ПРОТЕКТОРНЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
ALUMINIUM-BASED PROTECTIVE ALLOY

Изобретение относится к металлургии протекторных сплавов на основе алюминия и может быть использовано при производстве протекторов для защиты от коррозии различных металлических сооружений и конструкций.
Известны многочисленные композиции протекторных сплавов на основе алюминия, широко применяемые в качестве материала протекторов для защиты от коррозии металлоконструкций.
Известен протекторный сплав на основе алюминия, который содержит в мас.% цинка 4-6, марганца 0,02-0, примеси, не более: железа 0,1, кремния 0,1, алюминий - остальное (сплав АП1, ГОСТ 26251-84). Сплав имеет следующие электрохимические характеристики: рабочий потенциал - 715-730 мВ; теоретическая токоотдача - 2880 А·ч/кг, коэффициент полезного использования - 75-80%.
Недостатками протекторного сплавов является нестабильность во времени электроотрицательного потенциала, свойств и характеристик сплава, низкие прочностные характеристики, не позволяющие изготавливать из них протекторы сложной конструкции (протяженные, не имеющие стального сердечника по все длине).
Известен протекторный сплав на основе алюминия, который содержит в мас.%: цинка 17,5-20, марганца 0,25-0,4, кальция 4,3-5,3, примеси, не более: железа 0,25, кремния 0,5, меди 0,001, алюминий - остальное (А.с. СССР N 263158, С22С 21/00, 1970, БИ №7).
Недостатками приведенного протекторного сплава является нестабильность во времени электроотрицательного потенциала, свойств и характеристик сплава, вызванная наличием химической и структурной неоднородности в отливках из-за повышенного содержания легирующих компонентов (цинк, кальций), выделяющихся в отдельные фазы (зачастую катодные по сравнению к основе сплава) и интерметаллидные включения.
Задачей изобретения является создание сплава, обладающего повышенным и стабильным во времени электроотрицательным защитным потенциалом и коэффициентом полезного использования, повышенной прочностью за счет снижения степени химической и структурной неоднородности и пористости литых протекторов, что обеспечивает эффективно защиту от коррозии металлических сооружений и конструкций.
Технический результат заключается в обеспечении достаточно высоких электрохимических характеристик и исключении опасности пассивации поверхности литых протекторов, изготовленных из предлагаемого сплава, а также повышении предела прочности на растяжение сплава. Этот технический результат достигается тем, что сплав, включающий алюминий, цинк, марганец и кальций, дополнительно содержит титан и магний при следующем соотношении компонентов, мас. %:
цинк
4,0-6,0
марганец
0,1-0,3
магний
0,5-2,5
титан
0,01-0,1
кальций
0,005-0,01,
алюминий
остальное
при ограничении содержания примесей, не более, масс %:
железо
0,1
медь
0,01
кремний
0,1
водород
0,35 см<sup>3</sup>/100 г Ме
Предлагаемый сплав имеет следующие электрохимические характеристики:
рабочий потенциал - 720-730 мВ;
теоретическая токоотдача - 2870-2890 А·ч/кг;
коэффициент полезного использования (КПИ) - 78-82%
За счет цинка в пределах 4-6 мас.% данный сплав можно использовать в качестве протектора в малопроводящих и не содержащих хлоридов средах.
Магний сдвигает электрохимический потенциал в отрицательную сторону, а также препятствует пассивации алюминиевого материала за счет активизации поверхностного слоя протектора.
Присутствие марганца в пределах 0,1-0,3 нейтрализует вредное влияние железа вследствие уменьшения склонности алюминиевых сплавов к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением.
Кальций в указанных количествах также нейтрализует вредное влияние железа, оказывает модифицирующее воздействие при кристаллизации на зернистую структуру, вследствие чего повышается предел текучести, предел прочности на растяжение. Добавки кальция смещают потенциал алюминиевого сплава в отрицательную область, препятствуют пассивации поверхности алюминиевого протекторного сплава в процессе работы протектора.
Титан, присутствуя даже в незначительных количествах, заметно повышает растворимость водорода в алюминии. При разных условиях титан активно растворяет и образует гидриды переменного состава. Таким образом происходит нейтрализация свободного водорода в алюминиевом сплаве. Также легирование титана увеличивает прочностные характеристики алюминиевого сплава.
Катодные примеси (железа, кремния, меди) при увеличении их содержания в протекторных сплавах выше допустимых значений значительно снижают основные электрохимические свойства алюминиевых протекторных сплавов за счет возникновения структурной неоднородности в отливках, выделяясь в отдельные фазы и интерметаллидные включения.
Ограничение содержания водорода в предложенном сплаве связано с отрицательным воздействием, образующихся при изготовлении литых протекторов, газовой пористости, которая способствует неравномерному их точечно-язвенному характеру растворения, что приводит к снижению токоотдачи и, как следствие, к уменьшению срока службы протекторов.
Для эксперимента были использованы сплавы на основе алюминия, содержащие железа не более 0,01%, кремния не более 0,1% и меди не более 0,01% с различным содержанием легирующих компонентов в заявленных пределах. Сплавы готовили в графитошамотных тиглях в печи сопротивления. Процесс приготовления сплавов осуществляли следующим образом: расплавляли алюминий, последовательно вводили расчетные навески марганца, лигатуры алюминий-титан и алюминий-кальций. Далее вводили цинк и магний. После расплавления всех компонентов шихты проводили перемешивание расплава. Далее проводили рафинирование расплава продувкой аргоном в течение 10 мин (min), с последующей выдержкой при температуре 730-740°С в течение 10-15 мин. Перед разливанием сплава поверхность расплава очищали от шлаковых и оксидных включений. Далее проводили разливку сплавов. Химический состав и электрохимические характеристики опытных сплавов приведены в табл.1.
Как видно из табл.1, сплавы №№2-5(а,б), содержащие легирующие компоненты в заявленных пределах, имеют стабильно высокие электрохимические характеристики, при этом наибольший разброс характеристик имеют сплавы с содержанием водорода выше заявленного (сплавы №№2-5в). Наилучшие характеристики показал сплав №3а.
Использование предлагаемого сплава по сравнению с прототипом (сплав 1) позволит применять литые протекторы с более стабильными электрохимическими характеристиками и высоким сроком службы протекторных материалов в условиях эксплуатации.
Таблица 1
№ спла-ва
Содержание элементов, %
Электрохимичес-кие характеристики
Al
Zn
Мn
Mg
Ti
Са
Водород, см<sup>3</sup>/100 г Me
-φ<sub>p</sub>, мВ
КПИ, %
1 А.с. 263158
остальное
17,5-20
0,25-04
-
-
4,3-5,3
-
710-725
70-80
Примеси, не более: 0,22 Fe; 0,4 Si; 0,001 Cu
2
а
4,2
0,12
0,7
0,018
0,005
0,12
724
79
б
0,34
722
78
в
0,51
720
70
3
а
5,7
0,28
2,2
0,091
0,009
0,18
728
80
б
0,32
726
79
в
0,48
722
74
4
а
5,2
0,20
0,9
0,026
0,007
0,09
730
82
б
0,29
728
79
в
0,53
722
71
5
а
4,8
0,24
0,7
0,054
0,005
0,07
726
80
б
0,032
724
78
в
0,51
720
73