蓄电池的制造工艺之板栅铸造

蓄电池的制造工艺之板栅铸造

板栅在电池中的作用：支撑活性物质，充当活性物质的载体；传导和汇集电流，使电流均匀分布在活性物质上。
? 对板栅材料的要求：1.有良好的电子导电性；2.合金必须具有足够的硬度和强度；3.应具有良好的耐腐蚀性；4.板栅材料与活性物质之间能很好地粘合，具有较小的接触电阻；5.应具有较好的铸造性能，即流动性、充型性要好；6.可焊性要好；7.价格要合适。
? 板栅制造生产流程:
Pb、Sb(Ca)、其它金属 合金配制 模具加温 喷脱膜剂 板栅浇铸

水、水玻璃、软木粉 脱膜剂配制 堆积时效硬化
? 铸造生产上很重要的一个过程就是使合金铸满模具，合金的温度控制很重要。温度过低时，合金在模具内很快地凝固，因而形成未注满，此外，由于温度低，合金内夹带的气体受阻停滞，会造成多孔的铸件；温度过高时，浇铸的零件会在表面上出现不平现象，而且由于合金冷却的缓慢，在铸件中晶粒增大而形成“白斑”，甚至于形成裂纹。
? 一般合金温度在420～520℃之间，铸模的温度在140～200℃左右。
? 目前常用的板栅合金是铅锑合金和铅钙合金。
? Pb-Sb合金具有以下优点：1.抗拉强度、延展性、硬度及晶粒强化作用明显优于纯铅；2.熔点及收缩率低于纯铅，具有较好的铸造性能，即流动性、充型性好；3.与活性物质有较好的结合力，有利于电池的深充放循环；4.深充放循环时不易变形，有良好的循环寿命；5.腐蚀比纯铅均匀。存在以下缺点：1.电阻比纯铅大；2.充电时，正极板栅中的锑溶解在电解液中，进而转移电沉积在负极活性物质上，显著降低氢在负极上析出的超电势，一部分锑吸附在正极活性物质上，也降低了氧在正极析出的超电势，因此，锑的存在使水的分解电压下降，充电时水易分解，存放时增加电池的自放电；3.过充电时，逸出有毒的气体SbH3；4.正板栅的总体腐蚀速率随合金中锑含量增加而提高。
? 铅锑二元合金正极板栅的腐蚀、变形是电池使用寿命终止的重要原因。在此基础上改进后，使用的比较成熟的是Pb-Sb-As合金，该合金有如下优点：1.使合金加速硬化；2.细化晶粒，减轻腐蚀；3.改善了Pb-Sb合金的力学性能；4.降低成本，可用含砷的粗锑配制合金，从而降低成本。该合金的缺点是合金发脆、易裂，锑含量低时更明显。
? 为了克服三元合金的缺点，可以在合金中加入Sn或Cu，制成四元合金：Pb+Sb（3.5%～6.0%）+As （0.1%～0.15%）+Sn （0.05%～0.5%），Pb+Sb（6.0%）+As （0.2%）+Cu（0.09%）。
? 使用传统的铅锑合金作板栅材料，需要经常向电池中加水维护，市场需要少维护和免维护的电池。
? 若将锑含量降至低于2%质量分数，就可以大大减少水的分解；同时，正板栅中锑含量与板栅寿命有很大的关系，当锑含量在2%质量分数左右时电池寿命最佳。
? 但是当锑含量低于4%质量分数时，铸造的板栅就会出现热裂现象，裂纹常在板栅表面形成，并因涂膏而扩大，在电池运行中加深，最终导致使用期限下降。
? 为了消除低锑合金产生的裂纹，可以在合金中加入硫（S）与硒（Se），S与Se能和Pb直接反应生成PbS和PbSe晶核，它们是优异的成核剂。Cu和As反应生成Cu3As，它也可以作为成核剂。要求S、Se、Cu、As能在熔融合金中保持足够量，合金温度一般不能低于450℃，否则它们将成为浮渣而损失。
下面是常用的含Se、S的多元低锑合金：
 含量
序号 Sb As Sn Cu Se S×10-6 Pb
1 2.7-3.0 0.1-0.15 0.08-0.1 0.05 0.015-0.025 50-60 余量
2 2.5-2.75 0.15-0.2 0.1-0.25 0.06-0.08 0.025-0.03 50-60 余量
3 1.6-1.8 0.15-0.2 0.08-0.1 0.06-0.08 0.03  余量
4 1.5-2.5 0.1-0.2 0.1-0.2  0.02-0.03  余量
5 2.0 0.1-0.2 0.1-0.2 0.05-0.06  50-60 余量
? 免维护电池常用的成熟合金是铅钙合金，与铅锑合金相比，其具有以下优点：1.电阻较小，接近纯铅；2.析氢超电势高，用该合金组成的电池，水的分解电压高于铅锑合金组成的电池，高约200～250mV，所以水的分解少，具有较好的免维护性；3.钙为负电势，钙不会从正板栅溶解而转移至负极，不会引起自放电加速和有毒气体SbH3的析出。
? 其缺点是：1.抗蠕变性能差，即正板栅长大严重。2.在铸造过程中钙发生氧化，从而钙损失严重，含量不易控制；氧化物成渣夹杂在熔融合金中，浇铸时滞留在板栅表层；此外，铅钙合金又具有大的颗粒结晶。综合结果导致深度腐蚀或穿透腐蚀，特别在高于60℃的条件下，情况更严重。3.深循环性能差。
? 加入Sn和Al可以改善上述缺点：1.Sn能改善板栅/活性物质的界面性质，使电极的充电接受能力得到提高；2.Sn的加入增加了合金的力学性能；3.高Sn含量（w（Sn）＞1.2%）合金用于深放电阀控式蓄电池；4.加入Sn能改善合金的流动性；5.含0.01%～0.03%质量分数的Al可以防止熔融态钙合金中钙的损失。
? 常用合金含量：正板栅Pb+Ca（0.06～0.09%）+Sn（1.3～1.5%）+Al（0.02～0.03%）
                               负板栅 Pb+Ca（0.09～0.18%）+Sn（0.3～0.6%）+Al（0.03～0.06%）
? 质量控制要点：
? 1.管式正极板骨架外观缺陷报废范围
缺陷名称 报废范围
缺肉 极耳部、大梁不允许；喇叭口下2mm处的筋条处；缺肉深度超过0.5mm，长度超过4mm，宽度超过1/4。
毛刺 喇叭口和飞叶上不允许；铅芯虚毛刺高度超过飞叶长度的1/2，且分散超过铅芯长度的1/3。
裂纹、起泡、白斑、冷合金层、铅渣及氧化物、油污 在表面任何处都不允许
砂眼 表面任何处都不允许；浇口断切处：深度超过1mm，长度超过大梁的1/2。
飞叶残缺 每根超过1/2，分散在该片超过3根。

2.汽车用蓄电池板栅报废范围
缺陷名称 报废范围
裂纹 任何部位都不允许
缺肉 正板栅任何部位都不允许，负板栅极耳部、四边框超过厚度的1/4。
极耳短缺 超过3mm。
歪斜 四框
气泡、白斑、砂眼、油垢 表面
筋条过细 靠近浇口侧的小筋条细度超过2/3，或虽未超过2/3但连续筋条数目较多。
筋条断缺 长度超过小格的1/2且分散断缺超过6条或连续断缺超过2条。

毛刺 极耳下第一大格内纵横超过小格的1/2；横格大小超过小格的1/2，连续超过小格数量的1/2；纵格大小超过小格1/3，连续超过小格数量的1/3。
板栅等铸件产生缺陷原因及防止措施
缺陷名称 主要生成原因 防止措施
砂眼（疏松） 合金在模具中结晶速度不均匀，靠铸模表面处冷却快，远处冷却慢，凝固时供铅液不足。 提高模具温度，改进浇口的设置。

气口 尺寸较砂眼大，多数在模具的凸、凹部分形成，浇铸时部分空气滞留。主要为浇口系统设置不适，风道不够或堵塞。 清理通风道。

冷合金层 两股液流在模具内相遇，由于注入合金温度低。 提高注入合金温度。

收缩裂纹 合金温度高，冷却不均匀，多发生在厚薄不等的截面连接处。 合金降温，喷脱模剂，刮掉收缩部分的脱模剂，修改模具。

充型不满 合金温度低，模具温度低，浇铸过于缓慢。 加温
发白 合金温度高。 降低合金温度
粘模 模具温度高 降低模具温度
? 板栅的时效硬化：铸好的板栅至少存放3天后才能涂板，目的是为了使板栅组织稳定，实现合金晶体结构的重新排列，提高其机械强度。但板栅存放时间一般不超过3个月，否则会出现板栅变脆、耐腐蚀性能降低的现象。