DE2935537C2 - Titanlegierung als Grundmaterial für Elektroden - Google Patents

Description

In den letzten Jahren haben unlösliche Metallelektroden, die durch Beschichtung eines metallischen Grundmateriafs mit einem Metall der Platingruppe, wie zum Beispiel Platin oder Ruthenium, oder deren Oxiden hergestellt werden, eine große kommerzielle Bedeutung als Elektroden für die Elektrolyse von wäßrigen Lösungen von Salzen, wie beispielsweise Natriumchlorid oder Meerwasser, wäßrige Lösungen, die verschiedene Säuren, wie beispielsweise Schwefelsäure, Salpetersäure, Chlorwasserstoffsäure oder organische Säuren, enthalten, und wäßrige Lösungen, die Alkalien enthalten, erlangt. Als metallisches Substrat wurde reines Titan verwendet.

Wenn als Elektroden-Grundmaterial reines Titan verwendet wird, wird die Substratoberfläche während der Elektrolyse der verschiedenen oben beschriebenen Materialien, insbesondere bei der Elektrolyse von sauren wäßrigen Lösungen, manchmal oxidiert oder aufgelöst. Dies beschleunigt das Abschälen bzw. den Verschleiß des Elektrodenüberzugs und verkürzt die Lebensdauer der Elektrode.

Aus »Werkstoffe und Korrosion« (1968), Seiten 114/120, ist es bekannt, daß Zusätze von Zirkonium, Niob und Tantal bis 10% die Korrosionsgeschwindigkeit von Titan in Säuren herabsetzen, wobei sich Tantal als besonders wirksam erwiesen hat Auch eine ternäre Titanlegierung mit 12,5% Zirkonium und 12,5% Tantal mit guter Korrosionsbeständigkeit ist aus der genannten Druckschrift bekannt.

Aus »journal of Electrochemical Society« (1959), Seilen 759/763. ist es bekannt, daß sich durch Zusatz von Metallen der Platingruppe, also Platin, Palladium, Rhodium, Ruthenium, Osmium und Iridium in Mengen von ca. 0,06 bis 0,6% die Korrosionsbeständigkeit von Titan gegenüber Säuren verbessern läßt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff mit besonderer Eignung als Elektroden-Grundmaterial aufzufinden.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebene erfindungsgemäße Verwendung gelöst

Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ergibt sich in erster Linie daraus, daß mit der im Patentanspruch definierten Legierung ein Werkstoff aufgefunden wurde, der sich überraschend gut als Grundmaterial für beschichtete Elektroden eignet.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen, die sich durch eine überlegene Korrosionsbeständigkeit in verschiedenen Elektrolyten auszeichnen, sind ternäre bzw. quaternäre Titan-Tantal-Niob- und/oder Zirkonium-Legierungen mit Gehalten von 0,01 bis 1,5% an wenigstens einem Metall der Platingruppe des periodischeu Systems der Elemente. Dabei enthält die zu verwendende Titanlegierung 0,05 bis 10% Tantal und Niob und/oder Zirkonium, wobei der Tantalgehalt 0,01 bis 9,93% beträgt

Ist das Element der Platingruppe in der zu verwendenden Legierung nicht mit wenigstens 0,001% enthalten, so kann die angestrebte gute Korrosionsbeständigkeit nicht erreicht werden. Mit Rücksicht auf die hohen Kosten der in der Platingruppe des periodischen

to Systems zusammengefaßten Edelmetalle liegt die obere Gehaltsgrenze bei 13% für diese Metalle.

Aus den erfindungsgemäß verwendeten Titanlegierungen hergestellte Elektroden-Kerne haben überlegene Eigenschaften bei Verwendung als Anoden oder als Kathoden.

Die zu verwendenden Titanlegierungen lassen sich auf bekannte Weise herstellen, wie unter Verwendung des Vakuum- Lichtbogen-Schmelzverfahrens.
Geeignete Überzüge, die auf das zu verwendende Elektrodengrundmaterial aufgebracht werden können, sind in keiner Weise beschränkt Derartige Überzüge sind beispielsweise in den US-Patentschriften 36 32 498 sowie 37 11 385 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Beispielen erläutert Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich sämtliche Anteils- bzw. Prozentangaben auf das Gewicht.

Beispiele

Die Elektroden-Grundmaterialien aus Legierungen verschiedener Zusammensetzungen, dargestellt in Tabelle 1, wurden jeweils im Vakuum-Lichtbogen-Schmelzverfahren erschmolzen. Jeder der erhaltenen scheibenförmigen Gußblöcke mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 10 mm wurde bei 900⁰C geschmiedet, im Vakuum (etwa 0,0133 Pa) bei 700⁰C 2 Stunden lang geglüht und auf eine Größe von 3 mm χ 50 mm χ 50 mm zugeschnitten. Auf diese Weise wurden plattenförmige Elektrodenkerne erhalten. Diese Elektrodenkerne wurden mit heißer Salzsäure (siedende 25%ige wäßrige HCI-Lösung) und dann mit Wasser gewaschen.

Eine Lösung aus 1 g Iridiumchlorid, 0,5 g Tantalchlorid und 10 ml einer 10%igen wäßrigen Lösung von

v, Chlorwasserstoff säure wurde zur Beschichtung der oben beschriebenen Elektrodenkerne verwendet; anschließend wurde bei etwa 550⁰C an Luft erhitzt, um eine metallische Elektrode zu erhalten, die mit Metalloxid beschichtet war (Schichtstärke etwa 2 μΐη).

Jede der erhaltenen Elektroden wurde als Anode verwendet und durch Verwendung bei einer Elektrolyse einer 15prozentigen wäßrigen Lösung von Schwefelsäure unter den folgenden Bedingungen (a) und (b) bewertet:

(a) Temperatur des Elektrolyten 90⁰C
Stromdichte 50 A/dm²

(b) Temperatur des Elektrolyten 5O⁰C
Stromdichte 75 A/dm²

Die Lebensdauer der Elektroden wurde ermittelt, um die Güte der Elektrodenkernlegierungen zu bestimmen.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 unten dargestellt, zusammen mit den Vergleichsergebnissen von anderen Elektrodenkernen, die aus den in Tabelle 1 angegebenen Metallen ebenfalls im Vakuum-Lichtbogen-Schmelzverfahren hergestellt und dann in eine Mischung aus Iridiumchlorid, Tantalchlorid und einer wäßrigen

Lösung von Chlorwasserstoffsäure getaucht und dann zur Oxidbildung erhitzt worden waren.

Die Lebensdauer der Elektroden bei der Elektrolyse wurde durch Ermittlung des Grades der Abschälung des

Elektrodenüberzugs und dem abrupten Anstieg des Elektrodenpotentials, welcher auf die Oxide usw, die durch die Korrosion des Elektrcdensubstrates entstehen, zurückzuführen ist, ermittelt.

Tabelle 1	Legierungszusammensetzung (Gew.-%)	Ta	Nb	Zr	Pt	Ir	Lebensdauer
Beispiel Nr.	Ti						(a) (b) (Stunden) (Monate)
	100	5	-	-	-	-	200 4
Vergleichsbeispiele 1	95	-	5	-	-	-	160
2	95	-	-	5	-	-	80
3	95	0,5	0,5		0,1		190
4	98,9	0,5	0,5	-	0,7	0,3	550 8,5
Erfindungsgemäße Beispiele 5	98					570
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Die in Tabelle 1 dargestellten Ergebnisse zeigen, daß die mit erfindungsgemäß zu verwendenden Kern-Legierungen hergestellten Elektroden eine mehr als zweimal so lange Lebensdauer haben als die zu Vergleichszwecken getesteten herkömmlichen Elektroden.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verwendung einer 0,05 bis 10% Tantal und Niob und/oder Zirkonium enthaltenden Titanlegierung, in welcher der Tantalgehalt 0,01 bis 939% beträgt und ferner 0,001 bis 1,5% wenigstens eines der Metalle Platin, Iridium, Thorium, Ruthenium, Palladium und Osmium enthalten sind, als Grundmaterial für Elektroden.