Сплав на основе цинка для анодов и способ его обработки Советский патент 1993 года по МПК C22C18/04 C22F1/16 

Изобретение относится к металлургии, в частности к сплавам на основе цинка, используемым в качестве анодов, и способам обработки этих сплавов.

Цинковые сплавы, благодаря их электрохимическим свойствам, широко применяют в качестве гальванических анодов, в частности для химических источников тока (ХИТ). Наиболее широко используется в производстве ХИТ сплав ,4-0 ,6) мае. % ВЬ-(0,04-0,06) мае.% Cd.

Из него изготавливают аноды ХИТ в виде стаканчиков, которые одновременно являются корпусами.

К сплавам, предназначенным для изготовления корпусов ХИТ, наряду с коррози- онными свойствами предъявляются требования по технологичности при обработке, в частности по технологической пластичности при глубокой вытяжке.

Указанный известный сплав недостаточно пластичен при глубокой вытяжке, Сплав обладает недостаточной коррозионной стойкостью, что часто приводит к разви- тию питинговой коррозии анода в- присутствии электролита (даже в процессе хранения ХИТ) и преждевременному их выходу из строя. Кроме того этот сплав содержит такие токсичные элементы, как свинец и кадмий, что вызывает определенные трудности, связанные как с его выплавкой, так и с утилизацией отходов и отработанных ХИТ. Наиболее близким по составу к заявляемому и принятым в качестве прототипа является сплав для гальванических элементов, содержащий, мас.%:

Алюминий0,05-0,5 Олово 0,01-0,5 Марганец 0,005-0,04 Титан и/или бор 0,006-0,05 Цинк Остальное

VI

со

оо О О

4

Однако этот сплав недостаточно технологичен при глубокой вытяжке. Стенки анодов (стаканчиков) шероховатые, имеют следы растрескивания.

Как показали испытания, коррозионная стойкость сплавов Zn-(0,05-0,5) мае. % AI - (0,01-0,5) мас.% Sn при содержании олова более 0,05 мас.% снижается, а введение же марганца, титана или бора увеличивает скорость коррозии в несколько раз.

Известен способ обработки алюминие- во-цинкового сплава состава 30-95 мас.% цинка, остальное - алюминий и дополнительные элементы, включающий нагрев до температуры выше 250°С, выдержку при этой температуре в течение 1-500 ч и охлаждение со скоростью 200-0,00028°С/с.

Этот способ позволяет зафиксировать при комнатной температуре состояние, полученное при температуре выдержки. При нагреве перед последующей деформацией происходит выделение избыточных фаз, что снижает технологичность сплава и приводит к растрескиванию при прокатке.

Наиболее близким к заявляемому явля- ется способ обработки цинковых сплавов, включающий нагрев слитков до температуры 140-210°С и прокатку при этой температуре.

Этот способ принят в качестве прототи- па. Однако для сплавов, содержащих индий он неприменим, так как вышеуказанная температура нагрева под прокатку высока для них, поскольку при нагреве по границам зерен происходит оплавление эвтектики цинк-индий, что приводит к растрескиванию сплава при прокатке.

Известен сплав на основе цинка, содержащий индий - более 0,01 мас.% и галлий - более 0,01 мас.%.

Указанный сплав используется в электродах сухих гальванических элементов, он достаточно коррозионностоек. Однако из- за низкой пластичности его. невозможно обрабатывать давлением. Этот сплав используют в виде порошка, технология изготовления его сложна, трудоемка и малопроизводительна.

Целью изобретения является повышение технологической пластичности сплава при глубокой вытяжке, коррозионной стойкости, улучшение качества поверхности.

Для достижения поставленной цели разработан сплав на основе цинка для анодов, содержащий алюминий, олово, кото- рый дополнительно содержит индий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий0,1-0,7

Олово0,001-0,05

Индий0,001-0,05

ЦинкОстальное

Поставленная цель достигается также тем, что в способе обработки сплава на основе цинка для анодов, включающем нагрев до температуры горячего деформирования и деформирование при этой температуре, согласно изобретению, нагрев осуществляют до температуры 100-130°С, а затем проводят выдержку в течение 24-72 ч.

Заявляемый сплав с заданным соотношением компонентов требует обработки по заявленному способу, что и обеспечивает достижение поставленной цели.. Следовательно, заявляемые изобретения связаны единым изобретательским замыслом.

Содержание элементов в сплаве выбрано так, чтобы повысить технологичность при глубокой вытяжке и коррозионную стойкость.

Введение алюминия в сплав в пределах 0,1-0,7 мас.% улучшает литейные свойства, способствует измельчению структуры сплава и повышает его технологическую пластичность при обработке давление, стойкость против коррозии под напряжением.

Кроме того, при содержании алюминия 0,1-0,7 мас.% сплав обладает минимальной поляризуемостью.

С увеличением содержания алюминия более 0,7 мас.% технологичность сплава остается на том же уровне, но резко увеличиваетсяполяризуемость, что нецелесообразно.

Содержание алюминия менее 0,1 мас.% недостаточно измельчает зерно, а также ведет к резкому возрастанию поляризуемости сплава и снижению стационарного потенциала.

Введение олова в количестве 0,001-0,05 мас.% повышает коррозионную стойкость сплава, так как олово находится в твердом растворе, поэтому максимальное содержание олова в сплаве не должно превышать его растворимость в цинке при комнатной температуре, равную 0,05 мас.%.

При содержании олова менее 0,001 мас.% технологичность сохраняется, но коррозионная стойкость снижается.

Увеличение содержания олова более 0,05 мас.% вследствие образования эвтектики цинк-олово, располагающейся по границам зерен, приводит к охрупчиванию сплава.

Однако введение алюминия и олова недостаточно для достижения необходимой технологичности сплава. И только введение индия в пределах (0,001-0,05) мас.% повышает технологичность сплава при глубокой

вытяжке, При этом дополнительно возрастает коррозионная стойкость сплава.

При содержании индия менее 0,001 мае. % технологичность сплава при глубокой вытяжке снижается. На стенках анодов появляетсячешуйчатость, гофра, растрескивание, не удается получить аноды необходимой высоты. Одновременно снижается и коррозионная стойкость сплава.

При содержании индия более 0,05 мас.% не весь индий переходит в твердый раствор при нагреве под обработку давлением прокаткой, по границам зерен располагается эвтектика цинк-индий, что охрупчивает сплав, ухудшая его обрабатываембсть и снижая технологичность при последующем обратном прессовании.

Известные способы обработки не позволяют избежать растрескивания при прокатке цинковых сплавов, содержащих индий.

При указанном содержании индия в сплаве оптимальной температурой нагрева под прокатку является 100-130°С.

Поскольку при 143°С индий образует с цинком эвтектику, располагающуюся по границам зерен, температура нагрева с целью избежания оплавления по границам, не должна превышать 130°С.

С понижением температуры растворимость индия в цинке резко уменьшается. Поэтому при температуре ниже 100°С не весь индий может перейти в твердый раствор, что отрицательно скажется на технологичности сплава.

Выдержка при указанной температуре в течение 24-72 ч способствует диффузионному переходу индия в твердый раствор на основе цинка.

Поскольку степень прохождения диффузионных процессов определяется не только температурным, но и временным режимом, минимальное время, необходимое для полного прохождения процесса, является важным параметром. Выдержка при тем- пературе 100-130°С менее 24 ч недостаточна для полного растворения индия. Поэтому из-за неполного прохождения процесса растворения индия обрабатываемость сплава снижается .

Продолжительность выдержки более 72 ч нецелесообразна, поскольку этого времени достаточно для полного растворения, а увеличение продолжительности нагрева сплава не экономично.

П р и м е р 1. Сплав выплавляли в индукционной печи. В качестве исходных материалов использовали цинк (ГОСТ 3640-79),

алюминий (ГОСТ 11069-74), олово (ГОСТ 860-75), индий (ГОСТ 10279-75). Полученные слитки нагревали до 100°С, выдерживали 2 ч и прокатывали на готовый размер. Из прокатанных полос вырубали рондели, из которых методом обратного прессования изготавливали аноды (стаканчики).

Поверхность анодов ровная, гладкая высота более 58,5 мм, выход годного составил 95%. Потеря веса при коррозионные испытаниях составила 0,016 г/кв.см, т.е. коррозионная стойкость по крайней мере е 3-4 раза выше по сравнению с известными способами.

П р и м е р 2. Аналогично примеру 1 полученные слитки из сплава на основе цинка нагрели до 110°С, выдержали 48 ч и прокатали на полосу, из которой вырубили рондели и изготовили аноды. Поверхность

анодов ровная, гладкая, высота их более 58,5 мм, потеря веса составила 0,019 г/кв.см. Таким образом, показатели по технологической пластичности и коррозионной стойкости значительно превышают указанные

показатели, полученные известными способами.

П р и м е р 3. Аналогично примеру 1 слитки нагрели до 130°С, выдержали 24 ч и изготовили аноды, высота которых превышала 58,5 мм, потеря веса составила 0,017 г/кв.см, что также значительно превосходит показатели, полученные известными способами.

Состав и свойства разработанного

сплава, обработанного по предложенному способу, приведены в табл. 1 и 2. Формула изобретения

1. Сплав на основе цинка для анодов, содержащий алюминий, олово, отличаю- щ и и с я тем, что, с целью повышения технологической пластичности сплава при глубокой вытяжке, корроззионной стойкости, улучшения качества поверхности, он до- полнительно содержит индий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Алюминий0,1-0,7 Олово 0,001-0,05 Индий . 0,001-0,05 Цинк Остальное

2. Способ обработки сплава на основе цинка для анодов, включающий нагрев до температуры горячего деформирования и деформирование при этой температуре, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что нагрев осуществляют до 100-130°С, затем проводят выдержку в течение 24-72 ч.

/

Таблица 1

Использование: металлургия, изготовление анодов. Сплав на основе цинка для анодов включает алюминий, олово. Сплав дополнительно содержит индий при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий 0,1-0,7; олово 0,001-0,05; индий 0,001-0,05; цинк - остальное. Способ обработки сплава на основе цинка для анодов включает нагрев до температуры горячего деформирования и деформирование при этой температуре. Нагрев осуществляют до температуры 100-120°С, затем проводят выдержку в течение 24-72 ч. 2 с.п. ф-лы, 2 табл. ел с

Химический состав сплава

Результаты испытаний по предлагаемому и известному способам ., ;

Известный 170

80

.чешуйчатость 0,б1Э

X) - в соответствии с СТ„ СЭВ, время испытания 30 мин,

}- в соответствии с СТ СЭВ 3345-82 подъем температуры за 10 мин не должен превышать 2°С

)

при испытании. соляной кислоте :(d 1,05)

в соответствии с ТУ 1б-5бЗоОЗЗ 86 минимальная высота анодов 58,5 мм

Таблица 2

26

гофра, растрескива