CN109338375A - 一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料及其制备方法 - Google Patents

一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高性能Al‑Zn‑In系牺牲阳极材料及其制备方法，属于金属腐蚀与防护技术领域。该高性能Al‑Zn‑In系牺牲阳极材料按照以下质量百分比的组分组成：锌3.0～7.0％，铟0.02～0.05％，镁1.0～1.5％，钛0.03～0.07％，银0.02～0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为铝；其中，杂质中的铁含量≤0.10％。具有使用寿命长、电化学性能优异等优点；在海水中全浸环境下的开路电位为‑1.18～‑1.10V，工作电位为‑1.12～‑1.05V，实际电容量≥2680A·h·kg‑1，电流效率≥93％，腐蚀产物易脱落，表面溶解均匀，适用于对工作在海水环境中的钢铁构件尤其是大型复杂构件的阴极保护。本发明还提供了高性能Al‑Zn‑In系牺牲阳极材料的制备方法，工艺简单，元素成分易得。

Description

一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属腐蚀与防护技术领域，特别涉及一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料及其制备方法。
背景技术
金属腐蚀是造成金属设备和构件失效的主要形式之一，带来了巨大的经济损失，造成了一些灾难性的事故。牺牲阳极阴极保护法是一种非常有优势的防腐方法，它是将被保护的金属(阴极)与电位更负的活泼金属(阳极)相连，依靠阳极金属与被保护的阴极金属之间有较大电位差和阳极金属不断活性溶解所产生的电流对被保护阴极金属进行极化达到抑制阴极金属腐蚀的目的。牺牲阳极阴极保护法由于其具有不需要外加电源、设备简单、施工方便、不需要经常维护、不干扰邻近金属设施、尤其在低电阻环境中运行良好等优点，得到了广泛应用。
通常，使用的牺牲阳极材料主要性能指标有：足够负且稳定的开路和工作电位、实际电容量大、电流效率高、溶解均匀性好、无毒无害。工程中常用的牺牲阳极材料主要有镁基合金、锌基合金和铝基合金三大类。铝基合金牺牲阳极与镁、锌基阳极相比，具有如下优点：实际电容量为锌基合金的3.6倍，镁基合金的1.35倍；密度较小、电流效率较高、对钢铁驱动电位适中；价格低廉、无毒无害，使用寿命长。
目前使用最广泛的铝基合金牺牲阳极材料有Al-Zn-Hg系、Al-Zn-Sn系和Al-Zn-In系。Al-Zn-Hg系含有Hg，对人体和环境都有不利的影响，此系阳极使用受到限制；Al-Zn-Sn系电流效率较低，一般约为70％，而且需要进行热处理才能达到理想效果，目前该系阳极材料国内外研究和使用均较少；Al-Zn-In系无毒无害，实际电容量大，电流效率高，成为当今使用最为广泛的牺牲阳极材料。
国内外大多数研究都是以Al-Zn-In系为基础，从而改变成分含量、添加合金元素和改变热处理工艺等方面来提高阳极性能。同时，国标《GB/T4948-2002铝-锌-铟系合金阳极》中，推荐了五类成分的铝-锌-铟系的牺牲阳极：铝-锌-铟-镉合金牺牲阳极、铝-锌-铟-锡合金牺牲阳极、铝-锌-铟-硅合金牺牲阳极、铝-锌-铟-锡-镁合金牺牲阳极和铝-锌-铟-镁-钛合金牺牲阳极。中国专利申请号200710189863.8在国标GB/T 4948的铝-锌-铟-镁-钛合金牺牲阳极的基础上优化了元素成分含量，从而提高了实际电容量和电流效率，但是开路电位也比国标提高了。目前，海水系统普遍采用GB/T 4948推荐的铝-锌-铟-镁-钛合金牺牲阳极；厂家在生产过程中，若严格按照GB/T 4948推荐成分生产的铝-锌-铟-镁-钛合金牺牲阳极，在海水中很难达到标准要求的“实际电容量≥2600A·h·kg-1，电流效率≥90％”，因而在生产中，受到了一定的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料及其制备方法，以解决目前阳极材料电流效率低，且实际电容量小的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料，按照以下质量百分比的组分组成：锌3.0～7.0％，铟0.02～0.05％，镁1.0～1.5％，钛0.03～0.07％，银0.02～0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为铝；其中，杂质中的铁含量≤0.10％。
可选的，所述按照以下质量百分比的组分组成：锌4.0～6.0％，铟0.02～0.04％，镁1.1～1.4％，钛0.04～0.05％，银0.03～0.04％，杂质总量≤0.15％，余量为铝；其中，杂质中的铁含量≤0.08％。
可选的，按照以下质量百分比的组分组成：锌4.0％，铟0.03％，镁1.2％，钛0.04％，银0.03％，铁0.06％，硅0.06％，铜0.003％，余量为Al。
可选的，按照以下质量百分比的组分组成：锌5.0％，铟0.04％，镁1.2％，钛0.04％，银0.04％，铁0.05％，硅0.05％，铜0.005％，余量为Al。
可选的，所述锌、铟、镁均以中间合金的形式加入。
可选的，所述中间合金分别为含10％Zn的Al-Zn合金，含0.1％In的Al-In合金、含2.5％Mg的Al-Mg合金。
本发明还提供了一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料的制备方法，包括如下步骤：
将高频感应熔炼炉加热并控制温度为720-760℃，使铝锭熔化；
按质量百分比计算和量取Al-Zn合金、Al-In合金、Al-Mg合金和纯钛、纯银，添加在熔化的铝液中；
用石墨棒搅拌均匀后除渣，除渣后的混合液用铸钢模具浇注，冷却后得到Al-Zn-In牺牲阳极材料。
可选的，在常压、动态氩气保护下使用高频感应熔炼炉对铝锭进行熔化。
可选的，在用铸钢模具浇注之前，将铸钢模具在300℃的温度下预热20min。
可选的，用铸钢模具浇注时的浇注温度为720-740℃。
在本发明中提供了一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料及其制备方法，该高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料按照以下质量百分比的组分组成：锌3.0～7.0％，铟0.02～0.05％，镁1.0～1.5％，钛0.03～0.07％，银0.02～0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为铝；其中，杂质中的铁含量≤0.10％。本发明的阳极材料活化性能好，电位合理，在海水中全浸环境下的开路电位为-1.18～-1.10V，工作电位为-1.12～-1.05V，实际电容量≥2680A·h·kg-1，电流效率≥93％；加入微量的银，减缓了杂质元素铁的有害影响，并促进铝合金电位负移，具有使用寿命长、电化学性能优异等优点；腐蚀产物易脱落，表面溶解均匀，适用于对工作在海水环境中的钢铁构件尤其是大型复杂构件的阴极保护。本发明还提供了高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料的制备方法，工艺简单，元素成分易得。
附图说明
图1是本发明提供的高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料及其制备方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料及其制备方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
本发明实施例一提供了一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料，按照以下质量百分比的组分组成：锌3.0～7.0％，铟0.02～0.05％，镁1.0～1.5％，钛0.03～0.07％，银0.02～0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为铝；其中，杂质中的铁含量≤0.10％。
实施例二
本发明实施例二提供了一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料，按照以下质量百分比的组分组成：锌4.0～6.0％，铟0.02～0.04％，镁1.1～1.4％，钛0.04～0.05％，银0.03～0.04％，杂质总量≤0.15％，余量为铝；其中，杂质中的铁含量≤0.08％。
实施例三
本发明实施例三提供了一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料的制备方法，流程示意图如图1所示，所述高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料的制备方法包括如下步骤：
步骤S11：将高频感应熔炼炉加热并控制温度为720-760℃，使铝锭熔化；
步骤S12：按质量百分比计算和量取Al-Zn合金、Al-In合金、Al-Mg合金和纯钛、纯银，添加在熔化的铝液中；
步骤S13：用石墨棒搅拌均匀后除渣，除渣后的混合液用铸钢模具浇注，冷却后得到Al-Zn-In牺牲阳极材料。
具体的，在常压、动态氩气保护下使用高频感应熔炼炉对铝锭进行熔化，首先将高频感应熔炼炉加热并控制温度为720-760℃，使铝锭熔化；然后按质量百分比计算和量取Al-Zn合金、Al-In合金、Al-Mg合金和纯钛、纯银，添加在熔化的铝液中；接着用石墨棒搅拌均匀后除渣，将铸钢模具在300℃的温度下预热20min，除渣后的混合液用铸钢模具浇注，浇注时的浇注温度为720-740℃，最后冷却后得到Al-Zn-In牺牲阳极材料。
实施例四
在本实施例四中，Al-Zn-In系牺牲阳极材料中各组分的质量百分比为：锌4.0％，铟0.03％，镁1.2％，钛0.04％，银0.03％，铁0.06％，硅0.06％，铜0.003％，余量为Al。采用在常压、动态氩气保护下的高频感应熔炼，先在高频感应熔炼炉加热温控至730℃使铝锭熔化，按各组分质量百分比分别计算和量取Al-Zn合金、Al-In合金、Al-Mg合金和纯钛、纯银，在熔融的铝液中分别添加上述几种组分，并用石墨棒搅拌均匀后除渣，用铸钢模具浇注，浇注温度为730℃，浇注前先将铸钢模具在300℃的温度下预热20min，冷却后取出，制成Al-Zn-In牺牲阳极材料。对其按照GB/T4948-2002标准规定的电化学性能测试方法测量电化学性能，开路电位为-1.12V(SCE)，工作电位在-1.06～-1.07V(SCE)之间，电流效率为93.5％，实际电容量为2687A·h·kg-1，表面溶解均匀，腐蚀产物易脱落。具体电化学性能见表1。
实施例五
在本实施例五中，Al-Zn-In系牺牲阳极材料中各组分的质量百分比为：锌5.0％，铟0.04％，镁1.2％，钛0.04％，银0.04％，铁0.05％，硅0.05％，铜0.005％，余量为Al。采用在常压、动态氩气保护下的高频感应熔炼，先在高频感应熔炼炉加热温控至760℃使铝锭熔化，按各组分质量百分比分别计算和量取Al-Zn合金、Al-In合金、Al-Mg合金和纯钛、纯银，在熔融的铝液中分别添加上述几种组分，并用石墨棒搅拌均匀后除渣，用铸钢模具浇注，浇注温度为740℃，浇注前先将铸钢模具在300℃的温度下预热20min，冷却后取出，制成Al-Zn-In牺牲阳极材料。对其按照GB/T4948-2002标准规定的电化学性能测试方法测量电化学性能，开路电位为-1.15V(SCE)，工作电位在-1.14～-1.16V(SCE)之间，电流效率为95.2％，实际电容量为2721A·h·kg-1，表面溶解均匀，腐蚀产物易脱落。具体电化学性能见表1。
实施例六
在本实施例六五中，Al-Zn-In系牺牲阳极材料中各成分重量百分比：锌4.0％，铟0.03％，镁1.2％，钛0.04％，银0.03％，铁0.06％，硅0.06％，铜0.003％，余量为Al。采用在常压、动态氩气保护下的高频感应熔炼，先在高频感应熔炼炉加热温控至720℃使铝锭熔化，按各组分质量百分比分别计算和量取Al-Zn合金、Al-In合金、Al-Mg合金和纯钛、纯银，在熔融的铝液中分别添加上述几种组分，并用石墨棒搅拌均匀后除渣，用铸钢模具浇注，浇注温度为720℃，浇注前先将铸钢模具在300℃的温度下预热20min，冷却后取出，制成Al-Zn-In牺牲阳极材料。对其按照GB/T4948-2002标准规定的电化学性能测试方法测量电化学性能，开路电位为-1.14V(SCE)，工作电位在-1.08～-1.10V(SCE)之间，电流效率为94.6％，实际电容量为2708A·h·kg-1，表面溶解均匀，腐蚀产物易脱落。具体电化学性能见表1。
表1 Al-Zn-In系牺牲阳极材料电化学性能
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (10)

1.一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料，其特征在于，按照以下质量百分比的组分组成：锌3.0～7.0％，铟0.02～0.05％，镁1.0～1.5％，钛0.03～0.07％，银0.02～0.05％，杂质总量≤0.15％，余量为铝；其中，杂质中的铁含量≤0.10％。
2.如权利要求1所述的高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料，其特征在于，所述按照以下质量百分比的组分组成：锌4.0～6.0％，铟0.02～0.04％，镁1.1～1.4％，钛0.04～0.05％，银0.03～0.04％，杂质总量≤0.15％，余量为铝；其中，杂质中的铁含量≤0.08％。
3.如权利要求1所述的高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料，其特征在于，按照以下质量百分比的组分组成：锌4.0％，铟0.03％，镁1.2％，钛0.04％，银0.03％，铁0.06％，硅0.06％，铜0.003％，余量为Al。
4.如权利要求1所述的高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料，其特征在于，按照以下质量百分比的组分组成：锌5.0％，铟0.04％，镁1.2％，钛0.04％，银0.04％，铁0.05％，硅0.05％，铜0.005％，余量为Al。
5.如权利要求1-4任一所述的高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料，其特征在于，所述锌、铟、镁均以中间合金的形式加入。
6.如权利要求5所述的高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料，其特征在于，所述中间合金分别为含10％Zn的Al-Zn合金，含0.1％In的Al-In合金、含2.5％Mg的Al-Mg合金。
7.一种高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
将高频感应熔炼炉加热并控制温度为720-760℃，使铝锭熔化；
按质量百分比计算和量取Al-Zn合金、Al-In合金、Al-Mg合金和纯钛、纯银，添加在熔化的铝液中；
用石墨棒搅拌均匀后除渣，除渣后的混合液用铸钢模具浇注，冷却后得到Al-Zn-In牺牲阳极材料。
8.如权利要求7所述的高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料的制备方法，其特征在于，在常压、动态氩气保护下使用高频感应熔炼炉对铝锭进行熔化。
9.如权利要求7所述的高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料的制备方法，其特征在于，在用铸钢模具浇注之前，将铸钢模具在300℃的温度下预热20min。
10.如权利要求9所述的高性能Al-Zn-In系牺牲阳极材料的制备方法，其特征在于，用铸钢模具浇注时的浇注温度为720-740℃。
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