材料腐蚀性能综合设计实验教学改革

向雄志, 旷明胜, 程　淼, 王　雷

(深圳大学 材料学院, 广东 深圳　518060)



材料腐蚀性能综合设计实验教学改革

向雄志, 旷明胜, 程淼, 王雷

(深圳大学 材料学院, 广东 深圳518060)

以黄铜防腐作为材料科学与工程综合设计实验中材料腐蚀与防护实验为主题,设计合金化和表面钝化是材料防腐的两大重要方法,以盐雾试验作为腐蚀性能判定方法,使学生在实验过程中掌握材料防腐的机理以及实施方法。利用优化考核评价指标,激发学生的创新思维,提高学生的实践创新能力。

黄铜防腐； 材料腐蚀与防护； 综合设计实验； 盐雾试验

材料的腐蚀是材料受周围环境作用,发生有害的化学变化、电化学变化或物理变化而失去其固有性能的过程,对于材料在使用过程中会产生严重的危害,不仅会减低材料的使用寿命和使用性能,增加材料的消耗量和生产成本,还会导致严重的安全事故,因此对材料腐蚀性能的研究具有十分重大的意义[1-2]。材料腐蚀中最常见的是金属材料的腐蚀,广东省珠三角地区有色金属的应用较传统钢铁更为广泛,且广东地区属典型的海洋性气候,有色金属的局部腐蚀较普遍且严重,每年由此导致的经济损失高达数十亿元[3]。我们以腐蚀性能研究为课题展开,结合实验室现有条件,在高校内开设材料腐蚀性能综合设计性实验,为学生将来相关课程的学习以及科研实验打下良好的基础,同时还能培养学生的基础实践能力、专业实践能力和创新实践能力。目前材料腐蚀与防护领域既有的成熟技术,虽可靠却往往不环保,而前端的科学研究,虽有效果，但是距离实用尚有距离。在实验课程设计时,成熟与前卫技术的取舍有待于研究与探讨。

1　综合设计实验的组织与运行

在本科生的教学中可将本次综合设计性实验作为单独的实践课程设置,学分4分,实验16课时。

本课程以黄铜的腐蚀与防护为实验设计的切入点。在实验开始阶段,根据人数将学生分为若干组,每组3～4人,针对所提供的实验材料,学生可结合自己的兴趣爱好选择其中一种方法作为综合设计实验方案的主题。选题后,学生应当提前学习相关知识、查阅相关文献、了解所选主题国内外发展的近况,依据理论原理自行设计实验方案,报经指导教师批准后方可实施。在查阅相关资料、设计实验实施方案、实验操作等方面应当由学生独立完成,教师在整个实验过程中只发挥指导作用，学生可根据对实验内容的理解,结合自身能力,提出新的观点,以保证学生创造性思维的展开和在实践中使自己的已有知识层次得到进一步提高[4-5]。具体课程设计见图1。

图1　学生综合设计实验流程图

整个实验分为4个模块:材料腐蚀原理介绍模块、合金化实验模块、合金表面钝化模块和盐雾实验模块。其中,用2课时进行材料腐蚀与防护的基础知识介绍,提出实验要求。合金化实验模块、合金表面钝化实验模块各需要3课时,盐雾实验模块需要8课时。

2　实验细节

黄铜是铜与锌的合金,工业黄铜中,锌的质量分数一般不大于47%。 黄铜的价格较低,机械性能和压力加工性能较好,耐蚀性与铜相近,抗大气腐蚀性能优于铜[6],被广泛地应用于国民经济建设与人们日常生活的各个领域,然而由于不可避免的高温高湿环境,大气中微量不纯气体与沉降物以及生产过程中有关工艺条件的影响,导致其在生产、贮运与使用过程中容易腐蚀变色。为了进一步提高铜在大气中的耐蚀性能,合金化以及表面钝化处理普遍运用在铜及其合金材料上,本次实验使用的黄铜是针对生活中常用的五金件,如纽扣、阀门等,因而选取含铜量为65 wt%的H65黄铜为基础材料。

2.1表面钝化模块

对于大多数的金属,如铝、锌、镉、镁及镀层金属使用铬酸盐钝化,可形成3价铬和6价铬以及基体金属的混合物氧化膜,也都具有良好的耐蚀性。对铜合金表面进行钝化处理是目前工业上普遍采用的提高铜耐蚀性能的方法,最成熟且普遍使用的方法是铬酸和铬酸盐钝化[7-9]。尽管铬酸盐钝化膜具有很好的耐腐蚀性,但在实际处理中,铬酸盐是一种毒性很高的污染物质,因而在实验完成后还需要对废液进行无害处理。近年来无铬钝化工艺得到了广泛的研究,各种新的钝化液配方也不断提出[10-13],但目前尚无一种无铬的钝化工艺可以有效地取代含铬的钝化技术。

在本课程中,每个实验小组需提供1～2个钝化处理样品。本实验在实验指导书中提供了成熟的黄铜表面预处理工艺以及含铬的钝化工艺配方。

学生可以依据实验指导书进行本实验,同时本课程也鼓励学生自行设计钝化液配方。本实验课程设立了一个钝化药品库,其中刻意加入了很多与钝化工艺无关的药品作为迷惑项,学生可自行查询资料,结合已有药品库提出自己的钝化液配方以及包括材料前处理在内的钝化工艺流程。

2.2合金化模块

向材料中加入合金元素可以提高材料各方面的性能,也包括耐蚀性能[5]。本次实验中,在实验指导书中提供了几种常见的耐蚀黄铜的成分,如锡黄铜、铝黄铜等。同时本实验将提供一个合金元素库供学生选择,学生可查询资料以及依据理论,分析选择其中一种或几种合金元素添加到传统H65黄铜中,以提高合金的耐蚀性。 目前实验课程已有的元素库包括Sn、Ni、Si、Mn、Fe、Y、Ce、La、Al、Bi、In等10种元素。随着实验课程的开展,依据学生的设计进展,该合金元素库也还将不断进行补充扩容。

在本实验中,每个实验小组需自行设计1～2种合金成分,学生在教师指导下自行完成合金的熔炼和铸造。合金熔炼在高频感应电炉上进行,所熔铸的合金需用X射线衍射仪(XRF)进行成分检测,检验所熔炼铸造的合金的实际成分是否符合所设计的成分配比。

2.3盐雾模块

本次实验效果的检测方法是盐雾试验,盐雾试验是一种主要利用盐雾试验设备所创造的人工模拟盐雾环境条件，来考核产品或金属材料耐腐蚀性能的环境试验。通过人工模拟盐雾环境条件来检测材料的耐腐蚀性能,所用到的实验设备主要是盐雾试验箱。人工模拟盐雾试验主要有中性盐雾试验(NSS实验)、醋酸盐雾试验(ASS实验)、铜盐加速醋酸盐雾试验(CASS试验)等几种。此外不同的试验温度以及饱和桶温度等都对试验结果有明显的影响。受课时所限,本课程的盐雾试验时间十分有限,实验允许学生不受相关标准的限制,对盐雾试验参数进行合理的调整。选择合适的判定方法,以检测在设定的试验参数下,材料的耐蚀性能的体现。

整个实验过程由实验教师提供指导,学生独立自主完成。经过8 h后,可检验材料的腐蚀效果,获取试验数据。在实验过程中,学生可根据实验的进度预测各种可能出现的结果,并分析造成结果的原因。

3　实验成绩的考核体系

如前所述,目前的材料腐蚀与防护领域既有成熟的技术,虽可靠却往往不环保,也有前端的科学研究,有效果但是距离实用尚有距离。在本实验课程设计时,需要成熟技术与前卫研究、工程与科学之间的一个平衡。在成绩考核体系上,本课程采取了鼓励创新的基本原则。

实验成绩的考核体系主要由考勤、实验方案、实验操作过程、实验结果、实验报告书5部分组成。其中实验考勤占10%,实验方案的设计占30%。设计的内容应当包括合金成分、钝化液配方及钝化工艺、盐雾试验的评价方法,提出实验的基本原理并给出目前较为成熟的耐腐蚀黄铜的合金成分及含Cr6+的钝化工艺。为提高学生的创新思维,学生也可不依据教师提供的指导书进行自行设计,但所设计的方案应当与教师讨论，获得批准后方可实施。实验操作过程占15%,成绩的考核可从实验预习的情况、实验仪器使用的规范性、实验原理的理解等方面进行。实验结果占25%,其中实验数据的正确性占10%、实验结果分析与讨论占15%。最后一项考核为实验报告占20%,其中报告结构15%、格式规范5%(见表1)。为鼓励学生创新,提高学生的科研实验能力,对于实验设计中能够提出不同于传统方案的小组应当给予总分5%～10%的加分。

表1　实验考核具体标准

4　结语

材料腐蚀性能的探究是理论与实践结合的过程,本次综合设计性实验以普通黄铜为案例,将合金化与表面钝化应用于材料腐蚀性能的实验教学中,涵盖了材料的腐蚀与防护两大主要内容,通过对实验现象和实验结果的分析,使学生充分理解了材料在实验过程中腐蚀性能的变化。在实验过程中,学生通过独立设计实验方案、确定合金成分、配制表面钝化液,极大地锻炼了学生的动手实践能力,激发了学生的创新思维,让学生能够在实践中将理论知识与实践结合起来,培养学生自主解决问题的能力以及严谨的科研态度,从而达到开设本次综合设计实验的教学目的。

References)

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[2] 王光雍,李晓刚,董超芳.材料腐蚀与装备工程[J].装备实验工程,2005(1):1-2.

[3] 郑纪勇. 海洋生物污损与材料腐蚀[J]. 中国腐蚀与防护学报,2010,30(2):171-172.

[4] 张清祥.探索实验教学载体,培养学生实践创新能力[J].实验技术与管理,2012,29(2):130-133.

[5] 孙继元,苑广军.工程对象教学法培养创新能力的应用研究[J].实验技术与管理,2014,31(2):21-22.

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[11] 谢洪波,沈小鹏,张来祥.铜及铜合金低温快速无铬化工艺研究[J].材料保护,2005,38(1):37-38.

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[13] 吕雪飞,李淑英.镧、苯并三氮唑在黄铜钝化中的作用[J].材料保护,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年广东省高等学校教学改革立项项目“传统禅宗教学方法于大学理工课程教学中应用研究”；深圳大学教学改革研究项目(JG2014027)；深圳大学教学改革研究项目(JG2015051)

向雄志(1980—),男,湖南怀化,工学博士,讲师,主要研究方向为材料学专业课程的教学.

E-mail：xiyun_cn@szu.edu.cn

TG174.1

A

1002-4956(2016)6-0207-03

实验课程改革