JP2015537123A - 物体の電解コーティングのためのデバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、導電性の方式で第１直流電源（１６）の正極に接続される少なくとも１つの可溶性アノード（１４）及び導電性の方式で第２直流電源（２４）の正極に接続される少なくとも１つの不溶性アノード（２２）が少なくとも部分的に浸される電解質（１２）を有する電解質タンクに物体を浸すことによって電解でコーティングされ、導電性の方式で第１直流電源（１６）の負極及び第２直流電源（２４）の負極に接続されるワイヤなどの物体（１８）に関する。２つの直流電源（１６、２４）は、所定の範囲の電解質（１２）の金属含有量をいじするために互いに独立して動作し得る。

Description

本発明は、物体、特にワイヤの電解コーティングのためのデバイス及び方法に関する。

例えば錫コーティングによって電気鍍金プラント内において電解で金属物体をコーティングすることがよく知られている。このために、ワイヤ及びコーティング材料は、電解質浴に浸され、従って、それらは、互いに導電接続される。ワイヤ及びコーティング材料が直流電源の異なる極に接続されると、十分に高い電圧の場合、電流が流れ、それは、電解質のイオンがそれぞれワイヤ又はコーティング材料に移動することを引き起こす（電解）。

ワイヤは、直流電源の負極に接続され、カソードを形成する。正に荷電した金属イオンは、電解質においてカソードに移動し、次いでそれらは電子を受け取り（電気化学的還元）、それによって、金属原子が形成され、それは、コーティングされるワイヤに付着する。アノードに関して、いわゆる可溶性アノード及びいわゆる不溶性アノードの間に違いが得られる。可溶性アノードに関して、アノード金属は、電子を回路に提供することによって溶解し（電気化学的酸化）、それは、金属イオンとして電解質（通常、食塩水）に移動する。しかしながら、不溶性アノードは、溶解せず、電解質に金属イオンを形成するために電解質に接触するように作用するだけである（通常金属塩溶液）。可溶性アノードの場合、これらのアノードは、時間と共に溶解し、不溶性アノードの場合、電解質は、時間と共に金属が奪われる。

可溶性アノードの使用における、メタンスルホン酸に基づく錫電解質などの酸性電解質に関して、通常、アノード及びカソード電流効率の差がある。アノード電流効率は、通常１００％に近く、一方で、カソード電流効率は、例えばメタンスルホン酸錫電解質において、通常、９５％から９７％のどこかである。カソード電流効率は、特にコーティング材料、電解質及び動作パラメータ（浴温度、撹拌、電流密度等）に依存する。

通常の電解鍍金システムにおいて、アノード及びカソード電流効率の間の上記の差異は、所定の上限閾値に達した後に補正されなければならない電解質の金属濃度の増加をもたらす。電解質の金属濃度を所定の範囲に維持するために、電解質は、例えば、規則的に又は連続的に再生され得る。

一方で、不溶性アノードを使用することに関して、所定の下限閾値に達した後に金属濃度を補正することが要求される。電解質の金属濃度を所定の範囲に維持するために、この場合、周期的に又は連続的に電解質を再生することも可能である。例えば、独国特許出願公開第１９５３９８６５号明細書には、電解セル内に不溶性アノードを用いたスループット電気鍍金プラントが開示され、電解質は、金属イオンと連続的に再生室において豊富である。

さらに、独国特許出願公開第１９５３９８６５号明細書には、隔壁によって電解質から遮蔽される電解セルの不溶性アノードの使用、及び、電解質の金属含有量を補足するための外部再生室における可溶性アノードの使用が開示されている。

独国特許出願公開第１９５３９８６５号明細書

本発明の目的は、物体の電解コーティングのための改善されたデバイス及び改善された方法を提供することである。

この目的は、独立請求項の教示によって解決される。特に、本発明の好ましい実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明によれば、物体の電解コーティング用デバイスは、電解質を有する電解質容器、第１直流電源、前記電解質容器の電解質に少なくとも部分的に浸され、前記第１直流電源の正極に導電接続される少なくとも１つの可溶性アノード、及び、前記第１直流電源の負極に導電接続され、前記電解質容器お電解質に沈められ、コーティングされる前記物体に導電接続され得る少なくとも１つのカソード端子、を備える。このデバイスは、前記第１直流電源と独立して動作することができる第２直流電源、及び、前記電解質容器の電解質に少なくとも部分的に浸され、前記第２直流電源の正極に導電接続される少なくとも１つの不溶性アノード、を備えることを特徴とする。

本発明によるデバイスにおいて、電解質の金属濃度は、少なくとも１つの不溶性アノードによって制御され得る。第２直流電源が第１直流電源と独立して動作され得るので、２つの直流電源の対応する動作に関して、少なくとも１つの不溶性アノードによって、少なくとも１つの可溶性アノードのアノード電流効率及びカソード電流効率の間の差をバランスすることが可能であり、従って、金属濃度は、所定の範囲に維持される。

第２直流電源は、好ましくは連続的に動作し、必要に応じてのみ付けられる。

本明細書において、“電解質”という用語は、イオンに解離し、従って電解に相応しい、特に電気鍍金システムに相応し液体を意味するものとする。電解質の化学組成は、特に、コーティングされる物体の材料、アノード、特に可溶性アノードの材料、及び、所望のコーティング材料に依存する。ワイヤ（銅）の錫コーティングにおいて、メタンスルホン酸電解質は、好ましくは使用される。

本明細書において、“直流電源”という用語は、その出力において直流電圧を供給する、従って接続されるコンシューマーに直流電流を供給するように構成されるあらゆるタイプのデバイスを意味するものとする。直流電源として、好ましくは、電池、蓄電池、燃料電池、さらに好ましくは整流器が使用される。整流器は、好ましくは、交流電流発生器としての交流電源又は供給ネットワークに対して下流に配置される。直流電源は、好ましくは、直流電圧供給手段又は複数（好ましくは実施的に同様の）の直流電圧供給デバイスが平行に接続されたデバイスで構成される。

本明細書において、“可溶性アノード”という用語は、電解質に金属イオンとして移動するので、回路に電流を放出することによってコーティング材料の金属を形成することによって、時間に伴って電解質の電気化学的酸化によって溶解するアノードを意味するものとする。ワイヤ（銅）の錫コーティングにおいて、好ましくは、錫が使用される。

本明細書において、“不溶性アノード”という用語は、時間に伴って電解質に実質的に溶解しないが、電解質の電気接点としてのみ機能するアノードを意味するものとする。不溶性アノードはまた、寸法的に安定又は不活性なアノードとみなされ得る。不溶性アノードは、好ましくは実質的にステンレススチール、チタン又は白金を含み、及び／又は、チタン、白金、イリジウム、ルテニウム又は類似物の保護層が提供される。

このデバイスは、電解質に少なくとも部分的に浸る少なくとも１つの可溶性アノード及び少なくとも１つの不溶性アノードを有する。本発明のデバイスにおいて、両方のタイプのアノードは、同一の電解質に浸され、コーティングされる物体もまた、その電解質に浸される。このために、１、２、３、４又はそれ以上の可溶性のアノードが使用される。スループット電気鍍金システムの場合において、スループット電解質容器の大きさに依存して、多くの数の可溶性アノードが使用される。全ての可溶性アノードの総有効表面積は、好ましくは、全ての不溶性アノードの総有効表面積より大きい。可溶性及び不溶性アノードは、好ましくは、実質的に同じ寸法とされる。この場合、不溶性アノードの数は、好ましくは可溶性アノードの数よりも少ない。

電解質容器の電解質に浸され、コーティングされる物体は、第１直流電源の負極に導電接続される、デバイスのカソード端子に接続され得る。本明細書において、カソード端子は、コーティングされる物体との導電接続を生成するのに相応しいデバイスである。この化合物は、好ましくは、それが単にコーティングされる物体を置換するように取り外し可能である。連続電気鍍金プラントにおいて、この接続は、好ましくは、それが動けるように構成される。カソード接続はまた、好ましくは、２つの直流電源が同一電位にあるように第２直流電源の負極に導電接続される。

本発明の好ましい実施形態において、前記第２直流電源の電流の強度は、前記第１直流電源の電流の強度と独立的に調節され得る。前記少なくとも１つの不溶性アノードを介して少なくとも１つの不溶性アノードの回路の電流の強度を調節することによって、アノード電流効率及びカソード電流効率の差は、少なくとも１つの可溶性アノードに対してバランスされ、金属濃度は、所定の範囲に維持され得るようになる。

本発明のさらなる好ましい実施形態において、前記電解質容器の電解質の少なくとも１つの電解パラメータに応じて、前記第１直流電源を駆動する及び／又は前記第２直流電源を駆動する制御装置が備えられる。好ましくは、２つの直流電源は、両方の回路における電流の強度を好ましく制御するために制御される。本明細書において、“電解パラメータ”という用語は、電解質の電解、従ってコーティングされる物体の電解コーティングに影響を与える、デバイスの動作パラメータを意味するものとする。本明細書において、電解パラメータは、特に排他的ではないが、電解質の金属（イオン）含有量、酸性度、ｐＨ値及び伝導度、電流の強さ並びにスループット速度を含む。

本発明のさらなる好ましい実施形態において、前記電解質容器の電解質の少なくとも１つの電解パラメータを検出するための測定装置が備えられる。この測定装置に関して、それは、好ましくは、電解質容器とは別に配置され、好ましくは規則的に解析のために供給される、電解質容器から取られる電解質試料までの測定装置であり、又は、それは、好ましくは、実質的に連続する解析を行うために電解質容器の電解質に接触する測定装置である。

本発明によるデバイスは、好ましくは、前記物体の連続電解コーティングのためのスループットデバイスとして構成される。スループットデバイスは、特に好ましくは、ワイヤ又はストリップ材料のコーティングに使用され得る。

物体の電解コーティングのための本発明の方法は、コーティングされる物体を、電解質を有する電解質容器に浸す段階であって、少なくとも部分的に、第１直流電源の正極に導電接続される少なくとも１つの可溶性アノード、及び、第２直流電源の正極端子に導電接続される少なくとも１つの不溶性アノードを浸す段階、前記コーティングされる物体を前記第１直流電源の負極及び前記第２直流電源の負極に導電接続する段階、及び、前記第１直流電源と独立的に前記第２直流電源を動作する段階、を含む。

この方法に関して、本発明の上記装置に関して同一の利点が達成され得る。従って、利点、定義及び好ましい実施形態に関して、本発明によるデバイスに関係する上述についてのみこの点において参照される。

本発明の好ましい実施形態において、前記第１直流電源の電流の強度及び前記第２直流電源の電流の強度は、互いに異なって設定され得る。

本発明のさらなる好ましい実施形態において、前記第１直流電源及び前記第２直流電源の電流の総強度は、実質的に一定に維持される。

本発明のさらなる好ましい実施形態において、前記第１直流電源、前記第２直流電源、又は両方の直流電源は、前記電解質容器の電解質の少なくとも１つの電解パラメータに応じて制御される。

本発明のさらなる好ましい実施形態において、前記電解質容器の電解質の少なくとも１つの電解パラメータは、周期的に又は連続的に検出される。

本発明のさらなる好ましい実施形態において、前記物体は、連続工程で電解コーティングされる。

好ましくは、本発明の上記のデバイス及び本発明の上記の方法は、特に好ましくはワイヤの電解コーティングのために使用される。

図１は、実施形態による連続的な電気鍍金システムの概略的な構造を示す。

念のため、ここで、本発明の方法及び装置に関して、各記載は、コーティングされる如何なる特別な物体、如何なる特別なコーティング材料、如何なる特定の可溶性アノード又は如何なる特別な不溶性アノードにも限定されないことに留意すべきである。

本発明の上述の及び他の特徴並びに利点は、添付の図面を参照して好ましい限定的ではない実施形態の以下の記載から容易に理解されることとなる。ここで、たった１つの図のみが、ほとんどの部分において本発明の好ましい実施形態による連続的な電気鍍金システムの概略的な構造を示す。

本発明は、連続的な電気鍍金プラントの実施例を用いて詳細に記載されるが、それは、バッチ電気鍍金プラントに等しく適用できる。

電気鍍金プラントは、適切な電解質１２を受容するための大きな長方形の電解質容器１０を有する。例えば、錫コーティングのために、メタンスルホン酸電解質１２が使用される。

電解質容器１０において、複数の可溶性錫アノード１４が配置される。図１に示されるように、これらのアノードは、好ましくは、互いに対向する２列の対で配置される。錫アノード１４は、電解質容器１０の電解質１２にそれぞれ浸る。

錫アノード１４は、第１直流電源１６の正極端子に導電接続される。第１直流電源１６は、例えば、供給ネットワーク又は交流発電器に接続される整流器である。第１直流電源１６は、例えば、約６５００Ａの電流の総強度で設計される。

コーティングされるワイヤ１８は、電解質容器１０の電解質に連続工程で浸される。このために、対応する搬送デバイスが供給されるが、それは、図１には示されていない。電解質１２を通るワイヤの搬送速度は、所望のコーティング厚さに調節される。

コーティングされるワイヤ１８は、第１直流電源１６の負極に導電接続されるカソード端子２０によって導電接触される。このように、閉回路は、第１直流電源１６の正極から、可溶性の錫アノード１４、電解質１２、ワイヤ１８及びカソード端子２０を介して、第１直流電源１６の負極まで作られる。

可溶性の錫アノード１４に加えて、追加の不溶性アノード２２はまた、それらが電解質容器１０の電解質１２に浸されるように提供される。図１に示されるように、可溶性アノード１４及び不溶性アノード２２は、実質的に等しい大きさ及び形状であるが、不溶性アノード２２の数は、可溶性アノード１４の数より大幅に少ない。電解質１２に浸っている全ての可溶性アノード１４の有効総用面積は、全ての不溶性アノード２２の有効総表面積より大幅に大きい。

不溶性アノード２２は全て、第２直流電源２４の正極端子に導電接続される。第２直流電源２４は、第１直電源に類似しており、例えば、供給ネットワーク又は交流発生器に接続される整流器である。第２直流電源２４は、例えば、約５０から１５０Ａの範囲の電流の総強度で設計される。

コーティングされるワイヤに接触するカソード端子２０はまた、第２直流電源２４の負極に接続される。このように、第１直流電源１６及び第２直流電源２４の負極は、同一電位にある。

本発明によれば、第１直流電源１６及び第２直流電源は、独立して動作し得る。特に、２つの直流電源１６、２４の電流の強度は、独立して調節され得る。

このために、第１直流電源１６及び第２直流電源２４を制御する制御装置２６が提供される。

制御装置２６は、電解質容器１０の電解質の少なくとも１つの電解パラメータを検出するように設計される測定装置２８に接続される。これは、例えば、電解質容器１０のパラメータの直接測定によって、又は、電解質容器１０及び電解質容器とは別の後続の解析によって連続して行われる。

電解パラメータに関して、それは、電解質における電解、及び従ってコーティングされる物体の電解コーティングに影響を与える動作パラメータである。電解パラメータとして、例えば、測定装置２８によって電解質１２の金属（イオン）含有量、酸分、ＰＨ及び／又は伝導度が検出される。測定装置２８によって本明細書において検出され得る更なる動作パラメータは、電流の強度及びスループット速度であり、それはまた、物体の電解コーティングに影響を与える。

コーティング工程で計算される電流の強度は、例えば、１００％に対応し、すなわち、所望の厚さに要求される金属イオンは、電解質溶液１２の可溶性アノード１４を通過する。しかしながら、カソード電流効率は、例えば、約９７％である。従って、時間に伴って、それは、電解質１２の金属（イオン）濃度を増加させる。

これを避けるために、本発明によるデバイスにおいて、２６個の制御装置は、第２直流電源１６で切り替えら得、それによって、カソード電流効率の３％の損失が補償され得る。不溶性アノード２２が電解質に非金属イオンを放出するが、このように単に電源として機能するので、電解質の金属濃度は、必然的に一定に又は所定の範囲内で一定に維持され得る。

これは更に、ワイヤのメタンスルホン酸電解錫コーティングの実施例に示される。約１．６ｍｍのワイヤ直径及び約５μｍの所望の錫コーティング厚さにおいて、ワイヤ１８は、例えば、電解質１２を通って約１０ｍ／ｓの側で搬送される。

約３０００Ａの錫コーティング電流（約１００％の可溶性錫アノード１４のアノード電流効率に相当する）及び約９７％のカソード電流効率において、約９０Ａ（＝３％×３０００Ａ）の電流が供給されることを意味する、約３％の電流効率の差がバランスされるように、制御装置２６は、第２直流電源２４を制御する。

電解質１２の金属（イオン）濃度を一定に維持することに加えて、電解質１２の過剰な金属含有量を補正することも可能である。測定装置２８によって検出される電解質１２の高過ぎる金属（イオン）濃度において、第１直流電源１６の電流の強度は、制御装置２６によって本発明のデバイスにおいて低減され得、第２直流電源２４の電流の強度は、従って増加され得る。第２直流電源２４の電流の強度の増加が第１直流電源１６の電流の強度の低下より大きい場合、電解質１２の金属含有量は、時間と共に低下し得る。

１０ 電解質容器
１２ 電解質
１４ 可溶性アノード
１６ 第１直流電源
１８ 物体
２０ カソード端子
２２ 不溶性アノード
２４ 第２直流電源
２６ 制御装置
２８ 測定装置

Claims (12)

1. 電解質（１２）を有する電解質容器（１０）、
   第１直流電源（１６）、
   前記電解質容器（１０）の電解質（１２）に少なくとも部分的に浸され、前記第１直流電源（１６）の正極に導電接続される少なくとも１つの可溶性アノード（１４）、及び
   前記第１直流電源（１６）の負極に導電接続され、コーティングされる物体（１８）が導電接続され得る少なくとも１つのカソード端子（２０）であって、前記物体（１８）が、前記電解質容器（１０）の電解質（１２）に浸される、カソード端子（２０）、
   を備える物体の電解コーティング用デバイスであって、
   前記第１直流電源（１６）と独立して動作することができる第２直流電源（２４）、及び、
   前記電解質容器（１０）の電解質（１２）に少なくとも部分的に浸され、前記第２直流電源（２４）の正極に導電接続される少なくとも１つの不溶性アノード（２２）、
   を備えることを特徴とする、物体の電解コーティング用デバイス。
2. 前記第２直流電源（２４）の電流の強度が、前記第１直流電源（１６）の電流の強度と独立的に調節され得る、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記電解質容器（１０）の電解質（１２）の少なくとも１つの電解パラメータに応じて、前記第１直流電源（１６）を駆動する及び／又は前記第２直流電源（２４）を駆動する制御装置（２６）が備えられることを特徴とする、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記電解質容器（１０）の電解質（１２）の少なくとも１つの電解パラメータを検出するための測定装置（２８）が備えられることを特徴とする、請求項３に記載のデバイス。
5. 前記物体の連続電解コーティングのためのスループットデバイスとして構成されることを特徴とする、請求項１から４の何れか一項に記載のデバイス。
6. 第１直流電源（１６）の正極に導電接続され、コーティングされる物体（１８）を、少なくとも１つの可溶性アノード（１４）及び第２直流電源（２４）の正極端子に導電接続される少なくとも１つの不溶性アノード（２２）が少なくとも部分的に浸される電解質（１２）を有する電解質容器（１０）に浸す段階、
   前記コーティングされる物体（１８）を、前記第１直流電源（１６）の負極及び前記第２直流電源（２４）の負極に導電接続する段階、及び、
   前記第１直流電源（１６）と独立的に前記第２直流電源（２４）を動作する段階、
   を含む、物体の電解コーティング方法。
7. 前記第１直流電源（１６）の電流の強度及び前記第２直流電源（２４）の電流の強度が、互いに異なって設定されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１直流電源（１６）及び前記第２直流電源（２４）の電流の総強度が、実質的に一定に維持される、請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記第１直流電源（１６）及び／又は前記第２直流電源（２４）が、前記電解質（１２）の少なくとも１つの電解パラメータに応じて前記電解質容器（１０）で駆動することを特徴とする、請求項６から８の何れか一項に記載の方法。
10. 前記電解質（１２）の少なくとも１つの電解パラメータが、周期的に又は連続的に前記電解質容器（１０）で検出されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記物体（１８）が、連続工程で電解コーティングされることを特徴とする、請求項６から１０の何れか一項に記載の方法。
12. 請求項１から５の何れか一項に記載のデバイス、又は、ワイヤの電解コーティングのための請求項６から１１の何れか一項に記載の方法の使用。

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