金屬電解精煉用的粉末冶金陰極母板及其製造工藝的製作方法

2023-05-30 19:41:46 1

專利名稱:金屬電解精煉用的粉末冶金陰極母板及其製造工藝的製作方法
本發明為電解精煉銅、鎳、鈷等有色金屬用的粉末冶金陰極母板以及該種母板的製造方法。
目前，在金屬電解精煉銅、鎳、鈷等有色金屬生產中，通常採用銅及銅合金板或不鏽鋼板或熔煉變形鈦板製成的陰極母板。這幾種材料各有缺點，都不是較理想的陰極母板材料。銅及銅合金陰極母板具有良好的導電性，但不耐腐蝕;此外，在母板上生成的種板不易剝離，要在陰極母板上塗隔離劑，這既增加了成本，又汙染了電解液，同時殘片率高，勞動強度大。不鏽鋼陰極母板耐腐蝕，但導電性差，種板也不易剝離，也要塗隔離劑。熔煉變形鈦做陰極母板，耐腐蝕，其表面氧化膜使種板易於剝離，無需塗隔離劑，產片率高達90%以上，但這種材料價格高，導電性差，使用鈦陰極母板的槽電壓比用銅陰極母板的槽電壓高出10-30%。此外，使用鈦母板存在與導電耳環的連接問題。當與鈦導電耳環連接時電解沉積慢，生產周期長，當與銅耳環連接時，由於鈦與銅直接焊接產生脆性化合物，而只能採用螺栓連接或鉚接，但鈦和銅間存在電位腐蝕長期使用時連接處易鬆動，不僅引起槽電壓升高10-40%，而且減少了母板的使用壽命。美國TMS論文集中A77-8論文指出，在低電流密度時，鈦母板與銅耳環用不鏽鋼螺釘連接，使用壽命為6-12個月;鈦母板與銅耳環間用銅鉚釘連接，其工作壽命為24-36個月。由於母板與耳環的材料不同，必然存在著電位腐蝕問題，影響使用壽命。在高電流密度的情況下，必須使用固定連接，用鈦芯銅棒或者銅芯鈦棒做成導電耳環，其中鈦芯銅棒的導電耳環使用壽命在三年以上，但這種連接結構複雜而且成本高，要將用做導電耳環的銅包鈦棒鑽孔露出其中的鈦芯，然後將鈦芯與鈦母板通過鈦柱焊接相連。
昭42-24984文獻提出了一種鈦包銅複合電極板，除母板的上端面露出銅以外，其餘諸面全部由鈦所包覆，這種電極的缺點是同樣存在與導電耳環連接的問題，又由於母板一端露銅不耐腐蝕，不適合電解精煉鎳、鈷使用。
複合金屬板的製造方法很多，昭42-24984專利提出了兩種板材(鈦與銅)爆炸成型工藝。將爆炸成型複合的鈦色銅板經熱軋、酸洗、冷軋等工序製成電極。這種電極由於使用熔煉加工的金屬板，價格較高，製造工藝、設備也較複雜。美國專利U.S4256810提出的用粉末軋制、燒結工藝生產的高導電鈦電極，這種工藝生產的電極存在如下問題(1)電極主要由兩層燒結鈦粉構成，由於鈦粉的導電率遠比銅低，要達到電解時所需電流密度，只有加大鈦板橫截面或加大電流，前者耗費鈦材多，後者增加了電能消耗，都不適於做金屬電解精煉的陰極母板。(2)內芯與外層在壓制或軋制後要在1600-1800°F下真空燒結2～3小時，因而形成大量銅-鈦脆性化合物，降低了材料強度，減少了電極的使用壽命，因而也不適於做金屬電解精煉的陰極母板。(3)由於採用粉末軋機，直接軋制複合板再真空燒結，對於一般金屬電解精煉所使用的800×800mm左右的陰極母板，則需要大規格的粉末軋機和真空燒結爐，不僅耗能大，設備工藝複雜，而且這種大規格的粉末軋機不易得到或往往不能得到充分使用。日本專利許公報昭57-41521介紹了鈦板粉末熱軋法，是將鈦粉置於可塑性包套中，振動包套使鈦粉密實，抽真空，封口，然後進行熱軋。這種方法的優點是在熱軋過程中使燒結和緻密化同時進行，工藝簡單，但不能用於生產複合板材，只能用於單一金屬粉或合金粉末的軋製成型。
本發明的目的在於製造各種形式的複合陰極母板，它具有導電率高，耐腐蝕，易剝離種板的優點。
本發明的另一個目的是製造出適用於銅、鎳、鈷等金屬電解精煉用的複合陰極母板。
本發明的第三個目的是要找出一種適合大尺寸複合陰極母板的生產工藝，工藝簡單，生產費用低。
本發明的第四個目的是要在母板與導電耳環之間實現結構簡單導電良好的連接。
最後，本發明的目的是要使用價格低廉的材料製造陰極母板。
為了達到上述目的，本發明希望避開銅母板不易剝離種板和不耐腐蝕、鈦母板導電率低的缺點，充分發揮銅母板導電率高、與銅導電耳環容易連接、無電位腐蝕、壽命長的優點以及鈦母板耐腐蝕、易剝離種板的長處，利用粉末冶金方法先將粒度為-80+300目的金屬粉末層(銅和/或鐵)部分包覆或全部包覆在-20+300目的鈦粉末層中，然後製成各種形式的厚度一致的複合母板。為了加強高導電率金屬和鈦之間的冶金結合，可在其間加入兩者的混合粉末做為過渡層。對鈦、銅複合板，混合過渡層為Ti-Cu3-50Wt%，對鈦、鐵複合板，混合過渡層為Ti-Fe3-50Wt%。為了製造這種母板，本發明提出了一種粉末冷等靜壓成型-熱軋工藝，它由多種金屬粉末分層裝入模中，等靜壓密實成型，真空處理，包套封焊，熱軋，去包套等工序組成。在冷等靜壓機中以0.5-2.5T/CM2的單位壓力壓製成複合粉坯。複合粉坯在350-550℃下真空處理1-3小時，冷卻後在大氣中裝入可塑性金屬包套中，然後焊封。將包套在爐中加熱至800-950℃，保溫5-30分鐘，迅速將包套送入熱軋機中熱軋，在熱軋中同時完成燒結和緻密化。熱軋首次加工率為10-50%，軋至所需尺寸後去掉包套。為了防止包套與複合陰極母板端部的銅頭壓焊，在複合粉坯裝入包套之前，最好在銅頭表面塗上二硫化鉬。
本發明與已有技術相比，其優點在於(1)由於使用了複合材料，使母板既有高的導電率，又耐腐蝕，易剝離種板。與鈦母板比較降低電能消耗，與銅母板比較剝離種板容易，種板產片率由銅母板的75%提高到98%，延長了母板壽命，節省了勞動力，減小了勞動強度。
(2)由於製造陰極母板的原材料鈦、銅、鐵全部為金屬粉末，其成本比用相同的金屬板材有顯著的降低。
(3)可以採用不同形式的母板結構和材料製成不同的陰極母板，適用於不同金屬電解精煉生產。
(4)由於採用了等靜壓粉末成型-熱軋工藝，不需要大規格的粉末軋機和真空燒結爐，熱軋時使金屬粉末燒結與加工緻密化同時進行，可以節省能源減少工序。
(5)由於導電內芯可以伸出鈦外層之外(附圖1，2，4)，與銅耳環可採用焊接、鉚接、螺紋連接等連接方式或直接與電源導杆連接，這種連接避免了鈦母板與銅耳環的鉚接、螺栓連接所產生的電位腐蝕，提高了連接處的使用壽命，而且連接結構簡單。
(6)本發明的各種形式的母板可選擇地適用於銅、鎳、鈷、錳及貴金屬的電解精煉。
(7)本發明提出的複合板材的粉末成型-熱軋工藝也適用於製造Ti-Cu(或Fe)以外的其它金屬的複合材料，以及兩層以上的複合材料。
附圖1 銅頭鈦體複合陰極母板附圖2 銅頭鈦包銅複合陰極母板附圖3 全包式鈦包銅(或鐵)複合陰極母板附圖4 銅頭鈦包鐵複合陰極母板實施例1本實施例為Ti-Cu複合陰極母板(圖2)。銅內芯除頭部伸出外，其餘部分全部為鈦所包覆。銅頭與導電銅耳環可以採用焊接、螺栓連接或鉚接，消除了鈦母板鈦耳環連接和鈦母板銅耳環連接的缺點，實現良好的導電連接。為了增加銅內芯與鈦外層的結合強度，在兩者之間放入Ti-Cu3～50wt%(2-2)的混合過渡層。這種母板導電率高，種板易剝離，殘片率低，耐腐蝕。這種母板的製造工藝是先將L300XB310XH10mm的-60+300目鈦粉均勻平鋪在模子中，用隔板將銅頭部分隔開，不使有鈦粉，在鈦粉之上鋪上2～4mm厚的Ti-Cu3-50wt%的混合過渡層，然後平鋪-80+300目銅粉，厚20mm，之後再以同樣方法鋪上Ti-Cu3～50wt%(2-2)，鈦粉，然後蓋上模板，放入等靜壓機上，以2T/cm2單位壓力壓製成L200XB290XH20mm的複合粉坯，放入真空爐中在400℃下真空處理1小時，冷卻後裝入1～2mm厚的鐵製包套中，在通冷卻水的槽中用氣焊或氬弧焊將包套焊封，然後將包套在爐中加熱至850℃，保溫10～15分鐘後，迅速將包套送入熱軋機熱軋，熱軋首次加工率大於20%，以便保證複合金屬的結合強度。其餘道次加工率不小於5%，終軋溫度為300～400℃，熱軋後的板在650～750℃下在大氣或真空狀態下退火20分鐘，冷卻後切去四個邊，去掉包套鐵皮。
實施例2，(圖1)本實施例為銅頭(1-1)鈦母板(1-3)。上部採用銅頭與導電銅耳環連接，實現良好的導電連接。為了提高連接強度，在銅頭與鈦板結合處的周邊有Ti-Cu3～50wt%(1-2)的混合過渡層，實現較好的冶金結合。這種母板特點是重量輕，耐腐蝕。
實施例3，(圖3)該實施例為全包式鈦(3-3)包銅或鐵(3-1)的複合陰極母板。為了增加結合強度，在銅與鈦或鐵與鈦之間加入了Ti-Cu3～50wt%或Ti-Fe3～50wt%(3-2)混合過渡層。該種結構的母板因為將銅或鐵全部封閉在鈦板中，因此耐腐蝕性最好，除了用於銅電解外，還可以在鎳、鈷、錳電解中做陰極母板。
實施例4.
本實施例為銅頭(4-1)鈦(4-3)包鐵(4-4)複合陰極母板(圖4)。頭部採用銅頭與導電銅耳環導電連接。在鈦與鐵之間放入Ti-Fe3～50wt%(4-2)混合過渡層，加強兩者的結合強度。該種母板較Ti母板導電好，耐腐蝕，易剝離種板，價格便宜。
權利要求
1.金屬電解精煉用的複合陰極母板，由鈦和高導電率金屬銅複合而成，其特徵是(1)所說的高導電率金屬可以用鐵取代或者用相連接的銅與鐵取代；(2)所說的金屬電解精煉用的複合陰極母板是由鈦粉和銅粉和/或鐵粉為原料分層製成的；(3)鈦粉粒度-20+300目，銅粉、鐵粉粒度均為-80+300目；(4)複合陰極母板的厚度在各個部位都是一致的。
2.按照權利要求
1所說的金屬電解精煉用的複合陰極母板，其特徵是鈦與銅界面之間有混合過渡層Ti-Cu 3-50Wt%，在鈦與鐵界面之間有Ti-Fe 3-50Wt%的混合過渡層。
3.按照權利要求
1，2所說的金屬電解精煉用的複合陰極母板，其特徵是母板頭部為銅(1-1)，其餘部分為鈦(1-3)。
4.按照權利要求
1，2所說的金屬電解精煉用的複合陰極母板，其特徵是用鈦(2-3)將銅(2-1)包覆，但其中部分銅不為鈦所包覆。
5.按照權利要求
1，2所說的金屬電解精煉用的複合陰極母板，其特徵是用鈦(3-3)將銅或鐵(3-1)全部包覆。
6.按照權利要求
1，2所說的金屬電解精煉用的複合陰極母板，其特徵是銅(4-1)與鐵(4-4)對接，用鈦(4-3)將鐵和部分銅包覆。
7.一種金屬粉末板材製造工藝，包括裝粉、密實、包套封焊、熱軋、去除包套工序，這種工藝的特徵是(1)所說的金屬粉末板材是金屬電解精煉複合陰極母板;(2)所說的裝粉是根據母板結構形式將金屬粉末分層裝入模具內;(3)所說的密實是採用0.2～2.5T/CV2的壓力下的冷等靜壓;(4)密實後的粉坯經350～550℃，1～3小時真空處理;(5)真空處理後的粉坯裝入包套內再封焊;(6)所說的熱軋，其熱軋加熱制度為800～950℃，保溫5～30分鐘，首次加工率為10～50%。
8.按照權利要求
7所說的製造工藝，其特徵是熱軋後的板材在大氣或真空下經650～750℃退火處理。
9.按照權利要求
7，8所說的製造工藝，其特徵是粉坯在裝入包套前在銅頭表面塗二硫化鉬。
專利摘要
本發明為電解精煉銅、鎳、鈷等有色金屬用的陰極母板及其製造工藝。本發明的複合陰極母板克服了銅、不鏽鋼和熔煉變形鈦板製成的陰板母板的缺點，同時又保留了銅、鈦用於陰極母板的優點，導電率高，與導電耳環保持良好電連接，易剝離種板，耐腐蝕，種板產片率高。對該種母板採用了等靜壓成型一熱軋工藝，不需要大規格粉末軋機和真空燒結爐，適用於較大規格複合陰極母板的製造。
文檔編號C25C7/00GK85104858SQ85104858
公開日1987年1月7日 申請日期1985年6月26日
發明者趙昌森 申請人:北京有色金屬研究總院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan