王志華, 王明靜, 李小池

(西安科技大學 材料科學與工程學院, 陜西 西安 710054)

材料腐蝕與防護課程以物理化學、電化學等課程為基礎,同時與冶金學、表面科學、生物學等學科有著密切的關系,是一門綜合性與實用性很強的課程[1-3]。材料腐蝕與防護實驗課在材料科學與工程專業(yè)中的重要性日顯突出。通過對基礎實驗教學的改革,建立起實驗內容與理論教學相輔相成關系,并綜合了多門基礎理論課程,以科研項目驅動力為導向,開設了體現(xiàn)材料科學與工程專業(yè)特色、接近相關行業(yè)和產業(yè)發(fā)展前沿的綜合實驗課程,使學生了解學科前沿的知識,掌握科學實驗的思路和研究方法,有助于加強學生的綜合素質、實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與提高[4-7]。針對我校材料科學與工程專業(yè)開設的“材料腐蝕與防護實驗”課程,將科研項目和研究成果轉化為綜合性實驗內容,設計了“不銹鋼鈰鹽轉化膜制備”綜合性實驗,取得了較好的教學效果。

1 設計思路和創(chuàng)新點

鉻酸鹽作為傳統(tǒng)的鈍化劑,可以顯著提高不銹鋼的耐蝕性,顯著改善不銹鋼的表面質量,其鈍化工藝相對成熟。但是,隨著人們逐漸認識到六價鉻的劇毒性,六價鉻鈍化技術將會逐漸被取代[8-10]。國內外在六價鉻鈍化替代工藝方面的研究已取得很大進展,主要有鉬酸鹽、硅酸鹽、鎢酸鹽、釩酸鹽、稀土轉化膜鈍化等。研究者發(fā)現(xiàn)稀土金屬鹽,尤其是鈰鹽,具有無毒害、無污染、對不銹鋼有良好的緩蝕和鈍化效果等優(yōu)點,引起眾多研究機構的關注[11-13]。將科研項目的研究成果應用于實驗課程教學,不僅讓學生對實驗課程產生濃厚的興趣,還可以讓學生了解學科前沿的知識以提高學生的創(chuàng)新意識,提高學生對科學研究的興趣。

結合材料腐蝕與防護實驗課程的大綱和最近的科研成果,采用化學浸泡法在不銹鋼表面獲得金黃色的鈰鹽轉化膜,具有實驗方法穩(wěn)定、操作簡單、成本低廉等優(yōu)點。選用Ce2(SO4)3·8H2O為主鹽,雙氧水為成膜促進劑。

2 綜合實驗設計

2.1 正交試驗設計

正交試驗設計是研究多因素多水平問題的一種重要數(shù)理方法,它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗,是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法。在不銹鋼表面制備鈰鹽轉化膜的實驗過程中,首先對學生進行分組,并查閱不銹鋼表面鈍化技術、轉化膜制備方法、鈰鹽轉化膜制備工藝等方面的相關文獻資料。每一小組確定試驗因素和水平數(shù),并選用合適的正交表。通過該過程的學習,培養(yǎng)學生獲取信息的能力和創(chuàng)新能力,拓展學生的科學思維,提高學生設計多因素試驗的能力,使學生在減少試驗次數(shù)的同時能夠得出因子的顯著性和最佳水平組合。表1是學生根據文獻資料內容自行設計的正交試驗因素水平表。采用 L9(34 )正交試驗, 對硫酸鈰的摩爾濃度、雙氧水用量、pH值、溫度因素進行優(yōu)化。正交試驗前確定鈍化時間為1 h。

表1 因素水平表

2.2 綜合實驗過程

不銹鋼表面制備鈰鹽轉化膜的實驗流程如圖1所示。

圖1 實驗流程圖

處理步驟如下：

(1) 預磨：依次使用400#、800#、1000#、1200#的砂紙對不銹鋼試樣進行打磨處理,以除去不銹鋼表面的銹跡、深劃痕等缺陷；

(2) 堿洗：將打磨好的不銹鋼試樣放入配置好的堿洗液中,在75 ℃水浴中加熱保溫5～15 min,去除鎂合金不銹鋼表面的油脂污物,直到整個基體表面親水性一致。堿洗液的配方：NaOH(60 g/L),Na2CO3(20 g/L),Na2SiO3(10 g/L)。

(3) 酸洗：將不銹鋼試樣放入5% HCl溶液中酸洗30 s,去除不銹鋼表面氧化物及嵌入表面的污垢等；

(4) 活化：將不銹鋼試樣放入20%H2SO4溶液中活化1 min；

(5) 轉化處理：將活化后的不銹鋼試樣放入轉化液中一段時間,進行成膜實驗，試樣經處理后取出,用蒸餾水沖洗,再用熱吹風吹干,放入干燥皿中備用；

(6) 性能測試：采用氯化鐵點滴實驗研究不銹鋼表面鈰鹽轉化膜的耐蝕性能。用滴管將20% FeCl3滴在不銹鋼試樣的表面,同時采用秒表記錄出現(xiàn)3個點蝕小黑點的時間。每個試樣在不同的區(qū)域做3次點滴實驗,求其平均時間來表征轉化膜的耐蝕性能。

各小組根據表1中確定的因素和水平,采用上述實驗流程,得到正交試驗結果見表2。

表2 正交實驗結果

根據表2可知, B對膜層耐蝕性的影響>A對膜層耐蝕性的影響>D對膜層耐蝕性的影響>C對膜層耐蝕性的影響,即H2O2濃度對膜層耐蝕性的影響最大。最佳工藝為A1B3C3D3,即硫酸鈰濃度為0.1 mol/L,H2O2濃度為90 ml/L,pH=3,成膜溫度為90 ℃。

2.3 鈰鹽轉化膜的表征和性能測試

以培養(yǎng)應用型人才為目標,本綜合實驗充分利用學院的各種實驗和科研教學平臺,在實驗內容中安排了掃描電鏡、X衍射儀、電化學工作站等常用儀器設備的使用,讓學生對鈰鹽轉化膜的設計、實驗過程和測試手段有了充分的認識,提高了學生的學習興趣和科研素養(yǎng)。圖2是學生在不銹鋼表面制備的鈰鹽轉化膜的宏觀照片,轉化膜呈金黃色。

圖2 不銹鋼表面鈰鹽轉化膜的宏觀照片

圖3是不銹鋼表面鈰鹽轉化膜的SEM圖。圖4是不銹鋼表面鈰鹽轉化膜中氧元素和鈰元素的分布圖。

圖3 不銹鋼表面鈰鹽轉化膜的SEM圖

圖4 不銹鋼表面鈰鹽轉化膜中氧元素和鈰元素的分布圖

3 教學效果

(1) 學生根據實驗目的要求,查閱相關文獻,設計正交試驗表,不僅使學生深化了材料表面技術、材料腐蝕與防護等課程的主要知識,而且學習了新的表面技術知識,鍛煉了學生的學習能力及設計試驗能力。

(2) 在實驗過程中,學生利用所學知識解決實驗中遇到的實際問題,有助于提高學生解決問題的能力。

(3) 對轉化膜的性能測試,鞏固了學生材料測試方法的知識,提高了學生分析實驗數(shù)據的能力,有利于學生在畢業(yè)設計階段分析討論實驗結果并確定最佳工藝。