[發明專利]一種增強鋁電解陰極鋼棒耐腐蝕性能的表面處理工藝

在審

• 申請號: 201911149766.5
• 申請日: 2019-11-21
• 公開（公告）號: CN110819989A
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 李濤;譚敏;商志強;嚴建川;侯青青;高福朋;周強;郭曉培;朱玉麟;崔賀楠
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00;C25C3/08
• 代理公司: 重慶晟軒知識產權代理事務所(普通合伙) 50238
• 代理人: 王海鳳

本發明公開了一種增強鋁電解陰極鋼棒耐腐蝕性能的表面處理工藝，包括以下步驟：預處理，采用預設方法對待處理鋼棒的表面進行預處理，制備待用鋼棒；鍍鈦，通過預設方法對所述待用鋼棒進行鍍鈦處理，制備鍍鈦鋼棒；帶有梯度功能材料層鋼棒的制備，將鍍鈦處理后的鍍鈦鋼棒采用高溫鍍硼或采用低溫鍍硼制備帶有梯度功能材料層的鋼棒。有益效果：通過在鋼棒的表面形成TiB₂?TiB?Ti的梯度功能復合材料層，可以有效阻止鋼棒表面滲碳情況的發生，從而有效地避免了因陰極無效電耗增加而造成鋁電解工業能耗增加情況的發生。

技術領域

本發明涉及表面處理技術領域，具體來說，涉及一種增強鋁電解陰極鋼棒耐腐蝕性能的表面處理工藝。

背景技術

鋁以比重小、強度高、導電導熱性能優良、抗腐蝕性能高等特性而在交通運輸、電力、機械制造、建材和包裝等多方面得到了廣泛應用。我國歷年鋁產量居世界前列，電解鋁工業已然成為我國工業耗電大戶。與此同時國家進一步促進產業結構調整，積極引導鋁行業進行節能降耗，淘汰落后電解鋁產能。

目前電解鋁工業基本采用冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法，主要設備為鋁電解槽（圖4）。在電解過程中，電流從陽極流入，依次通過電解質、鋁液、陰極炭塊，再由陰極鋼棒導入母線。陰極作為電解槽設備的重要組成，也是電解槽無效能耗損失的重要部分。鋁液層壓降、陰極炭塊壓降與陰極導電鋼棒壓降之和構成了陰極壓降。陰極炭塊與鋼棒之間的連接對于陰極壓降至關重要。而陰極鋼棒長年處于900～1000℃下，且與陰極炭塊緊密接觸。鋼棒表面出現嚴重滲碳，致使鋼棒電阻升高，陰極無效能耗增加。前人研究表明，通過改變陰極導電用材，如采用電導率相對較高的工業純鐵作為陰極導電材料，在電解槽開槽初期，可在一定程度上降低陰極能耗。但純鐵等不能持續保持較好的導電性，同樣易滲碳造成導電性能惡化、電解槽無效能耗增加。因此，迫切需要一種方法防止陰極導電鋼棒滲碳，阻止鋁電解陰極用鋼導電性能惡化。

目前常規表面處理工藝如鍍層（鍍硬鉻、化學鍍鎳磷、刷鍍特種合金等）滲層（滲氮、硼、硫等）激光選區熔化和氣相沉積等，這類方法在鋼材表面形成的均質組織層可提高其強度、耐磨性等，或者可以在一定程度上阻止鋼材滲碳，但對鋼材的導電性能存在不利影響。

在考慮高溫使用環境與導電性的前提下，鈦與硼化鈦成為鋼表面鍍層材料首選。鈦耐高溫、強度高、延展性好，且與鋼可形成較牢固的結合層。目前鍍鈦方法較為成熟，主要有：磁控濺射法、離子注入、物理氣相沉積、電火花沉積、激光選區熔化等。硼化鈦作為一種新型的陶瓷材料，具有極其優異的性能，如具有極高的熔點與硬度、極好的化學穩定性和優異的導熱性能，尤其具有較好的導電性能。研究表明硼化鈦作為陰極涂層材料，可降低電耗、延長鋁電解槽陰極壽命。且硼化鈦較為穩定，不與碳發生反應。因此，硼化鈦可以作為一種鋁電解槽陰極用鋼棒表面鍍層，從而防止鋼棒滲碳，且不影響鋼棒的電導率。

目前，將硼化鈦沉積到鋼表面的方法主要有電火花沉積與激光選區熔化技術。但其成本高，針對批量處理大尺寸鋁電解陰極用鋼加工有難度。此外，若僅在鋼表面單獨鍍鈦或者鍍硼化鈦，會出現以下問題：鈦在高溫下易與碳生成碳化鈦，其導電性較差；而硼化鈦熱膨脹系數（4.6～7.8×10^-6/℃）小于鋼的熱膨脹系數（10.6～12.2×10^-5/℃），在溫度波動時，鍍層與基體因性能不匹配易受到張力破壞。究其原因，這些方法均通過在鋼表面增加一層均質組織，但該均質組織與鋼基體之間存在性質功能差異，且二者間的宏觀界面也是影響導電性的關鍵因素。故應在選材和工藝上盡量減少鍍層與基體在熱膨脹系數上的差別，消除宏觀界面。同時防止鍍層在高溫環境下與陰極炭塊發生反應。另一方面，鈦、鋼表面鍍硼工藝主要有：鹽浴滲硼、熔鹽電鍍技術等，該類技術對于批量表面處理大尺寸鋁電解陰極用鋼具有明顯優勢。因此，本發明提出了一種增強鋁電解陰極鋼棒耐腐蝕性能的表面處理工藝來解決相關技術中的問題。

發明內容

（一）解決的技術問題