(57)【要約】  本発明は、金属の電解採取において電極として使用される永久陰極（１）に関する。永久陰極は、少なくとも部分的に鋼からなる永久陰極板（４）を含み、これは、その表面（６）に金属を電解液から電気化学的に被着させる能力を提供する。その場合、永久陰極板（４）の表面（６）における粒界（７）の寸法は、表面における被着金属の固着と、少なくともその表面の電解液に接する部分からの金属の剥離とに適するように構成されている。本発明は、永久陰極の表面の処理方法にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも部分的に鋼からなる永久陰極板（４）を含み、該永久陰極板は、その表面（６、6a、6b）に金属を電解液から電気化学的に被着させる能力を提供し、金属の電解採取において電極として使用される永久陰極（１）において、前記永久陰極板（４）の表面（６）における粒界（７）の粒径、幅および深さなどの寸法は、該表面における被着金属の固着と、少なくとも該表面（６、6a）の前記電解液に接する部分からの金属の剥離とに適するように構成されていることを特徴とする永久陰極。
【請求項２】
請求項１に記載の永久陰極において、リニアインタセプト法で測定した前記永久陰極板（４）における粒子（８）の粒径は、１〜40マイクロメートルであることを特徴とする永久陰極。
【請求項３】
請求項１または２に記載の永久陰極において、前記永久陰極板の平均粒界幅Ｗは１〜３マイクロメートルであることを特徴とする永久陰極。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載の永久陰極において、前記永久陰極板の平均粒界深さｄは１マイクロメートル未満であることを特徴とする永久陰極。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の永久陰極において、前記永久陰極板（４）は、強い固着性の表面領域（6a）および弱い固着性の表面領域（6b）を含み、両固着性は、前記表面領域（6a、6b）における前記粒界（７）の寸法に依存することを特徴とする永久陰極。
【請求項６】
請求項５に記載の永久陰極において、前記弱い固着性の表面領域（6b）は、前記表面の前記電解液と接する部分を形成し、該表面領域（6b）は、被着金属（11）の剥離の開始を企図する位置にあることを特徴とする永久陰極。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の永久陰極において、前記永久陰極板（４）は、少なくとも部分的にフェライト鋼であることを特徴とする永久陰極。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載の永久陰極において、前記永久陰極板（４）は、少なくとも部分的にオーステナイト鋼であることを特徴とする永久陰極。
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれかに記載の永久陰極において、前記永久陰極板（４）は、少なくとも部分的に二相鋼であることを特徴とする永久陰極。
【請求項１０】
電解液を収容する電解槽（３）を含み、該槽には陽極（２）および永久陰極（１）が交互に配置され、該永久陰極は前記槽に支持要素（５）によって支持された金属の電解採取用装置（９）において、該装置は、請求項１ないし９のいずれかに記載の永久陰極（１）を含むことを特徴とする金属の電解採取用装置。
【請求項１１】
永久陰極板（４）が少なくとも部分的に鋼板で形成された永久陰極板（４）の表面（６）の処理方法において、該方法は、前記永久陰極板表面（６）の少なくとも該表面（6、6a、6b）の電解液に接する部分における粒界（７）を化学的または電気化学的に処理して、前記表面における被着金属の固着および該表面からの金属の剥離について所望の表面特性を得ることを特徴とする表面の処理方法。
【請求項１２】
請求項11に記載の方法において、前記永久陰極板（４）の表面（６）は、該表面について所望の分離力が得られるまで処理することを特徴とする処理方法。
【請求項１３】
請求項11または12に記載の方法において、前記永久陰極板の表面はエッチングによって処理することを特徴とする処理方法。
【請求項１４】
請求項11、12または13に記載の方法において、前記永久陰極板表面の前記電解液に接する異なった領域（6a、6b）に異なった処理を施して、強い固着力の領域（6a）および弱い固着力の領域（6b）を形成することを特徴とする処理方法。
【請求項１５】
請求項14に記載の方法において、前記弱い固着力の領域（6b）は、前記陰極板表面の被着金属（11）の剥離の開始を企図した部分に形成することを特徴とする処理方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の分野】
【０００１】
本発明は、金属の電解回収および電解採取に使用される独立請求項に記載の永久陰極に関するものである。さらに本発明は、永久陰極板の表面処理方法に関するものである。
【発明の背景】
【０００２】
銅などの純粋な金属の生産を意図する場合、電解製錬または電解回収などの湿式冶金法が使用される電解製錬では、純粋でない銅陽極を電気化学的に分解させ、陽極から分解された銅を陰極上に還元させる。電解回収では、銅は電解液から直接還元される。電解液は通常、硫酸銅液である。銅などの金属の陰極表面への被着速度は主に、使用する電流密度に依存する。この工程で使用する陰極は、還元させる金属からなるスタータシート、すなわち、例えば鋼からなる永久陰極でよい。永久陰極の使用に移行することは、電解プラントでは長年にわたって実勢となり、実際上、新しい銅電気分解工程はすべてこの技術に基づいている。永久陰極自体は、陰極板、および電解槽内での陰極懸架用に装着された懸架バーで構成されている。銅は、永久陰極の陰極板から機械的に剥離することができ、永久陰極は再利用できる。永久陰極は、金属の電解製錬にも電解回収にも使用できる。電解液において永久陰極板として使用される鋼種は、腐食耐性が陰極の必要特性を確実に満たすだけでは十分でない。実質的な注意を払うべきは、陰極板表面の固着性である。永久陰極板の表面特性は、被着する金属が電解工程中は表面から自然に剥がれ落ちることなく十分に固着し、例えば被着した金属を剥離機で除去するのを妨げない程度に適切でなければならない。永久陰極板に必要な最重要特性には、腐食耐性、真直度、ならびに被着物の固着性および剥離性についての表面特性がある。
【０００３】
従来技術の方法には、ステンレス鋼から永久陰極板を生産するものがある。ステンレス鋼は、10.5%を超えるクロムおよび1.2%未満の炭素を含有する鉄ベースの合金である。クロムは、鋼表面に不活性膜として公知の薄い酸化膜を形成し、これによって鋼の腐食耐性が実質的に改善される。他の合金元素も使用すれば、不活性膜の特性、したがって腐食耐性を調整することができる。例えば、モリブデンは、塩化物に起因して保護不活性膜に局部損傷を与える孔食に対する不活性膜の耐性を改善する。合金元素も使用して、他の特性、例えば溶接性などの機械特性および生産特性を調整する。
【０００４】
ステンレス鋼は、プロセス産業、化学工業、ならびにパルプおよび製紙業などの良好な腐食耐性が必要な応用分野に広く使用されている。ステンレス鋼は、大量に使用されるが故に、通常、熱間圧延で生産される。この後、鋼表面から圧延スケールを除去する。厳しい厚さ許容差で薄い板を製造する場合は、冷間圧延が使用される。冷間圧延後の工程は、求める表面品質に依る。SFS-EN10088-2基準によれば、例えば、タイプ2Bの表面は、冷間圧延し、熱処理し、酸洗いし、スキンパス圧延するものとしている。そこで2Bでは、材料の生産ルートを規定し、したがって表面特性は非常に一般的なレベルで規定しているにすぎず、その場合、基本パラメータは、表面平滑度および輝度である。
【０００５】
表面粗度は通常、表面の記述に使用される。表面粗度は、無数の様々なやり方で定義できるが、例えば、広く使用されているRa指数は、表面粗度の平均偏差を言う。しかし、これが表面プロファイル、つまり表面の粗さが山で形成されているか谷で形成されているかを指すことは、全くない。換言すれば、品質が非常に異なる表面が全く同じRa指数を有することがある。これを図１ａ、図１ｂおよび図１ｃに示す。
【０００６】
米国特許公報US７807028 B2によれば、少なくとも部分的に二相鋼からなる合金で永久陰極板を製作することが提案されている。二相の鋼種とは、30%ないし70%のオーステナイトを含有し残りがフェライト構造の鋼を言う。所望の構造は、適切に合金形成することで形成可能である。この公報によれば、陰極板表面の粗度は、被着金属の固着にとって本質的要因である。同公報はまた、陰極板表面に形成されて被着金属の固着を確実にする構造も提示している。このような構造には、例えば、様々なタイプの孔、溝およびレッジがある。
【０００７】
米国特許公報US７807029 B2によれば、鋼種304で永久陰極板を製作することが提案されている。この鋼種は、耐酸性鋼として公知の等級に非常に近い組成を有する汎用ステンレス鋼およびオーステナイト構造である。この公報によれば、陰極板表面の粗度は、被着金属の固着に本質的な要因であり、同公報にはまた、陰極板表面に形成されて被着金属の固着を確実にする構造も提示されている。さらに提案されているのは、被着金属の適切な固着を達成するために鋼2B仕上げで製造することである。
【０００８】
最適な表面は通常、表面粗度パラメータRaなどのパラメータを用いて定義される。表面を何らかの仕上げで記述する方法として、AISI 3162Bがあり、これは、スキンパス圧延した鋼のある等級を記述するものである。この特徴的生産ルートによれば、滑らかで半光沢があるが鏡面でない表面が製造される。米国公報US７807028 B2は、陰極表面仕上げのパラメータ2Bを提案し、これは、冷間圧延、熱処理および酸洗いを含む方法で表面が処理されたことを意味する。材料処理および処理パラメータを用いて最終的な表面の特性を調整する。しかし、表面を定義する上述のやり方だけでは、永久陰極に最適な表面を判定するのに十分であるとは考えられない。
【０００９】
永久陰極上のニッケルなどの固い金属の電着では、いくつかの問題点に直面している。陰極板への固着は、非常に強力にすべきであるが、これは、被着金属が陰極板から容易に剥がれ始めるからである。これに対して、固着を強固にしすぎると、被着物を容易に剥がせなくなる。これは、被着物と陰極板の間にナイフを挿入することがほとんど不可能なためである。
【発明の目的】
【００１０】
本発明の目的は、有用な特性を有し従来技術より好ましい新しいタイプの金属の電解精製および回収用の永久陰極を提示することである。本発明の更なる目的は、永久陰極使用の際の上述の問題点を考慮した最適な永久陰極板表面仕上げパラメータを定義することである。
【００１１】
本発明の更なる目的は、固い金属の電着のための改良された永久陰極を提供することである。
【発明の概要】
【００１２】
本発明の本質的特徴は、添付の特許請求の範囲から明らかとなる。
【００１３】
本発明は、金属の電解採取において電極として使用される永久陰極に関するものであり、永久陰極は、少なくとも部分的に鋼からなる永久陰極板を含み、その表面に金属を電解液から電気化学的に被着させる能力を提供する。永久陰極板表面の粒界寸法は、この表面における被着金属の固着と、少なくとも表面の電解液に接する部分からの金属の剥離とに適するように構成されている。
【００１４】
本発明の実施形態によれば、永久陰極板における粒子の大きさは、リニアインタセプト法で測定して１〜40マイクロメートルである。本発明の実施形態によれば、永久陰極板における平均粒界幅Ｗは、１〜３マイクロメートルである。永久陰極板における平均粒界深さｄは、１マイクロメートル未満である。本発明によれば、最適な永久陰極は、永久陰極板表面の粒界特性を調整することによって形成できる。
【００１５】
本発明の実施形態によれば、永久陰極板は、少なくとも部分的にフェライト鋼である。本発明の他の実施形態によれば、永久陰極板は、少なくとも部分的にオーステナイト鋼である。本発明の実施形態によれば、永久陰極板は、少なくとも部分的に二相鋼である。本発明による永久陰極板材料表面特性によって、金属の電解採取に様々な等級の鋼を使用することが可能となった。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、永久陰極板は、強い固着性を与えられた表面領域、および弱い固着性を与えられた表面領域を含み、両固着性は、表面領域における粒界の寸法に依存する。好ましくは、弱い固着性の表面領域は表面の電解液と接する部分を形成し、この表面領域は、被着金属の剥離の開始を企図する位置にある。
【００１７】
本発明は、金属の電解採取用装置にも関するものであり、本装置は電解液の電解槽を含み、これには陽極および永久陰極が交互に配置され、前記永久陰極は、電解槽に支持要素によって支持され、こうして本発明による永久陰極は本装置の一部をなす。
【００１８】
本発明は、永久陰極板の表面の処理方法にも関するものであり、永久陰極板は、少なくとも部分的に鋼板で形成されている。本方法によれば、永久陰極板表面の少なくとも電解液に接する部分における粒界を化学的または電気化学的に処理して、表面における被着金属の固着および表面からの金属の剥離について所望の表面特性を得る。
【００１９】
本発明の特徴的構成によれば、永久陰極板表面は、所望の分離力が得られるまで、例えば永久陰極板の表面をエッチングすることにより、処理する。
【００２０】
本発明の実施形態によれば、永久陰極板表面の電解液と接する異なった領域に異なった処理を施して、強い固着力の領域および弱い固着力の領域を形成する。好ましくは、弱い固着力の領域は、陰極板表面の被着金属の剥離の開始を企図した部分に形成する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
図面を参照して本発明をより詳細に説明する。
【図１ａ】および
【図１ｂ】および
【図１ｃ】は永久陰極板表面の粗度を示す図であり
【図２】は本発明による装置を示す図であり、
【図３ａ】は永久陰極を示す図であり、
【図３ｂ】は永久陰極の表面を示す図であり、
【図４】は永久陰極板の試料片の表面を示し、
【図５ａ】および
【図５ｂ】は、固着性の異なる領域を有する永久電極を示す図であり、
【図６】は永久陰極から被着物を剥がす状態を示す図であり、
【図７】は被着物と陰極板の間の好ましい破砕径路を示す図である。
【発明の詳細な説明】
【００２２】
図１ａ、図１ｂおよび図１ｃは、永久陰極1における陰極板４の表面粗度の様々な状態を示す。図１ａ、図１ｂおよび図１ｃは、各図に概略的に示すように、近くで見れば異なって見えるが、表面粗度を記述するRa指数が同じである。本発明によれば、単に表面粗度指数が同じだけでは、十分最適な永久陰極表面を達成するのに十分でない。
【００２３】
本発明による永久陰極１は、その処理環境が図２に示すものである。この永久陰極は、金属の電解採取に用いることを意図している。この場合、永久陰極は、電解槽３において槽の全長にわたって陽極２と交互に電解液に入れ、意図した金属が電解液から永久陰極１の陰極板４の表面に堆積する。永久陰極板４は、支持要素５を使用して槽内に支持されている。
【００２４】
先の従来技術の永久陰極では、表面粗度が被着金属の固着の重要な要因を構成していた。しかし、生産工程に起因する表面粗度に加えて、金属表面では、粒界も表面への銅の固着に重要な役割を果たす。固体金属は結晶構造を有し、これは、原子が規則的に稠密配列され、その配列が原子間距離に比べて長い距離にわたって延伸していることを意味する。これらの結晶を集合的に粒子と称する。粒子は、同時に成長する隣接粒子でその成長が制限されるので、不規則な嵩の領域が形成される。多粒子金属の場合、各粒子は、その隣接粒子に対して粒界においてその表面にわたって強固に結合されている。粒界は表面エネルギーの高い領域であり、被着する銅が主に核となる。したがって、粒界の数および特性には、とくに注意を払わなければならない。
【００２５】
粒界は、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡で見ることができるが、粒界の寸法の判定は、原子間力顕微鏡（AFM）を必要とする。AFMは、可撓性支持アームに接続された先鋭なプローブを有している。プローブを被検体の表面上で動かすと、表面とプローブの間の相互作用が支持アームの曲がりとして記録される。この曲りはレーザビームで測定することができ、試料の表面プロファイルの３次元画像を生成することができる。AFMを使用すれば、粒界の寸法、深さおよび幅を測定できる。当然、粒界の幅および深さは、ある程度変化する。この変化は、正規偏差として表わせ、寸法を統計処理することができる。
【００２６】
材料の粒径は、いくつかの異なる方法で定義できる。ひとつの方法はリニアインタセプト法（Metals Handbook、Desk Edition、ASM International、米国オハイオ州メタルスパーク、1998年、第1405頁〜第1409頁）である。これによれば、粒径Ｉは、
I =1/NL
ただし、NLは、測定距離ごとの粒界数である。この式によれば、粒径は、単位長あたりの粒界数に反比例する。
【００２７】
図３ａおよび図３ｂは、本発明による永久陰極１における永久陰極板４の表面６を示し、模式図は、表面における各粒子８の間の粒界の幅Ｗおよび深さｄを示す。粒界幅は、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡を使用した画像から判断でき、またはAFM結果から測定できる。本発明によれば、少なくとも永久陰極板６の表面の電解液との接触部分を処理する。永久陰極板表面６における各粒子８の間の粒界７は、堆積した金属を表面へ固着させたりこれから金属を剥がしたりするのに適するように処理する。本発明によれば、金属の成長に最適な表面を達成できる。本発明によれば、表面６における粒界７の大きさを修正して、最適な永久陰極表面を達成するようにする。最適な永久陰極板４の表面６における粒子８の粒径は、リニアインタセプト法で測定すると、１〜40マイクロメートルであり、平均粒界幅Ｗは１〜３マイクロメートル、粒界深さｄは１マイクロメートル未満である。本発明による永久陰極板は、例えばオーステナイト鋼で製造することができる。本発明によれば、永久陰極板表面は、所望の分離力が得られるまで、例えば電解エッチングで処理する。分離力とは、表面からの被着材料の分離性能を示す。分離力が小さすぎると、被着金属は、永久陰極板表面から早期に剥がれ落ちてしまい、また、分離力が大きすぎると、被着金属は永久陰極板表面から剥がし難くなる。
【００２８】
固い金属を十分に被着させるには、剥がれや自然剥離を避けるための陰極表面に対する強い固着力を必要とするので、剥離の開始もさらに困難になる。陰極板と被着物の間にナイフを挿入して被着物を陰極板から剥がすことも難しいことがある。陰極板を曲げることは、被着金属が堅いので、出来ないことがある。この問題は、固着力の小さい領域を電解液の表面付近、すなわち被着が開始する液面高付近に配置することによって解決できる。この弱い固着力の領域によって被着物が容易に剥がれ、また剥離の良好な開始点が形成される。固着性の異なる領域を２つ以上、例えば１つの領域はエッチングし、他の領域はエッチングしないことによって容易に形成することができる。
【００２９】
図５aは、固着性の異なる３つの表面領域6a、6bおよび6cが設けられた永久陰極を示す。線Ｌは、永久陰極板４を電解槽に沈めたときの電解液の液面高を示す。陰極板表面の主要部、すなわち領域6aは、粒界の所望の相対的寸法が得られるようにエッチングして、被着金属の永久陰極板４への固着力を改善する。永久陰極板４の電解液面高Ｌより上の部分、すなわち領域6cは、エッチングしないか、または弱くエッチングしてよい。強くエッチングした領域6aとエッチングしなかったか弱くエッチングした領域6cとの間で、電解液面高Ｌより下には、第３の領域6bがあり、これは、エッチングしないか、または粒界の大きさで弱い固着力だけが生ずるようにエッチングする。この２つの非エッチング領域または弱エッチング領域6bおよび6cの固着性は、同様であっても異なっていてもよい。重要なことは、永久陰極板４には、強い固着力を備えた少なくとも１つの領域6aと、弱い固着力を備え少なくとも１つの領域6bとがあり、弱い固着力の領域6bの少なくとも一部が電解液面高Ｌより下にあることである。
【００３０】
図５ｂは他の実施形態を示し、これは、低固着力領域6bが陰極板４の全幅の中央領域に位置し、その領域の電解液線Ｌより下の縁部が強くエッチングした領域6aの一部を形成しているものである。
【００３１】
図５ａおよび図５ｂの実施形態によれば、永久陰極板４の主要部6aの堆積固着力が強いと、剥離を容易に開始することができる。銅の場合、陰極板への被着物の固着力をなくすには、永久陰極板４を曲げることで剥離を容易に開始することができる。しかし、いわゆる完全被着した永久陰極を使用してニッケルを厚い被着物として被着させる場合、永久陰極板４を曲げるのは難しいことがある。これは、ニッケルが固い金属であり、容易に変形しないためである。
【００３２】
良好な固着性は、好ましくは、少なくとも陰極板４の一部をエッチングすることで得られる。図５ａおよび図５ｂの実施形態では、陰極板４の電解液面高Ｌの直下に位置する部分6bは、エッチングしないか、または陰極板４の主要部分6aよりはるかに弱い固着性の領域6bが得られるように弱くエッチングするにすぎない。この種の永久陰極板４の製造は、おおむね簡単である。エッチングしない領域6b、6cは、例えばテープで覆うか、むしろ、より簡単には、ある深さまで陰極板をエッチング溶剤に沈めるだけである。
【００３３】
図６は、図５aによる永久陰極板４の作業を示す。被着金属11は、実際は陰極板４の両側にあるが、簡単のために図６には一方の被着金属11のみを示す。
【００３４】
被着金属11を永久陰極板４から剥がすことは、剥離機のナイフ10、すなわち楔を永久陰極板４と被着金属11の間に押し込むことで始まる。被着金属11の主要部は、陰極板４の表面6aに強い固着力で強固に固着している。被着金属11の上部には、陰極板４の表面6bへの弱いわずかな固着力を有する被着部11bがある。その結果、この領域では、被着金属10bと陰極板４の間に容易にナイフ10を押し込める。これによって、被着金属11の剥離の良好な開始点が形成される。
【００３５】
剥離の開始点が機能する背景原理は、基礎的な破砕機で論理的に説明できる。破砕を生ずる、すなわち被着した金属11を永久陰極表面6a、6bから除去するのに必要な力は、次の式で近似することができる。
【００３６】
【数１】
2014517159.tif 000003
ただし、Ｆは必要な力であり、Ａは剥離する面積であり、Ｋは応力拡大係数であり、ａは初期亀裂寸法である。
【００３７】
初期亀裂寸法ａが非常に小さいと、その結果、必要な力Ｆは非常に高くなってしまう。反対に、例えば上述の剥離開始点を生成することでａの値が増すと、力Ｆを実質的に減らすことができる。
【００３８】
図７は、被着物11の上端にある不完全部を剥離する際、被着金属11と永久陰極板４の間の界面に自然配列された好ましい破砕径路13を示す。被着金属11と陰極板４の間の界面が最も弱い箇所であるので、図７に示すように被着金属11の縁部12が「羽毛状」であったとしても、破砕は界面に沿って起こることが好ましい。
【００３９】
以下に、実施例を示して本発明を説明する。
【実施例１】
【００４０】
粒界特性の異なる材料を有する永久陰極板を使用した。材料は、納品状態2BのAISI 316L（EN 1.4404）（試料１）、深くエッチングしたAISI 316L（EN1.4404）（試料２）、納品状態2EのLDX 2101（EN 1.4162）（試料３）、および異なる２つのエッチング度のAISI 444（EN 1.4521）2B（試料４および５）であった。材料AISI 316Lはエッチングにより粒界を広げ、材料AISI 444はエッチングにより粒界を開放した。使用したエッチング法は電解エッチングであった。小さい試料を永久陰極板材料から切り取って、AFM検査にかけ、材料の粒界寸法を判定した。測定した寸法を表１に示す。この表において、Ｗは粒界幅であり、ｄは粒界深さである。
【００４１】
【表１】
2014517159.tif 000004
【００４２】
実験室規模の電気分解実験を行なって、これらの選定した永久陰極表面に銅を被着させた。永久陰極表面は多孔プラスチックシートで被い、１つの電気分解実験中、それぞれの永久陰極に直径20 mmの銅円板を合計４枚被着させることができた。実験に使用した陽極は、銅陰極シートから切り出したプレートであった。陰極と陽極表面の間の距離は30 mmであった。被着後、分離に必要な力を測定できる特別な剥離装置を使って銅円板を永久陰極板から分離した。
【００４３】
電気分解装置は、３リットル電解槽および５リットル循環タンクを有するものであった。電解液は、循環タンクから電解槽にポンプ注入し、そこから余剰のものは、毎分７リットルの溶液循環流量で循環タンクへ戻した。循環タンク加熱装置および攪拌機を備えたものであった。
【００４４】
実験に使用した電解液は、硫酸銅および硫酸からなり、50 g/lの銅および150 g/lの硫酸を含むものであった。塩酸も電解液に加えて、電解液が50 mg/lの塩化物含有量となるようにした。骨膠およびチオ尿素を添加剤として用い、循環タンクに水溶液として連続的に供給した。電解槽内の電解液温度は、循環タンク内の電解液温度を調整することで65oCに維持した。この実験での陰極電流密度は30 mA/cm2であり、これは、生産規模での電気分解に使用される電流密度に十分匹敵する。各実験における電気分解時間は、20時間であった。電気分解後、マスク板を永久陰極から除去し、実験終了から一定期間の経過後、銅円板を永久陰極から分離した。分離に必要な力を測定した。この力は、納品状態2BのAISI 316Lを基準とする相対力として表２に示す。この基準を選んだのは、このような永久陰極材料が銅電気分解プラントで広く用いられていることによる。
【００４５】
この実験結果を基づけば、分離力の大きさは、明らかに永久陰極材料の粒界寸法に依存している。エッチングを行なって材料の粒界を幅および深さの両寸法とも、さらに開くことができる。二相材料LDX 2101は、実験前に何ら処理せず、その材料で測定した分離力も、基準材料で測定した分離力より大きかった。
【００４６】
【表２】
2014517159.tif 000005
【００４７】
測定した分離力をAFM解析で測定した粒界寸法（表１）と比較すると、粒界が広がり深くなるほど、大きな分離力が必要なことが分かる。とくに、粒界の幅と深さの関係が必要な分離力を実質的に左右する。
【００４８】
実験用に選んだ永久陰極材料の表面粗度（Ra指数）も測定した。測定した値を表３に示す。とりわけ、エッチング処理によって表面粗度がある程度変わったことが分かる。しかし、分離実験からは、表面粗度と測定結果の比較に明確な相関が発見できない。表面粗度指数は粒界寸法を表すものでない。したがって、粗度指数だけでは、所望の固着力および分離力の達成の十分な基準と考えられない。
【００４９】
【表３】
2014517159.tif 000006
さらに、顕微鏡およびリニアインタセプト法を用いて様々な永久陰極材料の平均粒径を測定した。測定結果を表４に提示する。
【００５０】
【表４】
2014517159.tif 000007
【実施例２】
【００５１】
永久陰極を生産規模の銅電気分解で試験すると、開始直後に自然剥離と称する現象が発生した。これは、被着工程中か、または永久陰極を電解槽から取り出す際のいずれかで、永久陰極表面に被着した銅が永久陰極板表面から自然に剥がれ落ちることを意味する。当然、この現象は電解プラントで問題となり、そのような永久陰極は使用できない。自然剥離の生じた永久陰極（材料AISI 316L）から試料片を切り出し、その表面を解析した。永久陰極板の表面構造を図４に走査型電子顕微鏡画像として示す。
【００５２】
この永久陰極板の表面構造によってすぐに分かるのは、酸洗いに際して材料の粒界が広がりすぎ、もはや銅に適した固着表面が見られないことである。永久陰極板の納品状態は2Bであり、測定したところ、その表面のRa指数は、0.4 μmと0.5 μmの間で変化した。走査型電子顕微鏡画像から測定したこの試料の粒界幅は、８〜10 μmであった。
【００５３】
陰極上の自然剥離の発生から分かることは、永久陰極板の納品状態および表面粗度指数は、銅電気分解における陰極板の適切な処理の十分な基準とならず、粒界寸法を管理しなければならないことである。
【００５４】
当業者に明らかなように、本発明の基本的思想は、技術の進展とともにいくつかの異なるやり方で実現可能である。したがって、本発明およびその実施形態は、上述の実施例に限定されず、特許請求の範囲内で変更してもよい。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
2014517159.tif 000009
【図１ｃ】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年1月15日(2014.1.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも部分的に鋼からなる永久陰極板を含み、該永久陰極板は、その表面に金属を電解液から電気化学的に被着させる能力を提供し、金属の電解採取において電極として使用される永久陰極において、前記永久陰極板の表面における粒界の粒径、幅および深さなどの寸法は、該表面における被着金属の固着と、少なくとも該表面の前記電解液に接する部分からの金属の剥離とに適するように構成されていることを特徴とする永久陰極。
【請求項２】
請求項１に記載の永久陰極において、リニアインタセプト法で測定した前記永久陰極板における粒子の粒径は、１〜40マイクロメートルであることを特徴とする永久陰極。
【請求項３】
請求項１または２に記載の永久陰極において、前記永久陰極板の平均粒界幅Ｗは１〜３マイクロメートルであることを特徴とする永久陰極。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載の永久陰極において、前記永久陰極板の平均粒界深さｄは１マイクロメートル未満であることを特徴とする永久陰極。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の永久陰極において、前記永久陰極板は、強い固着性の表面領域および弱い固着性の表面領域を含み、両固着性は、前記表面領域における前記粒界の寸法に依存することを特徴とする永久陰極。
【請求項６】
請求項５に記載の永久陰極において、前記弱い固着性の表面領域は、前記表面の前記電解液と接する部分を形成し、該表面領域は、被着金属の剥離の開始を企図する位置にあることを特徴とする永久陰極。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の永久陰極において、前記永久陰極板は、少なくとも部分的にフェライト鋼であることを特徴とする永久陰極。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載の永久陰極において、前記永久陰極板は、少なくとも部分的にオーステナイト鋼であることを特徴とする永久陰極。
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれかに記載の永久陰極において、前記永久陰極板は、少なくとも部分的に二相鋼であることを特徴とする永久陰極。
【請求項１０】
電解液を収容する電解槽を含み、該槽には陽極および永久陰極が交互に配置され、該永久陰極は前記槽に支持要素によって支持された金属の電解採取用装置において、該装置は、請求項１ないし９のいずれかに記載の永久陰極を含むことを特徴とする金属の電解採取用装置。
【請求項１１】
永久陰極板が少なくとも部分的に鋼板で形成された永久陰極板の表面の処理方法において、該方法は、前記永久陰極板表面の少なくとも該表面の電解液に接する部分における粒界を化学的または電気化学的に処理して、前記表面における被着金属の固着および該表面からの金属の剥離について所望の表面特性を得ることを特徴とする表面の処理方法。
【請求項１２】
請求項11に記載の方法において、前記永久陰極板の表面は、該表面について所望の分離力が得られるまで処理することを特徴とする処理方法。
【請求項１３】
請求項11または12に記載の方法において、前記永久陰極板の表面はエッチングによって処理することを特徴とする処理方法。
【請求項１４】
請求項11、12または13に記載の方法において、前記永久陰極板表面の前記電解液に接する異なった領域に異なった処理を施して、強い固着力の領域および弱い固着力の領域を形成することを特徴とする処理方法。
【請求項１５】
請求項14に記載の方法において、前記弱い固着力の領域は、前記陰極板表面の被着金属の剥離の開始を企図した部分に形成することを特徴とする処理方法。
【国際調査報告】
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