浅析A21铝合金阳极的铸造

2019-06-06向延平陈妃春

广船科技 2019年1期

向延平陈妃春吴志

（广船国际质量管理部、新产业经营部）

0 前言

牺牲阳极材料是一类特殊的电化学功能材料，在金属防腐工程中应用广泛。常用的有锌基、镁基和铝基合金三种牺牲阳极材料。目前，应用于海水介质中的船舶、海洋工程设施保护的牺牲阳极材料主要为锌基和铝基合金两种。锌基合金阳极比重大，发生电量小，驱动电位不高，且在高温条件下易于极化，一般用于电阻率较低的环境，锌阳极的使用已有100多年的历史。铝基合金阳极比重小，电流效率高，发生电量大，具有独特的电化学性能，最高理论电容量达到了298OA•h/kg，驱动电位适中，来源丰富，铝的产量仅次于钢铁，是一种迅速发展起来的新型牺牲阳极材料，在海洋工程设施的防腐保护方面的采用也越来越多。铝阳极的研究起步也较晚，上世纪六十年代才开始。

国家标准GB/T4948-2002《铝-铟-锌系合金牺牲阳极》。将铝-铟-锌系合金牺牲阳极分为单铁脚焊接式、双铁脚焊接式、螺栓连接式三类五种，分别为铝-铟-锌-镉、铝-铟-锌-锡、铝-铟-锌-硅、铝-铟-锌-锡-镁、铝-铟-锌-镁-钛合金牺牲阳极；其中前四种为1型，分别为A11、A12、A13、A14，其实际电容量要求大于2400Ah/kg。铝-铟-锌-镁-钛合金牺牲阳极为2型，即A21型，要求实际电容量大于2600Ah/kg。但多年的生产，这种A21型铝合金阳极的实际电容都未达到2600Ah/kg，通过课题组一段时间的持续改进，试制生产的A21铝阳极的电容量多数达到了标准要求。

1 牺牲阳极阴极保护原理

电化学腐蚀是金属腐蚀的主要破坏形式，它是指金属与电解质溶液、水溶液之间发生了电化学反应，在反应过程中有电流产生，电流愈大，腐蚀愈严重。牺牲阳极法阴极保护是基于电化学腐蚀原理的电化学保护方法。通过将被保护金属与电位较负的金属（牺牲阳极）直接相连，电位较负的阳极在电解质中优先腐蚀产生电子，释放的电子为电位较正的被保护金属提供阴极保护电流，阳极不断溶解产生电流持续对阴极进行阴极极化，从而达到抑制腐蚀，保护阴极的目的。阴极保护是通过在电偶电池中与较低电位的阳极金属相偶接，以加速阳极金属腐蚀溶解、消耗牺牲为代价而实现。

采用牺牲阳极对金属设施进行阴极保护，能够大大延长其使用寿命，而且所需费用仅为被保护物造价的1%～2%（表面无保护层）或0.1%～0.2%（表面有保护层）。

牺牲阳极必备条件：具有足够负的稳定电位；工作中阳极极化率小，溶解均匀；有较高的电流效率；电化学当量高。

2 A21铝合金阳极的元素分析

课题组探索采用的A21铝合金阳极化学成分表见表1。

合金元素的作用如下：

Zn是铝合金牺牲阳极的最主要合金元素，Zn使铝阳极成分均匀，易合金化，腐蚀产物易脱落，阳极电位随锌含量增加而负移0.1～0.3伏，但锌含量超过5%以后，电位不再下降。Zn的存在增加了保护层中的缺陷，并和其他合金元素（Sn，In)等一起，有效地降低纯铝表面氧化膜的稳定性。

In使铝合金阳极孔蚀的速度减慢，表面腐蚀趋于均匀，In作为活化元素，使合金性能优良，In含量在0.01%～0.05%时，就可使电位变负，电流效率显著提高，但高于0.1%时，自腐蚀增大，电流效率下降。In还能抑制Fe、Si等杂质的影响。

Mg在铝中的溶解度大，可以改善材料的电流效率，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，降低自腐蚀速率。

Ti-Al合金中加人少量Ti就可以形成高熔点的Ti-Al，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，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。

表1 A21铝合金阳极化学成分

表2 铝-铟-锌系合金牺牲阳极的电化学性能

Cu在铝合金阳极中是有害元素，即使仅含0.019%时也会造成孔蚀，而且腐蚀产物在阳极表面附着牢固，很容易造成电偶腐蚀，影响阴极保护特性。

含Si的铝合金具有极好的铸造性能和抗蚀性，因Si的密度和线膨胀系数都比铝小，可提高合金的流动性，含量在0.041～0.212%时有助于减少电偶腐蚀，并在－定程度上降低阳极电位，改善阴极保护特性；而过多Si的存在会起相反的作用，导致非均匀腐蚀并增加电偶腐蚀倾向。

Fe含量较大时会形成FeAl3而增加孔蚀倾向，从而降低阴极保护特性。在用99%Al制备的阳极中，由于Fe能阻止In向Al中扩散和形成Al－In合金表面，使In不能起到活化作用。

3 A21铝合金阳极的熔铸生产

试产浇铸的A21铝合金阳极零件图见图1。

采用的铸铁模如图2，为使铸件表面质量好，铸铁模的内腔的光洁度必须保证。浇铸浇注温度为：720～740℃；石墨模具浇铸，浇注零件重量：20Kg/件；铁条尺寸650×50×6。浇注示意图如图3；

零件1为铸造铁模；零件2、零件6为左、右压铁封口块；零件3、零件5为两件上盖板，上留有一个浇注圆孔；零件4为阳极用于焊接的铁条。

采用的熔炼设备为1吨中频电炉。熔炼时，全部炉料的化学成份必须清晰，配料准确。炉料必须干净，无油污、水分、硫酸盐、泥沙等。炉料在投入炉内前要预热，一般可放炉旁预热至200～300℃。熔炼用工具如搅拌棒、扒渣钩、浇包及夹料钳等需预先准备并清理好。与合金液直接接触的工具应放炉旁预热，浇包在装盛合金液前要烘干透。严格控制熔炼时间，加快熔炼速度，实行快速熔化。要严格控制熔炼温度和浇注温度在范围之内。合金熔化加入合金元素之后和浇注前应加以充分搅拌（一般旋转搅拌，而比重较大，又不相互熔合的合金要求由下而上不断搅拌，直到浇注完毕为止，但对含有易氧化各易挥发成份的合金不宜过分翻动）。每炉合金熔炼完毕，均需在炉前检验熔炼质量情况，经炉前检验合格才能浇注铸件。

4 铝合金牺牲阳极的电容量测试

牺牲阳极的电化学性能是评价牺牲阳极好坏的最直接的指标，实际电容量用来衡量牺牲阳极的放电性能，电流效率越高越好。牺牲阳极的表面腐蚀要均匀，腐蚀产物易脱落，在电流效率和溶解均匀性之间，即使电流效率稍低－些，也要保证阳极的溶解性均匀。

采用国家标准GBT17848-1999《牺牲阳极电化学性能试验方法》的常规实验法测试电容，即在规定的周期内（10天），对阳极试样通以恒定电流，每天测量阳极试样的工作电位。实验结束后，计算阳极试样的电容量和电流效率，并观测阳极试样的溶解情况。试样图形见图4。

课题组进行了多批次的A21铝合金阳极浇铸试制，其中的十批次的电容量最佳结果实测数据如下：

（1）2536.07Ah/kg、（2）2557.06Ah/kg、（3）2575.52Ah/kg、（4）2635.26Ah/kg（T）、（5）2641.57 Ah/kg（T）、（6）2607.12Ah/kg（T）、（7）2624.51Ah/kg（T）、（8）2607.12Ah/kg（T）、（9）2624.51Ah/kg（T）、（10）2655.86Ah/kg（T）。

数据后带有（T），表示该批次试制生产A21铝合金阳极，在铸造成型后进行了固溶或退火热处理。

5 A21铝合金阳极的热处理

铝合金阳极热处理的主要方式为固溶和退火，

图2 浇注铝阳极铁模

图3 A21铝阳极浇注示意图

图1 A21铝合金阳极零件图

图4 铝阳极电化学性能实验试样图

固溶也就是淬火，使可溶相溶入固溶体基体中，增大元素Zn、In等在固溶体中的溶解度，固溶强化铝合金，使强度和硬度得到提高，塑性良好。试制采用的热处理方式主要为余热退火处理，1吨中频电炉试制完成，待炉膛温度降至退火温度550℃后，铸好的A21铝合金阳极入炉，炉冷至第二天出炉；退火主要目的是使合金元素充分扩散，均匀成分。