CN109136597A - 一种通过添加Nd提高铸态锌铝共晶合金耐蚀性的方法 - Google Patents

一种通过添加Nd提高铸态锌铝共晶合金耐蚀性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通过添加Nd提高铸态锌铝共晶合金耐蚀性的方法。包括如下步骤：采用Al、Zn和Al‑Nd中间合金为原料，在中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度600~800℃，保温时间20~40min，模具预热温度150~300℃，浇铸冷却速度0.02~10K/s；所得锌铝共晶合金中Nd元素含量为0.01~0.30wt%，Al元素含量为3~7wt%，余量为Zn及不可避免的杂质。通过上述方式，本发明提供的方法可以使铸态锌铝共晶合金中的共晶组织细化、均匀，提高Al2O3膜在合金表面的完整性，使腐蚀产物更加致密，从而大幅提高铸态锌铝共晶合金的耐蚀性。

Description

一种通过添加Nd提高铸态锌铝共晶合金耐蚀性的方法
技术领域
本发明涉及金属材料制备领域，特别是涉及一种通过添加Nd元素提高铸态锌铝共晶合金耐蚀性的方法。
背景技术
钢在不同环境中容易发生化学或电化学腐蚀，导致其功能失效。热镀锌是提高钢在空气中耐蚀性的最简单有效的技术之一。商品化的Zn-5wt.%Al共晶合金涂层因其优异的延展性、高耐腐蚀性能和成形性能而被广泛用于汽车工业。
锌和铝都是比较活泼的金属。铝在中性环境中会形成致密的Al2O3钝化膜，保护金属免受进一步的腐蚀。但在锌铝共晶合金中，由于富铝相和富锌相之间的电位差，会导致相界面处发生电化学腐蚀，加速晶间腐蚀速度，破坏Al2O3钝化膜。因此，热镀锌铝共晶合金的腐蚀速度较快，通常作为牺牲阳极法使用。
提高锌铝共晶合金的耐蚀性，以延长作为牺牲阳极的热镀锌铝共晶合金的使用寿命，有助于延长被保护合金的服役时间，降低防腐蚀成本，对拓展锌铝共晶合金的工业应用范围具有重要意义。
Nd元素作为我国储量丰富的一种稀土元素，被证实可改善镁合金的高温性能、气密性和耐腐蚀性。而目前国内外并无添加Nd元素改善锌铝共晶合金耐蚀性的相关专利。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过添加Nd元素提高铸态锌铝共晶合金耐蚀性的方法。
为实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：提供一种通过添加Nd元素提高铸态锌铝共晶合金耐蚀性的方法，包括步骤：采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn和Al-Nd中间合金为原料，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度600~800℃，保温时间20~40min，模具预热温度150~300℃，浇铸冷却速度0.02~10K/s；所得锌铝共晶合金中Nd元素含量为0.01~0.30wt%。
所述的频率为150～10000Hz的中频感应炉，是为了使熔炼过程中电磁搅拌效果好，减少偏析。
所述的熔炼温度600~800℃，保温时间20~40min，该熔炼条件可发生固态相变，使铸态锌铝共晶合金中的共晶组织细化、均匀。
所述的模具预热温度150~300℃，浇铸冷却速度0.02~10K/s，是为了使铸态锌铝共晶合金中在凝固过程中组织均匀，避免出现缺陷和内应力。
所述的锌铝共晶合金由如下质量百分比的组元组成：3~7wt%Al，0.01~0.30wt%Nd，余量为Zn及不可避免的杂质。
本发明的有益效果是：本发明提供的方法能够使铸态锌铝共晶合金中的共晶组织细化、均匀，提高Al2O3钝化膜在合金表面的完整性，使腐蚀产物更加致密，从而大幅提高铸态锌铝共晶合金的耐蚀性。本发明提供的方法处理过的铸态锌铝共晶合金在3.5wt% NaCl水溶液中浸泡72小时后的腐蚀电位为-1.106V，腐蚀电流密度为5.26×10-6A⋅cm-2，浸泡失重速度为3.6×10-4g·cm2·d-1，相比未经本方法处理的铸态锌铝共晶合金在3.5wt% NaCl水溶液中浸泡72小时后的腐蚀电位为-1.118V，腐蚀电流密度为5.96×10-7A⋅cm-2，浸泡失重速度为4.1×10-4g·cm2·d-1，合金耐蚀性有了大幅提高。
附图说明
图1是本发明实施例1在3.5wt% NaCl水溶液中浸泡72h后的扫描电镜图。
图2是本发明对比例1在3.5wt% NaCl水溶液中浸泡72h后的扫描电镜图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体的实施例对本发明进一步详细说明。
实施例1：
采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn和Nd含量为15wt%的Al-Nd中间合金为原料，按照Nd元素含量为0.05wt%、Al元素含量为5.0wt%、余量为Zn及不可避免的杂质进行配比，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度600℃，保温时间20min，模具预热温度150℃，浇铸冷却速度0.05K/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。
将铸造的锌铝共晶合金，按照ISO 8407:2009《金属和合金的耐腐蚀性.腐蚀试样中腐蚀生成物的清除》规定，经表面抛光处理后，用丙酮、乙醇和蒸馏水依次清洗后吹干。之后测量并记录样品的表面积和初始重量。将样品浸入3.5wt%的NaCl水溶液中。试验温度为25°C，浸泡时间为72h。完成浸泡后，取出样品，在蒸馏水中超声清洗3×15min，以去除腐蚀产物。之后对样品重新称重，测得样品的失重速度为3.6×10-4g·cm2·d-1。失重速度较慢，合金的耐蚀性好。
将铸造的锌铝共晶合金，浸入3.5wt%的NaCl水溶液中。试验温度为25°C，浸泡时间为72h。之后进行扫描电镜测试，其表面微观形貌如图1所示。可以看到铸态锌铝共晶合金中的共晶组织细化、均匀，Al2O3钝化膜在合金表面较为完整，腐蚀产物致密，没有明显的腐蚀裂纹或深坑，说明合金没有发生明显的电化学晶间腐蚀，耐蚀性好。
将铸造的锌铝共晶合金，在PGSTAT302型Autolab电化学工作站（荷兰Ecochimie）上进行动电位极化曲线试验。测试采用三电极系统，使用铂电极作为对电极，饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极。作为工作电极（WE）的试样表面暴露面积为1.0cm2。电极在使用前用丙酮、乙醇和蒸馏水依次清洗后吹干。为了使电位稳定，测试前让工作电极在溶液中静置72h。测试溶液为3.5wt%的NaCl水溶液，测试温度为25°C，扫描速度为1mV⋅s-1。通过GPES软件拟合极化曲线，测得腐蚀电位为-1.106V，腐蚀电流密度为5.26×10-6A⋅cm-2。腐蚀电位较高，腐蚀电流密度较低，合金的耐蚀性好。
实施例2：
采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn和Nd含量为15wt%的Al-Nd中间合金为原料，按照Nd元素含量为0.1wt%、Al元素含量为5.0wt%、余量为Zn的配比，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度650℃，保温时间25min，模具预热温度200℃，浇铸冷却速度0.05K/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。
将铸造的锌铝共晶合金，按照ISO 8407:2009《金属和合金的耐腐蚀性.腐蚀试样中腐蚀生成物的清除》规定，经表面抛光处理后，用丙酮、乙醇和蒸馏水依次清洗后吹干。之后测量并记录样品的表面积和初始重量。将样品浸入3.5wt%的NaCl水溶液中。试验温度为25°C，浸泡时间为72h。完成浸泡后，取出样品，在蒸馏水中超声清洗3×15min，以去除腐蚀产物。之后对样品重新称重，测得样品的失重速度为3.5×10-4g·cm2·d-1。失重速度较慢，合金的耐蚀性好。
将铸造的锌铝共晶合金，浸入3.5wt%的NaCl水溶液中。试验温度为25°C，浸泡时间为72h。之后进行扫描电镜测试。可以看到铸态锌铝共晶合金中的共晶组织细化、均匀，Al2O3钝化膜在合金表面较为完整，腐蚀产物致密，没有明显的腐蚀裂纹或深坑，说明合金没有发生明显的电化学晶间腐蚀，耐蚀性好。
将铸造的锌铝共晶合金，在PGSTAT302型Autolab电化学工作站（荷兰Ecochimie）上进行动电位极化曲线试验。测试采用三电极系统，使用铂电极作为对电极，饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极。作为工作电极（WE）的试样表面暴露面积为1.0cm2。电极在使用前用丙酮、乙醇和蒸馏水依次清洗后吹干。为了使电位稳定，测试前让工作电极在溶液中静置72h。测试溶液为3.5wt%的NaCl水溶液，测试温度为25°C，扫描速度为1mV⋅s-1。通过GPES软件拟合极化曲线，测得腐蚀电位为-1.104V，腐蚀电流密度为5.31×10-7A⋅cm-2。腐蚀电位较高，腐蚀电流密度较低，合金的耐蚀性好。
实施例3:
采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn和Nd含量为15wt%的Al-Nd中间合金为原料，按照Nd元素含量为0.15wt%、Al元素含量为5.0wt%、余量为Zn的配比，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度700℃，保温时间30min，模具预热温度250℃，浇铸冷却速度0.05K/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。
将铸造的锌铝共晶合金，按照ISO 8407:2009《金属和合金的耐腐蚀性.腐蚀试样中腐蚀生成物的清除》规定，经表面抛光处理后，用丙酮、乙醇和蒸馏水依次清洗后吹干。之后测量并记录样品的表面积和初始重量。将样品浸入3.5wt%的NaCl水溶液中。试验温度为25°C，浸泡时间为72h。完成浸泡后，取出样品，在蒸馏水中超声清洗3×15min，以去除腐蚀产物。之后对样品重新称重，测得样品的失重速度为3.5×10-4g·cm2·d-1。失重速度较慢，合金的耐蚀性好。
将铸造的锌铝共晶合金，浸入3.5wt%的NaCl水溶液中。试验温度为25°C，浸泡时间为72h。之后进行扫描电镜测试。可以看到铸态锌铝共晶合金中的共晶组织细化、均匀，Al2O3钝化膜在合金表面较为完整，腐蚀产物致密，没有明显的腐蚀裂纹或深坑，说明合金没有发生明显的电化学晶间腐蚀，耐蚀性好。
将铸造的锌铝共晶合金，在PGSTAT302型Autolab电化学工作站（荷兰Ecochimie）上进行动电位极化曲线试验。测试采用三电极系统，使用铂电极作为对电极，饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极。作为工作电极（WE）的试样表面暴露面积为1.0cm2。电极在使用前用丙酮、乙醇和蒸馏水依次清洗后吹干。为了使电位稳定，测试前让工作电极在溶液中静置72h。测试溶液为3.5wt%的NaCl水溶液，测试温度为25°C，扫描速度为1mV⋅s-1。通过GPES软件拟合极化曲线，测得腐蚀电位为-1.098V，腐蚀电流密度为5.35×10-7A⋅cm-2。腐蚀电位较高，腐蚀电流密度较低，合金的耐蚀性好。
实施例4：
采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn和Nd含量为15wt%的Al-Nd中间合金为原料，按照Nd元素含量为0.2wt%、Al元素含量为5.0wt%、余量为Zn的配比，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度750℃，保温时间35min，模具预热温度300℃，浇铸冷却速度0.05K/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。
将铸造的锌铝共晶合金，按照ISO 8407:2009《金属和合金的耐腐蚀性.腐蚀试样中腐蚀生成物的清除》规定，经表面抛光处理后，用丙酮、乙醇和蒸馏水依次清洗后吹干。之后测量并记录样品的表面积和初始重量。将样品浸入3.5wt%的NaCl水溶液中。试验温度为25°C，浸泡时间为72h。完成浸泡后，取出样品，在蒸馏水中超声清洗3×15min，以去除腐蚀产物。之后对样品重新称重，测得样品的失重速度为3.5×10-4g·cm2·d-1。失重速度较慢，合金的耐蚀性好。
将铸造的锌铝共晶合金，浸入3.5wt%的NaCl水溶液中。试验温度为25°C，浸泡时间为72h。之后进行扫描电镜测试，可以看到铸态锌铝共晶合金中的共晶组织细化、均匀，Al2O3钝化膜在合金表面较为完整，腐蚀产物致密，没有明显的腐蚀裂纹或深坑，说明合金没有发生明显的电化学晶间腐蚀，耐蚀性好。
将铸造的锌铝共晶合金，在PGSTAT302型Autolab电化学工作站（荷兰Ecochimie）上进行动电位极化曲线试验。测试采用三电极系统，使用铂电极作为对电极，饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极。作为工作电极（WE）的试样表面暴露面积为1.0cm2。电极在使用前用丙酮、乙醇和蒸馏水依次清洗后吹干。为了使电位稳定，测试前让工作电极在溶液中静置72h。测试溶液为3.5wt%的NaCl水溶液，测试温度为25°C，扫描速度为1mV⋅s-1。通过GPES软件拟合极化曲线，测得腐蚀电位为-1.094V，腐蚀电流密度为5.39×10-7A⋅cm-2。腐蚀电位较高，腐蚀电流密度较低，合金的耐蚀性好。
实施例5-10：
除了合金成分、熔炼温度、保温时间、模具预热温度以及浇铸冷却速度按照表1中数值进行变化以外，其余操作同实施例1，制得合金试样。由表1可以看出，经浸泡失重测试和动电位极化曲线测试，本发明提供的方法可以大幅提高铸态锌铝共晶合金的耐蚀性。
表1 不同合金成分、熔炼温度、保温时间、模具预热温度以及浇铸冷却速度
下的铸态锌铝共晶合金的耐蚀性
对比例1：
采用纯度为99.9%的Al、纯度为99.9%的Zn为原料，按照Al元素含量为5.0wt%、余量为Zn的配比，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度700℃，保温时间30min，模具预热温度150℃，浇铸冷却速度0.05K/s；熔化后利用电磁效应充分搅拌浇铸到石墨坩埚中获得铸锭。
将铸造的锌铝共晶合金，按照ISO 8407:2009《金属和合金的耐腐蚀性.腐蚀试样中腐蚀生成物的清除》规定，经表面抛光处理后，用丙酮、乙醇和蒸馏水依次清洗后吹干。之后测量并记录样品的表面积和初始重量。将样品浸入3.5wt%的NaCl水溶液中。试验温度为25°C，浸泡时间为72h。完成浸泡后，取出样品，在蒸馏水中超声清洗3×15min，以去除腐蚀产物。之后对样品重新称重，测得样品的失重速度为4.1×10-4g·cm2·d-1。失重速度显著快于实施例1-10，说明耐蚀性较差。
将铸造的锌铝共晶合金，浸入3.5wt%的NaCl水溶液中。试验温度为25°C，浸泡时间为72h。之后进行扫描电镜测试，其表面微观形貌如图2所示。可以看到铸态锌铝共晶合金中的晶粒粗大，Al2O3钝化膜在部分区域被破坏，腐蚀产物疏松，有明显的腐蚀深坑，说明耐蚀性较差。
将铸造的锌铝共晶合金，在PGSTAT302型Autolab电化学工作站（荷兰Ecochimie）上进行动电位极化曲线试验。测试采用三电极系统，使用铂电极作为对电极，饱和甘汞电极（SCE）作为参比电极。作为工作电极（WE）的试样表面暴露面积为1.0cm2。电极在使用前用丙酮、乙醇和蒸馏水依次清洗后吹干。为了使电位稳定，测试前让工作电极在溶液中静置72h。测试溶液为3.5wt%的NaCl水溶液，测试温度为25°C，扫描速度为1mV⋅s-1。通过GPES软件拟合极化曲线，测得腐蚀电位为-1.118V，腐蚀电流密度为5.96×10-7A⋅cm-2。腐蚀电位较低，腐蚀电流密度较大，说明耐蚀性较差。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种通过添加Nd提高铸态锌铝共晶合金耐蚀性的方法，其特征在于，采用Al、Zn和Al-Nd中间合金为原料，按照原料混合后，其中Nd元素含量为0.05-0.3wt%、Al元素含量为3.0-7.0wt%、余量为Zn进行配比，在频率为150～10000Hz的中频感应炉中铸造锌铝共晶合金；采用石墨坩埚，通入CO2保护气氛，熔炼温度600~800℃，保温时间20~40min，模具预热温度150~300℃，浇铸冷却速度0.02~10K/s。
2.根据权利要求1所述的通过添加Nd提高铸态锌铝共晶合金耐蚀性的方法，其特征在于，Al原料的纯度为99.9%、Zn原料的纯度为99.9%、Al-Nd中间合金中Nd的含量为15wt%。
3.根据权利要求1所述的通过添加Nd提高铸态锌铝共晶合金耐蚀性的方法，其特征在于，原料混合后，其中Nd元素含量为0.05wt%、Al元素含量为5.0wt%、余量为Zn。
4.根据权利要求1所述的一种通过添加Nd提高铸态锌铝共晶合金耐蚀性的方法，其特征在于，所得锌铝共晶合金中Nd元素含量为0.01~0.30wt%，Al元素含量为3~7wt%，余量为Zn及不可避免的杂质。
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