專利名稱:金屬電解精煉用的粉末冶金陰極母板及其制造工藝的制作方法
本發(fā)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制造方法。
目前，在金屬電解精煉銅、鎳、鈷等有色金屬生產(chǎn)中，通常采用銅及銅合金板或不銹鋼板或熔煉變形鈦板制成的陰極母板。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(dǎo)電性，但不耐腐蝕;此外，在母板上生成的種板不易剝離，要在陰極母板上涂隔離劑，這既增加了成本，又污染了電解液，同時殘片率高，勞動強度大。不銹鋼陰極母板耐腐蝕，但導(dǎo)電性差，種板也不易剝離，也要涂隔離劑。熔煉變形鈦做陰極母板，耐腐蝕，其表面氧化膜使種板易于剝離，無需涂隔離劑，產(chǎn)片率高達90%以上，但這種材料價格高，導(dǎo)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(dǎo)電耳環(huán)的連接問題。當(dāng)與鈦導(dǎo)電耳環(huán)連接時電解沉積慢，生產(chǎn)周期長，當(dāng)與銅耳環(huán)連接時，由于鈦與銅直接焊接產(chǎn)生脆性化合物，而只能采用螺栓連接或鉚接，但鈦和銅間存在電位腐蝕長期使用時連接處易松動，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(huán)用不銹鋼螺釘連接，使用壽命為6-12個月;鈦母板與銅耳環(huán)間用銅鉚釘連接，其工作壽命為24-36個月。由于母板與耳環(huán)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(dǎo)電耳環(huán)，其中鈦芯銅棒的導(dǎo)電耳環(huán)使用壽命在三年以上，但這種連接結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且成本高，要將用做導(dǎo)電耳環(huán)的銅包鈦棒鉆孔露出其中的鈦芯，然后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復(fù)合電極板，除母板的上端面露出銅以外，其余諸面全部由鈦所包覆，這種電極的缺點是同樣存在與導(dǎo)電耳環(huán)連接的問題，又由于母板一端露銅不耐腐蝕，不適合電解精煉鎳、鈷使用。
復(fù)合金屬板的制造方法很多，昭42-24984專利提出了兩種板材(鈦與銅)爆炸成型工藝。將爆炸成型復(fù)合的鈦色銅板經(jīng)熱軋、酸洗、冷軋等工序制成電極。這種電極由于使用熔煉加工的金屬板，價格較高，制造工藝、設(shè)備也較復(fù)雜。美國專利U.S4256810提出的用粉末軋制、燒結(jié)工藝生產(chǎn)的高導(dǎo)電鈦電極，這種工藝生產(chǎn)的電極存在如下問題(1)電極主要由兩層燒結(jié)鈦粉構(gòu)成，由于鈦粉的導(dǎo)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，后者增加了電能消耗，都不適于做金屬電解精煉的陰極母板。(2)內(nèi)芯與外層在壓制或軋制后要在1600-1800°F下真空燒結(jié)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，因而也不適于做金屬電解精煉的陰極母板。(3)由于采用粉末軋機，直接軋制復(fù)合板再真空燒結(jié)，對于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(guī)格的粉末軋機和真空燒結(jié)爐，不僅耗能大，設(shè)備工藝復(fù)雜，而且這種大規(guī)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，是將鈦粉置于可塑性包套中，振動包套使鈦粉密實，抽真空，封口，然后進行熱軋。這種方法的優(yōu)點是在熱軋過程中使燒結(jié)和致密化同時進行，工藝簡單，但不能用于生產(chǎn)復(fù)合板材，只能用于單一金屬粉或合金粉末的軋制成型。
本發(fā)明的目的在于制造各種形式的復(fù)合陰極母板，它具有導(dǎo)電率高，耐腐蝕，易剝離種板的優(yōu)點。
本發(fā)明的另一個目的是制造出適用于銅、鎳、鈷等金屬電解精煉用的復(fù)合陰極母板。
本發(fā)明的第三個目的是要找出一種適合大尺寸復(fù)合陰極母板的生產(chǎn)工藝，工藝簡單，生產(chǎn)費用低。
本發(fā)明的第四個目的是要在母板與導(dǎo)電耳環(huán)之間實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單導(dǎo)電良好的連接。
最后，本發(fā)明的目的是要使用價格低廉的材料制造陰極母板。
為了達到上述目的，本發(fā)明希望避開銅母板不易剝離種板和不耐腐蝕、鈦母板導(dǎo)電率低的缺點，充分發(fā)揮銅母板導(dǎo)電率高、與銅導(dǎo)電耳環(huán)容易連接、無電位腐蝕、壽命長的優(yōu)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，然后制成各種形式的厚度一致的復(fù)合母板。為了加強高導(dǎo)電率金屬和鈦之間的冶金結(jié)合，可在其間加入兩者的混合粉末做為過渡層。對鈦、銅復(fù)合板，混合過渡層為Ti-Cu3-50Wt%，對鈦、鐵復(fù)合板，混合過渡層為Ti-Fe3-50Wt%。為了制造這種母板，本發(fā)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的單位壓力壓制成復(fù)合粉坯。復(fù)合粉坯在350-550℃下真空處理1-3小時，冷卻后在大氣中裝入可塑性金屬包套中，然后焊封。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(jié)和致密化。熱軋首次加工率為10-50%，軋至所需尺寸后去掉包套。為了防止包套與復(fù)合陰極母板端部的銅頭壓焊，在復(fù)合粉坯裝入包套之前，最好在銅頭表面涂上二硫化鉬。
本發(fā)明與已有技術(shù)相比，其優(yōu)點在于(1)由于使用了復(fù)合材料，使母板既有高的導(dǎo)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(chǎn)片率由銅母板的75%提高到98%，延長了母板壽命，節(jié)省了勞動力，減小了勞動強度。
(2)由于制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)可以采用不同形式的母板結(jié)構(gòu)和材料制成不同的陰極母板，適用于不同金屬電解精煉生產(chǎn)。
(4)由于采用了等靜壓粉末成型-熱軋工藝，不需要大規(guī)格的粉末軋機和真空燒結(jié)爐，熱軋時使金屬粉末燒結(jié)與加工致密化同時進行，可以節(jié)省能源減少工序。
(5)由于導(dǎo)電內(nèi)芯可以伸出鈦外層之外(附圖1，2，4)，與銅耳環(huán)可采用焊接、鉚接、螺紋連接等連接方式或直接與電源導(dǎo)桿連接，這種連接避免了鈦母板與銅耳環(huán)的鉚接、螺栓連接所產(chǎn)生的電位腐蝕，提高了連接處的使用壽命，而且連接結(jié)構(gòu)簡單。
(6)本發(fā)明的各種形式的母板可選擇地適用于銅、鎳、鈷、錳及貴金屬的電解精煉。
(7)本發(fā)明提出的復(fù)合板材的粉末成型-熱軋工藝也適用于制造Ti-Cu(或Fe)以外的其它金屬的復(fù)合材料，以及兩層以上的復(fù)合材料。
附圖1 銅頭鈦體復(fù)合陰極母板附圖2 銅頭鈦包銅復(fù)合陰極母板附圖3 全包式鈦包銅(或鐵)復(fù)合陰極母板附圖4 銅頭鈦包鐵復(fù)合陰極母板實施例1本實施例為Ti-Cu復(fù)合陰極母板(圖2)。銅內(nèi)芯除頭部伸出外，其余部分全部為鈦所包覆。銅頭與導(dǎo)電銅耳環(huán)可以采用焊接、螺栓連接或鉚接，消除了鈦母板鈦耳環(huán)連接和鈦母板銅耳環(huán)連接的缺點，實現(xiàn)良好的導(dǎo)電連接。為了增加銅內(nèi)芯與鈦外層的結(jié)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(dǎo)電率高，種板易剝離，殘片率低，耐腐蝕。這種母板的制造工藝是先將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，然后平鋪-80+300目銅粉，厚20mm，之后再以同樣方法鋪上Ti-Cu3～50wt%(2-2)，鈦粉，然后蓋上模板，放入等靜壓機上，以2T/cm2單位壓力壓制成L200XB290XH20mm的復(fù)合粉坯，放入真空爐中在400℃下真空處理1小時，冷卻后裝入1～2mm厚的鐵制包套中，在通冷卻水的槽中用氣焊或氬弧焊將包套焊封，然后將包套在爐中加熱至850℃，保溫10～15分鐘后，迅速將包套送入熱軋機熱軋，熱軋首次加工率大于20%，以便保證復(fù)合金屬的結(jié)合強度。其余道次加工率不小于5%，終軋溫度為300～400℃，熱軋后的板在650～750℃下在大氣或真空狀態(tài)下退火20分鐘，冷卻后切去四個邊，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)。上部采用銅頭與導(dǎo)電銅耳環(huán)連接，實現(xiàn)良好的導(dǎo)電連接。為了提高連接強度，在銅頭與鈦板結(jié)合處的周邊有Ti-Cu3～50wt%(1-2)的混合過渡層，實現(xiàn)較好的冶金結(jié)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)的復(fù)合陰極母板。為了增加結(jié)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(jié)構(gòu)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，除了用于銅電解外，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)復(fù)合陰極母板(圖4)。頭部采用銅頭與導(dǎo)電銅耳環(huán)導(dǎo)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(jié)合強度。該種母板較Ti母板導(dǎo)電好，耐腐蝕，易剝離種板，價格便宜。
權(quán)利要求
1.金屬電解精煉用的復(fù)合陰極母板，由鈦和高導(dǎo)電率金屬銅復(fù)合而成，其特征是(1)所說的高導(dǎo)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復(fù)合陰極母板是由鈦粉和銅粉和/或鐵粉為原料分層制成的；(3)鈦粉粒度-20+300目，銅粉、鐵粉粒度均為-80+300目；(4)復(fù)合陰極母板的厚度在各個部位都是一致的。
2.按照權(quán)利要求
1所說的金屬電解精煉用的復(fù)合陰極母板，其特征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(quán)利要求
1，2所說的金屬電解精煉用的復(fù)合陰極母板，其特征是母板頭部為銅(1-1)，其余部分為鈦(1-3)。
4.按照權(quán)利要求
1，2所說的金屬電解精煉用的復(fù)合陰極母板，其特征是用鈦(2-3)將銅(2-1)包覆，但其中部分銅不為鈦所包覆。
5.按照權(quán)利要求
1，2所說的金屬電解精煉用的復(fù)合陰極母板，其特征是用鈦(3-3)將銅或鐵(3-1)全部包覆。
6.按照權(quán)利要求
1，2所說的金屬電解精煉用的復(fù)合陰極母板，其特征是銅(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制造工藝，包括裝粉、密實、包套封焊、熱軋、去除包套工序，這種工藝的特征是(1)所說的金屬粉末板材是金屬電解精煉復(fù)合陰極母板;(2)所說的裝粉是根據(jù)母板結(jié)構(gòu)形式將金屬粉末分層裝入模具內(nèi);(3)所說的密實是采用0.2～2.5T/CV2的壓力下的冷等靜壓;(4)密實后的粉坯經(jīng)350～550℃，1～3小時真空處理;(5)真空處理后的粉坯裝入包套內(nèi)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(quán)利要求
7所說的制造工藝，其特征是熱軋后的板材在大氣或真空下經(jīng)650～750℃退火處理。
9.按照權(quán)利要求
7，8所說的制造工藝，其特征是粉坯在裝入包套前在銅頭表面涂二硫化鉬。
專利摘要
本發(fā)明為電解精煉銅、鎳、鈷等有色金屬用的陰極母板及其制造工藝。本發(fā)明的復(fù)合陰極母板克服了銅、不銹鋼和熔煉變形鈦板制成的陰板母板的缺點，同時又保留了銅、鈦用于陰極母板的優(yōu)點，導(dǎo)電率高，與導(dǎo)電耳環(huán)保持良好電連接，易剝離種板，耐腐蝕，種板產(chǎn)片率高。對該種母板采用了等靜壓成型一熱軋工藝，不需要大規(guī)格粉末軋機和真空燒結(jié)爐，適用于較大規(guī)格復(fù)合陰極母板的制造。
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(fā)明者趙昌森 申請人:北京有色金屬研究總院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan