專利名稱：一種高強(qiáng)度、耐腐蝕薄壁電池鋅筒及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋅錳電池的負(fù)極材料，特別是一種高強(qiáng)度、耐腐蝕薄壁電池鋅筒及其制造方法。
背景技術(shù)：
電池鋅筒是鋅錳電池的常用負(fù)極材料。其在電池中既是電極反應(yīng)的活性物質(zhì)，又是電池的容器。當(dāng)與電解液接觸后迅速提供電量，逐步消耗鋅，從而使鋅筒變薄，電池存放期間，鋅筒還會(huì)產(chǎn)生自腐蝕，造成電池容量降低或電性能變壞，嚴(yán)重時(shí)還可能穿孔。鋅筒在制造過(guò)程中，將歷經(jīng)軋制、沖切及擠壓等工序。故鋅筒材料應(yīng)具備良好的塑性加工性能、合適的機(jī)械強(qiáng)度以及較好的耐腐蝕性能,并能保持鋅筒高的電化學(xué)性能。這些特性主要跟鋅基合金的組成有關(guān)，其次是制造工藝，如熔化、鑄造、軋制、沖切、擠壓的各種溫度和速度，以及加工比、設(shè)備精度等。為了保證鋅錳電池的機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性能和放電特性，常規(guī)的電池鋅筒壁厚要求為0.25、.35mm，鋅筒的抗變形強(qiáng)度為2.5^4.0kg/f，用于制備鋅筒的鋅餅的布氏硬度為HB38 45度。實(shí)際上，當(dāng)鋅錳電池完全放電后，鋅筒中的鋅的消耗量一般為25 30%，即鋅筒的壁厚減薄了約25 30%，其余大部分的鋅資源被用于鋅錳電池的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性需要而當(dāng)成廢物丟棄。為了節(jié)約鋅資源，有人研究了注塑鋅筒電池，即用塑料來(lái)代替部分鋅，以節(jié)約鋅資源。但是，塑料電池鋅筒的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)下降，而且增加鋅筒的制造工序和生產(chǎn)成本，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中未能得到應(yīng)用和推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高強(qiáng)度、耐腐蝕的薄壁電池鋅筒，使鋅筒壁厚在相對(duì)于現(xiàn)有鋅筒顯著減少的情況下，仍可保持與現(xiàn)有技術(shù)中鋅筒相當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性和電性能。本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問題是提供一種高強(qiáng)度、耐腐蝕的薄壁電池鋅筒的制造方法。本發(fā)明高強(qiáng)度、耐腐蝕薄壁電池鋅筒，構(gòu)成鋅筒的鋅合金組成以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為:鎂 0.00 1 0.003%、鈦 0.003 0.010%、鋁 0.001 0.010%、銦 0 0.010%、鉛 0 0.150%、鎘(T0.002%，其余為鋅及原料帶來(lái)的不可避免的雜質(zhì)；其中不可避免的雜質(zhì)的總含量在
0.010%以下，且不可避免的雜質(zhì)中鐵彡0.003%、銅彡0.001%、錫彡0.001%。所述鋅合金制成的電池鋅餅的晶粒度為0.l(Tl0um。所述鋅合金制成的電池鋅餅的布氏硬度為HB42 50度。所述鋅筒的壁厚為0.12^0.24mm,抗變形強(qiáng)度為2.5^4.0kg/f。本發(fā)明制備高強(qiáng)度、耐腐蝕薄壁電池鋅筒的方法，包括以下步驟:(I)將鋅錠在熔鋅爐于45(T550°C完全熔化后，加入鎂、鈦、鋁等合金組成元素，并熔化均勻；(2)鑄造溫度43(T480°C，以5(T70°C /秒的冷卻速度，在輪鑄機(jī)中結(jié)晶為鋅厚板；(3)在15(T220°C條件下壓延、軋制為鋅薄板；
(4)在25 120°C條件下沖制為電池鋅餅；(5)在25 120°C條件下反擠壓為薄壁電池鋅筒。所述鈦是以鋅鈦合金的形式加入所述熔鋅爐的。所述鋅鈦合金以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)是含1一5%鈦的鋅鈦合金。本發(fā)明的思路是:把電池鋅筒的機(jī)械強(qiáng)度、硬度和耐腐蝕性能顯著提高，那么鋅筒的壁厚即可以大幅度減薄，進(jìn)而達(dá)到減少鋅資源消耗，并可以減輕電池廢棄物對(duì)環(huán)境影響?；谏鲜霭l(fā)明思路，本發(fā)明的發(fā)明人著重研究了提高鋅筒機(jī)械強(qiáng)度的技術(shù)路線，同時(shí)兼顧耐腐蝕性能和電性能，發(fā)現(xiàn)在鋅筒材料中添加適量的比鋅熔點(diǎn)高的金屬元素，具有提高鋅餅硬度和鋅筒抗變形強(qiáng)度的效果。如鈣、鎂、鈦、錳、鐵、鎳、鋁等。上述金屬元素在鋅合金鑄造結(jié)晶時(shí)優(yōu)先以固熔體與鋅結(jié)合，形成細(xì)小的晶體，在結(jié)晶過(guò)程中，對(duì)鋅晶體的冷卻速度越快，形成的細(xì)小晶體越多。同時(shí)研究中發(fā)現(xiàn)，將上述形成的細(xì)小晶體在控制再結(jié)晶溫度下，進(jìn)行壓延碾軋，使晶粒之間結(jié)合更加嚴(yán)實(shí)，可有效增強(qiáng)鋅筒硬度、韌性和抗變形強(qiáng)度。由于薄壁電池鋅筒的另一項(xiàng)需解決的是耐腐蝕性，雖然細(xì)小的晶粒和嚴(yán)實(shí)的晶間，提高了鋅筒耐腐蝕性，但是鋅筒中添加的金屬元素性能差異及含量多少，對(duì)鋅的腐蝕性能相關(guān)。本發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)比鋅的電位較正的金屬元素與鋅熔結(jié)后在電池儲(chǔ)存過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生自放電，局部處腐蝕成蝕點(diǎn)產(chǎn)生 氣體，會(huì)造成氣脹甚至造成電池穿孔漏夜，比鋅電位正的雜質(zhì)金屬含量越多，自放電現(xiàn)象會(huì)越嚴(yán)重。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，比鋅電位負(fù)的金屬元素，在同介質(zhì)接觸面中也有電偶電流，這是因?yàn)楸蠕\電位負(fù)的金屬元素先被熔解。如果這些先被熔解的金屬元素對(duì)鋅形成了鈍化保護(hù)膜，則抑制了鋅的進(jìn)一步腐蝕。該保護(hù)膜對(duì)鋅筒局部腐蝕點(diǎn)有自愈修補(bǔ)作用。研究時(shí)還發(fā)現(xiàn)在鋅筒中添加的金屬元素還必須具有析氫電位高的特性，這些析氫電位較高的金屬元素分布在鋅晶體的晶間隙中。當(dāng)電池儲(chǔ)存或放電時(shí)可減小析氫反應(yīng)，降低鋅筒氫去極化腐蝕，防止氫氣膨脹造成對(duì)鋅筒機(jī)械強(qiáng)度的影響。本發(fā)明在現(xiàn)有的電池工藝不變(此處所說(shuō)工藝不變指的是基本工藝流程不變，而不包括加工溫度、冷卻速度等)的基礎(chǔ)上，不但節(jié)約了鋅資源，而且更加有效的降低了電池生產(chǎn)成本，對(duì)于環(huán)境保護(hù)能起到非常大的作用。試驗(yàn)表明，本發(fā)明薄壁鋅筒在相對(duì)于現(xiàn)有鋅筒壁厚減少2(T40%時(shí)仍可保持現(xiàn)有技術(shù)中鋅筒所能達(dá)到的機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性和放電特性效果。
具體實(shí)施例方式
以下通過(guò)結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例中以R6鋅錳電池鋅筒為試樣，但并非限制其他規(guī)格的薄壁鋅筒。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)工藝電池鋅筒的生產(chǎn)順序是先制成電池鋅餅,然后擠壓成電池鋅筒，所以電池鋅餅的硬度和耐腐蝕性間接反映了電池鋅筒的抗變形強(qiáng)度和耐腐蝕性能，也間接決定了鋅錳電池的放電儲(chǔ)存性能。如無(wú)特別說(shuō)明，本發(fā)明實(shí)施例中原料帶來(lái)的不可避免的雜質(zhì)的總含量均在0.010%以下，實(shí)施例及對(duì)比例中合金組成均為重量百分含量。實(shí)施例1
本組實(shí)施例考察在鋅中添加比鋅熔點(diǎn)高，且電位比鋅負(fù)的金屬，如、鎂、鈦、鋁對(duì)鋅餅硬度和耐腐蝕性的變化，鋅餅的布氏硬度測(cè)量方法按CTB231規(guī)定。鋅餅的耐腐蝕性是將鋅餅清潔烘干后稱重，然后放入10%稀鹽酸液中浸泡I小時(shí)后，洗凈、干燥、冷卻后稱重，計(jì)算出腐蝕失重率。鋅餅的制作方法是:選用高品位0#鋅錠，控制原料鋅中鐵〈0.001%,銅〈0.001%,錫〈0.001%，鎘〈0.002%，鉛〈0.003%。將上述鋅錠放入熔鋅爐中加溫至48(T550°C完全熔化后，分別加入鎂、鈦(含lwt%鈦的鈦鋅合金)、鋁金屬元素。按常規(guī)工藝制造成電池鋅餅，鋅餅的布氏硬度和腐蝕失重率如表I所示。表權(quán)利要求
1.一種高強(qiáng)度、耐腐蝕薄壁電池鋅筒，其特征在于構(gòu)成鋅筒的鋅合金組成以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為:鎂 0.001 0.003%、鈦 0.003 0.010%、鋁 0.001 0.010%、銦 0 0.010%、鉛 0 0.150%、鎘(T0.002%，其余為鋅及原料帶來(lái)的不可避免的雜質(zhì)；其中不可避免的雜質(zhì)的總含量在0.010%以下，且不可避免的雜質(zhì)中鐵彡0.003%、銅彡0.001%、錫彡0.001%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池鋅筒，其特征在于所述鋅合金制成的電池鋅餅的晶粒度為 0.10 10um。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電池鋅筒，其特征在于所述鋅合金制成的電池鋅餅的布氏硬度為HB42 50度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電池鋅筒，其特征在于所述鋅筒的壁厚為0.12^0.24mm,抗變形強(qiáng)度為2.5 4.0kg/f。
5.一種制備如權(quán)利要求1所述的高強(qiáng)度、耐腐蝕薄壁電池鋅筒的方法，其特征在于包括以下步驟: (1)將鋅錠在熔鋅爐于45(T550°C完全熔化后，加入鎂、鈦、鋁等合金組成元素，并熔化均勻； (2)鑄造溫度43(T480°C，以5(T70°C/秒的冷卻速度，在輪鑄機(jī)中結(jié)晶為鋅厚板； (3)在15(T220°C條件下壓延、軋制為鋅薄板； (4)在25 120°C條件下沖制為電池鋅餅； (5)在25 120°C條件下反擠壓為薄壁電池鋅筒。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述 的方法，其特征在于所述鈦是以鋅鈦合金的形式加入所述熔鋅爐的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述鋅鈦合金以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)是含1-5%鈦的鋅鈦合金。
全文摘要
本發(fā)明公開了高強(qiáng)度、耐腐蝕薄壁電池鋅筒，其特征在于構(gòu)成鋅筒的鋅合金組成以重量百分?jǐn)?shù)計(jì)為鎂0.001~0.003%、鈦0.003~0.010%、鋁0.001~0.010%、銦0~0.010%、鉛0~0.150%、鎘0~0.002%，其余為鋅及原料帶來(lái)的不可避免的雜質(zhì)；其中不可避免的雜質(zhì)的總含量在0.010%以下，且不可避免的雜質(zhì)中鐵≤0.003%、銅≤0.001%、錫≤0.001%。制備方法包括450~550℃金屬熔化；430~480℃以50~70℃/秒的冷卻速度在輪鑄機(jī)中結(jié)晶為鋅厚板；150~220℃條件下壓延、軋制為鋅薄板；25~120℃條件下沖制為電池鋅餅；25~120℃條件下反擠壓為薄壁電池鋅筒。本發(fā)明鋅筒在壁厚減少20~40%時(shí)仍具有良好的機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性和放電特性，不但節(jié)約了鋅資源，而且更加有效的降低了電池生產(chǎn)成本，也有利于環(huán)境保護(hù)。
文檔編號(hào)H01M4/42GK103233141SQ201210528768
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月6日
發(fā)明者忻吉良, 史定武 申請(qǐng)人:寧波光華電池有限公司