توصيفگر ها :
آند , كامپوزيت , نورد تجمعي پيوندي , خواص مكانيكي , تغيير شكل پلاستيك شديد , تنگستن , اكسيد كبالت
چكيده فارسي :
آندهاي سربي بهطور گسترده در فرايند الكترووينينگ فلزاتي مانند مس و روي استفاده ميشوند، اما مشكلاتي نظير خواص مكانيكي ضعيف، انحلال سرب در الكتروليت و توليد لجن آندي، كارايي آنها را محدود ميكند. به همين دليل، پژوهشهاي متعددي براي بهبود خواص مكانيكي و الكتروشيميايي آندهاي سربي انجام شده است. يكي از رويكردهاي اصلي براي بهبود اين خواص، افزودن عناصر آلياژي مانند كبالت، نقره و آنتيموان به آندهاست كه باعث كاهش انحلال سرب، بهبود مقاومت به خوردگي و افزايش طول عمر آند ميشود. در كنار آن، روشهاي ساخت مختلفي از جمله ريختهگري، پرس داغ و استفاده از پوششهاي سراميكي نيز مورد بررسي قرار گرفتهاند. با اين حال، چالشهايي مانند توزيع يكنواخت عناصر آلياژي و پايداري لايههاي اكسيدي روي سطح آندها همچنان نيازمند تحقيقات بيشتري است. در اين تحقيق، از روش نورد تجمعي پيوندي (ARB)، كه يك فرآيند تغيير شكل پلاستيك شديد است، براي توليد آندهاي كامپوزيتي Pb-W-Co3O4 استفاده شد. هدف اين كار، بهينهسازي خواص مكانيكي آندها با ايجاد ساختارهاي ريزدانه بود. براي اين منظور، كامپوزيتهاي سربي تقويتشده با ذرات W/Co3O4 با درصدهاي وزني مختلف (25/0، 5/0، 1، 5/1 و 2 درصد) توليد شدند و فرآيند ARB تا 10 چرخه انجام گرفت. خواص مكانيكي و مشخصات ريزساختاري اين كامپوزيتها با آزمونهاي مختلفي مانند ريزسختي، كشش، سنبه برشي، پراش پرتو ايكس (XRD) و ميكروسكوپهاي الكتروني ارزيابي شدند. همچنين، خواص الكتروشيميايي آندها با ولتامتري چرخهاي و طيفسنجي امپدانس الكتروشيميايي تحليل شد. نتايج نشان داد كه نمونه Pb-0.5%W-Co3O4 با 10 چرخه ARB داراي بهترين خواص مكانيكي و الكتروشيميايي بود. اين نمونه نسبت به سرب خالص، افزايش چشمگيري در استحكام كششي، تسليم، برشي و سختي نشان داد و ميزان ازدياد طول آن كاهش يافت. بهبود خواص مكانيكي با افزايش پايداري ابعادي، مقاومت در برابر خزش و طول عمر آند همراه بود. از نظر خواص الكتروشيميايي، با افزايش درصد پودر اين خواص بهبود يافت، اما به دليل محدوديت در خواص مكانيكي، بهينهترين عملكرد در نمونه با 5/0 درصد افزودني با 10 چرخه ARB مشاهده شد. اين پژوهش نشان ميدهد كه روش ARB و تركيب بهينه مواد ميتواند به توليد آندهاي كامپوزيتي با عملكرد بالا و ويژگيهاي مكانيكي و الكتروشيميايي مطلوب منجر شود و به توسعه فناوريهاي پيشرفته در اين حوزه كمك خواهد كرد.
چكيده انگليسي :
Lead anodes are widely used in the electrowinning process of zinc and other metals. However, due to challenges such as the poor mechanical properties of lead, lead dissolution in the electrolyte, and the formation of anodic sludge, extensive research has been conducted to enhance their mechanical and electrochemical properties. Some studies have focused on alloying lead anodes with elements such as cobalt, silver, and antimony. This alloying approach has resulted in reduced lead dissolution in the electrowinning solution, improved corrosion resistance, and increased anode lifespan. Additionally, various manufacturing methods, including casting, hot pressing, and the application of ceramic coatings, have been explored to further improve anode properties. Despite these advances, challenges related to the uniform distribution of alloying elements and the stability of oxide layers on anode surfaces still require further investigation. In this study, Pb-W-Co3O4 composite anodes were produced and evaluated using the Accumulative Roll Bonding (ARB) process. ARB is a severe plastic deformation process used to produce materials with ultra-fine grain microstructures. This research aimed to optimize the mechanical and electrochemical properties of the anodes by utilizing ARB as a method of severe plastic deformation. To achieve this, Pb composites reinforced with W/Co3O4 particles at various weight percentages (0.25, 0.5, 1, 1.5, and 2 wt%) were produced and evaluated. The ARB process was conducted for up to 10 cycles, and the mechanical and microstructural properties of these composites were examined using microhardness testing, tensile testing, shear punch testing, X-ray diffraction (XRD), transmission electron microscopy (TEM), and scanning electron microscopy (SEM). Furthermore, the electrochemical properties of the anodes were analyzed using cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy. The results indicated that the Pb-0.5%W-Co3O4 sample subjected to 10 ARB cycles exhibited optimal mechanical and microstructural properties. This sample showed a significant increase in tensile strength (2.17 times), yield strength (4.7 times), shear strength (3.6 times), and hardness (4.2 times) compared to pure lead under the same ARB cycles, although the strain decreased by 3.85 times. This improvement in mechanical properties was associated with enhanced dimensional stability, creep resistance, and operational lifespan of the anode. From an electrochemical perspective, increasing the powder content and ARB cycles improved these properties, but the best performance was observed in the sample with 0.5% additive and 10 ARB cycles due to mechanical limitations. This research demonstrates that the ARB method, combined with the optimal material composition, can lead to the production of high-performance composite anodes with desirable mechanical and electrochemical characteristics, contributing to the advancement of technology in this field.