本发明属于钢材防腐蚀表面工程领域，具体涉及添加mg、ga、zn用于改善阳极不足和不均匀腐蚀的al-si牺牲阳极。
背景技术：
1、热镀锌是钢材应对腐蚀问题的主要方法，在生产生活的诸多方面得到广泛的应用，因此热镀锌工业得到大规模发展。但有限的锌资源无法满足锌消耗迅速增加的需求，而铝是最有望替代锌的钢铁热浸镀用新材料。热浸镀铝对钢材基体具有很好的防护能力，但铝镀层易生成致密的氧化物而钝化，会致使牺牲阳极保护性能不足。
2、钢铁工件受到镀液的高温润湿，其中的铁元素会逐渐渗透进入镀液，而工业化的连续热浸镀铝生产线为了追求生产效率，往往不能及时更换镀液。随着生产的进行，镀液中的铁含量会逐渐饱和，即镀液中fe的质量百分比接近3.5。在连续热浸镀铝的反应过程中，镀液中的铁与铝、硅元素生成的fe-al-si化合物出现在镀层表面。fe-al-si化合物的自腐蚀电位一般为-310±30mvvs sce，远高于si相电极电位为-450±10mvvs sce，经测试添加si含量在10wt.％时，与al、fe形成的τ6相在一定程度上有利于降低合金整体电极电位，α-al基体电极电位为-823mvvs sce，仍达不到牺牲阳极驱动电位要求，直接影响连续热浸镀铝合金产品的应用。因此，al-10si镀层合金在钢铁构件的阴极保护效果仍需进一步进行优化，其中在cn202211547246.1的工艺中通过变温退火来实现含铁金属间化合物的转变，使得铝牺牲阳极镀层晶粒细化，改善阳极性能和机械性能，zn在其中的主要作用是增强熔融合金与钢材之间的反应，降低热浸镀温度，缩短热浸镀时间，使牺牲阳极镀层的电位负移。其变温退火复杂，且未考虑腐蚀后合金形貌如何。cn202310569621.0中加入mg后主要发挥其第二相优先溶解活化作用，但是忽略了活化元素mg可能在合金晶粒边界或晶内大量沉积或偏聚现象，这种偏聚会影响合金的力学性质以及腐蚀不均匀的问题，具体可能表现为大量活化元素在晶界富集可能导致晶界脆性增加，使合金的强度和韧性下降。
3、牺牲阳极时，一些腐蚀产物会附着在合金表面并难以自行脱落，从而造成牺牲阳极途径受阻，效率降低等问题，若使用人工处理，又会造成生产进度受阻，生产成本加大。在牺牲阳极耐腐蚀要求达到后，合金在腐蚀过程中腐蚀表面是否均匀，腐蚀产物是否易脱落，若腐蚀产物附着在基体上从而导致阻碍反应的进行，另一方面更易脱落减少腐蚀产物与合金内部再次发生腐蚀导致保护基体失效，腐蚀产物易脱落有利于提高合金的利用率。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明通过通过添加适量的zn、mg、ga、fe能有效提升al-10si镀层合金的牺牲阳极性能和切边保护性能，并且腐蚀产物易脱落，实现均匀性腐蚀，适用于钢铁构件的阴极保护。
2、本发明为了研究腐蚀后合金形貌以及腐蚀产物是否易脱落的情况，在al-10si中加入ga、zn，其在基体中的存在形式都为固溶，将ga和zn共同添加，不仅仅可以进一步提高合金整体的强度和硬度，也会因同时加入时ga、zn离子固溶在基体的不同空位处，使合金晶体结构发生变化，使cl-更容易穿过，从而加快腐蚀速率，另外加入mg是鉴于发挥其可与si形成mg2si阳极相，两种活化作用方式三元素耦合改变了合金的物理和化学性质，综合利用这两种活化机理可以更全面地改善合金的性能，进一步又提高牺牲阳极性能且保证腐蚀形貌的均匀性。同时提升镀层合金的牺牲阳极保护性能和耐蚀性能，实现镀层合金在铁饱和状态下的表面活性，牺牲阳极保护性能和耐蚀性能大大提升。
3、为了实现上述目的，本发明采用的技术方法为：
4、本发明提供的阳极镀层合金，按元素重量比，其组成为zn:2％，mg：1.5％，ga：0.05-0.2％，si：10％，fe 0～3.5％，其余为al和不可避免的杂质。
5、作为优选：mg的加入量为1.5％；zn的加入量为2.0％，ga的加入量为0.1％。当合金含量为al-10si-fe-2zn-1.5mg-0.1ga可达牺牲阳极性能要求，组织均匀和腐蚀产物易脱落。
6、本发明提供了一种连续热浸镀用al-10si-fe-2zn-1.5mg-ga阳极镀层合金及其制备方法，包含如下步骤：
7、(1)连续热浸镀用al-10si-zn-mg-ga阳极镀层合金的熔制：
8、在标准大气压，动态的氩气和4％氢气保护下的环境中，在无氧井式炉，将al-si中间合金完全熔化去除浮渣后，720℃保温10分钟，加入按重量百分比配置的al粒，配制al-10si合金溶液；其次将纯铁加入，800℃保温并多次搅拌直至铁完全熔化；再依次加入铝箔包裹的纯镁、纯镓、粒纯锌，搅拌均匀，保温20-30分钟；
9、所述硅提供al-12.24si中间合金的形式加入，铁、镁、锌、镓的纯度均大于99.9％。
10、纯镁粒、纯锌粒和纯镓粒采用纯铝箔包裹，压入合金溶液底部，减少锌、镁、镓的消耗。
11、(2)浇注前将铸铁模具进行400℃预热20分钟。
12、(3)将合金溶液充分搅拌后，静置保温30min，通过刚玉工具去除表面浮渣，将镀层合金溶液导入模具，空冷后取出。
13、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
14、(1)在本领域中，通常fe在铝基阳极材料中的存在是被定义为杂质有害元素。但是在al-10si-2zn-1.5mg-0.1ga中添加3.5wt.％的fe后测试，发现：含fe合金腐蚀电位相比于未添加fe的合金电位更负，牺牲阳极性能更优，合金也由局部不均匀腐蚀逐渐转变为全面均匀性腐蚀。加入fe后，合金中出现fe-al-si相，合金腐蚀速率随腐蚀时间延长逐渐加快，并且腐蚀过程中腐蚀界面几乎没有腐蚀产物膜附着，因此al-10si-3.5fe-2zn-1.5mg-0.1ga合金的平均腐蚀速度大于al-10si-2zn-1.5mg-0.1ga，fe-al-si化合物受到腐蚀后碎裂分解为小块，腐蚀产物不易附着，腐蚀产物膜的完整性降低，说明fe元素可以加快合金表面腐蚀产物膜的生成与剥落溶解的过程，有助于提升镀层合金的牺牲阳极性能。
15、(2)添加zn可以使镀层合金的自腐蚀电位负移，增大自腐蚀电流密度，提升镀层合金的腐蚀倾向，并且添加zn后溶解更加均匀。在腐蚀的过程中会使铝基体优先腐蚀，生成絮状的腐蚀产物，控制腐蚀速率。其次在fe-al-si化合物中固溶的少量锌可以促使点蚀的产生，进而增大腐蚀倾向。mg在铝基体中可以与si反应生成mg2si阳极相，该相偏聚于铝基体中，因该电极电位较负，所以会被优先被活性溶解，加速了铝基体的腐蚀。在钢材的阳极保护应用中，另外一部分的mg在镀层合金中还会同al反应生成汉字状π-al9si5mg3fe相在fe-al-si化合物周围分布，并且由于该相电位较正可作为阳极相，与fe-al-si化合物形成电偶腐蚀，增加了fe-al-si化合物的腐蚀倾向，基体内部进一步腐蚀反应发生，增大从内部突破外部钝化膜的途径。ga的主要活化机理为：“溶解-再沉积”，在电解质中，铝和固溶在铝基体中的ga，被氧化成离子进入溶液里，ga阳离子获得铝基上的电子，沉积到铝表面，ga阳离子的沉积使铝的氧化膜局部溶解，从而破坏铝的钝化膜，使铝基体得到活化，在合金表面形成点蚀。点蚀突起的过程可将氧化膜顶裂，进而裸露出新鲜的基体，从而加速铝合金的自腐蚀，提高了铝合金的牺牲阳极能力。
16、(3)共同添加zn、ga比单独添加zn或ga，不仅仅进一步使电负性大幅度降低，并且使组织形貌更均匀，腐蚀更均匀，这是因为由zn、ga活化特性和穿透性极强的离子在合金表面引起。
17、(4)添加mg、ga、zn三元素耦合会使镀层电荷转移电阻下降幅度较大，破坏钝化膜作用明显，从而增加了镀层表面的活性位点，突破氧化膜的阻碍，基体发生均匀性溶解，获得了较为稳定的腐蚀速率，提升了镀层整体活性，更好得实现了阴极保护作用；另外，由于ga、zn固溶于基体中，与mg促进合金整体组织更加均匀，腐蚀产物较少得附着在基体表面，从而减少因腐蚀产物过多导致牺牲阳极途径受阻，效率降低等问题。
18、(5)两种活化作用方式三元素耦合改变了合金的物理和化学性质，综合利用这两种活化机理可以更全面地改善合金的性能，进一步又提高牺牲阳极性能且保证腐蚀形貌的均匀性。在al-10si合金中加入mg、ga、zn的顺序为先加入mg，再加入ga，最后再加入zn。mg、ga和zn在al-si合金中的协同作用体现在可以促进共晶相的形成，并在合金中形成强化相，这些强化相可以有效地抑制晶间腐蚀和提高合金的强度。当合金含量为al-10si-2zn-1.5mg-0.1ga可达到保护钢铁构件牺牲阳极性能要求，组织均匀和腐蚀产物易脱落。
19、本发明的方法操作简单，成本低廉，能很好的实现对fe-al-si化合物的活化，同时促进镀层的均匀性腐蚀，牺牲阳极性能得到巨大的提升，同样腐蚀后的合金形貌更为均匀，对解决fe-al-si现实问题改善以及连续热浸镀铝的推广使用具有十分重要的意义。
1.一种添加mg、ga、zn用于改善阳极不足和不均匀腐蚀的al-si牺牲阳极，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：硅10％，锌2％，镁1.5％，镓0.05-0.2％，铁0-3.5％，其余为al和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述添加mg、ga、zn用于改善阳极不足和不均匀腐蚀的al-si牺牲阳极的制备方法，其特征在于：制备步骤如下：
3.根据权利要求2所述添加mg、ga、zn用于改善阳极不足和不均匀腐蚀的al-si牺牲阳极的制备方法，其特征在于，步骤(1)al-si中间合金熔炼温度为720℃；保温条件为720℃保温10min；步骤(1)熔炼环境是在标准大气压，动态氩气和4％氢气的保护下进行的。
4.如权利要求2所述添加mg、ga、zn用于改善阳极不足和不均匀腐蚀的al-si牺牲阳极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中纯铁、镁粒、锌粒、镓粒的纯度均大于99.9％。
5.如权利要求2所述添加mg、ga、zn用于改善阳极不足和不均匀腐蚀的al-si牺牲阳极的制备方法，其特征在于：步骤(1)中al-si中间合金为含12.24wt.％si的al-si合金，按质量百分比配置后在无氧井式炉中熔炼。
6.如权利要求1所述添加mg、ga、zn的al-si牺牲阳极在钢铁工件的阴极保护的应用。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于：应用后的镀层合金组分为硅10％，锌2％，镁1.5％，镓0.05-0.2％，铁0-3.5％，其余为al和不可避免的杂质；避免钢铁工件中铁元素在牺牲阳极中的有害作用。
