鉛酸蓄電池極柱氣孔解決方法研究

于水，王金生，尹政，姬生輝，張景濤，劉洪莎，孔凡鎮

（山東圣陽電源股份有限公司，山東 曲阜 273100）

0 引言

鉛酸蓄電池以其安全性能高、性價比高、質量穩定可靠，以及可再生循環利用的特性，已成為國民經濟中不可或缺的基礎性產品。極柱作為鉛酸蓄電池內部的重要組成部件，是相鄰單體間連接的橋梁，因此其生產質量直接決定著鉛酸蓄電池的安全性與壽命。目前，國內鉛酸蓄電池行業普遍采用重力澆鑄工藝生產極柱。生產方式有手工澆鑄與機器澆鑄兩大類[1]。無論是手工澆鑄還是機器澆鑄，均是液態鉛合金由模具頂部澆鑄口進入模具腔體，經過冷卻凝固形成極柱。這種生產方式便捷，具有較高的經濟性，但是常會出現由于模具腔體殘留氣體不能及時排出而產生的鑄件氣孔缺陷。氣孔會直接減少極柱的有效承載面積，降低極柱的耐腐蝕性與大電流承載能力，進而對鉛蓄電池的性能產生較大的影響。本文中，筆者結合生產實踐，針對重力澆鑄極柱的方式，驗證分析極柱產生氣孔的影響因素，摸索出了有效解決氣孔缺陷的方法。

1 極柱澆鑄工藝簡介

重力鑄造工藝是指金屬液在地球重力作用下注入鑄型的工藝，也稱重力澆鑄。廣義的重力鑄造包括砂型澆鑄、金屬型澆鑄、熔模鑄造、消失模鑄造、泥模鑄造等。狹義的重力鑄造主要指金屬型澆鑄。金屬型澆鑄是用耐熱合金鋼制作鑄造用中空鑄型模具的現代工藝。鑄型模具能反復多次使用，每澆注一次金屬液，就獲得一次鑄件，因此，不但壽命很長，而且生產效率很高。金屬型的鑄件不但尺寸精度好，表面光潔，而且在澆注相同金屬液的情況下，鑄件強度要比砂型的更高，更不容易損壞。極柱澆鑄屬于金屬型澆鑄。實際中，由于重力澆鑄的需要，應該把極柱倒立過來，將頂柱放在底部，底座放在模具的上端（參見圖1），即把質量大的部分放在底部。這樣澆鑄可以使合金液流動性更好，極柱熔合性更強，而且能減少接縫線的產生[2]。生產極柱的一般流程為：① 鉛合金錠在鉛鍋內通過高溫熔化形成鉛合金液；② 鉛合金液通過鉛泵進入輸鉛管，流向鉛勺；③ 鉛勺內的鉛合金液通過重力方式澆鑄到模具腔體內，并在腔體內冷卻；④ 冷卻后的合金件經過澆口切除、脫模形成成品極柱。

圖1 極柱澆鑄時的倒立狀態

2 氣孔產生的原因分析

氣孔是氣泡在液體金屬凝固結殼前來不及浮出而留在鑄件內部形成的一種孔洞缺陷。氣孔缺陷是鑄造最常見的缺陷之一，可分為侵入性氣孔、析出性氣孔和反應性氣孔三大類。侵入性氣孔是指氣體從金屬外部侵入液體而形成的氣孔。侵入性氣孔的體積較大，多呈現圓型，一般出現在鑄件澆鑄位置的上部。析出性氣孔是溶解在液態金屬中的氣體在凝固過程中析出而成的。該類氣孔的特征為整個鑄件斷面都布滿小孔，但是這樣的情況不常見。反應性氣孔又叫皮下氣孔，是液態金屬中的某些成分與模具界面發生化學反應而產生的氣孔。該類氣孔都位于鑄件表面以下較淺的位置，而且呈分散小孔狀[3-4]。在實際生產中，鉛酸蓄電池極柱的氣孔一般位于澆鑄位置上方，屬于侵入性氣孔。其形成主要緣于模具腔體內的氣體與澆鑄時卷入的氣體，也就是：合金液進入模具腔體內之后，氣體受到擠壓而上浮，通過模具排氣道與模具澆鑄口排出，但是當合金液冷卻凝固時，如果該部分氣體不能及時排出，就會包裹在鑄件內部形成氣孔。解決該類氣孔缺陷需要從延長氣體排出時間和提高氣體排出效率方面采取措施，保障合金液凝固前，氣體能夠完全排出。

3 試驗及結果討論

3.1 極柱氣孔的檢測方法

對于通過機器澆鑄方式生產出的極柱，氣孔一般位于極柱內部，由簡單目測是不能發現的，因此需要將極柱靜置冷卻后，使用工具先將頂柱與底座結合位置剖切開，再將分離后的頂柱與底座分別平均剖成 3 段，檢查測量剖開面的氣孔情況（參見圖2）。

圖2 極柱剖面

3.2 合金液凝固速度對極柱氣孔的影響

在實際生產中，合金液凝固速度主要受到合金溫度與模具冷卻水的影響。合金溫度高會使得合金液凝固速度減緩，流動性、充型效果提升，但是合金溫度過高會導致溶解氣體多，合金出渣率高等問題出現。模具冷卻水主要通過流量控制模具腔體內合金的凝固速度。冷卻水的流量小會延緩合金凝固速度，但是冷卻水的流量過小會導致脫模困難，脫模劑過早失效。本次試驗中，筆者在保持鑄造速度不變的情況下，設定合金溫度升幅為 20 ℃，冷卻水流量的降幅為 1 L/min，直至極柱脫模困難為止，對比觀察延緩合金液凝固速度對極柱氣孔的影響。由表1 與圖3所示試驗結果可以看出，通過提升合金的溫度，降低循環冷卻水的流量來延緩合金凝固速度，可以將極柱氣孔體積縮小，但是不能避免氣孔的出現。

表1 不同合金溫度與冷卻水流量下極柱氣孔的大小

圖3 不同合金凝固速度下產生的氣孔

3.3 脫模劑類型對極柱氣孔的影響

使用脫模劑噴涂模具的主要目的是讓脫模劑起到隔熱的作用，使液態鉛基合金保持熔融狀態，順利注滿模具，防止模具表面受到熔融合金的直接作用，讓鑄件容易脫模并且表面光滑[5-6]。同時，調節模具各個部分的溫度，起到保持模具溫度平衡的作用，促進合金液充型飽滿，擠出內部氣體，保證壓鑄件的質量。本次試驗中，筆者在保持合金溫度與冷卻水流量一致的情況下，使用 3 種配方的脫模劑，對比脫模劑對極柱氣孔的影響。由表2 與圖4的試驗結果可以看出，更改脫模劑配方的方法對于改善極柱中氣孔缺陷的作用不明顯。

表2 采用不同脫模劑時極柱氣孔的大小

圖4 采用不同脫模劑時的氣孔

3.4 模具結構對極柱氣孔的影響

機器澆鑄極柱模具主要包括澆板、動模、靜模、脫模針及相關配件。澆板上設置澆鑄口（一般為 6 個）。生產時鉛合金液通過澆鑄口進入動模與靜模之間的模腔。經過冷卻后，澆板與模具發生左右位移，切除澆口，然后脫模針將極柱推出（參見圖5與圖6）。在極柱模具中，影響氣體排出的因素主要有澆鑄口的尺寸、排氣道的尺寸和排氣路徑。

圖5 極柱模具

圖6 極柱模具剖面圖

3.4.1 澆鑄口尺寸

澆鑄口是指液態鉛合金充型時所經過的通道，一般采用重力頂柱式設計[7]。澆鑄口的作用是讓鉛合金液迅速而平穩地充滿模具腔體，同時為氣體的逃逸提供通道。澆鑄口過小會導致合金液充型較慢，造成零件缺肉，同時影響模腔內氣體的逃出速度。澆鑄口過大則會導致澆口與零件之間的連接過于牢固，切除澆口困難，零件變形等問題。本實驗中，在不影響澆口切除的前提下，將澆鑄口由直徑2.5 mm 的圓孔調整為長軸 5 mm、短軸 4 mm 的橢圓孔（參見圖7）。模具澆鑄口修改后，氣孔依然存在，但是氣孔體積縮小了（參見圖8）。

圖7 調整后的橢圓澆鑄口

圖8 調整澆口后生產的極柱

3.4.2 排氣道尺寸

排氣道是模具結構中必不可少的一部分，在澆鑄時可以為模具腔體的氣體提供外排途徑。排氣道的寬度和深度都影響著氣體的排出效率，所以對于改善氣孔缺陷至關重要。本次試驗中，在保障排氣道不灌鉛，并且修改了澆鑄口尺寸的基礎上，將極柱模具的排氣道由寬 5 mm、深 0.02 mm 調整至寬 7 mm、深 0.06 mm（參見圖9）。修改后澆鑄極柱中，氣孔體積進一步縮?。▍⒁妶D10）。

圖9 調整后的模具排氣道尺寸

圖10 排氣道調整后生產的極柱

3.4.3 排氣路徑

鉛合金液從澆鑄口流入后，會先沿著頂柱模腔的腔壁逐漸流入，并填充滿頂柱模腔，最后填充底座模腔。其間，頂柱模腔中的氣體一部分會從排氣道逸出，而剩余的氣體會受到鉛液的擠壓而上浮，尋找出口。通過解剖極柱發現，氣孔均集中在底座模腔位置。因此，本次試驗中，在修改了澆鑄口與排氣道尺寸的基礎上，將澆鑄口位置由頂柱模腔上方修改至底座模腔上方（參見圖11）。修改模具的排氣路徑后生產極柱。多次抽樣檢測結果表明，氣孔問題已消失，達到了預期效果（參見圖12）。

圖11 調整后的澆鑄口位置

圖12 極柱改善效果

4 結束語

筆者從生產實際出發，通過分析、論證造成極柱氣孔的因素，提出了以下改善鉛酸蓄電池極柱氣孔的方法：

（1）通過調整合金溫度與冷卻水流量，延長鉛合金液的凝固時間，可以減小極柱氣孔的大小。

（2）通過調整模具澆鑄口大小、位置與排氣道結構，配合合理的工藝參數，可以達到消除侵入性氣孔的效果。

由于鑄件產生氣孔缺陷的影響因素較多，不可千篇一律，需依據生產現場的實際情況進行分析，針對性地提出改善措施，提升產品質量。