一种Al-Zn-In-Er牺牲阳极及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于腐蚀与防护技术领域，具体涉及一种Al-Zn-In-Er牺牲阳极及其制备 方法。
【背景技术】
[0002] 金属腐蚀是金属设备和构件失效的主要形式之一，带来了巨大的经济损失，造成 了一些灾难性的事故，消耗了宝贵的资源。牺牲阳极阴极保护是一种重要的电化学防腐方 法，它是将被保护的金属与电位更负的活泼金属相连，组成电偶电池，依靠牺牲阳极不断溶 解所产生的阴极电流来实现阴极保护。牺牲阳极阴极保护因具有不需要外部电流、施工安 装简单、造价便宜、尤其在低电阻环境中运行良好等优点，得到了广泛应用。牺牲阳极材料 必须满足具有足够负且稳定的开路和闭路电位、理论电容量大、电流效率高、表面溶解均 匀、无毒害，具有一定的力学性能等条件。
[0003] 工程中常用的牺牲阳极材料主要有镁、锌、铝三大类。铝合金阳极与镁、锌基阳极 相比，具有下列优点：比重小、电化当量为2890A · h · kg<，为锌的3.6倍，镁的1.35倍；电极 电位负，对钢铁驱动电位适中；工作时无毒，无有害气体，不污染环境，使用寿命长。从节约 能源、安全和环保等方面考虑，铝基合金是理想的阳极材料;在自然资源方面，铝的矿藏量 较其他金属都丰富，全世界年产量也相当高，为生产提供了广泛的材料来源。因此，铝基阳 极自20世纪60年代开发成功后，得到了广泛应用。
[0004] 自然状况下，纯铝表面极易生成致密的钝化膜，使铝的电位正移，不能够连续溶 解。研究表明，铝中添加某些合金元素，如锌、镁、铟、锡等可以部分取代铝晶格上的铝原子， 使这些部位成为铝氧化膜的缺陷，以限制或阻止铝表面形成连续致密的氧化膜，从而促进 表面活性溶解。目前使用最广泛的铝合金牺牲阳极材料有Al-Zn-Hg系、Al-Zn-Sn系、Al-Zn-In系。Al-Zn-Hg系阳极虽然性能较好，但合金元素 Hg对人体和环境都有不利影响，使其使用 受到限制;Al-Zn-Sn系阳极电流效率约70%，需进行热处理之后才能达到理想效果;Al-Zn-In系合金由于无毒无害，电流效率高，成为当今使用最广泛的牺牲阳极材料。
[0005] 目前，国内外大多数研究都是以Al-Zn-In系合金为基础，从改变成分含量、添加合 金元素和改变热处理工艺等方面来提高阳极性能。中国专利申请号200710189863.8公布了 一种添加镁、钛的铝锌铟系阳极，中国专利申请号200910308983.4公布了一种含镓元素的 铝锌锡系阳极及其制备方法，中国专利申请号201010516697.X公布了含镁、硅、锡的铝锌铟 系阳极。上述研究都主要以提高材料的电流效率、实际电容量或是改善合金的溶解形貌为 目的，而忽略了阳极力学性能对阳极安装、使用过程的影响，尤其是复杂环境下异型阳极的 装备过程中，对阳极力学性能有更高的要求。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种通过微合金的方法来改善阳极组织，提高阳 极电化学和力学性能，改善溶解均匀性的Al-Zn-In-Er牺牲阳极。
[0007] 本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：
[0008] -种Al-Zn-In-Er牺牲阳极，由以下质量百分比的组分组成：锌3.5-5.5wt %，铟 0.01-0.05wt%，铒0.05-2wt%，杂质总量 < 0· 15wt%，余量为铝。
[0009] 所述杂质中的铁含量占阳极总量< 0. lwt%。
[0010] 铒的质量百分比为0.1-lwt%。
[0011] 所述锌、铟、铒、错分别以中间合金的形式加入，中间合金分别为含l〇wt%Zn的A1-Zn合金、含0. lwt%In的Al-In合金、含4wt%Er的Al_Er合金。
[0012] -种Al-Zn-In-Er牺牲阳极的制备方法，采用在常压、动态氩气保护下的高频感应 熔炼，按各组分质量百分比分别计算和量取Al-Zn合金、Al-In合金、Al-Er合金和纯铝放入 高频感应熔炼炉中，加热到700_760°C后保温10_15min，用铸钢模具浇注，浇注温度为720 °C，饶注前铸钢模具300°C预热20min;冷却后取出，即所述Al-Zn-In-Er牺牲阳极。
[0013] 本发明通过加入合金元素铒来提高阳极性能，铒在铝中的平衡固溶度很低，几乎 不溶，合金在凝固结晶过程中，铒在固液界面前沿大量富集，使得界面附近铒含量升高，合 金达到共晶成分时，形成α-Al和Al 3Er的共晶组织，阻碍了枝晶的正常生长，使枝晶细化;在 共晶反应时，界面前沿由于铒富集加剧，超过共晶成分，直接从熔体中形成高熔点的Al 3Er 颗粒相。这类直接从熔体中生产的Al3Er相满足充当非均质形核核心的作用，能够促进合金 形核，细化合金晶粒。通过对晶粒的细化和组织形态的改变，可以改善合金的溶解形貌，一 定程度上提高电流效率。而且，晶粒细化后产生细晶强化作用，合金的力学性能得到提高。 合金元素的加入量必须控制在一定范围内，若加入量过少，作用不明显，若加入量过大，第 二相数量增加，对合金的电流效率和溶解形貌都会产生不良影响。进行不同配比的合金试 验，其中铒的优选范围在〇. Ι-lwt%。
[0014] 对本发明阳极按照GT/T4948-2002标准规定的电化学性能测试方法测量电流效 率，用硬度试验机测量维氏硬度。阳极工作电位为-1.1~-1.05V，电流效率2 85%，腐蚀产 物易脱落，表面溶解均匀，其维氏硬度2 32HV。本发明与现有技术相比，主要有以下优点： (1)阳极活化性能好，电位合理，其工作电位2 -1.05V，钢的保护电位为-0.85V，并且有足够 的驱动电位；（2)电流效率和溶解形貌得到改善，电流效率2 85%，腐蚀产物易脱落；（3)阳 极晶粒得到细化，组织得到改善，α-Al枝晶平均尺寸< 25μπι，维氏硬度2 32HV，阳极的力学 性能得到较大提高，能够满足特殊环境下异型阳极的安装和服役条件。
【具体实施方式】
[0015] 实施例1
[0016] -种Al-Zn-In-Er牺牲阳极，由以下质量百分比的组分组成：Zn4.5wt %、In 0.02wt%、Er0.2wt%、杂质含量< 0· 15wt%、其余为错。杂质中铁< 0· lwt%。
[0017] 锌、铟、铒、错分别以中间合金的形式加入，中间合金分别为含l〇wt