[1]Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при получении свинцовых сплавов для решеток свинцовых аккумуляторов.
[2]Известен способ получения свинцовых сплавов для решеток свинцовых аккумуляторов, который принят в качестве прототипа [Яп. заявка, кл. С 22 С 1/2, В 22 D 25/04, 56-47528, заявл. 27.9.79, 54-124409, опубл. 30.4.81]. Свинцовый сплав, содержащий 2…3% сурьмы, расплавляют при температуре 310°C, добавляют свинцовую проволоку, содержащую серу, селен или теллур в нужном количестве, герметизируют автоклав, быстро поднимают температуру до 420-450°C и давление до 500 атм, при которых расплав выдерживают 10 минут.
[3]Однако этот способ не может быть применен для получения заявляемого свинцового сплава, так как требует сложной аппаратуры, работающей под высоким давлением. Недостатком известного способа является многооперационность процесса получения сплава, а также высокие затраты энергии на получение расплавов.
[4]Наиболее близким изобретению по технической сущности и достигаемому результату является свинцовый сплав для решеток свинцовых аккумуляторов [авторское свидетельство SU 467524, МПК С 22 С 11/08, опубликованное 15.04.1975 г.], который содержит сурьму, мышьяк, олово, селен, при следующем соотношении компонентов, мас., %: сурьма – 1,0…3,5; олово – 0,01…0,05; мышьяк – 0,025…0,2; селен – 0,005…0,1; свинец – остальное. Производство сплава производиться методом литья форм.
[5]К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, при получении известного свинцового сплава относят низкую механическую прочность сплава, высокую хрупкость, и потерю литейных свойств.
[6]Анализ описанных выше аналога и прототипа выявил, что ни в одном из них не достигается желаемый результат – получение свинцового сплава высокой коррозионной стойкости, механической прочности и пластичности.
[7]Наиболее близким к предлагаемому способу подходит способ получения свинцово-сурьмянистого сплава [RU 2224040 C2(C22C 11/08 (2000.01)], исходным сырьем для производства которого является черновой свинец, лом свинца и свинцовых сплавов, олово первичное или лом оловосодержащий, сурьма или свинцово-сурьмянистая лигатура, мышьяк или мышьяковистая лигатура, а также сера, медь и селен.
[8]Черновой свинец и лом свинца и свинцовых сплавов загружают в котел, при необходимости рафинируют (доводят содержание примесей до нужного количества). После чего в свинец вводят сурьму или свинцово - сурьмянистую лигатуру в нужном количестве, производят перемешивание сплава до полного растворения и анализируют полученный сплав. При достижении необходимой концентрации сурьмы в сплав вводят олово или лом оловосодержащий, гомогенизируют сплав и вводят мышьяк или его сплав со свинцом, а также медь и серу. Доводка по содержанию мышьяка и олова в сплаве производится по результатам экспресс-анализа и химического состава шихтовых материалов путем расчета и загрузки в котел необходимого количества по каждому из материалов. После расплавления для усреднения химического состава производится перемешивание сплава. Введение выше указанных легирующих компонентов можно производить и одновременно до операции загрузки селена. После получения сплава нужного состава по легирующим компонентам в него вводят селен, засыпая в бункер вертикальной мешалки. Мешалку устанавливают в котел, опускают в расплав, включают, перемешивают в течение 10 минут и в образовавшуюся воронку на поверхности металлического расплава загружают селен. После его загрузки перемешивание расплава ведут в течение 10 минут, периодически изменения направление вращения. По завершении операции мешалку извлекают из котла, сплаву дают отстояться в течение 5 минут, после чего отбирается проба на экспресс-анализ. Температуру в процессе получения сплава поддерживают в пределах 330…500 °С.
[9]Данный способ обладает рядом недостатков, а именно необходимость первоначального рафинирования и последующее за этим постоянное добавление легирующих компонентов, многооперационность процесса перемешивания и постоянный контроль за химическим составом требуют времени и энергетических затрат.
[10]В основу изобретения положена задача получения качественного беспористого свинцово-сурьмянистого сплава с улучшенными физико-механическими и электрохимическими свойствами без существенного увеличения затрат на их изготовление.
[11]Поставленная задача решается тем, что свинцово-сурьмянистый сплав получаются в результате искрового плазменного сплавления порошков, полученных электроэрозионным диспергированием отходов сплава ССу-3 (ГОСТ 1292-81) в керосине осветительном.
[12]Процесс электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) представляет собой разрушение отходов сплава ССу-3 в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами.
[13]Регулируя электрические параметры установки для электроэрозионного диспергирования (ЭЭД) можно получать за определенные промежутки времени нужное количество порошка сплава ССу-3 заданных размеров и качества. Получаемые электроэрозионным диспергированием свинцово-сурьмянистые порошки имеют в основном сферическую форму частиц.
[14]Получение свинцово-сурьмянистого сплава искровым плазменным сплавлением в условиях быстрого нагрева и малой продолжительности рабочего цикла способствует повышению физико-механических свойств по сравнению с промышленными сплавами, из которых были получены исходные частицы порошка, за счет подавления роста зерна и получения равновесного состояния с субмикронным и наномасштабным зерном. Использование метода искрового плазменного сплавления для получения свинцово-сурьмянистого сплава из порошка, полученного электроэрозионным диспергированием сплава ССу3, позволит обеспечить высокую работоспособность деталей за счет однородности поверхности, благоприятной структуры и низкой пористости изделия.
[15]На фигуре 1 представлена схема процесса ЭЭД отходов сплава ССу-3, на фигуре 2 показаны методика и режимы искрового плазменного сплавления порошков, на фигуре 3 – микроструктура свинцово-сурьмянистого сплава, на фигуре 4 – спектрограмма элементного состава свинцово-сурьмянистого сплава, на фигуре 5 – дифрактограмма свинцово-сурьмянистого сплава.
[16]Свинцово-сурьмянистый порошок из отходов сплава ССу-3 получали в следующей последовательности.
[17]На первом этапе производили сортировку отходов сплава ССу-3, их промывку, сушку, обезжиривание и взвешивание. Реактор заполняли рабочей средой – керосином осветительным, отходы загружали в реактор. Монтировали электроды из тех же отходов сплава ССу-3. Смонтированные электроды подключали к генератору импульсов. Устанавливали необходимые параметры процесса: частоту следования импульсов, напряжение на электродах, емкость конденсаторов.
[18]На втором этапе – этапе электроэрозионного диспергирования отходов сплава ССу-3 включали установку. Процесс ЭЭД отходов сплава ССу-3 представлен на фигуре 1. Импульсное напряжение генератора 1 прикладывается к электродам 2 и далее к отходам сплава 3 (в качестве электродов так же служили соответственно отходы решеток токоотводов кислотного аккумулятора сплава ССу3) в реакторе 4. При достижении напряжения определённой величины происходит электрический пробой рабочей среды 5, находящийся в межэлектродном пространстве, с образованием канала разряда. Благодаря высокой концентрации тепловой энергии, материал в точке разряда плавится и испаряется, рабочая среда испаряется и окружает канал разряда газообразными продуктами распада (газовым пузырём 6). В результате развивающихся в канале разряда и газовом пузыре значительных динамических сил, капли расплавленного материала выбрасываются за пределы зоны разряда в рабочую среду, окружающую электроды, и застывают в ней, образуя каплеобразные частицы порошка 7. Регулятор напряжения 8 предназначен для установки необходимых значений напряжения, а встряхиватель 9 передвигает один электрод, что обеспечивает непрерывное протекание процесса ЭЭД.
[19]На третьем этапе проводится выгрузка рабочей жидкости с порошком из реактора.
[20]На четвертом этапе происходит выпаривание раствора, его сушка, взвешивание, фасовка, упаковка. Затем полученный порошок подвергали сплавлению.
[21]Сплавление свинцово-сурьмянистого порошка осуществляли в системе SPS 25-10 «Thermal Technology» (США).
[22]При этом достигается следующий технический результат: получение заготовки свинцово-сурьмянистого сплава с улучшенными физико-механическими и электрохимическими свойствами без существенного увеличения затрат на их изготовление.
[24]Свинцово-сурьмянистые порошки из отходов сплава ССу3 получали методом электроэрозионного диспергирования в керосине осветительном на установке ЭЭД [Пат. 2449859 Российская Федерация, МПК С22F 9/14, С23Н 1/02, B82Y 40/00. Установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Текст] / Агеев Е.В. и [др.]; заявитель и па-тентообладатель Юго-Зап. гос. ун-т. – № 2010104316/02; заявл. 08.02.2010; опубл. 10.05.2012, Бюл. № 13]. При получении порошка использовали следующие параметры установки: напряжение на электродах 150…170 В, емкость разрядных конденсаторов 45…65,5 мкФ, частота следования импульсов 75…100 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала с образованием дисперсных частиц порошка (фигура 1).
[25]Сплавление полученного порошка осуществляли в системе SPS 25-10 «Thermal Technology» (США) при температуре Т = 300 °С, давлении Р = 40 МПа и времени выдержки t = 5 мин (фигура 2).
[26]Полученную заготовку свинцово-сурьмянистого сплава исследовали различными методами.
[27]Микроструктуру сплава исследовали на электронно-ионном сканирующем (растровом) микроскопе с полевой эмиссией электронов «QUANTA 600 FEG» (Нидерланды). Анализ микроструктуры сплава, показал, что новый сплав имеет мелкозернистое строение, с включениями углерода, равномерное распределение фаз и отсутствие значительных пор, трещин и несплошностей (фигура 3).
[28]Рентгеноспектральный микроанализ сплава проводили на энергодисперсионном анализаторе рентгеновского излучения фирмы «EDAX» (Нидерланды), встроенном в растровый электронный микроскоп «QUANTA 200 3D» (Нидерланды). На основе анализа спектрограмм элементного состава установлено, что на поверхности сплава содержится углерод, а все остальные элементы Pb, Sb и O распределены относительно равномерно (фигура 4).
[29]Фазовый анализ сплава выполняли на рентгеновском дифрактометре «Rigaku Ultima IV» (Япония). Анализ дифрактограмм фазового состава исследуемого сплава показал наличие в нем следующих фаз: Pb2OCO3, Pb2O3, Sb6O13 и Pb (фигура 5).
[30]Получен качественный низкопористый свинцово-сурьмянистый сплав с улучшенными физико-механическими и электрохимическими свойствами без существенного увеличения затрат на его изготовление.
[32]Свинцово-сурьмянистые порошки из отходов сплава ССу3 получали методом электроэрозионного диспергирования в керосине осветительном на установке ЭЭД при напряжении на электродах 150…170 В, емкости разрядных конденсаторов 45…65,5 мкФ, частоте следования импульсов 75…100 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала с образованием дисперсных частиц порошка.
[33]Сплавление полученного порошка осуществляли в системе SPS 25-10 «Thermal Technology» (США) при температуре Т = 260°С, давлении Р = 20 МПа и времени выдержки t = 10 мин.
[34]При данных режимах порошковый материал не спекся.
[36]Свинцово-сурьмянистые порошки из отходов сплава ССу3 получали методом электроэрозионного диспергирования в керосине осветительном на установке ЭЭД на электродах 150…170 В, емкости разрядных конденсаторов 45…65,5 мкФ, частоте следования импульсов 75…100 Гц. В результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами произошло разрушение материала с об-разеванием дисперсных частиц порошка.
[37]Сплавление полученного порошка осуществляли в системе SPS 25-10 «Thermal Technology» (США) при температуре Т = 380 °С, давлении Р = 60 МПа и времени выдержки t = 10 мин. При данных режимах имелись раковины и рыхлости на поверхности заготовки.
