金屬材料工程專業(yè)綜合創(chuàng)新實驗設(shè)計與研究

吳海江，劉龍飛，郭世柏，吳玉蓉，唐思文

(湖南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南湘潭411201)

金屬材料工程專業(yè)具有很強的理論聯(lián)系實踐的特性，實驗教學(xué)是實踐性教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的專業(yè)實驗教學(xué)依附于理論教學(xué)的進度，主要以基礎(chǔ)性驗證實驗為主，易割裂各個實驗項目間的整體性、系統(tǒng)性和有機關(guān)聯(lián)性，學(xué)生動手機會少，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)新實驗已迫在眉睫。

一 實驗設(shè)計思路

為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力，專業(yè)綜合實驗的設(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，在確定實驗項目時，就不能固定學(xué)生的思維，而應(yīng)是設(shè)計型的創(chuàng)新實驗。實驗的流程為:指導(dǎo)教師發(fā)放實驗提綱，介紹實驗研究對象，學(xué)生再根據(jù)自身興趣自由組建5～6人的實驗小組，然后在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，查閱相關(guān)文獻(xiàn)和設(shè)計實驗方案，之后進入到開放式管理的實驗室預(yù)約做實驗，最后完成實驗報告和答辯交流［3］。整個實驗過程中本著“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)秀的實驗報告。根據(jù)專業(yè)培養(yǎng)方案，本專業(yè)綜合實驗安排在第七學(xué)期進行，為期四周。筆者確定的實驗項目為《合金元素對熱浸鍍鋅組織和性能的影響》，指明了實驗的總體方向，實驗內(nèi)容上不做過于細(xì)致的規(guī)定。

二 實驗內(nèi)容與實驗方法

熱浸鍍鋅是鋼鐵防腐蝕的經(jīng)濟且有效手段，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。本實驗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。實驗選取的鋼板化學(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)定后進行極化曲線測量，動電位掃描速度為1 mV/s。

三 實驗結(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

本實驗研究了鋅浴中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)新實驗的教學(xué)實踐表明，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)僵化的實驗教學(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)生的實驗興趣，實現(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)綜合實驗課程的教學(xué)實踐［J］.實驗科學(xué)與技術(shù)，2012，10(2):92-93.

［2］胡 華.論實驗教學(xué)的地位和作用［J］.當(dāng)代教育理論與實踐，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)綜合實驗教學(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)的研究進展［J］.熱加工工藝，2012，41(6):100-103.