СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОКООТВОДОВ ДЛЯ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ Российский патент 2006 года по МПК B22D11/06 H01M4/84 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к производству свинцово-кислотных аккумуляторов, и может найти использование при их изготовлении.

В настоящее время в массовом производстве электродных пластин намазного типа применяют решетчатые токоотводы из низколегированных свинцовых сплавов. Их изготавливают различными способами. К наиболее распространенным относятся, во-первых, гравитационное литье в кокили, во-вторых, литье непрерывной полосы (сляба) с последующей прокаткой и разнопрофильным перфорированием, в-третьих, непрерывное литье под давлением с кристаллизацией между вращающимися калиброванными валками. Все перечисленные способы имеют множество модификаций.

К наиболее изученным относится способ литья токоотводов в металлические формы (кокили) [Русин А.И. Основы технологии свинцовых аккумуляторов. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. - С.62-71]. Однако производительность этого способа ограничена тем, что все технологические операции выполняются последовательно, и при этом время их выполнения суммируется. Кроме того, полученные отливки имеют преимущественно блочную дендритно-ячеистую структуру с невысокой механической и коррозионной стойкостью.

Применение сплавов, легированных кальцием и оловом и имеющих более высокую коррозионную стойкость, ограничено их низкими литейными свойствами по сравнению с сурьмянистыми. При использовании этих сплавов необходимо поддерживать стабилизированный тепловой режим в полости литейной формы, что связано с использованием быстро разрушающегося теплозащитного покрытия, требующего частой замены.

Более высокой производительностью отличается способ изготовления токоотводов, включающий непрерывное литье полосы (сляба) с последующей прокаткой для получения непрерывной ленты, механическое перфорирование ячеек и растяжение полученной решетки [Патент № 5-9903 Япония, МПК⁵ Н 01 М 4/82. Опубл. 08.02.93, а также Международный патент № WO 94/15375, МПК⁵ Н 01 М 4/74. Опубл. 07.07.94]. Этот способ позволяет использовать сплавы с широким диапазоном легирующих добавок. Прокатка обеспечивает упрочнение сплава за счет перекристаллизации с переходом от дендритной к мелкозернистой структуре, ориентированной в направлении прокатки. Однако при перфорировании ленты, особенно при последующем растяжении жилок происходит массовое образование дефектов. В углах ячеек происходят деформационные сдвиги металла, образуются микротрещины. На кромках жилок в местах выхода просечного инструмента образуются "задиры", "облой". Все эти дефекты токоотводов при последующей эксплуатации становятся центрами электрохимической коррозии и сокращают срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов.

Самым производительным и экономичным способом изготовления токоотводов в настоящее время является способ непрерывного литья на вращающемся профилированном барабане [Патент № 4544014 США, МКИ⁵ B 22 D 11/06. Melane Jack В., S. Raymond L., Rader Robert R., Wirtz John О.; Wirtz Manufakturing Co. Inc. Опубл. 01.10.85 и Патент № 4982482 США, МКИ⁵ Н 01 М 4/82. Wheadon Ellis G., Forrer Larry L.; Caltec International Inc. Опубл. 08.01.91]. При таком литье сразу формируется решетчатая лента с заданным рисунком ячеек и токоотводными ушками. Способ позволяет использовать сплавы с широким диапазоном легирующих добавок. Однако полученная решетчатая лента имеет блочную дендритно-ячеистую структуру с невысокой механической и коррозионной стойкостью. Кроме того, не обеспечивается постоянство толщины решетчатой ленты, поскольку поверхность решетчатой ленты, не соприкасающаяся с барабаном, получается неровной с множеством дефектов. Указанные недостатки снижают коррозионную стойкость токоотводов и сокращают срок службы аккумуляторов.

Наиболее близким техническим решением, взятым в качестве прототипа, является способ изготовления токоотводов для электродов намазного типа для свинцово-кислотных аккумуляторов из сплавов свинец-кальций-олово, при котором свинцовый расплав кристаллизуют на барабане в виде непрерывной решетчатой ленты, полученную ленту охлаждают и проводят прокатку, изменяя ее толщину. Прокатку проводят перед операцией намазки пастой путем пропускания через гладкие прокатные валки, утоньшающие и соответственно удлиняющие решетчатую ленту [Next generation of continuous platemaking/ Wirtz John O. // Batteries Int. - 1996, №26. - P.56-57. - Англ.].

Дополнительная прокатка с небольшой величиной обжатия по толщине калибрует токоотводы, способствует созданию однородной мелкозернистой структуры металла и тем самым упрочняет их.

К недостаткам описанного способа можно отнести следующее. Наличие ячеек (пустых клеточек) в ленте существенно изменяет характер растекания металла при прокатке. На внутренней поверхности, образующей контуры ячеек, образуются различные дефекты: микротрещины, наплывы, расслоения, сколы металла. Особенно опасны микротрещины, прогрессирующие при дальнейших технологических деформациях и становящиеся при эксплуатации очагами ускоренной коррозии, захватывающей внутренние слои металла. Это сокращает срок службы аккумуляторов.

Другим недостатком способа-прототипа является то, что форма сечения жилок (и рамок) токоотводов получается нерациональной: в виде прямоугольника или в виде слабо выраженной трапеции, близкой к прямоугольнику. Нерациональная форма жилок снижает способность токоотводов удерживать активную массу, что также приводит к сокращению срока службы аккумуляторов. Получение же более рациональной формы сечения жилок, например шестиугольной, затруднено в условиях непрерывного литья ленты. Это связано с тем, что литье производится в плоскости соприкосновения вращающихся смежных барабанов, один из которых должен быть гладким для обеспечения сплошности струи расплава и быстрого охлаждения расплава до температуры, близкой к точке кристаллизации. Форма сечения жилок (и рамок) токоотводов задается только вторым барабаном, на котором нанесены формообразующие полости (канавки), и потому выбор формы сечения очень ограничен.

В основу изобретения поставлена задача увеличения долговечности электродных пластин намазного типа за счет увеличения механической прочности и коррозионной стойкости решетчатой ленты, а также за счет изменения формы сечения ее жилок и рамок путем обжатия, изменяющего профиль жилок (рамок) решетки и выравнивающего их поверхность.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе изготовления токоотводов для электродов намазного типа для свинцово-кислотных аккумуляторов, при котором свинцовый расплав кристаллизуют на барабане в виде непрерывной решетчатой ленты, полученную ленту охлаждают и проводят механическую обработку, согласно изобретению после отливки ленту охлаждают до температуры (60-75)°С, обжимают на калибровочных валках, преобразующих форму сечения жилок и рамок токоотводов в шестиугольную.

Раскроем суть заявленного технического решения. Как уже говорилось, непрерывное литье ленты производится в плоскости соприкосновения вращающихся смежных барабанов. При этом необходимо строгое соблюдение сплошности равнораспределенной вдоль фронта вращения барабана струи жидкого сплава, включая и момент заполнения формообразующей полости. Кроме того, расплавленный металл очень короткое время находится в зоне кристаллизации (в узкой полосе контакта формообразующих барабанов), что требует быстрого охлаждения расплава непосредственно перед зоной формообразования до температуры, близкой к точке кристаллизации, а также быстрой кристаллизации расплава в самой зоне формообразования. Для этого один из формообразующих барабанов выполняется гладким. Струя свинцового расплава вначале попадает на гладкий барабан, который одновременно выполняет функцию холодильника. Гладкий барабан охлаждает расплав до необходимой температуры. Поскольку эта температура близка к точке кристаллизации, то расплав имеет относительно большую вязкость и пониженные литейные свойства (особенно это относится к свинцово-кальциевым сплавам). Поэтому расплав в принципе плохо заполняет сложнопрофильные полости литейных форм. Кроме того, сложнопрофильные полости (канавки) технически трудно выполнить. Сложнопрофильное сечение жилок и рамок решетчатой ленты технически получается при условии нанесения формообразующих полостей на два смежных барабана. Однако, как уже указывалось, при непрерывном литье формообразующие полости нанесены только на одном барабане. Эти обстоятельства ограничивают возможный выбор форм сечения жилок и рамок токоотводов наиболее простыми (и нерациональными).

Обжатие жилок и рамок позволяет изменить форму их сечения в пользу более рациональной, шестиугольной, выровнять поверхность, увеличить механическую прочность и коррозионную стойкость. Поскольку при обжимке жилок (рамок) в калибровочных валках в заявляемом способе давление деформирующей нагрузки действует на все плоскости жилок (рамок) одновременно и металл течет только в пределах профильного контура, то дефектная поверхность не образуется в отличие от прототипа. Более того, такая процедура не только глубоко смещает слои металла, насыщая его энергией в виде зон напряжения (что необходимо для дальнейшей перекристаллизации), но и устраняет дефекты, образовавшиеся при отливке. Причем устраняются не только поверхностные дефекты в виде выходов дислокаций, прорастаний в поверхностные слои дендритов и заусенцы, но и микротрещины, если обжатие проводить в диапазоне температур (60-75)°С. При этих температурах легче происходят деформационные процессы и ускоряется течение металла, но нагрева еще недостаточно для снятия внутренних напряжений, и они могут фиксироваться и накапливаться, образуя энергетическое обеспечение процессов образования мелких зерен при старении сплава. Как показали эксперименты, при меньших температурах (менее 60°С) все полезные процессы замедляются, и обжатие происходит с повышением плотности дислокаций и выходом их на поверхность, а также с образованием микротрещин, что снижает коррозионную стойкость сплава. При больших температурах (более 75°С) быстро снимаются внутренние напряжения в сплаве и уменьшается эффект упрочнения решетчатой ленты в процессе дальнейшего старения.

Шестиугольная форма сечения жилок и рамок решетчатой ленты, полученная путем обжатия, повышает прочность сцепления токоотвода с активной массой за счет появления у жилок выступающих граней, которые механически удерживают активную массу от выпадения из ячеек токоотвода.

По имеющимся у авторов сведениям предложенные существенные признаки, характеризующие суть изобретения, не известны в данном разделе техники.

Предложенное техническое решение может быть использовано на предприятиях по производству свинцово-кислотных аккумуляторов и аккумуляторных батарей, в частности - в производстве герметизированных аккумуляторных батарей с токоотводами из свинцово-кальциевого сплава.

На фиг.1 представлена общая схема процесса изготовления токоотводов согласно заявляемому способу. На фиг.2 представлена схема обжатия жилок и рамок решетчатой ленты на калибровочных валках. На фиг.3 показано сечение жилки (рамки) токоотвода после обжатия.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Вначале отливают решетчатую ленту, подавая расплав низколегированного свинцового сплава на вращающиеся смежные барабаны литейной установки 1. Обычно используют свинцово-сурьмянистые или свинцово-кальциевые сплавы, в том числе сплавы свинец-кальций-олово, причем массовое содержание свинца в сплавах составляет 96-99,5%. Затем отлитую решетчатую ленту 2, температура которой после литейной установки 1 составляет 180-200°С, пропускают по направляющим роликам через узел охлаждения 3. Здесь ленту охлаждают до температуры немного выше 60-75°С. Охлажденную ленту пропускают через участок провисания 4, компенсирующий импульсы резкого изменения скоростей протяжки и разрывные напряжения при движении решетчатой ленты 2 между установками. Настройку процесса обжатия производят с помощью синхронизирующего устройства 5 установки обжатия 6. Процесс обжатия профиля жилок и рамок ленты производят между двумя калибровочными валками 7 одинакового диаметра, имеющими общий синхронизированный привод. Рабочая поверхность калибровочных валков 7 имеет калибровочные элементы (канавки) 8, которые соответствуют расположению жилок 9 (рамок) ленты с учетом наличия обжимающих плоскостей. Глубина калибровочных элементов 8 на каждом валке равна половине толщины обжимаемой ленты. Диаметр калибровочных валков 7 подбирают в зависимости от толщины ленты, размера ячеек и длины окружности, в которую вписывается размерный ряд элементов ленты за один полный оборот валков. При обжатии решетчатой ленты 2 толщиной 1,2-2,0 мм для получения токоотводов стартерных аккумуляторных батарей диаметр калибровочных валков 7 имеет оптимальный размер порядка 450 мм. В зоне обжатия (между калибровочными валками 7) температура металла решетчатой ленты 2 попадает в интервал оптимального теплового режима для обжатия и составляет (60-75)°С. Обжатие, проведенное согласно формуле изобретения, упрочняет структуру свинцового сплава, устраняет дефекты отливки и преобразует профиль жилок и рамок токоотводов (делает рациональной форму сечения). В процессе обжатия жилок 9 внешними силами Р металл перемещают из угловых зон S₁ в зоны S₂ (пунктиром показано профильное сечение жилки до обжатия, сплошной линией - после обжатия). Свободные полости S₃ образуются за счет усадки объема жилки 9 в зависимости от свойств применяемого свинцового сплава. Свободные полости S₃ предотвращают выход металла в виде облоя в плоскость смыкания А-А калибровочных валков 7. Форма и размеры калибровочных элементов 8 и сечений обжатых жилок 9 (рамок) описываются следующими параметрами: Н и L - габаритные размеры, α - характерный угол. Сечение обжатых жилок 9 (рамок) характеризуется также радиусом R дуги, образованной угловой поверхностью металла при остаточной деформации. Характерный угол α подбирают таким, чтобы движение внутренних дислокаций при перемещении металла происходило без выхода их на поверхность (иначе поверхностные дислокации усиливают коррозию), а также таким, чтобы обеспечить смыкание металла вблизи дуги R без образования микротрещин. Для низколегированных свинцовых сплавов α=15-30° отношение L/H=2,5-3,0. После операции обжатия ленту пропускают через узел выравнивающих роликов 10. Силу натяжения ленты регулируют натяжным роликом 11. Затем решетчатую ленту 2 пропускают через направляющий желоб 12 и сворачивают в рулон приводной кассетой 13.

Оптимальные механические и температурные условия обжатия, а также габаритные соотношения между соответствующими элементами инструмента и изделия получены экспериментальным путем в цеховых условиях.

Полученные рулоны с решетчатой лентой хранят на складе старения для того, чтобы мог пройти процесс дисперсионного твердения (перекристаллизации) и упрочнения. При достижении необходимой прочности решетчатую ленту (токоотводы) подвергают дальнейшим технологическим операциям изготовления электродных пластин намазного типа для свинцово-кислотных аккумуляторов.

Согласно изобретению жилки и рамки токоотводов имеют шестиугольное сечение. Встречные выступы S₂ жилок 9 (рамок) токоотводов образуют по отношению к активной массе "замок", прочно удерживающий ее в токоотводе. Это увеличивает прочность и долговечность электродных пластин намазного типа, а также их устойчивость к механическим воздействиям.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к производству свинцово-кислотных аккумуляторов. Свинцовый расплав кристаллизуют на барабане в виде непрерывной решетчатой ленты. После охлаждения ленты до температуры (60-75)°С ее обжимают на калибровочных валках, преобразующих форму сечения жилок и рамок ленты в шестиугольную. Изобретение позволяет получать мелкозернистую структуру металла и способствует упрочнению. 3 ил.

Способ изготовления токоотводов для электродов намазного типа для свинцово-кислотных аккумуляторов, при котором свинцовый расплав кристаллизуют на барабане в виде непрерывной решетчатой ленты, полученную ленту охлаждают и проводят механическую обработку, отличающийся тем, что после отливки ленту охлаждают до температуры 60-75°С, обжимают на калибровочных валках, преобразующих форму сечения жилок и рамок решетчатой ленты в шестиугольную.