Оптимизация состава и технологии изготовления барабан-катодов медеэлектролитного производства

Медную электролитическую фольгу для электротехнических нужд получают осаждением меди на непрерывно вращающийся полый цилиндр (барабан-катод), частично погруженный в электролит, и съемом полученного полотнища по выходу из него.

На качество фольги, которое характеризуется, главным образом, отсутствием пористости при минимальной толщине, влияет ряд факторов, включающих как параметры электроосаждения, так и состав материала катода, его физикохимические свойства, структуру, кристаллографическую ориентацию поверхностных зерен и др.

Традиционно применяемые для изготовления барабан-катодов сталь 10Х17Н13М3Т и титан ВТ 1-0 не обладают необходимыми технологическими свойствами.

Целью данной работы является выбор оптимального состава рабочей поверхности барабан-катодов и разработка рациональных способов их изготовления. По литературным данным была установлена перспективность применения высоко-никелевых сплавов, легированных максимальными количествами тугоплавких металлов (с условием гарантированного получения структуры гомогенных твердых растворов). С учетом доступности на первом этапе к разработке были приняты сплавы систем Ni–Mo, Ni–W и Cr–Ni–Mo. На основании всесторонних электрохимических исследований (определение коррозионной стойкости потенцио-статическим методом, гальваностатическое определение перенапряжения кристаллизации меди, а также моделирование процесса получения фольги) было установлено, что наилучшими показателями из исследуемых обладает сплав состава Х15Н65М20. Образцы из него были получены сплавлением в вакууме металлов следующих марок: никель Н1, молибден МРН, хром ХО.

Сплавы такого типа весьма широко применяются в технике (например, сплав состава 000Х15Н65М16В), они достаточно технологичны. В силу специфики условий эксплуатации барабан-катодов, дефицитности материалов для выбранного сплава, необходимости получения заготовки большого диаметра с гомогенной мелкозернистой и плотной структурой поверхности, в качестве базовой технологии была принята электрошлако-вая выплавка (ЭШВ), которая обеспечивает возможность изготовления трубчатой заготовки с радиальной кристаллизацией к поверхности отливки. Применение сварочной технологии сделало необходимым учитывать два дополнительных фактора: возможность повреждения поверхности межкристаллитной коррозией (МКК) и склонность аустенитных сплавов к горячим трещинам. Для предотвращения МКК в сплав был добавлен ниобий в

Сварка, родственные процессы и технологии

традиционно достаточных количествах (до 1 %), поскольку термодинамически более активный титан склонен к выгоранию при ЭШ процессе, не предупреждает МКК высоконикелевых сплавов в окислительных средах [1], применение его нецелесообразно.

Трещинообразование в никелевых сплавах изучалось в [2], где дается достаточно подробная информация о теории и способах повышения технологической прочности сварных конструкций, которые заключаются в измельчении зерна сварных швов за счет увеличения количества центров первоначальной кристаллизации. При этом установлено, что имеется некоторый максимум критической скорости деформирования сварных соединений при оптимальных концентрациях Re, Nb, Mo, W и др. Дальнейшее повышение их содержания приводит к быстрому снижению стойкости против горячих трещин по причине увеличения хрупкости литого металла. Поэтому дополнительное введение ниобия в исследуемый сплав может привести к снижению технологической прочности. В приведенном источнике имеется информация о результатах совместного легирования хромом (9–23,5 %) и молибденом (0–30 %). При этом оптимальные соотношения концентраций легирующих компонентов имеют пропорциональную зависимость, что свидетельствует об аддитивности влияния Cr и Mo на V _кр и отсутствии эффекта их совместного воздействия.

В то же время, влияние Nb проявляется весьма сильно – максимум стойкости наблюдается при 5 % против 22–25 % при монолегировании молибденом. Не принимая во внимание взаимное влияние NbCr и Mo, был выбран состав Х15Н69М15Б1.

Экспериментально-лабораторная модель ба-рабан-катода изготавливалась из заготовки цилин- дрической формы (сплошного сечения, с целью упрощения технологии) размерами ∅ = 150мм, ℓ = 200мм, полученной ЭШ-выплавкой. Компоненты расходуемого электрода предварительно сплавляли в индукционной печи. Сравнительные опытно-промышленные испытания барабан-като-дов проводили на опытном участке фольги Кыштымского МЭЗ, которые показали возможность получения беспористой фольги толщиной 20 мкм, тогда как минимальная толщина, полученная с барабан-катодов из титана ВТ 1-0 и стали 10Х17Н13М3Т составляет соответственно 35 и 50 мкм. При этом работоспособность предлагаемого материала при повышенных температурах существенно повышает производительность процесса электроосаждения.

Была осуществлена также проверка возможности дуговой наплавки рабочей поверхности барабана разработанным составом с целью восстановления его геометрических размеров после многократной перешлифовки. Установлено, что аргонодуговая наплавка неплавящимся электродом может осуществляться в широком диапазоне режимов без применения каких-либо технологических приемов при полном отсутствии трещинооб-разования, что позволит изготавливать собственно обечайку из менее дефицитных материалов.