金属材料工程专业综合创新实验设计与研究

吴海江，刘龙飞，郭世柏，吴玉蓉，唐思文

(湖南科技大学机电工程学院，湖南湘潭411201)

金属材料工程专业具有很强的理论联系实践的特性，实验教学是实践性教学中的一个重要环节。传统的专业实验教学依附于理论教学的进度，主要以基础性验证实验为主，易割裂各个实验项目间的整体性、系统性和有机关联性，学生动手机会少，不利于学生综合分析问题、解决问题的能力，特别是创新能力的培养［1-2］。因此，打破各专业课程界限，设立综合创新实验已迫在眉睫。

一 实验设计思路

为培养学生的创新思维和实践能力，专业综合实验的设计应有利于学生自我深入分析材料科学与工程“四要素”，即成分-组织结构-制备工艺-性能之间的关系，以材料的组织结构与性能为核心内容，掌握不同材料的共性规律。因此，在确定实验项目时，就不能固定学生的思维，而应是设计型的创新实验。实验的流程为:指导教师发放实验提纲，介绍实验研究对象，学生再根据自身兴趣自由组建5～6人的实验小组，然后在指导老师的指导下，查阅相关文献和设计实验方案，之后进入到开放式管理的实验室预约做实验，最后完成实验报告和答辩交流［3］。整个实验过程中本着“鼓励创新、允许失败”的原则，只要能对失败的原因做出清晰有条理的分析，也是一篇优秀的实验报告。根据专业培养方案，本专业综合实验安排在第七学期进行，为期四周。笔者确定的实验项目为《合金元素对热浸镀锌组织和性能的影响》，指明了实验的总体方向，实验内容上不做过于细致的规定。

二 实验内容与实验方法

热浸镀锌是钢铁防腐蚀的经济且有效手段，广泛应用于电力、交通、通讯、建筑和汽车等领域［4］。不过由于冶炼中脱氧等原因获得的钢或多或少都含有Si，在热浸镀锌过程中发生的Si反应常常会导致镀层质量变差。锌浴中添加微量合金元素是解决该类问题的主要途径之一，主要的添加元素有 Ni、Al、Bi、Mg、Sn 等［5］，但关于添加 Mn 元素的报道较少。本实验通过在锌浴中加入不同含量的Mn，利用金相显微镜观察了低硅非活性钢镀层组织的变化规律，评价了镀层的电化学腐蚀性能。

1.试样的制备

采用99.995wt%锌锭和化学纯金属锰片，参照Zn-Mn合金二元相图熔炼成Zn-2.5wt%Mn中间合金，再将中间合金按需要熔入纯锌浴中配制成含Mn质量分数分别为0.3%、0.5%、0.7%的 Zn-Mn合金浴。实验选取的钢板化学成分及其质量分数为:C 0.17%、Si 0.04%、Mn 0.23%、P 0.010%、S 0.005%、Fe余量，将其切成 40 mm ×30 mm ×3 mm的小样，然后用砂纸打磨平整，再经热碱浴除油、热水冲洗、酸洗除锈、冷水冲洗、助镀剂助镀，烘干。热浸镀锌及锌锰合金在置于坩锅电阻炉中的石墨坩锅中进行，浸镀温度为450℃，浸镀时间1min。

2.组织与性能测试

用XJL-02A型金相显微镜观察镀层的显微组织。电化学测试使用上海辰华仪器公司的CHI604B电化学工作站，采用三电极体系，辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，工作电极为待测试样，用环氧树脂涂封后暴露10 mm ×10 mm的面积，腐蚀介质为5%NaCl水溶液，在室温、不除气的条件下且待腐蚀电位稳定后进行极化曲线测量，动电位扫描速度为1 mV/s。

三 实验结果与讨论

1.镀层的显微组织

图1所示为钢板热浸镀锌及锌锰合金后获得的镀层金相显微组织形貌。从图中可以看出，锌浴中添加不同含量的锰后，与热浸镀纯锌镀层一样，热浸镀锌锰合金镀层自钢基体向镀层表面依次都是由Γ相、δ1相、ζ相和自由锌层η相组成，其中Γ相层很薄，难以分辨［5］。不过，随着锌浴中锰含量的增加，δ1/ζ界面变得平整，组织也更加致密，但超过0.5%后，反而变得结构疏松。

2.镀层的耐蚀性能

热浸纯锌镀层与不同含锰量的Zn-Mn合金镀层在5%NaCl溶液中的电化学极化曲线如图2所示。从图2可以看出，锌浴加锰使得镀层具有更低的腐蚀电流密度和更高的自腐蚀电位，阳极反应明显被抑制。当锌浴中添加0.5%Mn时，镀层的阳极反应和阴极反应都得到了显著抑制，大幅度向低电流密度方向移动，具有最佳的耐蚀性能。

3.讨论

一般来说，镀锌层在5%NaCl溶液中，阳极发生锌的溶解产生Zn2+，阴极发生吸氧反应产生OH-，它们结合生成难溶的Zn(OH)2沉积在锌层表面，在Cl-参与下易产生多孔疏松的碱式氯化锌［4］，从而加速腐蚀。锌浴添加锰后，由于从锌锰合金浴中提出的镀件仍具有足够高的温度，会在空气中形成一层锰的氧化物保护膜，阻滞了锌的化合物生成和阴极溶解氧的还原反应。当锌浴中添加0.3%Mn时，锰的氧化物膜很薄，覆盖程度较低，对镀层的保护作用有限;添加0.5%Mn时，在镀层表面形成了一层连续致密的锰的氧化物保护膜，镀层的腐蚀电流密度急剧下降，耐蚀性能明显提升;添加0.7%Mn时，合金相层结构变得疏松，抗腐蚀性能又下降。

四 结语

本实验研究了锌浴中Mn的添加量对热浸镀锌组织和耐蚀性能的影响，当添加质量分数为0.5%Mn时，镀层具有最佳的耐蚀性能。通过本专业综合创新实验的教学实践表明，学生掌握了金相试样的制备与观察方法，熟悉了金属材料腐蚀电化学性能的测试与数据分析技术，培养了学生的创新思维和实践动手能力，提高了学生发现、综合分析及解决问题的能力。打破了传统僵化的实验教学模式，从材料成分设计、制备工艺、微观组织结构分析与性能测试等方面给学生创造并给予充分自主权，激发了学生的实验兴趣，实现了“要我做”到“我要做”的转变，较好地体现了材料科学与工程的四要素关系。

［1］苗润生，邵红红，王 兰.金属材料工程专业综合实验课程的教学实践［J］.实验科学与技术，2012，10(2):92-93.

［2］胡 华.论实验教学的地位和作用［J］.当代教育理论与实践，2011，3(6):92-93.

［3］吴海江，张厚安，唐果宁，等.金属材料工程专业综合实验教学改革的初探［J］.湘潭师范学院学报(自然科学版)，2008，30(3):161-163.

［4］孔 纲，黄 伟，林德鑫，等.柠檬酸对镧盐转化膜耐蚀性和自愈性的影响［J］.华南理工大学学报(自然科学版)，2012，40(1):107-113.

［5］邵大伟，贺志荣，张永宏，等.热浸镀锌技术的研究进展［J］.热加工工艺，2012，41(6):100-103.