材料腐蚀与防护综合实验设计与实践

王志华, 王明静, 李小池

(西安科技大学 材料科学与工程学院, 陕西 西安 710054)

材料腐蚀与防护课程以物理化学、电化学等课程为基础,同时与冶金学、表面科学、生物学等学科有着密切的关系,是一门综合性与实用性很强的课程[1-3]。材料腐蚀与防护实验课在材料科学与工程专业中的重要性日显突出。通过对基础实验教学的改革,建立起实验内容与理论教学相辅相成关系,并综合了多门基础理论课程,以科研项目驱动力为导向,开设了体现材料科学与工程专业特色、接近相关行业和产业发展前沿的综合实验课程,使学生了解学科前沿的知识,掌握科学实验的思路和研究方法,有助于加强学生的综合素质、实践能力和创新能力的培养与提高[4-7]。针对我校材料科学与工程专业开设的“材料腐蚀与防护实验”课程,将科研项目和研究成果转化为综合性实验内容,设计了“不锈钢铈盐转化膜制备”综合性实验,取得了较好的教学效果。

1 设计思路和创新点

铬酸盐作为传统的钝化剂,可以显著提高不锈钢的耐蚀性,显著改善不锈钢的表面质量,其钝化工艺相对成熟。但是,随着人们逐渐认识到六价铬的剧毒性,六价铬钝化技术将会逐渐被取代[8-10]。国内外在六价铬钝化替代工艺方面的研究已取得很大进展,主要有钼酸盐、硅酸盐、钨酸盐、钒酸盐、稀土转化膜钝化等。研究者发现稀土金属盐,尤其是铈盐,具有无毒害、无污染、对不锈钢有良好的缓蚀和钝化效果等优点,引起众多研究机构的关注[11-13]。将科研项目的研究成果应用于实验课程教学,不仅让学生对实验课程产生浓厚的兴趣,还可以让学生了解学科前沿的知识以提高学生的创新意识,提高学生对科学研究的兴趣。

结合材料腐蚀与防护实验课程的大纲和最近的科研成果,采用化学浸泡法在不锈钢表面获得金黄色的铈盐转化膜,具有实验方法稳定、操作简单、成本低廉等优点。选用Ce2(SO4)3·8H2O为主盐,双氧水为成膜促进剂。

2 综合实验设计

2.1 正交试验设计

正交试验设计是研究多因素多水平问题的一种重要数理方法,它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验,是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。在不锈钢表面制备铈盐转化膜的实验过程中,首先对学生进行分组,并查阅不锈钢表面钝化技术、转化膜制备方法、铈盐转化膜制备工艺等方面的相关文献资料。每一小组确定试验因素和水平数,并选用合适的正交表。通过该过程的学习,培养学生获取信息的能力和创新能力,拓展学生的科学思维,提高学生设计多因素试验的能力,使学生在减少试验次数的同时能够得出因子的显著性和最佳水平组合。表1是学生根据文献资料内容自行设计的正交试验因素水平表。采用 L9(34 )正交试验, 对硫酸铈的摩尔浓度、双氧水用量、pH值、温度因素进行优化。正交试验前确定钝化时间为1 h。

表1 因素水平表

2.2 综合实验过程

不锈钢表面制备铈盐转化膜的实验流程如图1所示。

图1 实验流程图

处理步骤如下：

(1) 预磨：依次使用400#、800#、1000#、1200#的砂纸对不锈钢试样进行打磨处理,以除去不锈钢表面的锈迹、深划痕等缺陷；

(2) 碱洗：将打磨好的不锈钢试样放入配置好的碱洗液中,在75 ℃水浴中加热保温5～15 min,去除镁合金不锈钢表面的油脂污物,直到整个基体表面亲水性一致。碱洗液的配方：NaOH(60 g/L),Na2CO3(20 g/L),Na2SiO3(10 g/L)。

(3) 酸洗：将不锈钢试样放入5% HCl溶液中酸洗30 s,去除不锈钢表面氧化物及嵌入表面的污垢等；

(4) 活化：将不锈钢试样放入20%H2SO4溶液中活化1 min；

(5) 转化处理：将活化后的不锈钢试样放入转化液中一段时间,进行成膜实验，试样经处理后取出,用蒸馏水冲洗,再用热吹风吹干,放入干燥皿中备用；

(6) 性能测试：采用氯化铁点滴实验研究不锈钢表面铈盐转化膜的耐蚀性能。用滴管将20% FeCl3滴在不锈钢试样的表面,同时采用秒表记录出现3个点蚀小黑点的时间。每个试样在不同的区域做3次点滴实验,求其平均时间来表征转化膜的耐蚀性能。

各小组根据表1中确定的因素和水平,采用上述实验流程,得到正交试验结果见表2。

表2 正交实验结果

根据表2可知, B对膜层耐蚀性的影响>A对膜层耐蚀性的影响>D对膜层耐蚀性的影响>C对膜层耐蚀性的影响,即H2O2浓度对膜层耐蚀性的影响最大。最佳工艺为A1B3C3D3,即硫酸铈浓度为0.1 mol/L,H2O2浓度为90 ml/L,pH=3,成膜温度为90 ℃。

2.3 铈盐转化膜的表征和性能测试

以培养应用型人才为目标,本综合实验充分利用学院的各种实验和科研教学平台,在实验内容中安排了扫描电镜、X衍射仪、电化学工作站等常用仪器设备的使用,让学生对铈盐转化膜的设计、实验过程和测试手段有了充分的认识,提高了学生的学习兴趣和科研素养。图2是学生在不锈钢表面制备的铈盐转化膜的宏观照片,转化膜呈金黄色。

图2 不锈钢表面铈盐转化膜的宏观照片

图3是不锈钢表面铈盐转化膜的SEM图。图4是不锈钢表面铈盐转化膜中氧元素和铈元素的分布图。

图3 不锈钢表面铈盐转化膜的SEM图

图4 不锈钢表面铈盐转化膜中氧元素和铈元素的分布图

3 教学效果

(1) 学生根据实验目的要求,查阅相关文献,设计正交试验表,不仅使学生深化了材料表面技术、材料腐蚀与防护等课程的主要知识,而且学习了新的表面技术知识,锻炼了学生的学习能力及设计试验能力。

(2) 在实验过程中,学生利用所学知识解决实验中遇到的实际问题,有助于提高学生解决问题的能力。

(3) 对转化膜的性能测试,巩固了学生材料测试方法的知识,提高了学生分析实验数据的能力,有利于学生在毕业设计阶段分析讨论实验结果并确定最佳工艺。