專利名稱：一種鋁電解用陶瓷基惰性陽極與金屬導(dǎo)電桿的連接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與鋁電解及鋁電解用惰性陽極有關(guān)，特別涉及鋁電解 用陶瓷基惰性陽極與金屬導(dǎo)電桿穩(wěn)固連接的工藝技術(shù)方法。
背景技術(shù)：
使用惰性陽極取代現(xiàn)有的炭素陽極是現(xiàn)代鋁電解生產(chǎn)發(fā)展的
趨勢(shì)。鋁電解過程發(fā)生于900。C以上的氟化物熔鹽中，在使用惰性陽極時(shí)，電 流通過陽極母線引出，經(jīng)由導(dǎo)線和陽極導(dǎo)電連桿與陽極導(dǎo)通，陽極導(dǎo)電連桿 與惰性陽極的連接部分不但要具有較高的高溫連接強(qiáng)度和優(yōu)良的導(dǎo)電性能， 還要具有良好的抗氧化腐蝕、抗熱腐蝕性氣體腐蝕和優(yōu)良的抗高溫蠕變性能。 目前，國內(nèi)外所研究的惰性陽極材料體系主要有金屬及合金、氧化物陶瓷及 金屬陶瓷三類，金屬陶瓷因兼有陶瓷材料良好的耐氟化物熔鹽腐蝕性能及金 屬材料優(yōu)良的導(dǎo)電性能而成為最有希望取代現(xiàn)行炭素陽極的材料。決定氧化 物陶瓷和金屬陶瓷惰性陽極能否正常工業(yè)化應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素是，必須實(shí) 現(xiàn)惰性陽極與陽極導(dǎo)桿的穩(wěn)固電連接。由于氧化物陶瓷以及金屬陶瓷與金屬 導(dǎo)桿之間存在較大的材料性質(zhì)差異，導(dǎo)致兩者間的連接不能采用常規(guī)的焊接
技術(shù)，目前多采用機(jī)械連接(如螺紋螺桿連接、彈簧壓緊連接或兩種方法
相結(jié)合的方式)和擴(kuò)散焊接等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電連桿與惰性陽極間的連接，這 兩種方式均表現(xiàn)出陽極易脫落、連接界面易腐蝕失效以及電連接穩(wěn)定性差等 問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)不同外形和尺寸的陶瓷基惰性陽極(包 括純陶瓷和金屬陶瓷類惰性陽極)在制備和鋁電解生產(chǎn)中所遇到的上述問題，
提供一種惰性陽極與金屬導(dǎo)電連桿穩(wěn)固連接的方法；采用該方法可實(shí)現(xiàn)陶瓷 基惰性陽極與金屬導(dǎo)電連桿之間的高強(qiáng)度穩(wěn)定連接，連接結(jié)構(gòu)具有20MPa以 上的連接強(qiáng)度，可經(jīng)受長(zhǎng)期的強(qiáng)烈的熱、電和熱腐蝕性氣體的沖擊，連接部 位可長(zhǎng)時(shí)間承載0—10A/cm2的電流密度。
--種鋁電解用陶瓷基惰性陽極與金屬導(dǎo)電桿的連接方法，包括 步驟l:采用化學(xué)鍍、電鍍或熱噴涂方法對(duì)惰性陽極和導(dǎo)電連桿上與釬料 相接觸的部位實(shí)行表面金屬化處理，所使用的金屬成分為A和B中所述金屬 中的一種或由幾種成分所構(gòu)成的合金；
步驟2:將壓頭、導(dǎo)電連桿、釬料和惰性陽極沿加壓方向依次組裝，使釬 料均勻分布于導(dǎo)電連桿和陽極之間；
步驟3:在真空或惰性氣體氣氛中，采用溫度和壓力協(xié)同增加的方式對(duì)連
接結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理，目標(biāo)溫度為900—1400 °C，目標(biāo)壓力為0 — 50MPa，達(dá)到 目標(biāo)溫度和壓力后，系統(tǒng)保持目標(biāo)指數(shù)10—300min，之后緩慢降低溫度和壓 力值，直至室溫和零壓力，即完成壓力擴(kuò)散焊接工藝過程。
所述陶瓷基惰性陽極，包括氧化物陶瓷和復(fù)合氧化物(AxOy)陶瓷陽極， 其中復(fù)合氧化物陶瓷主要包括尖晶石型氧化物(AB204)，以及由上述氧化物 添加金屬或合金所構(gòu)成的金屬陶瓷(m%AxOy + n%C,m%AB204+n%C)，其 中
A為Ni， Mg， Al， Co， Zn， Sn, Cu， Li或Fe中的至少一種； B為Fe， Al， Co， Mn， Cr或Ge中的至少一種； C為A和B中所述金屬中的一種或幾種成分所構(gòu)成的合金； x代表數(shù)字l一6; y代表數(shù)字l一6; m代表數(shù)字0—100; n代表數(shù)字O
一100; m+n=100。
所述導(dǎo)電連桿包含全系列的鐵、鋼鐵制品、鎳基合金、銅基合金、鈷基
合金連桿。
所述釬料包括AxOy, AB204， C或上述成分的混合物。
所述壓頭為高溫合金、石墨、硬質(zhì)合金或鉤基合金。
本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)鋁電解用陶瓷基惰性陽極與金屬導(dǎo)電桿的高強(qiáng)度、穩(wěn)定 連接，其主要特點(diǎn)是采用合適的材料表面金屬化層、釬料層以及合理的壓力 擴(kuò)散焊接工藝解決了惰性陽極與金屬導(dǎo)電連桿間電連接困難的問題。采用本 發(fā)明所述工藝方法所制備連接結(jié)構(gòu)能夠經(jīng)受長(zhǎng)期的強(qiáng)烈的熱、電和熱腐蝕性 氣體的沖擊，可保證惰性陽極穩(wěn)定懸掛于電解槽中，并承載0—10A/crr^的電 流密度。本發(fā)明所述工藝方法對(duì)實(shí)現(xiàn)陶瓷基惰性陽極的工業(yè)化電解應(yīng)用具有 重要意義。


圖h杯狀惰性陽極與導(dǎo)電桿的連接工藝示意圖； 圖2:壓力擴(kuò)散焊接工藝制度示意曲線； . 圖3:圓柱體或方形惰性陽極連接工藝示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 實(shí)施例1:
如圖l,描述了杯狀惰性陽極與導(dǎo)電桿的連接工藝示意圖。主要包括壓頭
1，導(dǎo)電桿2，釬料3，杯狀惰性陽極4。采用成分為NiFe2(V 10NiO/17Ni的 惰性陽極，導(dǎo)電桿材質(zhì)為Crl2MoV。壓力擴(kuò)散焊接的工藝實(shí)施過程如下先 將杯狀惰性陽極的內(nèi)表面和導(dǎo)電連桿外表面進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，鍍層厚度為120 pm左右，然后將成分為50 wt%MFe204+25 wt%Ni+25wt% Cu的粉末釬料填 充至陽極杯內(nèi)，再將導(dǎo)電桿埋于釬料粉末中，最后將壓頭置于釬料粉末上方， 即完成組件裝配工作。將上述裝配機(jī)構(gòu)置于熱壓爐內(nèi)，封閉電爐并對(duì)系統(tǒng)抽 真空，當(dāng)真空度達(dá)到10Pa后，充入氮?dú)?。壓力擴(kuò)散焊接工藝中，壓力由上至 下直接作用于壓頭，再傳遞到釬料和陽極杯。工藝的目標(biāo)溫度為1020°C，目 標(biāo)壓力為10MPa，采用溫度和壓力協(xié)同上升的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的控制， 見圖2。制品于目標(biāo)溫度和壓力下保溫、保壓30 min后，隨爐冷卻至室溫， 即完成惰性陽極與導(dǎo)電桿的壓力擴(kuò)散焊接工藝過程。 實(shí)施例2:
圖3圓柱體或方形惰性陽極連接工藝示意圖，主要包括壓頭1，導(dǎo)電桿2， 釬料3，圓柱狀或方形惰性陽極4。采用成分為NiFe2O4-10NiO/17Cu的惰性陽 極，導(dǎo)電桿材質(zhì)為Crl8M9Ti。壓力擴(kuò)散焊接的工藝實(shí)施過程如下先將惰性 陽極的待連接面和導(dǎo)電連桿外表面進(jìn)行電鍍銅，鍍層厚的為150pm左右，然 后將成分為62 wt%NiFe2O4-10NiO/17Cu+38 wt%Cu的粉末釬料鋪展于陽極 的待連接表面上，必要時(shí)加設(shè)粉末固定裝置，以保證釬料層的厚的和外形， 再將導(dǎo)電桿埋于釬料粉末中，最后將壓頭置于釬料粉末上方，即完成組件裝 配工作。將上述裝配結(jié)構(gòu)置于電爐內(nèi)，封閉電爐并對(duì)系統(tǒng)抽真空，當(dāng)真空度 達(dá)到10Pa后，充入氮?dú)?。壓力擴(kuò)散焊接工藝中，壓力由上至下直接作用于壓 頭，再傳遞到釬料和陽極杯。工藝的目標(biāo)溫度為980-1000°C，目標(biāo)壓力為20 MPa，采用溫度和壓力協(xié)同上升的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的控制，見圖2。制品 于目標(biāo)溫度和壓力下保溫、保壓30min后，隨爐冷卻至室溫，即完成惰性陽 極與導(dǎo)電桿的壓力擴(kuò)散焊接工藝過程。
權(quán)利要求
1、一種鋁電解用陶瓷基惰性陽極與金屬導(dǎo)電桿的連接方法，包括a>采用化學(xué)鍍、電鍍或熱噴涂方法對(duì)惰性陽極和導(dǎo)電連桿上與釬料相接觸的部位實(shí)行表面金屬化處理，所使用的金屬成分為A和B中所述金屬中的一種或由幾種成分所構(gòu)成的合金；b>將壓頭、導(dǎo)電連桿、釬料和惰性陽極沿加壓方向依次組裝，使釬料均勻分布于導(dǎo)電連桿和陽極之間；c>在真空或惰性氣體氣氛中，采用溫度和壓力協(xié)同增加的方式對(duì)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱處理，目標(biāo)溫度為900-1400℃，目標(biāo)壓力為0-50MPa，達(dá)到目標(biāo)溫度和壓力后，系統(tǒng)保持目標(biāo)指數(shù)10-300min，之后緩慢降低溫度和壓力值，直至室溫和零壓力，即完成壓力擴(kuò)散焊接工藝過程；所述陶瓷基惰性陽極，包括氧化物陶瓷和復(fù)合氧化物AxOy陶瓷陽極，其中復(fù)合氧化物陶瓷主要包括尖晶石型氧化物AB2O4，以及由上述氧化物添加金屬或合金所構(gòu)成的金屬陶瓷m％AxOy+n％C，m％AB2O4+n％C，其中A為Ni，Mg，Al，Co，Zn，Sn，Cu，Li或Fe中的至少一種；B為Fe，Al，Co，Mn，Cr或Ge中的至少一種；C為A和B中所述金屬中的一種或幾種成分所構(gòu)成的合金；x代表數(shù)字1-6；y代表數(shù)字1-6；m代表數(shù)字0-100；n代表數(shù)字0-100；m+n＝100。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于所述導(dǎo)電連桿包含全系 列的鐵、鋼鐵制品、鎳基合金、銅基合金、鈷基合金連桿。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于所述釬料包括AxOy，AB204， C或上述成分的混合物。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于所述壓頭為高溫合金、石墨、硬質(zhì)合金或鎢基合金。
全文摘要
一種鋁電解用陶瓷基惰性陽極與金屬導(dǎo)電桿的連接方法，針對(duì)不同外形和尺寸的鋁電解用陶瓷基惰性陽極，提供了一種用于陽極與金屬導(dǎo)電連桿穩(wěn)固連接法的工藝技術(shù)方法。該方法通過惰性陽極待連接表面和導(dǎo)電連桿外表面進(jìn)行表面金屬化處理、與惰性陽極基體成分相近的釬料以及壓力擴(kuò)散焊接工藝，實(shí)現(xiàn)陶瓷基惰性陽極與金屬導(dǎo)電連桿之間的高強(qiáng)度穩(wěn)定連接，連接結(jié)構(gòu)具有20MPa以上的連接強(qiáng)度，連接結(jié)構(gòu)可經(jīng)受長(zhǎng)期的強(qiáng)烈的熱、電和熱腐蝕性氣體的沖擊，可長(zhǎng)時(shí)間承載0-10A/cm²的電流密度。
文檔編號(hào)C25C3/00GK101168846SQ20061003246
公開日2008年4月30日 申請(qǐng)日期2006年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月25日
發(fā)明者周科朝, 雷 張, 張曉泳, 劼 李, 李志友, 賴延清 申請(qǐng)人:中南大學(xué)