本发明涉及一种镁合金牺牲阳极电流效率快速检测装置和方法，属于金属材料腐蚀测试技术领域。
背景技术：
热水器中的钢材需要阴极保护，目前采用的主要是挤压镁阳极和挤压铝阳极来进行阴极保护。镁阳极铸锭和铝阳极铸锭的电流效率直接决定着挤压镁阳极和挤压铝阳极的电流效率。因此，为确保挤压镁阳极和挤压铝阳极电流效率的合格，需要先对镁阳极铸锭或铝阳极铸锭的电流效率进行测试。
电流效率测试的基本方法是，在给定的溶液介质中，碳钢罐或不锈钢罐做阴极，待测试的阳极棒做阳极，并有外加电源组成回路。回路中通稳定的电流密度，以铜电量计计量有效电量，通过阳极棒的失重来计算阳极的电流效率。
测试阳极电流效率的标准方法有：ASTM G972000、SY/T 0095-2000、GB/T17731-2004、GB/T17848-1999等。
其中ASTM G972000、SY/T 0095-2000、GB/T 17731-2004试验方法均以模拟土壤液(饱和硫酸钙和氢氧化镁溶液)为介质，保持阳极电流密度为0.039mA/cm2，来测量牺牲阳极的电流效率，测试周期是14天。这种方法测试周期长，难以及时反映阳极铸锭的电流效率，严重抑制挤压镁阳极和挤压铝阳极生产效率的提高。
GB/T17848-1999试验方法中对镁阳极电流效率的测试是以Mg(OH)2饱和的人工海水为介质来进行，有两种方法，一种是保持电流密度为1mA/cm2进行10天的测试，这个方法也是很慢；第二种方法是通过调整阳极电流密度大小来缩短周期，所用时间是4天，第一天到第四天的电流密度依次是1.5mA/cm2、0.40mA/cm2、4.0mA/cm2、1.5mA/cm2，这种方法相对其他方法比ASTM G972000、SY/T 0095-2000、GB/T 17731-2004周期短，有利于生产效率的提高，但测试结果与ASTM G972000、SY/T 0095-2000、GB/T 17731-2004的结果经常不一致。特别是镁合金牺牲阳极，具有较高的化学活性，表面难以形成有效的保护膜，在水介质中镁的自腐蚀也很强烈，在Mg(OH)2饱和人工海水中和模拟土壤液(饱和硫酸钙和氢氧化镁溶液)中腐蚀行为差异很大，因此GB/T17848-1999对镁合金牺牲阳极的电流效率测得的结果与ASTM G972000、SY/T 0095-2000，GB/T 17731-2004的测试结果差异更是突出，并且没有规律可循。由于镁合金自身的特点，海水介质对镁合金来说是非常苛刻的， GB/T17848-1999对用于高电阻介质中的镁合金来说是非常不适用的。
通过对镁合金阳极在模拟土壤液(饱和硫酸钙和氢氧化镁溶液)中(按照ASTM G972000、SY/T 0095-2000，GB/T 17731-2004方法执行)14天腐蚀行为的研究，发现：在模拟土壤液中从第一天到第14天，镁合金阳极电流效率数值的变化是从低到高逐渐增加；第6天，电流效率数值达到稳定，即第6天至第14天的时候，电流效率比较恒定；镁阳极第一天电流效率高，则第14天的电流效率也比较高；镁阳极第一天电流效率低，镁阳极14天电流效率低。
镁合金牺牲阳极在电流效率测试的14天之所以有这样的腐蚀行为，实际上是镁合金自身特点所决定。与铝合金相比，镁和镁合金自身具有较高的化学活性，表面难以形成有效的保护膜，其自腐蚀也很强烈。镁合金阳极的组织结构直接决定了镁合金牺牲阳极在水介质中其电化学腐蚀与镁合金自身的化学腐蚀、电化学腐蚀和自身晶粒脱落腐蚀(自身晶粒脱落腐蚀是指因为发生了自身的化学腐蚀或者电化学腐蚀而导致晶界松动，晶粒脱落。自身晶粒的脱落并不对被保护的阴极提供有效的保护电子，因而也是降低镁合金牺牲阳极电流效率的主要因素)所占比例。由于保护阴极而发生的电化学腐蚀在镁合金中的整体腐蚀中占的比例大，则对被保护的阴极提供的有效保护电子相对就多，镁合金阳极的电流效率就会高；镁合金自身的化学腐蚀、电化学腐蚀和自身晶粒脱落腐蚀总和占镁合金牺牲阳极整体腐蚀中比例高，则镁合金阳极的电流效率就会低。
镁合金牺牲阳极在常规方法(指ASTM G972000、SY/T 0095-2000、GB/T17731-2004方法)中的14天电流效率测试期间，初始阶段主要在于镁阳极材料的表面，而镁合金自身表面的氧化膜很难对基体起到保护作用，所以初期腐蚀行为就反映了材料的组织特点。但随着浸泡时间的延长，在试件表面的附着堆积的腐蚀产物膜对材料本身起到保护作用，所以时间越长，得到的电流效率也就越高。所以短期的电流效率测试就可以反映出材料的优劣。组织结构耐腐蚀，初始电流效率也就越高，并且腐蚀产物膜层会相对致密，对基体保护作用也就越好，最终14天的效率也就越高，并且和第一天电流效率数值的差值也越高。组织结构耐蚀性差，初期的电流效率数值也越差，因为腐蚀速率快，腐蚀产物膜也相对疏松，对样棒后期的保护作用也很弱，随时间的增加，虽然电流效率的数值是增加的，但增加的幅度很小。甚至耐蚀性能差的组织结构会表现出腐蚀膜层对样棒毫无保护作用的现象，即第一天测试的电流效率和第14天测试的电流效率数值是一致的。
事实上，作为厂家，相比较电流效率的具体数值来说，更关心产品的电流效率是否属于合格范围(一般对于挤压镁合金牺牲阳极棒，客户认为按照ASTM G972000 执行，电流效率高于50％就认为是合格产品)。通过该方法能够评判产品是否合格，准确性比较高，并与ASTM G972000测试方法结果相近或一致(两种方法的测试结果相差1％)，可以快速判断该材料是否可以用于进一步加工(如挤压)或者能够作为合格产品出厂，进而缩短工期，提高生产效率，对实际生产具有重要意义。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种镁合金牺牲阳极电流效率短周期测试装置及方法，以便快速得到牺牲阳极是否合格的结论。
对镁合金上述的腐蚀行为的研究说明，短期快速测试镁合金牺牲阳极电流效率是有可能性的。本发明通过适当的增加腐蚀介质的苛刻性(但远比海水的苛刻性低)，适当的提高电流密度(但比GB/T17848-1999试验方法中1mA/cm2低)就可实现快速有效的检测用于高电阻介质中镁合金牺牲阳极的电流效率。
本发明的镁合金牺牲阳极电流效率快速检测装置，包括稳压电源、1号电量计、试验电池、2号电量计、可调电阻和电流表等，依次串联组成试验回路，所述的试验电池包括作为阳极的预称重镁合金牺牲阳极试棒、作为阴极的钢制坩埚容器和电解液等。
所述的预称重镁合金牺牲阳极试棒直径为12mm～20mm。
所述的电解液由5.0g硫酸钙(CaSO4·2H2O)、0.1g氢氧化镁(Mg(OH)2)、0～3.0g氯化钠和1000mL去离子水配制而成。
本发明的镁合金牺牲阳极电流效率快速检测方法，包括如下步骤：采用由稳压电源、1号电量计、试验电池、2号电量计、可调电阻和电流表等，依次串联组成试验回路，所述的试验电池包括作为阳极的预称重镁合金牺牲阳极试棒、作为阴极的钢制坩埚容器和电解液等；在试验周期内，对串联联接的试验电池通直流电流，测量流经电池的总安培小时(Ah)，试验结束后，对每个镁合金牺牲阳极试棒清洗、称重，并计算试棒损失每单位质量获得的安培小时和对应的电流效率。
在上述方法中，所述的预称重镁合金牺牲阳极试棒直径为12mm～20mm。所述的电解液由5.0g硫酸钙(CaSO4·2H2O)、0.1g氢氧化镁(Mg(OH)2)、0～3.0g氯化钠和1000mL去离子水配制而成。
对串联联接的试验电池通直流电流，阳极电流密度为0.039～0.200mA/cm2。
本方法的试验周期为1天或6天。
所述的镁合金牺牲阳极试棒经过1天周期测试，电流效率小于45.5％的试棒，判定为不合格；电流效率大于48.5％的试棒，判定为合格；电流效率为45.5％～48.5％，再进行6天的测试。镁合金牺牲阳极试棒经过6天周期测试，电流效率大于50％为 合格，小于50％为不合格。
试验前，镁合金牺牲阳极试棒在称重前先经过水和丙酮清洗，然后在105℃烘箱中进行30min干燥并冷却；试验结束后，对镁合金牺牲阳极试棒以清洗液清洗腐蚀产物后用水清洗，在105℃烘箱中进行30min干燥并冷却，然后称重测量，计算质量损失和电流效率。
本发明的优点为：
本发明利用镁合金牺牲阳极的腐蚀行为特点，提出了一种镁合金牺牲阳极短周期检测方法，实现一天或者六天就得到牺牲阳极电流效率。该方法准确性比较高，并与ASTM G972000测试方法结果相近或一致(两种方法的测试结果相差4.2％以内)，可以快速判断该材料是否可以用于进一步加工(如挤压)或者能够作为合格产品出厂，进而缩短工期，提高生产效率，对实际生产具有重要意义。
附图说明
图1是试验回路示意图。
主要附图标记：
1 稳压电源 2 1号电量计
3 钢制坩埚容器(阴极) 4 镁合金试棒(阳极)
5 绝缘胶塞 6 2号电量计
7 可调电阻 8 电流表
具体实施方式
如图1所示，本发明镁合金牺牲阳极电流效率快速检测方法，由稳压电源1、1号电量计2、试验电池、2号电量计6、可调电阻7和电流表8(图中A)依次串联组成试验回路，试验电池由作为阳极的预称重镁合金试棒4，作为阴极的钢制坩埚容器2、绝缘胶塞5和电解液组成。在试验周期内，对串联联接的试验电池通直流电流，测量流经电池的总安培小时(Ah)，试验结束后，对每个镁合金牺牲阳极试样清洗、称重，并计算试样损失每单位质量获得的安培小时和对应的电流效率。
按照5.0g硫酸钙(CaSO4·2H2O)、0.1g氢氧化镁(Mg(OH)2)、0～3.0g氯化钠、1000mL去离子水的比例配制好适量的电解液，并装入作为阴极的钢制坩埚容器2中。
从镁合金牺牲阳极锭或挤压的镁合金牺牲阳极棒上，机加工取下直径12.5mm～20mm镁合金试棒4。先用水和丙酮清洗、105℃烘箱30min干燥并冷却，再称重。
给牺牲阳极镁合金试棒4连接好导线，留适当的测试表面，其余部位包括导线 连接处均用塑料防水绝缘胶布封住，将试样浸入装有电解液的钢制坩埚容器3中，试样的测试表面要完全浸到电解液中，并且试样与钢制坩埚容器3之间相互绝缘。
镁合金牺牲阳极接稳压直流电源的正极，碳钢钢制坩埚容器3接负极，同时串联好电量计。根据样棒的测试面积调整电流，以保证电流密度。阳极电流密度为0.039～0.200mA/cm2。经过1天或者6天，断开电路，取出镁合金牺牲阳极样棒，经过清洗液去除腐蚀产物后用水清洗，105℃烘箱30min烘干、冷却，再称重测量，计算质量损失，并根据电量计测试的流经电池的电量(即总安培小时(Ah))，计算阳极棒的电流效率。
本方法中，镁合金牺牲阳极试棒经过1天周期测试：1)电流效率小于45.5％的样棒，测试结束，判定为不合格，不适于再进行加工或出厂；2)电流效率大于48.5％的样棒，测试结束，判定为合格，对应14天的电流效率大于50％；3)电流效率为45.5％～48.5％，补充6天的测试；结果大于50％为合格，小于50％为不合格。
实施例1
电解液按照硫酸钙(CaSO4·2H2O)5.0g、氢氧化镁(Mg(OH)2)0.1g、去离子水1000mL的比例配制装入钢制坩埚容器。
取镁阳极棒1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#加工为直径12.5mm的试棒，清洗、干燥、冷却后称重。联通导线，留100mm测试长度，封好其余部位，计算测试面积，通过0.039mA/cm2电流密度。
经过1天测试结果列于表1，其中1#、2#试棒1天的电流效率分别为42.2％、45.4％，小于45.5％，测试结束，该试棒判定为不合格；3#、4#、5#试棒，电流效率分别为48.6％、49.2％、51.3％，测试结束，该试棒判定为合格样棒；6#、7#、8#试棒电流效率分别为46.1％、47.3％、48.4％，处于45.5％～48.5％之间，需要进行6天测试，结果显示经过6天测试，6#试棒电流效率为52.8％，判定为合格，7#试棒电流效率为48.6％，判定为不合格；8#试棒为55.2％，判定合格。
对比例1
取与实施例1相同的镁阳极棒1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#加工为直径12.5mm的试棒，按照ASTM G972000进行14天电流效率测试，结果列于表1中。
表1镁合金牺牲阳极经过1天6天14天的测试结果(实施例1和对比例1)
实施例2
电解液按照硫酸钙(CaSO4·2H2O)5.0g、氢氧化镁(Mg(OH)2)0.1g、氯化钠3.0g、去离子水1000mL的比例配制装入钢制坩埚容器。
取镁阳极样棒11#、12#、13#、14#、15#、16#、17#、18#加工为直径20mm的试棒，清洗、干燥、冷却后称重。联通导线，留100mm测试长度，封好其余部位，计算测试面积，通过0.2mA/cm2电流密度。
经过1天测试结果列于表1，其中11#、12#试棒1天的电流效率分别为39.8％、45.2％，小于45.5％，测试结束，该试棒判定为不合格；13#、14#、15#试棒，电流效率分别为49.8％、49.0％、52.3％，测试结束，该试棒判定为合格样棒；16#、17#、18#试棒电流效率分别为47.8％、47.1％、48.3％，处于45.5％～48.5％，需要进行6天测试，结果显示经过6天测试，16#试棒电流效率为48.8％，判定为不合格，17#试棒电流效率为50.2％，判定为合格；18#试棒为53.2％，判定合格。
对比例2
取样棒11#、12#、13#、14#、15#、16#、17#、18#加工为直径20mm的样棒，其余参照按照ASTM G972000进行14天电流效率测试，结果列于表2中。
表2镁合金牺牲阳极经过1天6天14天的测试结果(实施例2和对比例2)
由以上对比，可以看到本发明方法准确性比较高，并与ASTM G972000测试方法结果相近或一致(两种方法的最终测试结果相差在4.2％以内，第一天测试差值在8.4％以内)，可以快速判断该材料是否可以用于进一步加工(如挤压)或者能够作为合格产品出厂，进而缩短工期，提高生产效率，对实际生产具有重要意义。