材料腐蝕與防護綜合實驗設計與實踐

王志華, 王明靜, 李小池

(西安科技大學 材料科學與工程學院, 陜西 西安 710054)

材料腐蝕與防護課程以物理化學、電化學等課程為基礎,同時與冶金學、表面科學、生物學等學科有著密切的關系,是一門綜合性與實用性很強的課程[1-3]。材料腐蝕與防護實驗課在材料科學與工程專業中的重要性日顯突出。通過對基礎實驗教學的改革,建立起實驗內容與理論教學相輔相成關系,并綜合了多門基礎理論課程,以科研項目驅動力為導向,開設了體現材料科學與工程專業特色、接近相關行業和產業發展前沿的綜合實驗課程,使學生了解學科前沿的知識,掌握科學實驗的思路和研究方法,有助于加強學生的綜合素質、實踐能力和創新能力的培養與提高[4-7]。針對我校材料科學與工程專業開設的“材料腐蝕與防護實驗”課程,將科研項目和研究成果轉化為綜合性實驗內容,設計了“不銹鋼鈰鹽轉化膜制備”綜合性實驗,取得了較好的教學效果。

1 設計思路和創新點

鉻酸鹽作為傳統的鈍化劑,可以顯著提高不銹鋼的耐蝕性,顯著改善不銹鋼的表面質量,其鈍化工藝相對成熟。但是,隨著人們逐漸認識到六價鉻的劇毒性,六價鉻鈍化技術將會逐漸被取代[8-10]。國內外在六價鉻鈍化替代工藝方面的研究已取得很大進展,主要有鉬酸鹽、硅酸鹽、鎢酸鹽、釩酸鹽、稀土轉化膜鈍化等。研究者發現稀土金屬鹽,尤其是鈰鹽,具有無毒害、無污染、對不銹鋼有良好的緩蝕和鈍化效果等優點,引起眾多研究機構的關注[11-13]。將科研項目的研究成果應用于實驗課程教學,不僅讓學生對實驗課程產生濃厚的興趣,還可以讓學生了解學科前沿的知識以提高學生的創新意識,提高學生對科學研究的興趣。

結合材料腐蝕與防護實驗課程的大綱和最近的科研成果,采用化學浸泡法在不銹鋼表面獲得金黃色的鈰鹽轉化膜,具有實驗方法穩定、操作簡單、成本低廉等優點。選用Ce2(SO4)3·8H2O為主鹽,雙氧水為成膜促進劑。

2 綜合實驗設計

2.1 正交試驗設計

正交試驗設計是研究多因素多水平問題的一種重要數理方法,它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗,是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法。在不銹鋼表面制備鈰鹽轉化膜的實驗過程中,首先對學生進行分組,并查閱不銹鋼表面鈍化技術、轉化膜制備方法、鈰鹽轉化膜制備工藝等方面的相關文獻資料。每一小組確定試驗因素和水平數,并選用合適的正交表。通過該過程的學習,培養學生獲取信息的能力和創新能力,拓展學生的科學思維,提高學生設計多因素試驗的能力,使學生在減少試驗次數的同時能夠得出因子的顯著性和最佳水平組合。表1是學生根據文獻資料內容自行設計的正交試驗因素水平表。采用 L9(34 )正交試驗, 對硫酸鈰的摩爾濃度、雙氧水用量、pH值、溫度因素進行優化。正交試驗前確定鈍化時間為1 h。

表1 因素水平表

2.2 綜合實驗過程

不銹鋼表面制備鈰鹽轉化膜的實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

處理步驟如下：

(1) 預磨：依次使用400#、800#、1000#、1200#的砂紙對不銹鋼試樣進行打磨處理,以除去不銹鋼表面的銹跡、深劃痕等缺陷；

(2) 堿洗：將打磨好的不銹鋼試樣放入配置好的堿洗液中,在75 ℃水浴中加熱保溫5～15 min,去除鎂合金不銹鋼表面的油脂污物,直到整個基體表面親水性一致。堿洗液的配方：NaOH(60 g/L),Na2CO3(20 g/L),Na2SiO3(10 g/L)。

(3) 酸洗：將不銹鋼試樣放入5% HCl溶液中酸洗30 s,去除不銹鋼表面氧化物及嵌入表面的污垢等；

(4) 活化：將不銹鋼試樣放入20%H2SO4溶液中活化1 min；

(5) 轉化處理：將活化后的不銹鋼試樣放入轉化液中一段時間,進行成膜實驗，試樣經處理后取出,用蒸餾水沖洗,再用熱吹風吹干,放入干燥皿中備用；

(6) 性能測試：采用氯化鐵點滴實驗研究不銹鋼表面鈰鹽轉化膜的耐蝕性能。用滴管將20% FeCl3滴在不銹鋼試樣的表面,同時采用秒表記錄出現3個點蝕小黑點的時間。每個試樣在不同的區域做3次點滴實驗,求其平均時間來表征轉化膜的耐蝕性能。

各小組根據表1中確定的因素和水平,采用上述實驗流程,得到正交試驗結果見表2。

表2 正交實驗結果

根據表2可知, B對膜層耐蝕性的影響>A對膜層耐蝕性的影響>D對膜層耐蝕性的影響>C對膜層耐蝕性的影響,即H2O2濃度對膜層耐蝕性的影響最大。最佳工藝為A1B3C3D3,即硫酸鈰濃度為0.1 mol/L,H2O2濃度為90 ml/L,pH=3,成膜溫度為90 ℃。

2.3 鈰鹽轉化膜的表征和性能測試

以培養應用型人才為目標,本綜合實驗充分利用學院的各種實驗和科研教學平臺,在實驗內容中安排了掃描電鏡、X衍射儀、電化學工作站等常用儀器設備的使用,讓學生對鈰鹽轉化膜的設計、實驗過程和測試手段有了充分的認識,提高了學生的學習興趣和科研素養。圖2是學生在不銹鋼表面制備的鈰鹽轉化膜的宏觀照片,轉化膜呈金黃色。

圖2 不銹鋼表面鈰鹽轉化膜的宏觀照片

圖3是不銹鋼表面鈰鹽轉化膜的SEM圖。圖4是不銹鋼表面鈰鹽轉化膜中氧元素和鈰元素的分布圖。

圖3 不銹鋼表面鈰鹽轉化膜的SEM圖

圖4 不銹鋼表面鈰鹽轉化膜中氧元素和鈰元素的分布圖

3 教學效果

(1) 學生根據實驗目的要求,查閱相關文獻,設計正交試驗表,不僅使學生深化了材料表面技術、材料腐蝕與防護等課程的主要知識,而且學習了新的表面技術知識,鍛煉了學生的學習能力及設計試驗能力。

(2) 在實驗過程中,學生利用所學知識解決實驗中遇到的實際問題,有助于提高學生解決問題的能力。

(3) 對轉化膜的性能測試,鞏固了學生材料測試方法的知識,提高了學生分析實驗數據的能力,有利于學生在畢業設計階段分析討論實驗結果并確定最佳工藝。