一种铝合金牺牲阳极的热处理方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铝合金牺牲阳极的热处理方式，属于阴极保护领域，该经过热处理的牺牲阳极材料可以应用于海洋环境中的钢铁结构(船舶、近海采油平台、桥梁等)或淡水环境中(电热水器或太阳能热水器金属内胆)。
【背景技术】
[0002]腐蚀破坏造成的巨大经济损失逐年增加，同时腐蚀还造成了很多灾难性的事故，消耗了宝贵的资源，因此，有关金属腐蚀与防护的问题受到广泛重视，成为材料学科一个重要的研究领域。防止金属腐蚀的方法很多，阴极保护是最重要的方法之一。
[0003]牺牲阳极阴极保护技术有其独特的优点:不需要任何外部电源、不会干扰临近设施、设备简单、施工方便、不需要经常维护等优点，目前在工程上广泛使用。
[0004]用于海水介质中钢构件保护的铝合金牺牲阳极主要有Al-Zn-Hg系、Al-Zn-1n系和Al-Zn-Sn系牺牲阳极。因为Hg有毒，Al-Zn-Hg系现已被淘汰。Al-Zn-1n系阳极是目前研究最多、应用最广泛的铝合金牺牲阳极，但由In价格昂贵，另外In存在污染海洋环境等问题。我国提出“十二五”要推进经济结构调整，构筑低能耗、低污染(绿色、低碳)为基础的经济发展模式，寻找高性能的无铟铝合金牺牲阳极已成为发展趋势。Al-Zn-Sn合金的电流效率约为60 %，具有较大的开发空间，但该阳极合金在工程上一直未得到广泛应用。主要是因为Al-Zn-Sn阳极合金在工作时电流效率低、腐蚀形貌较差和腐蚀产物粘附严重。
[0005]用于电热水器或太阳能热水器金属内胆保护的牺牲阳极材料有镁合金牺牲阳极和淡水用铝合金牺牲阳极。目前使用的镁合金存在一些问题。一是镁合金牺牲阳极在使用过程中会使水发黑发臭，并且会有颗粒脱落；二是镁合金在工作过程中会形成水垢的主要成分氢氧化镁，水垢的堆积会降低热水器的使用寿命；三是镁合金牺牲阳极的电流效率< 50%，实际容量< 1200mAh/g。四是镁合金会产生过保护，对金属内胆会产生氢脆危害。现有铝合金牺牲阳极，如GB/T4948-2002铝锌铟牺牲阳极主要用于海水介质中钢铁构件的腐蚀防护，在自来水中处于饨化状态，达不到牺牲阳极的基本要求，亦不能用于热水器之中。国内淡水用铝合金牺牲阳极电流效率、合金成分、使用寿命、制造成本和工作电位等方面有着不同程度的不足。比如，专利CN1260408A公开的技术内容中的牺牲阳极材料并不十分适合在热水器中使用，主要缺陷如下:一是电流效率较低，只有35?40%，实际电容量只有1000?1100mAh/g，使用寿命短，二是在自来水中的工作电位较正，不适于在高电阻率(水质较好)的自来水环境中工作，三是牺牲阳极中含有毒重金属铋；专利CN101586241A公开的铝系牺牲阳极主要问题是合金中锌含量为10?30wt%，锌含量太高，过多的锌会产生晶界偏析，经过长期使用，会产生第二相脱离，导致牺牲阳极的电流效率会进一步降低；专利CN102851670A公开的的铝合金牺牲阳极存在一些不足，一是合金成分中含有毒重金属铋，不利于人体健康和环境保护。二是成分中含有价格昂贵的硼，不利于降低成本。
【发明内容】
[0006]本发明的目的市提供了一种铝合金牺牲阳极的热处理方法，解决了 Al-Zn-Sn牺牲阳极在海水中使用时电流效率低腐、蚀形貌较差和腐蚀产物粘附严重问题，并且牺牲阳极中不含铟，降低成本和环境友好，解决了现阶段牺牲阳极在保护热水器金属内胆时电流效率低、使用有毒重金属、晶界偏析严重性能稳定性差和污染水质等问题。
[0007]本发明的技术方案为:一种铝合金牺牲阳极的热处理方法，其特征在于:铝合金牺牲阳极的热处理方式为水淬固溶处理。
[0008]优选上述的铝合金牺牲阳极材料的原料组分及各组分占原料总量的质量百分含量分别为:Zn 2%?11%、Sn 0.02%?0.35%、余量为Al。
[0009]优选上述热处理的保温温度为450°C?530°C，热处理的保温时间为2?24小时。
[0010]上述铝合金牺牲阳极的热处理方法的具体步骤为:
[0011]A、井式电阻炉进行熔炼:待铝和锌完全熔化后，扒渣并将铝箔包好的锡压入熔液底部，搅拌，静置脱气，进行浇注；得铝合金牺牲阳极材料样品；
[0012]B、热处理:待铝合金牺牲阳极材料样品冷却(一般室温)后，放入箱式电阻炉中，升温至保温温度后保温；拿出样品放入水中淬火。
[0013]上述步骤A的井式电阻炉进行熔炼为常规方法。
[0014]优选上述步骤A中铝合金牺牲阳极材料的原料组分及各组分占原料总量的质量百分含量分别为:Zn 2%?11%、Sn 0.02%?0.35%、余量为Al。
[0015]优选保温温度为450°C?530°C，保温时间为2?24小时。
[0016]有益效果:
[0017]1.提高了 Al-Zn-Sn牺牲阳极在海洋环境中的电化学性能，在海水中的开路电位1.12V?1.14V (VS.SCE)，工作电位1.05V?1.1OV (VS.SCE)，电流效率彡85%，实际电容量彡2500mAh/g，较Al-Zn-Sn牺牲阳极提高40%，解决了 Al-Zn-Sn牺牲阳极电流效率低的问题，腐蚀形貌均匀，腐蚀产物不粘附，性能达到国标要求。
[0018]2.本牺牲阳极不含铟，成本大大降低，环境友好，增加市场竞争力。不含有毒重金属铋，环保健康。
[0019]3.在淡水环境(电热水器或太阳能热水器金属内胆)中使用时，开路电位负于1.0V,实际电容量多1800mAh/g，并且不会出现水发黑、发臭和颗粒脱落等现象。
【具体实施方式】
[0020]实例I
[0021]—种铝合金牺牲阳极材料各元素成分重量比例为:锌2%，锡0.3%，其余为铝。
[0022]制备时使用井式电阻炉进行熔炼。待铝和锌完全熔化后，扒渣并将铝箔包好的锡迅速压入熔液底部，并用石墨棒不断搅拌，静置脱气，进行浇注。待样品冷却至室温后，将样品放入箱式电阻炉中，升温至450°C，保温2h。到时间后拿出样品立即放入水中淬火。
[0023]对热处理后的牺牲阳极材料按照GT/T4948-2002标准规定的方法进行测试，介质为模拟海水。该合金开路电位为1.138V(VS.SCE)，电流效率为85.9%，表面溶解均匀，腐蚀产物不粘附。
[0024]实例2
[0025]—种铝合金牺牲阳极材料各元素成分重量比例为:锌10%，锡0.02%，其余为铝。
[0026]制备时使用井式电阻炉进行熔炼。待铝和锌完全熔化后，扒渣并将铝箔包好的锡迅速压入熔液底部，并用石墨棒不断搅拌，静置脱气，进行浇注。待样品冷却至室温后，将样品放入箱式电阻炉中，升温至530°C，保温24h。到时间后拿出样品立即放入水中淬火。
[0027]对热处理后的牺牲阳极材料按照ASTM G97-97 (改)实验标准进行测试，将标准溶液更换为普通自来水。该合金开路电位为1.032V(VS.SCE)，电实际电容量为1863mAh/g，溶液未发黑发臭。
[0028]实例3
[0029]—种铝合金牺牲阳极材料各元素成分重量比例为:锌11%，锡0.35%，其余为铝。
[0030]制备时使用井式电阻炉进行熔炼。待铝和锌完全熔化后，扒渣并将铝箔包好的锡迅速压入熔液底部，并用石墨棒不断搅拌，静置脱气，进行浇注。待样品冷却至室温后，将样品放入箱式电阻炉中，升温至510°C，保温18h。到时间后拿出样品立即放入水中淬火。
[0031]对热处理后的牺牲阳极材料按照GT/T4948-2002标准规定的方法进行测试。介质为模拟海水。该合金开路电位为1.124V(VS.SCE)，电流效率为85.3%，表面溶解均匀，腐蚀产物不粘附。
[0032]实例4
[0033]—种铝合金牺牲阳极材料各元素成分重量比例为:锌3%，锡0.1%，其余为铝。
[0034]制备时使用井式电阻炉进行熔炼。待铝和锌完全熔化后，扒渣并将铝箔包好的锡迅速压入熔液底部，并用石墨棒不断搅拌，静置脱气，进行浇注。待样品冷却至室温后，将样品放入箱式电阻炉中，升温至500°C，保温12h。到时间后拿出样品立即放入水中淬火。
[0035]对热处理后的牺牲阳极材料按照ASTM G97-97 (改)实验标准进行测试，将标准溶液更换为普通自来水。该合金开路电位为1.026V(VS.SCE)，电实际电容量为1823mAh/g，溶液未发黑发臭。
[0036]实例5
[0037]—种铝合金牺牲阳极材料各元素成分重量比例为:锌5%，锡0.2%，其余为铝。
[0038]制备时使用井式电阻炉进行熔炼。待铝和锌完全熔化后，扒渣并将铝箔包好的锡迅速压入熔液底部，并用石墨棒不断搅拌，静置脱气，进行浇注。待样品冷却至室温后，将样品放入箱式电阻炉中，升温至480°C，保温4h。到时间后拿出样品立即放入水中淬火。
[0039]对热处理后的牺牲阳极材料按照GT/T4948-2002标准规定的方法进行测试。介质为模拟海水。该合金开路电位为1.125V(VS.SCE)，电流效率为87.3%，表面溶解均匀，腐蚀产物不粘附。
【主权项】
1.一种铝合金牺牲阳极的热处理方法，其特征在于:铝合金牺牲阳极的热处理方式为水淬固溶处理。2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于所述的铝合金牺牲阳极的原料组分及各组分占原料总量的质量百分含量分别为:Zn 2%?11%、Sn0.02%?0.35%、余量为AL.3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于热处理的温度为450°C?530°C，热处理的保温时间为2?24小时。4.一种铝合金牺牲阳极的热处理方法，其具体步骤为: A、井式电阻炉进行熔炼:待铝和锌完全熔化后，扒渣并将铝箔包好的锡压入熔液底部，搅拌，静置脱气，进行浇注；得铝合金牺牲阳极材料样品； B、热处理:待铝合金牺牲阳极材料样品冷却后，放入箱式电阻炉中，升温后保温；拿出样品放入水中淬火。5.根据权利要求4所述的热处理方法，其特征在于步骤A中铝合金牺牲阳极材料的原料组分及各组分占原料总量的质量百分含量分别为:Zn 2%?11%、Sn 0.02%?0.35%,余M为Al。6.根据权利要求4所述的热处理方法，其特征在于升温至450°C?530°C，保温2?24小时。
【专利摘要】本发明涉及一种铝合金牺牲阳极的热处理方式，其特征在于：热处理方式为水淬固溶处理；所述的铝合金牺牲阳极材料的原料组分及各组分占原料总量的质量百分含量分别为：Zn？2％～11％、Sn？0.02％～0.35％、余量为Al；热处理的保温温度为450℃～530℃，热处理的保温时间为2～24小时。本牺牲阳极不含铟，成本大大降低，环境友好，增加市场竞争力；在淡水环境中使用时，不会出现水发黑、发臭和颗粒脱落等现象；提高了Al-Zn-Sn牺牲阳极在海洋环境中的电化学性能，解决了Al-Zn-Sn牺牲阳极电流效率低的问题，腐蚀形貌均匀，腐蚀产物不粘附，性能达到国标要求。
【IPC分类】C22F1/053, C22C21/10
【公开号】CN105063443
【申请号】CN201510548843
【发明人】王亚东, 秦铁男, 赵相玉, 徐蔚, 马立群, 马化雄
【申请人】南京工业大学, 中交天津港湾工程研究院有限公司
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年8月31日