CN109722580A

CN109722580A - 一种含Dy阳极镁合金及其制备方法与应用

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Publication number: CN109722580A
Application number: CN201910172990.XA
Authority: CN
Inventors: 王莹; 李萍; 李聪灵; 刘欢欢; 张东晓
Original assignee: Luoyang Institute of Science and Technology
Current assignee: Luoyang Institute of Science and Technology
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2019-05-07

Abstract

本发明属于镁基牺牲阳极技术领域，具体涉及一种含Dy阳极镁合金及其制备方法与应用。所述的含Dy阳极镁合金由如下按质量百分比计的组分组成：4.3～4.5％Al，0.5～0.7％Zn，0.8～1.2％Dy，余量为Mg，该含Dy阳极镁合金通过感应炉熔炼、金属型铸造制得。本发明通过加入稀土元素Dy细化晶粒和改善组织，具有制备工艺简单和溶解消耗均匀等特点，适用于土壤、海水、热水器等腐蚀环境下钢制零部件的阴极保护，有着广阔的应用前景。

Description

一种含Dy阳极镁合金及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于镁合金阳极技术领域，具体涉及一种含Dy阳极镁合金及其制备方法与应用。

背景技术

为了降低金属材料腐蚀带来的巨大经济损失，采用牺牲阳极进行电化学保护是一种有效的方法。金属镁具有较负的电极电位-2.37V(vsSHE)，负于铝的-2.31V和Zn-1.25V，因此，当使用镁及镁合金作为电源的阳极材料使用时，较负的电极电位可以为阳极的放电提供较大的驱动力，从而提供较大的放电电流。金属镁拥有较大的电容量，理论电容量为2205A.h/kg，更值得一提的是，金属镁的密度小，因此其拥有较大的质量能量密度，适合作为阳极材料放电使用。

镁合金常被用作牺牲阳极材料，对重要设备装置的阴极材料(如钢)进行腐蚀防护，以延长阴极材料的使用寿命。但是，由于成分设计和制备工艺上的原因，普通镁合金阳极材料(如AZ31等)往往晶粒粗大，组织不均匀，且铝与镁形成网状Mg₁₇Al₁₂相，容易与镁基体形成微电池，使阳极材料的消耗不均匀，影响阳极材料的使用寿命。

发明内容

为了克服现有技术的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种含Dy阳极镁合金，该镁合金包含金属镝，为腐蚀防护用镁合金，在腐蚀环境中消耗均匀，适用于土壤、海水、热水器等腐蚀环境下钢制零部件的阴极保护。

本发明的另一目的在于提供上述含Dy阳极镁合金的制备方法。

本发明的再一目的在于提供上述含Dy阳极镁合金的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种含Dy阳极镁合金，由如下按质量百分比计的组分组成：

4.3～4.5％Al，0.5～0.7％Zn，0.8～1.2％Dy，余量为Mg；

所述的含Dy阳极镁合金，优选由如下按质量百分比计的组分组成：

4.5％Al，0.5％Zn，1.2％Dy，余量为Mg；

所述的含Dy阳极镁合金的制备方法，包含如下步骤：

将含Dy阳极镁合金各原料组分纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和镁-镝(Mg-Dy)中间合金混合，熔炼铸造，得到含Dy阳极镁合金；

所述的原料组分的纯度优选为99.8％以上；

所述的熔炼铸造的条件优选为：在CO₂+SF₆气体保护下熔炼，原料组分熔化后待镁合金液升温至710～730℃时，浇入钢制模具中，得到含Dy阳极镁合金；

所述的熔炼铸造优选在坩埚和感应炉中进行；

所述的坩埚优选为刚玉坩埚；

所述的镁合金液优选升温至730℃；

所述的含Dy阳极镁合金在镁基牺牲阳极制备领域中的应用；

本发明的原理：

本发明提供的含Dy阳极镁合金组分为Mg-Al-Zn-Dy。其中，各组分作用如下：

Al：对于合金强度来说，铝是有益元素。铝与镁形成Mg₁₇Al₁₂相，该相是Mg-Al合金室温下的主要强化相，可以提高镁合金室温强度，间接提高镁合金阳极材料使用寿命。但对于耐蚀性来说，铝既是有害元素，也是有益元素。铝能与镁形成Mg₁₇Al₁₂相，该相与镁基体由于电极电位的不同，可以形成原电池，此时镁基体是阳极，Mg₁₇Al₁₂相是阴极。当Mg₁₇Al₁₂相以网状分布在晶界附近，由于晶界处(Mg₁₇Al₁₂相)与晶粒内部(镁基体)电极电位差较大，可以加快晶粒内部的腐蚀速率，此时阴极相Mg₁₇Al₁₂促进了镁的腐蚀；当Mg₁₇Al₁₂相的网状分布被断开，形貌和分布得到优化，组织变得均匀，再加上Mg₁₇Al₁₂有较好的耐蚀性，晶粒细化以后组织变得更加均匀，就会降低晶界处(Mg₁₇Al₁₂相)与晶粒内部(镁基体)的电极电位差，所以使合金整体的耐蚀性提高，此时阴极相Mg₁₇Al₁₂对镁的腐蚀起到阻碍作用。本发明选择Al的加入量为4.3～4.5wt％，低于该范围则合金强度过低，影响阳极材料使用寿命；高于该范围则生成的Mg₁₇Al₁₂相过多，成网状分布于晶界，造成合金组织不均匀，促进腐蚀且导致腐蚀不均匀，也会影响使用寿命。

Zn：锌的添加可以提高合金的抗海水腐蚀的能力，主要是因为锌可以固溶进入镁基体，起到固溶强化作用，提高合金材料强度，同时减少晶粒内部与晶界处成分差异，提高组织均匀性，提高合金耐蚀性。另外，Zn还可以降低Fe、Ni等杂质的危害。本发明选择Zn的加入量为0.5～0.7wt％。

Dy：现有技术中，Dy添加至镁合金中，能够提高合金的耐磨及减震效果。而本发明中，Dy的添加，一方面，可以固溶进入镁基体，起到固溶强化作用，提高合金材料强度；同时稀土与铝生成高熔点的金属间化合物相Al₂Dy相，可以作为有效的形核核心，细化晶粒，起到细晶强化作用，进一步提高合金材料强度；另一方面，消耗一部分铝，减少Mg₁₇Al₁₂相的数量并将其网状分布断开，减少晶粒内部与晶界处成分差异，提高组织均匀性和电极电位的均匀性，在提高合金耐蚀性的同时，也会将合金的腐蚀变得均匀。如果Dy的加入量低于0.8wt％，或高于1.2wt％，开路电位则超过–1.65V，电流效率不超过为55％，本发明选择Dy的加入量为0.8～1.2wt％，开路电位低于–1.70V，电流效率超过60％。

在Mg-Al-Zn-Dy系阳极镁合金中，为保证材料强度，要有一定的铝含量，但铝含量过高时造成合金组织和腐蚀不均匀，无法对阴极材料起到有效的保护作用。所以，要加入稀土Dy元素，进一步强化合金，细化晶粒，均匀组织，减少Mg₁₇Al₁₂相的有害作用，使合金在腐蚀环境中既要有一定的耐蚀性，又要腐蚀均匀，提高使用寿命，对阴极材料起到有效的保护作用。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)针对现有镁合金阳极材料存在的问题，本发明提供了含Dy阳极镁合金，该镁合金为腐蚀防护用镁合金，可强化合金，细化晶粒，均匀组织，减少Mg₁₇Al₁₂相的有害作用，使合金在腐蚀环境中既要有一定的耐蚀性，又要腐蚀均匀，提高使用寿命，对阴极材料起到有效的保护作用。

(2)本发明提供的含Dy阳极镁合金各组分科学配比，避免了铝含量过高时造成合金组织和腐蚀不均匀这一问题。

(3)本发明提供的含Dy阳极镁合金制备工艺简单，成本低，以纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和镁-镝(Mg-Dy)中间合金为原料，只需简单熔炼铸造即可，不需其他任何处理，适于工业化生产。

(4)本发明提供的含Dy阳极镁合金适用于土壤、海水、热水器等腐蚀环境下钢制零部件的阴极保护，有着广阔的应用前景。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明涉及到的原料组分纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和镁-镝(Mg-Dy)中间合金均为市售产品，纯度均为99.8％以上。

实施例1

一种含Dy阳极镁合金，由如下按质量百分比计的组分组成：

4.3％Al，0.7％Zn，0.8％Dy，余量为Mg；

所述的含Dy阳极镁合金的制备方法，包含如下步骤：

将含Dy阳极镁合金各原料组分纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和镁-镝(Mg-Dy)中间合金混合，置于刚玉坩埚(将刚玉坩埚置于感应炉中)中，在CO₂+SF₆混合气体保护下熔炼，原料熔化后待镁合金液升温至710℃时，浇铸到钢制模具中，得到含Dy阳极镁合金铸锭。

实施例2

一种含Dy阳极镁合金，由如下按质量百分比计的组分组成：

4.4％Al，0.6％Zn，1.0％Dy，余量为Mg；

所述的含Dy阳极镁合金的制备方法，包含如下步骤：

将含Dy阳极镁合金各原料组分纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和镁-镝(Mg-Dy)中间合金混合，置于刚玉坩埚(将刚玉坩埚置于感应炉中)中，在CO₂+SF₆混合气体保护下熔炼，原料熔化后待镁合金液升温至720℃时，浇铸到钢制模具中，得到含Dy阳极镁合金铸锭。

实施例3

一种含Dy阳极镁合金，由如下按质量百分比计的组分组成：

4.5％Al，0.5％Zn，1.2％Dy，余量为Mg；

所述的含Dy阳极镁合金的制备方法，包含如下步骤：

将含Dy阳极镁合金各原料组分纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和镁-镝(Mg-Dy)中间合金混合，置于刚玉坩埚(将刚玉坩埚置于感应炉中)中，在CO₂+SF₆混合气体保护下熔炼，原料熔化后待镁合金液升温至730℃时，浇铸到钢制模具中，得到含Dy阳极镁合金铸锭。

对比实施例1

一种阳极镁合金，由如下按质量百分比计的组分组成：

4.5％Al，0.5％Zn，余量为Mg；

所述的阳极镁合金的制备方法，包含如下步骤：

将阳极镁合金各原料组分纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和纯镁(Mg)混合，置于刚玉坩埚(将刚玉坩埚置于感应炉中)中，在CO₂+SF₆混合气体保护下熔炼，原料熔化后待镁合金液升温至730℃时，浇铸到钢制模具中，得到阳极镁合金铸锭。

对比实施例2

一种阳极镁合金，由如下按质量百分比计的组分组成：

4.5％Al，0.5％Zn，1.5％Dy，余量为Mg；

所述的阳极镁合金的制备方法，包含如下步骤：

将阳极镁合金各原料组分纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和镁-镝(Mg-Dy)中间合金混合，置于刚玉坩埚(将刚玉坩埚置于感应炉中)中，在CO₂+SF₆混合气体保护下熔炼，原料熔化后待镁合金液升温至730℃时，浇铸到钢制模具中，得到阳极镁合金铸锭。

对比实施例3

一种阳极镁合金，由如下按质量百分比计的组分组成：

4.5％Al，0.5％Zn，0.5％Dy，余量为Mg；

所述的阳极镁合金的制备方法，包含如下步骤：

效果实施例

将实施例1～3制得的含Dy阳极镁合金、对比实施例1～3制得的阳极镁合金以及商用镁合金AZ31进行检测，具体方法为：在3.5％NaCl溶液中，采用三电极体系测试开路电位、电流效率和腐蚀环境中消耗情况。结果如表1所示。

表1实施例1～3制得的含Dy阳极镁合金材料性能检测结果

对象	开路电位	电流效率	腐蚀环境中消耗情况
				实施例1	–1.70V	60％	无明显蚀坑，消耗较均匀
实施例2	–1.75V	62％	无明显蚀坑，消耗较均匀
				实施例3	–1.78V	66％	无明显蚀坑，消耗较均匀
对比实施例1	–1.62V	52％	出现蚀坑，消耗不均匀
				对比实施例2	–1.61V	53％	出现蚀坑，消耗不均匀
对比实施例3	–1.65V	55％	出现蚀坑，消耗不均匀
				商用镁合金AZ31	–1.60V	50％	出现蚀坑，消耗不均匀

从表1可以看出，本发明制得的含Dy阳极镁合金材料，经过铸造制得，制备工艺简单，开路电位为–1.70～–1.78V，电流效率为60～66％，在腐蚀环境中材料消耗均匀，有着广阔的应用前景。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种含Dy阳极镁合金，其特征在于由如下按质量百分比计的组分组成：4.3～4.5％Al，0.5～0.7％Zn，0.8～1.2％Dy，余量为Mg。

2.根据权利要求1所述的含Dy阳极镁合金，其特征在于由如下按质量百分比计的组分组成：

4.5％Al，0.5％Zn，1.2％Dy，余量为Mg。

3.权利要求1所述的含Dy阳极镁合金的制备方法，其特征在于包含如下步骤：

将含Dy阳极镁合金各原料组分纯镁、纯铝、纯锌和镁-镝中间合金混合，熔炼铸造，得到含Dy阳极镁合金。

4.根据权利要求3所述的含Dy阳极镁合金的制备方法，其特征在于：

所述的原料组分的纯度为99.8％以上。

5.根据权利要求3所述的含Dy阳极镁合金的制备方法，其特征在于：

所述的熔炼铸造的条件为：在CO₂+SF₆气体保护下熔炼，原料组分熔化后待镁合金液升温至710～730℃时，浇入钢制模具中，得到含Dy阳极镁合金。

6.根据权利要求5所述的含Dy阳极镁合金的制备方法，其特征在于：

所述的熔炼铸造在坩埚和感应炉中进行。

7.根据权利要求6所述的含Dy阳极镁合金的制备方法，其特征在于：

所述的坩埚为刚玉坩埚。

8.根据权利要求5所述的含Dy阳极镁合金的制备方法，其特征在于：

所述的镁合金液升温至730℃。

9.权利要求1或2所述的含Dy阳极镁合金在镁基牺牲阳极制备领域中的应用。