CN102154651A - 一种深海环境用牺牲阳极及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海环境用牺牲阳极，其主要成分为：以铝为原料，添加有元素锌、铟、硅，其中，各成分的重量百分比如下：锌3.0～5.0％，铟0.01～0.02％，硅0.10～0.20％；杂质总量≤0.16％，其中，杂质铁≤0.13％，杂质铜≤0.006％；余量为铝。牺牲阳极在深海低温环境下的工作电位为-1.12～-1.05V，电流效率≥93％，电容量≥2600，且均匀腐蚀，腐蚀产物易脱落。本发明在低温、低溶解氧环境下具有更高的实际电容量和电流效率，其工作电位为-1.12～-1.05V，电流效率≥93％，电容量≥2600，且均匀腐蚀。并且含铟量较低，能有效降低阳极成本，特别适用于深海环境海洋结构物的阴极保护的深海环境，是一种高性能的深海环境用牺牲阳极。

Description

一种深海环境用牺牲阳极及其制造方法

技术领域

本发明涉及牺牲阳极材料，特别涉及一种深海环境用牺牲阳极及其制造方法。

背景技术

金属腐蚀是破坏金属设备和构件的主要形式之一，牺牲阳极阴极保护法是目前应用广泛的防腐方法之一，可对工作于水溶液中或含有水溶液环境中的金属构件提供防腐保护。该方法是将被保护的金属(阴极)与比他电位更负的金属(阳极)相连，两种金属处于相同电解质中(例如水，土壤)中，借助于牺牲阳极与被保护金属之间有较大电位差和牺牲阳极不断活性溶解所产生的电流对被保护的金属进行阴极极化，从而抑制金属腐蚀。

深海环境具有压力大、温度低、低溶解氧含量少等特点，这些因素对金属在深海环境中的腐蚀行为有重要影响.牺牲阳极法由于安装方便，维护简单等优点被广泛应用于海水的阴极保护中.牺牲阳极中的铝阳极具有重量轻、电容量大、价格较便宜，施工安装较方便等优点，被大量应用于海洋结构物的阴极保护。Al-Zn-In系牺牲阳极是目前应用最多的铝合金阳极。但常规Al-Zn-In牺牲阳极一般应用于近海或浅海环境中，在深海环境中的性能(电容量、电流效率等)不够理想。为解决深海环境下的金属防腐蚀问题，市面上出现了一些应用在深海环境下的牺牲阳极，例如：中国专利申请号200810249621.8的发明专利申请，其以铝为主要原料，添加有元素锌、铟、镁、钛、镓、锰，其中各成分的百分比为锌2.0-5.5％，铟0.03-0.08％、镁0.5-2.0％、钛0.05-0.2％、镓0.05-0.55％、锰0.02-1.2％，杂质总量≤0.30％，余量为铝，此牺牲阳极在海洋底部的工作电位为-1.05～-1.10V。但是，此种合金配方中的镁，在镁溶解时易产生的黑水、臭水和颗粒脱落现象，造成海洋环境污染，另外，合金中还添加有稀有元素钛、镓、锰，使合金，铟的含量也较高，导致合金的制造成本大大提高，不利于推广使用。

鉴于上述技术缺陷，迫切需要出现一种用于低温、低溶解氧环境下的高性能铝合金牺牲阳极，和常规Al-Zn-In系牺牲阳极相比，该阳极在低温、低溶解氧环境下具有更高的实际电容量和电流效率，并且含铟量较低，能有效降低阳极成本，特别适用于深海环境海洋结构物的阴极保护的深海环境用牺牲阳极及其制造方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于低温、低溶解氧环境下的高性能铝合金牺牲阳极，和常规Al-Zn-In系牺牲阳极相比，该阳极在低温、低溶解氧环境下具有更高的实际电容量和电流效率，并且含铟量较低，能有效降低阳极成本，特别适用于深海环境海洋结构物的阴极保护的深海环境用牺牲阳极及其制造方法。

为此，本发明提供了一种深海环境用牺牲阳极，其主要成分为：以铝为原料，添加有元素锌、铟、硅，其中，各成分的重量百分比如下：锌3.0～5.0％，铟0.01～0.02％，硅0.10～0.20％；杂质总量≤0.16％，其中，杂质铁≤0.13％，杂质铜≤0.006％；余量为铝。

所述牺牲阳极在深海低温环境下的工作电位为-1.12～-1.05V，电流效率≥93％，电容量≥2600，且均匀腐蚀，腐蚀产物易脱落。

为更好的实现本发明目的，本发明还公开了一种深海环境用牺牲阳极的制造方法，其中，包括如下步骤：

首先按照质量百分比称量铝锭，锌锭，元素铟和元素硅，挑选的铝锭的杂质总量≤0.16％；

然后将铟和硅用铝箔包好，铝锭于电阻炉坩埚内熔化，温度为750～800℃，再加入锌锭，待熔化、除气、扒渣后将合金元素包压入铝液中，熔化后搅匀、扒渣，在铸铁模具中浇铸，让其自然冷却，得到铸棒；

将铸棒加工成φ16mm×48mm的电化学性能测试试样和端面积为100mm的圆柱形电极试样，并在一端加工出M3mm×5mm的螺孔以便引出导线；

最后用丙酮除油，然后进行干燥称重，在试样上留出14cm²的工作面积， 其余部分用绝缘胶涂封，即制的本发明。

本发明与常规Al-Zn-In系牺牲阳极相比，本发明在低温、低溶解氧环境下具有更高的实际电容量和电流效率，其工作电位为-1.12～-1.05V，电流效率≥93％，电容量≥2600，且均匀腐蚀。并且含铟量较低，能有效降低阳极成本，特别适用于深海环境海洋结构物的阴极保护的深海环境，是一种高性能的深海环境用牺牲阳极。

具体实施方式

本发明是深海环境用牺牲阳极，其主要成分为：以铝为原料，添加有元素锌、铟、硅，其中，各成分的重量百分比如下：锌3.0～5.0％，铟0.01～0.02％，硅0.10～0.20％；杂质总量≤0.16％，其中，杂质铁≤0.13％，杂质铜≤0.006％；余量为铝。

所述牺牲阳极在深海低温环境下的工作电位为-1.12～-1.05V，电流效率≥93％，电容量≥2600，且均匀腐蚀，腐蚀产物易脱落。

本发明的制造方法如下：

首先按照质量百分比称量铝锭，锌锭，元素铟和元素硅，挑选的铝锭的杂质总量≤0.16％；

然后将铟和硅用铝箔包好，铝锭于电阻炉坩埚内熔化，温度为750～800℃，再加入锌锭，待熔化、除气、扒渣后将合金元素包压入铝液中，熔化后搅匀、扒渣，在铸铁模具中浇铸，让其自然冷却，得到铸棒；

将铸棒加工成φ16mm×48mm的电化学性能测试试样和端面积为100mm的圆柱形电极试样，并在一端加工出M3mm×5mm的螺孔以便引出导线；

最后用丙酮除油，然后进行干燥称重，在试样上留出14cm²的工作面积，其余部分用绝缘胶涂封，即制的本发明。

为更好的体现本发明的高效性，本发明与现有技术中的一些牺牲阳极的电化学实验比较如下

实验材料的选择：

为了对比本发明和常规Al-Zn-In系牺牲阳极的电化学性能，实验中选择了四种合金牺牲阳极材料。四种合金阳极材料理论化学组成如表1所示：

表1  各个牺牲阳极理论化学组成

电化学性能测试：

如表1所示，每种编号的阳极制备3个试样，采用恒电流法按GB17848-1999《牺牲阳极电化学性能试验方法》对铝阳极进行电化学性能测试，阳极工作电流密度为1mA/cm2，阴阳极面积比为60∶1，试验时间为240h，试验介质为模拟深海环境海水，介质温度为4℃，利用氮气除去介质中的溶解氧。铝阳极浸泡3h后测开路电位，然后通入电流，试验期间每天测工作电位，参比电极为饱和甘汞电极，根据阴极增重和铝阳极失重计算电流效率，并与表2给出的国标数据进行对比。

表2  国标Al-Zn-In-Si合金牺牲阳极电化学性能

其中，本发明的3个试样作为本发明的三个实施例如下：。

实施例一：标号为试样C1。

以铝为原料，添加有元素锌、铟、硅，其中，各成分的重量百分比如下： 锌3.5％，铟0.015％，硅0.15％；杂质总量≤0.16％，其中，杂质铁≤0.12％，杂质铜≤0.005％；余量为铝。首先按照质量百分比称量铝锭，锌锭，元素铟和元素硅，挑选的铝锭的杂质总量≤0.16％；然后将铟和硅用铝箔包好，铝锭于电阻炉坩埚内熔化，温度为750～800℃，再加入锌锭，待熔化、除气、扒渣后将合金元素包压入铝液中，熔化后搅匀、扒渣，在铸铁模具中浇铸，让其自然冷却，得到铸棒；将铸棒加工成φ16mm×48mm的电化学性能测试试样和端面积为100mm的圆柱形电极试样，并在一端加工出M3mm×5mm的螺孔以便引出导线；最后用丙酮除油，然后进行干燥称重，在试样上留出14cm²的工作面积，其余部分用绝缘胶涂封，即制的本发明。牺牲阳极在深海低温环境下的工作电位为-1.1～-1.07V，电流效率93％，电容量2600，且均匀腐蚀，腐蚀产物易脱落。

实施例二：标号为试样C2

以铝为原料，添加有元素锌、铟、硅，其中，各成分的重量百分比如下：锌4.0％，铟0.01％，硅0.10％；杂质总量≤0.16％，其中，杂质铁≤0.13％，杂质铜≤0.004％；余量为铝。首先按照质量百分比称量铝锭，锌锭，元素铟和元素硅，挑选的铝锭的杂质总量≤0.16％；然后将铟和硅用铝箔包好，铝锭于电阻炉坩埚内熔化，温度为750～800℃，再加入锌锭，待熔化、除气、扒渣后将合金元素包压入铝液中，熔化后搅匀、扒渣，在铸铁模具中浇铸，让其自然冷却，得到铸棒；将铸棒加工成φ16mm×48mm的电化学性能测试试样和端面积为100mm的圆柱形电极试样，并在一端加工出M3mm×5mm的螺孔以便引出导线；最后用丙酮除油，然后进行干燥称重，在试样上留出14cm²的工作面积，其余部分用绝缘胶涂封，即制的本发明。牺牲阳极在深海低温环境下的工作电位为-1.11～-1.075V，电流效率93.5，电容量2650，且均匀腐蚀，腐蚀产物易脱落。

实施例三：标号为试样C3

以铝为原料，添加有元素锌、铟、硅，其中，各成分的重量百分比如下：锌4.5％，铟0.02％，硅0.20％；杂质总量≤0.16％，其中，杂质铁≤0.13％，杂质铜≤0.006％；余量为铝。首先按照质量百分比称量铝锭，锌锭，元素铟和元素硅，挑选的铝锭的杂质总量≤0.16％；然后将铟和硅用铝箔包好，铝锭于电阻炉坩埚内熔化，温度为750～800℃，再加入锌锭，待熔化、除气、 扒渣后将合金元素包压入铝液中，熔化后搅匀、扒渣，在铸铁模具中浇铸，让其自然冷却，得到铸棒；将铸棒加工成φ16mm×48mm的电化学性能测试试样和端面积为100mm的圆柱形电极试样，并在一端加工出M3mm×5mm的螺孔以便引出导线；最后用丙酮除油，然后进行干燥称重，在试样上留出14cm²的工作面积，其余部分用绝缘胶涂封，即制的本发明。牺牲阳极在深海低温环境下的工作电位为-1.1～-1.072V，电流效率93.5，电容量2628，且均匀腐蚀，腐蚀产物易脱落。

试验步骤：

首先挑选出杂质成分符合要求的铝锭。然后按质量分数称取合金元素In和Si，用铝箔包好，铝锭于760℃电阻炉坩埚内熔化，加入称量好的锌锭，待熔化、除气、扒渣后将合金元素包压人铝液中，熔化后搅匀、扒渣，在铸铁模具(φ20mm×60mm)中浇铸，让其自然冷却。冷却后对铸棒进行成分分析，挑选出符合成分要求的铸棒。将铸棒加工成φ16mm×48mm的电化学性能测试试样和端面积为100mm的圆柱形电极试样，并在一端加工出M3mm×5mm的螺孔以便引出导线。试样先用丙酮除油，然后进行干燥称重，在试样上留出14cm²的工作面积，其余部分用绝缘胶涂封。

试验结果：各试样电化学性能的测试结果如表3所示。将表1各编号的合金配方每种配方制作3个试样，各试样电化学系能比较如表3：

表3

结论：

由表3可以看出Al-Zn-In-Cd牺牲阳极试样在模拟深海环境下表面腐蚀产物呈非均匀状溶解并且产物不脱落，电流效率为83％左右，并且实际电容量很低，工作电位不符合要求，不适用于深海环境。

国标Al-Zn-In-Si牺牲阳极在模拟深海环境下表面腐蚀产物呈非均匀状溶解，但腐蚀产物脱落，电流效率为89％左右，实际电容量约为2500，不能作为深海环境用高效牺牲阳极。

Al-Zn-In-Mg-Ti牺牲阳极在模拟深海环境下表面腐蚀产物呈均匀状溶解，腐蚀产物易脱落，电流效率为89％左右，实际电容量约为2510，工作电位符合要求，可以在深海环境中使用，但不属于高效牺牲阳极。

本发明Al-Zn-In-Si牺牲阳极在模拟深海环境下表面腐蚀产物呈均匀状溶解，腐蚀产物易脱落，电流效率大于93％，实际电容量约为大于2600，并且工作电位符合要求，可以作为深海环境用高效牺牲阳极。并且本发明含铟量较低，能有效降低阳极成本。且电化学性能明显优于国标。

Claims (3)

1.一种深海环境用牺牲阳极，其主要成分为：以铝为原料，添加有元素锌、铟、硅，其特征在于，各成分的重量百分比如下：锌3.0～5.0％，铟0.01～0.02％，硅0.10～0.20％；杂质总量≤0.16％，其中，杂质铁≤0.13％，杂质铜≤0.006％；余量为铝。

2.根据权利要求1所述深海环境用牺牲阳极，其特征在于，所述牺牲阳极在深海低温环境下的工作电位为-1.12～-1.05V，电流效率≥93％，电容量≥2600，且均匀腐蚀，腐蚀产物易脱落。

3.一种如权利要求1或2所述深海环境用牺牲阳极的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

首先按照质量百分比称量铝锭，锌锭，元素铟和元素硅，挑选的铝锭的杂质总量≤0.16％；

然后将铟和硅用铝箔包好，铝锭于电阻炉坩埚内熔化，温度为750～800℃，再加入锌锭，待熔化、除气、扒渣后将合金元素包压入铝液中，熔化后搅匀、扒渣，在铸铁模具中浇铸，让其自然冷却，得到铸棒；

将铸棒加工成φ16mm×48mm的电化学性能测试试样和端面积为100mm的圆柱形电极试样，并在一端加工出M3mm×5mm的螺孔以便引出导线；

最后用丙酮除油，然后进行干燥称重，在试样上留出14cm2的工作面积，其余部分用绝缘胶涂封，即制的本发明。