鋅球制備電池鋅餅的試驗及其特性分析

傅珠榮，劉 嵩，錢康樂，金崢崢，王曉麗

（1.紹興市天龍錫材有限公司，浙江 紹興 312000;2.浙江碩實機械有限公司，浙江 紹興 312000；3.浙江越宮鋼結構有限公司，浙江 紹興 312000；4.紹興市上虞區職業中等專業學校，浙江 紹興 312300;5.紹興梅吉沖壓件有限公司，浙江 紹興 312000）

普通鋅-錳干電池簡稱干電池，廣泛用于遙控器、計算器、玩具、鼠標等，負極為電池鋅筒（簡稱鋅筒）。我國是全球最大干電池生產和出口國，2014 年國內就有約30 萬噸鋅用于制造干電池[1]，主要以型號R6（5 號電池）、R03（7 號電池）鋅筒為主，R20(1號電池)電池產量較少，R 14(2 號電池)則更為稀少。鋅筒由電池鋅餅[2]（簡稱鋅餅）沖壓成形，鋅餅由軋制后的鑄鋅板材[3]沖裁制得。為確保沖裁鋅餅質量，鋅餅間有搭邊存在，搭邊的存在大幅度降低了成材率，R6 和R03 電池鋅筒用鋅餅沖裁成材率約為50%[4]，也有為提高沖裁工序的成材率，直接沖裁無搭邊的成六角鋅餅[5]，但在沖制成鋅筒時，其邊角成為鋅筒多余部分割下，與沖裁后鋅板材重新回爐，實際成材率并未提高，且增加了沖制負載。鋅熔融狀態易氧化，鋅錠熔化產渣率一般約0.6%，沖裁后鋅板材和鋅筒多余割下部分重熔產渣率約1%。傳統鋅板材沖裁鋅餅工藝，不符有色金屬加工低耗能要求[6]、資源損耗多、沖裁過程噪聲大。本文利用滾動軸承鋼珠的加工原理，用鋅線材加工成鋅球，設計多粒鋅球同時沖壓成鋅餅模具，用于制取型號R6 鋅筒用鋅餅。分析其特性表明，新工藝可滿足沖制鋅筒要求，性能優于沖裁的鋅餅，成材率可達99.5%以上，為降能耗和節約資源提供一種可選的技術方案。

1 鋅線材制備鋅餅試驗

1.1 鋅線材的成分和線徑選擇

所選鋅線材由專業生產企業通過連鑄連軋工藝制造，經軋制的鋅線材已具備較佳的塑形。鋅餅的外形尺寸和合金成分文獻[2]給出了規定，本文采用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OESAvion200），檢測鋅線材的成分見表1。分析對比R6（?13mm、厚度5.5mm）和R03（?9.6mm、厚度6.5mm）兩種鋅餅的尺寸，鋅球壓制成鋅餅，R6 具有更大的壓制變形量，故選擇制作R6 鋅餅作為試驗對象。制作R6 鋅餅的鋅線材直徑選取為?9.8mm，公差為＋0.05mm。

表1 鋅線材元素成分

1.2 鋼球自動冷鐓機型號選擇

鋼球一般采用沖壓法制取[7]，自動冷鐓機是制備鋼球主要設備，技術成熟。本文選擇Z32-13 型鋼球自動冷鐓機作為制備鋅球的設備，其常規技術參數見表2。本文選用?9.8mm 鋅線材制備型號R6 的鋅球。試驗表明，鋼球冷鐓機用于制備鋅球，與制備鋼球有較大的差別。鋼球采用高碳鉻軸承鋼[8]，其退火狀態下抗拉強度為590～760N/mm2，遠高于鋅線材（不超過160N/mm2）。用于鋅球冷鐓機的負載低，制球速度可達到350 粒/min，運行依然平穩。試驗表明，制成鋅球的體積應不超過鋅餅體積，且有1.5%左右的負偏差。本文針對鋅線材特性重新設計冷鐓模具，對壓縮比進行合理調整，制得的鋅球見圖1。冷鐓制得的半成品鋼球形往往存在外環帶和兩極點，由于鋅材較軟，圖1 中可見鋅球的極點和外環帶不明顯，試驗表明無需常規的光球工序來提高鋅球圓度，直接將冷鐓鋅球進行滾筒式拋光處理，消除鋅球外環帶，經拋光后鋅球圓度穩定在-0.1mm 以內，制備R6 型號鋅餅用鋅球的球徑為?11.16-0.1mm。

表2 自動冷鐓機常規技術參數

圖1 冷鐓后的鋅球

1.3 鋅餅沖壓模具設計

鋅餅沖壓模具的作用是將鋅球沖壓成鋅餅，考慮沖壓效率，一次需將多達13 粒及以上的鋅球同時沖壓成鋅餅，需解決所有鋅球在沖壓瞬間處于規定的位置，否則易產生較多的廢品。本文參考文獻[9]提供的模具結構，設計了13 粒鋅球同步沖壓成鋅餅的模具，其結構見圖2，由上沖模、控徑模板、下沖模和鋅球組成。上沖模的沖壓面為平面，邊長為90mm 的正方形；控徑模板詳見圖3，其尺寸依據R6型號鋅餅尺寸要求設計，該件13 個孔的孔徑取值?13mm，厚度取值5.5mm；下沖模詳見圖4，邊長與上沖模一致，沖壓面設有位置、數量與控徑模板?13mm 孔一致的錐形凹坑，凹坑直徑?E 為7mm，深度A 為0.4mm，其作用時再沖制過程，鋅球在錐形凹坑的導引下，自動移向凹坑中心位置，防止沖壓廢件產生。

圖2 鋅球沖壓模具

圖3 控徑模板

圖4 下沖模

1.4 鋅球沖壓成初成型鋅餅、精整及脫餅

依據圖1 的沖壓模具，采用曾氏精機ZS-110T型沖床，為減少沖床負載，將鋅球加溫至80℃左右沖壓成初成型鋅餅，初成型鋅餅一側帶有錐底直徑7mm、錐高0.4mm 的小錐臺，采用兩平輥軋機對初成型鋅餅整形，軋輥直徑不小于?200mm，帶初成型鋅餅的控徑模板經軋制，將其小錐臺軋平，軋制時精確調整輥間距以控制鋅餅厚度尺寸，軋制完畢后用氣動或液壓機械裝置將鋅餅脫離控徑模板。

2 鋅球制成的鋅餅特能分析

2.1 金相組織

采用超景深數碼顯微鏡（型號：VHX2000C），分析鋅板材沖裁和鋅線材制球兩種方法制備的鋅餅，圖5 是鋅板材沖裁制取的鋅餅金相圖，晶粒較為粗大，尺寸約為40μm 左右，圖6 是鋅線材制備的鋅餅金相圖，晶粒非常細小，經冷鐓后形成方向不規則的纖維化組織。說明鋅板材變形量較小，且變形方向單一，鋅線材變形量大，且多方向變形，因此塑形更佳，更有利于沖制鋅筒。

圖5 沖裁工藝金相圖

圖6 線材工藝金相圖

2.2 硬度和力學性能

為便于沖制鋅筒，文獻5 規定了鋅餅布氏硬度范圍為38.0～55.0HBW（2.5/62.5/30），文獻3 也給出了HB（2.5/62.5/30）不大于16.0kg/mm2的建議，實際根據不同企業設備和模具情況，變化較大。一般企業在保證沖筒質量的同時，偏向選擇硬度偏低的鋅餅。本文采用HBS-62.5 型數顯小負荷布氏硬度計，按《GB/T231.1-2009 金屬材料布氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》的規定檢測鋅餅的布氏硬度，沖裁和鋅線材制球工藝的鋅餅分別為42.9HBW 和38.8HBW（2.5/62.5/30），兩種方法的鋅餅硬度基本一致。

鋅餅不易作力學性能測試，取沖裁鋅板材（裁取軋制方向長度作為測試樣件）和鋅線材作為測試樣品，采用微機控制電子萬能試驗機（GMT4204），按《GB/T228.1-2010 金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》的規定檢測樣品力學性能，測試拉拔速率50mm/min，測試結果見表3，兩者抗拉強度接近，鋅線材斷后伸長率明顯優于鋅板材，表明鋅線材制成的鋅球塑形更佳。

表3 鋅線材和鋅板材力學性能數據

2.3 鋅餅尺寸及精度

鋅線材制取鋅餅，直徑尺寸受控于孔徑模版內的孔徑，再經軋輥整形控制其厚度精度，試驗表明鋅球制取的鋅餅可滿足文獻[2]規定的外形尺寸要求，平面邊部會形成R0.3mm 的圓弧過渡，不存在沖裁鋅餅一側帶有毛刺現象，因此無需沖裁后去毛刺工序，鋅餅脫離控徑模板后可直接用于沖制鋅筒。

3 結論

（1）試驗表明，鋅線坯制取鋅球是可行的，單臺冷鐓設備的制球速度350 粒/min。

（2）采用專門設計的沖壓模具，可將鋅球沖制成R6 型鋅餅。

（3）鋅線材制取的鋅餅，晶粒更細小，力學性能較優，布氏硬度與鋅板材沖裁的鋅餅基本一致。

（4）鋅線材制取鋅餅方法，僅適合徑厚比1.4～2.8 的鋅餅制取，故適合R6、R03 和R1 鋅餅制備。直徑大、厚度薄的R20、R14 和R10 鋅餅，本法不適合。