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        金屬材料工程專業(yè)綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計與研究

        2013-05-14 11:20:52吳海江劉龍飛郭世柏吳玉蓉唐思文
        關(guān)鍵詞:鍍鋅耐蝕性鍍層

        吳海江,劉龍飛,郭世柏,吳玉蓉,唐思文

        (湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖南湘潭411201)

        金屬材料工程專業(yè)具有很強(qiáng)的理論聯(lián)系實(shí)踐的特性,實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)踐性教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)依附于理論教學(xué)的進(jìn)度,主要以基礎(chǔ)性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為主,易割裂各個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目間的整體性、系統(tǒng)性和有機(jī)關(guān)聯(lián)性,學(xué)生動手機(jī)會少,不利于學(xué)生綜合分析問題、解決問題的能力,特別是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[1-2]。因此,打破各專業(yè)課程界限,設(shè)立綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)已迫在眉睫。

        一 實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路

        為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力,專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)的設(shè)計應(yīng)有利于學(xué)生自我深入分析材料科學(xué)與工程“四要素”,即成分-組織結(jié)構(gòu)-制備工藝-性能之間的關(guān)系,以材料的組織結(jié)構(gòu)與性能為核心內(nèi)容,掌握不同材料的共性規(guī)律。因此,在確定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時,就不能固定學(xué)生的思維,而應(yīng)是設(shè)計型的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的流程為:指導(dǎo)教師發(fā)放實(shí)驗(yàn)提綱,介紹實(shí)驗(yàn)研究對象,學(xué)生再根據(jù)自身興趣自由組建5~6人的實(shí)驗(yàn)小組,然后在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下,查閱相關(guān)文獻(xiàn)和設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案,之后進(jìn)入到開放式管理的實(shí)驗(yàn)室預(yù)約做實(shí)驗(yàn),最后完成實(shí)驗(yàn)報告和答辯交流[3]。整個實(shí)驗(yàn)過程中本著“鼓勵創(chuàng)新、允許失敗”的原則,只要能對失敗的原因做出清晰有條理的分析,也是一篇優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)報告。根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案,本專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)安排在第七學(xué)期進(jìn)行,為期四周。筆者確定的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為《合金元素對熱浸鍍鋅組織和性能的影響》,指明了實(shí)驗(yàn)的總體方向,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上不做過于細(xì)致的規(guī)定。

        二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)方法

        熱浸鍍鋅是鋼鐵防腐蝕的經(jīng)濟(jì)且有效手段,廣泛應(yīng)用于電力、交通、通訊、建筑和汽車等領(lǐng)域[4]。不過由于冶煉中脫氧等原因獲得的鋼或多或少都含有Si,在熱浸鍍鋅過程中發(fā)生的Si反應(yīng)常常會導(dǎo)致鍍層質(zhì)量變差。鋅浴中添加微量合金元素是解決該類問題的主要途徑之一,主要的添加元素有 Ni、Al、Bi、Mg、Sn 等[5],但關(guān)于添加 Mn 元素的報道較少。本實(shí)驗(yàn)通過在鋅浴中加入不同含量的Mn,利用金相顯微鏡觀察了低硅非活性鋼鍍層組織的變化規(guī)律,評價了鍍層的電化學(xué)腐蝕性能。

        1.試樣的制備

        采用99.995wt%鋅錠和化學(xué)純金屬錳片,參照Zn-Mn合金二元相圖熔煉成Zn-2.5wt%Mn中間合金,再將中間合金按需要熔入純鋅浴中配制成含Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3%、0.5%、0.7%的 Zn-Mn合金浴。實(shí)驗(yàn)選取的鋼板化學(xué)成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:C 0.17%、Si 0.04%、Mn 0.23%、P 0.010%、S 0.005%、Fe余量,將其切成 40 mm ×30 mm ×3 mm的小樣,然后用砂紙打磨平整,再經(jīng)熱堿浴除油、熱水沖洗、酸洗除銹、冷水沖洗、助鍍劑助鍍,烘干。熱浸鍍鋅及鋅錳合金在置于坩鍋電阻爐中的石墨坩鍋中進(jìn)行,浸鍍溫度為450℃,浸鍍時間1min。

        2.組織與性能測試

        用XJL-02A型金相顯微鏡觀察鍍層的顯微組織。電化學(xué)測試使用上海辰華儀器公司的CHI604B電化學(xué)工作站,采用三電極體系,輔助電極為鉑電極,參比電極為飽和甘汞電極(SCE),工作電極為待測試樣,用環(huán)氧樹脂涂封后暴露10 mm ×10 mm的面積,腐蝕介質(zhì)為5%NaCl水溶液,在室溫、不除氣的條件下且待腐蝕電位穩(wěn)定后進(jìn)行極化曲線測量,動電位掃描速度為1 mV/s。

        三 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        1.鍍層的顯微組織

        圖1所示為鋼板熱浸鍍鋅及鋅錳合金后獲得的鍍層金相顯微組織形貌。從圖中可以看出,鋅浴中添加不同含量的錳后,與熱浸鍍純鋅鍍層一樣,熱浸鍍鋅錳合金鍍層自鋼基體向鍍層表面依次都是由Γ相、δ1相、ζ相和自由鋅層η相組成,其中Γ相層很薄,難以分辨[5]。不過,隨著鋅浴中錳含量的增加,δ1/ζ界面變得平整,組織也更加致密,但超過0.5%后,反而變得結(jié)構(gòu)疏松。

        2.鍍層的耐蝕性能

        熱浸純鋅鍍層與不同含錳量的Zn-Mn合金鍍層在5%NaCl溶液中的電化學(xué)極化曲線如圖2所示。從圖2可以看出,鋅浴加錳使得鍍層具有更低的腐蝕電流密度和更高的自腐蝕電位,陽極反應(yīng)明顯被抑制。當(dāng)鋅浴中添加0.5%Mn時,鍍層的陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)都得到了顯著抑制,大幅度向低電流密度方向移動,具有最佳的耐蝕性能。

        3.討論

        一般來說,鍍鋅層在5%NaCl溶液中,陽極發(fā)生鋅的溶解產(chǎn)生Zn2+,陰極發(fā)生吸氧反應(yīng)產(chǎn)生OH-,它們結(jié)合生成難溶的Zn(OH)2沉積在鋅層表面,在Cl-參與下易產(chǎn)生多孔疏松的堿式氯化鋅[4],從而加速腐蝕。鋅浴添加錳后,由于從鋅錳合金浴中提出的鍍件仍具有足夠高的溫度,會在空氣中形成一層錳的氧化物保護(hù)膜,阻滯了鋅的化合物生成和陰極溶解氧的還原反應(yīng)。當(dāng)鋅浴中添加0.3%Mn時,錳的氧化物膜很薄,覆蓋程度較低,對鍍層的保護(hù)作用有限;添加0.5%Mn時,在鍍層表面形成了一層連續(xù)致密的錳的氧化物保護(hù)膜,鍍層的腐蝕電流密度急劇下降,耐蝕性能明顯提升;添加0.7%Mn時,合金相層結(jié)構(gòu)變得疏松,抗腐蝕性能又下降。

        四 結(jié)語

        本實(shí)驗(yàn)研究了鋅浴中Mn的添加量對熱浸鍍鋅組織和耐蝕性能的影響,當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%Mn時,鍍層具有最佳的耐蝕性能。通過本專業(yè)綜合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐表明,學(xué)生掌握了金相試樣的制備與觀察方法,熟悉了金屬材料腐蝕電化學(xué)性能的測試與數(shù)據(jù)分析技術(shù),培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐動手能力,提高了學(xué)生發(fā)現(xiàn)、綜合分析及解決問題的能力。打破了傳統(tǒng)僵化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式,從材料成分設(shè)計、制備工藝、微觀組織結(jié)構(gòu)分析與性能測試等方面給學(xué)生創(chuàng)造并給予充分自主權(quán),激發(fā)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣,實(shí)現(xiàn)了“要我做”到“我要做”的轉(zhuǎn)變,較好地體現(xiàn)了材料科學(xué)與工程的四要素關(guān)系。

        [1]苗潤生,邵紅紅,王 蘭.金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù),2012,10(2):92-93.

        [2]胡 華.論實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地位和作用[J].當(dāng)代教育理論與實(shí)踐,2011,3(6):92-93.

        [3]吳海江,張厚安,唐果寧,等.金屬材料工程專業(yè)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的初探[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,30(3):161-163.

        [4]孔 綱,黃 偉,林德鑫,等.檸檬酸對鑭鹽轉(zhuǎn)化膜耐蝕性和自愈性的影響[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,40(1):107-113.

        [5]邵大偉,賀志榮,張永宏,等.熱浸鍍鋅技術(shù)的研究進(jìn)展[J].熱加工工藝,2012,41(6):100-103.

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