CN109750198A - 一种含Eu镁合金阳极材料及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于镁基牺牲阳极技术领域,具体涉及一种含Eu镁合金阳极材料及其制备方法与应用。所述的含Eu镁合金阳极材料,由如下按质量百分比计的组分组成:3.0~3.2%Al,0.8~1.0%Zn,0.05~0.10%Eu,余量为Mg,该阳极镁合金通过熔炼、铸造制得。本发明通过加入稀土元素Eu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
技术领域
本发明属于镁基牺牲阳极技术领域,具体涉及一种含Eu镁合金阳极材料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,对重要设备和装置的阴极材料(如钢)进行电化学腐蚀防护,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Eu镁合金阳极材料,该镁合金阳极材料包含金属铕,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Eu镁合金阳极材料的制备方法。
本发明的再一目的在于提供上述含Eu镁合金阳极材料的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现:
一种含Eu镁合金阳极材料,由如下按质量百分比计的组分组成:
3.0~3.2%Al,0.8~1.0%Zn,0.05~0.10%Eu,余量为Mg;
所述的含Eu镁合金阳极材料,优选由如下按质量百分比计的组分组成:
3.0%Al,1.0%Zn,0.10%Eu,余量为Mg;
所述的含Eu镁合金阳极材料的制备方法,包含如下步骤:
将含Eu镁合金阳极材料各原料组分纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和镁-铕(Mg-Eu)中间合金混合,熔炼铸造,得到含Eu镁合金阳极材料;
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700~720℃时,浇入钢制模具中,得到含Eu镁合金阳极材料;
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700℃;
所述的含Eu镁合金阳极材料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Eu镁合金阳极材料组分为Mg-Al-Zn-Eu。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3.0~3.2wt%,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0.8~1.0wt%。
Eu:现有技术中,镁合金中添加Eu可以提升合金强度。而本发明中,Eu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Al2Eu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。本发明选择Eu的加入量为0.05~0.10wt%,如果超过0.10wt%或低于0.05wt%,制得的阳极镁合金材料出现明显蚀坑,消耗不均匀。
在Mg-Al-Zn-Eu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Eu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Eu镁合金阳极材料,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Eu镁合金阳极材料制备工艺简单,成本低,以纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和镁-铕(Mg-Eu)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。
(3)本发明采用镁-铕(Mg-Eu)中间合金最为原料制备含Eu镁合金阳极材料,克服了直接采用纯铕(纯铕熔点远高于纯镁)作为原料不利于熔炼这一问题。
(4)本发明提供的含Eu镁合金阳极材料适用于土壤、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纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和镁-铕(Mg-Eu)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Eu镁合金阳极材料,由如下按质量百分比计的组分组成:
3.0%Al,1.0%Zn,0.10%Eu,余量为Mg;
所述的含Eu镁合金阳极材料的制备方法包含如下步骤:
将含Eu镁合金阳极材料各原料组分纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和镁-铕(Mg-Eu)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700℃时,浇铸到钢制模具中,得到含Eu镁合金阳极材料铸锭。
实施例2
一种含Eu镁合金阳极材料,由如下按质量百分比计的组分组成:
3.1%Al,0.9%Zn,0.08%Eu,余量为Mg;
所述的含Eu镁合金阳极材料的制备方法包含如下步骤:
将含Eu镁合金阳极材料各原料组分纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和镁-铕(Mg-Eu)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Eu镁合金阳极材料铸锭。
实施例3
一种含Eu镁合金阳极材料,由如下按质量百分比计的组分组成:
3.2%Al,0.8%Zn,0.05%Eu,余量为Mg;
所述的含Eu镁合金阳极材料的制备方法包含如下步骤:
将含Eu镁合金阳极材料各原料组分纯镁(Mg)、纯铝(Al)、纯锌(Zn)和镁-铕(Mg-Eu)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Eu镁合金阳极材料铸锭。
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:
3.0%Al,1.0%Zn,0.01%Eu,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-铕(Mg-Eu)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700℃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:
3.0%Al,1.0%Zn,0.30%Eu,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-铕(Mg-Eu)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700℃时,浇铸到钢制模具中,得到阳极镁合金铸锭。
效果实施例
将实施例1~3制得的含Eu镁合金阳极材料、对比实施例1~2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Eu镁合金阳极材料材料性能检测结果
对象 | 开路电位 | 电流效率 | 腐蚀环境中消耗情况 |
实施例1 | –1.72V | 65% | 无明显蚀坑,消耗较均匀 |
实施例2 | –1.70V | 62% | 无明显蚀坑,消耗较均匀 |
实施例3 | –1.68V | 60% | 无明显蚀坑,消耗较均匀 |
对比实施例1 | –1.60V | 50% | 出现蚀坑,消耗不均匀 |
对比实施例2 | –1.64V | 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Eu镁合金阳极材料材料,经过铸造制得,制备工艺简单,开路电位为–1.68~–1.72V,电流效率为60~65%,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 (9)
1.一种含Eu镁合金阳极材料,其特征在于由如下按质量百分比计的组分组成:
3.0~3.2%Al,0.8~1.0%Zn,0.05~0.10%Eu,余量为Mg。
2.根据权利要求1所述的含Eu镁合金阳极材料,其特征在于由如下按质量百分比计的组分组成:
3.0%Al,1.0%Zn,0.10%Eu,余量为Mg。
3.权利要求1或2所述的含Eu镁合金阳极材料的制备方法,其特征在于包含如下步骤:
将含Eu镁合金阳极材料各原料组分纯镁、纯铝、纯锌、镁-铕中间合金混合,熔炼铸造,得到含Eu镁合金阳极材料。
4.根据权利要求3所述的含Eu镁合金阳极材料的制备方法,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Eu镁合金阳极材料的制备方法,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700~720℃时,浇入钢制模具中,得到含Eu镁合金阳极材料。
6.根据权利要求5所述的含Eu镁合金阳极材料的制备方法,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Eu镁合金阳极材料的制备方法,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Eu镁合金阳极材料的制备方法,其特征在于:
所述的镁合金液升温至700℃。
9.权利要求1或2所述的含Eu镁合金阳极材料在镁基牺牲阳极制备领域中的应用。
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