TWI658174B - 電鍍設備 - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種電鍍設備，適用於一待電鍍工件，包括有電鍍槽、靶材、吸附件及電源供應器。電鍍槽儲放有電鍍液，待電鍍工件和靶材是置放在電鍍槽中，且待電鍍工件和靶材的至少一部分接觸電鍍液，吸附件是置放在電鍍槽中，且吸附件的至少一部分接觸電鍍液。電源供應器的正極是與靶材電連接，電源供應器的負極是與待電鍍工件和吸附件電連接。當電源供應器施加一操作電流，靶材釋放金屬離子溶於電鍍液中，金屬離子還原成金屬原子，並在待電鍍工件的表面上形成電鍍層，同時吸附件吸附電鍍液中的碳離子。

Description

電鍍設備

本發明是關於一種電鍍的技術領域，特別是一種以吸附件吸附電鍍液中碳元素的電鍍設備。

消費性電子裝置發展至今，現在的消費者除了功能性的要求之外，外觀造型也成為選購消費性電子裝置的考量因素之一。目前所見的消費性電子產品幾乎多為鋁合金或鋁鎂合金等金屬材質所製成的外殼，為了獲得裝飾效果，手機、電腦、數位相機等電子裝置的外殼體通常會再進行表面處理。其中，用電鍍製程處理所得的產品外觀，其金屬質感佳，耐磨性能較好。

電鍍加工是現代常見的表面處理工法之一，將欲電鍍產品放置於存有化學電鍍液的電鍍槽中，並利用電解原理通電使得產品表面形成電鍍層，藉以達到防止金屬氧化(例如鏽蝕)的作用，以及對金屬產品產生視覺美觀效果。

但是，在電鍍製程中為了電鍍成品的品質穩定，多半會加入各種添加劑到電鍍液當中，例如光澤劑、穩定劑、柔軟劑、潤濕劑、低區走位劑等。然而，這些添加劑含有碳元素，在電鍍製程中因為電化學反應讓碳元素以離子型態沉積到電鍍工件上，導致電鍍工件的表面不夠光亮，使得電鍍成品的美觀度打折扣。

更兼，若電鍍液使用的是有機性的溶液，電鍍液中的碳含量將會更高，在電鍍過程中會有更多數量的碳離子游離並沉積在電鍍工件表面上，造成電鍍成品的外觀呈現碳黑色，而不是預期的金屬表面光澤，如此將無法滿足現今市場對於電鍍成品的外觀品質要求。

有鑑於此，本發明提出一種電鍍設備，以解決上述習知技術的缺失和限制。

有鑑於上述現有技術對於在電鍍過程中碳元素會沉積附著在電鍍工件表面，導致電鍍完成後的工件美觀度不佳的缺點或限制，本案發明人極盡思量，終於開發出本發明。

為達到上述目的與其他目的，本發明提供一種電鍍設備，適用於有陽極的電鍍製程，對待電鍍工件進行電鍍處理。電鍍設備包括一電鍍槽、一靶材、一吸附件及一電源供應器。電鍍槽儲放有電鍍液，待電鍍工件和導體材料的靶材是置放在電鍍槽中，且待電鍍工件和靶材的至少一部分接觸電鍍液，吸附件是置放在電鍍槽中，且吸附件的至少一部分接觸電鍍液。電源供應器的正極是與靶材電連接，電源供應器的負極是與待電鍍工件和吸附件電連接。當電源供應器施加一操作電流，靶材釋放金屬離子溶於電鍍液中，金屬離子還原成金屬原子，並在待電鍍工件的表面上形成電鍍層，同時吸附件吸附電鍍液中的碳離子。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中吸附件的材質可以是金屬材料、陶瓷材料或是布料。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中靶材的材質為銅合金或鎳合金，吸附件的材質為發泡鎳。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中靶材的材質為金或鉑，吸附件的材質為不織布。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中操作電流的電流密度範圍在0.001－0.005安培/平方公分（A/cm ²）之間。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中電鍍液包含一氯化膽鹼、一含氮化合物、一氯化金屬、一生物菌及一無機酸劑。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中電鍍液還包含一糖精。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中含氮化合物係選自氨、尿素或是尿酸。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中氯化金屬係選自氯化鎳、氯化銅、氯化鈷、氯化鋅、氯化金或氯化銀。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中無機酸劑係選自硝酸(HNO3)、硼酸(H3BO3)、氫溴酸(HBr)或高氯酸(HClO4)。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中還包含一丙三醇(C3H8O3)，係添加至無機酸劑，丙三醇與無機酸劑形成複合脂類。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中無機酸劑與丙三醇之體積比例範圍係介於4:1至3:1之間。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中生物菌是一酵母菌、一代田菌、一光合菌、一乳酸桿菌、一桿菌及其組成物，或者一發酵乳製品。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中電鍍液更包含一甲殼素((C8H13O5N)n)，係添加至無機酸劑。

進一步的，本發明的電鍍設備，其中更包含一磁石，置放在電鍍槽中，磁石可旋轉並攪拌電鍍液。

與習知技術相較，採用本發明的電鍍設備所生產出來的電鍍成品，除了在成品表面沉積一電鍍層來防止表面產生鏽蝕，達到材料保護作用之外，同時透過吸附件通電後的靜電作用將電鍍液中的碳元素吸附在吸附件上，不讓過多不必要的碳元素沉積在待電鍍工件的表面，保持了工件表面的良好金屬質感與光澤，符合市場對於電鍍成品的外觀品質要求。

為充分瞭解本發明之目的、特徵及功效，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後。

請參考第1圖所示的本發明一實施例的電鍍設備示意圖，本發明的電鍍設備100適用於有陽極的電鍍製程，對待電鍍工件110進行電鍍。本實施例的電鍍設備100包括有一電鍍槽120、一靶材130、一吸附件140及一電源供應器150，電鍍液121是注入儲放在電鍍設備100的電鍍槽120中，待電鍍工件110和靶材130都是放置在電鍍槽120中，使待電鍍工件110和靶材130的至少一部分浸泡在電鍍液121內。吸附件140的材質可以是金屬材料、陶瓷材料或是布料，而吸附件140同樣置放在電鍍槽120中，並且吸附件140的至少一部分浸泡在電鍍液121內。

其中，靶材130是電連接在電源供應器150的正極，靶材130的材質必須是導體材料，待電鍍工件110和吸附件140是電連接在電源供應器150的負極。當電源供應器150開啟時提供直流電源給待電鍍工件110、靶材130和吸附件140，以進行電鍍製程。在電鍍製程的過程中，正極的半反應式為M→M ⁿ⁺+ne ^－，負極的半反應式為M ⁿ⁺+ne ^－→M。具體而言，靶材130釋放出電子ne ^－而變為金屬離子M ⁿ⁺溶於電鍍液121中，而電鍍液121中欲鍍的金屬離子M ⁿ⁺接受了電子ne ^－，還原形成金屬原子M，並沉積在負極的待電鍍工件110的表面上，以形成一電鍍層。同時，吸附件140因為電源供應器150提供的電流而產生靜電吸附作用，將電鍍液121中含有的碳離子（例如添加至電鍍液121的添加劑所含的碳元素）吸附在其上，使得碳離子不會游離並沉積在待電鍍工件110的表面。

以下說明具體所使用的待電鍍工件110及吸附件140材質的實施例：在本發明中，靶材130的材質若選用的是銅合金或鎳合金，吸附件140的材質可以對應選擇使用發泡鎳；靶材130的材質若選用的是金或鉑，吸附件140的材質可以對應選擇使用不織布。

上述的待電鍍工件110與吸附件140的材質選用搭配，目的在於讓相鄰的待電鍍工件110與吸附件140之間產生電位差，使得金屬離子被吸引而只會游離到待電鍍工件110並沉積在其表面，金屬離子並不會被吸附件140吸附住。反觀碳離子在靠近待電鍍工件110時就因為靜電吸附作用而被吸附件140吸引並附著於其上，不會隨著金屬離子一起沉積在待電鍍工件110的表面。熟悉此項技術製程的人員，可以依照實際作業需求對應選擇待電鍍工件110和吸附件140的材質，只要待電鍍工件110和吸附件140之間具有一定的電位差即可，並不以本發明所揭露的使用材質為限。

另外需要說明的是，前述電鍍製程所使用的電流密度非常小，其電流密度的使用範圍在0.001－0.005安培/平方公分（A/cm ²），在這樣的工作電流條件下，電鍍膜層的沉積速率為4微米/小時（μm/hour）。然，熟悉有陽極的電鍍製程的技術人員，可以依照實際作業需求對應調整工作電流密度，以達到最適合的沉積速率，並不以本發明所揭露的電流密度數值為限。

執行電鍍製程之前，可以先對待電鍍工件110以砂紙磨光，或是以稀釋鹽酸沖洗，藉以除去待電鍍工件110表面的鏽斑；接著，將除去表面鏽斑的待電鍍工件110以氫氧化鈉清洗，以除去表面油汙；最後，再以蒸餾水清洗待電鍍工件110，完成電鍍的前置處理工作。在完成電鍍製程之後，待電鍍工件110從電鍍槽120中取出，以蒸餾水沖洗來去除電鍍液121，再以丙酮清洗而去除蒸餾水，即得到沉積有電鍍層的金屬工件。

另外，電鍍的過程在常溫環境下執行即可，不需要對電鍍液121加熱，並且還可以在電鍍槽120中置放磁石160，讓磁石160可持續旋轉而均勻的攪拌電鍍液121。其中，磁石160的旋轉頻率與沉積在待電鍍工件110表面的電鍍層的內應力有關，因此當磁石160旋轉的速度越快，所形成的電鍍層就越光亮，而所採用的轉速範圍在300 rpm（Revolution Per Minute）至1,000 rpm之間為佳。

請繼續參閱第1圖，本發明的電鍍設備100所使用的電鍍液121可以是習知的無機電鍍液，其中電鍍液可因應電鍍需求添加如光澤劑、穩定劑、柔軟劑、潤濕劑、低區走位劑等添加劑；或者是使用以下所述的有機無污染的電鍍液：本發明所提一實施例的無污染的電鍍液成份包含氯化膽鹼、含氮化合物、氯化金屬、生物菌及無機酸劑。

本實施例的含氮化合物係選自氨、尿素或是尿酸。舉例說明，本實施例的氯化膽鹼所使用的比例是560克/公升（g/L），換算成莫耳濃度為4M，而尿素所使用的比例是480克/公升（g/L），換算成莫耳濃度為8M，氯化膽鹼和尿素的莫耳濃度比即為1：2。再者，本實施例的氯化膽鹼所使用的比例範圍可以是460克/公升至660克/公升，尿素所使用的比例範圍可以是380克/公升至580克/公升，較佳的離子液體的比例為560克/公升的氯化膽鹼與480克/公升的尿素相互混合。

氯化金屬的莫耳濃度範圍在0.005M至0.5M之間。具體說明，本實施例的氯化金屬可以選自氯化鎳（NiCl ₂）、氯化銅（CuCl ₂）、氯化鈷（CoCl ₂）、氯化鋅（ZnCl ₂）、氯化金（AuCl ₃）或氯化銀（AgCl）的任何一種氯化金屬，由於添加氯化金屬之目的是提供沉積在待電鍍工件110的電鍍層的金屬離子來源，因此只要是選用的氯化金屬的金屬離子材質和電鍍設備100所使用的靶材130材質相同即可，並不以本發明揭露的氯化金屬種類為限。以氯化鎳做為說明例子，加入離子液體的六水氯化鎳（NiCl ₂·6H ₂O）的比例為120克/公升（g/L），換算成莫耳濃度為0.5M，並在室溫環境下利用磁石均勻攪拌加入有氯化鎳的離子液體。本實施例的氯化鎳添加比例範圍可以是90克/公升至150克/公升，較佳的氯化鎳添加比例範圍為120克/公升。

若是氯化金屬選用的材料為氯化鋅，添加至離子液體的比例為27克/公升（g/L），換算成莫耳濃度為0.2M；若是氯化金屬選用的材料為氯化銅，二水氯化銅（CuCl ₂·2H ₂O）添加至離子液體的比例為1克/公升（g/L），換算成莫耳濃度為0.006M；若是氯化金屬選用的材料為氯化金，添加至離子液體的比例為500毫克/300毫升，換算成莫耳濃度為0.005M。

生物菌添加的重量百分比範圍在7wt%至11wt%之間，無機酸劑添加至離子液體的莫耳濃度範圍在0.7M至2M之間。前述的電鍍液121所添加的無機酸劑之目的是穩定電鍍液121的酸鹼值（或稱pH值，氫離子濃度指數），而本發明的電鍍液121在添加生物菌及無機酸劑後會變成弱酸性，其酸鹼值控制在大約數值4左右。

本實施例的生物菌是酵母菌、代田菌、光合菌、乳酸桿菌、桿菌及其組成物。另外，生物菌也可以是發酵乳製品，例如優酪乳。本實施例的無機酸劑係選自硝酸(HNO3)、硼酸(H3BO3)、氫溴酸(HBr)或高氯酸(HClO4)等弱酸性的酸劑，但並不以此為限。舉例說明，本實施例的生物菌所使用的比例是20毫升/200毫升，換算成重量百分比約為9wt%，而硼酸所使用的比例是20克/200毫升，換算成莫耳濃度約為1.62M。再者，本實施例的生物菌所使用的比例範圍可以是15毫升/200毫升至25毫升/200毫升，硼酸所使用的比例範圍可以是15克/200毫升至25克/200毫升，較佳的比例為20毫升/200毫升的生物菌與20克/200毫升的硼酸添加量，並在室溫環境下利用磁石均勻攪拌加入有生物菌和無機酸劑的離子液體。

若是無機酸劑選用的材料為硝酸，添加的比例範圍為15克/200毫升至25克/200毫升，換算成莫耳濃度範圍為1.2M至1.98M；若是無機酸劑選用的材料為氫溴酸，添加的比例範圍為15克/200毫升至25克/200毫升，換算成莫耳濃度範圍為0.9M至1.54M；若是無機酸劑選用的材料為高氯酸，添加的比例範圍為15克/200毫升至25克/200毫升，換算成莫耳濃度範圍為0.7M至1.24M。

在本實施例中，當電鍍液121無法對待電鍍工件110進行作用時，可進一步再添加無機酸劑，以稀釋金屬離子的數量，而能重新的讓電鍍液121仍可以持續地與有效地對待電鍍工件110進行作用。因此，本實施例的電鍍液121明顯解決習知技術的電鍍液僅能廢棄而無法使用的缺失。

另外，上述的電鍍液121中還可以添加糖精，其中糖精添加的莫耳濃度範圍在0.05M至0.2M之間。本實施例的電鍍液121添加糖精的目的是為了在電鍍液121中增加顆粒，藉以增加本實施例的電鍍液121的內應力，在電鍍的過程中能對浸泡在電鍍液121中的待電鍍工件110釋放內應力，以對待電鍍工件110表面所沉積的電鍍層產生拋光效果。

舉例說明，加入糖精的比例為2克/200毫升，換算成莫耳濃度為0.05M，並在室溫環境下利用磁石均勻攪拌加入有糖精的離子液體。本實施例的糖精添加比例範圍可以是2克/200毫升至7克/200毫升（換算成莫耳濃度為0.2M），而較佳的糖精添加比例範圍為2克/200毫升。

上述的電鍍液121除了包含無機酸劑與生物菌之外，還可以另外添加丙三醇(C3H8O3)(或稱為甘油)至電鍍液121中，使丙三醇與無機酸劑形成複合脂類。其中，無機酸劑與丙三醇之體積比例範圍係介於4:1至3:1之間，但並不以此為限。值得注意的是，丙三醇可不參與電鍍的過程，丙三醇的目的可以稀釋金屬離子的數量。

本發明的電鍍液121還可以另外添加甲殼素((C8H13O5N)n)至無機酸劑，以進一步改變待電鍍工件110的表面特性。整體而言，本發明在電鍍過程因無水的反應，故電鍍一段時間後，整體的液體溫度上升幅度不高，因而延緩了本發明電鍍液121的劣化速度。

第2A圖至第2F圖為本發明一實施例在執行各種材質的電鍍製程前後的電鍍工件與吸附件的實驗成品圖，第2A圖至第2F圖依序是電鍍鎳、電鍍金、電鍍銅、電鍍錫、電鍍鉑、電鍍鈷。從這幾張實際的實驗照片就能清楚以肉眼觀察到，未使用吸附件（例如發泡鎳或是不織布）的電鍍工件的表面呈現暗黑色或紅褐色，並未呈現光亮的金屬色澤；反觀使用了本發明的吸附件（例如發泡鎳或是不織布）的電鍍工件的表面呈現明亮的金屬光澤，符合現今市場對於電鍍工件的品質要求。並且，電鍍製程前和電鍍製程後的吸附件也能清楚看出外觀差異，電鍍製程後的吸附件呈現兩段色差，吸附件浸泡在電鍍液中的部分呈現碳黑色。由此可見，吸附件確實達到了吸附電鍍液中的碳離子效果，避免過多的碳離子沉積在電鍍工件表面。

第3A圖至第3E圖為本發明一實施例的在執行各種材質的電鍍製程之後的電鍍工件的表面元素分析圖表，第3A圖至第3E圖依序是電鍍銀、電鍍鎳、電鍍金、電鍍銅、電鍍鉑。第2A圖至第2F圖是以肉眼觀察電鍍工件和吸附件的巨觀結構，而第3A圖至第3E圖是從微觀結構來確認本發明的吸附件確實是具備吸碳作用。

在第3A圖至第3E圖的表面元素分析數據所載的重量百分比（norm. C [wt.%]）欄位或是原子百分比（Atom. C [at.%]）欄位的數據可以明確得知，在完成電鍍製程的電鍍工件表面的電鍍層金屬（銀、鎳、金、銅、鉑等）相較於碳元素的百分比要來得高出許多，顯見吸附件在電鍍過程中將電鍍液中的碳離子都吸附於其上，使得電鍍工件表面的碳含量盡量控制在最低程度。

綜上所述，以本發明的電鍍設備所生產出來的電鍍成品，除了在成品表面沉積一電鍍層來達到材料保護作用之外，同時透過吸附件在通電後的靜電作用將電鍍液中的碳元素吸附在吸附件上，不讓過多的碳元素沉積在待電鍍工件的表面，讓電鍍後的工件表面具備有良好金屬質感與光澤，符合市場對於電鍍成品的外觀品質要求。

另外，本發明提出一實施例的電鍍液成份都是環保無毒的組份，無機酸劑也是選用弱酸性的酸劑，因而對工作環境及生態環境並不會造成污染，符合現今的綠色環保概念。上述一實施例的電鍍液所採用的生物菌是決定電鍍液的特性，可以藉由增加生物菌或是利用不同菌種種類與調整菌種數量來重置電鍍液的電氣特性，達到重複使用的目的。也就是說，失去活性的電鍍液無需重新置換，僅需要增加生物菌的濃度即可還原電鍍液的功能。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100 電鍍設備 110 待電鍍工件 120 電鍍槽 121 電鍍液 130 靶材 140 吸附件 150 電源供應器 160 磁石

第1圖為本發明一實施例的電鍍設備的示意圖。

第2A圖至第2F圖為本發明一實施例在執行各種材質的電鍍製程前與電鍍製程後的電鍍工件與吸附件的實驗成品圖。

第3A圖至第3E圖為本發明一實施例的在執行各種材質的電鍍製程之後的電鍍工件的表面元素分析圖表。

Claims (13)

1. 一種電鍍設備，適用於一待電鍍工件，該電鍍設備包括：一電鍍槽，儲放有一電鍍液，該待電鍍工件是置放在該電鍍槽中，且該待電鍍工件的至少一部分接觸該電鍍液，其中該電鍍液包含一氯化膽鹼、一含氮化合物、一氯化金屬、一生物菌及一無機酸劑，該氯化膽鹼與該含氮化合物的莫耳濃度比為1：2，該氯化金屬的莫耳濃度範圍在0.005M至0.5M之間，該生物菌的重量百分比範圍在7wt%至11wt%之間，該無機酸劑的莫耳濃度範圍在0.7M至1.98M之間；一靶材，該靶材的材質是導體材料，該靶材置放在該電鍍槽中，且該靶材的至少一部分接觸該電鍍液；一吸附件，置放在該電鍍槽中，且該吸附件的至少一部分接觸該電鍍液；以及一電源供應器，具有一正極和一負極，該正極是與該靶材電連接，該負極是與該待電鍍工件和該吸附件電連接；當該電源供應器施加一操作電流，該靶材釋放金屬離子溶於該電鍍液中，該金屬離子還原成金屬原子，並在該待電鍍工件的表面上形成一電鍍層，同時該吸附件吸附該電鍍液中的碳離子。
2. 如請求項1所述之電鍍設備，其中該吸附件的材質可以是金屬材料、陶瓷材料或是布料。
3. 如請求項2所述之電鍍設備，其中該靶材的材質為銅合金或鎳合金，該吸附件的材質為發泡鎳。
4. 如請求項2所述之電鍍設備，其中該靶材的材質為金或鉑，該吸附件的材質為不織布。
5. 如請求項1所述之電鍍設備，其中該操作電流的電流密度範圍在0.001-0.005安培/平方公分(A/cm²)之間。
6. 如請求項1所述之電鍍設備，其中該電鍍液還包含一糖精，該糖精的莫耳濃度範圍在0.05M至0.2M之間。
7. 如請求項1所述之電鍍設備，其中該含氮化合物係選自氨、尿素或是尿酸。
8. 如請求項1所述之電鍍設備，其中該氯化金屬係選自氯化鎳、氯化銅、氯化鈷、氯化鋅、氯化金或氯化銀。
9. 如請求項1所述之電鍍設備，其中該無機酸劑係選自硝酸(HNO₃)、硼酸(H₃BO₃)、氫溴酸(HBr)或高氯酸(HClO₄)。
10. 如請求項1所述之電鍍設備，其中還包含一丙三醇(C₃H₈O₃)，係添加至該無機酸劑，該丙三醇與該無機酸劑形成複合脂類。
11. 如請求項10所述之電鍍設備，其中該無機酸劑與該丙三醇之體積比例範圍係介於4：1至3：1之間。
12. 如請求項1所述之電鍍設備，其中該生物菌是一酵母菌、一代田菌、一光合菌、一乳酸桿菌、一桿菌及其組成物，或者一發酵乳製品。
13. 如請求項1所述之電鍍設備，其中更包含一磁石，置放在該電鍍槽中，該磁石可旋轉並攪拌該電鍍液。