СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПЛАВА НА ОСНОВЕ МАГНИЯ ДЛЯ АНОДОВ ВОДОАКТИВИРУЕМЫХ ХИМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА Российский патент 2008 года по МПК H01M4/46 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к химическим источникам тока, и может быть использовано при изготовлении анодов из сплава на основе магния для водоактивируемых химических источников тока.

Технической задачей, решаемой заявленным изобретением, является разработка способа получения сплава, повышающего химическую активность анодов водоактивируемых источников тока.

К наиболее перспективным материалам для использования в качестве анодов водоактивируемых химических источников тока относятся сплавы на основе магния, легированные элементами III b подгруппы Периодической системы.

Известен способ изготовления сплава на основе магния путем расплавления магния, легирования его другими компонентами сплава, выстаивания и разливки в чушки (а.с. №693984, С22С 26/22, 2002 г.).

Известным способом получают сплавы систем Mg-Al-Zn, Mg-Zn-Zr, Mg-РЗМ-Zr.

Недостатком способа является недостаточная однородность получаемого сплава и плохая деформируемость, что ведет к снижению химической активности водоактивируемых анодов и к снижению выхода годного.

Известен способ получения сплава на основе магния, включающий смешивание и расплавление исходных компонентов, выстаивание, перемешивание расплавленного сплава воздействием электромагнитного поля, разливку в слитки и кристаллизацию сплава с заданной скоростью по длине слитка. (Патент РФ №2260877, Н01М 4/46, опубл. 20.09.2005 г.). (Способ принят за прототип).

Известным способом получали сплавы на основе магния, содержащие (в мас.%) ртуть от 0,1 до 1,2; галлий от 0,3 до 0,8.

Однако известный способ нельзя использовать для получения сплавов на основе магния, содержащих галлий и таллий, так как в этом случае получается сплав с порами и раковинами в объеме и на поверхности слитка, что приводит к снижению выхода годного слитка и в дальнейшем к ухудшению качества анодов.

Кроме того, использование сложного, энергоемкого и дорогостоящего электротехнического оборудования для электромагнитного перемешивания компонентов сплава значительно усложняет и удорожает процесс получения сплава.

Техническим результатом изобретения является повышение качества и выхода годного сплава.

Технический результат достигается тем, что в способе получения сплава на основе магния для анодов водоактивируемых химических источников тока, включающем шихтование исходных компонентов, расплавление, перемешивание и кристаллизацию расплава с заданной скоростью, согласно изобретению в качестве исходных компонентов используют металлические галлий, таллий, магний, шихтование исходных компонентов проводят путем помещения галия и таллия в герметичную, заполненную инертной атмосферой внутреннюю полость, выполненную в слитке исходного магния, перемешивание расплава осуществляют при периодическом изменении угла наклона относительно горизонтального расположения контейнера или вращении контейнера вокруг горизонтальной оси, а кристаллизацию проводят в контейнере плавления при его вертикальном расположении путем перемещения температурного градиента снизу вверх вдоль контейнера с расплавом со скоростью 5-10 мм/мин; плавление и кристаллизацию исходных компонентов ведут в контейнере, выполненном из нелегированной стали.

Сущность изобретения заключается в том, что шихтование исходных компонентов сплава на основе магния, содержащего галлий и таллий, проводят путем помещения заданного количества таллия и галлия во внутреннюю полость, выполненную в слитке исходного магния. Для этого вдоль продольной оси слитка магния выполняют полость,

помещают в нее шихту, полость вакууммируют, заполняют инертным газом и герметично закрывают магниевой пробкой для предотвращения окисления компонентов при плавлении. Такое осуществление процесса шихтования приводит к образованию магний-галлий-таллиевого сплава внутри объема магния, исключающего окисление и взаимодействие реакционно-активных таллия и галлия с материалом контейнера, а перемешивание расплава при периодическом изменении угла наклона относительно горизонтального расположения контейнера или вращении контейнера вокруг горизонтальной оси обеспечивает однородность состава получаемого сплава по всему объему слитка. Применение для этого механического перемешивания вместо наложения электромагнитного поля (как в прототипе) существенно упрощает аппаратурное оформление и позволяет достичь хорошей однородности состава сплава.

Проведение кристаллизации в вертикально расположенном контейнере снизу вверх со скоростью 5-10 мм/мин обеспечивает сохранение однородности состава слитка, исключение пористости и усадочных раковин. При перемещении температурного градиента в процессе кристаллизации со скоростью менее 5 мм/ч из-за различия коэффициентов распределения легирующих компонентов происходит нарушение однородности состава по длине слитка. Нижняя часть слитка обогащается галлием, верхняя - таллием. Разница в составах компонентов может достигать 1-2% относительно заданной. При скоростях кристаллизации более 10 мм/ч в объеме слитка появляется пористость, значительные усадочные раковины, что ухудшает качество и выход годных слитков.

Кристаллизация расплава в контейнере плавления значительно упрощает аппаратурное оформление, снижает трудоемкость процесса. Выполнение контейнера из нелегированной стали исключает процесс взаимодействия компонентов сплава с легирующими примесями стали. В результате слиток легко выпрессовывается из контейнера.

При использовании легированной стали слиток сплава магний-галлий-таллий невозможно извлечь из контейнера. Вместе с контейнером приходится удалять и загрязненную примесями образующую часть слитка магний-галлий-таллий, что ухудшает качество и выход годных слитков.

Пример 1.

По оси слитка магния марки МГ-95 диаметром 95 мм, длиной 650 мм высверливают полость диаметром 30 мм, глубиной 200-250 мм. Из прутка того же магния марки МГ-95 вытачивают на токарном станке конусную пробку диаметром 28-32 мм, длиной 30 мм. В полость загружают заданное количество галлия и таллия, вакууммируют до остаточного давления 1·10^-2 мм рт.ст. и заполняют аргоном до атмосферного давления. Отверстие полости герметично закрывают приготовленной конусной пробкой. Подготовленный таким образом магниевый слиток с загруженной шихтой помещают в контейнер, изготовленный из нелегированного железа, в виде стакана диаметром 108 мм, высотой 700 мм. Стакан вакууммируют до остаточного давления 1·10^-2 мм рт.ст., заполняют аргоном до атмосферного давления и герметично заваривают железной нелегированной крышкой. Контейнер помещают вертикально в печь плавления. Слиток магния с шихтовкой расплавляют и для перемешивания расплава переводят печь вместе с контейнером в горизонтальное положение. Перемешивание расплава осуществляют путем периодического изменения угла наклона контейнера вместе с печью относительно горизонтального положения на угол 10-20 град. Перемешивание ведут в течение 30-40 минут. Далее контейнер с расплавом перемещают в кристаллизатор, который представляет собой трубчатую печь, снабженную с одной стороны водоохлаждаемым холодильником, а с другой стороны теплоизолирующей крышкой. Нагреватель выполнен многосекционным, позволяющим создавать вдоль печи температурный градиент.

Кристаллизатор с помещенным в него контейнером с расплавом устанавливают вертикально, включают охлаждающую воду и, изменяя температуру секций нагревателя, проводят кристаллизацию расплава со скоростью 10 мм/мин.

Полученный слиток магний-галлий-таллий выпрессовывали из контейнера гидравлическим прессом усилием 20 т и раскатывали в лист толщиной 0,4 мм при температуре 400°С.

Выход в годное сплава составил 85%. На поверхности слитка и прокатанных из него листах отсутствуют поры, раковины, темные вкрапления.

Однородность распределения галлия и таллия по объему полученного слитка магний-галлий-таллий, измеренная по методике атомно-эмиссионного с индуктивно-связанной плазмой определения химического состава, составила ±0,1%.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при изготовлении анодов из сплава на основе магния для водоактивируемых химических источников тока. Сплав на основе магния, содержащий галлий и таллий, получают шихтованием исходных компонентов путем помещения металлических галлия и таллия в герметичную, заполненную инертной атмосферой внутреннюю полость, выполненную в слитке исходного магния, расплавлением шихты в контейнере, перемешиванием расплава при периодическом изменении угла наклона относительно горизонтального расположения контейнера или при вращении контейнера вокруг горизонтальной оси с последующей кристаллизацией в контейнере плавления путем перемещения температурного градиента снизу вверх вдоль вертикальной оси контейнера с расплавом со скоростью 5-10 мм/мин. Плавление и кристаллизацию компонентов сплава ведут в контейнере, выполненном из нелегированной стали. Техническим результатом изобретения является повышение качества сплава за счет однородного распределения галлия и таллия по объему полученного слитка и выхода годного сплава. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ получения сплава на основе магния для анодов водоактивируемых химических источников тока, включающий шихтование исходных компонентов, расплавление, перемешивание и кристаллизацию расплава с заданной скоростью, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов используют металлические галлий, таллий и магний, шихтование исходных компонентов проводят путем помещения галлия и таллия в герметичную, заполненную инертной атмосферой внутреннюю полость, выполненную в слитке исходного магния, перемешивание расплава осуществляют при периодическом изменении угла наклона относительно горизонтального расположения контейнера или при вращении контейнера вокруг горизонтальной оси, а кристаллизацию проводят в контейнере плавления путем перемещения температурного градиента снизу вверх вдоль вертикальной оси контейнера с расплавом со скоростью 5-10 мм/мин.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плавление и кристаллизацию компонентов сплава ведут в контейнере, выполненном из нелегированной стали.