防腐用鋁基陽極材料

前言

　　腐蝕是金屬構(gòu)件破壞的主要形式之一，腐蝕問題存在于工程建設(shè)的各個領(lǐng)域。2009年4月在安徽召開的第四屆國際腐蝕控制大會上，中國工程院院士報告指出，我國2008年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失已超過9000億元，相當(dāng)于每人每年承擔(dān)約800元的腐蝕損失，但從目前世界防腐技術(shù)的發(fā)展來看，有25％～45％的腐蝕損失是能避免的，大力發(fā)展防腐技術(shù)已成為減少腐蝕損失、推進(jìn)資源節(jié)約的迫切需要。因此，金屬腐蝕與防護(hù)的問題受到人們的廣泛關(guān)注，也是材料學(xué)科的一個重要研究領(lǐng)域?！　∑褚寻l(fā)展出多種腐蝕防護(hù)方法，形成了許多應(yīng)用于工業(yè)上的腐蝕控制措施，如通過正確選擇金屬材料、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計以實現(xiàn)防腐目的；通過調(diào)整改變環(huán)境介質(zhì)的狀態(tài)或工藝條件控制腐蝕過程的發(fā)展；直接在金屬表面涂覆防腐蝕涂鍍層，實現(xiàn)金屬與環(huán)境介質(zhì)之間的物理阻隔，防止或減緩腐蝕反應(yīng)的進(jìn)行；此外，陰極保護(hù)和陽極保護(hù)是另一種有效的、具有較高技術(shù)含量的腐蝕控制措施?！　￡帢O保護(hù)和陽極保護(hù)都屬于電化學(xué)保護(hù)技術(shù)。陰極保護(hù)是對處于環(huán)境介質(zhì)中的金屬構(gòu)件施加較小且穩(wěn)定的陰極性直流電流，通入陰極電流后，金屬發(fā)生陰極極化，抑制金屬的腐蝕溶解，從而達(dá)到腐蝕控制的目的。陽極保護(hù)則是對環(huán)境介質(zhì)中的金屬構(gòu)件施加陽極性直流電流，當(dāng)金屬通入一定條件的陽極電流后，金屬發(fā)生陽極極化，電位變正并進(jìn)入鈍化狀態(tài)，通過在金屬表面產(chǎn)生的鈍化膜，建立起穩(wěn)定的鈍態(tài)特征，從而阻止腐蝕反應(yīng)進(jìn)行，實現(xiàn)控制腐蝕的目的。　　陰極保護(hù)法又根據(jù)電流來源的不同分為外加電流法和犧牲陽極法。前者是利用外加直流電源，將被保護(hù)金屬與電源負(fù)極相連，使金屬發(fā)生陰極極化；后者是將被保護(hù)金屬與電位更負(fù)的金屬（陽極）連接，構(gòu)成電流回路，使被保護(hù)的金屬發(fā)生陰極極化，抑制或減緩金屬的腐蝕?！　奚枠O保護(hù)法是一種較為成熟的電化學(xué)保護(hù)方法，由于其具有不需要外加電源、不會干擾鄰近設(shè)施、設(shè)備簡單、施工方便、不需要經(jīng)常維護(hù)等優(yōu)點，目前在工程上被廣泛使用，在有些場合甚至必須采用這種保護(hù)方法。近年來，隨著海上油田的開發(fā)，大量犧牲陽極被用于保護(hù)采油平臺及海底管線。據(jù)日本中川防蝕公司對安裝的海上石油平臺防腐系統(tǒng)的統(tǒng)計，約90%以上的采油平臺和海底輸油管線采用犧牲陽極保護(hù)。這種保護(hù)法的經(jīng)濟效益顯著，例如，在一艘海船的建造費用中，若用涂裝保護(hù)，涂裝費占5%，而用犧牲陽極保護(hù)，犧牲陽極的材料費和施工費不超過1%。又如一座海上采油平臺建造費用1億元，而犧牲陽極的防腐費用僅需100萬～200萬元。且在該保護(hù)條件下可以使用20年以上，若不采用該方法保護(hù)，平臺壽命只有5年。因此犧牲陽極法具有低成本、高效益的優(yōu)點，它是目前最重要的電化學(xué)保護(hù)方法之一?！　∽鳛闋奚枠O保護(hù)法使用的陽極材料在該技術(shù)領(lǐng)域扮演著重要角色。其中工業(yè)領(lǐng)域使用的犧牲陽極材料最具有代表性的是鋅基合金、鎂基合金和鋁基合金。鋅基合金是最早使用的犧牲陽極材料，鋅的標(biāo)準(zhǔn)平衡電位為-0 762V（SHE），鐵的標(biāo)準(zhǔn)平衡電位為-0 441V（SHE），雖然鋅陽極與鐵的有效電位差不大，但鋅陽極有極高的電流效率。鎂的標(biāo)準(zhǔn)平衡電位為-2 34V（SHE），與鐵的有效電位差大，但鎂的自腐蝕很強烈，所以鎂陽極的電流效率不高。在三類犧牲陽極材料中，鋅陽極和鎂陽極材料研究與應(yīng)用比較成熟，鋁陽極研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速。作為犧牲陽極材料，鋁合金相對于鎂基、鋅基合金具有電流效率較高、驅(qū)動電位適中、實際電容量大（是鋅陽極的3 6倍、鎂陽極的1 35倍）等優(yōu)點，是最理想的陽極材料?！　”緯凿X基犧牲陽極合金的成分設(shè)計、材料制備、性能檢測、組織與性能的關(guān)系為主線，較全面地介紹了不同成分體系的鋁基犧牲陽極材料。全書共分7章，第1、2章簡要介紹了金屬的腐蝕與防護(hù)，金屬腐蝕的基本原理，這些內(nèi)容是犧牲陽極材料設(shè)計的理論基礎(chǔ)；第3章介紹了犧牲陽極保護(hù)方法，其中闡明了犧牲陽極保護(hù)、測試方法；第4、5章較詳細(xì)地介紹了高性能Al?Zn?In系陽極合金、無銦Al?Zn?Sn合金的合金化及不同成分合金組織與性能的關(guān)系；第6章介紹了鋁基犧牲陽極材料的熱、冷加工工藝對合金組織性能的影響；第7章介紹了鋁基犧牲陽極保護(hù)的工業(yè)應(yīng)用?！　”緯闹饕獌?nèi)容是作者多年從事鋁基犧牲陽極材料研究成果的總結(jié)。第1、2、4、6章由馬景靈博士撰寫；第3、5、7章由賀俊光博士撰寫；全書由文九巴教授規(guī)劃設(shè)計、編寫大綱，并修改、統(tǒng)稿；河南科技大學(xué)任鳳章教授主審。河南科技大學(xué)研究生王國偉、盧現(xiàn)穩(wěn)、李元貞、焦孟旺、郭煒、史志紅、郝慶國、李君峰、李高林等參加了部分實驗研究工作?！　”緯薪榻B的研究成果以及本書的撰寫得到了河南省科技創(chuàng)新杰出人才計劃（項目號094200510019）、河南省自然科學(xué)基金（項目號092300410132）、洛陽市科技攻關(guān)項目（項目號0701025A）、河南科技大學(xué)學(xué)科建設(shè)經(jīng)費的支持。　　本書在撰寫過程中，參考了大量的相關(guān)文獻(xiàn)資料，主要文獻(xiàn)列于章節(jié)后，在此謹(jǐn)向所有參考文獻(xiàn)的作者表示衷心感謝。同時也得到河南科技大學(xué)許多有關(guān)同志的熱忱幫助和支持，化學(xué)工業(yè)出版社對本書的出版付出了辛勤的勞動，在此一并表示感謝?！　∮捎谒接邢蓿又畷r間倉促，書中難免存在不當(dāng)之處，敬請廣大讀者提出寶貴意見。　　作者　　2012年1月于洛陽

內(nèi)容概要

　　《防腐用鋁基陽極材料》以防腐用鋁基陽極合金的成分設(shè)計、材料制備、性能檢測、組織與性能的關(guān)系為主線，在簡要介紹金屬的腐蝕與防護(hù)、金屬腐蝕的基本原理的基礎(chǔ)上，重點介紹了防腐用鋁基陽極材料。主要內(nèi)容包括：高性能Al Zn In系陽極材料合金化及不同成分合金組織與性能的關(guān)系；無銦Al Zn Sn系合金中各合金元素的作用、合金組織與電化學(xué)性能的關(guān)系；鋁合金陽極材料的熱、冷加工工藝對合金組織性能的影響；同時也介紹了鋁基犧牲陽極保護(hù)的工業(yè)應(yīng)用?！　　斗栏娩X基陽極材料》可供從事金屬材料、金屬腐蝕與防護(hù)、電化學(xué)腐蝕等領(lǐng)域的科研人員、工程技術(shù)人員以及大專院校的教師和研究生參考。

書籍目錄

第1章 材料的腐蝕與防護(hù)概述1.1 材料的腐蝕1.1.1 材料腐蝕含義1.1.2 腐蝕現(xiàn)象特點1.2 材料腐蝕與防護(hù)在國民經(jīng)濟中的作用1.3 材料腐蝕的分類1.3.1 按腐蝕環(huán)境和因素分類1.3.2 按腐蝕形貌分類1.3.3 按反應(yīng)機理分類1.3.4 按材料、設(shè)備種類分類1.4 材料防護(hù)的基本途徑1.4.1 防腐蝕技術(shù)基本思路1.4.2 材料/環(huán)境界面技術(shù)1.4.3 電化學(xué)保護(hù)技術(shù)1.4.4 陰極保護(hù)1.4.5 陽極保護(hù)1.5 犧牲陽極材料1.5.1 鎂和鎂合金1.5.2 鋅和鋅合金1.5.3 鋁和鋁合金參考文獻(xiàn)第2章 金屬腐蝕的基本原理2.1 化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕2.1.1 化學(xué)腐蝕2.1.2 電化學(xué)腐蝕2.2 腐蝕損傷與破壞形式2.2.1 全面腐蝕2.2.2 局部腐蝕2.3 金屬腐蝕程度的表示方法與金屬耐蝕性評定2.3.1 均勻腐蝕的腐蝕程度與評定方法2.3.2 局部腐蝕的腐蝕程度與評定方法2.4 環(huán)境的腐蝕性2.4.1 大氣腐蝕2.4.2 海水腐蝕2.4.3 土壤腐蝕2.4.4 微生物腐蝕2.5 影響腐蝕的主要因素2.5.1 冶金因素對腐蝕的影響2.5.2 環(huán)境因素對電化學(xué)腐蝕的影響2.5.3 其他因素參考文獻(xiàn)第3章 犧牲陽極保護(hù)方法3.1 犧牲陽極法陰極保護(hù)原理3.1.1 電極電位和電偶序3.1.2 電極反應(yīng)3.1.3 極化曲線和極化圖3.1.4 電位 pH圖3.2 犧牲陽極法陰極保護(hù)的特點3.2.1 犧牲陽極法陰極保護(hù)3.2.2 犧牲陽極法陰極保護(hù)特點3.3 犧牲陽極法陰極保護(hù)的主要參數(shù)3.3.1 保護(hù)電位和保護(hù)電位范圍3.3.2 保護(hù)電流密度3.3.3 保護(hù)度和保護(hù)效率3.4 陰極保護(hù)測試方法3.4.1 電位測試方法3.4.2 電流測試方法3.4.3 電阻測試方法參考文獻(xiàn)第4章 Al Zn In系犧牲陽極材料4.1 Al Zn In系陽極材料的合金化4.1.1 合金化原則4.1.2 合金元素的選擇4.2 Al Zn In Mg Ti (Ce，Mn，Si)犧牲陽極材料4.2.1 不同銦含量鋁合金陽極材料電化學(xué)性能4.2.2 Mg、Ti對鋁陽極合金電化學(xué)性能的影響4.2.3 Ce、Mn、Si對合金組織與電化學(xué)性能的影響4.3 Al Zn In Mg Ti (Ce、Mn、Si)合金中的偏析相4.3.1 鑄態(tài)合金XRD分析4.3.2 SEM及EDAX分析4.3.3 時效合金XRD分析4.3.4 合金TEM及SAED分析4.4 偏析相對Al Zn In Mg Ti (Ce、Mn、Si)合金腐蝕行為的影響4.4.1 偏析相合金及模擬合金的制備4.4.2 偏析相合金的XRD分析4.4.3 偏析相合金電化學(xué)性能分析4.4.4 模擬合金腐蝕形貌分析4.4.5 合金原位腐蝕形貌分析4.5 Al Zn In系合金在NaCl溶液中腐蝕形貌及電化學(xué)阻抗譜4.5.1 鋁合金陽極材料溶解機理4.5.2 合金在NaCl溶液中的腐蝕形貌4.5.3 點蝕4.5.4 溶解 再沉積4.5.5 合金熱力學(xué)分析4.5.6 合金腐蝕過程中電化學(xué)阻抗譜分析4.6 Al Zn In系合金腐蝕機理4.6.1 合金元素作用4.6.2 偏析相的影響4.6.3 活化機理4.6.4 溶解過程參考文獻(xiàn)第5章 Al Zn Sn系犧牲陽極材料5.1 Al Zn Sn系陽極材料的合金化及合金元素的選擇5.2 Al Zn Sn系陽極材料的設(shè)計5.2.1 Al Zn Sn系陽極材料的種類5.2.2 Al Zn Sn Ga陽極材料5.2.3 Al Zn Sn Ga Bi陽極材料5.2.4 Al Zn Sn Ga Mg陽極材料5.3 Al Zn Sn系陽極材料組織與性能的關(guān)系5.3.1 晶粒度對陽極材料電化學(xué)性能的影響5.3.2 第二相對陽極材料電化學(xué)性能的影響5.4 Al Zn Sn Ga合金在NaCl溶液中的腐蝕行為5.4.1 合金在NaCl溶液中的腐蝕形貌演變5.4.2 合金在NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗5.4.3 合金腐蝕模型5.5 Al Zn Sn Ga合金的點蝕行為5.5.1 Al Zn Sn Ga合金循環(huán)極化曲線5.5.2 Al Zn Sn Ga合金點蝕形貌5.5.3 Al Zn Sn Ga合金點蝕機理參考文獻(xiàn)第6章 鋁基陽極材料的熱、冷加工6.1 熱處理工藝與合金的組織性能6.1.1 Al Zn In Mg Ti Si合金6.1.2 Al Zn Sn合金6.2 熱、冷變形與合金的組織與性能6.3 變形再結(jié)晶與Al Zn Sn Ga Bi合金的組織性能6.3.1 再結(jié)晶溫度Tm及臨界變形量Ψ6.3.2 變形合金電化學(xué)性能6.3.3 變形合金顯微組織參考文獻(xiàn)第7章 鋁合金犧牲陽極保護(hù)的應(yīng)用7.1 工程用鋁合金犧牲陽極保護(hù)7.1.1 船體用鋁合金犧牲陽極7.1.2 儲罐內(nèi)用鋁合金犧牲陽極7.1.3 港工和海洋工程設(shè)施用鋁合金犧牲陽極7.1.4 海水冷卻系統(tǒng)用鋁合金犧牲陽極7.1.5 壓載水艙用鋁合金犧牲陽極7.1.6 埋地管線用鋁合金犧牲陽極7.1.7 犧牲陽極的組裝與鋼芯7.2 鋁合金犧牲陽極保護(hù)設(shè)計7.2.1 鋁合金犧牲陽極的選擇7.2.2 陰極保護(hù)的設(shè)計計算7.3 犧牲陽極安裝和保護(hù)效果檢測7.3.1 陽極的分布與安裝7.3.2 保護(hù)效果檢測參考文獻(xiàn)

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