Устройство для электроосаждения алюминия или алюминиевых сплавов из металлорганических электролитов, содержащих алкилалюминий

Изобретение относится к устройству для электроосаждения алюминия и/или алюминиевых сплавов из металлорганических электролитов на покрываемые материалы. Устройство состоит из несущей рамы с неподвижными и транспортирующими опорами, по меньшей мере одного барабана для нанесения гальванического покрытия, по меньшей мере одного привода барабана для нанесения гальванического покрытия и одного или большего количества кронштейнов барабана для нанесения гальванического покрытия, при этом привод расположен в герметичном газонепроницаемом корпусе; барабан для нанесения гальванического покрытия имеет перфорированную внутреннюю трубу, расположенную вдоль его продольной оси, и открытую сбоку так, что при помещении устройства в электролитный контейнер боковые отверстия размещены прямо напротив средств подачи электролита в электролитный контейнер; и при этом барабан для нанесения гальванического покрытия состоит из материала, который является стойким как в водных, так и металлоорганических электролитах при температурах вплоть до 110°С. Технический результат: создание устройства, в котором барабан для нанесения покрытия является стабильным в используемых средах и при применяемых температурах, имеет безопасный привод в огнеопасных средах и обеспечивает высококачественное покрытие. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к устройству для электроосаждения алюминия или алюминиевых сплавов из металлорганических электролитов, содержащих алкилалюминий, причем указанное устройство состоит из несущей рамы с неподвижными и транспортирующими опорами, по меньшей мере одного барабана для нанесения гальванического покрытия, по меньшей мере одного привода барабана для нанесения гальванического покрытия и одного или большего количества кронштейнов барабана для нанесения гальванического покрытия.

Нанесение гальванических покрытий на небольшие детали и сыпучие материалы в водном растворе, такое как никелирование или цинкование, обычно осуществляется во вращающихся перфорированных барабанах, выполненных из полиэтилена или полипропилена. Указанные барабаны приводятся в движение электродвигателями, размещенными в пластмассовом корпусе в несущей раме. Токоперенос к изделиям обычно осуществляют с помощью гибких медных струн, расположенных горизонтально на барабанах и заключенных в трубку из пластифицированного ПВХ для предотвращения нежелательного эпитаксиального роста металла.

Электроосаждение алюминия и алюминиевых сплавов из водных растворов является невозможным из-за очень низкого положения потенциала алюминия. Следовательно, электроосаждение должно осуществляться из неводных органических систем. В частности, для этой цели используют электролиты, содержащие алкилалюминий, причем обычно с органическими растворителями. Поэтому покрытие из мелкокристаллического алюминия и слоев алюминиевых сплавов получают превосходным образом из безводных алкилалюминийорганических электролитных систем, в которых алкилалюминиевые комплексы растворены в ароматических углеводородах, таких как толуол.

Однако барабаны для нанесения гальванического покрытия, используемые при нанесении гальванических покрытий из водной среды, не могут быть использованы в органических электролитных системах. Это связано с использованием органических растворителей и с рабочими температурами от 90 до 100°C при нанесении такого гальванического покрытия. При данных температурах и в соответствующих органических растворителях традиционные барабаны для водных систем являются нестабильными, подвергаются разложению или растворению и, таким образом, могут загрязнять электролит. Кроме того, имеется риск деформации барабанов до такой степени, что механическая устойчивость больше не гарантируется.

Из существующего уровня техники также известны системы нанесения гальванических покрытий на сыпучие материалы, которые используются в органической среде, в частности для нанесения алюминия. Однако указанные системы не получили широкого признания на практике.

К таким системам относится также прототип, описанный в ЕР 0042503 А1. В нем описано устройство для электроосаждения алюминия из органических электролитов. Целью вышеуказанного изобретения является создание такого устройства, в котором барабан для нанесения гальванического покрытия не требуется удалять из электролитической ванны с целью загрузки и выгрузки. Вышеуказанный прототип описывает использование конвейерного средства для покрываемых деталей, которое используется с целью заполнения барабана для нанесения гальванического покрытия и проходит через затвор внутрь электролитической ванны, оканчиваясь выше закрываемого отверстия барабана для нанесения гальванического покрытия. Барабан может открываться и закрываться сбоку, и для освобождения барабана предусмотрен разгрузочный контейнер, выдерживаемый в инертном газе и инертной жидкости, который размещают под электролитической ванной и соединяют с ней трубообразным соединительным элементом, который может перекрываться.

Вышеуказанный прототип имеет очень сложную конструкцию барабана для нанесения гальванического покрытия, которая еще не получила широкого признания на практике.

Настоящее изобретение имеет целью создание устройства для электроосаждения алюминия из органических электролитных систем, в котором барабан для нанесения гальванического покрытия модифицирован таким образом, что барабан является стабильным в используемых средах и при применяемых температурах, имеет безопасный привод в огнеопасных средах и, тем не менее, обеспечивает высококачественное покрытие алюминием или его сплавами.

Указанная цель достигается с помощью устройства, в котором привод 3 размещен в герметичном газонепроницаемом корпусе, барабан 13 для нанесения гальванического покрытия имеет перфорированную внутреннюю трубу 15, расположенную вдоль его продольной оси и открытую сбоку, причем боковые отверстия расположены прямо напротив средств подачи электролита в электролитный контейнер, и при этом барабан 13 для нанесения гальванического покрытия состоит из материала, который является стойким как в водных, так и в металлоорганических электролитах при температурах вплоть до 110°C.

За счет герметизации привода в газонепроницаемом корпусе приведение в движение барабана в огнеопасных жидкостях становится намного безопаснее. Корпус предпочтительно состоит из нержавеющей стали, а вал привода барабана проведен через стенку корпуса с помощью газонепроницаемой направляющей втулки вала с уплотнением, предпочтительно выполненным из политетрафторэтилена.

Для защиты электродвигателя привода и в качестве дополнительной меры защиты от проникновения воспламеняющихся органических растворителей, образованную корпусом камеру заполняют инертным газом, таким как азот или аргон, и обеспечивают в ней избыточное давление, предпочтительно составляющее от 0,1 до 0,3 бар. Корпус также оборудован питающим клапаном и клапаном сброса избыточного давления с невозвратной заслонкой.

В каждой операции загрузки/выгрузки на станции инертный газ при давлении примерно на 0,1-0,2 бар выше установленного для клапана сброса значения автоматически подают через питающий клапан в корпус привода. При каждой следующей операции нанесения покрытия атмосферу инертного газа в корпусе привода продувают, и после каждого цикла повторно устанавливают избыточное давление в корпусе. Время продувки или количество продуваемого инертного газа задают с помощью средств регулирования всей установки.

Другой проблемой барабанов для нанесения гальванического покрытия, известной из прототипа, является стойкость материала барабана. При длительной работе традиционные материалы барабана, такие как полиэтилен и полипропилен, являются нестойкими в органических растворителях, используемых при нанесении алюминиевого покрытия.

Указанная проблема решается путем использования подходящих пластиков, нерастворимых в органических растворителях и армированных стекловолокном. В предпочтительном варианте осуществления барабаны для нанесения гальванического покрытия изготовлены из по меньшей мере армированного стекловолокном полифениленсульфида, в котором доля стекловолокна составляет по меньшей мере 40%. Это обеспечивает химическую стойкость барабанов для нанесения гальванического покрытия при рабочих температурах в электролите вплоть до 110°C, а также износостойкость.

В предпочтительном варианте осуществления ведущие шестеренки выполнены из такого же материала. Другим преимуществом является то, что указанный материал является также стойким в разбавленных кислотах и щелочах, так что предварительная обработка и вторичная обработка покрываемых деталей может быть осуществлена в водных системах, таких как кислоты и/или щелочи, в том же барабане без перегрузки.

Снабжение барабана для нанесения гальванического покрытия внутренней перфорированной трубой дает улучшение циркуляции электролита. При электроосаждении металлов из органических электролитов циркуляция электролита играет чрезвычайно важную роль, поскольку в случае недостаточной циркуляции электролита может быстро происходить истощение ионов металла в приграничном слое жидкости вблизи изделия (продукта) вследствие ограниченной растворимости металлоорганических комплексов. Это приводит к потере качества покрытия материалов, в частности к пережиганию (горению) покрываемых материалов, к шероховатым и неровным слоям и, возможно, даже к разложению электролита. В частности, указанная проблема возникает при осаждении сплава алюминия, но также наблюдается и при осаждении чистого алюминия. Чтобы избежать указанной проблемы, барабан устройства по изобретению оборудован внутренней перфорированной трубой, которая размещена вдоль продольной оси барабана для нанесения гальванического покрытия и имеет боковые отверстия, обращенные к стенке электролитного контейнера. При помещении устройства по изобретению в электролитическую ванну боковые отверстия этой внутренней трубы располагаются прямо напротив линий подачи электролита в стенке контейнера. Таким образом, в процессе нанесения покрытия осуществляется подача насосом свежего электролита с высокой скоростью через внутреннюю трубу и непосредственно к подложке (покрываемой детали), так что обеспечивается хороший обмен (диффузия) и предотвращается возникновение описанных выше недостатков. В предпочтительном варианте осуществления также можно разместить дополнительный вспомогательный анод во внутренней трубе, в результате повышая местную концентрацию ионов металла и увеличивая скорость нанесения покрытия.

В соответствии с прототипом, кронштейны традиционных барабанов часто имеют резиновое покрытие и, таким образом, являются нестойкими в органических электролитических ваннах. Это также относится к традиционным ПВХ-оболочкам электропроводящих кабелей в потоке электролита. Поэтому при использовании такой конструкции следует ожидать эпитаксиального роста металла на электропитающих шинах. В соответствии с настоящим изобретением указанная проблема решается тем, что кронштейн в виде полого тела состоит из стали и имеет сердцевину из полифениленсульфида. В указанной сердцевине из изоляционного материала размещена электропитающая шина для подачи тока электролиза. И только внутри барабана в опоре кронштейна выполняется соединение между электропитающей шиной и контактным утолщением в изделии (продукте). Благодаря указанному типу конструкции нет больше необходимости в дополнительной защите электропитающей шины от нежелательного эпитаксиального роста металла. Кронштейн сам не имеет приложенного к нему электрического потенциала и дополнительно защищен снаружи нанесенным на него слоем пластмассы, предпочтительно выполненным из ПВДФ (поливинилиденфторида) или из термопластичных фторуглеводородов на основе этилена и хлортрифторэтилена.

Изобретение иллюстрируется ниже более подробно со ссылкой на чертеж, где позицией 1 обозначена несущая рама с неподвижной опорой (стойкой), несущая на себе отдельные элементы устройства, т.е. барабан для нанесения гальванического покрытия, привод и кронштейны. На несущей раме расположены транспортирующие опоры 4, которые используются для опускания устройства в или подъема устройства из соответствующих электролитических или промывочных ванн.

На несущей раме расположен герметичный приводной электродвигатель, который установлен электрически изолированным и имеет газонепроницаемую направляющую втулку 5 вала. На конце вала расположена ведущая шестерня 6, предпочтительно выполненная из полифениленсульфида. С помощью такого приводного узла приводится в движение барабан 13 для нанесения гальванического покрытия, который предпочтительно состоит из полифениленсульфида, армированного стекловолокном. Барабан 13 для нанесения гальванического покрытия соединен с несущей рамой 1 кронштейнами 11. Кронштейны 11 предпочтительно выполнены из нержавеющей стали, являются полыми и покрыты снаружи фторсодержащими полимерами. Полое пространство кронштейнов 11 содержит изоляционный материал, в котором расположены электропитающие шины 9, 10 для подачи тока электролиза. Позицией 12 обозначена опора подшипника барабана для нанесения гальванического покрытия. Барабан для нанесения гальванического покрытия имеет перфорированные боковые стенки 14 и перфорированную внутреннюю трубу 15, которая открыта сбоку. Через указанную трубу в барабан может быть введен внутренний вспомогательный анод 17 с тем, чтобы достигнуть более высоких концентраций электролита вблизи покрываемого материала. Позицией 18 обозначены собирающие контакты, которые расположены в барабане и предпочтительно состоят из меди.

Кроме того, внутри барабана для нанесения гальванического покрытия расположены гибкие токоподающие контакты 16.

Позицией 9 обозначена линия электропитания для покрываемого материала (детали), которая изолирована внутри кронштейнов барабана. Позицией 7 обозначен выпускной клапан инертного газа в корпусе привода, включающий невозвратную заслонку.

При использовании устройства согласно изобретению можно получать высококачественные покрытия из алюминия и алюминиевых сплавов. Также возможными являются покрытия из магния и магниевых сплавов, причем в этом случае используются соответствующие алкилмагнийсодержащие электролиты. Устройство по изобретению является износостойким и может также использоваться в водных системах, например, при операциях промывки.

Список ссылок

1 - Неподвижная опора.

2 - Электропитающая шина.

3 - Герметичный приводной электродвигатель, установленный электрически изолированным.

4 - Транспортирующая опора.

5 - Газонепроницаемая направляющая втулка вала.

6 - Ведущие шестеренки.

7 - Клапан сброса инертного газа в корпусе электродвигателя с невозвратной заслонкой.

8 - Продувочный клапан инертного газа.

9 - Линия электропитания для покрываемого материала, изолированная внутри кронштейна барабана.

10 - Изоляционный материал внутри кронштейна.

11 - Кронштейн барабана, выполненный из нержавеющей стали и покрытый снаружи ПВДФ/Halar.

12 - Опора подшипника барабана.

13 - Барабан, выполненный из ПФС, армированного стекловолокном.

14 - Перфорированные боковые стенки.

15 - Перфорированная внутренняя труба.

16 - Гибкие токоподающие контакты.

17 - Внутренний вспомогательный анод.

18 - Собирающие контакты.

1. Устройство для электроосаждения алюминия и/или алюминиевых сплавов из металлорганических электролитов, содержащих алкилалюминиевые комплексы, на материалы, состоящее из несущей рамы с неподвижными и транспортирующими опорами, по меньшей мере одного барабана (13) для нанесения гальванического покрытия, по меньшей мере одного привода (3) барабана для нанесения гальванического покрытия и по меньшей мере одного кронштейна (11) барабана для нанесения гальванического покрытия, отличающееся тем, что привод (3) барабана расположен в герметичном газонепроницаемом корпусе, барабан (13) для нанесения гальванического покрытия имеет перфорированную, расположенную вдоль его продольной оси и открытую сбоку, внутреннюю трубу (15), боковые отверстия которой размещены напротив средств подачи электролита при помещении устройства в электролитную ванну, при этом барабан (13) для нанесения гальванического покрытия выполнен из материала, стойкого в водных и металлоорганических электролитах при температурах до 110°С.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что барабан (13) для нанесения гальванического покрытия выполнен из полифениленсульфида, армированного по меньшей мере 40 мас.% стекловолокна.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что привод (3) барабана снабжен автоматическим устройством продувки и создания давления инертного газа.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что во внутренней трубе (15) расположен вспомогательный анод (17) для увеличения концентрации ионов металла.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что привод (3) барабана имеет ведущий вал, который проходит через стенку корпуса привода (3) посредством газонепроницаемой направляющей втулки (5), выполненной из политетрафторэтилена.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кронштейн (11) выполнен полым из стали и снабжен сердцевиной (10) из полифениленсульфида.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кронштейн (11) снаружи покрыт слоем пластика из поливинилиденфторида или термопластичного фторуглеводорода на основе этилена и хлортрифторэтилена.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что в сердцевине из полифениленсульфида расположены электропитающие шины для подачи тока электролиза.