李昕濤

(1.太原科技大學重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024；2.太原科技大學電子信息工程學院，山西 太原 030024)

0 前言

人類文明的進步，離不開金屬介質(zhì)的發(fā)展改變，人類從石器時代，青銅器時代，鐵器時代，發(fā)展到鋼鐵時代，合金時代、復合金屬時代……。而鎂合金作為人類合金時代重要的文明發(fā)展介質(zhì)，在相當長的時間里承擔人類綠色發(fā)展的必然需要。

鎂是在自然界中分布最廣的十個元素之一，但由于它不易從自然界化合物中還原成單質(zhì)狀態(tài)，所以遲遲未被開發(fā)與利用。鎂在自然界分布不均，各國天然礦的儲量差異巨大。其全球陸地儲量基本分布在中、美、俄三個國家，海洋中也含有大量的鎂化合物。鎂合金作為輕質(zhì)材料，其特點是:密度小，比強度高，比彈性模量大，散熱好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機物和堿的腐蝕性能好。它是實用金屬中的最輕的金屬，高強度、高剛性，廣泛用于空間技術(shù)、航空、航天、高鐵、汽車、化工、醫(yī)療、建筑和儀表等工業(yè)部門[1-4]。

在十四五提出碳達峰、碳中和綠色發(fā)展背景下，中國可通過運用鎂合金產(chǎn)業(yè)，有效推動鎂合金電動車輛的發(fā)展，替換現(xiàn)有的內(nèi)燃機汽車，擺脫化石能源對中國經(jīng)濟發(fā)展的掣肘，實現(xiàn)中國可持續(xù)綠色發(fā)展。試想當今的世界，隨著5G時代的到來，科技迅猛發(fā)展，產(chǎn)業(yè)進階高速迭代發(fā)展；移動終端、筆記本電腦等電子消費品，都呈現(xiàn)出產(chǎn)業(yè)進階迭代速度高的特點。5G時代，汽車的定義早已改變?yōu)椤白孕凶咻d人移動網(wǎng)絡終端”。隨著無人駕駛汽車的進一步發(fā)展，汽車電子產(chǎn)品迭代進階效率的提高，汽車產(chǎn)業(yè)的設計壽命將大幅縮短。否則隨著電子信息類產(chǎn)品的快速升級，會造成大量汽車的積壓，帶來產(chǎn)能過剩，勞動力不能有效釋放，產(chǎn)生深遠的產(chǎn)業(yè)危機。鎂合金材料回收效率高，輕量化效果明顯，正好符合現(xiàn)代汽車對材料的特性的需求。

1 鎂合金通電陰極保護理論工程體系基礎

眾所周知，在化學領(lǐng)域中，金屬化學活性與最外層電子相關(guān)。假定通過增加金屬最外層電子可以改變金屬活性，如增加最外層電子數(shù)量，將金屬鎂的化學性質(zhì)通過電化學工程方法，變換為金屬鐵的化學性質(zhì)，再運用成熟的鋼鐵成熟軋制生產(chǎn)線進行生產(chǎn)。本文對于現(xiàn)有改變物質(zhì)化學性質(zhì)的科學方法進行了探討，即鎂合金通電陰極保護方法的基礎論證[5]。

1.1 PN結(jié)

在半導體領(lǐng)域中，PN結(jié)的產(chǎn)生就是運用摻雜3價元素硼、銦元素和5價元素磷、銻元素，通過擴散作用于同一塊硅、鍺半導體基片上，實現(xiàn)半導體N型、P型半導體的制作。N型與P型半導體的交界面產(chǎn)生空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。

將鎂合金保護思維體系投影在半導體PN結(jié)的概念中，希望給鎂合金通電后實現(xiàn)其在鎂合金外表面形成自由電子壁壘，鎂合金相當于PN結(jié)中的N型半導體，環(huán)境中的其他物質(zhì)相當于PN結(jié)中的P型半導體，稱之為鎂合金通電陰極保護下，PN態(tài)。

1.2 電解反應方法

在電化學領(lǐng)域，金屬鋁、銅的工業(yè)實際生產(chǎn)中，多采用電解反應方法實現(xiàn)還原金屬物質(zhì)。電解過程是將電流通過液態(tài)或熔融態(tài)的離子導體的電解質(zhì)溶液，在直流電源的陰極和陽極上發(fā)生電化學反應的過程。電解質(zhì)中的陽離子移向直流電源的陰極，吸收電子，陰極發(fā)生還原反應，生成新高純物質(zhì)；電解質(zhì)中的陰離子移向陽極，放出電子，陽極發(fā)生氧化反應，也生成新氧化物質(zhì)的化學過程。

電解電壓理論值可由能斯特方程計算

(1)

式中，E0為標準電極電位；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(K/mol)；T為溫度，K；n為電極反應中得失電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)，是近代科學研究中重要的物理常數(shù)，法拉第常數(shù)值是由美國國家標準局所，依據(jù)的電解實驗得到 96 485.332 89±0.000 59 C/mol，約等于96 500；法拉第常數(shù)早期是元電荷e=1.602 176 634 10×10-19C(電子電荷的基本電荷或大小)與阿伏伽德羅常數(shù)NA=6.022 140 76×1023mol-1(粒子數(shù)N與物質(zhì)量n的比值)的積，代表每摩爾電子所攜帶的電荷，單位C/mol；α1、α2分別為還原態(tài)和氧化態(tài)下物質(zhì)的活度。

鎂合金通負電壓，認為鎂合金處在電解飽和態(tài)，鎂合金為陰極電極，電解溶液為含有游離態(tài)離子的空氣。此時，鎂合金作為陰極電極析出的產(chǎn)物與附有游離態(tài)離子的空氣之間形成電池，其電動勢在數(shù)值上等于空氣作為電解質(zhì)的理論電解電壓。

通過能斯特方程校驗鎂合金陰極保護電壓值，可以有效保護鎂合金產(chǎn)品的電子數(shù)量。

將鎂合金通電陰極保護投影在電化學領(lǐng)域的電解過程，認為鎂合金與大地之間發(fā)生電解過程，電解質(zhì)液是附有游離態(tài)離子的空氣?？諝馐俏щ姷?，會形成電子導體的陰極電極(鎂合 金)與作為附有游離離子導體的電解質(zhì)(空氣)的界面上發(fā)生的電化學反應，結(jié)果是保持鎂合金化學性質(zhì)的穩(wěn)定。

給金屬鎂合金通陰極保護電，不改變其物理化學性質(zhì)，使其鈍化，變?yōu)榫哂需F的化學活躍度。本文將詳細分解鎂合金通電陰極保護在空氣中的導電過程。

1.3 電子學中的電容器

在電子學中，兩個導電的電極間夾著一層不導電的絕緣介質(zhì)，形成了電容器。將鎂合金陰極保護投影到電容器領(lǐng)域，鎂合金通電陰極保護時，鎂合金板形成了陰極電極，空氣是不導電的絕緣介質(zhì)，大地的接地電極構(gòu)成了電子學中的電容器。

(2)

式中，U鎂-U地為鎂合金板與大地之間的電勢差；εr為相對介電常數(shù)；k為靜電力常量；S為鎂合金板與大地正對面積；d為鎂合金板與大地間距離。

顯而易見，式(2)等效認為鎂合金板與大地之間存在均勻電場。這種等效是一種近似，其不確定度來源于空氣離子與鎂合金板自由電子撞擊復合的數(shù)量，即空氣的絕緣性；其計算值僅能作為確定鎂合金陰極保護電壓值的參考。由于存在空氣離子與鎂合金板自由電子撞擊復合的現(xiàn)象，不能簡單認為空氣完全絕緣介質(zhì)，進而分析天文學的電離層態(tài)。

1.4 天文學中的電離層

從離地面約50～1 000 km高度的地球高層大氣空域，存在大量的自由電子和離子稱之為電離層。其中，天文學中的電離層是受到恒星高能輻射及宇宙射線激勵電離的高層大氣層。

受電離層啟發(fā)，鎂合金通電陰極保護作為電源負極，通過附有游離態(tài)的離子的空氣與大地形成電路回路。再將鎂合金通電陰極保護投影到電離層理論中。

在天文學中，空氣的電離層是隨著離地距離的增加而增加，具有不同的物理性質(zhì)。在近地點，電離作用產(chǎn)生自由電子，電子與正離子之間碰撞復合，電子附著在其他微粒上引起自由電子的消失，遠地點大氣稀薄，電離的遷移運動受地磁影響。在鎂合金陰極保護過程中，依然存在同樣的自由電子運動過程，鎂合金通電陰極保護時，其表層首先是NP結(jié)，外層是電解飽和態(tài)的自由電子層，自由電子層與空氣中離子碰撞復合，自由電子擴散在微粒上，形成微電流，與電源正極的大地地磁形成弱電離層態(tài)，形成整個陰極保護的保護回路。

1993年，關(guān)于電磁波電離層效應依賴電磁波頻率的特性，由布倫納和威爾士提出

(3)

式中，v代表電離層延遲；c代表光速，m/s；f代表信號頻率，Hz；TEC代表每平方米自由電子數(shù)量。

式(3)中，空氣中每平方米自由電子數(shù)量，是鎂合金陰極保護電路關(guān)系密切的值，通過式(3)可以對環(huán)境空氣自由電子數(shù)量進行監(jiān)測，防止由于空氣溫度、濕度變化，帶來陰極保護電源的故障或損壞。

理論上，通直流電其頻率f→0，電離層延遲v→∞，表明鎂合金陰極保護狀態(tài)下，空氣電阻無窮大。但在工程中，并不存在恒定的直流電，任何直流電源都存在波動，只是電源頻率非常小，v延遲非常大。在現(xiàn)場監(jiān)測可采用靜電放電現(xiàn)象觀測。

1.5 電磁學——趨膚效應

趨膚效應是當導體中有交流電伴隨產(chǎn)生交變電磁場時，導體內(nèi)部的電流分布會集中在導體的“皮膚”，即導體表層部分，使電流電子定向移動過程中，表層自由電子碰撞機會加大，增加電流損耗功率的現(xiàn)象。

鎂合金陰極保護過程中，期望在鎂合金表層形成均勻分布的自由電子層，防止出現(xiàn)由于外部磁場變化，帶來的自由電子分布不均勻，造成不規(guī)律的保護效果。

從各種物理狀態(tài)的描述看，要形成鎂合金外一個穩(wěn)定不受電磁干擾的自由電子包裹的動態(tài)保護層，需要在各自的科學領(lǐng)域中找到平衡點。既要一定數(shù)量的自由電子和空氣中離子碰撞復合，又要在環(huán)境改變的空氣中穩(wěn)定的鎂合金化學性質(zhì)。因此，需要對現(xiàn)有陰極保護方法進行分析。

1.6 通電陰極保護方法

陰極保護是利用腐蝕電池的原理，將被保護的金屬結(jié)構(gòu)作為陰極，通過陽極向陰極金屬結(jié)構(gòu)不間斷地定向提供電子的過程。其步驟是先使金屬結(jié)構(gòu)極化，在金屬結(jié)構(gòu)表面聚集大量自由電子，使其不易發(fā)生化學反應——變?yōu)榻饘匐x子，進而減緩了金屬結(jié)構(gòu)的自然腐蝕速度。

1.6.1 犧牲陽極陰極保護法

兩種腐蝕電位不同的金屬，用導線連接，在相同環(huán)境下，構(gòu)成了腐蝕電池，腐蝕電位低的金屬會在環(huán)境中先被腐蝕，釋放出的電子保護陰極被保護的金屬結(jié)構(gòu)。腐蝕電位低的金屬或合金，一般為鎂合金、鋅合金、鋁合金作為陽極；電力塔、金屬橋梁、船舶、石油平臺等金屬結(jié)構(gòu)件作為陰極。在陰極得到保護情況下，陽極不斷消耗形成鎂合金、鋅合金、鋁合金的化合物，稱為犧牲陽極化合物。

顯然，在鎂合金從生產(chǎn)過程中，陰極保護不能采用犧牲陽極法。

1.6.2 外加電流陰極保護法

外加電流陰極保護是在保護回路中，接入一個直流電源，通過輔助陽極，使被保護的金屬由于電源電壓轉(zhuǎn)變?yōu)殛帢O而實現(xiàn)保護的方法。

外加電流陰極保護技術(shù)相對于犧牲陽極陰極保護而言，能較好的保護電壓，可以寬范圍控制電流輸出值，適用于較大保護場合，如管道防腐等場合；同時，也可在高電阻率環(huán)境和惡劣腐蝕條件下使用；陽極采用不溶性或微溶性材料可以長時間實現(xiàn)陰極保護。外加電流陰極保護經(jīng)濟投入高，運行產(chǎn)生維護費用，常年需要外部供電，對周圍地下接地系統(tǒng)有干擾作用。

外加電流陰極保護技術(shù)常用輔助陽極地床材料，包括：廢鋼鐵、石墨、高硅鑄鐵、混合金屬氧化物、聚合物柔性材料。

通常材料的選取來自于使用環(huán)境，鋼鐵陽極、石墨陽極多用于環(huán)境較好的陰極保護作為陽極床；高硅鑄鐵適用于各種環(huán)境介質(zhì)，陽極電流在其表面產(chǎn)生氧化層，形成二氧化硅薄層，具有高耐酸性，材質(zhì)脆性大，不易加工運輸特點；聚合物柔性陽極成本高，在銅質(zhì)電纜芯外增加了導電聚合物；貴金屬氧化物陽極在貴金屬鈦上敷一層高活性電催化的混合金屬氧化物構(gòu)成，適用于氯堿工業(yè)，具有優(yōu)異的電化學性能，高活性電催化的混合金屬氧化物涂層電阻率10-7Ω·m，已成為目前最為理想和最有前途的輔助陽極材料。

外加電流陰極保護，主要用于保護大型金屬結(jié)構(gòu)和埋于高阻率土壤中的金屬結(jié)構(gòu)，如：長輸物質(zhì)埋地管道，大型化工罐群等。

陰極保護電源提供的陽極電蝕電流必須足夠?qū)Ω督饘俦韺拥母g電流，才能達到保護金屬不受環(huán)境的影響，保持其固有的物理、化學材質(zhì)的特性。該方式主要用于保護大型或處于高土壤電阻率土壤中的金屬結(jié)構(gòu)。

當通過電壓測量，來了解金屬在空氣腐蝕中間層與表層的電動勢差就是腐蝕電壓。在傳統(tǒng)外加電流陰極保護中，電解液是具有導電性能；而將其擴充到鎂合金保持其金屬性能時，帶來了諸多問題。

首先，由于空氣中含有大量物質(zhì)可以和化學活性高的鎂合金進行化學反應，將空氣假設為電解液，其保護電流趨近于零，鎂合金陰極保護是反腐蝕電壓保護，而不是傳統(tǒng)的電流保護，據(jù)此認為在鎂合金通負電壓可實現(xiàn)陰極保護的效果。其次，鎂合金在通電狀態(tài)下，由于空氣電阻較大，需確定等效為電容器還是等效為電離層，若等效為電容器，整個生產(chǎn)線都為電容器電極；若等效為電離層，需要考慮無線電磁波對其的影響。再次，在鎂合金板表層，自由電子聚集到底是PN結(jié)，還是電解過程的極板自由電子飽和態(tài)。顯然，在現(xiàn)有的科學領(lǐng)域中，并無法給出其準確形態(tài)，還需要進一步深入研究。但是，運用態(tài)體系理論，可以認為鎂合金在陰極保護中，呈現(xiàn)這種多態(tài)融合的狀態(tài)。根據(jù)科學問題置信度與工程問題置信度的關(guān)系，尋找縮小生產(chǎn)環(huán)境的范圍，即定義域；使其能夠在工程領(lǐng)域應用，就達到了陰極保護的目的。

在這種多態(tài)下，實際上是存在明確的干擾源，比如天文學中的電離層主要是太陽輻射中紫外線和X射線所致，此外還有太陽高能帶電粒子和銀河宇宙射線的影響。在地表進行的鎂合金生產(chǎn)，這些粒子或射線散落在地表，它們與季節(jié)氣候有關(guān)，直接影響對鎂合金空氣層的認識，判定其處于離子層態(tài)還是電容器態(tài)。

為了保證鎂合金的穩(wěn)定生產(chǎn)，在實際生產(chǎn)中，不同地區(qū)、不同氣候、不同海拔，需要因地制宜。鎂合金通電陰極保護過程，是一個復雜工程，通電的現(xiàn)象有諸多種可能，即多態(tài)空間。為了穩(wěn)定生產(chǎn)，需要對可能態(tài)的影響權(quán)值進行調(diào)整。而可以調(diào)整的影響參數(shù)，往往只有陰極電源電壓值。隨著人工智能的發(fā)展，可以制造動態(tài)電壓保持系統(tǒng)，并通過大數(shù)據(jù)記錄并加以分析，以達到保護鎂合金金屬特性的通電陰極保護的目的。

通過本文論述，工程的一個問題散射出多種可能的科學狀態(tài)，運用智能電源的方法，簡化其實現(xiàn)難度，是當今科技發(fā)展帶來的實現(xiàn)可能。

2 鎂合金通電陰極保護方法的提出

在實際生活中，通過觀察發(fā)現(xiàn)，干電池陰極金屬不易化學改性。金屬光澤度和形貌都表現(xiàn)出極好的金屬化學形態(tài)保持性；同時，不易氧化和生銹。因此，提出鎂合金陰極保護理論[5]。

鎂合金帶有外部電源的陰極保護概念如圖1所示。金屬表面形成“自由電子壁”(自由電子壁是金屬表面的外部區(qū)域，含有高濃度的自由電子)。由于自由電子壁的存在，金屬表面與環(huán)境粒子之間形成了微電場。它有效地降低了環(huán)境粒子俘獲金屬材料自由電子的可能性。自由電子壁面實現(xiàn)了對金屬材料自由電子數(shù)的保護，從而保持了金屬的化學性質(zhì)。這種方法稱為鎂合金外加電源的陰極保護。

圖1 鎂合金陰極保護理論示意圖

2.1 鎂合金通電陰極保護方法的性質(zhì)

(1)由于采用直流低電壓通電，在鎂合金表層與空氣的交界處產(chǎn)生了類似的PN結(jié)結(jié)構(gòu)；鎂合金視為“N型半導體”，空氣視為“P型半導體”，稱之為PN態(tài)。

(2)在鎂合金表層與空氣和大地之間形成了一個電解回路，通電的電壓可以使鎂合金發(fā)生預還原反應，平衡鎂合金被腐蝕的腐蝕進度，保持鎂合金化學性質(zhì)不發(fā)生改變；鎂合金視為“電解陰極”，空氣微粒視為“電解質(zhì)”，大地視為“電解陽極”，稱之為電解態(tài)。

(3)在空氣中，由于鎂合金與空氣交界面形成了“自由電子壁”，空氣作為絕緣介質(zhì),形成了與大地整體的電容器態(tài)；此時，鎂合金板陰極保護電源僅有電壓，不產(chǎn)生電流。

(4)在空氣中，由于鎂合金與空氣交界面形成了“自由電子壁”，阻隔空氣中其他物質(zhì)與鎂合金發(fā)生變化；由于交界處與大地之間的電場效應，使交界處空氣側(cè)的離子產(chǎn)生了類似天文學中的弱電離層結(jié)構(gòu)。在電離作用產(chǎn)生自由電子的同時，電子和正離子之間碰撞復合，電子附著在中性分子和原子上，會引起自由電子的消失?？諝馐艿綗釋α饕鸬倪\動、極化電場的存在、外來帶電粒子隨機入侵，以及空氣本身的擴散等因素，引起自由電子的遷移，稱之為離子態(tài)。離子態(tài)是陰極保護電流產(chǎn)生的原因，可以參考陰極保護電流大小來判斷其存在。

(5)當外加直流電源時，由于鎂合金金屬化學性質(zhì)活躍，分布在鎂合金周圍空氣中的粒子，會隨機奪取鎂合金表層的自由電子，在鎂合金表層形成交變瞬時電流，進而產(chǎn)生磁場，使鎂合金的自由電子進一步向外擴散；將其稱之為鎂合金表層自由電子的趨膚效應，稱之為趨膚態(tài)。

(6)在接近大地端，由空氣中自由電子的遷移帶來的磁場效應與大地的地磁結(jié)合，形成磁場的穩(wěn)定狀態(tài)，稱之為地磁飽和態(tài)。

電源負極與鎂合金連通，在鎂合金表面形成趨膚效應(趨膚態(tài))，緊鄰在鎂合金與空氣交界處，鎂合金金屬表面的微觀形貌，呈現(xiàn)高低不平的特性，空氣中粒子相對稠密，碰撞頻繁，自由電子消失很快，氣體保持不導電性質(zhì)(PN態(tài))；再往外層，由于交界處自由電子的數(shù)量形成了外電場的作用，外部正離子與電子之間的碰撞復合(電解態(tài))；再往外層，無電流狀態(tài)，存在電壓差(電容器態(tài))；由于空氣中的離子隨機性，形成電離層，引起自由電子的遷移(電離態(tài))；在接近大地端，由空氣中自由電子的遷移帶來的磁場效應與大地的地磁結(jié)合，形成磁場的穩(wěn)定狀態(tài)(地磁飽和態(tài))。

由于鎂金屬特有的分子結(jié)構(gòu)，其形成了正六邊形態(tài)，其微觀結(jié)構(gòu)決定了其輕質(zhì)高強度的金屬性能。理論上，整個自由電子遷移過程，在空氣側(cè)，呈現(xiàn)大氣層的特征，可以探索鎂金屬表面自由電子數(shù)量，通過外部電源電壓的計算，可以確定每平方米自由電子數(shù)量,即TEC的值，進而確定外接電源得電壓范圍。但空氣中的離子受到電磁波的影響，隨機聚集發(fā)生自由電子的遷移，因此，工程中應以實驗數(shù)據(jù)為準。

在傳統(tǒng)的陰極保護方法中，鎂被用作犧牲陽極來保護其他化學活性較低的金屬[6-9]。在鎂合金鑄造和軋制過程中，需要對鎂合金鑄造和軋制裝備進行陰極保護，以減少其與外界材料的化學反應?；瘜W表達式為

Mg+e=Mg-

(4)

式中，根據(jù)電磁學中的趨膚效應，鎂合金板表面會積聚大量自由電子，稱為自由電子封裝陰極保護或自由電子保護(趨膚態(tài))；進而，空氣中的物質(zhì)與鎂合金板之間存在著電位差，抑制了化學反應。

2.2 鎂合金通電陰極保護方法的特點

2.2.1 電化學保護方法的特點

電化學保護的理論基礎：利用金屬電化學腐蝕過程的極化特性控制腐蝕的方法[10-12]。

電化學保護理論與鎂合金通電陰極保護理論的區(qū)別在于，前者是化合反應，后者是還原反應。

在鎂合金板的生產(chǎn)過程中，鎂合金板作為陰極電極與空氣和大地形成了回路。由于空氣電阻大，故電流極小，趨近于零，可以認為是開路。因此，可以采用較小電流的陰極電源。這種方法不同于傳統(tǒng)的在線陰極保護中的強電流保護;傳統(tǒng)在線陰極保護，不考慮保護對象的狀態(tài)，比如埋在地下的石油管道，大地作為無窮大電容，是不需要考慮電流對于大地的影響；比如船舶電流暴露在海水里，也不需要考量電流對于海水的影響。

鎂合金板生產(chǎn)時，電流過大會對重型裝備產(chǎn)生不利影響，同時對于生產(chǎn)人員的安全也會帶來風險。例如，安全用電36 V照明，如果其電壓負端接到鎂合金陰極保護電壓負端，就會超出其電壓值，同時引起操作人員安全事故。為了讓鎂合金板在加工過程中，與外界也就是鎂合金板充滿了靜電負電荷的同時，還能安全運行，需要精準給出其電壓值，既不能過大帶來對設備和人員的危險；也不能過小，起不到保護的要求。此時，希望鎂合金陰極保護處于電容器態(tài)。

2.2.2 傳統(tǒng)在線陰極保護方法的特點

傳統(tǒng)在線陰極保護原理：在電解液中，當鎂合金達到平衡電位時，再施加陰極電流，使金屬的電極電位由原來的平衡電位轉(zhuǎn)移到負電位，使金屬進入無腐蝕區(qū)進行保護[13,14]。

傳統(tǒng)在線陰極保護原理與鎂合金通電陰極保護理論的區(qū)別在于一個是微電壓、低電流，一個是低電壓、微電流。

針對鎂合金陰極保護的工程需要，建議使用貴金屬氧化物陽極作為輔助陽極地床材料，由于鎂合金腐蝕電壓高，良好的接地有利于對于鎂合金通電陰極保護的使用；同時，將鎂合金陰極保護電源接地端，做輔助陽極地床離子強化處理，注入高濃度溶液，降低電源正極接地電阻，并將陰極保護用電源正極接地單獨設置。此時，鎂合金保護變?yōu)橥ㄟ^保護電壓將土壤中犧牲金屬鈉的電子，來保護鎂合金電子數(shù)，達到陰極保護的目的。

2.2.3 鎂合金通電陰極保護準則

(1)在通電的情況下,埋地輔助陽極地床結(jié)構(gòu)最小保護電位為-2.37 V或更負。

(2)故障瞬時斷電電位與自然電位的電位之差不小于1.4 V(抑制陰極相的多陰極反應)。

(3)最大保護電位的控制應該稍高于析氫電位，否則，會導致鎂合金材料帶負電，使空氣中的氫離子滲入鎂合金材料，產(chǎn)生鎂合金材料的氫鼓、氫脆和氫蝕現(xiàn)象，破壞鎂合金材料性能。

(4)選取自動調(diào)節(jié)電流的電源，使鎂合金的電位控制在較佳的保護電位范圍內(nèi)。

2.2.4 鎂合金陰極保護系統(tǒng)組成

(1)通電回路。由輔助陽極地床、陽極電纜、直流自動電源、負極鎧裝電纜、鎂合金板、空氣組成。

(2)監(jiān)測回路。為了防止故障斷電造成陰極保護失效，設立參考電位零點，鎂合金板測量點，電壓表，失壓監(jiān)測報警，自動切換陰極電源?？赏ㄟ^監(jiān)測回路判斷陰極保護回路是否正常工作。

(3)鎂合金恒電壓儀。提供穩(wěn)定恒定外加保護電壓的電源。

2.3 鎂合金保護電壓的選取原則

根據(jù)陰極保護原理，鎂合金保護的電壓值應趨于

V析氫

(4)

式中，VMg為鎂合金陰極保護電位；Vmin為鎂合金最小陰極保護電位，-2.37 V；V析氫為鎂合金空氣中最大保護電位的析氫電位。

鎂合金空氣中析氫電位的測量還處于電化學的前沿研究，科學研究的方法難度很大。大體的試驗方法是，在密閉空氣箱中，測量鎂合金電位變化，同時動態(tài)采集鎂合金析出的氫氣含量的變化。鎂合金析氫過程發(fā)生，測量鎂合金電位最低值就是鎂合金空氣析氫電位。其測量的難度在于鎂合金組份和空氣組份的不確定度。鎂合金組份種類很多，添加的合金元素在鎂基體中形成金屬間化合物，鎂中添加Al、Fe、Mn、Cu、Co、Ni等元素，易形成Mg4Al3、FeAl3、Mg2Ni、MgCu2、Mn、Co等陰極相。這些金屬間化合物的電位比鎂合金基體高，與鎂合金基體之間存在電位差。生成有效陰極相，與鎂合金基體的電位差在0.43～1.39之間變動，使鎂合金在空氣中被腐蝕。同時，空氣含有不同的PH值，偏酸性、偏堿性帶來的測量結(jié)果都會不同?？諝庵械暮恳矔绊戞V合金析氫電位的大小?？梢?，科學問題的置信度低于工程問題，要想將科學的理論應用于工程技術(shù)還需要調(diào)整研究思路，不過鎂合金最小陰極保護電位已經(jīng)得出不高于-2.37 V。

鎂合金的態(tài)分析方法中，將鎂合金陰極保護所在多態(tài)進行細分。鎂合金所處的態(tài)可以細分為平衡態(tài)和非平衡態(tài)；PN態(tài)、電解飽和態(tài)、電容器態(tài)、地磁飽和態(tài)，由于在空氣組份外界干擾下，隨變性不強，認為鎂合金空氣電化學平衡態(tài)；而離子態(tài)和趨膚態(tài)，都會因為空氣組分和電磁干擾產(chǎn)生劇烈變化，將問題轉(zhuǎn)化為對這兩個態(tài)進行研究。

實際上鎂合金電化學保護下的離子態(tài)和趨膚態(tài)，鎂合金電化學保護電壓越高即越負，其抗干擾能力越強，但鎂合金析氫反應限制電壓的幅值。如前所述考慮鎂合金組分種類很多，添加的合金元素在鎂基體中形成金屬間化合物，鎂中添加Al、Fe、Mn、Cu、 Co、Ni等元素，易形成Mg4Al3、FeAl3、Mg2Ni、 MgCu2、Mn、Co等陰極相的多陰極反應，鎂合金受熱的熱電電池效應、加熱鎂合金軋制溫度和電阻率的變化以及保護電壓的冗余度，鎂合金陰極保護電壓的工程整定值其計算過程為

VMg≤Vmin+VN+VT+VRMg+ΔV

(5)

式中，VMg為鎂合金陰極電位；Vmin為鎂合金最小陰極保護電位，-2.37V；VN為添加的合金元素在鎂基體中形成金屬間化合物，鎂中添加Al、Fe、Mn、Cu、 Co、Ni等元素，易形成Mg4Al3、FeAl3、Mg2Ni、 MgCu2、Mn、Co等陰極相的多陰極反應，有效陰極0.43～1.39范圍；VT為熱電電池效應電壓；VRMg為鎂合金電阻率變化引起電壓降；ΔV為空氣組份的變化引起電壓變化。

顯然，空氣組份的變化引起電壓變化ΔV，具有不確定度；升維求導變?yōu)殡妷鹤兓?，可以用陰極保護電壓產(chǎn)生的電流與鎂合金最大電阻乘積等效，即

(6)

式中，RMg為鎂合金電阻；I為陰極保護電壓產(chǎn)生的電流；Q為鎂合金自由電子數(shù)。金屬鎂20 ℃時，其電阻率為0.044 5 Ω·m。根據(jù)實際鎂合金的幾何尺寸可以計算出最遠點的阻值。

由于鎂合金熱電效應，以及鎂合金溫度帶來電阻率變化，還沒有科學試驗數(shù)據(jù)；根據(jù)殘余數(shù)學模型和概率論，選取2.5～3.5倍確定性數(shù)據(jù)的裕度進行近似，同時，考慮到試驗設備操作的刻度，選擇-10 V電壓作為陰極電壓的整定值進行試驗。

通過理論分析，給出了鎂合金通電陰極保護的理論基礎。結(jié)合實驗室實際的試驗條件，進行了實驗室試驗方法和試驗步驟的設計，具體描述實驗過程和試驗結(jié)果分析詳見文獻[5]。實驗公開后，得到了國外雜志《Chemicals & Chemistry》的關(guān)注，評價為:科學-材料科學與工程領(lǐng)域-太原科技大學新發(fā)現(xiàn)[15]。根據(jù)鎂合金陰極保護理論，設計新一代鎂合金鑄造裝備。

2.4 陰極保護的鎂合金鑄造澆鑄包裝置

目前，國內(nèi)外采用鎂合金鑄造過程采用熔劑保護法、氣體保護法、合金化法[16]。三種方法對環(huán)境污染大、有毒性，并且腐蝕設備。

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本文提供了一種鎂合金鑄造過程中配置有陰極保護的鑄造澆鑄包裝置，減少了鎂金屬在鑄造過程中的氧化反應和氫脆現(xiàn)象的發(fā)生，進而提高鑄造鎂合金成材率[17]。

如圖2所示為陰極保護的鎂合金鑄造澆鑄包裝置示意圖，該裝置主要由澆鑄包和可調(diào)電源組成。澆鑄包的兩側(cè)對稱布置有吊耳，方便鑄造起重機吊取?？烧{(diào)陰極保護電源的正極接線端接地，可調(diào)電源的負極接線端通過軟電纜與鎧裝電纜的一端連接，鎧裝電纜的另一端與導電陶瓷連接，鎧裝電纜預埋在澆鑄包的包壁和澆鑄包一側(cè)的吊耳中，澆鑄包的底部裝有與澆鑄包內(nèi)部相連通的導電陶瓷，導電陶瓷與鎂合金鑄液相接觸。

圖2 陰極保護的鎂合金鑄造澆鑄包裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

鑄造生產(chǎn)前，首先將可調(diào)電源打開，通過可調(diào)電源控制導電陶瓷為負電壓，鎂合金鑄液與導電陶瓷導通實現(xiàn)鎂合金鑄液帶負電荷，形成一種制有陰極保護的鎂合金鑄造澆鑄包裝置，減少了鎂金屬的氧化反應和氫脆現(xiàn)象發(fā)生，提高了鑄造鎂合金的成材率。

澆鑄包澆筑鎂合金鑄件過程中，由于鎂合金鑄液一致處于負電荷充盈狀態(tài)，傾倒到鎂合金鑄件成型過程中，減少了鎂合金與空氣中的物質(zhì)反應。通過可調(diào)電源控制鎂合金鑄液的電壓，實現(xiàn)鎂合金鑄件的電壓為負，達到鎂合金通電陰極保護電壓，對鎂合金鑄液產(chǎn)生了陰極保護的作用。由于鎂合金鑄液與澆鑄包底部的導電陶瓷相接觸，在鑄液即將傾倒完成時會短時失去通電鎂合金陰極保護；此時，就需要對鎂合金鑄造裝置進行陰極保護探討和研究。本文將進一步研究鑄造裝備的陰極保護方法。

2.5 通電陰極保護的鎂合金鑄造裝置

如圖3所示為通電陰極保護的鎂合金鑄造裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖，通電陰極保護的鎂合金鑄造裝置[18]。主要包括可調(diào)電源、防止與地短路的絕緣層，將鎂合金鑄造沙箱放置在絕緣層內(nèi)。在絕緣層的開口環(huán)形區(qū)域內(nèi)，放置鎂合金鑄造沙箱的上砂箱和下砂箱，鎂合金鑄造的上砂箱上開有澆口和冒口；鎂合金鑄造的上砂箱蓋合在下砂箱的頂部并形成澆注型腔。鎂合金鑄造下砂箱上裝有與澆注型腔相連通的導電陶瓷，導電陶瓷裸露并與澆注型腔內(nèi)的鎂合金保持良好的導電接觸，導電陶瓷置于澆口的正下方，導電陶瓷通過鎧裝電纜與可調(diào)電源的負極接線端連接，可調(diào)電源的正極接線端接地?？烧{(diào)電源的電位調(diào)節(jié)到鎂合金的腐蝕電位，使得鎂合金在鑄造時得到陰極保護。

圖3 通電陰極保護的鎂合金鑄造裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖

鑄造生產(chǎn)前，首先將可調(diào)電源打開，通過可調(diào)電源控制導電陶瓷為負電壓，鑄件溶液與導電陶瓷導通實現(xiàn)鎂合金鑄件帶負電荷，形成制有陰極保護的鎂合金鑄造裝置，減少了鎂金屬的氧化反應和氫脆現(xiàn)象的發(fā)生，進而提高鑄造鎂合金的成材率。

通過鎂合金鑄液與澆口底部的導電陶瓷相接觸，可調(diào)電源調(diào)節(jié)并保證鎂合金液冷卻到鑄件的電壓一直為負，實現(xiàn)了鎂合金通電陰極保護的作用。進而減少了鎂金屬的氧化反應和氫脆現(xiàn)象的發(fā)生，提高鑄造鎂合金的成材率。

3 結(jié)論

(1)交通裝備領(lǐng)域采用鎂合金材料替代鋼鐵材料，其輕量化有利于碳減排的實現(xiàn)，因此鎂合金重型裝備的研究具有重要意義。依據(jù)物理化學分析方法，提出了陰極保護電壓的理論計算方法及其工程近似計算方法。并通過科學試驗驗證了鎂合金陰極保護方法的有效性。

(2)提出了鎂合金通電陰極保護的鑄造裝備的工程實現(xiàn)方法,澆鑄包澆鑄鎂合金鑄件過程中，以及鎂合金鑄件成型過程中，鎂合金鑄液一致處于負電荷充盈狀態(tài)，抑制了鎂合金與空氣中的其他物質(zhì)發(fā)生化學反應。