职工教材1合金铸造

1、职工教材-1 板栅铸造板栅结构和合金1. 板栅结构 板栅是支撑活性物质的载体，同时做传导电流的导体。板栅的设计要根据蓄电池使用条件，结构要合理，全面综合考虑，既要填涂更多的铅膏，又要有利于导电，而且考虑板栅的工艺性、机械强度以及耐腐蚀性等因素。板栅结构设计的考虑要素： 几何形状和总体积比例合理，正确设定筋条数量、形状和间距，达到活性物质的最大有效空间； 有利于支撑活性物质并有利于板栅表面和活性物质的结合，尽可能的增加板栅和活性物质的接触面积，防止活性物质脱落。 有利于导电和电位分布均匀，大电流放电电压降损失最少： - 板栅尺寸设计上，尽可能遵循宽大于高度的原则，宁可宽一点，不要高；使板栅的各个

2、部位离板耳最近。- 放射状和树枝状比直线水平合理。- 邻近板耳的边框和筋条要粗，远离板耳要细，粗细逐渐变化。- 重量轻，具有良好的机械强度。 具有良好的工艺性，有利于浇铸成型；筋条角度尽量大一些，脱模容易。防止铸件的局部的铅量过分集中，有利于模具温度的控制；防止出现晶间腐蚀。 应具有抗蠕变性。蓄电池在运行过程中（特别是在长期深放电运行时）正板栅长大膨胀，特别是Pb-Ca合金，大型极板比较突出。在板栅设计中设法增加极板上部机械强度。2. 板栅厚度 板栅厚度是根据蓄电池使用条件，放电率，寿命和容量要求等各种因素来确定。 - 当蓄电池以不同电流密度放电时，活性物质沿厚度方向的反应深度不相同。放电电流

3、小，放电深度较深，活性物质利用率高，放电容量大；反之，放电电流大，反应深度小，活性物质利用率低，放电反应主要集中在极板表面上进行，极板内部几乎不参加反应。因此用于大电流放电时，极板厚度要薄一些，如汽车起动用蓄电池极板厚度一般在2mm 以下；对用在中等电流密度以下放电的工业用蓄电池，极板厚度可较厚一些，可达到3mm以上。当电流密度为小于100A/m2,低电流密度放电时，其反应深度可达3mm5mm，可选择较厚的极板厚度；电流密度大于200A/m2的大电流放电时，活性物质的反应深度只有0.12mm左右，利用率急剧下降，应选择较薄的极板厚度。 - 蓄电池使用寿命的影响：对用于备用电源等长寿命蓄电池板栅

4、还要考虑金属铅的腐蚀速度。在中等密度的硫酸溶液中板栅的腐蚀速度一般为0.250.3mm/年。因此使用寿命要求达到10年以上时，正极板板栅厚度应大于3mm以上。 负极板由于活性物质利用率远远高于正极板，其厚度可以薄一些；一般为正极板的70%左右考虑。但用于低温放电的蓄电池，负极板厚度要大一些，可达正板的80%90%，或者更大。如在-40超低温条件下运行时，正极板和负极板的基本相同，甚至比正极板更厚。3. 板栅合金 蓄电池用板栅合金应满足以下要求： 满足浇铸工艺要求，流动性好，有利于成型，具有良好的加工性能； 具有良好的机械强度，有利于操作； 抗蠕变性能强，防止在使用期间板栅的胀大； 耐腐性强，保

5、证蓄电池寿命；还要考虑电化学特性；比如金属析气过电位高； 根据蓄电池类型合金配方和种类不尽相同。通常有以下类型。1）铅锑合金 铅锑合金是制造蓄电池的最典型板栅材料，其主要特性如下：- 抗拉强度、延展性、韧性以及抗蠕变性能比较好；- 合金熔点和收缩性较低，因此具有良好的流动性和充型性，有利于浇铸；- 具有比纯铅更低的热膨胀系数，蓄电池在充放电过程中不易发生变形；- 板栅与活性物质之间具有较好的结合力。早期通常采用Sb含量为6%7% 的Pb-Sb合金，其熔点为285278；合金熔点与Sb含量有关，含锑量增加，熔点下降。在生产现场上，用测定熔点的方法来，简便的控制合金含Sb量。纯铅的熔点为327.4

6、，合金熔点较低，大大提高浇注性能，具有良好的机械强度。最突出的问题是： - 充电时，正极板栅中的锑在电解液中，转移到负极，沉积在活性物质表面，降低氢过电位，还有一部分吸附在正极活性表面上，降低氧的析出过电位。因此，锑的存在，降低水的分解电压，加剧了水的分解和存放时蓄电池自放电。不能达到免维护要求。 - 耐腐性能较差，随正板栅含锑量的增加，腐蚀速度加快，降低循环寿命。当合金的锑含量为6%7%时，合金的水的分解和自放电较为明显，必须定期（如3周或一个月）进行一次补充充电和补水。 近年来，为提高蓄电池免维护性能和循环寿命，不断地降低Pb+Sb合金的Sb含量。到70年代后，合金的含锑量降到2.5%3.

7、5%，大大降低水的分解，可以作到每半年或一年加一次水，但失水率超过6g/Ah(12V蓄电池)以下的免维护标准，可称为少维护蓄电池；但依然还需要补水和补充充电等维护操作。另外，降低合金的含锑量，对铸造过程带来很大困难，不易成型，铸件容易产生裂纹。因此，在合金成分中添加如As等其他元素作为细晶剂，改善由于Sb含量的减少引发出现的问题。比较典型的合金有Pb+Sb+As合金。具体配方为Pb+Sb(3.0%4.5%)+As(0.1%0.15%)。Pb+Sb+As合金中As的存在加速硬化，增加机械强度，提高耐腐性能；但加As降低合金流动性、可铸性，使合金发脆、易裂。为改善Pb+Sb+As合金的这些缺点，合

8、金中加入0.05%0.5%的Sn，提高合金流动性，改善铸造性能。2） 低锑合金为了达到免维护蓄电池的标准（失水率低于6g/Ah-12V蓄电池），继续降低合金含锑量，达到1.5%2.5%，称为低锑合金。由于锑含量降低，流动更差，因此加入Cu、S或Se等作为合金成核剂，提高合金耐腐蚀性，防止产生热裂现象。S和Se和铅直接反应生成PbS和PbSe晶核成为成核剂。当存在适量的As时，As和Cu反应生成Cu3As，可作为成核剂。S和Se可减小晶粒尺寸，其中Se的作用比S更显著。比较典型的配方有：Pb+Sb(1.6%2.5%)+As(0.14%0.18%)+Sn(0.080.35%)+Cu(0.05%0.

9、08%)+S(0.005%0.007%)或Se(0.025%0.035%).3) 铅钙合金 早在上个世纪30年代已提出铅钙合金并开始应用于备用电源的蓄电池，但到近20年才真正大量采用。以德国为首的欧州一些国家认为锑含量降到1.5%2.5%时，失水率达到46g/Ah，这已达到6g/Ah免维护蓄电池标准，主张采用低锑合金。而美国的大部分公司认为Sb的存在总是要对水的分解产生影响，一般采用无锑的铅钙合金，其失水率达到2%4%。铅钙合金特点：- 具有良好的机械强度。铅钙合金为沉淀硬化型，即在铅基质中形成Pb3Ca金属间化合物沉淀成为硬化网络，使合金具有较强的机械强度。- 氢过电位高，不易发生水的分解。

10、水的分解电压比铅锑合金约提高200mV250mV.大大减少自放电。因此铅钙合金成为制造免维护蓄电池的主要材料。铅钙合金的主要问题： - 抗蠕变性能差，随着充放电进程正板栅长大严重。特别是对循环用大型极板，这种现象比较突出，缩短蓄电池寿命。 - 铸造过程中，钙容易被氧化烧损，不易控制钙含量。 - 表面形成不可逆阻挡层，容易引起早期容量损失，降低充电接受能力。这些缺点可通过添加其它金属元素加以解决。目前普遍采用铅钙合金配方为Pb+Ca(0.06%0.1%)+Sn(0.5%1.0%)+Al(0.02%0.04%).为了不增加生产成本分开正负板栅合金。如正板栅：Ca:0.06%0.09%,Sn:0.5

11、%1.0%,Al:0.04%；负极板：Ca:0.1%,Al:0.04%.加钙量：Pb-Ca合金中Ca含量一般控制在0.06%0.10%范围。合金在熔融状态下，Ca很容易被氧化烧损，因此通常适当增加Ca含量。Ca含量还影响合金机械性能，增加机械强度，铸造比较容易，工人喜欢用高钙合金。但对正极板栅，钙含量超过0.1%，板栅耐腐性能下降，抗蠕变性变差。因此Ca含量不能过高。Sn的作用： - 铅钙合金中Sn的存在，改善板栅和活性物质界面性能，形成可导电的PbSnOn，防止形成PbOx (1x1.5)的阻挡层，引起早期容量下降。Sn的添加量一般控制在Sn9Ca，超过9倍于Ca的Sn才能有效的起到阻止阻挡

12、层的作用，因此加锡量不能过低。 - Sn增加铅钙合金的流动性，改善铸造性。 - Sn的存在提高合金的抗蠕变强度。 - Sn减少合金腐蚀，降低电极极化。Al的作用： - 含0.01%0.03%的铝可防止熔融态铅钙合金中的Ca的损失。 - Al可减少钙氧化物掺入板栅之中。 - Al在铅钙合金中的溶解度很低，而且随温度下降而下降，凝固过程中优先析出，起成核剂的作用。因而可得到细的晶粒，增强机械强度。4） 铅锑镉合金 近几年随着电动自行车用蓄电池的发展，很多工厂采用铅锑镉合金作正极板栅。主要成分：Pb+Sb(1%2%)+Cd(1.5%2.0%).在低锑合金中加Cd可得到结晶致密，均匀腐蚀合金，循环寿命

13、性能较好。同时Cd的存在有助于消除板栅的裂纹。另外，Cd具有很高的氢过电位所以合金析气、失水优于普通的低锑合金。主要的问题是Cd是有毒的重金属，对环保要求较高。 另外，还有板栅合金中加Bi。据文献介绍，加Bi可提高强度和抗蠕变性，防止早期容量损失。同时改善硬度和铸造性能，减少腐蚀；起始添加量为0.03%。但实际试验结果不十分明显。4. 铸造工艺 目前蓄电池板栅铸造方法有重力浇铸、拉网式板栅和滚筒式连续浇铸等方法。主要讨论重力浇铸铸造方法。重点在铸造条件及其控制以及常见的问题和解决措施。 1）脱模剂的配制和喷涂： - 脱模剂的作用：脱模剂作用是隔离铸件与模具，铸件容易脱模；此外，更主要的作用是通

14、过脱模剂在模具上喷涂厚度的控制，来控制模具型腔各部位的散热速度，使结构不均匀的铸件均衡的散热冷却凝固，保证铸件完整。因此，脱模剂对铸造过程的控制和铸造速度以及铸件的品质都带来很大影响。 - 脱模剂配方： 软木粉（有时还加膨润土约200%）- 450 g 硅酸钠 - 200 ml 热水(6080) - 8 L另外，日本的一些公司不加膨润土，而加Al(H2PO4)3 0.2 L，主要是为提高软木粉的粘接力，延长脱模剂的使用寿命。 - 配制方法：在8L温度为6080的热水中，加450g软木粉和膨润土,搅拌30分钟，冷却68小时，再加入200ml的硅酸钠，充分搅拌，静放8小时后使用。应在48 小时之内

15、用完。每次灌脱模剂时应搅拌均匀。 - 喷模方法：脱模剂的喷涂是铸造工序最重要的一个步骤，必须正确进行喷模，才能保证铸片速度和铸件品质。喷模时模具温度要控制在150180，如模具温度过低软木粉粘不牢，容易脱落。喷模厚度并不是简单的均匀，小筋条处要厚，保温；板耳和模面可薄一些，保证散热快。一般采用先左右喷4次6次，上下喷4次5次，然后用刮刀刮去模具表面的软木粉，然后再喷2次3次。浇口、板耳和大边等粗大的部位，由于热容量较大，必须剥去一部分软木粉，使散热要快。用这种方法，每次喷模后可铸造3000大片以上。2）铸造温度和控制： 铸造工艺的主要任务归根到底是如何控制模具温度的问题。模具的温度是一个动态平

16、衡，即不断地从熔化的铅液和模具加热器不断的得到热量，同时通过模面和冷却系统散发热量，使模具处于相对稳定的范围。因此模具温度取决于铸件的大小、铸片速度和冷系统的工作状态。- 模具温度；最有名的美国Wirtz-40型铸板机为例，其模具温度的控制范围举例如下：上部温度 - 200220下部温度 - 190200模具浇口 - 155170在模具设计中，要考虑排气系统以外，应考虑到对模具加热和冷却系统，使模具保持在合适的温度范围。在铸板机各系统中，对模具温度控制是最主要的核心问题。铸板机中都具有性能良好的冷却水循环系统，控制模具温度。铸板机的所有系统是为准确控制模具型腔温度而设计的。铸板机输铅系统中各部

17、位温度也要进行控制。铅锅温度较低，输铅系统逐步升温，铅勺的温度最高，达到工艺需要的铅液温度。这样：可防止生产大量铅蒸气，产生污染；降低电耗；铅勺体积较小，装铅液量少，便于控制温度，容易达到工艺温度。铸板机各部位具体温度如下： 铅锅温度 - 420480输铅管温度 - 485510铅勺温度 - 485520冷却水温度 - 5070铅勺温度可根据合金成分，板栅结构等条件进行调整；如合金流动性差或板栅比较厚，不易成型时可适当提高铅勺温度。3）铸片速率： 铸片速率是根据板栅厚度来决定，厚度薄，热容量少，所需凝固时间较短，冷却容易，铸片速率可以快一些；如厚度为1.0 mm2.0mm的板栅，铸片速率可为1

18、218大片/分，甚至可达20大片/分。板栅厚度厚，热容量大，冷却凝固需要较长时间，不易散热，铸片速率相对慢：如对厚度为2.5mm3mm的板栅的铸片速率为612片/分，厚度为3mm以上，铸片速率应更慢。4）常见问题，原因及解决方法： - 板栅筋条过细，重量轻：脱模剂喷涂层太厚或模面上硅酸钠积累过多。需用NaOH溶液清洗模面，然后重新喷模。 - 板栅筋条粗，重量超标准：脱模剂喷涂层薄，应补喷，增加喷涂层厚度。 - 热裂或气孔：冷却速度不均，筋条或大边处的局部软木粉过多，喷模不均或模面清理不干净，排气不畅。 - 软木粉脱落使用时间短：喷模时模具温度过低，模面被油等其它物资污染，或脱模剂喷涂层过厚，或者配置不正确。 - 大边产生裂纹：软木粉过多，散热不好，应擦掉一部分。 - 浇注口涂层容易脱落：模面不干净，浇口或铅勺温度过高。涂一些碳黑。* 经验的总结： 金属流动性差：形成产生断条， 软木细或硅酸钠多：容易断条（假接） 软木粉粗或硅酸钠少：容易出现气孔 模具温度低或铅液温度低：容易断条 模具温度过高：容易产生气孔 其他铸造方式：目前除传统的重力浇注以外，比较广泛采用拉网式连续生产方法。它的主要特点是速度快，产量大；但设备投资大。一般采用铅钙锡（0.5%）合金。这种方法是先将板栅合金铸成厚度为10mm，宽100mm的铅带。把铅带经过