Способ получения никеля шарообразной формы и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к получению шаров никеля электролизом. Такой никель используют в качестве анода при никелировании металлических изделий. Никель правильной шарообразной формы получают путем осаждения из электролита на подложки катодной основы, с изменением плотности катодного тока во время периода осаждения. При этом используют катодную основу, покрытую диэлектриком, на которой закреплены электропроводные подложки, имеющие форму вогнутого сферического сегмента с длиной дуги, проходящей через нижнюю точку (1,66-2,10)R, где R - радиус получаемого шара. Изобретение позволяет получать шары разного диаметра с использованием одной катодной основы, так как подложки закреплены на основе с возможностью съема и замены на другие. Это позволяет также увеличить срок службы катодной основы. При получении шаров диаметром более 3 см для надежности удержания их на катодной основе во время процесса осаждения по внутренней поверхности подложек от нижней точки по образующей выполнены спиральные углубления 1,0-1,2 мм с отношением глубины к ширине 0,3-0,5. В варианте изобретения катодная основа может быть выполнена в виде металлической сетки, в узлах которой закреплены подложки. 3 з.п.ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Изобретение относится к получению электролитного никеля в виде "кругляшек", дисков и т.д. электролизом. Никель такой формы применяется в качестве анодов при никелировании металлических изделий.

Известны процессы получения никеля округлой формы путем осаждения на долговечные катодные основы при пропускании тока через электролит, содержащий сульфат никеля, хлорид никеля и борную кислоту. Плотность катодного тока поддерживают на уровне 4,86-6,48 А/дм^@. Используемые при этом катодные основы представляют собой плоские пластины из металла, покрытые слоем диэлектрика, в которых выделены участки (подложки) металла круглой формы, расположенные в определенном порядке.

Получение шарообразного никеля диаметром 2,54-5 см связано с решением двух основных задач. С одной стороны, необходимо создать хорошее сцепление осадка с поверхностью основы, а с другой стороны обеспечить легкое его удаление после завершения осаждения. Такого сцепления достигают либо обработкой подложек абразивами для придания определенной степени шероховатости их поверхностям, либо созданием в поверхности металлической основы углублений, примыкающих к поверхностям электропроводных подложек.

Известны способ получения осадка никеля только шарообразной формы с плоским основанием, соответствующим размерам исходной подложки. Кроме того, впоследствии при снятии осажденного металла с катодной основы материал диэлектрика может повреждаться, особенно на границе с подложкой. В результате катод периодически выходит из строя.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является процесс осаждения шарообразного никеля из электролита, содержащего сульфат никеля, хлорид никеля и борную кислоту, с использованием долговечного катодного блока (см.источник). В течение времени, составляющего половину всего временного цикла осаждения, первоначальную плотность катодного тока увеличивают примерно в три раза, после чего остальную часть времени ее поддерживают постоянной.

Катодный блок состоит из двух прочно соединенных частей: жесткой плиты из непроводящего материала и расположенной внутри нее проводящей металлической основы. На этой основе в определенных местах закреплены металлические стержни, которые образуют сеть круглых электропроводных подложек, расположенных вровень с поверхностью плиты или возвышающихся над ней. Площадь каждой подложки составляет 0,13-1,3 см² Металлическая основа представляет собой пластину или ряды параллельных металлических проводников, которые удерживаются поперечной балкой.

Такой катодный блок является более прочным и устойчивым к механическим воздействиям, приводящим к его повреждению во время операции снятия металлического осадка, и характеризуется длительным сроком службы. В ходе процесса осаждения на катоде удается получить металлический продукт, имеющий общую площадь поверхности по крайней мере в три раза превышающую площадь исходной подложки.

Однако данный процесс не позволяет получать продукт правильной шарообразной формы, а только сфероидальной или эллипсоидной формы с плоским основанием.

Недостатком процесса является также то, что иногда при проведении операции снятия металлического осадка возникают повреждения подложек, замена которых при данной конструкции катода очень сложна. Обычно в результате множественных повреждений подложек приходится менять весь катодный блок.

Целью изобретения является получение электролитного никеля правильной шарообразной формы (в виде шаров).

Известно, что при использовании в процессе никелирования металлических деталей в качестве анодов электролитного никеля в форме шаров, которые загружают в титановые корзины, обеспечивается как равномерное их растворение, так и уменьшение энергетических потерь, связанных с дополнительным нагревом в местах контакта анодов друг с другом.

Учитывая, что плотность упаковки шаров одного диаметра независимо от его величины составляет всего 48-49% объема, целесообразно загружать в корзины шары разного диаметра, что позволяет увеличить плотность упаковки до 60-70% Это удлиняет время работы электролиза без дозагрузки титановых корзин никелем.

Целью изобретения является также получение шаров разного диаметра с использованием одной катодной основы и увеличение срока службы основы. При этом обеспечиваются надежность сцепления осаждаемого металла с поверхностью подложки и легкость его удаления после завершения процесса осаждения не хуже, чем в известных аналогах.

Получение шаров никеля обеспечивается тем, что в способе получения никеля шарообразной формы путем осаждения на подложки катодной основы из электролита, содержащего сульфат никеля, хлорид никеля и борную кислоту, включающем изменение плотности катодного тока во время периода осаждения t первоначально устанавливают плотность катодного тока, равную 1,8 А/дм², которую затем изменяют следующим образом: от 0 до 1/3 t увеличивают на 0,05 (А/дм²)/ч; от 1/3 t 1/2 t поддерживают постоянной; от 1/2 t до 2/3 t увеличивают на 0,08 (А/дм²)/ч; от 2/3 t до 5/6 t поддерживают постоянной; от 5/6 t до t уменьшают на 0,33 (А/дм²)/ч. Получение никеля в виде шаров разного диаметра достигается тем, что в устройстве, представляющем собой катодную основу из инертного к электролиту металла, покрытую слоем диэлектрика, с выделением закрепленных на этой основе электропроводных подложек для осаждения никеля, подложки выполнены съемными и имеют форму вогнутого сферического сегмента с длиной дуги, проходящей через нижнюю точку, (1,66-2,10)R, где R радиус получаемого шара. В варианте устройства металлическая основа может быть выполнена в виде сетки, в узлах которой закреплены подложки. На внутренней поверхности подложек от нижней точки по образующей может быть выполнено спиральное углубление величиной 1,0-1,2 мм с отношением глубины к ширине 0,3-0,5. Сущность изобретения заключается в следующем. При осаждении металла на поверхность подложки образуются дендриты, размер и направление роста которых определяют форму и плотность осаждаемого продукта. Получение осадка в виде шара связано с постоянным изменением площади его поверхности. В начале процесса, когда идет зарождение шарообразной поверхности, необходимо обеспечить рост дендритов малых размеров и таких направлений, которые позволяют сформировать нижнюю часть шара при высокой плотности осажденного металла. Этого достигают тем, что вначале устанавливают малую плотность катодного тока 1,8 А/дм², которую в течение 1/3 t по мере роста поверхности шара увеличивают на 0,05 (А/дм²)/ч. Затем проводят сглаживание поверхностных неровностей, образованных неравномерно выступающими дендритами, поддерживая плотность катодного тока постоянной от 1/3 t до 1/2 t.

Для формирования верхней части шара сначала усиливают рост дендритов путем увеличения плотности катодного тока на 0,08 (А/дм²)/ч от 1/2 t до 2/3 t, после чего поверхность осадка сглаживают, поддерживая плотность катодного тока постоянной (2/3 t 5/6 t).

В течение последней шестой части периода осаждения получают скругленную верхушку шара. Достигают этого уменьшением плотности катодного тока на 0,33 (А/дм²)/ч.

Таким образом, предложенные режимы изменения плотности катодного тока обеспечивают получение никеля наиболее правильной шарообразной формы при хорошем его качестве и достаточной производительности электролизной ванны.

Первоначально устанавливаемая плотность катодного тока менее 1,8 А/дм² снизит производительность электролизной ванны. Превышение указанных изменений плотности катодного тока на различных этапах периода осаждения приводит к возрастанию скорости роста дендритов в разных направлениях, и, следовательно, к искажению формы шара.

Осаждение металла проводят в подложки катодной основы, выполненные в виде сферических сегментов с длинами дуг, равными (1,66-2,10)R, где R радиус получаемого шара. В этом случае при предлагаемых режимах изменения плотности катодного тока осаждение металла в течение первой 1/2 t происходит непосредственно в подложки. За это время формируется нижняя часть шара, которой подложки помогают придать правильную форму заданного диаметра.

Получение никеля в виде шаров определенной плотности в подложках с предлагаемыми параметрами позволяет надежно удерживать шары на катодной основе во время процесса осаждения и легко удалять их по его завершению.

При длине дуг подложек менее 1,66 R они заполняются осадком быстрее, чем заканчивается формирование нижней части шара. Рост дендритов, не ограниченный поверхностью подложек, приводит к искажению шарообразной формы.

При длине дуг подложек более 2,10 R затруднено удаление из них полученных шаров после окончания процесса осаждения.

Разъемное соединение подложек с катодной основой позволяет легко заменять их на новые при необходимости получения шаров металла другого диаметра или в случае их повреждения, что увеличивает срок службы катодной основы.

При выращивании шаров никеля диаметром более 3,0 см для надежного сцепления их с поверхностью подложки по внутренней ее поверхности от нижней точки по образующей выполнено спиральное углубление 1,0-1,2 мм с отношением глубины к ширине 0,3-0,5. Нижние пределы связаны с обеспечением надежности удержания шаров на катодной основе во время процесса осаждения, верхние с легкостью их удаления после завершения процесса.

На фиг. 1 представлено устройство для получения никеля в виде шаров, общий вид, катодная основа выполнена в виде листа; на фиг. 2 устройство, общий вид, катодная основа выполнена в виде сетки; на фиг. 3 электрические режимы процесса.

Устройство представляет собой катодную металлическую основу 1, на которой закреплены съемные металлические подложки 2, имеющие форму вогнутого сферического сегмента. Поверхность основы и внешняя поверхность подложек покрыта слоем диэлектрика 3.

Предлагаемые способ и устройство были использованы при производстве шаров электролитного никеля диаметром 2,5 см. Катодная основа 1 представляла собой титановую пластину размерами 1100·1000·6 мм, на поверхности которой (1000·1000 мм) с обеих сторон в шахматном порядке закреплялись титановые подложки 2 с длиной дуги рабочей поверхности 2,5 см. Подложки на основе закреплялись с помощью резьбового соединения. К верхней части основы при помощи болтового соединения крепились две медные токопроводящие шины 4. Диэлектрическое покрытие пластизоль 3 наносили на поверхность катодной основы 1 и внешнюю (нерабочую) поверхность подложек. Толщина диэлектрического покрытия составляла 0,5-1 мм.

Устройство опускали в электролизную ванну на глубину 1000 мм, закрепляя его на катодной штанге при помощи токопроводящих шин. Анодом служили отходы никеля марки Н1.

В качестве электролита использовали раствор, содержащий, г/л: NiS0₄· Н₂0 250; NiCI₂· 7 Н₂0 71; Н₃ВО₃ 18.

Температура раствора составляла 51^oС, рН 4,5. Общее время (период) осаждения 6 сут.

Процесс осаждения начинали при плотности катодного тока I 1,8 А/дм² В течение первых двух суток I увеличивали на 0,05 А/дм² в 1 ч, и при достижении I 4,2 А/дм² ее поддерживали постоянной в течение суток. За это время происходило равномерное и полное заполнение подложек металлом. В течение следующих трех суток проведения процесса осаждения плотность тока каждые сутки регулировали следующим образом. Сначала увеличивали на 0,08 А/дм² в 1 ч, затем при достижении I 8,0 А/дм² ее поддерживали постоянной, а в течение последних суток плотность катодного тока уменьшали на 0,33 А/дм² в 1 ч.

После окончания процесса осаждения устройство вынимали из ванны и удаляли осадок из подложек. Для удаления осадка использовали вибрационный грохот.

В результате проведенного процесса были получены шары никеля диаметром 2,5 см с гладкой поверхностью, плотностью 8,9 г/см² общей массой 23,1 кг.

Получение шаров никеля других диаметров проводили на той же катодной основе аналогично, но с изменением количества и параметров подложек. При осаждении шаров никеля диаметром 3 см и более использовали подложки со спиральными углублениями на их внутренних поверхностях (например, глубиной 1,о мм и шириной 3,3 мм). Результаты осаждения шаров разных диаметров при предлагаемых электрических режимах представлены в таблице (для катодной основы с общей рабочей поверхностью 2 х (1000 х х 1000) мм и t 6 сут). Средняя масса полученных шаров составляла 23,1-23,2 кг. Способ и устройство были использованы при производстве шаров S-электролитного никеля. С этой целью в электролит указанного выше химического состава добавляли г/л: сахарин 1,-1,2; 1,4-бутиндиол 0,4-0,5; пиридин 0,5-0,8.

Температуру электролита поддерживали на уровне 40 45^o С, рН 4,5. Содержание серы в полученном осадке составляло 0,1 0,2 мас.

Таким образом, изобретение позволяет получать никель, в том числе содержащий серу, в виде шаров. Крепление подложек к катодной основе с возможностью съема позволяет получать шары разного диаметра с использованием одной катодной основы и увеличить срок ее службы.

С целью экономии металла катодная основа может быть выполнена в виде сетки.

Надежность сцепления осажденного металла с поверхностью подложки во время процесса и легкость его удаления по окончании процесса обеспечиваются не хуже, чем в известных аналогах.

Формула изобретения

1. Способ получения никеля шарообразной формы, включающий его осаждение на подложки катодной основы из электролита, содержащего сульфат никеля, хлорид никеля и борную кислоту, при изменении плотности катодного тока во время периода осаждения, отличающийся тем, что в начале периода осаждения устанавливают плотность катодного тока, равную 1,8 А/дм², после чего плотность тока до 1/3 периода увеличивают на 0,05 А/дм²·ч, затем в течение 1/3-1/2 периода ее поддерживают постоянной и увеличивают на 0,08 А/дм²·ч течение 1/2-2/3 периода, после чего в течение 2/3-5/6 периода плотность тока поддерживают постоянной и уменьшают на 0,33 А/дм²·ч до конца периода осаждения.

2. Устройство для получения никеля шарообразной формы, содержащее катодную основу из инертного к электролиту металла, покрытую слоем диэлектрика и закрепленные на этой основе электропроводные подложки для осаждения никеля, отличающееся тем, что подложки выполнены съемными и имеют форму вогнутого сферического сегмента с длиной дуги, проходящей через нижнюю точку, (1,66-2,10)R, где R радиус получаемого шара.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что катодная основа выполнена в виде металлической сетки, в узлах которой закреплены подложки.

4. Устройство по пп. 2 и 3, отличающееся тем, что на внутренней поверхности подложек от нижней точки по образующей выпонено спиральное углубление величиной 1,0-1,2 мм с отношением глубины к ширине 0,3 0,5.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4