牺牲生命阴极金属材料的科学研究现况

概要了牺牲生命阴极金属材料的科学研究现况和现阶段常见的铝基、锌基和镁基等四种牺牲生命阴极金属材料的基本上成份和操控性特征, 预测了钛原素的促进作用, 并对牺牲生命阴极的许多新产业发展和应用领域情形作了如是说

阴极保护是一种重要的金属腐蚀防护措施, 其原理是给被保护金属通以阴极电流, 被保护金属发生了阴极极化, 腐蚀减缓。根据电流来源不同, 阴极保护可分为外加电流法和牺牲生命阳性法, 前者是将被保护金属与电源负极相连, 后者是将保护金属与电位更负的牺牲生命阴极相连。牺牲生命阴极法具有不需要外加电源、不会干扰邻近金属设施、电流散能力好、易于管理和维护等优点, 因而在防腐工程中得到了广泛应用领域。

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铝系列牺牲生命阴极金属材料

在铝中单独添加一种钛原素, 电流效率低, 且随时间延长而下降, 添加两种或两种以上的钛原素, 可以得到电流效率较高, 综合操控性好的铝钛牺牲生命阴极, 其中电位在-1.05V_CSE左右, 电流效率较高的有Al-Zn-Ni 系、Al-Zn-Hg 系、Al一Zn-Sn 系钛阴极, 其成份和电化学操控性见表1

表1铝钛阴极的成份和操控性

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Al-Zn-Ni 系

钛不需要进行热处理, 综合操控性好, 现阶段已产业发展成为科学研究最多、应用领域最广的一类铝钛牺牲生命阴极金属材料. 在Al-Zn 钛中, 锌量增高, 阴极电位负移, 电流效率降低. 加入适量的第三组元锢, 可使钛活化, 阴极电位也较负, 电流效率提高(-90%)

02

Al-Zn-Hg 系

在铝阴极开发初期, 国内外均从含汞阴极开始.美国DOW 公司在20 世纪60年代研制了Al-0.45Zn-0.045Hg 阴极, 商品名为Galvaium, 这种阴极对原料铝的纯度要求高, 一般为9.9% , 但在海泥中操控性较差, 电流效率仅为40.6%。

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Al-Zn-Sn系

Al-Zn-Sn阴极需要均质化处理才能获得可靠操控性,所以成本偏高,此处理方法是在520℃保温、水淬.加入少量Bi到Al-Zn-0.025Sn 中可避免热处理工艺,增大Sn的固溶度,还可使晶粒细化.含有6%-8% Zn,0.08%-0.16% Sn 且杂质含量不超过0.10% Fe 和0.10%Si的Al-Zn-Sn钛具有较好的操控性。

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锌基牺牲生命阴极金属材料

锌的密度较大, 理论发生电量小。在腐蚀介质中,锌对钢铁的阴极保护驱动电压较低, 约为0.2V,但是锌阴极具有高的电流效率。锌中的杂质对阴极操控性有很大影响。锌基牺牲生命阴极金属材料的产业发展主要通过两个途径,一是采用高纯金属锌,严格限制杂质含量; 二是采用低钛化的锌基钛, 同时减少杂质含量。

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纯Z n

用纯锌做牺牲生命阴极时, 要求锌含量>99.995%,杂质铁含量<0.00 41 %。

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Zn-Al-x 系

钛Zn-Al 钛阴极含Al量为0.4%-0.6% ,铝在锌中的单相。固溶体, 其电流效率最高, 极化率最小, 电位较负并且稳定,电化学操控性与纯锌阴极的相当.当铝含量超过0.6 % 时出现第二相月, 会导致电流效率降低和极化的电位变正。

03

其它锌钛含

Sn0.1%-0.3%、杂质Fe《0.001%、Cu《0.001%、Pb《0.005% 的Zn-Sn 钛作为牺牲生命阴极金属材料具有较好的电化学操控性,其稳定电位为-1.045V_SCE, 有效电容量为0.78A.h/g ,电流效率达95 %.

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镁基牺牲生命阴极金属材料

镁是电化学阴极保护工程中常见的一种牺牲生命阴极金属材料, 具有较高的化学活性, 它的电极电位较负,驱动电压高. 同时, 镁表面难以形成有效的保护膜.因此, 在水介质中, 镁表面的微观腐蚀电池驱动力大, 保护膜易于溶解, 镁的自腐蚀很强烈, 在阴极上发生析氢反应2 H⁺+2e➙H₂.镁基牺牲生命阴极有纯镁、Mg-Mn系钛和Mg-Al-Zn-Mn系钛等三类, 其共同的特征是密度小、理论电容量大、电位负、极化率低, 对钢铁的驱动电压很大(>0.6V),适用于电阻率较高的土壤和淡水中金属构件的保护。

01

纯镁

镁为活泼金属, 其电化学操控性受杂质和钛原素的影响很大. 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。镁中的许多杂质原素, 如Fe、Co、Mn 是以单质的形式固溶于镁基体中的, 而另许多杂质, 如Al 、Zn 、Ni、Cu 等原素则易与镁形成金属间化合物,无论哪类杂质原素, 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。尽可能降低纯镁阴极中杂质原素的含量是必要的。

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M g 一M n 系钛

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原素, 可消除杂质的不良影响, 降低镁的自腐蚀速度。

03

Mg-Al-Zn-M n 系钛

根据铝和锌的含量不同, 操控性不同, 其中操控性较好和获得广泛应用领域的主要是Mg-6Al-3Zn-Mn钛, 其表面溶解均匀, 电流效率大于50 %。铝是阴极中的主要钛原素, 可与镁形成Mg_l7Al₁₂强化相,提高钛的强度。但向工业镁中单独添加铝时, 可形成大量的MgAl、Mg₂Al₃、Mg₄Al₃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, 提高阴极电流效率。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原素含量的要求。

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复合牺牲生命阴极

中国石油天然气管道勘察设计院的胡士信研制了复合式牺牲生命阴极是由镁包锌构成, 利用镁阴极的高驱动电位来满足管道初始阴极极化大电流的要求, 再利用锌阴极的高电流效率来达到延长使用寿命的目的。

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结语

现阶段常见的牺牲生命阴极金属材料的基本上成分已大体确定并标准化, 但进一步开发高效、耐用、经济和环保型的牺牲生命阴极金属材料则成为今后产业发展的方向。作为一种经济有效的金属防腐方法, 牺牲生命阴极法在工程防腐上的应用领域日趋广泛, 相应地对优质牺牲生命阴极的需求会越来越多, 这就要求有关的牺牲生命阴极金属材料生产企业重视生产过程的质量控制, 不断改进和优化生产工艺, 扩充牺牲生命阴极产品品种规格, 开发新产品,以满足不同情形下阴极保护对牺牲生命阴极的多样化要求。

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