CN116334457A - 抑制Fe有害作用连续热浸镀Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金及其制备方法 - Google Patents

抑制Fe有害作用连续热浸镀Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢铁防腐蚀表面工程领域，具体公开了一种抑制Fe有害作用连续热浸镀Al‑Si‑Mn‑In牺牲阳极合金及其制备方法。按元素重量百分比，该牺牲阳极合金镀层成分为Si:8‑10％，Mn:0.5‑1.2％，In:0.05‑0.2％，其余为Al和不可避免的杂质。铝粒融化，加入Al‑Si中间合金、高纯Mn片和高纯In粒，精炼浇注成铸坯。加入Mn后，使针状FeAl3相，结晶形态变为汉字状的Al8(Fe,Mn)2Si和(Fe,Mn)Al6相，其相与基体α‑Al电极电位一致，中和了Fe元素的有害作用，并为In元素提供更多的活化位点，富In偏析相的出现，可以提高合金的负电性，提高了铝合金的牺牲阳极性能。

Description

抑制Fe有害作用连续热浸镀Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金及其 制备方法
技术领域
本发明属于钢铁防腐蚀表面工程领域，具体公开了一种抑制Fe有害作用连续热浸镀Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金及其制备方法。
背景技术
锌基牺牲阳极合金因其对基体钢的保护性能强而得到广泛应用，但地球探明锌的储量极低，有限的锌储量不能满足迅速增加的锌需求，资源短缺形势严峻。因此，开发可替代锌的牺牲阳极材料是发展的必然趋势和要求。铝基牺牲阳极合金相较于锌基合金密度小、电流效率较高、驱动电位高、理论电容量大、成本低廉，是目前国内最有发展前景的牺牲阳极材料，是代替锌的理想选择。
而纯铝极易自钝化形成Al2O3保护膜，电位变得较正，一般呈阴性，在与钢材接触时发生严重的电偶腐蚀，不能满足牺牲阳极阴极保护对驱动电压的要求。同时，在连续热浸镀过程中，钢板和沉没辊系统受到铝液的腐蚀，不断溶解到铝液中。因此生产一段时间后，铝液中的铁质量分数不可避免地达到饱和状态。铁在铝液中属于杂质元素，生成针状的富铁相，其电极电位较正，与铝基体构成的微电池增多，使铝基合金的电流效率降低。而且针状富铁相对基体有割裂作用，容易产生应力集中，对镀层合金的牺牲阳极性能和力学性能产生影响，不利于牺牲阳极铝合金镀层的推广。
发明内容
基于铝基合金的牺牲阳极性能不足，铁元素对牺牲阳极合金的有害作用，本发明提供了一种抑制Fe有害作用连续热浸镀Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金，按照质量百分比计，该牺牲阳极合金按元素质量百分比其组成为：Si：8-10％，Mn：0.5-1.2％，In：0.05-0.2％，其余为Al和不可避免的杂质，Fe元素达到饱和状态。
Mn元素的加入，可以中和铁的有害作用，使牺牲阳极铝合金中针状的富铁相FeAl3相，改变结晶形态为汉字状得到Al8(Fe,Mn)2Si和(Fe,Mn)Al6相，提高了合金内部组织的均匀性。同时，其偏析相(Fe,Mn)Al6相与基体α-Al电极电位相当，使铝基合金表面电极电位一致，自腐蚀电流降低，提高镀层电流效率和耐蚀性。有效克服了现有铝基合金因Fe元素造成的牺牲阳极性能和力学性能不足的问题，增强牺牲阳极铝合金的保护能力，降低生产应用成本，对铝基牺牲阳极合金的广泛使用具有重要意义。
In元素的加入，对铝基牺牲阳极合金的活化作用明显，使其电位负移。In元素对Al基体的活化作用以溶解再沉积理论为主导。一方面，In优先溶解，生成的In3+与Al基体发生置换反应，促进Al基体溶解。另一方面，In元素的再沉积导致基体与氧化膜隔离，并破坏氧化膜的完整性，促进了Al基体的持续活性溶解。Fe在铝基合金中生成不溶的脆性针状富铁相FeAl3相，In可以抑制Fe有害杂质对电化学性能的影响。在使用时，铝基牺牲阳极合金表面逐渐覆盖一层胶状的腐蚀产物，较为松软，容易用水冲掉，可以有效提升铝基合金的牺牲阳极性能。
本发明还提供了一种抑制Fe有害作用连续热浸镀Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金的制备方法，包括如下步骤：
(1)将按比例配置好的纯铝粒和Al-Si中间合金加入熔炉，并将炉内升温至720℃，保温1小时；随后将称量好的纯锰片和纯铟粒加入到合金液中，加入时用铝箔包裹。之后将除去表面污渍和氧化物的钢板置于熔融的合金液中，升温至720℃后静置保温24小时左右，使合金溶液达到铁饱和状态。
加入Al-Si中间合金，控制合金中Si含量：8-10％；加入纯Mn，控制合金中Mn含量：0.5-1.2％；加入纯In，控制合金中In含量：0.05-0.2％；加入纯Al，控制合金中其余的Al含量。
纯锰和纯铟采用铝箔包裹的方式压入铝液中，避免Mn和In的损耗。
纯Al、纯Mn和纯In的纯度均达到99.99％
(2)合金完全熔化后，除去表面杂质后放入覆盖剂，并用铝箔纸包裹后加入合金溶液中，随后关闭炉盖将炉温升高到720℃保温2小时，其中，覆盖剂成分为KCl和NaCl，按质量比1：1混合配置而成。
(3)将圆形铸铁模具放入熔锡炉加热至400℃后，立即将静置的熔融态合金进行倒入模具浇注，并与模具随空气冷却后倒出，制成铸坯。
铸铁模具的加热过程为：将其置于熔锡炉中加热至400℃，避免合金急冷过程中造成晶体缺陷。
本发明有益效果：
本发明的铝基牺牲阳极镀层合金的原材料来源广泛，制造成本低。Si能够提高铝液的流动性，降低镀液中的氧化物杂质含量和降低热浸镀铝的温度，提高被镀工件与镀层之间的粘附性，控制镀层内层Fe-Al的界面反应，改善镀层内层铁铝化合物层的不均匀性，有利于镀层与基体钢的结合，提升镀层的加工性能。
Mn能够中和铁的有害作用，使牺牲阳极铝合金中针状的富铁相FeAl3相，改变结晶形态为汉字状得到Al8(Fe,Mn)2Si和(Fe,Mn)Al6相，使合金内部组织更加均匀，提高了合金的力学性能。同时，其偏析相(Fe,Mn)Al6相与基体α-Al电极电位相当，使铝基合金表面电极电位一致，自腐蚀电流降低，提高镀层电流效率和耐蚀性。有效克服现有铝基合金因Fe元素造成的牺牲阳极性能和力学性能不足的问题，增强牺牲阳极铝合金的保护能力，降低生产应用成本，对铝基牺牲阳极合金的广泛使用具有重要意义。
In对铝基牺牲阳极合金的活化作用明显，使其电极电位负移。In元素通过溶解再沉积原理，促进了Al基体的持续活性溶解。同时富In偏析相的出现，可以降低合金的负电性，提高铝基阳极合金的电流效率，能有效地改善铝基合金的阳极牺牲保护能力，增强了钢材的耐腐蚀性能。从而进一步抑制Fe有害杂质对电化学性能的影响。在使用时，铝基牺牲阳极合金表面逐渐覆盖一层胶状的腐蚀产物，较为松软，容易用水冲掉，有效提升铝基合金的牺牲阳极性能。
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。
附图说明：
图1实施例1中Al-10Si-0.5Mn-0.1In合金整体形貌；
图2实施例2中Al-10Si-0.5Mn-0.2In合金整体形貌；
图3实施例3中Al-10Si-0.8Mn-0.1In合金整体形貌；
图4实施例4中Al-10Si-0.8Mn-0.2In合金整体形貌；
图5实施例5中Al-10Si-1.2Mn-0.1In合金整体形貌；
图6对比例1中Al-10Si-0.5Mn合金整体形貌；
图7对比例2中Al-10Si-0.2In合金整体形貌；
图8对比例3中Al-10Si-3Zn-0.1In合金整体形貌；
图9实施例2与对比例2的XRD对比图；
图10实施例3与对比例1、2的极化曲线对比图；
图11实施例1、3和对比例1、3的阻抗图；
图12实施例1、5和对比例2、3的硬度对比图。
具体实施方式
实施例1
Al-10Si-0.5Mn-0.1In牺牲阳极合金的制备方法，包括如下步骤：
先将88.8g的纯铝粒和408.16g的Al-12Si中间合金加入熔炉，并升温至720℃，保温1小时；待铝硅合金加热至熔融状态后，再将2.5g的纯Mn片和0.5g的纯In粒加入到合金液中，并搅拌均匀。之后加入17.5g除去表面污渍和氧化物的Q235钢板熔融的合金液中，静置保温24小时左右，使合金溶液达到铁饱和状态。合金完全熔化后，除去表面杂质后放入覆盖剂，覆盖剂按KCl和NaCl各5g混合配置而成，并用铝箔纸包裹后加入合金溶液中，随后关闭炉盖保温。将圆形铸铁模具放入熔锡炉加热至400℃后，立即将静置的熔融态合金进行倒入模具浇注，并与模具随空气冷却后倒出，制成铸坯。
实施例2
Al-10Si-0.5Mn-0.2In牺牲阳极合金的制备方法，包括如下步骤：
先将88.3g的纯铝粒和408.16g的Al-12Si中间合金加入熔炉，并升温至720℃，保温1小时；待铝硅合金加热至熔融状态后，再将2.5g的纯Mn片和1.0g的纯In粒加入到合金液中，并搅拌均匀。之后加入17.5g除去表面污渍和氧化物的Q235钢板熔融的合金液中，静置保温24小时左右，使合金溶液达到铁饱和状态。合金完全熔化后，除去表面杂质后放入覆盖剂，覆盖剂按KCl和NaCl各5g混合配置而成，并用铝箔纸包裹后加入合金溶液中，随后关闭炉盖保温。将圆形铸铁模具放入熔锡炉加热至400℃后，立即将静置的熔融态合金进行倒入模具浇注，并与模具随空气冷却后倒出，制成铸坯。
实施例3
Al-10Si-0.8Mn-0.1In牺牲阳极合金的制备方法，包括如下步骤：
先将87.3g的纯铝粒和408.16g的Al-12Si中间合金加入熔炉，并升温至720℃，保温1小时；待铝硅合金加热至熔融状态后，再将4.0g的纯Mn片和0.5g的纯In粒加入到合金液中，并搅拌均匀。之后加入17.5g除去表面污渍和氧化物的Q235钢板熔融的合金液中，静置保温24小时左右，使合金溶液达到铁饱和状态。合金完全熔化后，除去表面杂质后放入覆盖剂，覆盖剂按KCl和NaCl各5g混合配置而成，并用铝箔纸包裹后加入合金溶液中，随后关闭炉盖保温。将圆形铸铁模具放入熔锡炉加热至400℃后，立即将静置的熔融态合金进行倒入模具浇注，并与模具随空气冷却后倒出，制成铸坯。
实施例4
Al-10Si-0.8Mn-0.2In牺牲阳极合金的制备方法，包括如下步骤：
先将86.8g的纯铝粒和408.16g的Al-12Si中间合金加入熔炉，并升温至720℃，保温1小时；待铝硅合金加热至熔融状态后，再将4.0g的纯Mn片和1.0g的纯In粒加入到合金液中，并搅拌均匀。之后加入17.5g除去表面污渍和氧化物的Q235钢板熔融的合金液中，静置保温24小时左右，使合金溶液达到铁饱和状态。合金完全熔化后，除去表面杂质后放入覆盖剂，覆盖剂按KCl和NaCl各5g混合配置而成，并用铝箔纸包裹后加入合金溶液中，随后关闭炉盖保温。将圆形铸铁模具放入熔锡炉加热至400℃后，立即将静置的熔融态合金进行倒入模具浇注，并与模具随空气冷却后倒出，制成铸坯。
实施例5
Al-10Si-1.2Mn-0.1In牺牲阳极合金的制备方法，包括如下步骤：
先将85.3g的纯铝粒和408.16g的Al-12Si中间合金加入熔炉，并升温至720℃，保温1小时；待铝硅合金加热至熔融状态后，再将6.0g的纯Mn片和0.5g的纯In粒加入到合金液中，并搅拌均匀。之后加入17.5g除去表面污渍和氧化物的Q235钢板熔融的合金液中，升温至720℃后静置保温24小时左右，使合金溶液达到铁饱和状态。合金完全熔化后，除去表面杂质后放入覆盖剂，覆盖剂按KCl和NaCl各5g混合配置而成，并用铝箔纸包裹后加入合金溶液中，随后关闭炉盖保温。将圆形铸铁模具放入熔锡炉加热至400℃后，立即将静置的熔融态合金进行倒入模具浇注，并与模具随空气冷却后倒出，制成铸坯。
对比例1
配置Al-10Si-0.5Mn合金，具体步骤如下：
先将89.2g的纯铝粒和408.16g的Al-12Si中间合金加入熔炉，并升温至720℃，保温1小时；待铝硅合金加热至熔融状态后，再将2.5g的纯Mn片加入到合金液中，并搅拌均匀。之后加入17.5g除去表面污渍和氧化物的Q235钢板熔融的合金液中，静置保温24小时左右，使合金溶液达到铁饱和状态。合金完全熔化后，除去表面杂质后放入覆盖剂，覆盖剂按KCl和NaCl各5g混合配置而成，并用铝箔纸包裹后加入合金溶液中，随后关闭炉盖保温。将圆形铸铁模具放入熔锡炉加热至400℃后，立即将静置的熔融态合金进行倒入模具浇注，并与模具随空气冷却后倒出，制成铸坯。
对比例2
配置Al-10Si-0.2In合金，具体步骤如下：
先将90.7g的纯铝粒和408.16g的Al-12Si中间合金加入熔炉，并升温至720℃，保温1小时；待铝硅合金加热至熔融状态后，再将1.0g的纯In粒加入到合金液中，并搅拌均匀。之后加入17.5g除去表面污渍和氧化物的Q235钢板熔融的合金液中，静置保温24小时左右，使合金溶液达到铁饱和状态。合金完全熔化后，除去表面杂质后放入覆盖剂，覆盖剂按KCl和NaCl各5g混合配置而成，并用铝箔纸包裹后加入合金溶液中，随后关闭炉盖保温。将圆形铸铁模具放入熔锡炉加热至400℃后，立即将静置的熔融态合金进行倒入模具浇注，并与模具随空气冷却后倒出，制成铸坯。
对比例3
配置Al-10Si-3Zn-0.1In合金，具体步骤如下：
先将90.7g的纯铝粒和408.16g的Al-12Si中间合金加入熔炉，并升温至720℃，保温1小时；待铝硅合金加热至熔融状态后，再将1.5g的纯Zn和0.5g的纯In粒加入到合金液中，并搅拌均匀。之后加入17.5g除去表面污渍和氧化物的Q235钢板熔融的合金液中，静置保温24小时左右，使合金溶液达到铁饱和状态。合金完全熔化后，除去表面杂质后放入覆盖剂，覆盖剂按KCl和NaCl各5g混合配置而成，并用铝箔纸包裹后加入合金溶液中，随后关闭炉盖保温。将圆形铸铁模具放入熔锡炉加热至400℃后，立即将静置的熔融态合金进行倒入模具浇注，并与模具随空气冷却后倒出，制成铸坯。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改性等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金，其特征在于，所述阳极合金按元素质量百分比其组成为Si：8-10％，Mn：0.5-1.2％，In：0.05-0.2％，其余为Al和不可避免的杂质，Fe元素达到饱和状态。
2.一种根据权利要求1所述Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤如下：
(1)将按比例配置好的纯铝粒和Al-Si中间合金加入熔炉，待合金加热至熔融状态后，将称量好的纯锰片和纯铟粒加入到合金液中，搅拌均匀；
(2)合金完全熔化后，除去表面杂质后放入覆盖剂后保温；
(3)将圆形铸铁模具加热后，立即将静置的熔融态合金进行浇注，并与模具空冷制成铸坯。
3.根据权利要求2所述的Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述纯铝粒和Al-Si中间合金升温至720℃后，保温1小时，再依次加入纯锰片和纯铟粒。
4.根据权利要求2所述的Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金的制备方法，其特征在于：步骤(1)中加入Al-Si中间合金，控制合金中Si含量：8-10％；加入纯Mn，控制合金中Mn含量：0.5-1.2％；加入纯In，控制合金中In含量：0.05-0.2％；加入纯Al，控制合金中其余的Al含量。
5.根据权利要求2所述的Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中纯锰和纯铟采用铝箔包裹的方式压入铝液中，避免Mn和In的损耗。
6.根据权利要求2所述的Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金的制备方法，其特征在于，所述熔化过程为：步骤(2)中覆盖剂为KCl和NaCl按质量比1：1混合而成，用铝箔纸包裹后加入合金溶液中。
7.根据权利要求2所述的Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)中将炉温升高到720℃保温2小时。
8.根据权利要求2所述的Al-Si-Mn-In牺牲阳极合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中铸铁模具的加热过程为：将其置于熔锡炉中加热至400℃，避免合金急冷过程中造成晶体缺陷。
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