CN104060280A

CN104060280A - 一种适用于深海环境中具有高电流效率的铝合金牺牲阳极

Info

Publication number: CN104060280A
Application number: CN201410311844.8A
Authority: CN
Inventors: 李晓刚; 杜翠薇; 吴晓光; 范友军; 刘福国
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: CN104060280B

Abstract

本发明属于防腐技术领域，具体涉及一种适合于深海环境中具有高电流效率的铝合金牺牲阳极。该牺牲阳极以铝为基体，加入锌、铟、锡、镁、钛合金元素，具体成分配比为（wt%）：锌4.0~6.0%，铟0.020~0.030%，锡0.05~0.10%，镁0.5~1.0%，钛0.05~1.0%，其中杂质铁<0.050%，铜<0.010%，余量为铝。采用真空冶炼的方法制备。在模拟深海环境中，测试得到该系列牺牲阳极的电流效率在92%以上，开路电位-1.05~-1.20之间，活化性能较好，溶解均匀，腐蚀产物易于脱落。可用于深海环境中金属构件的阴极保护。

Description

一种适用于深海环境中具有高电流效率的铝合金牺牲阳极

技术领域

本发明属于防腐技术领域，具体涉及一种适用于深海环境中具有高电流效率的铝合金牺牲阳极。

背景技术

牺牲阳极的阴极保护法是目前腐蚀防护中常用的一种保护方法。其基本原理是将牺牲阳极材料和被保护材料连接在一起，牺牲阳极材料电位低于被保护金属，依靠牺牲阳极与被保护金属之间的电位差和牺牲阳极不断发生腐蚀溶解提供的电流使被保护金属发生阴极极化，从而使被保护金属的腐蚀受到抑制。概括来说就是阳极材料的腐蚀被加速，阴极材料腐蚀被抑制，因此称作牺牲阳极的阴极保护法。牺牲阳极的阴极保护法具有操作简单、成本低、不需要专人维护等优势，被广泛用于金属的腐蚀防护中。牺牲阳极材料的制备是牺牲阳极的阴极保护法中最重要的环节。

在海洋环境中，牺牲阳极的阴极保护法是当前应用最广泛的一种方法。铝合金牺牲阳极具有资源充足、成本低、密度小、易于加工、理论电容量大等优点，因此近年来铝合金牺牲阳极被大量应用于海洋结构的保护中。关于浅海环境的牺牲阳极性能的数据比较多，我国国标中也公布了一些适用于浅海环境的牺牲阳极的制备方法。深海环境具有压力大、温度低、溶氧量低等复杂条件，深海环境中的腐蚀与浅海环境中的不同。实验证明现有用于浅海环境中的牺牲阳极在深海环境条件下存在电流效率较低、电位正移、溶解不均匀，且腐蚀产物不易脱落等现象，无法满足深海环境中对金属设施有效保护的要求。

发明内容

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于深海环境中的牺牲阳极，解决现有的用于深海的牺牲阳极电位不稳定、电流效率低、溶解不均匀和成本较高等问题。本发明以铝为基体进行微合金化，使其在深海高压、低温、低氧的环境中具有较高的电流效率、稳定的电位和溶解形貌均匀、腐蚀产物易脱落等特点，为深海金属构件提供长期有效的保护。

2、为此，本发明提出一种新的牺牲阳极成分配方，以铝为基体，加入锌、铟、锡、镁、钛合金元素，组成六元合金，具体成分配比：（wt%）：锌4.0 ~ 6.0%，铟0.020~0.030%，锡0.05~ 0.10%，镁0.5~ 1.0%，钛0.05~ 0.10%，其中杂质铁<0.050%,铜<0.010%,余量为铝。

3、该牺牲阳极采用真空冶炼的工艺，由于钛的熔点较高，镁的熔点较低，为防止加热温度过高导致镁挥发。所以首先将钛和铝一起加入真空冶炼炉中熔炼成钛含量为2.5%的铝钛合金，然后与其他各纯金属按照成分配比加入真空冶炼炉进行冶炼，冶炼过程中采用电磁搅拌。冶炼结束后让其自然冷却得到铸棒，最后将铸棒加工成实验所要求的尺寸形状。

4、本发明通过微合金化制备的铝基牺牲阳极，按照国标GB17859/1999对试样在压强为8Mpa、温度为4℃的条件下进行了恒电流测试实验。在模拟深海环境中的工作电位在-1.05~ -1.10V(vs,Ag/AgCl,饱和KCl溶液)之间，电容量大于2600A·h/kg，电流效率大于92%。溶解均匀，腐蚀产物容易脱落，且铟含量较低，无其他有害元素，对环境污染较小。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明做进一步解释。

实施例一：标号为试样D1。

以铝为基体，加入锌、铟、锡、镁、钛合金元素，组成六元合金，具体成分配比：（wt%）：锌6.0%，铟0.020%，锡0.05%，镁0.5%，钛0.05%，其中杂质铁<0.050%,铜<0.010%，余量为铝。首先用纯铝和海绵钛熔炼出钛含量为2.5%的铝钛合金，然后将铝钛合金与其他各纯金属按照成分配比加入真空冶炼炉进行冶炼，冶炼过程中采用电磁搅拌。冶炼结束后让其自然冷却，最后得到铸棒。将铸棒加工成Φ16×28mm的圆柱，表面粗糙度为1.6，在其中一个平面上打上M3×8mm的螺纹孔，用以连接导线。然后用丙酮除油、烘干、称重、拍照，之后采用环氧树脂密封两平面，保留14cm²的工作面积，制成本发明所用的实验样品。牺牲阳极在深海环境中的开路电位为-1.100V(vs,Ag/AgCl,饱和KCl溶液)，工作电位为-1.076V(vs,Ag/AgCl,饱和KCl溶液)，电流效率为92.56%，电容量为2633A·h/kg。溶解均匀，腐蚀产物易脱落。

实施例二：标号为试样D2。

以铝为基体，加入锌、铟、锡、镁、钛合金元素，组成六元合金，具体成分配比：（wt%）：锌5.8%，铟0.025%，锡0.05%，镁1.0%，钛0.10%，其中杂质铁<0.050%,铜<0.010%,余量为铝。首先用纯铝和海绵钛熔炼出钛含量为2.5%的铝钛合金，然后将铝钛合金与其他各纯金属按照成分配比加入真空冶炼炉进行冶炼，冶炼过程中采用电磁搅拌。冶炼结束后让其自然冷却，最后得到铸棒。将铸棒加工成Φ16×28mm的圆柱，表面粗糙度为1.6，在其中一个平面上打上M3×8mm的螺纹孔，用以连接导线。然后用丙酮除油、烘干、称重、拍照，之后采用环氧树脂密封两平面，保留14cm²的工作面积，制成本发明所用的实验样品。牺牲阳极在深海环境中的开路电位为-1.103V(vs,Ag/AgCl,饱和KCl溶液)，工作电位为-1.048V(vs,Ag/AgCl,饱和KCl溶液)，电流效率为93.75%，电容量为2662A·h/kg。溶解均匀，腐蚀产物易脱落。

实施例三：标号为试样D3。

以铝为基体，加入锌、铟、锡、镁、钛合金元素，组成六元合金，具体成分配比：（wt%）：锌5.6%，铟0.020%，锡0.10%，镁0.5%，钛0.10%，其中杂质铁<0.050%,铜<0.010%,余量为铝。首先用纯铝和海绵钛熔炼出钛含量为2.5%的铝钛合金，然后将铝钛合金与其他各纯金属按照成分配比加入真空冶炼炉进行冶炼，冶炼过程中采用电磁搅拌。冶炼结束后让其自然冷却，最后得到铸棒。将铸棒加工成Φ16×28mm的圆柱，表面粗糙度为1.6，在其中一个平面上打上M3×8mm的螺纹孔，用以连接导线。然后用丙酮除油、烘干、称重、拍照，之后采用环氧树脂密封两平面，保留14cm²的工作面积，制成本发明所用的实验样品。牺牲阳极在深海环境中的开路电位为-1.100V(vs,Ag/AgCl,饱和KCl溶液)，工作电位为-1.076V(vs,Ag/AgCl，饱和KCl溶液)，电流效率为93.02%，电容量为2644A·h/kg。溶解均匀，腐蚀产物易脱落。

实验中设置了9组不同成分的铝基牺牲阳极材料，其中四元合金Al-Zn-In-Mg（1组）和五元合金Al-Zn-In-Sn-Mg（2组）、Al-Zn-In-Mg-Ti（2组）为对比组，六元合金Al-Zn-In-Sn-Mg-Ti为本实验发明。

表1 实验中各牺牲阳极的理论化学组成

表2 实验中9组试样的电化学性能对比

本发明的设计思路是：

由于铝是自钝化金属，表面容易生成致密的氧化膜，使其电位比较正，所以纯铝不能直接用作牺牲阳极，通常采用合金化的方法制备出电位比较低、性能优良的牺牲阳极。其中，Al-Zn-In系牺牲阳极是目前研究最多、应用最广的一类铝基合金牺牲阳极材料。

本发明中铝基牺牲阳极的合金化过程中添加各元素的基本思路是：锌是最主要的活化元素。锌的存在可以有效降低牺牲阳极的电位，同时锌和锡、铟等合金元素一起，能够破坏纯铝表面氧化膜的稳定性，提高合金活性。但由于锌在铝中的溶解度有限，锌含量过高容易产生偏析，所以锌含量控制在4.0%~6.0%。少量的铟能显著改善合金的活性，降低合金电位，提高牺牲阳极的电流效率；但过量的铟会使合金发生自腐蚀，从而降低电流效率，因此铟的含量一般不超过0.030%。合金元素锡是比较理想的合金元素，可以在铝中形成固溶体，降低杂质元素铁、铜等的影响，同时可以降低锌和铟在合金中的偏析，减少晶间腐蚀。加入镁可以提高金属表面的电化学均匀性，降低合金自腐蚀速率，改善表面腐蚀溶解的均匀性。锡和镁共同作用时也能够降低合金的电位，提高合金的活化性能。少量的钛在铝基牺牲阳极中，与镁产生协同作用，可以有效地细化铝合金的晶粒，使得合金组织更加均匀，减少因第二相或大块晶粒脱落造成的电流效率降低。

Claims

1.一种适用于深海环境中具有高电流效率的铝合金牺牲阳极，其特征在于，以铝为基体，添加锌、铟、锡、镁、钛合金元素，具体成分配比（wt%）：锌4.0 ~ 6.0%，铟0.020~0.030%，锡0.05~ 0.10%，镁0.5~ 1.0%，钛0.05~ 0.10%，其中杂质铁<0.050%，铜<0.010%，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的一种适合于深海环境中具有高电流效率的铝合金牺牲阳极，其特征在于，所述铝合金牺牲阳极的电流效率在92%以上，开路电位在-1.05~ -1.20之间，活化性能较好，溶解均匀，腐蚀产物易脱落。

3.根据权利要求1所述的一种适合于深海环境中具有高电流效率的铝合金牺牲阳极的制备方法，其特征在于，具体制备步骤为：

用纯铝和海绵钛熔炼出钛含量为2.5%的铝钛合金；

将铝、锌、铟、锡、镁、铝钛合金按成分配比加入真空冶炼炉中进行冶炼；

冶炼过程中采用电磁搅拌；

冶炼结束后自然冷却得到铸棒，最后将铸棒加工成所要求形状。