AZ63镁合金牺牲阳极的研究进展
第4 卷 第3 期 20 7 年 06 月 0
装备环境工程
EQU1 ENT ENVIR0NM T L ENGINEERING M P EN A
10 1
AZ63 镁合金牺牲阳极的研究进展
苏鹏 , 杜翠薇 , 李晓刚, 陈旭
( 北京科技大学 材料科学与工程学院 腐蚀与防护中心, 北京 10 083) 0
摘要: 镁合金栖牲阳极近年来发展速度很快, 应用的领域也越来越广。其中AZ 3 镁合金栖牲阳极以电 6 流效率高, 发生电量大, 工作电位稳定, 表面溶解均匀等优异的性能得到了 越来越广泛的应用。综述了近年 来国内外在 AZ 3 镁合金栖牲阳极研究领域的进展。重点介绍了不同合金元素对 AZ6 镁合金栖牲阳极的 6 3 性能影响, Az 3 镁合金栖牲阳极在不同介质环境中的电化学性能的研究及应用进展。并探讨了在研究 及 6 过程中存在的问题, 展望了以后的发展方向。
关键词: Az 3 镁合金; 牺牲阳极; 电化学性能; 综述 6 中图分类号: TG1 4. 4 7 1 文献标识码: A
文章编号: 1672 一 9242(20 7 )03 一 ) ( 0101 一 叫
Pr ocess on th e In vest igat ion of AZ63 M g b a sed Alloy s a crificia l a n ode
SU P n , Cui一ei , Xiao一 e g DU 叨 L I 邵嗒, 召 C万 脚Xu
( University of science a d Technolo罗 Bei ing, j ing l00083, n j Bei China)
Abst act : In r cent year , g 日叮 sa r ncia anode makes f st prO r e s M 1 c i l a gress, And its application 五 was lar r and lar r AZ 3 eld e s e s 6
Mg一 hased alloy sacr f cial anode with exeellent pr per y had a so been used mor and mor widely AZ63 has the char cter stics o hig ii o t l e e a i f h
electr city ef ciency, quantity of electricity gener tion, stable wor ing potential. The pr s ss on the study of AZ 3 M 一 i i f big a and k or e 6 g based alloy s cr f cial anode w ove川 a ii as iewed. T e inf uences o a loying e ements on the Pe月 ances o the AZ63 anode , the r sea h h l f l l bll刀 f and e r c
and applica ion pr 脚ss of the electr chem Per r ance of A anode in var ous mediums w e intr duced wth emphasis. The ext o o ical f m o z63 i er o i
isting Pr blems in the cur nt resea h wer discussed T e pr spect of the development trends of A劝3 was pr sent d o e r c r e h o e e Key words : AZ 3 Mg一 6 alloy; sacr f cial anode ; e ectr chemical per r ance ; over iew ii l o o f m v
镁合金牺牲阳极的共同特点是密度小、 理论电 容量大、 电位负、 极化率低, 对钢铁的驱动电压很大
得到 善〔。 且镁阳 改 ’ 而 〕 极与钢撞击会产生火花, 镁
阳极溶解时会析出氢气, 存在着爆炸危险。 M 系列镁合金的基本组成元素为 A 和 zn。 AZ I 根据 A 和 Zn 的含量不同, I 确定了该系列合金的多 种成分。常见的镁合金牺牲阳极牌号为 AZ 1、 3 AZ 1、 4 AZ63 等。AZ63 牺牲阳极作为镁基合金牺
( >0. 6 v ) , 适用于高电阻率的环境介质中, 如高电
阻率的土壤和淡水中。但不足之处是它们的
电流效 率只有 5 % 左右, 0 所以人们在镁中加人适量 A 、 I Z n 和 Mn 等元素组成合金, 可使镁阳极的电化学性能
收稿日期: 200 一 一 7 0 2 4 6
基金项目: 国家自然科学基金十五重大项目(50499333) ;国家科技基础条件平台建设项目(Zo 5DKA 0 oo) o 14 作者简介: 苏鹏( 198 一 , 河南洛阳人, 3 ) 男, 硕士研究生, 研究 向为镁合金牺牲阳极在土攘中的 腐蚀性。
10 2
装 备 环 境 工 程
2( 7 年 06 月 ) X
牲阳极的代表, 表面溶解均匀, 电流效率高( 一般
化学性能, 为其应用范围的扩大打下了坚实的基
础。
大于50%) 2 , 此在众多复杂的 [ 〕 因 介质环 应用 境中
越来越广泛( 特别是在土壤及淡水中的应用) 。大 量科研工作人员研究了其在不同介质条件下的电
T a h le l
目 镁阳极的化学成分及性能都已有了国家 前,
标准[’ 〕 (见表1、 。 表2)
表 1 镁阳极的化学成分 Chemical composition o the Mg a ode f n
化学成分及质量分数/ %
牌号
合金元素 AI Zn
2.5 ~ 3.5
杂质元素( 不大于) Mn Mg 余量 余量
2.0
Fe
0.0 5 0 005 0.《5 X〕
0 0 5
Cu
0
:
NI
旧 . 且
Si
0 气
〕
M G AZ I M G AZ Z MGM
5.3 ~ 6.7 2. 7 ~ 3. 5
0 . 15 ~ 0 . 6 0 . 15
0.0 1 0.0 1 0.0 1
0.0 1
0
, . 压
0 一 、
)
0
Vn
)
1. 2
余量
> 99 . 9
0 .02 0 . (X抖
0 05
0.01
. 03
表 2 镁阳极的电化学性能 Tahle Z Electr chemic日per r ance o t e Mg anode o o f m f h
牌号
M G AZ 1 C A7 M G A ZZ MC M
开路电位/ V,不小于) 〔 3% NaCI 溶液 土壤( 填充料)
电流效率/ % ,不小于) ( 3% NaC 溶液 土壤( 填充料) I
发生电量/ ( A h 9一 , 小于) ‘ (不 ) 3% NaCI 溶液 土壤( 填充料)
(3 m刀cmZ)
_ 1 气 气 一1 . 6 0 一1 . 60
(0.o3 m刀cm, )
一1 凡 气 一1 . 5 5 一1 . 5 5
(3 m刀cmZ)
5气
(0.o3 m刀cm, )
50
(3 m刀cmZ)
1 _2 0
( 0. 03 mA cm /
1 . 10
60 55 55
55 55 45
1. 30 1. 20 1 . 10
0 2 0 l
1. 00
MG
一1. 65
一1 . 60
注:1. 所有电位相对于饱和甘汞电极; 2 土壤介质用填包料配方为:硫酸钙 7 % 、 5 硫酸钠 5% 、 膨润土 2 % 。 0
分 相 数和 应的M 的 量分数都要更 n 质 低一点1〕 如 6。
1 合金元素对 AZ6 阳极性能的影响 3
向 镁中单独添加铝时, 可形成大量的 M A 二 g一 I
元合金, 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。但当将铝、 锌与锰同 时添加到工业镁中时, 则会提高镁的耐蚀性能, 这是 因为工业镁 中的锰能与铝、 锌形成 A 3M 、 4M 、 1 n A n 1
果要求电流效率超过或达到5 % 以上, 的质量分 0 i N
数最高不得超过0.00 %「。 2 ’ 」
为了获得良 好的电化学性能, 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 效 显高 含杂质多的 流 率明 于 合金〔。 ’
〕 最近, 宝 人〔尝 钱 光等 ‘ 试把ca 加人到A 3 镁 」 z6
合金牺牲阳极中, 并检测了其电化学性能。结果表 明: 随着 Ca 的加入, 起初 Az 3 镁合金牺牲阳极的 6 晶粒变细, 后来开始变得粗大。当 C 的加人量为 a 0. 巧%时, 呈现出很好的电化学性质, 其电流效率达 到5 . 6 % , 5 5 而且腐蚀速度也降低了许多。
A1 。zn4M zn5M 6M 、 n、 nZ等金属间化合物, 这些金属 间 化合物的阴极作用相对较弱川。 锌、 铝、 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 Mn 在合金中是一种极好的净化元素, 除了能 抵消杂质 F 的有害作用外 , e 还可部分抵消 N 的有 i 害作用, 特别在含盐的环境中效果更明显。当 Mn 的质量分 接近 0. 2% 时, F 的允许限量可达 对e
要 [5。 求“
崔 红卫等 〕 人[’ 研究了ca 和B 对镁合金Az6 a 3
的燃点与熔体赫度的影响, 发现: 随着 Ca 或 Ba 量 的增加, 镁合金的燃点逐渐增大, 随着温度的降低,
镁合金熔体的动力勃度逐步增加, 并且在96 K 处 3
降低;加 Ba 和加 Ca 的 AZ 3 的燃点与豁滞性之间 6
0. 03 % , 5 但会使电流效率降低, 因此要求 F 的质量 e
第4 卷 第 3 期
苏鹏等:AZ6 镁合金牺牲阳极的研究进展 3
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存在着某种关系, 即勃滞性增大, 镁合金燃点则提 高。因此, 可以通过测定不同的合金元素与镁合金 的豁滞性的关系来判断该元素的阻燃作用, 这是一 条寻找有效阻燃合金元素的新思路。
金在海水中的接触腐蚀行为, 发现: 与 A3 钢偶接后
的4h 内, 偶对阳 极电 偶电流密度随偶接时间延长均
明显减小; h 后, 种电偶对阳极电偶电流密度随 4 3 时间延长则有不同的变化趋势。偶对阳极电偶电流 密度与阴阳极面积比成正比关系, 两者关系曲线的 斜率与不同阳极合金的溶解活性有关。在溶液温度 高于20 ℃的实验温度范围内, 偶对阳极电偶电流密 度随温度升高明显增大。阴极材料不同对偶对阳极 电偶电流密度有较大影响, 其值按 A3 钢 > 5 钢 > Cu 的顺序减小。偶对阳极电偶电流密度大小与阴 阳极偶接前起始电势差大小无相关性。电偶对中阴 阳极材料不同, 对电偶电势的影响程度不同。
2
介质环境中 AZ6 阳极的研究进展 3
现今检验手段主要有两种: 常规的在国家标准
下的模拟溶液或实际土壤中进行;美国ASTM关于 实验室评定土壤中使用的镁合金牺牲阳极的标准测
试方法f’。 0〕 2. , 在模拟溶液中的研究进展
范 青 人[川 过 验 定, 用 流 得到 燕 等 通 实 测 利 恒电 法
了A刀 B 镁牺牲阳 分 极的开路电位在4 h 和 1 d 时分别 4 为一 3 V 和一 1.55 1.52哭 V;电流效率为6 . 8% 。 1
2. 2 在土壤介质中的研究进展
镁合金在
土壤中比较耐蚀, 可以认为土壤中的 钙与镁盐能在一定程度上抑制镁合金的腐蚀。这点 可从腐蚀过的镁表面上许多含钙的沉积物得到证 明。在土壤中, 碳酸氢根能促使镁阳极钝化, 而氯离 子则促进它的点蚀。相对而言, 镁合金在豁土或无 盐的沙土中耐蚀性最好, 但在含盐的沙土中则最差。 镁合金在土壤环境中的研究主要集中于填包料 环境中。作为阳极的化学填包料由多种成分组成, 有的配方中可溶性盐含量较高, 最初效果好, 以后盐 分随水流失, 阳极地床接地电阻逐渐增大。石膏粉 是改善锌、 镁阳极性能, 活化阳极, 使它溶解均匀的 重要成分, 要保证量足够。多年实践证明:镁、 锌阳 极最佳填包料配方以下列质量比为宜, 即生石膏: 膨
曾 爱平等人[”采用恒电流阳极放电和腐蚀形 〕
貌金相观察, 考察了在淡水温度 2 一 ℃、 0 8 0 电流密
度0.0 5 一 0 m灯c耐 的 1 1.2 范围内, 工作温度和 不同
电流密度下 AZ63 镁基合金牺牲阳极的电化学行为。 结果表明:在淡水中, 工作温度上升对 A 6 镁阳极的 Z 3 电流效率和腐蚀形貌影响不大, 工作电位略有负移; 随阳极极化电流密度的增大, 6 镁阳极的电流效 Z A3 率变化不大, 工作电位正移明显, 腐蚀形貌变得更加 凹凸不平, 但没有发现镁阳 极出现晶间腐蚀。
曾 爱平等 ” 人〔 )也进行了Az 3镁合金在 的 6 水中
析氢行为的研究。发现在淡水中镁阳极处于活性溶 解状态, 淡水中镁阳极上的析氢速度与电流密度呈
润土: 硫酸钠=7 :2 :5[’。 5 0 6 〕
线性关系, 0. s moF L NaCI + M ( OH)2( pH = 与 g 10. 2) 溶液中的情况类似, 但负差效应常数小于纯 镁在0. s moF L NaCI + M OH)2( pH = 10. 2) 溶液 g( 中的数值, 析氢不是镁阳极电流效率不高的唯一原
因, 阳极溶解过程中发生颗粒脱落是其中的又一原
齐 等人〔 采用恒电 公台 ‘ , 了 流方法测定了 牺 不同
牲阳极材料在宝浪油田土壤中的电化学性能。结果
表明:M 阳极电位较负, g 但电流效率偏低。测得的
宝 1 井土壤电阻率为310 n cm, 井土壤电阻 9 马2 率为 1956 n cm, 均高于 I kn cm。因此, 在这两 个区域实施阴极保护, 如果金属构件埋地不深时, 土 壤层较干燥, 最好选用镁合金阳极材料。试验中控
因。 am C 等 ’ Y a hi 人〔 研究了A 3 镁合金阳 u 4〕 6 z 极在
饮用水中的溶解行为, 发现这种合金阳极的晶粒是
制土壤含水量为3 % 时, 0 镁合金和锌合金, 均可用
作宝北区土壤中的牺牲阳极材料, 且以选择锌合金 为宜, 因为镁合金电流效率较低。
由M 固溶少量的A 组成, g I 晶界是由A 一g 混合相 I M 和A 一 M 混合相组成。当M 开始自 I Zn一g g 溶的时候, M
比A 和Zn 优先开始溶解, g I 形成局部电池。晶界 或者杂质作为局部电池的阴极, g 固溶体作为阳 M
极。阳极溶解是不均匀的。
勇 艳华[’ 8 模拟了 了 青藏高原冻土环境, 测定了 镁
合金阳极在 一 ℃和4 ℃青藏高原土壤中的腐蚀电 4 位, 并通过极化曲线测试, 交流阻抗、 恒电位和电流 效率测试 法, 表明在 一 ℃和 4 ℃青藏高原土壤 4
战广深等人〔 研究了Az 3 镁合金牺牲阳 ” 〕 6 极合
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装 备 环 境 工 程
2007 年 06 月
中的AZ63 镁合金牺牲阳极呈活性溶解状态且溶解 活性和反应活性都为最优。 ℃和 一 ℃时镁合金 4 4 在土壤中溶解反应均为吸热反应, 随着温度的升高, 反应平衡常数变大, 电极反应速率加快, 故镁合金阳 极在4 ℃青藏高原土壤中的反应活性、 电流效率以 及 一 0 mV( CSE) 恒电位时的电流密度均高于 一 85 4 ℃时。镁合金在青藏高原土壤中4 ℃比一 ℃腐蚀 4
包料的环境下, 但是在真实填包料环境中的腐蚀行为 的研究, 国内基本处于空白。研究在不同填包环境下
的腐蚀, 对选择合适的牺牲阳极有着积极的意义。
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3 AZ63 镁合金牺牲阳极的应用
) 1 AZ 3 镁合金牺牲阳极性能优良, 6 电流效率 高, 发生电量大, 工作电位稳定, 表面溶解均匀, 是一 种用于保护地下金属构筑物的理想材料。 ) 2 镁合金牺牲阳极在水环境中较少应用, 原 因是在水环境中活性较高。但是在电阻率较高的淡
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全达到了设计要求, 保护效果良好。镁合
金阳极处
于良好的工作状态, 完全可以用于长江水介质中常 年处于水下的难以维修、 难以更换金属结构物的防 腐蚀保护。 ) 3 挤压 Az 3 镁合金牺牲阳极也广泛用于对 6
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贮 水式家 热 用电 水器的 极保护「一了 其热水 阴 0 ‘保护 2 ’,
器内胆。经过 5 ℃试验 7 天。发现加阴极保护的 0
涂搪瓷试片不出现锈斑, 而不加阴极保护, h 就 4 2
出 显的 现明 锈斑「 。 ” 〕
4
结语
) 1 Az6 镁合金牺牲阳 3 极由于电流效率不高等
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进一步加大冶金工作的力度, 找出更好的冶金元素 来提高其电流效率等综合电化学性能。 ) 2 目 Az6 镁合金牺牲阳极的合金成分基 前 3 本确定, 但是在不同环境中腐蚀数据的积累和研究,
特别是在土壤环境中的研究少之又少。进一步研究 新一代复合阳极, 做大量的基础 积累工作显得 尤为重要。
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3) 土壤中镁合金阳极的研究总体都是基于填
( 下转第 109 页)
第4 卷 第3 期
聂向晖等:金属材料腐蚀检( 监) 测常用方法概述
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