專利名稱：電場電子流解偶電鍍裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電場電子流解偶電鍍控制方法，尤指一種使金屬離子電泳的電場及使金屬離子析出的電流分別控制的解偶電鍍控制方法，使得要電鍍的粗糙表面可受控而達(dá)到平整電鍍的目的。本發(fā)明還涉及利用該控制方法所構(gòu)成的電鍍裝置，可極大地提高電鍍質(zhì)量。
背景技術(shù)：
有關(guān)金屬電鍍的基本原理是使陽極上的金屬離子經(jīng)歷自陽極表面分離進(jìn)入電解液內(nèi)成為陽離子的電離過程；由電場作用，使陽離子在電解液內(nèi)向陰極游動的電泳過程；及陽離子自陰極擄獲電子成為金屬分子附著在陰極上的電析過程等的總合過程。
圖1所示為最早的現(xiàn)有技術(shù)的電鍍裝置，其中包括一恒電壓直流電源101；一導(dǎo)電的受鍍體102，與陰極相接；一要鍍的金屬103，與陽極相接。在通電后，在陽極金屬103的金屬分子105失去電子而離子化成為正金屬離子106，并在電解液中受到離子的擴(kuò)散作用及電場作用向陰極受鍍體102接近、接觸并獲得電子而電析成金屬分子104，沉積在受鍍體102上。另一方面，陽極103上又有新的金屬分子105丟掉電子轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌慕饘訇栯x子106的電離反應(yīng)，以補(bǔ)充電解液的離子濃度。由陽離子的電離作用不斷產(chǎn)生，及擴(kuò)散作用及電場引起的電泳作用，正金屬離子106由陽極金屬103源源不斷地向陰極受鍍體102移動電析成金屬分子104而完成受鍍體102的電鍍過程。
圖1所示的最早現(xiàn)有技術(shù)的電鍍裝置是以電鍍時間的長短來控制電鍍的厚度。由于陰極表面有一定的粗糙度，會使離子、電子結(jié)合電析時產(chǎn)生不均勻的情況，使電鍍表面粗糙度愈鍍愈大，而且厚度也不均勻。圖2所示為因陰極受鍍體102的表面粗糙所引起的離子、電子結(jié)合的微觀電析過程。由于在陰極102中的電子移動遠(yuǎn)比在電解液中陽離子106移動的快，所以電鍍一段時間后，會在陰極102表面左方產(chǎn)生離子空乏層107，電子會聚集在陰極102表面等待陽離子106電泳過空乏層107。但是陰極102表面有一定的粗糙凸起109，在電場驅(qū)動下，陰極102表面較凸出的尖端會聚集較多的電子110。再加上尖端左方的空乏層111首先與電泳來的陽離子接觸，所以陽離子在凸出的尖端會有較快、較多的析出。因而造成陽離子與電子結(jié)合電析時，會有不均勻的情況產(chǎn)生，使電鍍表面粗糙度愈鍍愈大，而且厚度也不均勻。
到目前為止，主要有兩項作法被提出來以改進(jìn)電鍍過程，以求達(dá)到厚度均勻及表面平整的目的。第一項改進(jìn)的做法如美國專利第4789437號所述，在電解液中添加平整劑，例如糖漿。請參考圖3利用平整劑包圍陽離子的反應(yīng)機(jī)構(gòu)。已被平整劑205包圍的陽離子201在到達(dá)陰極102之前，由于陽離子間相斥成平均分散分布202，并維持垂直于電極平面的方向平行電泳移動203。在接近陰極102處由于受到尖端較多電子引力的影響，會偏轉(zhuǎn)方向朝尖端電子集中處移動204，隨行并帶著包圍離子的平整劑205。平整劑205在離子電析出來后會留在陰極表面，由于尖端處有較多的電析，連帶著也會有較多的平整劑附著在尖端附近206。一般平整劑的黏滯性比電解液大，陽離子在平整劑內(nèi)移動比在電解液中慢，尖端所附的平整劑較多，讓陽離子在接近陰極的路程中，到達(dá)凹下處反比凸出處容易。平整劑的黏滯性及分布，使得離子不易持續(xù)集中在陰極尖端電子集中處，迫使離子平均分布電析在陰極表面上，以達(dá)到平整的目的。然而這種方式容易使平整劑被包圍而混在析出金屬分子內(nèi)207，雖然可以用加熱處理等方法將平整劑逼出，但往往會造成最終電鍍表面上的殘留應(yīng)力。而且添加物讓電鍍廢液成份變得更復(fù)雜更難處理，會提高廢液處理成本。
第二項改進(jìn)的做法是采用脈沖電源方法，例如美國專利第4459460號、第3886053號、第6071398號、第4789437號、第613258號所述，其基本工作原理用圖4～圖9來說明。
圖4所示為當(dāng)脈沖電源不供電期間的情況。由于陽離子間正電性的互斥，在平衡狀態(tài)下金屬陽離子301在電極102表面305上應(yīng)該會平均分布。圖5所示為當(dāng)脈沖電源開始時，瞬間會有很大的電子流302流入陰極102的情形。由于電子在電極內(nèi)流動的速度快，而重的陽離子移動的速度慢。陽離子會找到最近的陰極表面305取得電子，析出成為金屬分子303。圖6所示為當(dāng)金屬表面金屬離子消耗完畢時，陰極表面的電解液會形成陽離子空乏層304。新進(jìn)入陰極的電子沒有陽離子可以結(jié)合，會聚集于陰極表面305等待陽離子由離子空乏層電泳來到陰極表面來結(jié)合。由于陽極的吸引，大部分的電子會集中在陰極表面上凸起的尖端部分306。由于陰極凸起部分表面的空乏層較薄307，而且聚集在凸起尖端的電子又造成區(qū)域性電場集中308吸引陽離子，因此在陽離子空乏層形成之后的電鍍，會產(chǎn)生集中在尖端部分、讓電鍍表面愈來愈粗糙、電鍍厚度愈來愈不平均的作用。圖7所示為利用脈沖電源，在陽離子空乏層形成后馬上切斷電子的供應(yīng)，可以避免電子集中尖端等待陽離子電泳到達(dá)的情形。在電源不供電期間等待陽離子擴(kuò)散作用，讓陽離子自然達(dá)到平均分布的平衡，平衡后再做下一波脈沖電鍍。由于脈沖電鍍時，不容易準(zhǔn)確估算陰極表面平均有多少離子，估少時會造成電鍍太慢，估多時會造成電子集中尖端效應(yīng)。目前的方法是采取多估，讓較多的電子流入，然后再利用反向脈沖移出多余的電子，圖8所示為脈波信號加上反向脈波。脈沖電鍍比恒電壓方式電鍍可獲得更平整的電鍍表面，但是由于離子由自然擴(kuò)散到達(dá)陰極表面的速度有限，所以電鍍速率慢。而且電鍍時最佳的狀況是離子平均分布，最多僅能維持原有的平整度，不能鍍出比未電鍍時更平整的電鍍面。最后還有一個缺點(diǎn)是，實(shí)際上脈沖電源切換需要時間，而不是真能瞬間關(guān)閉，圖9所示為切換的實(shí)際波形，310所示開始電鍍會有一斷電壓逐漸上升，這時的電鍍電流不足，電子會選電泳距離最短的位置電析陽離子，仍有可能出現(xiàn)尖端效應(yīng)，所以在應(yīng)用脈沖電鍍法時仍要使用平整劑。
故利用傳統(tǒng)方法實(shí)施電鍍作業(yè)，電子在電場的影響下，在陰極表面的凸出尖端會聚集較多的電子，造成電鍍金屬表面上凸處愈凸，凹處愈凹，陰極表面很難達(dá)到完全平整。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種電鍍方法，其中電場與電流間可以分別獨(dú)立調(diào)整，使得陽離子聚集在陰極表面的速度比電子快；由于電場的作用，陽離子會聚集在最接近電場陰極處，也就是電鍍表面最凹的部分等待電子的到達(dá)后析出，所以本發(fā)明這種方式的電鍍會使電鍍表面凹處析出多而凸處析出少，實(shí)現(xiàn)平整電鍍。
本發(fā)明另一目的在于提供一種實(shí)施本發(fā)明方法的電鍍裝置，使表面粗糙凹凸的陰極受鍍體可達(dá)成平整表面。
按照本發(fā)明的電鍍方法，其電極的布置方式為由一高電壓電源作為陽離子電泳的驅(qū)動電場，但并不供應(yīng)電鍍電流，及由另一低電壓高電流的電源作為電鍍電子流，并位于高電壓電源電極的內(nèi)側(cè)。因此，可由與高電壓電源連接的電泳電極控制陽離子的電泳速度比低電壓高電流所供應(yīng)的電子流快，即聚集了較多的陽離子等待電子，不使電子有時間發(fā)生尖端現(xiàn)象；另一方面，由于作為電鍍體的電析陰極其凹處最接近位在其后方高電壓電源的電場陰極并由其上靜電子的吸引，故陽離子會向電析電極的凹處集結(jié)，并在該凹處得到電子電析成金屬分子。故利用本發(fā)明電析發(fā)生是凹處較凸處更有利，因而凹凸電極表面電鍍結(jié)果自然地趨向平整。


圖1為最早的現(xiàn)有技術(shù)的電鍍裝置構(gòu)造示意圖，用以顯示電池電源、兩電極的布置方式；圖2為圖1陰極表面的粗糙度及陽離子電析反應(yīng)機(jī)構(gòu)的放大示意圖；圖3為在電解液中添加平整劑的現(xiàn)有電鍍裝置，在陰極表面的陽離子電析反應(yīng)機(jī)構(gòu)示意圖；圖4～圖9為常見的以脈沖電源進(jìn)行電鍍作業(yè)的一系列陽離子電極反應(yīng)的中間過程示意圖；圖10為本發(fā)明電場電源、電析電源各電極布置的構(gòu)造圖；圖11為圖10中在電場陰電極與電析陰電極的陽離子電析反應(yīng)機(jī)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
首先，圖10所示為本發(fā)明電泳驅(qū)動電場及電鍍電流所構(gòu)成的電鍍裝置，其中示出兩組電源401，405電極的布置方式。電場電源401用作產(chǎn)生金屬陽離子電泳的驅(qū)動電場的電源，其陽極與金屬離子電泳驅(qū)動電場的陽極402連接，而陰極與電泳驅(qū)動電場的陰極403相連接，兩電極402，403各被覆以絕緣物質(zhì)404。電泳驅(qū)動電場電源僅提供電場以導(dǎo)引陽離子電泳，并不提供電鍍電流，故使用高電壓、低電流的電源，且絕緣物質(zhì)404用來阻止電子進(jìn)出，從而防止陽極402及陰極403表面被電離或電析覆蓋。
電鍍電源405用于產(chǎn)生電鍍電流，其陽極與位在電場陽極402右端面鄰近的金屬離子電離陽極406相接，而其陰極則與位在電場陰極403在端面鄰近的金屬離子電析陰極407相接。電鍍電源405主要控制電子流的流速，故使用低電壓高電流的電源。
按照本發(fā)明，首先將與電場電源及電鍍電源連接的各支電極放置在電鍍槽的電解液內(nèi)。在使電場電源401及電鍍電源405成通路時，則由電場電源401在兩電極402，403間建立起一電泳電場，用以導(dǎo)引電解液408內(nèi)的金屬陽離子。而電鍍電源405用以產(chǎn)生電鍍電流，使電解液408內(nèi)的金屬陽離子在電析陰極407上獲得電子成為金屬分子而電析在該陰極407上完成電鍍作業(yè)。
圖11表示本發(fā)明因電泳驅(qū)動電場的陰極403的存在，而使金屬陽離子在電鍍電源405的電析陰極407上平坦化，并等待電鍍陰極407的電析反應(yīng)的機(jī)構(gòu)。利用本發(fā)明，由于分別以高壓電場電源401控制陽離子的較高電泳速度，另以低壓電源405控制電析率，故在電析陰極407的表面由于電泳速度快而電鍍速率慢，聚集了較多的金屬陽離子等待電子。當(dāng)電析陰極407表面有不平整的凸起409時，陽離子由于受到電析陰極407后方電場陰極403上靜電子的吸引，會向電析陰極407的凹處40 1擠，以期望能最接近電場陰極403，并在該處等待電析陰極407上有新的電子411到來，以便結(jié)合電析出。由于本發(fā)明的電鍍量在電析陰極407上的電析是凹處比凸出處更多，所以電鍍結(jié)果會自然的趨向平整，達(dá)到平整電鍍表面的目的。
本發(fā)明的重點(diǎn)在于讓電泳驅(qū)動電場與電鍍電流供應(yīng)兩項控制因素可以獨(dú)立調(diào)整，電極個數(shù)可以是四個，也可以將兩個陽極合并而成為三個電極的方式，電路設(shè)計也可以將單一電源經(jīng)由電路控制產(chǎn)生電流與電場可分別控制的結(jié)果。在本發(fā)明中分成電泳驅(qū)動電場及電析電流電源是為了便于理解，而不應(yīng)限定本發(fā)明必有兩電源，但無論如何變化，若其目標(biāo)在于使得離子在電析陰極表面的凹處等待電子結(jié)合析出，均屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種電場電子流解偶電鍍控制方法，其包括在電解液內(nèi)產(chǎn)生電泳驅(qū)動電場；在電解液內(nèi)設(shè)置一對與電鍍電源連接的電離陽極及電析陰極，使得由電離陽極電離的正金屬離子由電泳驅(qū)動電場控制，可向電析陰極做電泳運(yùn)動，并在電析陰極凹處最先發(fā)生電析。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中電泳驅(qū)動電場包括一電泳驅(qū)動陽極及一陰極，與一高電壓電場電源連接且間隔地安置在電解液內(nèi)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中電離陽極及電析陰極設(shè)在電泳驅(qū)動陽極及陰極間且各與所對應(yīng)的電泳驅(qū)動陽極及陰極相鄰接。
4.一種電場電子流解偶電鍍裝置，其包括一組高電壓電泳驅(qū)動電場直流電源及一組低電壓電鍍直流電源，其中電泳驅(qū)動電場直流電源的陽極及陰極各與在電解液內(nèi)間隔開的電泳驅(qū)動陽極及陰極連接，而電鍍電源的陽極與浸在電解液內(nèi)的金屬離子電離陽極相接，陰極則與電析陰極相接，并使金屬離子電離陽極及電析陰極在電解液內(nèi)兩相隔的電泳驅(qū)動電場的陽極與陰極間相對而設(shè)置。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中與電泳驅(qū)動電場電源連接的陽極及陰極各被覆以絕緣物質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及電場電子流解偶電鍍裝置及其控制方法。本發(fā)明是關(guān)于一種由兩電源獨(dú)立控制的電鍍控制方法，其中用高電壓電源用作控制金屬陽離子的電泳速度，而以另一低電壓電源用作控制電鍍速率，使得在電解液中強(qiáng)電場的金屬陽離子較快到達(dá)與低電壓電源的陰極相連接的不均勻的電析陰極并聚集在其上凹處等待電子，且在凹處最先發(fā)生電析，產(chǎn)生平整電鍍。本發(fā)明還涉及實(shí)施本方法的裝置，以提高電鍍質(zhì)量。
文檔編號C25D5/00GK1450207SQ0210621
公開日2003年10月22日 申請日期2002年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月5日
發(fā)明者江士標(biāo), 李棟梁, 楊啟明, 張新民, 黃全富 申請人:視動自動化科技股份有限公司