專利名稱：鋁鎂系犧牲陽極材料的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬腐蝕與防護領域，特別涉及一種保護海水環(huán)境下的鋼質結構免遭腐蝕而使用的鋁合金犧牲陽極材料。
背景技術：
目前廣泛用于鋼結構設施陰極保護的犧牲陽極材料有鋁陽極、鋅陽極和鎂陽極。對犧牲陽極材料性能和使用條件要求主要包含電位要負，但必須在合理的范圍，單位質量輸出電量大，電流效率高，溶解均勻性好，價格低廉，無毒無害。
鋁陽極與鋅陽極、鎂陽極相比有其自身的優(yōu)越性，但純鋁易鈍化，通常采用合金化的方法來限制或阻止在其表面上形成連續(xù)性的保護性的氧化膜，促使表面活化，使合金具有較負的電位和較高的電流效率。
已經開發(fā)并成功應用的鋁陽極以主要活化元素鋅為基礎，再添加其它合金元素來改善其性能，代表性的有Al-Zn-Hg系，Al-Zn-In系Al-Zn-Sn系合金，在實際應用中，這些陽極材料也存在一些不足之處。
Al-Zn-Hg系合金主要因含汞，毒性大，國內外已禁止使用這類陽極。Al-Zn-In系合金研究較多，在此基礎上再添加Cd、Sn、Bi、Si、Mg、Ga等元素組成多元合金。但鋁合金陽極仍存在溶解性較差、陽極極化嚴重、自腐蝕速度較大，電流效率較低等缺點。在我國國標(GB/T4948-2002)中，一種使用廣泛且效果較好的鋁陽極Al-Zn-In-Cd合金，原為國外研制開發(fā)，國內仿制使用。其中合金元素Cd對促進陽極均勻溶解很有效，但Cd也是有毒元素，鎘及含鎘材料目前已被國內外列為污染環(huán)境的危險品，人們又不斷探尋新的替代元素。據有關醫(yī)學資料顯示，鎘感染會引起多種疾病甚至導致多種器管損壞。國內也報導過某電池廠因保護措施不力導致50多名工人受到鎘感染，被法庭判定賠償。目前研究工作者主要以Al-Zn-In系為基礎，再添加其它元素來改善其性能。一種發(fā)明專利Al-Sn-Bi系陽極材料，只適用于淡水中使用。一種氯化鈉含量為1％的淡鹽水中使用的陽極材料，添加有Ga、Sn、Bi、Pb元素，其中Ga也是有毒元素。這些合金電流效率低，不適宜在海水中做為犧牲陽極材料使用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種適用于海水環(huán)境中使用的鋼質結構免遭腐蝕的鋁合金犧牲陽極材料，該材料效率高、無毒害且經濟。
為解決上述技術問題，本發(fā)明是這樣實現的該材料組份及含量(重量％)包括Mg 20～30％，雜質少于0.15％，其余為Al。
本發(fā)明還可以有以下組成其組份及含量(重量％)為Mg 23～28％，In 0.02-0.06％，Sn0.02-0.1％，雜質少于0.15％，其余為Al。
本發(fā)明鋁鎂系犧牲陽極材料的成分設計思路是這樣的。首先是主添加元素鎂，其含量為20～30％。鎂也是陽極材料，電位很負，對鐵的驅動電壓很大，但電流效率很低。以前在鋁中添加鎂元素以使鋁活化的研究結論是鎂含量加大不能使鋁陽極活化，并且在鋁陽極中控制鎂元素最大含量為2～5％(實際使用中不超過1.5％，通常在多元合金中用作輔助元素)。認為鎂含量較大時會沿晶界析出金屬間化合物Mg2Al3(有文獻為Mg5Al8)，在電解質溶液中，Mg2Al3相相對基體α(Al)是陽極相，在晶間形成連續(xù)通道，從而產生晶間腐蝕，電流效率下降，本發(fā)明在純鋁中加入20～30％的鎂，使合金組織呈現以金屬間化合物Mg2Al3為主體，與以前理論反其道而行之，使Mg2Al3相變有害為有利。在試驗條件下，隨著鎂含量從1％增加到30％，鋁的電位可由-0.76V降至-1.19V，活化效果好。金屬間化合物由于微觀結構上的特點，作為功能材料具有穩(wěn)定的性能。新型合金使一個易鈍化的金屬鋁和另一個活性過大的金屬鎂相結合，制備了一種性能理想的具有鋁鎂間金屬化合物結構特征的犧牲陽極材料。
在Al-Mg合金中，組織組成物為α(Al)+Mg2Al3，Mg2Al3相電位較負(標準電位為-1.22V)，而α(Al)為陰極相，兩者之間的電位差會引起微電偶自腐蝕。鎂含量較低時，電位尚不夠負。鎂含量較高時，開路電位達到了要求，而工作電位降為-0.90V左右。為此再加入活化元素，以提高綜合性能。一方面降低極化率，另一方面使鋁基體活化，達到合金組織內部各部分間電位相近，降低自腐蝕，實現均勻溶解。
加入合金元素In，通過“溶解—再沉淀”機理，使合金表面保持活化狀態(tài)，不斷溶解，可使鋁表面腐蝕趨于均勻，還能部分抑制鐵的有害影響，Al-Mg合金中加入In時，電位負移后很穩(wěn)定。
合金元素Sn以氧化錫方式進入鋁表面氧化膜，破壞其鈍性，使鋁的電位負移。
In和Sn單獨加入Al-Mg二元合金中時，都表現了良好的匹配作用，使鋁電位負移，但In的效果優(yōu)于Sn。兩者同時加入時，如在Al-Mg-In中再加入Sn，僅使電位略負(負移-0.02V左右)，但合金電位達到期望值過渡時間較短。
多元合金中鎂含量最好控制在23～28％，含量低電位不夠負，含量大合金顯脆性，In和Sn是為了改善鋁鎂基性能加入的，隨鎂含量增加而遞減。
當鎂含量較高時，可加入0.01～0.5％銻，能有效降低高鎂鋁合金的脆性，另外，銻作為滅火劑的添加元素，在合金中兼有防止鋼件撞擊產生火花的作用。但銻也是中等毒性元素，可根據環(huán)境需要使用。
本發(fā)明鋁鎂系犧牲陽極材料的化學成分設計，在保證了電化學性能外，還考慮到所有添加元素無毒無害，生產不用特殊保護，使用中不污染環(huán)境，在經濟上也合理。鎂與鋁的價格相當，我國是原鎂生產和出口大國，使用鎂擴大了使用范圍也提高了經濟效益，單獨使用鎂電流效率低，組成合金后，提高了效率。
本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明鋁鎂系犧牲陽極材料與國標中典型的Al-Zn-In-Cd合金比較，概括起來有以下優(yōu)點。
1.設計和制備了一種以鎂元素為主體活化元素的新型鋁合金犧牲陽極材料品種，活化性能好，達到保護電位的合理范圍。
2.新型鋁合金陽極材料的組織組成物以金屬間化合物為主體，電化學性能穩(wěn)定，利用金屬間化合物的特有性能，使合金中Mg2Al3相由有害變?yōu)橛欣?br> 3.與典型的鋁陽極材料Al-Zn-In-Cd比較，電流效率高，特別是合金化后，使鎂的電流效率提高。
4.所有合金元素無毒無害，生產中不用特殊保護，使用中不污染環(huán)境。
5.新型合金在經濟上合理，主添加元素鎂資源豐富，擴展了鎂的用途，其價格與鋁相近。微量元素In、Sn未超過常用合金中的使用量，且Sn在我國也是盛產金屬。
6.新型陽極材料溶解均勻，腐蝕產物易脫落，還可以依據使用環(huán)境的不同，適當調節(jié)合金成份，不用再加入新的合金元素。
具體實施例方式
實施例按照本發(fā)明新型鋁合金陽極材料的成分范圍，采用GB/T4948-2002中規(guī)定的犧牲陽極電化學性能試驗方法，介質為人造海水進行試驗，選擇其中3組與國標中的陽極材料進行性能對比試驗，表1為新合金化學成分，表2為各組合金電化學性能檢測結果。測試過程中不同合金電位都有不同的變化，表中電位為在介質中3小時后的穩(wěn)定電位。序號1、2、3表示不同化學成分的新型鋁合金陽極材料，序號4為制備的國標中的Al-3％Zn-0.02％In-0.02％Cd犧牲陽極。
表1 不同組分的新型鋁合金化學成分(重量％) 表2 不同成分陽極材料性能(介質為人造海水) 本發(fā)明新型鋁合金材料的制造方法是將鋁熔化后，加覆蓋劑，再將合金元素Mg、In、Sn加入鋁液中。攪拌均勻，精煉出渣后直接鑄塊或壓鑄成形。
權利要求
1.一種海水環(huán)境用鋁鎂系犧牲陽極材料，其特征是該材料組份及含量(重量％)包括Mg 20～30％，雜質少于0.15％，其余為Al。
2.根據權利要求1所述的鋁鎂系犧牲陽極材料，其特征是其組份及含量為(重量％)Mg 23～28％，In 0.02-0.06％，Sn 0.02-0.1％，雜質少于0.15％，其余為Al。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋁鎂系犧牲陽極材料，該材料組份及含量(重量％)包括Mg 20～30％，雜質少于0.15％，其余為Al。該材料組份還可以有以下組成(重量％)Mg 23～28％，In 0.02－0.06％，Sn0.02－0.1％，雜質少于0.15％，其余為Al。本發(fā)明的適用于海水環(huán)境中使用的鋼質結構免遭腐蝕的鋁合金犧牲陽極材料，該材料效率高、無毒害且經濟。
文檔編號C23F13/16GK1827859SQ20061004196
公開日2006年9月6日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權日2006年3月22日
發(fā)明者劉長瑞, 王慶娟, 杜忠澤, 王伯健, 唐長斌, 韓莉 申請人:西安建筑科技大學