本發(fā)明屬于腐蝕與防護的
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是指一種適用于高電阻率環(huán)境中的鋁合金陽極及其制備方法。
背景技術(shù)：
：海洋是最為苛刻的自然腐蝕環(huán)境，金屬結(jié)構(gòu)不可避免地要遭受海水、海泥的腐蝕。鋁合金犧牲陽極陰極保護是金屬結(jié)構(gòu)物在海水、海泥、鹽水中防腐的重要手段；相對于鋅陽極，通常要求所使用的鋁合金陽極材料具有電容量高、工作電位更負(fù)等特點，以此降低犧牲陽極的用量。因此，使用高性能的鋁合金陽極材料是上述環(huán)境中防腐蝕技術(shù)一直追求的目標(biāo)。鋁合金陽極材料已經(jīng)在二元合金的基礎(chǔ)上開發(fā)了三元合金，目前已形成的系列，如Al-Zn-Hg系、Al-Zn-In系、Al-Zn-Sn系、Al-Zn-Cd系及Al-Zn-Mg系等，其中前兩個合金是鋁陽極品種中開發(fā)較早，應(yīng)用較廣泛。Al-Zn-Hg系合金的代表是DOW化學(xué)公司開發(fā)的GalvalumI型和II型鋁陽極，其實際電容量很高，電流效率能達到95%；不過由于汞會污染環(huán)境，在熔煉時產(chǎn)生的汞蒸氣對人體有害，所以，目前已經(jīng)被淘汰。Al-Zn-In系合金是目前公認(rèn)的有前途的鋁陽極系列，此系的基礎(chǔ)成分為Al-2.5Zn-0.02In，它的電位在-1.10V（SCE），電流效率在85%左右；工作時，表面產(chǎn)生一層膠狀的腐蝕產(chǎn)物，較為松軟，易被水沖掉；但是，腐蝕形態(tài)不夠均勻，有蝕坑和皰。為了進一步改善陽極性能，國內(nèi)外研究者又在Al-Zn-In中添加了第四、第五和第六種元素。美國DOW化學(xué)公司1976年開發(fā)的GalvalumⅢ是個典型的代表，它的成分為Al-3Zn-0.015In-0.1Si，它在海水中的電化學(xué)容量一般在2550A·h/Kg左右，其在海泥中的電化學(xué)性能不穩(wěn)定。中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T4948-2002中規(guī)定的Al-Zn-In-Mg-Ti五元合金的電容量為2600A·h/Kg左右，但在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，Al-Zn-In-Mg-Ti陽極實際電容量超過2600A·h/Kg的比例并不高，往往隨著原料鋁錠中雜質(zhì)的差異，產(chǎn)生不同的電容量測試結(jié)果?，F(xiàn)有的六元合金犧牲陽極，如中國專利CN102002715B公開的Al-Zn-In-Mg-Si-Sn和中國專利CN104060280B公開的Al-Zn-In-Sn-Mg-Ti，這種六元合金犧牲陽極在海底泥和低鹽度水等高電阻率介質(zhì)中，均存在工作電位較正和腐蝕形態(tài)不均勻的問題，工作電位通常只能介于-0.95V~-1.00V之間，驅(qū)動電位低導(dǎo)致陰極保護電流分布效果下降，限制了這種合金陽極在海底泥和低鹽度水等高電阻率介質(zhì)中的應(yīng)用。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種適用于高電阻率環(huán)境中的鋁合金陽極及其制備方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中鋁合金犧牲陽極存在工作電位較正和腐蝕形態(tài)不均勻而限制了其在海底泥和低鹽度水等高電阻率介質(zhì)中的應(yīng)用的問題。本發(fā)明的一種適用于高電阻率環(huán)境中的鋁合金陽極，其主要是通過以下技術(shù)方案加以實現(xiàn)的：所述鋁合金陽極按照重量百分比由以下元素組成：鋅4.0~6.0%；銦0.015~0.030%；硅0.05~0.40%；錫≤0.02%；鈦≤0.03%；雜質(zhì)含量：鐵≤0.07%；銅≤0.001%；余量為鋁。本發(fā)明鋁合金陽極通過在鋁基體中添加鋅、銦、硅、錫、鈦等合金元素，抵消了鋁錠中雜質(zhì)元素的影響，提高了陽極在高電阻率鹽水和海泥中工作電位；不但在海水中有極好的性能，還可以用于性能要求更高的地方，包括海底泥和低鹽度的水，例如：入?？诤秃常潆娢浑S電阻率增大而衰減的明顯比普通鋁陽極??；可廣泛應(yīng)用于各類海泥和低鹽度水中固定金屬結(jié)構(gòu)，例如海底采油樹、管匯以及海底沉管式隧道外殼等結(jié)構(gòu)，替代現(xiàn)有犧牲陽極材料，提高上述結(jié)構(gòu)的防腐效果，具有顯著的社會效益。作為一種優(yōu)選的實施方案，所述鋁合金陽極按照重量百分比由以下元素組成：鋅4.0~6.0%；銦0.015~0.030%；硅0.15~0.40%；錫0.01~0.02%；鈦0.02~0.03%；雜質(zhì)含量：鐵0.07%；銅0.001%；余量為鋁。對鋁合金陽極的組成進一步優(yōu)化，進一步提高鋁合金陽極的性能。提高了對鐵雜質(zhì)的控制，鐵含量可以達0.07%；這不僅進一步降低了鐵對鋁合金陽極電化學(xué)性能的危害，大大提高了海底泥和深海中陽極長期穩(wěn)定的電化學(xué)性能；同時，鐵雜質(zhì)含量控制無需過低，也有利于降低陽極制造成本，提高本發(fā)明陽極的經(jīng)濟效益。作為一種優(yōu)選的實施方案，所述硅元素的來源為10%或20%的鋁硅合金，所述鈦元素的來源為鋁鈦合金或硼化鈦。10%和20%是指鋁硅合金中硅的質(zhì)量百分含量；鋁硅合金、鋁鈦合金和硼化鈦來源多，價廉易得，同時其添加不會帶來額外的雜質(zhì)，使用方便。作為一種優(yōu)選的實施方案，所述鋁合金陽極在電阻率為70~80Ω·cm的鹽水環(huán)境中的工作電位負(fù)于-1.05V，電容量高于2600A·h/Kg，溶解均勻，腐蝕產(chǎn)物易脫落。本發(fā)明的工作電位均是相對于銀/氯化銀參比電極的結(jié)果，簡稱SSE；本發(fā)明的鋁合金陽極的電位隨電阻率增大而衰減的程度明顯比普通鋁陽極的衰減程度小，其在高電阻率介質(zhì)中工作電位更負(fù)，電容量更高，溶解均勻，腐蝕產(chǎn)物易脫落。作為一種優(yōu)選的實施方案，所述鋁合金陽極在電阻率為70~80Ω·cm的鹽水環(huán)境中的工作電位為-1.09~-1.05V，電容量為2640-2710A·h/Kg，溶解均勻，腐蝕產(chǎn)物易脫落。本發(fā)明的鋁合金陽極在淡海水中的電容量、工作電壓和腐蝕性能均較現(xiàn)有鋁合金陽極有大幅提高。作為一種優(yōu)選的實施方案，所述鋁合金陽極在覆蓋有海水的海泥中的工作電位負(fù)于-0.95V，電容量高于2100A·h/Kg，溶解均勻，腐蝕產(chǎn)物易脫落。本發(fā)明的鋁合金陽極可以用于海底泥環(huán)境中，其在海底泥環(huán)境中仍然具有很好的性能，工作電位負(fù)，電容量高，溶解均勻。作為一種優(yōu)選的實施方案，所述鋁合金陽極在覆蓋有海水的海泥中的工作電位為-1.00~-0.95V，電容量為2110-2400A·h/Kg，溶解均勻，腐蝕產(chǎn)物易脫落。本發(fā)明的鋁合金陽極在海底泥環(huán)境中的電容量、工作電壓和腐蝕性能均較現(xiàn)有鋁合金陽極有大幅提高。本發(fā)明的一種適用于高電阻率環(huán)境中的鋁合金陽極的制備方法，其主要是通過以下技術(shù)方案加以實現(xiàn)的：包括以下步驟：1）取鋁錠為鋁元素的原料，坩堝加熱至700～800℃，將鋁錠熔化；2）分別稱取鋅、銦、錫、硅和鈦元素的原料，添加至步驟1）所得熔融的鋁液中，用石墨棒攪拌均勻，除渣，澆鑄到模具中，冷卻，取出，得陽極。由于鋁合金陽極的工作電位隨著水的電阻率增大會變得正些，不足的驅(qū)動電位將限制鋁合金陽極在這些介質(zhì)中的實際應(yīng)用，例如在低鹽度水和海泥中。本發(fā)明以鋁為陽極材料的基體，添加鋅和銦作為活化劑，以降低其極化率低；添加少量鈦作為晶格收縮劑，起到細(xì)化晶粒和減少晶間腐蝕的作用；添加硅是為了促進陽極在海泥中溶解均勻性；添加錫可使鋁合金電位負(fù)移，同時Sn和In通過形成固溶體提高陽極表面活性，提高陽極溶解均勻性，從而提高陽極的綜合性能。作為一種優(yōu)選的實施方案，所述硅元素采用10%或20%的鋁硅合金為原材料，所述鈦元素采用鋁鈦合金或硼化鈦為原材料。本發(fā)明鋁合金陽極的制備方法，工藝簡單，條件溫和，控制方便，易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的鋁合金陽極通過在鋁基體中添加鋅、銦、硅、錫、鈦等合金元素，抵消了鋁錠中雜質(zhì)元素的影響，提高了陽極在高電阻率鹽水和海泥中工作電位；不但在海水中有極好的性能，還可以用于性能要求更高的地方，包括海底泥和低鹽度的水，例如：入?？诤秃?，其電位隨電阻率增大而衰減的明顯比普通鋁陽極?。辉陔娮杪蕿?0~80Ω·cm淡海水中，工作電位負(fù)于-1.05V，電容量高于2600A·h/Kg，在覆蓋有海水的海泥中，工作電位負(fù)于-0.95V，電容量高于2100A·h/Kg；特別適用于海底采油樹、管匯以及海底沉管式隧道外殼等結(jié)構(gòu)的陰極保護，同時，也有利于降低陽極制造成本，提高經(jīng)濟效益。具體實施方式下面將結(jié)合本發(fā)明的具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。本發(fā)明的一種適用于高電阻率環(huán)境中的鋁合金陽極，所述鋁合金陽極按照重量百分比由以下元素組成：鋅4.0~6.0%；銦0.015~0.030%；硅0.05~0.40%；錫≤0.02%；鈦≤0.03%；雜質(zhì)含量：鐵≤0.07%；銅≤0.001%；余量為鋁。優(yōu)選地，所述鋁合金陽極按照重量百分比由以下元素組成：鋅4.0~6.0%；銦0.015~0.030%；硅0.15~0.40%；錫0.01~0.02%；鈦0.02~0.03%；雜質(zhì)含量：鐵0.07%；銅0.001%；余量為鋁。進一步地，所述硅元素的來源為10%或20%的鋁硅合金，所述鈦元素的來源為鋁鈦合金或硼化鈦。具體地，所述鋁合金陽極在電阻率為70~80Ω·cm的鹽水環(huán)境中的工作電位負(fù)于-1.05V，電容量高于2600A·h/Kg，溶解均勻，腐蝕產(chǎn)物易脫落。更具體地，所述鋁合金陽極在電阻率為70~80Ω·cm的鹽水環(huán)境中的工作電位為-1.09~-1.05V，電容量為2640-2710A·h/Kg，溶解均勻，腐蝕產(chǎn)物易脫落。具體地，所述鋁合金陽極在覆蓋有海水的海泥中的工作電位負(fù)于-0.95V，電容量高于2100A·h/Kg，溶解均勻，腐蝕產(chǎn)物易脫落。更具體地，所述鋁合金陽極在覆蓋有海水的海泥中的工作電位為-1.00~-0.95V，電容量為2110-2400A·h/Kg，溶解均勻，腐蝕產(chǎn)物易脫落。本發(fā)明的一種適用于高電阻率環(huán)境中的鋁合金陽極的制備方法，包括以下步驟：1）取鋁錠為鋁元素的原料，坩堝加熱至700～800℃，將鋁錠熔化；2）分別稱取鋅、銦、錫、硅和鈦元素的原料，添加至步驟1）所得熔融的鋁液中，用石墨棒攪拌均勻，除渣，澆鑄到模具中，冷卻，取出，得陽極。優(yōu)選地，所述硅元素采用10%或20%的鋁硅合金為原材料，所述鈦元素采用鋁鈦合金或硼化鈦為原材料。實施例一以市售的99.85Al錠為原料，坩堝加熱至700～800℃，將鋁錠熔化。加入Zn、In、Sn、Si、Ti元素的原料，攪拌均勻，除渣，澆鑄到要求的模具中，冷卻后取出陽極。具體實施例配方比例如下：按照重量百分比計：Zn：4.0%；In：0.02%；Si：0.2%；Sn：0.01%；Ti：0.03%；雜質(zhì)含量：Fe：0.07%；Cu：0.001%；余量為Al。試樣標(biāo)號為D1。其中，陽極采用熔鑄法制造，硅元素采用10%或20%的鋁硅合金為原料，鈦元素采用鋁鈦合金或硼化鈦為原料，鋅、銦和錫三種元素分別以相應(yīng)的金屬單質(zhì)為原料。實施例二試樣標(biāo)號為D2，鋁合金陽極的配方按照重量百分比計為：Zn：5.5%；In：0.03%；Si：0.40%；Sn：0.015%；Ti：0.02%；雜質(zhì)含量：Fe：0.07%；Cu：0.001%；余量為Al。陽極采用熔鑄法制造，鑄造方法同實施例一，硅元素采用10%或20%的鋁硅合金為原料，鈦元素采用鋁鈦合金或硼化鈦為原料，鋅、銦和錫三種元素分別以相應(yīng)的金屬單質(zhì)為原料。實施例三試樣標(biāo)號為D3，鋁合金陽極的配方按照重量百分比計為：Zn：6.0%；In：0.015%；Si：0.05%；Sn：0.02%；Ti：0.03%；雜質(zhì)含量：Fe：0.07%；Cu：0.001%；余量為Al。陽極采用熔鑄法制造，鑄造方法同實施例一，硅元素采用10%或20%的鋁硅合金為原料，鈦元素采用鋁鈦合金或硼化鈦為原料，鋅、銦和錫三種元素分別以相應(yīng)的金屬單質(zhì)為原料。實驗1取本發(fā)明制備的鋁合金陽極以及三種現(xiàn)有的鋁合金陽極分別進行電化學(xué)性能測試實驗；其中，本發(fā)明制備的鋁合金陽極為實施例一至實施例三的方法制備的六元鋁合金陽極（共計3組），三種現(xiàn)有的鋁合金陽極分別為DNVB401推薦Al-Zn-In三元合金（2組）、Al-Zn-In-Sn-Mg-Si六元合金（2組）和Al-Zn-In-Sn-Mg-Ti六元合金（2組），這四種鋁合金陽極的組成成分范圍如表1所示。按照GB/T17848-1999規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法對上述鋁陽極的電化學(xué)性能進行測試。9組鋁合金陽極在電阻率為70~80Ω·cm的淡海水中電化學(xué)性能測試結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，本發(fā)明的方法制備六元鋁合金陽極（D1、D2和D3），其在電阻率為70~80Ω·cm淡海水中工作電位均負(fù)于-1.05V，工作電位在-1.086~-1.060V之間；并且，在電阻率為70~80Ω·cm的淡海水中溶解均勻，產(chǎn)物容易脫落；而現(xiàn)有的鋁合金陽極，不論是三元鋁合金（A1和A2），還是六元鋁合金（B1和B2），或者是六元鋁合金（C1和C2），其在電阻率為70~80Ω·cm的淡海水介質(zhì)中，其工作電位均不能達到負(fù)于-1.05V，其最低工作電位僅為-1.002V，而且，其在電阻率為70~80Ω·cm的淡海水中表現(xiàn)為局部不溶解或溶解不均勻。表1不同鋁合金陽極組成成分范圍（質(zhì)量百分比）編號種類ZnInSnMgSiTiAAl-Zn-In4.0-6.00.015-0.040////BAl-Zn-In-Sn-Mg-Si1.0-3.00.015-0.0250.002-0.0151.5-4.00.05-0.70/CAl-Zn-In-Sn-Mg-Ti4.0-6.00.020-0.0300.05-0.100.5-1.0/0.05-0.10DAl-Zn-In-Sn-Si-Ti4.0-6.00.015-0.030≤0.02/0.05-0.40≤0.03表29組鋁合金陽極在電阻率為70~80Ω·cm的淡海水中電化學(xué)性能測試結(jié)果實驗2將實施例一至實施例三的方法制備的六元鋁合金陽極共計3組按照GB/T17848-1999規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法在覆蓋有海水的海泥中對其電化學(xué)性能進行測試，實驗檢測結(jié)果如表3所示。表3本發(fā)明鋁合金陽極在覆蓋有海水的海泥中的電化學(xué)性能由表3可以看出，本發(fā)明的方法制備六元鋁合金陽極（D1、D2和D3），其在覆蓋有海水的海泥中的工作電位均負(fù)于-0.95V，工作電位在-0.964~-0.959V之間，在覆蓋有海水的海泥中溶解均勻，產(chǎn)物容易脫落。因此，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的鋁合金陽極通過在鋁基體中添加鋅、銦、硅、錫、鈦等合金元素，抵消了鋁錠中雜質(zhì)元素的影響，提高了陽極在高電阻率鹽水和海泥中工作電位；不但在海水中有極好的性能，還可以用于性能要求更高的地方，包括海底泥、低鹽度的水，例如入海口和海灣，其電位隨電阻率增大而衰減得明顯比普通鋁陽極??；在電阻率為70~80Ω·cm的淡海水中，工作電位負(fù)于-1.05V，電容量高于2600A·h/Kg，在覆蓋有海水的海泥中，工作電位負(fù)于-0.95V，電容量高于2100A·h/Kg；特別適用于海底采油樹、管匯以及海底沉管式隧道外殼等結(jié)構(gòu)的陰極保護，同時，也有利于降低陽極制造成本，提高經(jīng)濟效益。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3