镁合金阴极保护方法及其铸造装备设计与理论

李昕涛

(1.太原科技大学重型机械教育部工程研究中心，山西 太原 030024；2.太原科技大学电子信息工程学院，山西 太原 030024)

0 前言

人类文明的进步，离不开金属介质的发展改变，人类从石器时代，青铜器时代，铁器时代，发展到钢铁时代，合金时代、复合金属时代……。而镁合金作为人类合金时代重要的文明发展介质，在相当长的时间里承担人类绿色发展的必然需要。

镁是在自然界中分布最广的十个元素之一，但由于它不易从自然界化合物中还原成单质状态，所以迟迟未被开发与利用。镁在自然界分布不均，各国天然矿的储量差异巨大。其全球陆地储量基本分布在中、美、俄三个国家，海洋中也含有大量的镁化合物。镁合金作为轻质材料，其特点是:密度小，比强度高，比弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。它是实用金属中的最轻的金属，高强度、高刚性，广泛用于空间技术、航空、航天、高铁、汽车、化工、医疗、建筑和仪表等工业部门[1-4]。

在十四五提出碳达峰、碳中和绿色发展背景下，中国可通过运用镁合金产业，有效推动镁合金电动车辆的发展，替换现有的内燃机汽车，摆脱化石能源对中国经济发展的掣肘，实现中国可持续绿色发展。试想当今的世界，随着5G时代的到来，科技迅猛发展，产业进阶高速迭代发展；移动终端、笔记本电脑等电子消费品，都呈现出产业进阶迭代速度高的特点。5G时代，汽车的定义早已改变为“自行走载人移动网络终端”。随着无人驾驶汽车的进一步发展，汽车电子产品迭代进阶效率的提高，汽车产业的设计寿命将大幅缩短。否则随着电子信息类产品的快速升级，会造成大量汽车的积压，带来产能过剩，劳动力不能有效释放，产生深远的产业危机。镁合金材料回收效率高，轻量化效果明显，正好符合现代汽车对材料的特性的需求。

1 镁合金通电阴极保护理论工程体系基础

众所周知，在化学领域中，金属化学活性与最外层电子相关。假定通过增加金属最外层电子可以改变金属活性，如增加最外层电子数量，将金属镁的化学性质通过电化学工程方法，变换为金属铁的化学性质，再运用成熟的钢铁成熟轧制生产线进行生产。本文对于现有改变物质化学性质的科学方法进行了探讨，即镁合金通电阴极保护方法的基础论证[5]。

1.1 PN结

在半导体领域中，PN结的产生就是运用掺杂3价元素硼、铟元素和5价元素磷、锑元素，通过扩散作用于同一块硅、锗半导体基片上，实现半导体N型、P型半导体的制作。N型与P型半导体的交界面产生空间电荷区称为PN结。

将镁合金保护思维体系投影在半导体PN结的概念中，希望给镁合金通电后实现其在镁合金外表面形成自由电子壁垒，镁合金相当于PN结中的N型半导体，环境中的其他物质相当于PN结中的P型半导体，称之为镁合金通电阴极保护下，PN态。

1.2 电解反应方法

在电化学领域，金属铝、铜的工业实际生产中，多采用电解反应方法实现还原金属物质。电解过程是将电流通过液态或熔融态的离子导体的电解质溶液，在直流电源的阴极和阳极上发生电化学反应的过程。电解质中的阳离子移向直流电源的阴极，吸收电子，阴极发生还原反应，生成新高纯物质；电解质中的阴离子移向阳极，放出电子，阳极发生氧化反应，也生成新氧化物质的化学过程。

电解电压理论值可由能斯特方程计算

(1)

式中，E0为标准电极电位；R为气体常数，8.314 J/(K/mol)；T为温度，K；n为电极反应中得失电子数；F为法拉第常数，是近代科学研究中重要的物理常数，法拉第常数值是由美国国家标准局所，依据的电解实验得到 96 485.332 89±0.000 59 C/mol，约等于96 500；法拉第常数早期是元电荷e=1.602 176 634 10×10-19C(电子电荷的基本电荷或大小)与阿伏伽德罗常数NA=6.022 140 76×1023mol-1(粒子数N与物质量n的比值)的积，代表每摩尔电子所携带的电荷，单位C/mol；α1、α2分别为还原态和氧化态下物质的活度。

镁合金通负电压，认为镁合金处在电解饱和态，镁合金为阴极电极，电解溶液为含有游离态离子的空气。此时，镁合金作为阴极电极析出的产物与附有游离态离子的空气之间形成电池，其电动势在数值上等于空气作为电解质的理论电解电压。

通过能斯特方程校验镁合金阴极保护电压值，可以有效保护镁合金产品的电子数量。

将镁合金通电阴极保护投影在电化学领域的电解过程，认为镁合金与大地之间发生电解过程，电解质液是附有游离态离子的空气。空气是微导电的，会形成电子导体的阴极电极(镁合 金)与作为附有游离离子导体的电解质(空气)的界面上发生的电化学反应，结果是保持镁合金化学性质的稳定。

给金属镁合金通阴极保护电，不改变其物理化学性质，使其钝化，变为具有铁的化学活跃度。本文将详细分解镁合金通电阴极保护在空气中的导电过程。

1.3 电子学中的电容器

在电子学中，两个导电的电极间夹着一层不导电的绝缘介质，形成了电容器。将镁合金阴极保护投影到电容器领域，镁合金通电阴极保护时，镁合金板形成了阴极电极，空气是不导电的绝缘介质，大地的接地电极构成了电子学中的电容器。

(2)

式中，U镁-U地为镁合金板与大地之间的电势差；εr为相对介电常数；k为静电力常量；S为镁合金板与大地正对面积；d为镁合金板与大地间距离。

显而易见，式(2)等效认为镁合金板与大地之间存在均匀电场。这种等效是一种近似，其不确定度来源于空气离子与镁合金板自由电子撞击复合的数量，即空气的绝缘性；其计算值仅能作为确定镁合金阴极保护电压值的参考。由于存在空气离子与镁合金板自由电子撞击复合的现象，不能简单认为空气完全绝缘介质，进而分析天文学的电离层态。

1.4 天文学中的电离层

从离地面约50～1 000 km高度的地球高层大气空域，存在大量的自由电子和离子称之为电离层。其中，天文学中的电离层是受到恒星高能辐射及宇宙射线激励电离的高层大气层。

受电离层启发，镁合金通电阴极保护作为电源负极，通过附有游离态的离子的空气与大地形成电路回路。再将镁合金通电阴极保护投影到电离层理论中。

在天文学中，空气的电离层是随着离地距离的增加而增加，具有不同的物理性质。在近地点，电离作用产生自由电子，电子与正离子之间碰撞复合，电子附着在其他微粒上引起自由电子的消失，远地点大气稀薄，电离的迁移运动受地磁影响。在镁合金阴极保护过程中，依然存在同样的自由电子运动过程，镁合金通电阴极保护时，其表层首先是NP结，外层是电解饱和态的自由电子层，自由电子层与空气中离子碰撞复合，自由电子扩散在微粒上，形成微电流，与电源正极的大地地磁形成弱电离层态，形成整个阴极保护的保护回路。

1993年，关于电磁波电离层效应依赖电磁波频率的特性，由布伦纳和威尔士提出

(3)

式中，v代表电离层延迟；c代表光速，m/s；f代表信号频率，Hz；TEC代表每平方米自由电子数量。

式(3)中，空气中每平方米自由电子数量，是镁合金阴极保护电路关系密切的值，通过式(3)可以对环境空气自由电子数量进行监测，防止由于空气温度、湿度变化，带来阴极保护电源的故障或损坏。

理论上，通直流电其频率f→0，电离层延迟v→∞，表明镁合金阴极保护状态下，空气电阻无穷大。但在工程中，并不存在恒定的直流电，任何直流电源都存在波动，只是电源频率非常小，v延迟非常大。在现场监测可采用静电放电现象观测。

1.5 电磁学——趋肤效应

趋肤效应是当导体中有交流电伴随产生交变电磁场时，导体内部的电流分布会集中在导体的“皮肤”，即导体表层部分，使电流电子定向移动过程中，表层自由电子碰撞机会加大，增加电流损耗功率的现象。

镁合金阴极保护过程中，期望在镁合金表层形成均匀分布的自由电子层，防止出现由于外部磁场变化，带来的自由电子分布不均匀，造成不规律的保护效果。

从各种物理状态的描述看，要形成镁合金外一个稳定不受电磁干扰的自由电子包裹的动态保护层，需要在各自的科学领域中找到平衡点。既要一定数量的自由电子和空气中离子碰撞复合，又要在环境改变的空气中稳定的镁合金化学性质。因此，需要对现有阴极保护方法进行分析。

1.6 通电阴极保护方法

阴极保护是利用腐蚀电池的原理，将被保护的金属结构作为阴极，通过阳极向阴极金属结构不间断地定向提供电子的过程。其步骤是先使金属结构极化，在金属结构表面聚集大量自由电子，使其不易发生化学反应——变为金属离子，进而减缓了金属结构的自然腐蚀速度。

1.6.1 牺牲阳极阴极保护法

两种腐蚀电位不同的金属，用导线连接，在相同环境下，构成了腐蚀电池，腐蚀电位低的金属会在环境中先被腐蚀，释放出的电子保护阴极被保护的金属结构。腐蚀电位低的金属或合金，一般为镁合金、锌合金、铝合金作为阳极；电力塔、金属桥梁、船舶、石油平台等金属结构件作为阴极。在阴极得到保护情况下，阳极不断消耗形成镁合金、锌合金、铝合金的化合物，称为牺牲阳极化合物。

显然，在镁合金从生产过程中，阴极保护不能采用牺牲阳极法。

1.6.2 外加电流阴极保护法

外加电流阴极保护是在保护回路中，接入一个直流电源，通过辅助阳极，使被保护的金属由于电源电压转变为阴极而实现保护的方法。

外加电流阴极保护技术相对于牺牲阳极阴极保护而言，能较好的保护电压，可以宽范围控制电流输出值，适用于较大保护场合，如管道防腐等场合；同时，也可在高电阻率环境和恶劣腐蚀条件下使用；阳极采用不溶性或微溶性材料可以长时间实现阴极保护。外加电流阴极保护经济投入高，运行产生维护费用，常年需要外部供电，对周围地下接地系统有干扰作用。

外加电流阴极保护技术常用辅助阳极地床材料，包括：废钢铁、石墨、高硅铸铁、混合金属氧化物、聚合物柔性材料。

通常材料的选取来自于使用环境，钢铁阳极、石墨阳极多用于环境较好的阴极保护作为阳极床；高硅铸铁适用于各种环境介质，阳极电流在其表面产生氧化层，形成二氧化硅薄层，具有高耐酸性，材质脆性大，不易加工运输特点；聚合物柔性阳极成本高，在铜质电缆芯外增加了导电聚合物；贵金属氧化物阳极在贵金属钛上敷一层高活性电催化的混合金属氧化物构成，适用于氯碱工业，具有优异的电化学性能，高活性电催化的混合金属氧化物涂层电阻率10-7Ω·m，已成为目前最为理想和最有前途的辅助阳极材料。

外加电流阴极保护，主要用于保护大型金属结构和埋于高阻率土壤中的金属结构，如：长输物质埋地管道，大型化工罐群等。

阴极保护电源提供的阳极电蚀电流必须足够对付金属表层的腐蚀电流，才能达到保护金属不受环境的影响，保持其固有的物理、化学材质的特性。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。

当通过电压测量，来了解金属在空气腐蚀中间层与表层的电动势差就是腐蚀电压。在传统外加电流阴极保护中，电解液是具有导电性能；而将其扩充到镁合金保持其金属性能时，带来了诸多问题。

首先，由于空气中含有大量物质可以和化学活性高的镁合金进行化学反应，将空气假设为电解液，其保护电流趋近于零，镁合金阴极保护是反腐蚀电压保护，而不是传统的电流保护，据此认为在镁合金通负电压可实现阴极保护的效果。其次，镁合金在通电状态下，由于空气电阻较大，需确定等效为电容器还是等效为电离层，若等效为电容器，整个生产线都为电容器电极；若等效为电离层，需要考虑无线电磁波对其的影响。再次，在镁合金板表层，自由电子聚集到底是PN结，还是电解过程的极板自由电子饱和态。显然，在现有的科学领域中，并无法给出其准确形态，还需要进一步深入研究。但是，运用态体系理论，可以认为镁合金在阴极保护中，呈现这种多态融合的状态。根据科学问题置信度与工程问题置信度的关系，寻找缩小生产环境的范围，即定义域；使其能够在工程领域应用，就达到了阴极保护的目的。

在这种多态下，实际上是存在明确的干扰源，比如天文学中的电离层主要是太阳辐射中紫外线和X射线所致，此外还有太阳高能带电粒子和银河宇宙射线的影响。在地表进行的镁合金生产，这些粒子或射线散落在地表，它们与季节气候有关，直接影响对镁合金空气层的认识，判定其处于离子层态还是电容器态。

为了保证镁合金的稳定生产，在实际生产中，不同地区、不同气候、不同海拔，需要因地制宜。镁合金通电阴极保护过程，是一个复杂工程，通电的现象有诸多种可能，即多态空间。为了稳定生产，需要对可能态的影响权值进行调整。而可以调整的影响参数，往往只有阴极电源电压值。随着人工智能的发展，可以制造动态电压保持系统，并通过大数据记录并加以分析，以达到保护镁合金金属特性的通电阴极保护的目的。

通过本文论述，工程的一个问题散射出多种可能的科学状态，运用智能电源的方法，简化其实现难度，是当今科技发展带来的实现可能。

2 镁合金通电阴极保护方法的提出

在实际生活中，通过观察发现，干电池阴极金属不易化学改性。金属光泽度和形貌都表现出极好的金属化学形态保持性；同时，不易氧化和生锈。因此，提出镁合金阴极保护理论[5]。

镁合金带有外部电源的阴极保护概念如图1所示。金属表面形成“自由电子壁”(自由电子壁是金属表面的外部区域，含有高浓度的自由电子)。由于自由电子壁的存在，金属表面与环境粒子之间形成了微电场。它有效地降低了环境粒子俘获金属材料自由电子的可能性。自由电子壁面实现了对金属材料自由电子数的保护，从而保持了金属的化学性质。这种方法称为镁合金外加电源的阴极保护。

图1 镁合金阴极保护理论示意图

2.1 镁合金通电阴极保护方法的性质

(1)由于采用直流低电压通电，在镁合金表层与空气的交界处产生了类似的PN结结构；镁合金视为“N型半导体”，空气视为“P型半导体”，称之为PN态。

(2)在镁合金表层与空气和大地之间形成了一个电解回路，通电的电压可以使镁合金发生预还原反应，平衡镁合金被腐蚀的腐蚀进度，保持镁合金化学性质不发生改变；镁合金视为“电解阴极”，空气微粒视为“电解质”，大地视为“电解阳极”，称之为电解态。

(3)在空气中，由于镁合金与空气交界面形成了“自由电子壁”，空气作为绝缘介质,形成了与大地整体的电容器态；此时，镁合金板阴极保护电源仅有电压，不产生电流。

(4)在空气中，由于镁合金与空气交界面形成了“自由电子壁”，阻隔空气中其他物质与镁合金发生变化；由于交界处与大地之间的电场效应，使交界处空气侧的离子产生了类似天文学中的弱电离层结构。在电离作用产生自由电子的同时，电子和正离子之间碰撞复合，电子附着在中性分子和原子上，会引起自由电子的消失。空气受到热对流引起的运动、极化电场的存在、外来带电粒子随机入侵，以及空气本身的扩散等因素，引起自由电子的迁移，称之为离子态。离子态是阴极保护电流产生的原因，可以参考阴极保护电流大小来判断其存在。

(5)当外加直流电源时，由于镁合金金属化学性质活跃，分布在镁合金周围空气中的粒子，会随机夺取镁合金表层的自由电子，在镁合金表层形成交变瞬时电流，进而产生磁场，使镁合金的自由电子进一步向外扩散；将其称之为镁合金表层自由电子的趋肤效应，称之为趋肤态。

(6)在接近大地端，由空气中自由电子的迁移带来的磁场效应与大地的地磁结合，形成磁场的稳定状态，称之为地磁饱和态。

电源负极与镁合金连通，在镁合金表面形成趋肤效应(趋肤态)，紧邻在镁合金与空气交界处，镁合金金属表面的微观形貌，呈现高低不平的特性，空气中粒子相对稠密，碰撞频繁，自由电子消失很快，气体保持不导电性质(PN态)；再往外层，由于交界处自由电子的数量形成了外电场的作用，外部正离子与电子之间的碰撞复合(电解态)；再往外层，无电流状态，存在电压差(电容器态)；由于空气中的离子随机性，形成电离层，引起自由电子的迁移(电离态)；在接近大地端，由空气中自由电子的迁移带来的磁场效应与大地的地磁结合，形成磁场的稳定状态(地磁饱和态)。

由于镁金属特有的分子结构，其形成了正六边形态，其微观结构决定了其轻质高强度的金属性能。理论上，整个自由电子迁移过程，在空气侧，呈现大气层的特征，可以探索镁金属表面自由电子数量，通过外部电源电压的计算，可以确定每平方米自由电子数量,即TEC的值，进而确定外接电源得电压范围。但空气中的离子受到电磁波的影响，随机聚集发生自由电子的迁移，因此，工程中应以实验数据为准。

在传统的阴极保护方法中，镁被用作牺牲阳极来保护其他化学活性较低的金属[6-9]。在镁合金铸造和轧制过程中，需要对镁合金铸造和轧制装备进行阴极保护，以减少其与外界材料的化学反应。化学表达式为

Mg+e=Mg-

(4)

式中，根据电磁学中的趋肤效应，镁合金板表面会积聚大量自由电子，称为自由电子封装阴极保护或自由电子保护(趋肤态)；进而，空气中的物质与镁合金板之间存在着电位差，抑制了化学反应。

2.2 镁合金通电阴极保护方法的特点

2.2.1 电化学保护方法的特点

电化学保护的理论基础：利用金属电化学腐蚀过程的极化特性控制腐蚀的方法[10-12]。

电化学保护理论与镁合金通电阴极保护理论的区别在于，前者是化合反应，后者是还原反应。

在镁合金板的生产过程中，镁合金板作为阴极电极与空气和大地形成了回路。由于空气电阻大，故电流极小，趋近于零，可以认为是开路。因此，可以采用较小电流的阴极电源。这种方法不同于传统的在线阴极保护中的强电流保护;传统在线阴极保护，不考虑保护对象的状态，比如埋在地下的石油管道，大地作为无穷大电容，是不需要考虑电流对于大地的影响；比如船舶电流暴露在海水里，也不需要考量电流对于海水的影响。

镁合金板生产时，电流过大会对重型装备产生不利影响，同时对于生产人员的安全也会带来风险。例如，安全用电36 V照明，如果其电压负端接到镁合金阴极保护电压负端，就会超出其电压值，同时引起操作人员安全事故。为了让镁合金板在加工过程中，与外界也就是镁合金板充满了静电负电荷的同时，还能安全运行，需要精准给出其电压值，既不能过大带来对设备和人员的危险；也不能过小，起不到保护的要求。此时，希望镁合金阴极保护处于电容器态。

2.2.2 传统在线阴极保护方法的特点

传统在线阴极保护原理：在电解液中，当镁合金达到平衡电位时，再施加阴极电流，使金属的电极电位由原来的平衡电位转移到负电位，使金属进入无腐蚀区进行保护[13,14]。

传统在线阴极保护原理与镁合金通电阴极保护理论的区别在于一个是微电压、低电流，一个是低电压、微电流。

针对镁合金阴极保护的工程需要，建议使用贵金属氧化物阳极作为辅助阳极地床材料，由于镁合金腐蚀电压高，良好的接地有利于对于镁合金通电阴极保护的使用；同时，将镁合金阴极保护电源接地端，做辅助阳极地床离子强化处理，注入高浓度溶液，降低电源正极接地电阻，并将阴极保护用电源正极接地单独设置。此时，镁合金保护变为通过保护电压将土壤中牺牲金属钠的电子，来保护镁合金电子数，达到阴极保护的目的。

2.2.3 镁合金通电阴极保护准则

(1)在通电的情况下,埋地辅助阳极地床结构最小保护电位为-2.37 V或更负。

(2)故障瞬时断电电位与自然电位的电位之差不小于1.4 V(抑制阴极相的多阴极反应)。

(3)最大保护电位的控制应该稍高于析氢电位，否则，会导致镁合金材料带负电，使空气中的氢离子渗入镁合金材料，产生镁合金材料的氢鼓、氢脆和氢蚀现象，破坏镁合金材料性能。

(4)选取自动调节电流的电源，使镁合金的电位控制在较佳的保护电位范围内。

2.2.4 镁合金阴极保护系统组成

(1)通电回路。由辅助阳极地床、阳极电缆、直流自动电源、负极铠装电缆、镁合金板、空气组成。

(2)监测回路。为了防止故障断电造成阴极保护失效，设立参考电位零点，镁合金板测量点，电压表，失压监测报警，自动切换阴极电源。可通过监测回路判断阴极保护回路是否正常工作。

(3)镁合金恒电压仪。提供稳定恒定外加保护电压的电源。

2.3 镁合金保护电压的选取原则

根据阴极保护原理，镁合金保护的电压值应趋于

V析氢

(4)

式中，VMg为镁合金阴极保护电位；Vmin为镁合金最小阴极保护电位，-2.37 V；V析氢为镁合金空气中最大保护电位的析氢电位。

镁合金空气中析氢电位的测量还处于电化学的前沿研究，科学研究的方法难度很大。大体的试验方法是，在密闭空气箱中，测量镁合金电位变化，同时动态采集镁合金析出的氢气含量的变化。镁合金析氢过程发生，测量镁合金电位最低值就是镁合金空气析氢电位。其测量的难度在于镁合金组份和空气组份的不确定度。镁合金组份种类很多，添加的合金元素在镁基体中形成金属间化合物，镁中添加Al、Fe、Mn、Cu、Co、Ni等元素，易形成Mg4Al3、FeAl3、Mg2Ni、MgCu2、Mn、Co等阴极相。这些金属间化合物的电位比镁合金基体高，与镁合金基体之间存在电位差。生成有效阴极相，与镁合金基体的电位差在0.43～1.39之间变动，使镁合金在空气中被腐蚀。同时，空气含有不同的PH值，偏酸性、偏碱性带来的测量结果都会不同。空气中的含水量也会影响镁合金析氢电位的大小。可见，科学问题的置信度低于工程问题，要想将科学的理论应用于工程技术还需要调整研究思路，不过镁合金最小阴极保护电位已经得出不高于-2.37 V。

镁合金的态分析方法中，将镁合金阴极保护所在多态进行细分。镁合金所处的态可以细分为平衡态和非平衡态；PN态、电解饱和态、电容器态、地磁饱和态，由于在空气组份外界干扰下，随变性不强，认为镁合金空气电化学平衡态；而离子态和趋肤态，都会因为空气组分和电磁干扰产生剧烈变化，将问题转化为对这两个态进行研究。

实际上镁合金电化学保护下的离子态和趋肤态，镁合金电化学保护电压越高即越负，其抗干扰能力越强，但镁合金析氢反应限制电压的幅值。如前所述考虑镁合金组分种类很多，添加的合金元素在镁基体中形成金属间化合物，镁中添加Al、Fe、Mn、Cu、 Co、Ni等元素，易形成Mg4Al3、FeAl3、Mg2Ni、 MgCu2、Mn、Co等阴极相的多阴极反应，镁合金受热的热电电池效应、加热镁合金轧制温度和电阻率的变化以及保护电压的冗余度，镁合金阴极保护电压的工程整定值其计算过程为

VMg≤Vmin+VN+VT+VRMg+ΔV

(5)

式中，VMg为镁合金阴极电位；Vmin为镁合金最小阴极保护电位，-2.37V；VN为添加的合金元素在镁基体中形成金属间化合物，镁中添加Al、Fe、Mn、Cu、 Co、Ni等元素，易形成Mg4Al3、FeAl3、Mg2Ni、 MgCu2、Mn、Co等阴极相的多阴极反应，有效阴极0.43～1.39范围；VT为热电电池效应电压；VRMg为镁合金电阻率变化引起电压降；ΔV为空气组份的变化引起电压变化。

显然，空气组份的变化引起电压变化ΔV，具有不确定度；升维求导变为电压变化率，可以用阴极保护电压产生的电流与镁合金最大电阻乘积等效，即

(6)

式中，RMg为镁合金电阻；I为阴极保护电压产生的电流；Q为镁合金自由电子数。金属镁20 ℃时，其电阻率为0.044 5 Ω·m。根据实际镁合金的几何尺寸可以计算出最远点的阻值。

由于镁合金热电效应，以及镁合金温度带来电阻率变化，还没有科学试验数据；根据残余数学模型和概率论，选取2.5～3.5倍确定性数据的裕度进行近似，同时，考虑到试验设备操作的刻度，选择-10 V电压作为阴极电压的整定值进行试验。

通过理论分析，给出了镁合金通电阴极保护的理论基础。结合实验室实际的试验条件，进行了实验室试验方法和试验步骤的设计，具体描述实验过程和试验结果分析详见文献[5]。实验公开后，得到了国外杂志《Chemicals & Chemistry》的关注，评价为:科学-材料科学与工程领域-太原科技大学新发现[15]。根据镁合金阴极保护理论，设计新一代镁合金铸造装备。

2.4 阴极保护的镁合金铸造浇铸包装置

目前，国内外采用镁合金铸造过程采用熔剂保护法、气体保护法、合金化法[16]。三种方法对环境污染大、有毒性，并且腐蚀设备。

为解决现有技术存在的技术问题，本文提供了一种镁合金铸造过程中配置有阴极保护的铸造浇铸包装置，减少了镁金属在铸造过程中的氧化反应和氢脆现象的发生，进而提高铸造镁合金成材率[17]。

如图2所示为阴极保护的镁合金铸造浇铸包装置示意图，该装置主要由浇铸包和可调电源组成。浇铸包的两侧对称布置有吊耳，方便铸造起重机吊取。可调阴极保护电源的正极接线端接地，可调电源的负极接线端通过软电缆与铠装电缆的一端连接，铠装电缆的另一端与导电陶瓷连接，铠装电缆预埋在浇铸包的包壁和浇铸包一侧的吊耳中，浇铸包的底部装有与浇铸包内部相连通的导电陶瓷，导电陶瓷与镁合金铸液相接触。

图2 阴极保护的镁合金铸造浇铸包装置的结构示意图

铸造生产前，首先将可调电源打开，通过可调电源控制导电陶瓷为负电压，镁合金铸液与导电陶瓷导通实现镁合金铸液带负电荷，形成一种制有阴极保护的镁合金铸造浇铸包装置，减少了镁金属的氧化反应和氢脆现象发生，提高了铸造镁合金的成材率。

浇铸包浇筑镁合金铸件过程中，由于镁合金铸液一致处于负电荷充盈状态，倾倒到镁合金铸件成型过程中，减少了镁合金与空气中的物质反应。通过可调电源控制镁合金铸液的电压，实现镁合金铸件的电压为负，达到镁合金通电阴极保护电压，对镁合金铸液产生了阴极保护的作用。由于镁合金铸液与浇铸包底部的导电陶瓷相接触，在铸液即将倾倒完成时会短时失去通电镁合金阴极保护；此时，就需要对镁合金铸造装置进行阴极保护探讨和研究。本文将进一步研究铸造装备的阴极保护方法。

2.5 通电阴极保护的镁合金铸造装置

如图3所示为通电阴极保护的镁合金铸造装置的整体结构示意图，通电阴极保护的镁合金铸造装置[18]。主要包括可调电源、防止与地短路的绝缘层，将镁合金铸造沙箱放置在绝缘层内。在绝缘层的开口环形区域内，放置镁合金铸造沙箱的上砂箱和下砂箱，镁合金铸造的上砂箱上开有浇口和冒口；镁合金铸造的上砂箱盖合在下砂箱的顶部并形成浇注型腔。镁合金铸造下砂箱上装有与浇注型腔相连通的导电陶瓷，导电陶瓷裸露并与浇注型腔内的镁合金保持良好的导电接触，导电陶瓷置于浇口的正下方，导电陶瓷通过铠装电缆与可调电源的负极接线端连接，可调电源的正极接线端接地。可调电源的电位调节到镁合金的腐蚀电位，使得镁合金在铸造时得到阴极保护。

图3 通电阴极保护的镁合金铸造装置的整体结构示意图

铸造生产前，首先将可调电源打开，通过可调电源控制导电陶瓷为负电压，铸件溶液与导电陶瓷导通实现镁合金铸件带负电荷，形成制有阴极保护的镁合金铸造装置，减少了镁金属的氧化反应和氢脆现象的发生，进而提高铸造镁合金的成材率。

通过镁合金铸液与浇口底部的导电陶瓷相接触，可调电源调节并保证镁合金液冷却到铸件的电压一直为负，实现了镁合金通电阴极保护的作用。进而减少了镁金属的氧化反应和氢脆现象的发生，提高铸造镁合金的成材率。

3 结论

(1)交通装备领域采用镁合金材料替代钢铁材料，其轻量化有利于碳减排的实现，因此镁合金重型装备的研究具有重要意义。依据物理化学分析方法，提出了阴极保护电压的理论计算方法及其工程近似计算方法。并通过科学试验验证了镁合金阴极保护方法的有效性。

(2)提出了镁合金通电阴极保护的铸造装备的工程实现方法,浇铸包浇铸镁合金铸件过程中，以及镁合金铸件成型过程中，镁合金铸液一致处于负电荷充盈状态，抑制了镁合金与空气中的其他物质发生化学反应。