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JP2003524077A - 電極の製造方法および電極 - Google Patents

電極の製造方法および電極

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JP2003524077A
JP2003524077A JP2001561817A JP2001561817A JP2003524077A JP 2003524077 A JP2003524077 A JP 2003524077A JP 2001561817 A JP2001561817 A JP 2001561817A JP 2001561817 A JP2001561817 A JP 2001561817A JP 2003524077 A JP2003524077 A JP 2003524077A
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JP
Japan
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electrode
plate element
suspension rod
copper
intermediate layer
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Withdrawn
Application number
JP2001561817A
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English (en)
Inventor
ベイッコ ポルビ、
ペッカ タスキネン、
トゥイヤ スオルッティ、
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Outokumpu Oyj
Original Assignee
Outokumpu Oyj
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Publication date
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • C25C7/02—Electrodes; Connections thereof

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
  • Electrolytic Production Of Metals (AREA)
  • Ceramic Capacitors (AREA)

Abstract

(57)【要約】 金属の電気分解に使用される電極の製造方法。この方法では、および電極プレート素子(2)を懸架棒(1)に取り付け、これは電力導体としても機能する。プレート素子(2)は懸架棒(1)に拡散接合によって取り付けられる。本発明は電極にも関する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は請求項１の前段に記載の電極の製造方法に関する。本発明はまた、請
求項10に記載の電極にも関する。
【０００２】 金属の電気分解では、長らく、マザープレートの上部に最初、別々に成長した
種プレートを使用する方法を適用することが知られていた。電気分解で沈殿させ
る金属と同じ金属からなる電極、とくに陰極にこのような種プレートを使用する
ことは、徐々に、とくに新規投資に関して、なくなってきている。多くの新たな
電気分解プラントは、一般に耐酸鋼またはチタンのいずれかからなるプレート状
素子を有する永久陰極を使用するようになってきた。
【０００３】 永久陰極は多くの様々な方法で製造され、主たる相違点は、懸架棒の構造とプ
レート素子の懸架棒への固定であった。懸架棒は電力導体としても機能するので
、電力損失が最低になるように製造しなければならない。
【０００４】 従来技術では、陰極懸架棒の製造において銅と他の金属との接合を実現するに
は、いくつかの異なった方法が知られている。懸架棒構造およびプレート素子の
懸架棒への接合で問題となる点は、高電力をプレート素子へ供給するためには、
懸架棒が銅などの高導電性材料を十分な量、含んでいなければならない。これは
、プレート素子で典型的に使用される耐酸鋼は導電度が低く、したがって懸架棒
の単独材料としては問題外であるからである。市場では、全銅製懸架棒が知られ
、これに特殊合金のワイヤ電極を用いて耐酸鋼からなるプレート素子を溶接する
。この構成の欠点のひとつは、必要な特殊鋼溶接が陰極の他の部分と同程度の腐
食耐性を有さないことである。他の欠点は、銅製懸架棒の柔らかさのために、と
くに陰極重量が多い場合、この懸架棒が変形しやすいことである。従来技術のさ
らに他の欠点は、別の懸架ラグ（これは永久陰極の最新の材料処理が必要である
が）を懸架棒の上に十分確実に取り付けることが困難なことである。
【０００５】 本発明の目的は、公知の装置の欠点を避けることができる、電極、とくに陰極
の製造方法を実現することである。本発明の目的は、導体レールとして機能する
銅棒と精錬鋼からなる陰極プレート素子とを互いに接合して、良好な、また陰極
プレートとこれに電解される材料とで生ずる負荷を支持するほど十分に強固でも
ある電気的接触を達成する方法を実現することである。本発明の目的は、厳しい
腐食条件下でさえも良好に維持される導電特性を備えた接合を達成することにあ
る。
【０００６】 本発明は添付の請求の範囲に明記した事項を特徴とする。
【０００７】 本発明による方法はいくつかの顕著な利点を有する。本方法によれば、電力が
導電レールから陰極プレートへ確実に均一に分配される。溶接によって行なわれ
る作業工程は、陰極プレートの製造には最早必要でない。本接合方法は、溶接方
法に比べて容易に自動化される。ニッケル層を鋼表面に敷設することによって、
オーステナイト質のステンレス鋼から銅の方へ生ずる、これまで鋼を脆くしてい
たニッケルの損失を防ぐことができる。接合の生成は、ハンダ剤層を銅表面およ
びニッケルめっきした鋼プレートの接合表面に敷設することによって活性化され
る。活性化剤によって、低い接合温度を使用でき、その結果、接合領域で生ずる
熱応力が低下する。用いた懸架棒が本発明の好適な実施例によるプロファイル棒
であれば、十分な剛性を有する経済的で耐性のある構体が得られる。
【０００８】 本出願において、用語「銅」とは、銅で作られた物体の他に、実質的に銅を少な
くとも50%含有する銅含有合金材料のことも言う。本出願において用語「ステンレ
ス鋼」とは、主としてステンレス鋼および耐酸鋼などのオーステナイト質の合金
鋼のことを言う。
【０００９】 次に、添付図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１０】 本発明は、金属の電気分解に使用される電極の製造方法に関するものであり、
本方法では、電極プレート素子２を懸架棒１に取り付け、懸架棒は電力導体とし
ても機能する。本発明によれば、プレート素子２は、拡散接合によって懸架棒１
に敷設される。典型的には、プレート素子２の上部を、少なくともその実質的な
長さに沿って懸架棒に敷設する。図１、図２および図３は、加熱工程前の接合方
法の異なった実施例を単純化して示す図である。接合の形成に先立って、プレー
ト素子２および懸架棒１の接合表面の間に、少なくとも１つの中間層３、４、５
を設ける。互いに接合するプレート素子２および懸架棒１の接合表面の間には、
プレート素子２の接合表面に接して、またはこの面に対して第１の中間層３を配
設し、また懸架棒１の接合表面に接して、またはこの面に対して第２の中間層４
を配設し、それぞれの層を含む接合面を互いに押圧するとともに、本方法では、
接合領域を加熱する。用いる懸架棒１は、標準的には銅棒、または実質的に銅か
らなる銅合金である。用いる電極プレート素子２は、精錬鋼、好ましくはオース
テナイト質のCr/Ni鋼である。第１の中間層３は、主としてニッケル(Ni)もしく
はクロム(Cr)、またはそれらの合金もしくは混合体を含む。第２の中間層４は、
互いに接合すべき物体より低い溶融温度を有する活性化剤からなる。第２の中間
層４は、主として銀(Ag)および／もしくはスズ(Sn)、または合金もしくは混合体
としての銀および銅(Ag+Cu)、アルミニウムおよび銅(Al+Cu)、もしくはスズおよ
び銅(Sn+Cu)を含む。
【００１１】 図１は、熱処理前の本発明による接合方法の実施例を断面で示す。実質的に銅
からなる懸架棒１とステンレス鋼からなるプレート素子２とをそれによって互い
に接合する。これら２つの物体の間の接合部には、中間層が配設されている。鋼
に対して配された中間層３は、主としてニッケル(Ni)を含有する。また、接合す
る際、いわゆる活性化剤層４を用いるのが有利であるが、これは、本実施例の場
合、スズ(Sn)である。スズは活性化剤として働いて、温度を降下させることにな
るが、これは接合部の生成に必要である。
【００１２】 中間層３は、別の処理によってプレート素子２の表面上に形成することができ
る。ニッケルを中間層３として用いる場合、上記層を、例えば電気分解によって
生成することができる。典型的にはニッケルめっきを行なって、ステンレス鋼表
面に設けた不活性化層がステンレス鋼とニッケルとの間の接合面における材料転
移の障害にならないようにする。中間層３はフォイルの形で敷設することもでき
る。
【００１３】 互いに接合する物体１、２の接合面には、一方ではニッケル拡散の結果として
、また他方では銅成分および鋼成分の拡散の結果として拡散接合６(図５)が生ず
る。拡散接合の生成と、その中に作られる構造部分は、適用された製造条件およ
び所望の接合に必要な極薄のハンダ剤層によって、またはニッケルめっき鋼プレ
ートと銅との間の接合面に配されたいくつかのハンダ剤層の組合せによって活性
化される。
【００１４】 使用ハンダ剤および拡散活性剤は、銀銅合金、および純粋形もしくは特定のサ
ンドイッチ構造のスズである。機械的に強い接合は、700〜850oCの温度範囲内で
得られる。熱処理時間の選択を行なって、最終接合部における脆い金属間化合物
相の生成を回避することができる。ハンダ剤の厚さ、ならびに熱処理温度および
時間を選択して、ニッケル含有量の高い合金をその表面に設ける結果、鋼からの
ニッケルの損失が防止される。低い接合温度の利点は、接合領域に発生する熱応
力が最小になることである。
【００１５】 図２は、加熱処理前の本発明による接合方法の他の実施例を示す。実質的に銅
からなる懸架棒１とステンレス鋼からなるプレート素子２とをそれによって互い
に接合する。これら２つの物体の間の接合部には、中間層３、４、５が配設され
ている。鋼に対して配された中間層３は、主としてニッケル(Ni)を含有する。ま
た、接合する際、いわゆる活性化剤層４を用いるのが有利であるが、これは、本
実施例の場合、スズ(Sn)である。スズは活性化剤として働いて、温度を降下させ
ることになるが、これは接合部の生成に必要である。このスズ層に加えて、接合
部は、スズ層４とニッケル３との間に設けられた他のハンダ剤からなる第３の中
間層５を含む。好適な実施例では、この層は有利にはフォイルの形のAg+Cuハン
ダ剤からなる。好適な実施例によれば、第２のハンダ剤層は71%のAgと29%のCuを
、好ましくは共晶構造として含んでいる。有利には、このハンダ剤は、ある合金
組成の銅との共晶構造を有する。接合領域は１段階で加熱される。本発明による
方法の好適な実施例によれば、第２の中間層４は第３の中間層５の表面に接触さ
せる。典型的には、中間層３、４、５のうちの少なくとも１つは、フォイルの形
で接合領域に配するが、必須ではない。中間層４、５の使用ハンダ剤および拡散
活性剤は、銀銅合金、および純粋形もしくは特定のサンドイッチ構造のスズにす
ることができる。機械的に強い接合は、600〜850oCの温度範囲内で得られる。熱
処理時間の選択を行なって、最終接合部における脆い金属間化合物相の生成を回
避することができる。ハンダ剤の厚さ、ならびに熱処理温度および時間を選択し
て、ニッケル含有量の高い合金をその表面に設ける結果、鋼からのニッケルの損
失が防止される。低い接合温度の利点は、接合領域に発生する熱応力が最小にな
ることである。
【００１６】 図３は、懸架棒およびプレート素子を加熱する前の本発明による方法のさらに
他の実施例を示す。第３の中間層５の両面に接して、もしくはこれらの面に対し
て第２の中間層４を設けている。この実施例では、代表的にサンドイッチフォイ
ルを用いることができるが、その場合、フォイルの片面もしくは両面を例えばス
ズで処理する。
【００１７】 本方法に用いる中間層の厚さはさまざまである。第１の中間層３として用いる
Ni層の厚さは代表的には2〜50μmである。電気分解後、フォイルが20〜50μmの
オーダであるので、代表的には2〜10μmになる。第３の中間層５として用いるAg
もしくはAg+Cuフォイルの厚さは、代表的には10〜500μm、好ましくは20〜100μ
mである。第２の中間層４の厚さは、典型的には第３の中間層５の厚さによって
左右され、例えば第３の中間層の厚さの10〜50%である。例えば、5〜10μmのス
ズ層を50μm厚のAg+Cuハンダ剤フォイルの表面に塗工することによって極度に高
質の接合が達成される。このスズ層は、例えばフォイルの形のハンダ剤を溶融ス
ズに侵漬することによって、さらに、必要に応じてその後、フォイルを圧延して
平滑にすることによって形成することができる。 実施例１ 耐酸鋼(AlSl 316)と銅(Cu)を互いに接合した。鋼接合面上には、第１の中間層
として７μmの厚さのニッケル層(Ni)を設けた。拡散活性化およびハンダ剤とし
ては、共晶構造を有しAgを71重量%およびCuを29重量%含むAg+Cuハンダ剤を用い
た。このハンダ剤を50μmの厚さのフォイルの形にし、フォイル表面には5〜10μ
mの厚さのスズ(Sn)層も形成した。互いに接合されるこれらの物体を互いに対し
て配して、フォイルがそれらの接合面の間に残るようにした。これらの物体を押
し合わせ、接合領域をハンダ剤の溶融温度以上の約800oCの温度まで加熱した。
保持時間は約10分であった。本実施例による接合は抜群の成功を見た。得られた
結果は、冶金学的にコンパクトで優れた導電性能を有する接合であった。
【００１８】 本発明は、とくに金属の電気分解プラントに使用される電極にも関する。この
電極は、懸架棒２、およびこの懸架棒に取り付けられたプレート素子１を含む。
本発明による電極は、プレート素子１が拡散接合６(図５)によって懸架棒２に取
り付けられることを特徴とする。有利には、プレート素子１は、実質的にその全
長に沿って懸架棒２に取り付けられる。
【００１９】 プレート素子２に対向する懸架棒１の面は、少なくとも主として銅または銅合
金からなる。典型的には、プレート素子２は、精錬鋼、とくに耐酸鋼からなる。
本発明の電極の好ましい実施例によれば、懸架棒１は溝等を含み、これにプレー
ト素子２の対応部分が係合するように配設される。
【００２０】 好適な実施例によれば、本発明による電極は永久陰極である。これらは典型的
には、たとえば銅の電気分解に使用される。
【００２１】 本発明による電極では、輸送中に使用される懸架要素８が容易に設けられる。
この懸架要素８は、プレート素子の懸架棒の高さより上まで伸びる要素９に、た
とえばネジまたはリベットなどの緊締手段によって取り付けることができる。こ
の懸架手段は、プレート素子２の懸架棒より上まで伸びる要素９に形成すること
もできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 加熱段階前の本発明による接合部の構造を示す図である。
【図２】 加熱段階前の本発明による他の接合部の構造を示す図である。
【図３】 加熱段階前の本発明による第３の接合部の構造を示す図である。
【図４】 本発明による電極を示す図である。
【図５】 本発明による電極の詳細を図１の線V-Vに沿って示す断面図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年３月１１日（２００２．３．１１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ２３Ｋ 103:12 Ｂ２３Ｋ 103:12 (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＥＡ(ＡＭ ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ， ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ， ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 スオルッティ、 トゥイヤ フィンランド共和国 エフアイエヌ− 28200 ポリ、 タンミハランティエ ６ Ｆターム(参考） 4E067 AA02 AA03 AA07 AB01 AB03 AB04 AB05 AB06 AD03 AD09 BA05 DA17 DC06 EA03 EA04 EB00 EC03 4K058 AA14 EB02 EB14 EB18 FA08

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電極のプレート素子(2)を懸架棒(1)に取り付け、該懸架棒は
    電力導体としても機能する、金属の電気分解に使用される電極の製造方法におい
    て、前記プレート素子(2)を前記懸架棒(1)に拡散接合によって取り付けることを
    特徴とする電極の製造方法。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法において、前記プレート素子(2)を前
    記懸架棒(1)の上部に、少なくともその実質的な長さに沿って取り付けることを
    特徴とする方法。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の方法において、該方法は、接合に
    先立って、前記プレート素子(2)の接合表面と前記懸架棒(1)の接合表面との間に
    、少なくとも１つの中間層(3、4、5)を配設することを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、前記用
    いる懸架棒(1)は銅もしくは主として銅からなる銅合金からなることを特徴とす
    る方法。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の方法において、前記電
    極の前記用いるプレート素子(2)は精錬鋼からなることを特徴とする方法。
  6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、該方法
    は、互いに接合すべき前記プレート素子の表面層と前記懸架棒の接合表面との間
    に、該プレート素子(2)の接合表面に接して、または該表面に対して第１の中間
    層(3)を配し、前記懸架棒(1)の接合表面に接して、または該表面に対して第２の
    中間層(4)を配し、それぞれの中間層を含む接合表面を互いに押圧し、少なくと
    も接合領域を加熱することを特徴とする方法。
  7. 【請求項７】 請求項１ないし６のいずれかに記載の方法において、第１の
    中間層(3)は主として、ニッケル(Ni)もしくはクロム(Cr)、またはそれらの合金
    もしくは混合体からなることを特徴とする方法。
  8. 【請求項８】 請求項１ないし７のいずれかに記載の方法において、第２の
    中間層(4)は、互いに接合すべき物体の溶融温度より低い溶融温度を有する活性
    化剤からなることを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】 請求項１ないし８のいずれかに記載の方法において、第２の
    中間層(4)は主として、銀(Ag)および／もしくはスズ(Sn)、または合金もしくは
    混合体としての銀および銅(Ag+Cu)、アルミニウムおよび銅(Al+Cu)、もしくはス
    ズおよび銅(Sn+Cu)からなることを特徴とする方法。
  10. 【請求項１０】 懸架棒(1)、および該懸架棒に取り付けられたプレート素
    子(2)を含み、金属の電気分解プラントに使用される電極において、前記プレー
    ト素子(2)は拡散接合によって前記懸架棒(1)に取り付けられることを特徴とする
    電極。
  11. 【請求項１１】 請求項10に記載の電極において、前記プレート素子(2)は
    、該プレート素子(2)の実質的に全長に沿って前記懸架棒(1)に取り付けられてい
    ることを特徴とする電極。
  12. 【請求項１２】 請求項10または11に記載の電極において、前記プレート素
    子(2)に対向する前記懸架棒(1)の表面は、少なくとも主として銅または銅合金か
    らなることを特徴とする電極。
  13. 【請求項１３】 請求項10ないし12のいずれかに記載の電極において、前記
    プレート素子(2)は精錬鋼、とくに耐酸鋼からなることを特徴とする電極。
  14. 【請求項１４】 請求項10ないし13のいずれかに記載の電極において、前記
    懸架棒(1)は溝(6)または同等物を備え、これに前記プレート素子の対応部分が係
    合するように配設されていることを特徴とする電極。
  15. 【請求項１５】 請求項10ないし13のいずれかに記載の電極において、前記
    懸架棒(1)は前記プレート素子(2)の両側に取り付けられていることを特徴とする
    電極。
  16. 【請求項１６】 請求項10ないし15のいずれかに記載の電極において、該電
    極は永久陰極であることを特徴とする電極。
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