ES2935291T3 - Método para el ajuste del contenido de níquel y el pH de una solución de metalización - Google Patents
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Abstract
Se describe una celda electrolítica para ajustar el pH y reponer níquel en una solución de niquelado de un baño de niquelado y un método para usar la misma. La celda electrolítica comprende una entrada para recibir la solución de niquelado del baño de niquelado; un cátodo refrigerado conectado a una primera barra colectora conectada, a un terminal negativo de una fuente de alimentación: una pluralidad de ánodos de níquel capaces de crear gas hidrógeno en el cátodo refrigerado cuando se aplica corriente, conectados a al menos una segunda barra colectora, el at al menos la segunda barra colectora conectada a un terminal positivo de la fuente de alimentación; y una salida para devolver la solución de niquelado de la celda electrolítica al baño de niquelado. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Método para el ajuste del contenido de níquel y el pH de una solución de metalización
Campo de la invención
La presente invención se refiere generalmente al ajuste y control del pH en un baño de niquelado.
Antecedentes de la invención
La galvanoplastia es un proceso bien conocido para aplicar recubrimientos metálicos a un sustrato eléctricamente conductor. El proceso emplea un baño cargado de un electrolito que contiene una sal de metal, al menos un ánodo de metal y una fuente de corriente eléctrica directa, tal como un rectificador. Una pieza de trabajo que ha de metalizarse actúa como un cátodo.
La galvanoplastia de níquel implica la deposición de níquel sobre una pieza, sumergida en una solución de electrolito y utilizada como cátodo, mientras que el ánodo de níquel se disuelve en el electrolito en forma de iones de níquel, viajando a través de la solución y depositándose sobre la superficie del cátodo.
Los baños de niquelado comunes incluyen baños de niquelado brillante, baños de niquelado semibrillante, entre otros. Los baños de niquelado brillante se usan para proporcionar un aspecto decorativo en un sustrato debido a su capacidad para cubrir imperfecciones en el metal de base (es decir, nivelación). Los baños de niquelado brillante se usan en las industrias automotriz, eléctrica, de electrodomésticos, de ferretería y otras industrias donde se desea una superficie brillante. Los baños de niquelado semibrillante se usan con fines de ingeniería en donde no se desea brillo y se desarrollaron en parte por su facilidad de pulido.
El baño de niquelado más común se conoce como baño Watts y típicamente contiene 125-249 g/l (20-40 oz/gal) de sulfato de níquel, 25-75 g/l (4-12 oz/gal) de cloruro de níquel y 25-37 g/l (4-6 oz/gal) de ácido bórico. El baño Watts típicamente funciona dentro de un intervalo de pH de 2-5 y a una densidad de corriente de 215 a 1080 A/m2 (20 100 apc). Otros baños de metalización incluyen soluciones con alto contenido de cloruro, soluciones totalmente de cloruro, soluciones de fluoroborato y soluciones de sulfamato, a modo de ejemplo y no de limitación.
Los baños de metalización de sulfamato de níquel se basan en la sal de níquel de ácido sulfámico y el pH del baño se ajusta usando ácido sulfámico, óxido de níquel o carbonato de níquel. Los recubrimientos de níquel de este tipo de baño típicamente presentan valores de tensión muy bajos y elongaciones altas. Una ventaja de este baño es que puede funcionar a concentraciones de níquel más altas (por ejemplo, 180-200 g/l), lo que permite el uso de densidades de corriente altas sin perder las propiedades del recubrimiento. Los baños de sulfamato de níquel típicamente contienen 249-374 g/l (40-60 oz/gal) de sulfamato de níquel, 0-25 g/l (0-4 oz/gal) de cloruro de níquel y 25-37 g/l (4 6 oz/gal) de ácido bórico y funcionan dentro de un intervalo de pH de 3,5-4,5 y una densidad de corriente de 54 2800 A/m2 (5-260 apc). Las altas concentraciones de níquel de los electrolitos de sulfamato permiten realizar la galvanoplastia a densidades de corriente altas (tasas altas de deposición).
Independientemente del tipo de baño de niquelado que se use, frecuentemente es necesario realizar adiciones químicas al baño de niquelado para aumentar el pH y reponer la concentración de níquel en el baño.
Según se ha descrito anteriormente, los baños de niquelado brillante y semibrillante típicamente funcionan a un pH de entre 3,5-4,5. El pH típicamente aumenta lentamente durante el funcionamiento, puesto que la eficiencia del cátodo es ligeramente inferior a la eficiencia del ánodo. El carbonato de níquel es un ajustador de pH preferido porque se disuelve fácilmente a un pH inferior a 4,0. Además, el intervalo de temperatura del baño de metalización es importante en términos de propiedades físicas y, junto con la agitación, ayuda a mantener los componentes del baño mezclados y solubilizados. Si la temperatura es demasiado alta, el consumo de agente de adición aumenta, lo que se suma al coste de los problemas de operación y metalización. Si la temperatura es demasiado baja, el ácido bórico en el baño puede comenzar a precipitar y los abrillantadores no responderán eficientemente.
En una operación de metalización típica, una serie de ánodos de metal se cuelgan de una o más barras colectoras del ánodo mientras que las piezas de trabajo que han de metalizarse se sumergen en el baño de metalización y se unen a una barra colectora del cátodo. El terminal negativo de una fuente de alimentación de CC se conecta a la barra colectora del cátodo, mientras que el terminal positivo de la fuente de alimentación se conecta a la barra colectora del ánodo. La tensión se ajusta en la fuente de alimentación para proporcionar una densidad de corriente en las piezas de trabajo catódicas que se considera óptima.
La mayoría de los procesos de niquelado se realizan con materiales de ánodo de níquel solubles. El níquel del ánodo se convierte en iones que ingresan en la solución de metalización para reemplazar los descargados en el cátodo. Además, el ánodo también distribuye corriente a las piezas de trabajo que han de metalizarse e influye en la distribución del metal. Los ánodos insolubles, también denominados ánodos inertes, no se disuelven durante la
electrólisis porque los ánodos insolubles están compuestos por material inerte. Los ánodos insolubles típicos incluyen titanio platinado, tantalio platinado, niobio platinado, titanio, niobio, acero inoxidable y otros materiales inertes.
Según se ha descrito anteriormente, una de las formas más simples de satisfacer los requisitos del ánodo es suspender las barras de níquel de los ganchos colocados en una barra del ánodo de manera que el níquel se sumerja en la solución de metalización. Aunque se pueden usar barras o tiras electrolíticas como ánodo, también se pueden usar cestas de ánodo, tales como cestas de ánodo de titanio. Las cestas de titanio típicamente están hechas de malla de titanio reforzada con tiras sólidas de titanio. La malla facilita el flujo libre de la solución de niquelado.
Los procesos de metalización de ánodos inertes requieren la reposición de cationes en el electrolito. Por lo tanto, el uso de ánodos inertes en el níquel galvanizado provoca que disminuya el pH del baño y que disminuya la concentración de níquel metálico. En respuesta, se añaden carbonato de níquel y/o carbonato de litio al baño de metalización para aumentar el pH. Sin embargo, estos productos químicos son caros y también pueden ser difíciles de disolver. Se puede añadir sulfato de níquel y/o cloruro de níquel para reponer el níquel metálico en el baño de metalización. Sin embargo, las sustancias químicas de ajuste del pH pueden ser más catas que el níquel metálico.
Por lo tanto, sería deseable proporcionar un medio para aumentar el pH del baño de niquelado y reponer níquel metálico en el baño de niquelado que supere algunas de las deficiencias de la técnica anterior.
El documento JPH0413900 A describe un método para ajustar la concentración de níquel de una solución de metalización, en donde la célula electrolítica comprende un cátodo proporcionado en un material de manera que, en funcionamiento, la sobretensión para el desprendimiento de hidrógeno sea de 250 mV o menos.
Sumario de la invención
Un objeto de la presente invención es proporcionar un método mejorado para ajustar el pH de un baño de niquelado. Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método mejorado de reposición de níquel en un baño de niquelado. Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un método que usa una célula electrolítica para ajustar el pH y reponer níquel en una solución de niquelado.
Otro objeto más de la presente invención es proporcionar un método de reposición de un baño de niquelado que no requiera la adición de sales de metal.
Con ese fin, la presente invención se refiere generalmente a un método de ajuste del pH y el contenido de níquel en una solución de niquelado según la reivindicación 1. Se definen características del método opcionales o preferidas en las reivindicaciones dependientes 2 a 8.
Breve descripción de las figuras
Para una comprensión más completa de la invención, se hace referencia a la siguiente descripción tomada en relación con la figura adjunta, en la que:
La Figura 1 representa un esquema de una célula electrolítica para su uso en un método según una realización preferida de la presente invención.
Además, aunque no todos los elementos se pueden etiquetar en la figura, todos los elementos con el mismo número de referencia indican piezas similares o idénticas.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
Se describe, pero no se reivindica, una célula electrolítica que comprende ánodos de níquel, conexiones eléctricas de cobre, un rectificador y un cátodo enfriado, que funciona para aumentar el pH del baño de níquel y reponer el níquel en el baño de níquel mediante la disolución del ánodo de níquel.
Se describe, pero no se reivindica, una célula electrolítica 10 para ajustar el pH y reponer el níquel en una solución de niquelado, comprendiendo la célula electrolítica 10:
a) una entrada 12 para recibir solución de niquelado de un baño de niquelado;
b) un cátodo enfriado 14 conectado a una primera barra colectora 44, dicha primera barra colectora conectada a un terminal negativo de una fuente de alimentación 40;
c) una pluralidad de ánodos de níquel 16 capaces de crear gas hidrógeno en el cátodo enfriado 14 cuando se aplica corriente, conectados a al menos una segunda barra colectora 42, dicha al menos la segunda barra colectora 42 conectada a un terminal positivo de la fuente de alimentación 40;
d) una salida 18 para devolver solución de niquelado en la célula electrolítica 10 al baño de niquelado.
Según se ha descrito anteriormente, cada uno de los ánodos de níquel 16 se conecta a al menos a una segunda barra colectora 42 que se conecta a un terminal positivo de una fuente de alimentación 40. Además, al menos un cátodo 14 se conecta a una primera barra colectora 44 que se conecta al terminal negativo de la fuente de alimentación 40. La fuente de alimentación 40 también incluye un rectificador para convertir la corriente alterna en corriente continua y el flujo de corriente continua entre los ánodos de níquel 16 con carga positiva y el cátodo 14 con carga negativa provoca que el ánodo de níquel 16 se disuelva.
La célula electrolítica 10 típicamente se mantiene a una temperatura de entre 21 0C (70 0F) y 66 0C (150 0F), más preferiblemente entre 54 °C (130 0F) y 60 0C (140 0F).
La pluralidad de ánodos de níquel 16 comprende preferiblemente una pluralidad de cestas de ánodo de níquel para que la solución de niquelado pueda fluir libremente a través de la célula electrolítica 10.
El al menos un cátodo 14 se mantiene a una temperatura inferior a 38 0C (100 0F), más preferiblemente inferior a 32 0C (90 0F) y se construye preferiblemente con titanio, acero inoxidable o acero. El al menos un cátodo 14 se enfría proporcionando al menos un conducto 30 que contiene agua fría para hacer circular el agua fría dentro de una cavidad formada por el cátodo 14 para enfriar el cátodo 14. En una realización que no según la invención, el cátodo 14 también se puede enfriar conectando el cátodo a una barra colectora 44 enfriada por agua, en donde el agua fría pasa a través de la longitud de la barra colectora 44. Preferiblemente, el cátodo enfriado 14 comprende una cavidad interna a través de la cual circula agua de enfriamiento.
Además, al cátodo 14 se le ha aplicado una densidad de corriente superior a 1615 A/m2 (150 apc), preferiblemente una densidad de corriente superior a 2690 A/m2(250 apc).
La presente invención se refiere generalmente a un método de ajuste del pH y el contenido de níquel de una solución de niquelado, comprendiendo el método las etapas de:
a) desviar una porción de la solución de niquelado de un baño de niquelado a una célula electrolítica, comprendiendo dicha célula electrolítica un cátodo enfriado y una pluralidad de ánodos de níquel capaces de crear gas hidrógeno en el cátodo enfriado cuando se aplica corriente;
b) aplicar corriente al ánodo de níquel y al cátodo enfriado durante un período de tiempo para aumentar el pH de la solución de niquelado en la célula electrolítica, en donde la célula electrolítica repone níquel mediante la disolución del ánodo de níquel; y
c) devolver la solución de niquelado en la célula electrolítica al baño de niquelado, en donde el cátodo se enfría haciendo circular agua fría dentro del cátodo, el cátodo se mantiene a una temperatura inferior a 38 0C (100 0F), y se aplica una densidad de corriente superior a 1615 A/m2 (150 apc) al cátodo.
La célula electrolítica 10 descrita en la presente descripción tiene una eficiencia del 95 al 100 % en la disolución del níquel y una eficiencia inferior al 5 % en el niquelado. La reacción del cátodo es principalmente la reducción de iones de hidrógeno a hidrógeno gaseoso.
Ni0^ N i+2+2e- Reacción del ánodo
H+2e-^H 2T Reacción del cátodo
La célula electrolítica 10 reemplaza los iones de hidrógeno con iones de níquel, lo que provoca que aumente el pH y la concentración de níquel. El níquel metálico saldrá como metalización de un baño de niquelado típico con una eficiencia del 90-95 %. Por el contrario, la célula electrolítica descrita en la presente descripción reduce la eficiencia del cátodo para el niquelado a menos del 5 % mediante la alteración intencionada de la densidad de corriente y la temperatura del cátodo.
Una densidad de corriente catódica superior a 1615 A/m2 (150 amperios/pie2) en combinación con una temperatura del cátodo inferior a 38 0C (100 0F) esencialmente elimina el niquelado en el cátodo. Más preferiblemente, se desea que la densidad de corriente del cátodo sea superior a 2690 A/m2 (250 amperios/pie2) y la temperatura del cátodo sea inferior a 32 0C (90 0F).
Por lo tanto, aunque la técnica anterior controlaba el pH del baño de niquelado mediante la adición de carbonato de níquel o carbonato de litio al baño, la presente invención usa en su lugar una célula electrolítica para controlar el pH y
reponer el níquel y se puede dimensionar basándose en la cantidad de ajuste del pH que sea necesario. Por ejemplo, en una realización preferida, la célula electrolítica tiene una capacidad eléctrica de 400 amperios, que típicamente puede ajustar el pH de la solución de niquelado similar a la adición de 0,454 kg (una libra) por hora de carbonato de litio y 0,454 kg (una libra) por hora de níquel metálico.
Aunque se pueden tratar diversas soluciones de niquelado usando el método descrito en la presente descripción, en una realización, la solución de niquelado comprende una solución de niquelado semibrillante. La solución de niquelado puede comprender una solución de metalización de sulfamato de níquel, aunque los expertos en la técnica también conocen otras soluciones de metalización y podrían usarse con la presente invención.
Además, aunque la presente invención se ha descrito con respecto a la metalización electrolítica, también se contempla que la presente invención es aplicable con el ajuste de soluciones de metalización sin electricidad.
La invención se describirá ahora según el siguiente ejemplo no limitante:
Ejemplo 1:
Se instaló una célula de metalización con un ánodo inerte que metalizaba un cátodo de acero para demostrar el niquelado y se instaló una célula electrolítica con un ánodo de níquel que crea gas hidrógeno en un cátodo enfriado para demostrar el método de la presente invención.
Se analizó un baño de niquelado semibrillante que comprendía 311 g/l (50 oz/gal) de sulfamato de níquel, 31 g/l (5 oz/gal) de ácido bórico y un pH de partida de 4,0.
Por lo tanto, se puede observar que el pH disminuyó de 4,13 a 3,8 en 30 minutos.
Después, el ánodo inerte se apagó y se hizo funcionar el ánodo de níquel con el cátodo enfriado según el proceso de la presente invención.
Hacer funcionar la célula electrolítica durante seis minutos con el cátodo enfriado aumentó el pH de 3,8 a 4,63. El cátodo tenía un área superficial de 45 cm2(7 pulgadas2) y no había metalización en el cátodo de titanio. Aumentar el área del cátodo a 97 cm2(15 pulgadas2) provocó que se produjera metalización en el cátodo y obstaculizó el aumento del pH. Según se ha descrito anteriormente, el cátodo debe tener una densidad de corriente superior a 1615 A/m2 (150 amperios/pie2) en combinación con una temperatura del cátodo de menos de 38 0C (100 0F) para evitar la metalización.
Claims (8)
- REIVINDICACIONESi. Un método de ajuste del pH y el contenido de níquel de una solución de niquelado, comprendiendo el método las etapas de:a) desviar una porción de la solución de niquelado de un baño de niquelado a una célula electrolítica (10), comprendiendo dicha célula electrolítica un cátodo enfriado (14) y una pluralidad de ánodos de níquel (16 ) capaces de crear gas hidrógeno en el cátodo enfriado cuando se aplica corriente; b) aplicar corriente al ánodo de níquel y al cátodo enfriado durante un período de tiempo para aumentar el pH de la solución de niquelado en la célula electrolítica, en donde la célula electrolítica repone níquel mediante la disolución del ánodo de níquel; yc) devolver la solución de niquelado en la célula electrolítica al baño de niquelado, en donde el cátodo se enfría haciendo circular agua fría dentro del cátodo, el cátodo se mantiene a una temperatura inferior a 38 °C (100 0F), y se aplica una densidad de corriente superior a 1615 A/m2 (150 apc) al cátodo.
- 2. El método según la reivindicación 1, en donde una densidad de corriente superior a 2690 A/m2 (250 apc) se aplica al cátodo (14).
- 3. El método según la reivindicación 1, en donde la solución de niquelado en la célula electrolítica (10) se mantiene a una temperatura de entre 21 0C (70 0F) y 660C (1500F), opcionalmente entre 540C (130 0F) y 60 0C (140 0F).
- 4. El método según la reivindicación 1, en donde el cátodo (14) se mantiene a una temperatura inferior a 32 0C (90 0F).
- 5. El método según la reivindicación 1, en donde el agua fría está a una temperatura inferior a 38 0C (100 0F).
- 6. El método según la reivindicación 1, en donde la solución de niquelado comprende una solución de niquelado semibrillante o brillante, opcionalmente en donde la solución de niquelado comprende una solución de metalización de sulfamato de níquel.
- 7. El método según la reivindicación 1, en donde la pluralidad de ánodos de níquel (16) comprende una pluralidad de cestas de ánodo de níquel.
- 8. El método según la reivindicación 1, en donde el cátodo enfriado (14) comprende titanio.
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