミニウム製陰極バーに、良好な接触面を得ることに関するものである。接触片として用いられる材料は銅である。今回開発した方法によれば、電解セルのバスバーに接触する支持体バー接触片の下部表面の領域、すなわち接触面は、導電性の高い金属あるいは、銀または銀合金などの合金でコーティングする。陰極は陰極プレートおよび支持体バーで形成されていて、陰極プレートは電解セル中に浸されていて、支持体バーは、接触片がバスバーの頂部に位置するように、支持体バーの両端部において、電解セルの側面に支持されている。支持体バー接触片とその下部表面に作られているコーティングとの間に金属接合部が形成されれば、接触片の下部表面の磨耗または酸化によって生じる問題は回避できる。また本発明は、本発明による方法で製造した、電解採取に用いられる陰極支持体バーに関するものであり、当該バーの端部にある接触片には、とりわけ接触片が電解セルのバスバーと接触する場所、すなわち接触面に、導電性の高い層が形成されている。

本発明の主たる特徴は添付の特許請求の範囲に記載する。

陰極支持体バーの接触片における接触面が良好な導電性を有することが重要である。コーティング材として銀または銀合金などの導電性の高い金属を使用することによって、陰極への効率的な電流供給が確保される。銀を使用する際の金属冶金の原則は、たとえ表面に酸化物が形成されても、比較的低い温度ではその酸化物はもはや安定ではなく、分解して元の金属の形にもどることである。かかる理由により、接触片の接触面に銀めっきを、例えば銅表面に行なうのと同様の方法で施しても、酸化物の皮膜は形成されない。

銀は、金属冶金における非常に吸着性のある接合部を銅の頂部に直接形成することはできないため、銀の代わりに、まず、好ましくはスズ製またはスズを主成分とする合金製の薄い伝達層を、銅の上に形成する必要がある。以下本文では、説明の簡単のため、スズとだけ述べるが、この用語はスズを主成分とする他の合金をも含むものである。すでに述べた多くの方法において、スズ層は加熱によるめっきによって、電解コーティングによって、あるいは実際にコーティングを行なう前に表面の部位に直接溶射することによって、形成可能である。この後、そのスズ表面を銀でコーティング可能である。陰極バー接触片の接触面の銀によるコーティングは、例えばはんだ付けまたは溶射法によって実施可能である。

接触片の接触面は、接触片を支持体バーにとり付ける前であっても、本発明に従って容易に処理可能であるが、本発明による方法は、既に磨耗しているバーを修理する場合に、特に有益である。陰極の状態をチェックする時に、亜鉛の電解採取用陰極の定期的保守管理を行なうことができる。陰極プレートは支持体バーより急速に磨耗するため、バーは公知技術でも知られているいくつかの陰極プレートの使用期間をしのぐことが出来る。しかしながら、支持体バーの稼動寿命は、本発明による方法によれば、単純な方法、すなわち必要に応じて接触片の接触面のコーティングを新しくすることにより、延長可能である。

接触面が接触片の下部表面のノッチに形成されている場合は、ノッチの傾斜した側端は直線状に伸びている。なぜなら、接触面の磨耗によって、バスバーと支持体バーとの間にはたった１つの接触点しか形成されなくなるという結果を生むからである。磨耗の結果、支持体バーは底辺部分からのみ負荷を受け始めるため、幾何学的な接触は、もはや所望の通りにならない。これによって明らかに陰極への電流の供給が妨げられる。本方法によれば、導電性を増加させる接合部片が支持体バーのノッチの縁に接合されている。仮に接合片の直線状の下端が接触面として作用するなら、後続の処理を加える前に、それを直線状にしておくとよい。

はんだ付け法を用いる場合は、処理する表面を清浄にし、好ましくは50μm以下のスズ層をその上に形成する。その後、銀のコーティングを適当なバーナを用いて行なう。スズ層は溶け、コーティング・シートを溶融スズの上部に置く時には、正しい位置に設置することが容易である。

銀の融点は960℃であるため、溶射法を用いて支持体バー接触片の接触面を、さらに銀でコーティングすることも可能である。またAgCu合金を例えばワイヤまたは粉末の形でコーティング材として使用してもよい。共昌AgCu合金の融点は銀のそれよりさらに低いため、上記の技術を用いる接触面コーティングに適している。

実施可能な溶射法のうち、実際上、少なくともガス燃焼に基づく技術が実用的であることが証明されている。これらのうち、高速フレーム溶射法（HVOF）は、スプレー・ガンの燃焼炉中で起こる、高圧下での燃焼ガスの連続的燃焼または液体と酸素との連続的燃焼、ならびにスプレー・ガンによる高速ガス流の生成に基づくものである。コーティング材はキャリア・ガスを用いて、しばしば粉末の形で軸方向にガン・ノズルに供給される。粉末粒子はノズルの中で加熱され、非常に高い動力学的な速度（秒速数百メートル）を得て、コーティングされる片に発射される。

通常のフレーム溶射法では、燃料ガスと酸素との混合物が燃焼する時に、ワイヤまたは粉末の形のコーティング材を溶かす。一般にアセチレンが燃料ガスとして用いられ、これは非常に高温の火炎が得られるためである。コーティング材ワイヤは、圧縮空気タービンまたは電動モータを用いた供給装置によって、ワイヤ・ノズルを通して供給される。ワイヤ・ノズルの前で燃焼しているガスの炎はワイヤの端部を溶かし、その溶融物は、圧縮空気を用いてコーティングする片に金属ミストとして吹きつけられる。その粒子速度は100m/s程度である。

溶射法は表面の材料を溶かし、銀を含有するコーティングの溶融物は高温度を有するため、接触片ノッチまたは下部表面のコーティングにおいて、銅、スズおよびコーティング材の間で金属冶金結合が生成される。このため、接合部の導電性は良好である。金属接合法によれば、例えば380〜600℃の温度範囲において、接合部の銀、スズおよび銅から成る３成分合金の共昌性が向上する。必要に応じて、金属冶金的な接合部の形成を促進する別個の熱処理を溶射後に行なってもよい。

本発明による方法はまた、電解法で用いられる陰極支持体バーに関するものである。支持体バーの端部に配置されている接触片、とりわけ電解セルのバスバーと接触する接触片の下部表面の領域、すなわち接触面に、非常に高い導電性を有する層が形成されている。非常に導電性の高い金属としては、銀または銀銅などの銀の合金が用いられる。好ましくは接触面のコーティングは、金属冶金的な接合部が接触片とコーティングとの間で形成される、例えばはんだ付けまたは溶射法によって実施される。

本発明による方法を、下記の実施例と、接触面の電圧が相対的に低下していることを示す図１とを用いてさらに説明する。

実施例１
亜鉛の電解採取で用いられている陰極支持体バーを、保守管理に採用した。銅製の接触片の下部表面にある接触面は、磨耗していることが判明していた。ノッチが接触面の役割を果たし、これは、上に向かって先細りの切頭円錐の形をしていて、端部では磨耗して不規則な丸形になっていた。接触面は最初にサンドブラストによりほこりを払って清浄にした。すると側面は、１〜３mmの材料が表面から除去され、磨り減った平面形となった。除去された材料は、同様のサイズの１〜２mmの厚さの銀片をその側面にはんだ付けすることによって元に戻した。

はんだ付けは適当な強度を有する酸素―液体ガスバーナを用い、スズ・コーティングによって行い、銀と銅との表面の間にスズの層を毛細管力によって広げた。スズ層がまだ溶けている時には、銀シートの位置を合わせるのは容易であった。これと同時にスズのはんだが平坦であることをチェックし、このチェックは、銀表面を直接加熱することによって温度を数分で約500℃まで上げる前に行なった。その上のはんだ付け部分で、銀および銅は、純粋の金属から合金になっていった。

修復した支持体バーについてなされた構造研究によれば、加熱中に銀および銅はそれらの間にあるスズ層により合金となり、スズより非常に高い融点を有する３成分合金を形成することが示された。上述の方法で銀から作られた接触面の機械的および化学的耐久性は、優れていることが証明された。

実施例２
上述の実施例と同様の支持体バーを用い、同様の洗浄および材料除去工程も実施した。スズ層は接触片の下部表面にあるノッチの側面に、平均50μm以下の厚さで形成された。

採用した溶射法はワイヤ・スプレーであった。生成される表面厚さが0.5〜1.2mmとなるよう、３mm厚の銀ワイヤをスプレーした。微少分析研究により、スズでコーティングされた銅の表面で高温の融解滴が凝集する時に、金属冶金合金の形成が始まることがわかった。

構造研究によって、さらに銀が最密充填金属構造を形成していたことがわかった。接触面の機械的および化学的耐久性が実用で良好であることも証明された。

実施例３
亜鉛の電解採取用陰極の支持体バーの接触部分の下部表面にある接触面に銀片を加えた。この支持体は半年間製造工程で使用したが、その間、接触面の磨耗は著しく減少した。すなわち電圧低下は期間全体を通して同程度に保たれた。図１は、通常の銅製の接触面を有する旧式のバーと比較した、相対的な電圧低下の差を示す。通常の銅製の接触面の相対的な電圧低下の値を100とみなし、本発明によって銀で作られた接触面の電圧低下を従来の接触面と比較して示した。

本発明を、通常の銅製の接触面を有する旧式のバーと比較した、相対的な電圧低下の差を示す図である。

Claims (23)

1. 電解法で使用されるアルミニウム陰極支持体バーの端部に銅製の接触片を取り付け、陰極プレートを電解セル中に浸し、前記接触片がバスバーの頂部に位置するように、前記支持体バーの両端部において、該支持体バーを電解セルの側面に支持する、支持体バーに良好な接触面を形成する方法において、前記支持体バーの接触片のうち、前記電解セルのバスバーに接触する下部表面の領域である接触面を、導電性の高い金属または合金によってコーティングすることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記接触片をコーティングする前に、伝達層を前記接触面上に形成することを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記伝達層は、スズまたはスズを主成分とする層であることを特徴とする方法。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、前記導電性の高いコーティング層は銀であることを特徴とする方法。
5. 請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、前記導電性の高いコーティング層は銀・銅合金であることを特徴とする方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、前記導電性の高いコーティング層は、はんだ付け法を用いて形成することを特徴とする方法。
7. 請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、前記導電性の高いコーティング層は、溶射法を用いて形成することを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法において、前記溶射法はガス燃焼に基づいていることを特徴とする方法。
9. 請求項７または８に記載の方法において、前記溶射法は高速フレーム溶射法であることを特徴とする方法。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の方法において、前記導電性の高いコーティング材は粉末形であることを特徴とする方法。
11. 請求項７または８に記載の方法において、前記溶射法はフレーム溶射法であることを特徴とする方法。
12. 請求項１ないし８または11のいずれかに記載の方法において、前記導電性の高いコーティング材はワイヤ形であることを特徴とする方法。
13. 請求項１ないし12のいずれかに記載の方法において、前記導電性の高いコーティング材は、前記支持体バーの銅製の接触片と伝達層との間で金属冶金結合を形成することを特徴とする方法。
14. 請求項１ないし13のいずれかに記載の方法において、前記接触面はコーティング後に熱処理することを特徴とする方法。
15. 電解法で使用されるアルミニウム陰極支持体バーの一端に銅製の接触片を取り付け、電解法を行なう際、陰極プレートを電解セルに浸し、前記支持体バーの接触片を電解セルのバスバーによって支持する、支持体バーの接触面の修復方法において、前記支持体バー接触片の接触面の役割を果たす下部表面を、まず直線状に伸ばし、次に導電性の高い金属または合金でコーティングし、銅、スズおよび前記導電性の高いコーティングが金属冶金的な接合部を形成するよう、まずスズの伝達層を、前記下部表面と、前記導電性の高いコーティングの上部とに形成することを特徴とする方法。
16. 電解法で使用されるアルミニウム陰極支持体バーの一端に銅製の接触片を取り付け、該接触片の下端にノッチを設け、電解法を行なう際、陰極プレートを電解セルに浸し、前記支持体バーを前記ノッチの所で電解セルのバスバーによって支持する、支持体バーの接触面の修復方法において、ノッチの傾斜した側端に、前記支持体バー接触片の接触面の役割を果たさせ、前記側端を、まず直線状に伸ばし、次に導電性の高い金属または合金でコーティングし、銅、スズおよび前記導電性の高いコーティングが金属冶金的な接合部を形成するよう、まずスズの伝達層を、前記側端と、前記導電性の高いコーティングの上部とに形成することを特徴とする方法。
17. 陰極の陰極プレートは電解セル中に浸すことができ、陰極支持体バーは、該支持体バーの両端部で、電解セルの縁部によって支持することができ、銅製の接触片が前記支持体バーの一端に取り付けられている、電解法で使用されるアルミニウム陰極支持体バーにおいて、前記支持体バー接触片の下部表面の領域であってバスバーに接触する接触面は、導電性の高い金属または合金でコーティングされていることを特徴とする支持体バー。
18. 請求項17に記載の支持体バーにおいて、前記銅製の接触片のコーティング前に、スズまたはスズを主成分とする合金である伝達層が前記接触面に形成されることを特徴とする支持体バー。
19. 請求項17または18に記載の支持体バーにおいて、前記導電性の高いコーティング層は銀であることを特徴とする支持体バー。
20. 請求項17または18に記載の支持体バーにおいて、前記導電性の高いコーティング層は銀・銅合金であることを特徴とする支持体バー。
21. 請求項17ないし20のいずれかに記載の支持体バーにおいて、前記導電性の高いコーティング層は、はんだ付け法を用いて形成されていることを特徴とする支持体バー。
22. 請求項17ないし20のいずれかに記載の支持体バーにおいて、前記導電性の高いコーティング層は、溶射法を用いて形成されていることを特徴とする支持体バー。
23. 請求項17ないし22のいずれかに記載の支持体バーにおいて、前記導電性の高いコーティング材は、伝達層と、前記接触片の銅とともに、金属冶金的な接合部を形成することを特徴とする支持体バー。

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