本發(fā)明屬于腐蝕與防護(hù)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(yáng)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(yáng)極陰極保護(hù)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(duì)于鋅陽(yáng)極，通常要求所使用的鋁合金陽(yáng)極材料具有電容量高、工作電位更負(fù)等特點(diǎn)，以此降低犧牲陽(yáng)極的用量。因此，使用高性能的鋁合金陽(yáng)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(yáng)極材料已經(jīng)在二元合金的基礎(chǔ)上開(kāi)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(gè)合金是鋁陽(yáng)極品種中開(kāi)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(kāi)發(fā)的GalvalumI型和II型鋁陽(yáng)極，其實(shí)際電容量很高，電流效率能達(dá)到95%；不過(guò)由于汞會(huì)污染環(huán)境，在熔煉時(shí)產(chǎn)生的汞蒸氣對(duì)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(yáng)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(shí)，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(jìn)一步改善陽(yáng)極性能，國(guó)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(guó)DOW化學(xué)公司1976年開(kāi)發(fā)的GalvalumⅢ是個(gè)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(guó)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(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，Al-Zn-In-Mg-Ti陽(yáng)極實(shí)際電容量超過(guò)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(cè)試結(jié)果。現(xiàn)有的六元合金犧牲陽(yáng)極，如中國(guó)專(zhuān)利CN102002715B公開(kāi)的Al-Zn-In-Mg-Si-Sn和中國(guó)專(zhuān)利CN104060280B公開(kāi)的Al-Zn-In-Sn-Mg-Ti，這種六元合金犧牲陽(yáng)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(wèn)題，工作電位通常只能介于-0.95V~-1.00V之間，驅(qū)動(dòng)電位低導(dǎo)致陰極保護(hù)電流分布效果下降，限制了這種合金陽(yáng)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(shí)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(yáng)極及其制備方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)中鋁合金犧牲陽(yáng)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(wèn)題。本發(fā)明的一種適用于高電阻率環(huán)境中的鋁合金陽(yáng)極，其主要是通過(guò)以下技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的：所述鋁合金陽(yáng)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(yáng)極通過(guò)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(yáng)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(yáng)極??；可廣泛應(yīng)用于各類(lèi)海泥和低鹽度水中固定金屬結(jié)構(gòu)，例如海底采油樹(shù)、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(yáng)極材料，提高上述結(jié)構(gòu)的防腐效果，具有顯著的社會(huì)效益。作為一種優(yōu)選的實(shí)施方案，所述鋁合金陽(yáng)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(duì)鋁合金陽(yáng)極的組成進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)一步提高鋁合金陽(yáng)極的性能。提高了對(duì)鐵雜質(zhì)的控制，鐵含量可以達(dá)0.07%；這不僅進(jìn)一步降低了鐵對(duì)鋁合金陽(yáng)極電化學(xué)性能的危害，大大提高了海底泥和深海中陽(yáng)極長(zhǎng)期穩(wěn)定的電化學(xué)性能；同時(shí)，鐵雜質(zhì)含量控制無(wú)需過(guò)低，也有利于降低陽(yáng)極制造成本，提高本發(fā)明陽(yáng)極的經(jīng)濟(jì)效益。作為一種優(yōu)選的實(shí)施方案，所述硅元素的來(lái)源為10%或20%的鋁硅合金，所述鈦元素的來(lái)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(lái)源多，價(jià)廉易得，同時(shí)其添加不會(huì)帶來(lái)額外的雜質(zhì)，使用方便。作為一種優(yōu)選的實(shí)施方案，所述鋁合金陽(yáng)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(duì)于銀/氯化銀參比電極的結(jié)果，簡(jiǎn)稱(chēng)SSE；本發(fā)明的鋁合金陽(yáng)極的電位隨電阻率增大而衰減的程度明顯比普通鋁陽(yáng)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(shí)施方案，所述鋁合金陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極有大幅提高。作為一種優(yōu)選的實(shí)施方案，所述鋁合金陽(yáng)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(yáng)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(shí)施方案，所述鋁合金陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極的制備方法，其主要是通過(guò)以下技術(shù)方案加以實(shí)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(chēng)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(yáng)極。由于鋁合金陽(yáng)極的工作電位隨著水的電阻率增大會(huì)變得正些，不足的驅(qū)動(dòng)電位將限制鋁合金陽(yáng)極在這些介質(zhì)中的實(shí)際應(yīng)用，例如在低鹽度水和海泥中。本發(fā)明以鋁為陽(yáng)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?zhàn)鳛榫Ц袷湛s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(jìn)陽(yáng)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(shí)Sn和In通過(guò)形成固溶體提高陽(yáng)極表面活性，提高陽(yáng)極溶解均勻性，從而提高陽(yáng)極的綜合性能。作為一種優(yōu)選的實(shí)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(yáng)極的制備方法，工藝簡(jiǎn)單，條件溫和，控制方便，易于實(shí)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(yáng)極通過(guò)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(yáng)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(yáng)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(shù)、管匯以及海底沉管式隧道外殼等結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)，同時(shí)，也有利于降低陽(yáng)極制造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明的具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)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(yáng)極，所述鋁合金陽(yáng)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(yáng)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(jìn)一步地，所述硅元素的來(lái)源為10%或20%的鋁硅合金，所述鈦元素的來(lái)源為鋁鈦合金或硼化鈦。具體地，所述鋁合金陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(chēng)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(yáng)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(shí)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(yáng)極。具體實(shí)施例配方比例如下：按照重量百分比計(jì)：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(hào)為D1。其中，陽(yáng)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(shí)施例二試樣標(biāo)號(hào)為D2，鋁合金陽(yáng)極的配方按照重量百分比計(jì)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(yáng)極采用熔鑄法制造，鑄造方法同實(shí)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(shí)施例三試樣標(biāo)號(hào)為D3，鋁合金陽(yáng)極的配方按照重量百分比計(jì)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(yáng)極采用熔鑄法制造，鑄造方法同實(shí)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(shí)驗(yàn)1取本發(fā)明制備的鋁合金陽(yáng)極以及三種現(xiàn)有的鋁合金陽(yáng)極分別進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)；其中，本發(fā)明制備的鋁合金陽(yáng)極為實(shí)施例一至實(shí)施例三的方法制備的六元鋁合金陽(yáng)極（共計(jì)3組），三種現(xiàn)有的鋁合金陽(yáng)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(yáng)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(yàn)方法對(duì)上述鋁陽(yáng)極的電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。9組鋁合金陽(yáng)極在電阻率為70~80Ω·cm的淡海水中電化學(xué)性能測(cè)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(yáng)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(yáng)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(dá)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(yáng)極組成成分范圍（質(zhì)量百分比）編號(hào)種類(lèi)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(yáng)極在電阻率為70~80Ω·cm的淡海水中電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果實(shí)驗(yàn)2將實(shí)施例一至實(shí)施例三的方法制備的六元鋁合金陽(yáng)極共計(jì)3組按照GB/T17848-1999規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法在覆蓋有海水的海泥中對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表3所示。表3本發(fā)明鋁合金陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極通過(guò)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(yáng)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(yáng)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(shù)、管匯以及海底沉管式隧道外殼等結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)，同時(shí)，也有利于降低陽(yáng)極制造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3