镁合金牺牲阳极的作用及原理

镁合金牺牲阳极的作用及原理

河南邦信防腐材料有限公司

2017年3月

1. 纯镁牺牲阳极

镁为活泼金属，其电化学性能受杂质和合金元素的影响很大。当其含有少量杂质，特别是含有析氢过电位较低的杂质时，会使镁的自溶倾向增大，电流效率降低。镁中的一些杂质元素，如Fe, Co, Mn是以单质的形式固溶于镁基体中的，而另一些杂质，如Al, Zn, Ni, Cu等元素则易与镁形成金属间化合物，无论哪类杂质元素，它们相对于镁固溶体都呈现出强烈的阴极性，能增大析氢的有效面积，进一步增大镁的腐蚀速度。尽可能降低纯镁阳极中杂质元素的含量是必要的。杂质元素的质量分数(%)应控在:Zn<0.03. Mn<0.01. Fe<0.02, Ni<0.001 } Cu<0.001. Si<0.01.但这给纯镁阳极的生产带来了困难。一般采用合金化方法，向工业镁中加入一定量的合金元素如Mn, Al, Zn等，就可消除杂质元素的不良影响，获得性能优良的镁合金牺牲阳极材料。一般的纯镁阳极由于电流效率很低(仅为30%左右)，使用寿命短，故目前己很少使用。

2. Mg-Mn牺牲阳极

锰在镁中的溶解度为3.4％，如果熔炼方法控制适当，可得到含有少量Mn 晶体的Mg-Mn单相固溶体组织。锰是控制镁中杂质的一种很有效的净化元素，可消除杂质的不良影响，降低镁的自腐蚀速度。在镁合金熔炼过程中，锰与铁能生成比较大的Fe-Mn化合物而沉积于溶体底部，而残留在合金中的铁则溶解于锰中或被锰所包围，不产生阴极杂质的有害作用。但Mn在镁合金中有偏析现象，过量的Mn反而会造成合金耐蚀性及塑性的下降。国内外生产的Mg-Mn系合金阳极的锰含量一般为0.5%-1.3%，所允许的杂质铁和铜的含量分别小于0.03%和0.02%，比纯镁阳极中允许的杂质量高出十多倍。锰的另外一个作用是使Mg-Mn 阳极在腐蚀溶解时，在镁合金表面形成比氢氧化镁膜更具保护作用的水化二氧化

锰膜，使析氢作用进一步减弱。最近，有人将少量的钙添加到Mg-Mn合金中，研究开发出一种高性能的Mg-Mn-Ca合金牺牲阳极材料，其含0.26%Mn和0.14%Ca。与Mg-Mn合金(Mg-1.27Mn )相比，该新型合金阳极的电流效率显着提高，达到62.36% (Mg-Mn合金为50.94%)，且其驱动电压也有所增大。据研究认为加入钙后使合金晶粒细化，并且在镁基体的晶界上析出了Mg2Ca阴极性化合物，从而降低了晶间腐蚀倾向，减少了晶粒的剥落，使合金的溶解变得均匀。这是Mg-Mn-Ca合金具有较优电化学性能的主要原因。

3. Mg-A1-Zn-Mn牺牲阳极

根据铝和锌的含量不同，性能不同，其中性能较好和获得广泛应用的主要是Mg-6Al-3Zn-Mn合金，其表面溶解均匀，电流效率大于50％.铝是阳极中的主要合金元素，可与镁形成Mg17 A112强化相，提高合金的强度。但向工业镁中单独添加铝时，可形成大量的Mg Al, Mg2A13, Mg4 A13等金属间化合物，这些金属间化合物的存在，都会增大镁的自腐蚀速度、加速固溶体的破坏。锌可降低镁的腐蚀率，减小镁的负差异效应，提高阳极电流效率。微量的锰可抵消杂质铁、镍的不良影响。当锰的添加量为0.3%时，可使铁的允许含量达到0.02%，但同时也会降低电流效率。因此，杂质铁的含量以及相应的锰含量应尽可能低。铝、锌、锰的同时存在可进一步降低对工业镁中的杂质元素含量的要求。为了获得良好的电化学性能，Mg-AI-Zn-Mn系合金的杂质含量应严格控制。在相近的合金成分条件下，杂质少的合金的电流效率明显高于含杂质多的合金。

阴极保护是基于电化学腐蚀原理的一种防腐蚀手段。美国腐蚀工程师协会对阴极保护的定义是：通过施加外加的电动势把电极的腐蚀电位移向氧化性较低的电位而使腐蚀速率降低。牺牲阳极阴极保护就是在金属构筑物上连接或焊接电位

较负的金属,如铝、锌或镁。阳极材料不断消耗,释放出的电流供给被保护金属构筑物而阴极极化，从而实现保护。外加电流阴极保护是通过外加直流电源向被保护金属通以阴极电流，使之阴极极化。该方式主要用于保护大型或处于高土壤电阻率土壤中的金属结构。

保护电位是指阴极保护时使金属腐蚀停止（或可忽略）时所需的电位。实践中，钢铁的保护电位常取-0.85V（CSE），也就是说，当金属处于比-0.85V（CSE）更负的电位时，该金属就受到了保护，腐蚀可以忽略。

化学反应方程式

阳极反应：Mg－2e→Mg2＋

阴极反应：H2O+ O2+2e →2OH－

镁牺牲阳极的作用是使阴极（如钢铁等金属）的腐蚀速率降低，达到保护阴极的目的。

镁合金保护阴极的基本前提是阴极在没有外加干扰的情况下的腐蚀属于电化学腐蚀（即腐蚀的过程有电流产生），但并不是所有的电化学腐蚀都能用牺牲阳极来保护，具体的应用过程中应具备以下条件：

1）腐蚀介质必须是能导电的，以便能建立连续的电路。

2）被保护的金属材料所处的介质中要容易进行阴极化，否则耗电量大，不易进行阴极保护。

3）对于复杂的金属设备或构筑物，要考虑几何上的屏蔽作用，防止保护电流的不均匀性。

4）电绝缘（阴阳极之间）

5）电连续性（阴极系统间）

6）罐内保护禁止用镁合金牺牲阳极。

根据用途的不同，镁合金牺牲阳极的形状和尺寸也不相同，通常所用的D、S型阳极主要用在土壤环境中，带状阳极主要应用于高电阻率的土壤、淡水及空间狭窄的局部场合。

按国标GB/T17731-2009《镁合金牺牲阳极》研发生产的SMG镁合金牺牲阳极(简称：镁阳极)适用于土壤、淡水等介质中的金属构筑物的牺牲阳极阴极保护。作为理想的牺牲阳极材料该产品具有以下特点：

(1)比重小、电位较负。

(2)对铁的驱动电压高，电流效率低。

(3)单位质量发电量大、使用寿命长。

棒状镁合金牺牲阳极体