[发明专利]一种高铁杂质含量的铝阳极电化学性能控制方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种铝合金牺牲阳极的改进技术，具体为一种高铁杂质含量的铝阳极电化学性能控制方法，适用于钢质海洋结构物的阴极保护领域。 

背景技术：

铝合金牺牲阳极具有重量轻、电容量大、价格低廉等优点，在船舶、海洋设施等的保护中得到了越来越广泛的应用。铝合金牺牲阳极材料的电化学性能的优劣主要取决于铝阳极中合金元素的种类、含量、存在形式和分布状态，杂质的含量也会对阳极的性能产生影响。 

铝具有足够负的电位（标准电极电位为-1.66（vs.SCE））和较高的热力学活性，而且密度小，发生电量大，原料易得、价格低廉，是制造牺牲阳极的理想材料。但纯铝固有的钝化性，其表面容易生成致密的Al₂O₃膜，致使阳极电位升高，在海水中的稳定电位约-0.78V（vs.SCE），达不到理论上的电极电位。为了使铝能作为一种实用的电极材料，国内外的学者进行了大量的研究工作。研究和实践表明：通过添加某些合金元素（如Zn﹑Hg﹑In﹑Sn﹑Cd﹑Si﹑Mg等），对铝进行合金化，可以限制或阻止铝表面形成连续致密的氧化膜，促进其表面活化，使合金具有较负的电位和较高的电流效率。这些主要合金添加元素根据在铝阳极中所起的不同的作用机制，在名义上被分为两组：去钝化剂和改性剂。作为去钝化剂的常用主要元素有：In、Hg和Sn。这些元素与铝合金化后所表现出的特性被认为在铝牺牲阳极的活化中起到了明显的作用。四种最常见的改性剂为Zn、Mg、Bi、Cd。改性剂所表现出的特性被认为可以改善铝的性能。 

在铝合金牺牲阳极中最常见的杂质是铁、铜、硅。通常认为这些杂质是有害的并且会降低铝牺牲阳极的实际电容量，因此在铝阳极的生产过程中十分强调使用高纯铝原料。在工业纯铝原料中不可避免地存在着Fe、Cu、Si等杂质，这些杂质已经被证明对铝阳极的性能是有害的，特别是Fe和Cu对铝阳极的电极电位和电流效率都有显著影响。铁作为杂质对阳极性能，尤其是对阳极电容量有非常不利的影响。Fe相是为其提供腐蚀微电池阴极的主要偏析相，这是由于形成了金属间化合物的夹杂物，该夹杂物相对于铝的基体是阴极。由于这些夹杂物形成的微腐蚀电池显著降低了阳极的电容量。所以提高铝阳极电化学性能的一个主要方面也在于消除这些杂质对铝阳极电化学性能的影响。可以通过加入一些合金元素，使其与Fe和Cu形成化合物，从而屏蔽掉它们原来的负作用，或者是加入一些元素能改善其微观结构，使Fe、Cu、Si等元素的不利影响降低到最低程度，从而改善铝阳极的电化学性能。目前加入的元素主要有Mn、Bi、Co等。 

对阳极而言，金属成本在阳极整个成本中的比重最大。原材料的选择既要满足杂质的含 量，也要尽量降低材料等级而降低成本。随着目前国内铝原料中铁杂质含量（GB/T1196—2002）的改变，根据目前铝原料铁杂质的变化特点，需要开发一种高铁杂质含量的铝阳极电化学性能控制方法，目的是获得一种高效，低成本的Al-Zn-In系牺牲阳极。 

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种高铁杂质含量的铝阳极电化学性能控制方法。该方法采用合适的材料的合金化配比来降低高铁含量杂质对Al-Zn-In系合金牺牲阳极电化学性能所带来的不利影响。 

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案是：以国标Al-Zn-In-(Cd)铝合金牺牲阳极配方为基础，依据最新国产原料标准确定最佳合金元素范围，通过微合金化加入适量Mn和Si降低杂质元素Fe的不利影响，建立了一种高铁杂质含量的Al-Zn-In系阳极合金元素与杂质元素间的内在配比关系，其主要元素成分范围和杂质Cu、Fe、Si的含量范围是（以下均为重量百分比）：Zn的含量为5％～6.5％，In的含量为0.015%～0.020%，Mn≤0.20%；Fe≤0.20％；Si≤0.15％；Cu≤0.01％，因Mn和Si的熔点较高，熔炼时需以Al-Mn合金和Al-Si合金的形式加入。 

根据上述内在配比关系所设计的三元Al-Zn-In牺牲阳极在试验室常规测试及实海模拟测试中都表现出良好的电化学性能：开路电位≤-1.115V，工作电位在-1.050～-1.110V之间，实际电容量≥2600A．h/kg。 

本发明所述Al-Zn-In铝合金阳极对钢板水下平均阴极保护电位保持在-0.95V（SCE）左右。