專利名稱：一種耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于耐蝕金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前廣泛用于防腐蝕材料或涂層的金屬材料主要有鋅、鋁、鋅鋁合金、鋁鋅合金等。但在長江水環(huán)境中(1)由于Al的電極電位比鐵還正，故Al已不再具有以犧牲陽極形式保護(hù)Fe的功能，同時(shí)Al也會(huì)發(fā)生孔蝕，用作富Al涂料和噴Al涂層已不能保護(hù)鐵，反而會(huì)加速鐵的腐蝕[潘應(yīng)君，張恒，等.熱噴涂Zn-15％Al合金的耐蝕性研究.腐蝕與防護(hù)，Vol.23，No.12(2002)，P.526；張恒，等.熱噴涂Zn、Al，Zn-Al合金的耐蝕性研究.全國第十屆表面保護(hù)技術(shù)交流會(huì)論文集，2002年；潘應(yīng)君，張恒，等.Zn-Al合金在長江水中耐蝕性研究.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，Vol.15，No.4，(2003)，P.231]。
(2)而Zn的腐蝕率太大，尤其對水下的鋼鐵構(gòu)件，受到腐蝕生成白色疏松的腐蝕產(chǎn)物，比原有鋅體積脹大約10倍，易脫落，加大了Zn的損耗。
(3)鋅鋁合金雖然比純Zn在海水、淡水中耐蝕性都要好一倍以上[張恒，等.Al含量對Zn-Al合金耐蝕性的影響.工業(yè)建筑，Vol.31，No.9，增刊，(2001)，P.24；王蒲墩.日本溶射協(xié)會(huì)志Vol.17，(1980)，P.24]，Zn-15Al合金作為犧牲陽極材料雖然可使鋼結(jié)構(gòu)在各種水域中具有很好的耐蝕性能，但其電極電位仍不夠理想。
(4)鋁鋅合金作為犧牲陽極保護(hù)鋼基體，雖然其發(fā)電量較大，但腐蝕產(chǎn)物不易脫落，影響了犧牲陽極的效率。
鎂是極活潑的金屬，電極電位很低，標(biāo)準(zhǔn)電位為-2.37V，比鐵低2V，在3％NaCl水溶液中的穩(wěn)定電位為-1.72V，在人工海水中的穩(wěn)定電位為-1.5V～1.6V。與鋅、鋁金屬相比，鎂的單位面積所發(fā)生的電流最大，鎂的缺點(diǎn)是構(gòu)成電偶時(shí)腐蝕太快，有效電流效率低，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種熔點(diǎn)低、比重小、制備簡單、成本低、電位更負(fù)、既長效耐蝕又具有良好機(jī)械性能的耐蝕鋅基鋁鎂稀土(以下表述為Zn-15Al-5Mg-RE)合金，這種合金或制作耐腐蝕零件和構(gòu)件、或作為犧牲陽極材料、或加工成微粉制備耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金涂料。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是將75～85wt％的鋅、0～1wt％的稀土、12～18wt％的鋁、2～8wt％的鎂置入加熱爐內(nèi)，加熱至800～950℃熔煉，保溫10～30分鐘或用石墨棒攪拌10～30分鐘，在550～650℃條件下進(jìn)行澆鑄，或澆鑄成預(yù)加工的坯料，或澆鑄成鑄件后加工成微粉。其中鋅、鋁、鎂及稀土原料的純度為工業(yè)一級(jí)或一級(jí)以上；稀土為金屬鈰、鑭中的一種或兩種的混合物。
加熱爐或?yàn)檎婵崭袘?yīng)加熱爐、或?yàn)楦袘?yīng)加熱爐、或?yàn)楸Ｗo(hù)氣氛加熱爐。用真空感應(yīng)加熱爐熔煉時(shí)，將鋅、稀土、鋁、鎂原料一次裝料進(jìn)行熔煉；用感應(yīng)加熱爐、或保護(hù)氣氛加熱爐熔煉時(shí)，先將鋅置入加熱爐內(nèi)加熱至800～950℃熔煉，依次加入稀土、鋁，待其完全熔化后再加入鎂；用感應(yīng)加熱爐、或保護(hù)氣氛加熱爐熔煉加入鎂時(shí)，采用鋁皮包裹鎂，然后用石墨棒壓入合金熔體中熔化。
澆鑄成預(yù)加工的坯料或加工后使用、或熱處理后機(jī)加工使用。熱處理工藝為，380～400℃退火、360～380℃固溶處理、150～200℃時(shí)效；加工成微粉為機(jī)械制屑、粉碎、球磨或氣流磨的多級(jí)加工；粒度為300目～1200目。
由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明所制備的Zn-15Al-5Mg-RE合金不但具有和鋅、鋁同樣的犧牲陽極的作用，且其自身的腐蝕率卻僅為單質(zhì)鋅、單質(zhì)鋁或其合金的幾分之一。其原因是Zn-15Al-5Mg-RE合金中稀土的作用，細(xì)化了晶粒和組織、減少了枝晶長度和體積分?jǐn)?shù)，組織更加均勻，一方面由于降低了組織中的電位差引起的微電池腐蝕，降低了晶界腐蝕，且具有更負(fù)和更穩(wěn)定的電極電位，因而提高了合金的耐蝕性能，使Zn-15Al-5Mg-RE合金在人工海水、長江水(及其淡水)中具有比純Zn或Zn-15Al合金更好的耐蝕性能，其耐蝕性能比Zn提高5～6倍，比Zn-15Al提高2～3倍；另一方面也大大提高了合金的機(jī)械性能和耐磨性，因而所制備的Zn-15Al-5Mg-RE合金具有良好的鑄造、切削加工性能和力學(xué)性能，其力學(xué)性能為抗拉強(qiáng)度σb＝355～468MPa，屈服強(qiáng)度σs＝316～398Mpa，延伸率δ＝2.2～3.0％，硬度HB＝146～168，可作為黃銅、錫青銅、鋁青銅和鉛基巴氏合金的良好替代材料。
本發(fā)明所制備的Zn-15Al-5Mg-RE合金不僅具有具有優(yōu)越的耐腐蝕性能和機(jī)械性能，還具有熔點(diǎn)低、比重小、成本低、電位更負(fù)等特點(diǎn)。所制備的Zn-15Al-5Mg-RE合金適應(yīng)于抗海水腐蝕環(huán)境，尤其適應(yīng)于長江水的電化學(xué)特性和耐蝕性能環(huán)境，對長江水域的水利水電、港口、橋梁、船舶等防腐工程具有重要意義和廣泛的應(yīng)用前景。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述實(shí)施例1 一種Zn-15Al-5Mg-RE合金構(gòu)件的制備方法將純度為工業(yè)一級(jí)的78～83wt％的鋅、0.2～0.8wt％的金屬鈰和鑭、15～16wt％的鋁、3～5wt％的鎂置入感應(yīng)加熱爐內(nèi)熔煉。置入的次序?yàn)?，先將鋅置入加熱爐內(nèi)加熱至920～950℃，依次加入稀土、鋁，待其完全熔化后再加入鎂。加入鎂時(shí)采用鋁皮包裹鎂，再用石墨棒壓入合金熔體中熔化，然后用石墨棒攪拌10～30分鐘。在600～650℃條件下澆鑄成預(yù)加工的坯料，最后將坯料直接加工成耐腐蝕構(gòu)件。
實(shí)施例2 一種Zn-15Al-5Mg-RE合金的制備方法將純度至少達(dá)工業(yè)一級(jí)的78～83wt％的鋅、0.2～0.8wt％的金屬鈰、15～16wt％的鋁、3～5wt％的鎂一次置入真空感應(yīng)加熱爐內(nèi)，加熱至810～850℃熔煉，保溫10～30分鐘，在550～650℃條件下澆鑄成預(yù)加工的坯料。坯料經(jīng)熱處理、機(jī)加工后使用，熱處理工藝為380℃～400℃退火、360℃～380℃固溶處理，然后150℃～200℃時(shí)效。
本實(shí)施例1、2不僅具有熔點(diǎn)低、比重小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，并具有較純鋅或Zn-Al合金、或鋅鍍層、或Zn-Al合金鍍層更低的電極電位和更長效的耐腐蝕性能，特別適應(yīng)于長江水環(huán)境中的電化學(xué)特性和耐蝕性能，對長江水域的水利水電、港口、橋梁、船舶等防腐工程具有重要意義和廣泛的應(yīng)用前景。其使用效果的比較例如下比較例1 Zn-Al合金試樣在長江水中浸泡35天，表面開始有細(xì)微的白色斑點(diǎn)，隨時(shí)間的推移，白色斑點(diǎn)逐漸變大，表面還出現(xiàn)了黑色的塊狀薄膜，浸泡70天，Zn-Al合金的表面覆蓋了一層白色析出物；而本實(shí)施例在長江水中浸泡120天，其表面沒有明顯的變化。
比較例2 在長江水中進(jìn)行40天的電極電位測試Zn-Al合金在-950mV左右浮動(dòng)，而本實(shí)施例在-1025mV左右浮動(dòng)，其電位比鐵的電位要負(fù)得更多，故本實(shí)施例具有更好的耐蝕效果。
比較例3 在3.5％NaCl常溫水溶液中，當(dāng)腐蝕14小時(shí)后Zn-15Al合金試樣表面有較多的白色析出物，而且析出物可以連成線；Zn-15Al-5Mg-RE合金試樣表面有個(gè)別白色析出物。腐蝕168小時(shí)后，Zn-15Al合金表面的白色析出物已成鏈條狀，Zn-15Al-5Mg-RE合金表面的白色點(diǎn)狀物略有增大。測試Zn-15Al合金的電極電位在-1025～-1030mV波動(dòng)，而本實(shí)施例的電極電位在-1055～-1063mV波動(dòng)。表明本實(shí)施例對Fe更具有犧牲陽極保護(hù)作用。
在40℃和60℃的3.5％NaCl水溶液中，本實(shí)施例的電極電位始終穩(wěn)定在-1035mV左右；而Zn-15Al合金的電位偏高，且一直在上升，這可能是受到了腐蝕產(chǎn)物的影響。很明顯在無論在常溫、40℃和60℃的3.5％NaCl溶液中，本實(shí)施例的陰極保護(hù)作用更優(yōu)越。
比較例4 鹽霧腐蝕(35℃，3.5％NaCl)，其中Al試片47小時(shí)出現(xiàn)孔蝕點(diǎn)，Zn試片68小時(shí)出現(xiàn)鋅白，Zn-15Al試片295小時(shí)表面出現(xiàn)大量粉末覆蓋，試樣呈會(huì)褐色，而本實(shí)施例650小時(shí)才出現(xiàn)少量白色粉末。
比較例5 室溫3.5％NaCl水溶液浸泡，其中Zn試片120小時(shí)出現(xiàn)鋅白，Al試片92小時(shí)出現(xiàn)紅斑點(diǎn)，Zn-15Al試片356小時(shí)出現(xiàn)粉末覆蓋，而本實(shí)施例720小時(shí)變暗色，仍未出現(xiàn)粉末。
實(shí)施例3 一種Zn-15Al-5Mg-RE合金微粉的制備方法將純度為工業(yè)一級(jí)以上的78～83wt％的鋅、0.2～0.8wt％的金屬鈰、15～16wt％的鋁、3～5wt％的鎂置入感應(yīng)加熱爐內(nèi)熔煉，置入的次序?yàn)?，先將鋅置入感應(yīng)加熱爐加熱至810～850℃，依次加入稀土、鋁，待其完全熔化后再加入鎂。加入鎂時(shí)采用鋁皮包裹鎂，然后用石墨棒壓入合金熔體中熔化，用石墨棒攪拌10～30分鐘。然后在550～650℃條件下進(jìn)行澆鑄，澆鑄成鑄件后經(jīng)過車屑、粉碎，氣流磨的多級(jí)機(jī)械加工，粒度為400目～1000目。
本實(shí)施例用于申請人同日申請的“一種耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金涂料及其制備方法”專利技術(shù)，使用效果顯著。即以本實(shí)施例所制備的Zn-15Al-5Mg-RE合金微粉作為耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金涂料的主要原料，按照該申請所述的方法所制備耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金涂料，與富Zn油漆使用效果相比，效果更佳將耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金涂料(油漆)和富Zn油漆分別均勻噴涂在2mm厚的碳鋼試片上，漆膜厚度80到120μm，進(jìn)行鹽霧腐蝕。其中富Zn油漆試片72小時(shí)出現(xiàn)紅斑點(diǎn)，而以本實(shí)施例為原料制備的耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金涂料(油漆)在試片582小時(shí)仍未出現(xiàn)紅斑點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金的制備方法，其特征在于將75～85wt％的鋅、0～1wt％的稀土、12～18wt％的鋁、2～8wt％的鎂置入加熱爐內(nèi)，加熱至800～950℃熔煉，保溫10～30分鐘或用石墨棒攪拌10～30分鐘，在550～650℃條件下澆鑄，或澆鑄成預(yù)加工的坯料，或澆鑄成鑄件后加工成微粉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金的制備方法，其特征在于所述的鋅、鋁、鎂及稀土原料的純度為工業(yè)一級(jí)或一級(jí)以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金的制備方法，其特征在于所述加熱爐或?yàn)檎婵崭袘?yīng)加熱爐、或?yàn)楦袘?yīng)加熱爐、或?yàn)楸Ｗo(hù)氣氛加熱爐；用真空感應(yīng)加熱爐熔煉時(shí)，將鋅、稀土、鋁、鎂原料一次裝料進(jìn)行熔煉；用感應(yīng)加熱爐、或保護(hù)氣氛加熱爐熔煉時(shí)，先將鋅置入加熱爐內(nèi)加熱至800～950℃熔煉，依次加入稀土、鋁，待其完全熔化后再加入鎂。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金的制備方法，其特征在于所述的稀土為金屬鈰、鑭中的一種或兩種的混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金的制備方法，其特征在于所述的用感應(yīng)加熱爐、或保護(hù)氣氛加熱爐熔煉加入鎂時(shí)，采用鋁皮包裹鎂，然后用石墨棒壓入合金熔體中熔化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金的制備方法，其特征在于所述的坯料或加工后使用、或熱處理后機(jī)加工使用；熱處理工藝為，380～400℃退火、360～380℃固溶處理、150～200℃時(shí)效。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金的制備方法，其特征在于所述的加工成微粉為機(jī)械制屑、粉碎、球磨或氣流磨的多級(jí)加工；粒度為300目～1200目。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、6、7項(xiàng)中任一項(xiàng)所述的耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金的制備方法所制備的耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金。
全文摘要
本發(fā)明屬于耐蝕金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金及其制備方法。所采用的技術(shù)方案是將75～85wt％的鋅、0～1wt％的稀土、12～18wt％的鋁、2～8wt％的鎂置入加熱爐內(nèi)，加熱至800～950℃熔煉，保溫10～30分鐘或用石墨棒攪拌10～30分鐘，在550～650℃條件下進(jìn)行澆鑄，或澆鑄成預(yù)加工的坯料，或澆鑄成鑄件后加工成微粉。本發(fā)明制備的合金不僅具有優(yōu)越的長效耐腐蝕性能和機(jī)械性能，還具有熔點(diǎn)低、比重小、成本低等特點(diǎn)。適應(yīng)于制作耐腐蝕機(jī)械零件、犧牲陽極材料，尤其適用于加工成微粉制備耐蝕鋅基鋁鎂稀土合金涂料用于鋼鐵結(jié)構(gòu)防護(hù)，對長江水域的水利水電、港口、橋梁、船舶等防腐工程都具有重要意義和廣泛應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B22F9/00GK1851018SQ200610019099
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月18日
發(fā)明者從善海, 邱從明, 付強(qiáng), 吳潤, 邱玲慧 申請人:武漢科技大學(xué)