СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРАВЛЕНОЙ КАТОДНОЙ АЛЮМИНИЕВОЙ ФОЛЬГИ, ИЗГОТОВЛЕННОЙ ИЗ АЛЮМИНИЯ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ, ЛЕГИРОВАННОГО СКАНДИЕМ.
METHOD OF PRODUCING ETCHED CATHODE OF ALUMINIUM FOIL MADE FROM HIGH-PURITY ALUMINIUM ALLOYED WITH SCANDIUM

Изобретение относится к производству алюминиевых электролитических конденсаторов, в частности к способу получения травленой катодной конденсаторной алюминиевой фольги. Способ получения травленой катодной конденсаторной алюминиевой фольги включает создание легированной скандием в количестве 0,001-0,1 мас. % гладкой алюминиевой фольги из алюминия высокой чистоты (99,99%) при добавлении к алюминию 2%-ной алюминий-скандиевой лигатуры (Al-Sc2%) в соотношении от 1:2000 до 1:20 по массе, включающий в себя плавку шихты, образованной добавлением лигатуры Al-Sc2% к алюминию высокой чистоты (99,99%) в соотношении от 1:2000 до 1:20 по массе, с последующим получением цилиндрических отливок и их рафинированием (или сегрегацией) и гомогенизацией и затем метода горячей прокатки с последующей холодной прокаткой до толщин 20÷60 мкм, электрохимическое травление полученной исходной фольги, с такими техническими результатами, как снижение толщины катодной фольги более чем в два раза, по отношению к типовому способу получения травленой катодной алюминиевой фольги, при сохранении значений электромеханических характеристик, и улучшенными показателями в отношении способности к сварке, обеспечивающие создание алюминиевых электролитических конденсаторов с высоким удельным зарядом.
Емкость конденсатора прямо пропорциональна эффективной площади поверхности электродов. Для увеличения эффективной площади поверхности алюминиевой фольги обычно применяется электрохимическое травление, при котором соблюдаются следующие принципы: общая толщина алюминиевой фольги не должна стравливаться, развитие эффективной поверхности прямо пропорционально съему металла. Съем металла снижает площадь поперечного сечения фольги, что приводит к снижению механических характеристик травленой алюминиевой фольги, таких как прочность на изгиб и прочность на разрыв. Если увеличить механическую прочность исходной алюминиевой фольги, это позволит снизить площадь поперечного сечения травленой фольги и позволит увеличить эффективную поверхность.
Для придания металлу или сплаву определенных свойств применяют легирование небольшими концентрациями определенных примесей. Наиболее стабильные результаты в легировании с высоким усвоением легирующего элемента получаются с помощью лигатур - вспомогательных сплавов, применяемых для введения в жидкий металл, здесь алюминий высокой чистоты, легирующих элементов, в данном случае алюминиевых лигатур. Для получения высокопрочного, высокоэлектропроводного, с хорошей способностью к сварке алюминиевого сплава подходит алюминиево-скандиевая лигатура, содержащая микроколичества скандия. Введение скандия существенно повышает способность сплава к деформации (пластичность) и к сварке (свариваемость) изделий с одновременным уменьшением горячих трещин и повышением прочности сварного соединения, а также увеличивает температурный интервал стабильной работы сплава на 100-500°C.
3
Положительное влияние скандия на технические характеристики обусловлено следующим. Скандий склонен к образованию сверхпересыщенных твердых растворов в неравновесном состоянии даже при небольших скоростях кристаллизации. При этом кристаллическая решетка образующегося при взаимодействии скандия с алюминием интерметаллида AlSc по размерно-структурным параметрам почти полностью соответствует структурной решетке алюминия; что и приводит к его сильнейшему влиянию на структуру и свойства сплава. Следует отметить, что относительно высокая стоимость лигатуры Al-Sc в результате компенсируется увеличением запаса прочности технических характеристик сплава, существенным снижением массогабаритного показателя и улучшением технических характеристик изделия из сплава. Наиболее критичным с точки зрения достижения указанных улучшенных технических характеристик является получение тонкой скандийсодержащей фольги (листа, полосы), в частности, толщиной 20 мкм из приемлемого для электродов конденсатора диапазона толщин 20-60 мкм.
Известна конденсаторная травленая катодная фольга К-2, изготовленная по типовому способу, из гладкой алюминиевой фольги, содержащей алюминий чистотой 99,4% с такими примесями, мас. %, как Fe - менее 0,225; Ti - менее 0,017; Mn - менее 0,132; Cu - 0,231; Zn - менее 0,005; Si - менее 0,052 толщиной 45 мкм марки 2301 В, Китай. Гладкая алюминиевая фольга изготовлена по технологии фирмы Beijing Weihao Aluminum Group Co., LTD, а травленая катодная фольга К-2 изготовлена по технологии ОАО «Элеконд».
Недостатком является обычная величина электромеханических характеристик данной катодной фольги, не позволяющая существенно снизить массогабаритные характеристики конденсаторов.
Задачей изобретения является способ получения травленой катодной алюминиевой фольги толщиной 20-60 мкм, позволяющий снизить толщину фольги более чем в два раза, по отношению к типовому способу получения травленой катодной алюминиевой фольги, при сохранении значений электромеханических характеристик, и улучшенными показателями в отношении способности к сварке и коррозионной стойкости.
В предлагаемом изобретении поставленная задача решена и получены указанные выше технические результаты благодаря названным выше факторам.
Фигура 1 представляет собой график определения скорости коррозии на алюминиевой фольге в рабочих электролитах на основе этиленгликоля с применением измерительного комплекса для коррозионных испытаний американской фирмы Rorhback Cosasco System (RCS). Общие показатели коррозионного поведения алюминия в электролитах по скорости коррозии составили: от 0,002 мм/год для фольги марок 2301 В и от 0,0003 мм/год для скандийсодержащей фольги из алюминия (99,99%).
Ниже приведены примеры экспериментального осуществления прототипа (сравнительный пример 1 - катодной травленой алюминиевой фольги, полученной по типовому способу) и изобретения (примеры 2 - катодной травленой алюминиевой фольги, полученной по способу, предлагаемому в данном изобретении).
В примерах 1-2 образцы гладкой алюминиевой фольги подвергли тестовому электрохимическому травлению с последующим определением:
2
- удельной электрической емкости, мкФ/см;
- механической прочности на изгиб (характеризуется предельным числом изгибов при нагрузке 50 г, где за один изгиб принимается сгиб на угол 90° туда и обратно);
- механической прочности на разрыв (характеризуется предельной величиной выдерживаемой нагрузки в кгс/см при испытании образца фольги в виде полосы шириной 10 или 15 мм).
А также провели тестирование образцов на способность к сварке методом визуальной оценки сварного соединения, когда полоса травленой испытуемой фольги сваривается, здесь - холодной сваркой, с полосой гладкой фольги и при отрыве травленой фольги получает оценку «неудовлетворительно» (кусочки травленой фольги остаются менее чем на 3-х точках сварки), «удовлетворительно» (кусочки травленой фольги остаются хотя бы на 3-х точках сварки) либо «хорошо» (кусочки травленой фольги остаются примерно на 50%-ном количестве точек сварки), либо «отлично» (кусочки травленой фольги остаются на 100%-ном количестве точек сварки) и на коррозионную стойкость на основе количественного показателя по скорости коррозии на алюминиевой фольге в рабочих электролитах, например на основе этиленгликоля.
Результаты тестирования занесены в таблицу 1.
Пример 1 (сравнительный). Для изготовления катодного электрода применена гладкая фольга толщиной 45 мкм марки 2301 В, Китай, изготовленная по технологии фирмы Beijing Weihao Aluminum Group Co., LTD., из алюминия чистотой 99,4%, которая содержит такие примеси, мас. %, как Fe - менее 0,225; Ti - менее 0,017; Mn - менее 0,132; Cu - 0,231; Zn - менее 0,005; Si - менее 0,052.
Электрохимическое травление катодной фольги проводили по следующим режимам и этапам (ваннам):
водный раствор NaOH - 2,0-4,0 г/л, температура - 20-40°C (этап предобработки в ванне обезжиривания);
2
4
2
водный электролит в составе: NaCl - 150-300 г/л, NaSO - 15-30 г/л, полиэтиленгликоль - 0,1-1 г/л, температура - 85-95°C, плотность тока - 0,5-0,7 А/см (ванна травления);
3
водный раствор HNO - 50-150 г/л, температура - 20-40°C (ванна очистки);
3
4
водный раствор НРО - 1,0-5,0 г/л, температура - 20-30°C (ванна пассивации).
Пример 2. Для изготовления катодного электрода применена легированная скандием гладкая фольга из алюминия чистотой 99,99% толщиной 20 мкм в соответствии с изобретением при применении лигатуры Al-Sc2%, добавляемой к алюминию в соотношении 1:2000 по массе, содержит 0,001 мас. % скандия и, остальное, алюминий (99,99%) со следующими неизбежными примесями, мас. %: Zn - менее 0,003, Si - менее 0,003, Cu - 0,002, Fe - менее 0,001, Mg - менее 0,001, Ti - менее 0,001, Ga - 0,0006, Mn - менее 0,0001. Изготовлена по традиционной технологии: сначала получили слиток сплава этого состава с помощью отвешивания и загрузки Al (99,99%) и Al-Sc лигатуры в печь, где шихту плавили путем перегрева до температуры 720-730°C и разливали в цилиндрические литейные формы полунепрерывным методом при температуре 700-710°C, полученные отливки подвергали рафинированию и гомогенизации при температуре 460-520°C в течение 12-24 часов, а затем провели горячую прокатку отливок при 380-460°C с последующей холодной прокаткой до получения полос вышеуказанной толщины.
Электрохимическое травление фольги проводили, как указано в примере 1.
Из представленных в таблице 1 данных видно, что улучшение характеристик для травленой катодной фольги соответственно составило: по удельной электрической емкости 32,1%, по предельному числу изгибов - 6%, по предельной нагрузке на разрыв - 8%, по сварному соединению - существенное и очень существенное, по скорости коррозии - 85%, причем толщина катодной фольги по изобретению снизилась относительно обычной более чем в 2 раза, что снижает (улучшает) и массогабаритные показатели изделий из такой фольги, так что образцы примера 2 (по изобретению, с оптимизированными режимными параметрами) имеют достоверно лучшие значения характеристик, чем образцы сравнительного примера 1 (по прототипам).
2
4
2
Таким образом, предлагаемый способ получения травленой катодной конденсаторной алюминиевой фольги, содержащей 0,001-0,1 мас. % скандия толщиной 20-60 мкм, включающий легирование алюминия высокой чистоты скандием, горячую прокатку и холодную прокатку до толщины 20-60 мкм, отличающийся тем, что легирование осуществляют путем добавления к алюминию высокой чистотой 99,99% лигатуры Al-Sc2% в соотношении по массе от 1:2000 до 1:20, и подвергнутую электрохимическому травлению в водном электролите, содержащем, г/л: NaCl - 150-300 г/л, NaSO - 15-30 г/л, полиэтиленгликоль - 0,1-1 г/л, при температуре - 85-95°C и плотности тока - 0,5-0,7 А/см, позволяет снизить толщину фольги более чем в два раза, по отношению к типовому способу получения травленой катодной алюминиевой фольги, при сохранении (фактическом улучшении) значений электромеханических характеристик, и улучшенные показатели в отношении способности к сварке и коррозионной стойкости.
Таким образом, травленная катодная конденсаторная алюминиевая фольга, изготовленная из алюминия высокой чистоты, легированного скандием, позволяет:
- снизить энергозатраты на единицу полученной емкости (при одинаковом режиме травления получаемая удельная емкость до 32,1% выше, чем на исходной фольге-прототипе);
- увеличить удельные характеристики конденсаторов до 32%;
- снизить габаритные характеристики конденсаторов до 10%;
- снизить массу конденсаторов до 10%;
- снизить себестоимость изготовления конденсаторов за счет снижения энергозатрат при производстве травленой конденсаторной фольги.