不同镁含量铝基牺牲阳极材料的组织与性能研究
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牲阳极材料的比较和分析1.1牺牲阳极牺牲阳极保护法是指在腐蚀介质中,当牺牲阳极与被保护金属形成电性连接后,作为牺牲阳极金属靠自身溶解释放出的电流使被保护的金属构件——阴极极化到保护电位而实现金属防蚀方法。
采用牺牲阳极进行阴极保护时,其效果与阳极材料自身的性能有着直接关系。
牺牲阳极材料应具备以下性能:①具有足够负的电位;②工作中阳极极化率小,溶解均匀,产物可自动脱落;③具有较高的电流效率;④电化学当量高;⑤腐蚀产物无毒,不污染环境;⑥价格便宜,来源方便,易于加工。
目前工程上常用的牺牲阳极材料有镁基合金、锌基合金和铝基合金3种。
因材料的成分和电化学性能不同,应用环境也有所不同。
2.1.1镁基牺牲阳极由于镁具有较高的化学活性,且电极电位较负(标准电极电位为一2.37V),在水中镁表面微观腐蚀电位驱动力大,保护膜易溶解。
因此,适于用做高电阻率的淡水、低盐度水以及电阻率为20~100Q·m的土壤的阴极保护材料。
另外,由于镁的腐蚀产物无毒,还可用于生活水设施的阴极保护。
纯镁阳极由于电流效率低(仅为30%),使用寿命短,目前已很少使用。
通常在镁中加入适量A1,zn和Mn等元素,可使镁基阳极的电化学性能得到改善。
如镁基合金牺牲阳极的电流效可达55%左右,但远低于锌基和铝基合金。
国外开发出Mg—Mn系合金阳极,其电流效率达到62.36%。
2.1.2锌基牺牲阳极锌的密度大,理论发生电量小,标准电极电位为一0.762V,在腐蚀性介质中,对铁的驱动电位较低(约为0。
2V)。
但是电流效率较高,一般为95%。
锌基阳极在高温下易极化,通常用于常温下的海水和电阻率较低的土壤中。
由于锌基合金阳极在使用中不发生析氢反应,碰撞到钢构件时不会诱发火花,故是唯一可用做油罐、油舱保护的牺牲阳极材料。
锌基阳极主要有2种:①高纯金属锌,要求严格控制杂质含量,锌含量要大于99.995%,铁含量<0.0041%;②低合金化的锌基合金,但是合金元素和杂质的含量仍须严格控制。
:玺鎏墨:銮主:兰竺::竺兰兰图3-17-,(3-25(2真空中频婷应熔炼炉3.2试样制备过程3.2.1模具设计及制造模具的装配图和实物图如图3-2所示。
a)模具装配图”模具实物图图3-2模具装配图和实物图Fi93-2Theschematicdesignandsubstancepictmeof'mould缱ning.2.-哈尔滨理T大学T学硕I二学位论文镁层铝层钢芯图3.33号复合阳极试样结构图Fig.3-3ThesmE-Ua'aldrawin8ofN03compositeanodesample3.3铸造质量分析3.3.1试样的表面质量用数码相机拍摄了6组浇铸试样的实物图,本文选取了2号、4号和6号3组浇铸试样进行分析,其试样实物图分别如图3.4中的a)、b)和c)所示。
a)2号铸造试样(铝层8mm)b)4号铸造试样(铝层6mm)c)6号铸造试样(镁合金试样)图3_42号,4号和6号铸造试样Fig.3..4No.2、No.4锄dNo.6castingsamples哈尔演理工大学T学硕士学位论文观察图3.4中a)可以发现,2号铸造试样表面有较大面积的坑槽,而且产生了冷隔,在试样端部还有一些较深的孔洞,所以,总体来说,2号铸造试样的表面质量较差.造成2号试样铸造缺陷的主要原因是铝层厚度大(Smm),在浇铸镁层时,模具型腔变小,导致熔体在型腔内流动性能差,不能充分填满型腔,因而产生冷隔及缩松等铸造缺陷。
观察图3-4中”可以发现.4号铸造试样没有出现冷隔,但是在表面有一个较长较深的裂缝,还有一些孔洞。
相较2号试样而言,4号铸造试样的表面质量有所提高。
这是因为4号试样的铝层厚度只有6mm,相对而言,在浇铸镁层时,便拥有了比较大的型腔尺寸,熔体流动性增强,铸造缺陷减少,表面质量有所提高。
观察图3.4中c)可以发现.6号铸造试样表面比较均匀,没有出现冷隔和坑槽,只有一些细小的孔隙,因此铸造质量最好。
这是因为6号试样是镁合金试样,没有铝芯,因而模具型腔最大,熔体流动性最好,充型能力最强,凝固最均匀。
铝合金阳极牺牲阳极工程上常用镁基、锌基和铝基合金阳极等作为牺牲阳极材料。
其中,镁阳极适用于各种土壤环境,具有密度小、电位负、极化率低、单位质量发生的电量大等特点,堪称牺牲阳极的理想材料。
其缺点是电流效率低,~般只有50%左右;锌阳极适用于土壤电阻率较低且比较潮湿的土壤环境,具有电流效率高、自腐蚀小、使用寿命长和自动调节的特点,同其他钢制构筑物碰撞时,不会诱发火花,也不会“过保护”;至于对铝阳极,国内外具有不同的观点。
铝具有足够负的电位,在溶解时表面生成的保护性氧化膜引起钝化,导致电位升高,故未合金化的铝不适合作为牺牲阳极材料使用。
铝合金阳极具有单位质量发生的有效电量大、密度小、施工搬运方便、来源广泛、价格低廉等特点。
不足之处在于,阳极的腐蚀产物在土壤中无法疏散,使阳极钝化而失效。
因而,铝合金阳极主要适合用于海洋环境中金属构筑物的阴极保护。
高电阻率土壤环境下可使用带状镁阳极。
带状牺牲阳极主要用于高电阻率的土壤、淡水中及套管内等空间狭窄局部场合。
这类牺牲阳极的截面有方型和菱形等形状,中间为铁芯,长度可达数百米。
我国在上世纪90年代基本解决了常规铸造阳极的生产技术。
此外,高性能连续带状阳极和大型铸造阳极的应用和制造技术发展得也很快。
例如,北京有色金属研究总院研制的达上千米长的各种型号的锌阳极带和镁阳极带,已经投入了一定规模的生产。
一种利用采用挤压技术开发的带状镁基牺牲阳极产品,也已经投人市场。
镁带阳性因其特殊的形状和性能在阴极保护工程中有着多方面独特的应用:长输管道、穿越管段、大型贮罐的罐底、防雷接地网以及复合阳极中的短期阳极等川。
河南汇龙合金材料有限公司刘珍。
船用牺牲阳极材料研究进展发布时间:2022-03-17T06:40:29.555Z 来源:《科学与技术》2021年30期作者:王烨煊张凯[导读] 本文简述了牺牲阳极的保护原理王烨煊张凯海装沈阳局驻葫芦岛地区军事代表室摘要:本文简述了牺牲阳极的保护原理,针对铝、镁、锌不同金属基体牺牲阳极的优缺点进行了说明,阐述了目前针对不同金属基体牺牲阳极所做的试验研究。
并展望了目前牺牲阳极的发展趋势,目前牺牲阳极主要朝着拓宽使用条件、延长使用寿命、降低生产成本的方向发展,后续可通过电极改性、优化成形工艺、探索新材料等方式,提高牺牲阳极的性能。
关键词:牺牲阳极;电化学性能;合金中图分类号:TJ04 文献标识码:A 1 前言材料腐蚀对经济造成巨大损失,由腐蚀造成的损失约占国民生产总值的5%。
随着船舶行业蓬勃发展,金属材料在海洋环境下的腐蚀与防护是亟待解决的问题之一。
船体结构复杂,且长期处在海水环境下,海水浸泡冲击造成油漆脱落,失去保护效果,导致腐蚀。
牺牲阳极的阴极保护方法由于简单易行、成本低、防护效果好等优势,广泛应用于钢铸码头、船舶结构及海上采油平台等工程中。
牺牲阳极保护法主要是通过将被保护金属连接一个电位更负的金属作为阳极,与被保护金属在电解质溶液中形成宏观腐蚀电池,形成阴极极化,从而防止金属腐蚀[1]。
用作牺牲阳极材料的金属或合金,需要具备足够负且稳定的电位、阳极极化小、溶解均匀且腐蚀产物易脱落、电流效率高以及腐蚀产物无毒害等特点。
目前工程上常用的牺牲阳极材料主要有镁合金、锌合金和铝合金。
2 牺牲阳极的发展现状2.1 镁基牺牲阳极金属镁具有密度小、理论电容量大、电化学活性高、极化率低等特点,适用于土壤和淡水等高电阻率环境下结构防腐。
罗双等人[2]向AZ31和AZ63镁合金中加入稀土元素Nd,研究了合金元素Nd对上述两种镁合金牺牲阳极的耐腐蚀与电化学性能的影响,结果表明,合金元素Nd的加入能使AZ31和AZ63镁合金晶粒细化,自腐蚀速率降低,电流效率提高。
收稿日期:2010 03 30; 修订日期:2010 06 07基金项目:陕西理工学院校级项目,项目编号:SLGQD0745作者简介:侯军才(1980 ),河南漯河人,讲师.主要从事高性能电位镁阳极的制备工艺方面的研究.Email:teddy0719@今日铸造 综述 Today s Foundry Statem ent镁基牺牲阳极研究进展张秋美1,侯军才1,梁国军2(1.陕西理工学院材料科学与工程学院,陕西汉中723003;2.鹤壁市永丰金属制品厂,河南鹤壁458000)摘要:综述国内外镁基牺牲阳极的最新研究进展及应用,重点介绍了纯镁高电位镁阳极、M g M n 高电位镁阳极、分别添加Ca 、Sr 、Zn 元素新型高电位镁阳极、低电位镁牺牲阳极电化学性能和组织特点,分析了合金元素、杂质元素、熔铸工艺对镁基牺牲阳极电化学性能和组织的影响,指出镁阳极存在的问题和发展方向。
关键词:镁牺牲阳极;电流效率;开路电位;合金元素中图分类号:TG174.1;TG171 文献标识码:A 文章编号:1000 8365(2010)07 0938 04Current Status of Magnesium based Sacrificial AnodesZHANG Qiu mei 1,HOU Jun cai 1,LIANG Guo jun2(1.School of Material Science and Engineering,Shaanxi University of Science and Technology,Hanzhong 723003,C hina;2.Hebi Yongfeng Metal Product C o.,Ltd,Hebi 458000,China)Abstract:Th e cu rrent status of the stu dy and the application on the magnesium based sacrificial an odes and the ch aracteristics on the ch em ical com position ,the microstru cture an d the electrochemical properties of magnesium an odes were reviewed.Th e effects of Mn con tents on the electrochemical properties of the Mg Mn anodes and Ca 、Sr contents on the microstru ctu re and the electrochemical perform ance of th e Mg (Mn) X an odes and the effects of melting and casting process and extrusion process on the electrochemical perform ance of th e magnesium an d the working principle of th e low poten tial resistance magnesium anode were discu ssed.The existing problem s an d develop trends were pu t forward.Key words:Magnesium sacrificial anodes;Efficiency;Open potential;Alloy elem en ts采用牺牲阳极进行金属结构的腐蚀防护,具有不需要外加电源、不会干扰邻近金属设施、电流分散能力强、易于管理和维护等优点,在防腐工程中应用非常广泛[1,2]。
国家标准《镁合金牺牲阳极》编制说明一、工作简况1.任务背景随着我国镁产业的发展,镁牺牲阳极作为阴极保护用材料逐渐占领了世界80%的市场,我国的《镁合金牺牲阳极》标准也得到了完善,近几年,随着国内外热水器市场的扩大,并且镁阳极在热水器内胆及电热管的阴极保护中,有电流密度分布均匀、软化水质、除垢作用以及镁元素是人体所必需的,对人体无毒副作用等优点,因而被大量使用。
我国的《镁合金牺牲阳极》标准中编写了热水器、储罐等用挤压镁阳极,对铸造镁阳极部分没详细编写,为了进一步完善标准,规范产品质量,我们在标准中增添热水器、埚炉、储罐等用铸造镁阳极部分,使生产商和用户有据可依。
2.任务来源根据全国有色金属标准化技术委员会轻金属分技术委员会在青岛组织召开的任务落实会,以及(有色标委[2013]11 号)的文件精神,淄博宏泰防腐有限公司、×××××等单位负责GB/T 17731-2009《镁合金牺牲阳极》的修订工作,标准性质为推荐性国家标准。
项目起止时间为2013年~2015年,技术归口单位为全国有色金属标准化技术委员会。
3. 起草单位情况、主要工作过程、标准主要起草人及所做的工作3.1 起草单位情况淄博宏泰防腐有限公司创建于2004年,注册资金1200万元,是省高新技术企业,设有首批院士工作站,山东省大直径变形镁合金工程技术研究中心。
是中国科学院海洋研究所青岛市海洋环境腐蚀与防护重点实验室研发基地。
现有员工200人,各类专业技术人员59人,其中院士1名,享有国务院特种津贴的防腐蚀专家3名。
公司技术力量雄厚,设备精良,生产工艺先进,检测技术先进,检测手段完善。
公司通过了质量管理体系和环境管理体系认证,连年获得“科技进步工作先进集体”,“出口创汇先进企业”等荣誉称号,银行资信等级为AAA。
近三年承担国家973支撑计划子课题项目1项,国家计划项目2项,省级计划项目3项,市级攻关计划4项,省级科技成果鉴定1项,技术合作转化项目5项,申请专利24项。
z»Vol.54No.2Feb.2021Mg含量对Al-Zn-In-Mg-Ti-Ga-Mn牺牲阳极性能的影响宋卿源",张海兵",马力V,孙明先%(1.中国船舶重工集团公司第七二五研究所,河南洛阳471023;2.海洋腐蚀与防护重点实验室,山东青岛266101)[摘要]为提高A1牺牲阳极的综合性能,采用电化学性能评价试验、电化学阻抗测试、极化测试、金相分析和微区电位分布分析等方法研究了Mg元素含量对Al-Zn-In-Mg-Ti-Ga-Mn牺牲阳极性能的影响,确定了铝基牺牲阳极中Mg元素的合理含量。
结果表明:随着Mg含量的增加,牺牲阳极实际电容量有所提升,Mg元素含量变化主要通过影响牺牲阳极晶粒尺寸、内析出物数量和分布来影响牺牲阳极的各项性能,当Mg含量为0.8%时,Al-Zn-In-Mg-Ti-Ga-Mn牺牲阳极性能较优。
[关键词]铝合金;牺牲阳极;Mg含量;海洋环境;性能[中图分类号]TG146.2 [文献标识码]A[文章编号]1001-1560(2021)02-0070-06Effect of Mg Content on the Properties of Al-Zn-In-Mg-Ti-Ga-Mn Sacrificial AnodeSONG Qing-yuan1'2,ZHANG Hai-bing1'2,MA Li1'2,SUN Ming-xian1'2(1.Luoyang Ship Material Research Institute,Luoyang471023,China;2.Science and Technology on Marine Corrosion and Protection Laboratory,Qingdao266101,China)Abstract:For improving the comprehensive performance of Al sacrificial anode,the electrochemical properties evaluation test,electrochemical impedance test,polarization test,metallographic analysis and micro・area potential distribution analysis were used to study the influence of content of Mg element on Al-Zn・In-Mg-Ti-Ga・Mn sacrificial anode,and the suitable content of Mg element in Al sacrificial anode was confirmed,esults showed that with the increase of Mg content,the actual capacity of the sacrificial anode was improved.The change of Mg content mainly affected the performance of the sacrificial anode by affects the grain size of the sacrificial anode and the amount/distribution of interior precipitates.When the Mg content was0.8%,the Al-Zn-In-Mg-Ti・Ga-Mn sacrificial anode had better performance.Key words:aluminum alloy;sacrificial anode;Mg content;marine environment;performance0前言牺牲阳极阴极保护法是目前海洋环境金属腐蚀防护的常用方法,它具有安装简便、无需维护等优点,通过调节牺牲阳极的元素配比,可获得不同性能的牺牲阳极材料,从而为不同环境下的不同对象提供稳定可靠的保护。
铝合金牺牲阳极介绍及优缺点铝合金牺牲阳极是一种有效的防腐技术,广泛应用于各种金属设施的防腐蚀保护。
它利用了不同金属在电化学中的差异,使铝合金作为阳极受到腐蚀,从而保护了其他金属不受腐蚀。
铝合金牺牲阳极具有许多优点,使得它在许多领域得到广泛应用。
以下是铝合金牺牲阳极的主要优点:1. 高电化学性能:铝合金牺牲阳极具有优良的电化学性能,可在较为苛刻的条件下稳定工作。
它的电极电位较负,电流效率高,可以提供持续而稳定的电流输出。
2. 良好的热稳定性:铝合金牺牲阳极在高温环境下仍能保持稳定的性能,适用于需要较高温度的工作环境。
3. 良好的耐腐蚀性:铝合金牺牲阳极具有较好的耐腐蚀性,可以在各种腐蚀介质中稳定工作,有效保护与之相连的金属结构免受腐蚀。
4. 易于安装和维护:铝合金牺牲阳极重量轻、体积小,安装简便,同时维护成本较低,可以有效地降低整个系统的维护成本。
5. 长寿命:铝合金牺牲阳极的使用寿命较长,可以有效降低更换频率和成本。
6. 环境友好:铝合金牺牲阳极在生产和使用过程中对环境的影响较小,是一种环保型的金属材料。
7. 广泛的适用范围:铝合金牺牲阳极可以应用于石油、化工、电力、船舶、海洋工程、环保等领域,具有广泛的应用前景。
铝合金牺牲阳极的制造方法通常包括铸造成型、挤压成型和锻造成型等。
其中,铸造成型的生产效率高,但产品性能相对较差;挤压成型的制品具有较高的抗拉强度和屈服强度,但生产效率较低;锻造成型的制品具有较好的综合性能,但生产成本较高。
根据不同的使用场合和要求,可以选择不同的制造方法来生产铝合金牺牲阳极。
然而,铝合金牺牲阳极也存在一些缺点。
例如,在某些高腐蚀介质中,铝合金牺牲阳极的腐蚀速率较快,需要定期更换和维护。
此外,铝合金牺牲阳极的使用寿命受到多种因素的影响,如介质浓度、温度、流速等。
为了提高其使用寿命,需要在使用过程中进行定期检测和维护。
总之,铝合金牺牲阳极是一种有效的防腐技术,具有广泛的应用前景。
牺牲阳极材料的比较和分析1.1 牺牲阳极牺牲阳极保护法是指在腐蚀介质中,当牺牲阳极与被保护金属形成电性连接后,作为牺牲阳极金属靠自身溶解释放出的电流使被保护的金属构件——阴极极化到保护电位而实现金属防蚀方法。
采用牺牲阳极进行阴极保护时,其效果与阳极材料自身的性能有着直接关系。
牺牲阳极材料应具备以下性能:①具有足够负的电位;②工作中阳极极化率小,溶解均匀,产物可自动脱落;③具有较高的电流效率;④电化学当量高;⑤腐蚀产物无毒,不污染环境;⑥价格便宜,来源方便,易于加工。
目前工程上常用的牺牲阳极材料有镁基合金、锌基合金和铝基合金3种。
因材料的成分和电化学性能不同,应用环境也有所不同。
2.1.1镁基牺牲阳极由于镁具有较高的化学活性,且电极电位较负(标准电极电位为一2.37 V),在水中镁表面微观腐蚀电位驱动力大,保护膜易溶解。
因此,适于用做高电阻率的淡水、低盐度水以及电阻率为20~100 Q·m的土壤的阴极保护材料。
另外,由于镁的腐蚀产物无毒,还可用于生活水设施的阴极保护。
纯镁阳极由于电流效率低(仅为30%),使用寿命短,目前已很少使用。
通常在镁中加入适量A1,zn和Mn等元素,可使镁基阳极的电化学性能得到改善。
如镁基合金牺牲阳极的电流效可达55%左右,但远低于锌基和铝基合金。
国外开发出Mg—Mn系合金阳极,其电流效率达到62.36%。
2.1.2锌基牺牲阳极锌的密度大,理论发生电量小,标准电极电位为一0.762 V,在腐蚀性介质中,对铁的驱动电位较低(约为0。
2 V)。
但是电流效率较高,一般为95%。
锌基阳极在高温下易极化,通常用于常温下的海水和电阻率较低的土壤中。
由于锌基合金阳极在使用中不发生析氢反应,碰撞到钢构件时不会诱发火花,故是唯一可用做油罐、油舱保护的牺牲阳极材料。
锌基阳极主要有2种:①高纯金属锌,要求严格控制杂质含量,锌含量要大于99.995%,铁含量<0.004 1%;②低合金化的锌基合金,但是合金元素和杂质的含量仍须严格控制。
预包装镁合金牺牲阳极的组成及作用
预包装镁合金牺牲阳极是由特定成分的镁合金材料制成的,其主要作用是在金属结构的防腐蚀过程中发挥牺牲阳极的作用。
具体来说,预包装镁合金牺牲阳极通常包含高纯度的镁金属,以及适量的锌、铝、锰等合金元素,这些元素的加入可以改善镁合金的电化学性能,提高其牺牲阳极的效率。
其原理是基于电化学腐蚀的原理。
在金属结构中,特别是埋地或浸水的金属结构,如管道、储罐、船舶等,容易发生电化学腐蚀。
电化学腐蚀是由于金属表面的不同部位存在电位差,导致电流的流动,从而引起金属的溶解和破坏。
牺牲阳极通过与被保护的金属结构形成一个电化学电池,牺牲阳极的电位比被保护金属的电位更负,因此在电化学电池中,牺牲阳极会优先被腐蚀,从而保护了被保护金属结构免受腐蚀。
预包装镁合金牺牲阳极的优点在于其高电化学活性和较低的电位,使其在多种环境中都能有效地发挥保护作用。
此外,镁合金牺牲阳极的使用成本相对较低,且具有良好的耐腐蚀性能,因此在海洋工程、石油管道、电力设施等领域得到了广泛应用。
为了进一步提高牺牲阳极的性能和使用寿命,预包装镁合金牺牲阳极通常会进行特殊的包装处理。
这种包装可以防止镁合金在使用过程中与周围环境直接接触,从而减少不必要的腐蚀,延长其使用寿命。
同时,包装材料的选择也需要考虑其对电化学反应的影响,确保不会对牺牲阳极的性能产生负面影响。
总之,预包装镁合金牺牲阳极通过其独特的组成和作用,为金属结构的防腐蚀提供了有效的解决方案,广泛应用于各种工业领域,保障了金属结构的安全和稳定运行。
2024年镁合金牺牲阳极市场分析报告引言镁合金牺牲阳极作为一种重要的防腐材料,广泛应用于海洋工程、石油化工、船舶等领域。
本报告旨在对镁合金牺牲阳极市场进行全面分析,包括市场规模、市场发展趋势、竞争格局等方面,以提供决策参考。
市场规模镁合金牺牲阳极市场在过去几年中持续增长。
根据数据显示,2018年市场规模达到X亿美元,在2019年增长至X亿美元。
预计到2024年,市场规模将继续扩大至X亿美元。
这一增长趋势主要得益于海洋工程、石油化工等行业的需求增加。
市场发展趋势1. 技术进步推动市场增长随着科技的不断进步,镁合金牺牲阳极的性能逐渐提升。
新型镁合金牺牲阳极具有更高的耐腐蚀性、更长的使用寿命等优点,得到了广泛应用。
预计未来几年内,技术的进一步发展将推动市场的增长。
2. 海洋工程领域潜力巨大海洋工程领域对防腐材料的需求量巨大,镁合金牺牲阳极作为一种低成本、高效能的防腐材料,具有巨大的市场潜力。
随着海洋工程项目的增多,镁合金牺牲阳极市场将继续扩大。
3. 环保意识提升推动市场需求全球环境保护意识的提高,促使各行各业对环保材料的需求增加。
镁合金牺牲阳极作为一种环保材料,在市场上受到了更多关注。
未来几年内,预计市场需求将持续增长。
竞争格局镁合金牺牲阳极市场存在着激烈的竞争。
目前市场上主要的竞争者包括公司A、公司B、公司C等。
这些公司基于产品性能、价格、服务等方面展开竞争。
目前,公司A在市场中占据着较大的市场份额,但公司B和公司C也在不断加大对市场份额的争夺。
未来竞争将更加激烈,企业需要不断提升产品的竞争力,以赢得更多市场份额。
结论镁合金牺牲阳极市场在未来几年内将保持良好的增长势头。
技术进步、海洋工程领域潜力以及环保意识提升等因素将推动市场需求增加。
然而,市场竞争将越来越激烈,企业需要不断提升产品的竞争力,才能在市场中占据有利位置。
阴极保护中牺牲阳极的种类和材料性能铝合金牺牲阳极、锌合金牺牲阳极、镁合金牺牲阳极以及阴极保护系列等产品。
阴极保护是一种用于防止金属在电介质(海水、淡水及土壤等介质)中腐蚀的电化学保护技术.阴极保护又分为牺牲阳极法和外加电流法两种.对于裸露或防腐涂层很差的地下或水下金属构筑物.阴极保护是腐蚀防护的唯一可选择的手段。
阴极保护的费用通常只占被保护金属结构物造价的l%~5%,而结构物的使用寿命则可此而成倍甚至几十倍地延长.该项技术已在船舶、港工设施、海洋工程、石化、电力、市政等领域得到越来越广泛的应用。
镁阳极费用约为锌阳极的两倍。
镁虽然本身激励电势较高,能输出较大电流,但阳极材料消耗快。
在相同电阻率土壤中,镁阳极的消耗量约为锌阳极的3倍。
如果用镁阳极,费用约是锌阳极的’倍。
同时,镁阳极可能使构筑物受到过度保护,浪费资源。
而电流输出功率和激励电势则是锌阳极的限制因素。
美国每年约消耗5500多吨镁供制作阴极保护用的镁牺牲阳极。
目前,全世界仅对镁合金牺牲阳极的市场需求量就达每年3-4万吨,且每年以20%的速度增长。
网状阳极是混合金属氧化物带状阳极与钛金属连接片交叉焊接组成的外加电流阴极保护辅助阳极。
该系统具有如下优点:电流分布均匀,输出可调,保证保护件充分保护;产生的杂散电流很少,不会对其他结构造成腐蚀干扰;不需要回填料,安装简单;不易受今后工程施工的损坏,使用寿命长。
带状牺牲阳极主要用于高电阻率土壤、淡水中及空间狭窄局部场合,如套管内。
它截面有方型和菱形等形状,中间为铁芯,长度可达几百米。
90年代,我国基本解决了常规铸造阳极的生产技术。
高性能连续带状阳极和大型铸造阳极的应用和制造技术也发展很快。
其中,北京有色金属研究总院研制的长度达上千米的各种型号的锌阳极带和镁阳极带,已经建立起了一定规模的生产线。
河南汇龙合金材料有限公司刘珍。
河南科技大学硕士学位论文Al-Zn-Bi系合金牺牲阳极材料的电化学性能研究姓名:郭炜申请学位级别:硕士专业:材料学指导教师:文九巴20080601I论文题目Al-Zn-Bi 系合金牺牲阳极材料的电化学性能研究 专业材料学 研 究生郭炜指导教师文九巴教授摘 要铝合金牺牲阳极材料密度小电位较负理论电容量大成本低廉且制造工艺简单常用于保护海洋工程中的钢制构件目前应用广泛的Al-Zn-In 系牺牲阳极材料虽然电流效率比较高但In元素价格昂贵本研究选取Sn 和Bi 作为活化元素以取代In 在Al-Zn-Sn 和Al-Zn-Bi 两类合金的基础上通过添加微量元素和热处理工艺来提高牺牲阳极材料的电化学性能并进一步研究合金在电解质溶液中的腐蚀行为本文通过成分设计选定ZnSnMgBiLa等合金元素熔炼了Al-Zn-Sn 和Al-Zn-Bi系合金牺牲阳极材料并对部分材料固溶处理通过测试电流效率研究了不同Sn 含量(0.03%0.06%0.09%)对Al-Zn-Bi 系合金阳极电化学性能的影响考察分析牺牲阳极材料的极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)对腐蚀机理和电化学腐蚀过程进行研究并探讨Sn元素对合金腐蚀行为的影响 固溶处理方面研究了不同温度下(510530550570)保温10h 后水淬对铝阳极工作电位电流效率极化曲线和电化学阻抗谱等电化学性能的影响用扫描电镜(SEM)分析了固溶处理对铝阳极显微组织的影响探讨了电化学性能影响因素结果表明在所研究的含量范围(0.03%~0.09%)内随Sn 含量增大530550570固溶态Al-5Zn-0.5Bi-Sn 合金牺牲阳极材料电流效率先是逐渐增大Sn 含量为0.06%时达到最大超过0.06%时电流效率逐渐减小在所研究的含量范围 (0.04%~0.12%)内随Si含量增大510固溶态Al-5Zn-0.5Bi-Si合金牺牲阳极材料的电流效率变化很小随着Bi含量的增加铸态Al-5Zn-0.5ZnO-Bi合金的电流效率变化不明显上下波动仅为3%左右Al-5Zn-0.5Bi-Sn 合金的工作电位随Sn含量增大逐渐负移当含量超过0.06%后又正移Al-5Zn-0.5Bi-Sn合金牺牲阳极材料固溶处理后电流效率增大其中A1-5Zn-0.5Bi-0.06Sn 合金570保温10h 后水淬电容量达到2077.4Ah/kg电流效率达到72.6%可以作为牺牲阳极材料Al-5Zn-0.5Bi-0.03Sn 合金固溶处理后自腐蚀电位降低0.019V自腐蚀电流密度降低0.44μA/cm2电流效率提高19.5%明显II改善了牺牲阳极材料的性能固溶处理对Al-5Zn-0.5Bi-0.03Sn 合金牺牲阳极材料的组织有较大影响经过固溶处理沿晶界分布的偏析相中ZnSn 元素溶入基体偏析相发生球化关 键词铝合金牺牲阳极合金元素电化学性能固溶处理论文类型应用基础研究IIISubject: Electrochemical performance research of Al-Zn-Bi alloysacrificial anodesSpecialty: Materialogy Name: Guo WeiSupervisor: Wen Jiu-Ba ProfessorABSTRACTWith low density, negative potential, large theoretical capacity, cheap cost and easy manufacture process, aluminium alloy sacrificial anode materials are always used for protecting steel components of oceanic engineering. Although current efficiency of Al-Zn-In series sacrificial anode materials which get widespread availability is higher than others at present, elememt In is expensive. Sn and Bi are selected as activation elements to substitute In and the research is based on the two types alloy Al-Zn-Sn and Al-Zn-Bi to improve electrochemical performance of sacrificial anode materials through processes of adding trace elements and heat treatment. Furthermore, corrosion behaviour of aluminium alloy in electrolyte solution is researched.Alloy elements Zn, Sn, Mg, Bi, La were selected and Al-Zn-Sn and Al-Zn-Bi series alloy sacrificial anode materials cast after composition design and some of them experienced solution treatment. Influence of different Sn content (0.03%, 0.06%, 0.09%) on performance of Al-5Zn-0.5Bi series anode were researched through current efficiency testing. Corrosive mechanism and electrochemical corrosion process were examined by analysing polarization curves and electrochemical impedance spectrum (EIS). Moreover, effect of Sn on corrosive behaviour was discussed. As to solution treatment, influence of water quenching after 10h heat preservation at different temperature (510, 530, 550, 570) on working potential, current efficiency,polarization curves and EIS of aluminium anode were searched. SEM was employed to analyze influence of solution treatment on microscopic structure, therefore, factors which affect electrochemical performance were explored.The results show that current efficiency of Al-5Zn-0.5Bi-Sn alloy sacrificial anode materials after solution treatment at 530, 550and 570gradually increase at firstwhen Sn content increase in the content range(0.03%~0.09%) researched, when Sn content is 0.06% the largest value is obtained and when Sn content exceed 0.06% the current efficiency start to reduce. In the content range(0.04%~0.12%) researched,IVcurrent efficiency change of Al-5Zn-0.5Bi-Si alloy sacrificial anode materials aftersolution treatment at 510is tiny when Si content increase. Current efficiency changeof as-cast Al-5Zn-0.5ZnO-Bi alloy is not obvious while Bi content rises and the value variation is about 3%. Working potential of Al-5Zn-0.5Bi-Sn alloy has connection with Sn content and gradually moves to negative direction, but when the content exceeds 0.06% it moves to positive direction.Current efficiency of Al-5Zn-0.5Bi-Sn alloy sacrificial anode materials increases after solution treatment. Capacity of A1-5Zn-0.5Bi-0.06Sn alloy reaches 2077.4Ah/kg and the current efficiency reaches 72.6% through water quenching after heat preservation for 10h at 570, therefore, it can be used as sacrificial anode material. Self-corrosion potential of Al-5Zn-0.5Bi-0.03Sn alloy decreases 0.019V and self-corrosion current density decreases 0.44μA/cm 2 after water quenching, at the same time, current efficiency increases 19.5%. Obviously, electrochemical performances are improved. Solution treatment gives apparent effect on microstructure of Al-5Zn-0.5Bi-0.03Sn alloy sacrificial anode: Zn and Sn which are contained in segregation solute in matrix and segregation in grain boundary spheroidize.KEY WORDS: aluminium alloy, sacrificial anode, alloying elements, electro-chemical performance, solution treatmentDissertation Type: application basic research第1章 绪论1第1章 绪论1.1 金属的腐蚀与防护金属腐蚀现象普遍存在于工业工程领域如民用行业的机械制造化工生产冶金设备以及电子产品国防行业的航空航天航海等高精尖科技其材料腐蚀问题均受到高度重视材料腐蚀危害极大使工程构件局部受到损伤力学性能恶化而发生断裂从而使整体上失去使用价值针对不同的材料和使用环境工程应用上有不同的减缓腐蚀的措施如海洋环境中用牺牲阳极法保护钢结构大气环境中钢管表面涂覆保护层淡水介质中添加缓蚀剂使其保护材料表面等1.1.1 金属的腐蚀金属与其所处的环境介质之间发生化学电化学或物理作用而引起的局部损伤称为金属腐蚀其中电化学腐蚀是一个自发过程其阴极反应为腐蚀介质中的氧化剂(以D 表示)如O2H +等的还原D+ne →Dn-阳极反应为金属(以M 表示)的活性溶解M →M n++ne阴极与阳极之间发生电子转移金属转化为氧化状态的离子物理作用主要是指金属由于摩擦磨损冲击变形等机械因素引起的破坏金属腐蚀的实例很多例如大气中金属结构件在O 2和H 2O 等的作用下发生锈蚀海洋中大型船舶钢质外壳被介质中Cl -等侵蚀破坏埋地输油管道与土壤相互作用引起穿孔腐蚀化工设备在酸碱盐等强烈腐蚀下造成破坏等等1.1.2 金属腐蚀的危害金属腐蚀后局部组织和性能发生了根本变化使工程构件整体受力状态改变很容易造成应力腐蚀断裂而发生灾害性事故1985年8月日本一架波音747客机由于其构件应力腐蚀断裂而坠毁致使500多人丧生1979年我国某市液化石油气储罐由于腐蚀破裂起火爆炸伤亡几十人另外金属腐蚀还会导致资源浪费和环境污染据统计每年由于腐蚀造成金属年产量的10%~40%报废其中的1/3损失掉而不可回收利用我国每年因腐蚀损耗掉的钢材占年产量的1/10不仅是资源的浪费更是人力和能源的巨大损失部分金属腐蚀后生成具有毒性的低价或高价离子随废水排出后造成生态污染破坏生态平衡危及人体健康化学工业中盛放有毒物质的容器由于腐蚀泄露同样会造成环境的河南科技大学硕士学位论文2严重污染另外腐蚀造成的直接或间接经济损失是巨大的统计数据表明我国1999年腐蚀损失高达2800亿元2002年这一数字上升为4979亿元因此研究腐蚀规律减小腐蚀破坏成为国民经济中的一项重大课题金属的腐蚀理论和防护技术研究意义重大越来越受到重视1.1.3 金属腐蚀的防护腐蚀破坏形式上具有多样性影响腐蚀的因素也因环境的不同而千差万别因此防止腐蚀的措施也要根据不同情况合理选择对构件进行合理的工艺和结构设计是从构件本身出发来减少加工组装保存等环节中的腐蚀在与材料接触的介质中添加缓蚀剂工艺简便适用性强广泛应用于化工机械天然气或石油的开采炼制等行业但缓蚀剂不适用于像钻井平台远洋船舶防止海水腐蚀及桥梁钢制结构防止大气腐蚀等这类广阔系统在材料基体表面涂敷耐腐蚀材料作为保护层也是一种有效的防蚀措施但当涂层材料破损暴露出基体时易形成腐蚀电偶使基体腐蚀加剧电化学保护法是通过施加外电动势将被保护金属的电位移向非腐蚀区或钝化区以减小或防止金属腐蚀的方法该方法经济而有效应用及为广泛分为阳极保护法和阴极保护法当一种金属或合金浸在电解质溶液中时由于金属中含有杂质第二相或者该金属的不同部位温度变形程度介质浓度不同时导致金属表面的物理和化学性质存在差别使金属各部位的电位不相等电位较正处为阴极电位较负处为阳极这种电池称为腐蚀原电池腐蚀原电池是一种内部产生电流的短路电池它的形成加速了金属的腐蚀电化学保护法就是通过抑制金属表面形成腐蚀原电池而防止腐蚀的阴极保护法是将被保护金属作为阴极进行外加阴极极化以减缓金属腐蚀的方法阴极保护原理可用图1-1所示的极化图来说明金属腐蚀微电池的阳极极化曲线E a G 和阴极极化曲线E c D 交于点G 交点G 所对应的电位为自腐蚀电位Ecorr相应的腐蚀电流为Icorr微电池阳极不断溶解金属逐渐腐蚀金属进行阴极保护时在外加阴极电流的极化下金属的总电位由E corr 变为E1总的阴极电流I 1中BC段是外加的另一部分AB 段电流仍然是由金属阳极腐蚀提供的显然这时腐蚀微电池的阳极电流AB 段要比I corr小腐蚀速度降低了当外加阴极电流继续增大时金属体系的电位变得更低当金属的总电位达到微电池阳极的起始电位Ea时金属上阳极电流为零全部电流为外加的阴极电流Ia这时金属表面上只发生阴极还原反应金属的电位负移到稳定区第1章 绪论3由腐蚀状态进入热力学稳定状态金属溶解反应停止而得到完全保护图1-1 阴极保护原理图Fig. 1-1 Curve of cathode protection principle阴极保护可以通过外加电流法或牺牲阳极法两种途径来进行其中牺牲阳极法操作简便无需其他附加设备且维修便利因此应用十分广泛1.2 牺牲阳极保护法牺牲阳极法是指在被保护的金属上连接电极电势更低的金属或合金作为牺牲阳极靠它不断溶解所产生的电流对被保护的金属进行阴极极化以达到保护的目的早在1924年英国的Davy就提出用锌块保护船舶外壳并逐步推广到海港设施等其它方面近年来牺牲阳极法发展到用于保护海上石油平台和海底输油管道采用牺牲阳极法保护金属时牺牲阳极材料自身性能决定着保护效果因此牺牲阳极材料必须满足以下要求开路电位和工作电位稳定而且足够负以提供充足电子使被保护设备阴极极化同时也要避免电位过负造成阴极区发生析氢反应导致氢脆理论电容量大即单位质量阳极溶解时产生的电量多自腐蚀小表面溶解均匀无晶粒脱落易活化极化率小保护电流稳定腐蚀产物易脱落此外还要求牺牲阳极材料原始资源丰富价格低廉且易加工保护过程中不产生污染环境的物质牺牲阳极的性能主要与材料的化学成分和组织结构有关铝基阳极密度较小电流效率较高发生电量大对钢铁驱动电位适中原料来源丰富是一种应用极为广泛的牺牲阳极材料镁基阳极电流效率低电位负易于过保护通河南科技大学硕士学位论文4常用于电阻率较高的土壤和淡水环境中锌基阳极密度大对钢铁驱动电位小发生电量小在高温条件下极化倾向大一般用于电阻率较低的介质环境中三类常用的铝基合金镁基合金和锌基合金牺牲阳极材料的性能对比见表1-1表1-1 铝基镁基和锌基合金牺牲阳极材料的性能Tab. 1-1 Properties of aluminium alloy, magnesium alloy and zinc alloy sacrificial anode material 牺牲阳极材料 密度 /kg·m -3 电位 /V(SCE) 驱动电压/V 理论电容量/A·h·kg -1 消耗率/kg·A -1·a -1 电流效率/% 铝基合金 镁基合金 锌基合金2770 1470 7800-1.1~-0.95 约-1.5 -0.850.25 0.65 0.22980 2210 8203.4~3.8 7.2 11.8约80 约50 约90由表1-1可见铝合金阳极理论电容量是锌的3.6倍是镁的1.35倍且密度较小电位较负另外按单位重量的电容量来算价格仅为锌阳极1/2原料容易得到且制造工艺简单因此铝合金阳极材料是目前研究较多应用较为广泛的材料1.3 铝合金牺牲阳极材料纯铝在空气或水等中性介质中均容易自钝化表面上形成一层致密的Al 2O 3氧化膜使铝的电位较正在海水中稳定电位约为-0.78V(SCE)且容易极化研究表明海水中用小于10A/m 2的电流极化时电位正移至-0.71V(SCE)比钢的保护电位还要正因此纯铝不能用作牺牲阳极材料必须合金化通常在铝中添加ZnInSnMg等合金元素这些元素的原子部分取代了铝晶格上铝原子产生晶格畸变合金表面能增加产生铝氧化膜的缺陷促进表面活化溶解提高电流效率1.3.1 合金元素对铝阳极电位的影响结合Hansen 对Al 形成的二元合金相图的研究[1]1966年Reding 和Newport 系统研究了周期表中各元素对铝电位的影响[2, 3]可分为以下三类1.使铝电位负移的合金元素其中ZnMgCd Ba 能使铝的电位负移0.1~0.3V(其中Zn 含量为0.5%~5%时铝电位负移0.22V)但逐渐增大这些元素的添加量时并不能使电位降低到足够负的数值单独加入很少量合金元素InSnGaBiHg 就能使铝的电位负移0.3~0.9V(如Al 中含In 0.02%~0.06%第1章 绪论5时电位负移0.3V含Ga 0.02%~0.5%时电位负移0.6V Sn 含量为0.005%~0.008%时电位可负移0.6V)但是电流效率较低并且随时间延长逐渐下降2. 使Al电位正移的元素有Mn 和Cu等 3. 对Al电位影响不大或者没有影响的元素有CaYTiLaZrVCNbCoNiSbPbSi等研究表明Al-5%Zn 合金阳极电流效率只有50%左右Al-In Al-Sn 二元合金的电流效率也比较低可见在铝中添加某一种元素时并不能使性能达到理想要求而Al-Zn-InAl-Zn-SnAl-Zn-Mg等合金不但具有较负的电位电流效率也较高分别达到85%87%87%Al-Zn-In-SnAl-Zn-In-Mg-Ti-Si 更是达到了90%以上因此添加两种或两种以上合金元素既能满足电位足够负的要求又能使电流效率较高因此多元合金化是提高铝合金牺牲阳极电化学性能的有效措施之一1.3.2 合金元素在铝阳极中的作用铝合金牺牲阳极中加入合金元素的最终目的是提高综合电化学性能但不同的元素各有不同的侧重点有的元素能够细化晶粒而增大电流效率有的元素能够促使其他合金元素均匀分布改善表面溶解状态有的活化阳极表面增大氧化膜的缺陷降低铝阳极电极电位还有的元素有助于改善熔炼浇铸或成型性能常添加的合金元素有InZnMgTiSnRE等In In在铝中的溶解度很小但活化作用很好是铝基阳极中最重要的合金元素之一它使铝阳极孔蚀的速度减慢表面腐蚀趋于均匀In 含量在0.005%~0.01%之间时活化作用不明显电流效率很低含量0.03%以内就可使电位变负电流效率显著提高溶解均匀性明显改善含量高于0.03%时形成新的偏析相自腐蚀增大效率又明显下降当合金中Si 和杂质Fe含量较高时In 还能抑制Si Fe 的不利影响(Fe 能形成不溶的脆性针状或片状FeAl 3等含Fe 相)合金中In以偏析相和固溶体两种形式存在偏析相存在于晶界的小洞穴中引发点蚀不对活化溶解直接起作用[4]因此Al-Zn-In 合金的腐蚀起源于In-Zn 富集区域[5]即晶界处Norris 等[6]通过量化比较也得出In 和Fe 富集在Al/Al 2O 3界面促使氧化膜产生缺陷并进一步验证了溶解-再沉积机理还证实腐蚀后期机械损失是电流效率损失的主要机制Bessone 等[7]研究得出的另一种活化过程为当足量的In以半固态存在于界面时形成类似汞齐的In-Al合金促使氧化膜与基体分离促进吸附Cl -并使阳极去极化Zn 作为铝阳极中的主要合金元素Zn能均匀成分使铝易合金化腐蚀产物易脱落阳极电位随锌含量增加而负移0.1~0.3V锌能加快铝合金中ZnAl2O4尖晶石的成核过程由于ZnAl2O4的摩尔体积比Al2O3大容易引起氧化膜的破裂从而增大氧化膜的缺陷促使铝活化溶解锌含量较低时腐蚀源于枝晶间区域或晶界处并且自腐蚀是电流效率损失的主要原因[8]锌含量为5%左右时合金元素分布均匀有较高的电流效率阳极电位下降到-0.95V以下Zn含量过高时表面溶解不均匀电流效率严重下降这可能与表面氧化膜中有部分ZnO存在有关系Zn的存在使In更容易通过置换反应富集于表面这保证吸附了的Cl-的聚集从而使铝基体维持在活化状态同时研究表明溶液中的Zn2+也能改善铝合金的耐蚀性和腐蚀形貌[9]Ga Toda等在Al-Zn-Sn合金中添加0.02%Ga元素后电位由-1.05V(SCE)负移到-1.08V(SCE)电流效率由85%上升到94%研究表明液态Ga在铝表面富集形成Ga-Al汞齐而分离氧化膜使表面扩散性能增强并形成大量缺陷孔洞[10]另外还有Cl-的点蚀参与活化过程这两种活化过程的先后与表面温度和镓的聚集量有关系电解液中Ga3+能导致Al(99.99%)阳极的活化但速率很慢而Ga3+对Al(99.61%)Al-Sn Al-Zn和Al-Zn-Sn电极的溶解没有活化影响[11]Al-Sn Al-Ga合金也需要达到较高温度才能活化而Al-Sn-Ga三元合金阳极比较容易活化Ga Sn以离子状态溶解在溶液中首先锡离子被还原沉积在铝阳极表面镓离子又在沉积的锡上沉积从而在表面不断形成流动性良好的Ga-Sn合金活性点局部分离氧化膜RE 稀土的原子半径在比Al大填补在生长中的Al合金晶粒的缺陷处阻碍其继续生长而细化晶粒RE比较活泼与O2S N2H2亲和力较强因此能去夹杂改善合金流动性并具有减少铸造缩孔气孔偏析及裂纹倾向的作用另外铝合金中加入微量RE可以降低平均腐蚀速度增强耐孔蚀性能RE使Si Fe及其它合金元素的分布更为均匀有利于提高材料的机械性能并使阳极电位负移通过研究稀土在铝合金中的分布规律表明稀土主要分布于晶界和枝晶界少量存在于晶内且可以与杂质元素Fe Si等一起共生于晶界细化晶粒的最佳RE含量为0.5%大于0.5%时效果不明显晶界析出物量随RE含量而改变含0.3%RE时偏析相数量最多低含量RE粗化枝晶组织使偏析相数量增多高含量RE可细化枝晶组织使偏析相数量减少当RE含量大于0.5%时偏析相发生明显改变出现了新的高Sn含量和高RE含量的偏析相Hg Hg在铝中的溶解度非常低但能够极大地增加铝的活性很少量的汞就可以使铝阳极的电位由-0.71V降低到-1.05V(SCE)Hg的活化作用可以用自催化来描述Hg在铝上形成汞齐通过表面扩散分离钝化膜而后形成的氧化铝膜主要出现在汞齐/电解液界面这就阻止了氧化铝薄膜上破裂缺陷的再次钝化汞和铝之间的润湿也变得容易[12]汞的活化作用虽好但由于其毒性大而容易污染环境因此Al-Zn-Hg系列合金的应用受到严格限制世界上大多数国家已不生产Cd镉与锌位于同一主族二者之间亲和力较大因此铝阳极中加入Cd元素可以促使锌均匀分布减少锌铟等的偏析改善阳极腐蚀状况但是镉在铝中的溶解度很小含量一般控制在0.01%左右且镉元素容易造成环境污染危害人体健康含镉阳极将逐渐被淘汰Mg 镁能改变铝基体中杂质的状态而降低杂质含量改善表面腐蚀溶解的均匀性减小极化率降低自腐蚀速率因此铝阳极中添加少量Mg可明显提高电流效率特别是在0.01%~0.1%Sn存在时锡与镁匹配能使合金组织更均匀但过量将会形成阴极型金属间化合物Mg2Al3而造成晶间腐蚀的发生而且会损害阳极的溶解性能和合金液的铸造性能常温下镁在铝中的溶解度约为1.5%铝阳极中含量通常控制在0.5%~1%之间镁对晶粒细化作用不明显适量范围内也不会引起第二相数量的增加[13]但是镁能改变含RE铝阳极晶界偏析相的组成使含RE铝阳极的晶界偏析相由RE相转变为Mg相RE相促进晶界优先溶解Mg相使晶界优先溶解减缓而晶界优先溶解引起的晶粒脱落是电流效率损失的重要原因Sn 锡在铝中的溶解度为0.07%在溶解度以内与铝形成固溶体破坏铝的钝性降低铝的电位Al-Sn合金开路电位约为-1.4V(SCE)含Sn的阳极在高温或低温下使用时比不含Sn时好得多但锡含量的增加会导致晶界腐蚀倾向增强因此Al-Zn-Sn阳极电流效率通常不是特别高对于Al-6%Zn合金Sn含量低于0.05%时电位由-1.07V(SCE)负移至-1.2V(SCE)电流效率也逐渐增加但锡含量进一步增大时电位不再明显负移电流效率反而降低锡含量0.02%时铝合金的表现和纯铝差不多含量大于0.09%时对氧化膜的生长才有显著影响[14, 15]Sn2+对Al(99.99%)Al(99.61%)和Al-Sn合金阳极的溶解没有活化影响[16]这是由于Sn向表层扩散困难只有当活化离子扩散进基体并且造成氧化物层的缺陷活化过程才能发生Sn2+的含量影响Al-Zn和Al-Zn-Sn合金的活化程度虽然添加Sn元素能细化晶粒和减少晶间偏析相但是腐蚀产物易粘附在阳极表面而导致腐蚀不均匀Sn Sb协同就能有效地抑制Si元素在晶界的偏析[17]使铝阳极既具有较高的电流效率又有均匀的表面溶解性Mn 在共晶温度658时在铝固溶体中最大溶解度为1.82%形成的MnAl6能溶解杂质Fe形成(Fe, Mn)Al6减少铁的有害作用Ti Al合金中加入少量钛就可以形成高熔点的TiAl3而TiAl3在合金结晶前就会形成大量细小的晶粒而起到外来晶核的作用进而细化铝合金晶粒和固溶体组织使合金元素均匀溶解并提高电容量电流效率[18]还能减少晶界腐蚀和铸造热裂现象因而加钛的铝阳极在高温下使用时其表面溶解状态较好Bi 作为一种活化剂铋能扩展铝合金的晶格[19]同铝形成共晶体降低铝合金的表面钝化性能加入少量Bi到Al-5Zn-0.25Sn中可避免热处理工艺增大锡的固溶度和细化晶粒加铋的铝锌合金阳极表现出良好的性能[20]而且与镓铟相比铋的价格较便宜且无毒是代替汞的理想元素不含铟汞的牺牲阳极材料研究也同样取得了进展如Al-Zn-Mg-Li[21]Al-Zn-Mg-Ca[22]Al-Zn-Mg[23-25]等另外碱金属Ca Ba等也能不同程度提高铝阳极的电容量加入0.001%~0.005% B也能防止合金铸造成型时的热裂现象以上主要讨论了金属元素在铝合金牺牲阳极中的作用近年来随着研究的进一步深入非金属元素Se和金属氧化物ZnO对铝阳极的作用以及某些金属氧化物对铝阳极的表面改性也逐渐被认识铝锌合金中只加入Se时电流效率仅为70%左右加入0.5%Se+0.1%Sn+0.1Bi时效率达90%[26]自腐蚀速率也降至6.7×10-6g/cm2/h ZnO既能增强铝合金基体和提高冶金特性又能产生有效的活化作用[27]和降低电位加入1%ZnO时效率提高至94%[28]电位稳定极化倾向很低自腐蚀减少在阳极表面覆盖一层金属氧化物利用氧化物本身的多孔结构使得A13+可以在基体和氧化层间自由扩散实现阳极活化提高电流效率Shibli研究了RuO2[29]和IrO2[30]涂覆在Al+5%Zn对阳极性能的改善情况RuO2和IrO2在制作不溶性阳极表面层上应用最广泛首先将RuC13或IrC13溶液刷在阳极表面经过400烧结后表面就形成了RuO2或IrO2层实验表明这层涂层可使A13+自由地穿过氧化物到达外表面表面改性后的阳极开路电位明显负移极化减弱表面具有较低的电阻系数和较高的自催化活性电流效率分别达到了86%和81%当阳极溶解到原有的1/3时这层氧化物也不会大面积地脱落[31]1.3.3 杂质元素对铝阳极性能的影响铝中杂质含量对阳极电化学性能的不利影响十分显著铝的纯度由99.9%降。
牺牲阳极镁合金牺牲阳极的介绍
牺牲阳极是由高度活跃的金属材料构成的,用于防止较不活跃的金属表面腐蚀,比如钢铁。
它的自然电位比被保护的金属更负,从而取代它所保护的金属腐蚀,这就是为什么它被称为“牺牲”阳极的缘故。
牺牲阳极有各种形状和大小,但它们的工作原理是相同的,必须通过“电”连接到被保护船体,通常是通过金属与金属相连,与船上需要保护的贵重金属部件相连。
因此,如果靠近船舶,你会看到有金属片连接到舵、舷外发动机和传动轴等。
牺牲阳极构成电池的负极,并与要保护的金属电连接。
因为牺牲阳极的金属电活性更强,它是被损耗的,在电解液中形成电池的负极(阳极)。
例如,在海水中,阳极与其他需要保护的金属相连,并完全浸泡在水里,因此阳极总是会被腐蚀。
“电池”的正极一定是被保护的金属(阴极),例如传动轴、螺旋桨、发动机等。
水质越咸或污染越严重,其导电性就越强,牺牲阳极被腐蚀的速度就越快。
材料保护 2004年5月第37卷第5期不同镁含量铝基牺牲阳极材料的组织与性能研究丁振斌1,孔小东2,朱梅五2(1.海军驻武汉四三八厂军事代表室,湖北武汉430060;2.海军工程大学金工教研室,湖北武汉430030)[摘 要] 为了探讨Mg 对铝基牺牲阳极的影响,在研制高效铝基阳极的基础上,运用电化学测试和扫描电镜技术,考察了不同Mg 含量对合金结晶形态和显微组织的影响。
结果表明:合金元素Mg 的含量主要影响合金的树枝晶形态和第二相粒子的性质、形态、数量和分布,进而影响阳极表面溶解的均匀性和电流效率,Al -Zn -In -Sn -Mg -S i 系合金阳极中Mg 的最佳含量应在2%左右。
本研究为进一步开发高效铝基合金阳极提供了理论参考。
[关键词] 镁;铝基牺牲阳极;显微组织;材料性能[中图分类号] TG 174.2 [文献标识码] A [文章编号] 10011560(2004)05005002 [收稿日期] 200311250 引 言牺牲阳极的阴极保护是防止金属腐蚀的有效措施之一,铝基牺牲阳极因其电化学当量小、单位重量的输出电量大且资源丰富、施工简单而获得了广泛的应用。
Mg 作为一种重要的合金元素对铝基牺牲阳极的影响表现得较为突出,大多数高效铝基牺牲阳极都将Mg 作为一种合金添加元素。
作者主要从微观角度研究不同Mg 含量的Al -Zn -In -Sn -Mg -S i 系合金的结晶形态和显微组织,与其宏观性能对比,进而探讨合金元素Mg 的作用,为进一步开发高效铝基合金阳极提供理论参考。
1 试验材料与方法1.1 试验材料试验材料为海军工程大学研制的Al -Zn -In -Sn -Mg-S i 系阳极,该系列合金的成分为Zn 0.03%,In 0.03%,Sn 0.03%,S i 0.5%,Mg 1%3%,余量为Al 。
试验材料共分为A ,B ,C 3组,Mg 含量分别为1%,2%,3%。
1.2 试样制备用于电化学性能测试的试样加工成Φ16mm ×48mm 的圆柱,每种阳极取3个平行试样。
在试样的一个端面从中心钻孔并攻丝。
试样用丙酮去除油污后称重,阳极引线为带螺纹的细铜棒,与阳极拧紧后用石蜡封样,留出14cm 2(长28mm )的圆柱工作面。
用于金相分析的试样加工成Φ16mm ×10mm 的圆柱,每组平行试样3个,根据需要采用多种磨光、抛光、侵蚀相互结合的方法进行[1]。
1.3 电化学性能测试采用国家标准G B/T 17848-1999推荐的恒电流法测定铝阳极的电流效率,并在试验后用目视法观察阳极表面腐蚀情况。
主要试验条件如下:阴阳极面积比为60∶1,阳极工作电流密度1mA/cm 2,试验时间15d ,试验介质为人造海水,其化学成分配比见表1[2]。
表1 人造海水的化学组分 g/L化合物NaCl M gCl 2Na 2S O 4CaCl 2NaHCO 3浓度24.530 5.200 4.090 1.1600.201化合物H 3BrO 3SrCl 2NaF K Cl K Br 浓度0.0270.0250.0030.6950.1011.4 金相分析利用X J G-05光学金相显微镜观察铝阳极合金的显微组织并摄取显微组织照片,用定量金相法测量第二相粒子的显微特征参数。
利用JX A -8800R 扫描电镜观察合金的相组成、第二相的形态与分布等,并结合电子探针分析确定第二相的成分、可能的结构以及主要、重点元素的分布情况等。
2 结果与讨论2.1 Mg 含量对合金结晶形态的影响合金阳极都是采用铸造方式生产,合金的结晶形态主要表现为树枝晶的大小(枝干厚度、枝晶间隔)和均匀程度。
图ac 分别为A ,B ,C 3组阳极低倍显微组织。
可以看到,随着Mg 含量的增加,合金枝晶间隔减小,枝晶逐渐变得粗大。
在树枝晶结晶时,前沿会出现低熔点组分偏析,以至于造成树枝晶接二连三的分枝,在树枝晶周围产生一层较薄的偏析层,从而使树枝晶彼此接近地长大。
树枝晶的枝晶间隔除受合金冷却速度影响外,还受到合金成分的影响。
随着合金中Mg 含量的增加,合金的凝固范围变宽,枝晶长大就越充分,因此间隔就越小。
合金铸造时形成的树枝晶的均匀粗细与阳极表面溶解状况密切相关。
具有均匀细小树枝晶的铝阳极,其表面溶解状态较为均匀,具有粗大放射状的树枝晶和微观组织不均匀的阳极,其表面溶解也不均匀[3]。
本次试验中,A 和B 两组阳极表面溶解均匀,而C 组阳极表面溶解很不均匀,试验结果很好地印证了该项理论。
图 铝阳极显微组织及形貌2.2 Mg 含量对合金显微组织的影响图d f 分别为A ,B ,C 3组阳极SE M 照片。
从中可以看出,铝阳极合金的显微组织为α固溶体基体上弥散分布着第二相。
基体呈树枝状结晶,树枝晶或粗大,或细小,有的呈细小网状分布,有的则具有明显的方向性;第二相或呈点状,或呈枝丫状,有的在晶界析出,呈网状分布,有的在晶内析出,弥散分布。
进一步的电子探针分析(见表2)表明,图中点状相为富镁相,枝丫状的第二相为富铁相。
表2 铝阳极第二相成分分析 %元素A质量分数原子分数B质量分数原子分数C质量分数原子分数Mg K 5.408.5312.7917.5115.8921.27Al K 49.1269.9250.4462.1850.5360.94Si K 0.240.33 5.41 6.41 2.46 2.85Fe K --0.300.18 2.18 1.27Zn K 24.0514.1321.8011.9025.5512.72In L 21.047.04 2.410.70 1.710.49Sn L0.150.056.851.921.680.46根据三阳极第二相的成分鉴定和铝-镁-锌三元合金相图分析可以确定,B 和C 两组阳极中的富镁相主体为T 相(Al 2Mg 3Zn 3):A 组阳极中的富镁相主体为η相(MgZn 2);T 相和η相相对铝基体都是阳极相[4],因而作为活性点在有氯离子存在的介质中形成点蚀源,促进阳极的腐蚀溶解。
Mg 含量不仅对合金第二相的组成产生影响,而且还能影响第二相的形态、大小和数量。
由定量金相学的计算结果(见表3)可以看出,Mg 含量为2%的B 阳极具有数量最多、尺寸适当、形状最规则的第二相粒子。
具有大小均匀、形态规则、数量适中的第二相粒子的铝阳极表现出较好的综合电化学性能[3],研究结果也说明了这一点。
表3 不同Mg 含量阳极的第二相粒子特征参数和性能试样编号第二相粒子特征参数λ/mm L 3/mmQ 电流效率/%表面溶解状态A 0.3400.012269.887.25均匀B 0.1330.013295.188.66均匀C0.2050.013225.382.73不均2.3 合金元素Mg 对阳极活化的影响Mg 在铝阳极合金中,除少量以固溶形式存在外,随着含量的升高,多以化合物形式出现,例如Al 2Mg 3Zn 3、MgZn 2等,它们相对基体为阳极相,周围易发生点蚀成核,是点蚀萌生的敏感位置。
该阳极的活化溶解主要归因于第二相粒子的“优先溶解-脱落”[5]:阳极刚开始溶解时,其表面分布的第二相粒子与Al 2O 3膜构成腐蚀电池,作为阳极型的第二相粒子发生溶解,且越接近Al 2O 3膜,溶解越快,使基体铝暴露出来;裸露的基体铝与Al 2O 3膜构成新的电偶,因两者电位差大,铝将大量活化溶解,此时第二相转化为阴极,溶解停止;第二相粒子因周围铝基体的溶解而脱落,自行溶解。
第二相粒子的“优先溶解-脱落”作用虽然增加了活化点,改善了阳极的表面溶解状态,但由于第二相粒子的脱落将引起电流效率的损失,所以应适当控制第二相粒子的数量。
3 结 论(1)随着Mg 含量的增加,阳极合金枝晶间隔减小,枝晶逐渐变得粗大,阳极溶解越不均匀。
(2)Mg 含量影响阳极合金第二相粒子的组成、形态、数量。
含Mg 2%的阳极具有数量最多、尺寸适当、形状最规则的第二相粒子,表现出较好的综合电化学性能。
(3)Mg 的化合物是点蚀萌生的敏感位置,阳极的活化溶解主要归因于第二相粒子的“优先溶解-脱落”。
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With the extension of exposure time,the advantage of J T345steel in atm ospheric corrosion resistance will adequately reveal accompanying by marked decrease of corrosion rate.K ey w ords:weathering steel;atm ospheric exposure;rust analysis; corrosion resistanceE ffect of Crude Oils on Corrosion B eh avior of N80SteelJ I Eνyu1,2,LI Aiνkui1,ZH ANG Y inνhua1,et al(1.De2 partment of Chemistry,Huazhong University of Science and T echnol2 ogy,Wuhan430074;2.Department of Biology and Chemical Engi2 neering,Nanyang Institute of T echnology,Nanyang473004,Chi2 na).Cailiao Baohu2004,37(5),42~44(Ch).E ffects of seven crude oils on corrosion behaviors of carbon steel in C O2νsaturated 1%NaCl s olution were investigated by weight loss and electrochemi2 cal methods.The abs orptive on N80steel sample was analyzed to dem onstrate the correlation between components of crude oils and cor2 rosion of N80steel by G CνMS analysis.Results indicate that there has obviously effect of crude oil on C O2corrosion of N80steel,inhi2 bitions of crude oils are different,and the inhibition mechanism be2 longs geometric blocking effect.Chemicals in crude oil with inhibition effect is abs orbed on the surface of metal and make it easy to occur compact corrosion product film,which simultaneously prevents the corrosion of active sites and trans fers of corrosive medium and corro2 sion product,s o as to decrease the corrosion of carbon steel.K ey w ords:C O2corrosion;crude oils component;weight loss method;polarization curve;G CνMS analysis Corrosion B eh aviors of Several Materials in Crude Oil with H igh Acid NumberLOU Shiνs ong1,2,3,CH U X iνli3,Z UO Y u2,et al(1.C ollege of Materials Science and Engineering,University of Science and T echnology Beijing,Beijing100083;2.Beijing University of Chemi2 cal T echnology,Beijing100039;3.C orrosion and Protection Re2 search Center of SI NOPEC,Luoyang471003,China).Cailiao Bao2 hu2004,37(5),45~47(Ch).C orrosion behaviors of several metal2 lic materials in the highνacidic oil were studied by laboratory sim2 ulation tests in the A frican crude oil,desalted crude oil,acid re2 m oved crude oil,viscosityνdecreased residual oil and its distilla2 tion fractions,and the effect factors were discussed.The studied re2 sults provide extensive references for selecting material and antiνcorrosion techniques of equipment in oil refinery.K ey w ords:high acid number;crude oil;corrosion test;simulation testStructures and Properties of Laser Cladding Layer and P lasm a Spraying Layer on WF218AlloyLI U R ong1,T AO X iνqi2,PAN Lin2,et al(1.School of Mechani2 cal and E lectronic Engineering,Wuhan University of T echnology, Wuhan430073;2.Wuhan Research Institute of Materials Protec2 tion,Wuhan430030China).Cailiao Baohu2004,37(5),48~49 (Ch).Many studies were carried on the technologies and properties of laser cladding on the seal face of valve,but lack of contrast data with plasma spraying Alloy applied at present.In order to prom ote the application of laser cladding in locom otive valve,the contrast test was carried out on WF218alloy valve.Results show that laser cladding layer has m ore compact,fine and uniform microstructure,as well as higher corrosion resistance and wear resistance.According to the test data,the quality of locom otive valve by laser cladding will be better.K ey w ords:laser cladding;plasma spraying;alloy powder;WF218 alloy;structure;propertyMicrostructure and Property of AluminumνAlloy S acrificed Anodes with Different Mg ContentsDI NG Zhenνbin1,K ONG X iaoνdong2,ZH U Meiνwu2(1. Naval Agency in The N o.438Shipyard,Wuhan430060;2.Metal Processing Laboratory,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China).Cailiao Baohu2004,37(5),50~51(Ch).In flu2 ence of magnesium content on the microstructure and crystalline state was investigated based on prepared highνefficiency aluminumνalloy sacrificed anodes by electrochemical methods and SE M.Experi2 mental results indicate that the content of alloying element Mg has an effect on the dendrite m orphology and the characteristics,m orpholo2 gies,quantity and distribution of the second phase particles,then af2 fects the surface diss olved characteristic and efficiency of anodes.The best content of magnesium is2%in AlνZnνInνSnνMgνS i alloy anode.K ey w ords:magnesium;aluminumνalloy sacrificed anode;mi2 crostructure;material performanceT rouble Shooting and Process Improvement in R oll Zinc P lating of Lamp H olderDONG X ingνhua(Wuhan Institute of C omm odity Hardware Indus2 try,Wuhan430064,China).Cailiao Baohu2004,37(5),52~53 (Ch).F or uninterrupted production of large roll zinc plating product line,various impurities will increase to s ome extent through continual。