材料腐蝕性能綜合設計實驗教學改革

向雄志, 曠明勝, 程　淼, 王　雷

(深圳大學 材料學院, 廣東 深圳　518060)

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材料腐蝕性能綜合設計實驗教學改革

向雄志, 曠明勝, 程淼, 王雷

(深圳大學 材料學院, 廣東 深圳518060)

以黃銅防腐作為材料科學與工程綜合設計實驗中材料腐蝕與防護實驗為主題,設計合金化和表面鈍化是材料防腐的兩大重要方法,以鹽霧試驗作為腐蝕性能判定方法,使學生在實驗過程中掌握材料防腐的機理以及實施方法。利用優化考核評價指標,激發學生的創新思維,提高學生的實踐創新能力。

黃銅防腐； 材料腐蝕與防護； 綜合設計實驗； 鹽霧試驗

材料的腐蝕是材料受周圍環境作用,發生有害的化學變化、電化學變化或物理變化而失去其固有性能的過程,對于材料在使用過程中會產生嚴重的危害,不僅會減低材料的使用壽命和使用性能,增加材料的消耗量和生產成本,還會導致嚴重的安全事故,因此對材料腐蝕性能的研究具有十分重大的意義[1-2]。材料腐蝕中最常見的是金屬材料的腐蝕,廣東省珠三角地區有色金屬的應用較傳統鋼鐵更為廣泛,且廣東地區屬典型的海洋性氣候,有色金屬的局部腐蝕較普遍且嚴重,每年由此導致的經濟損失高達數十億元[3]。我們以腐蝕性能研究為課題展開,結合實驗室現有條件,在高校內開設材料腐蝕性能綜合設計性實驗,為學生將來相關課程的學習以及科研實驗打下良好的基礎,同時還能培養學生的基礎實踐能力、專業實踐能力和創新實踐能力。目前材料腐蝕與防護領域既有的成熟技術,雖可靠卻往往不環保,而前端的科學研究,雖有效果，但是距離實用尚有距離。在實驗課程設計時,成熟與前衛技術的取舍有待于研究與探討。

1　綜合設計實驗的組織與運行

在本科生的教學中可將本次綜合設計性實驗作為單獨的實踐課程設置,學分4分,實驗16課時。

本課程以黃銅的腐蝕與防護為實驗設計的切入點。在實驗開始階段,根據人數將學生分為若干組,每組3～4人,針對所提供的實驗材料,學生可結合自己的興趣愛好選擇其中一種方法作為綜合設計實驗方案的主題。選題后,學生應當提前學習相關知識、查閱相關文獻、了解所選主題國內外發展的近況,依據理論原理自行設計實驗方案,報經指導教師批準后方可實施。在查閱相關資料、設計實驗實施方案、實驗操作等方面應當由學生獨立完成,教師在整個實驗過程中只發揮指導作用，學生可根據對實驗內容的理解,結合自身能力,提出新的觀點,以保證學生創造性思維的展開和在實踐中使自己的已有知識層次得到進一步提高[4-5]。具體課程設計見圖1。

圖1　學生綜合設計實驗流程圖

整個實驗分為4個模塊:材料腐蝕原理介紹模塊、合金化實驗模塊、合金表面鈍化模塊和鹽霧實驗模塊。其中,用2課時進行材料腐蝕與防護的基礎知識介紹,提出實驗要求。合金化實驗模塊、合金表面鈍化實驗模塊各需要3課時,鹽霧實驗模塊需要8課時。

2　實驗細節

黃銅是銅與鋅的合金,工業黃銅中,鋅的質量分數一般不大于47%。 黃銅的價格較低,機械性能和壓力加工性能較好,耐蝕性與銅相近,抗大氣腐蝕性能優于銅[6],被廣泛地應用于國民經濟建設與人們日常生活的各個領域,然而由于不可避免的高溫高濕環境,大氣中微量不純氣體與沉降物以及生產過程中有關工藝條件的影響,導致其在生產、貯運與使用過程中容易腐蝕變色。為了進一步提高銅在大氣中的耐蝕性能,合金化以及表面鈍化處理普遍運用在銅及其合金材料上,本次實驗使用的黃銅是針對生活中常用的五金件,如紐扣、閥門等,因而選取含銅量為65 wt%的H65黃銅為基礎材料。

2.1表面鈍化模塊

對于大多數的金屬,如鋁、鋅、鎘、鎂及鍍層金屬使用鉻酸鹽鈍化,可形成3價鉻和6價鉻以及基體金屬的混合物氧化膜,也都具有良好的耐蝕性。對銅合金表面進行鈍化處理是目前工業上普遍采用的提高銅耐蝕性能的方法,最成熟且普遍使用的方法是鉻酸和鉻酸鹽鈍化[7-9]。盡管鉻酸鹽鈍化膜具有很好的耐腐蝕性,但在實際處理中,鉻酸鹽是一種毒性很高的污染物質,因而在實驗完成后還需要對廢液進行無害處理。近年來無鉻鈍化工藝得到了廣泛的研究,各種新的鈍化液配方也不斷提出[10-13],但目前尚無一種無鉻的鈍化工藝可以有效地取代含鉻的鈍化技術。

在本課程中,每個實驗小組需提供1～2個鈍化處理樣品。本實驗在實驗指導書中提供了成熟的黃銅表面預處理工藝以及含鉻的鈍化工藝配方。

學生可以依據實驗指導書進行本實驗,同時本課程也鼓勵學生自行設計鈍化液配方。本實驗課程設立了一個鈍化藥品庫,其中刻意加入了很多與鈍化工藝無關的藥品作為迷惑項,學生可自行查詢資料,結合已有藥品庫提出自己的鈍化液配方以及包括材料前處理在內的鈍化工藝流程。

2.2合金化模塊

向材料中加入合金元素可以提高材料各方面的性能,也包括耐蝕性能[5]。本次實驗中,在實驗指導書中提供了幾種常見的耐蝕黃銅的成分,如錫黃銅、鋁黃銅等。同時本實驗將提供一個合金元素庫供學生選擇,學生可查詢資料以及依據理論,分析選擇其中一種或幾種合金元素添加到傳統H65黃銅中,以提高合金的耐蝕性。 目前實驗課程已有的元素庫包括Sn、Ni、Si、Mn、Fe、Y、Ce、La、Al、Bi、In等10種元素。隨著實驗課程的開展,依據學生的設計進展,該合金元素庫也還將不斷進行補充擴容。

在本實驗中,每個實驗小組需自行設計1～2種合金成分,學生在教師指導下自行完成合金的熔煉和鑄造。合金熔煉在高頻感應電爐上進行,所熔鑄的合金需用X射線衍射儀(XRF)進行成分檢測,檢驗所熔煉鑄造的合金的實際成分是否符合所設計的成分配比。

2.3鹽霧模塊

本次實驗效果的檢測方法是鹽霧試驗,鹽霧試驗是一種主要利用鹽霧試驗設備所創造的人工模擬鹽霧環境條件，來考核產品或金屬材料耐腐蝕性能的環境試驗。通過人工模擬鹽霧環境條件來檢測材料的耐腐蝕性能,所用到的實驗設備主要是鹽霧試驗箱。人工模擬鹽霧試驗主要有中性鹽霧試驗(NSS實驗)、醋酸鹽霧試驗(ASS實驗)、銅鹽加速醋酸鹽霧試驗(CASS試驗)等幾種。此外不同的試驗溫度以及飽和桶溫度等都對試驗結果有明顯的影響。受課時所限,本課程的鹽霧試驗時間十分有限,實驗允許學生不受相關標準的限制,對鹽霧試驗參數進行合理的調整。選擇合適的判定方法,以檢測在設定的試驗參數下,材料的耐蝕性能的體現。

整個實驗過程由實驗教師提供指導,學生獨立自主完成。經過8 h后,可檢驗材料的腐蝕效果,獲取試驗數據。在實驗過程中,學生可根據實驗的進度預測各種可能出現的結果,并分析造成結果的原因。

3　實驗成績的考核體系

如前所述,目前的材料腐蝕與防護領域既有成熟的技術,雖可靠卻往往不環保,也有前端的科學研究,有效果但是距離實用尚有距離。在本實驗課程設計時,需要成熟技術與前衛研究、工程與科學之間的一個平衡。在成績考核體系上,本課程采取了鼓勵創新的基本原則。

實驗成績的考核體系主要由考勤、實驗方案、實驗操作過程、實驗結果、實驗報告書5部分組成。其中實驗考勤占10%,實驗方案的設計占30%。設計的內容應當包括合金成分、鈍化液配方及鈍化工藝、鹽霧試驗的評價方法,提出實驗的基本原理并給出目前較為成熟的耐腐蝕黃銅的合金成分及含Cr6+的鈍化工藝。為提高學生的創新思維,學生也可不依據教師提供的指導書進行自行設計,但所設計的方案應當與教師討論，獲得批準后方可實施。實驗操作過程占15%,成績的考核可從實驗預習的情況、實驗儀器使用的規范性、實驗原理的理解等方面進行。實驗結果占25%,其中實驗數據的正確性占10%、實驗結果分析與討論占15%。最后一項考核為實驗報告占20%,其中報告結構15%、格式規范5%(見表1)。為鼓勵學生創新,提高學生的科研實驗能力,對于實驗設計中能夠提出不同于傳統方案的小組應當給予總分5%～10%的加分。

表1　實驗考核具體標準

4　結語

材料腐蝕性能的探究是理論與實踐結合的過程,本次綜合設計性實驗以普通黃銅為案例,將合金化與表面鈍化應用于材料腐蝕性能的實驗教學中,涵蓋了材料的腐蝕與防護兩大主要內容,通過對實驗現象和實驗結果的分析,使學生充分理解了材料在實驗過程中腐蝕性能的變化。在實驗過程中,學生通過獨立設計實驗方案、確定合金成分、配制表面鈍化液,極大地鍛煉了學生的動手實踐能力,激發了學生的創新思維,讓學生能夠在實踐中將理論知識與實踐結合起來,培養學生自主解決問題的能力以及嚴謹的科研態度,從而達到開設本次綜合設計實驗的教學目的。

References)

[1] 張耀,王芷芳.材料腐蝕防護的幾個問題探究[J].全面腐蝕控制,2007,21(5):14-15.

[2] 王光雍,李曉剛,董超芳.材料腐蝕與裝備工程[J].裝備實驗工程,2005(1):1-2.

[3] 鄭紀勇. 海洋生物污損與材料腐蝕[J]. 中國腐蝕與防護學報,2010,30(2):171-172.

[4] 張清祥.探索實驗教學載體,培養學生實踐創新能力[J].實驗技術與管理,2012,29(2):130-133.

[5] 孫繼元,苑廣軍.工程對象教學法培養創新能力的應用研究[J].實驗技術與管理,2014,31(2):21-22.

[6] 李勇,朱應祿.黃銅脫鋅腐蝕的研究進展[J].防護與腐蝕,2006,27(5):222-223.

[7] 曹優明,仕遠,謝志剛.重鉻酸鹽鈍化處理黃銅的表面顯微結構及防腐性能研究[J].四川師范大學學報:自然科學版,2001,24(5):490-492.

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[11] 謝洪波,沈小鵬,張來祥.銅及銅合金低溫快速無鉻化工藝研究[J].材料保護,2005,38(1):37-38.

[12] 謝尚杰,楊肖肖,沈健芬,等.環保型黃銅拉鏈鈍化液的開發與應用[J].電鍍與涂飾，2014,33(19):840-841.

[13] 呂雪飛,李淑英.鑭、苯并三氮唑在黃銅鈍化中的作用[J].材料保護,2014,47(10):45-47.

Teaching reform of comprehensive design experiment of corrosion performance of materials

Xiang Xiongzhi, Kuang Mingsheng, Cheng Miao, Wang Lei

(Academy of Material Science and Engineering,Shenzhen University,Shenzhen 518060, China)

Based on the material science and engineering comprehensive design experiment,taking brass anticorrosion as the theme of material corrosion and protection experiment, alloying and surface passivation are two important methods of materials anticorrosion technology. The salt spray test is chosen to judge the corrosion resistance of materials. The corrosion mechanism and prevention method of the material in the process of experiment can be mastered by students. By optimizing the evaluation index ,it’s not only to inspire students’ innovative thinking,but also to improve the students’ practical ability.

brass anticorrosion; material corrosion and protection;comprehensive design experiment; salt spray test

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.053

2015-12-14修改日期：2015-01-29

2015年廣東省高等學校教學改革立項項目“傳統禪宗教學方法于大學理工課程教學中應用研究”；深圳大學教學改革研究項目(JG2014027)；深圳大學教學改革研究項目(JG2015051)

向雄志(1980—),男,湖南懷化,工學博士,講師,主要研究方向為材料學專業課程的教學.

E-mail：xiyun_cn@szu.edu.cn

TG174.1

A

1002-4956(2016)6-0207-03

實驗課程改革