體育器材用鋼材料的耐腐蝕性能研究

李圣博

（民辦四川天一學院，四川綿竹 618200）

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國人民在滿足基礎(chǔ)的生活條件下，開始追求高質(zhì)量的生活方式。其中，身體健康無疑是重要的組成部分，故而體育鍛煉成為必不可缺的日常活動之一［1］。而隨著體育活動的流行，多元化的發(fā)展使得體育器材也在日益精進。體育器材的質(zhì)量一定程度上和體育器材所用材料相關(guān)。與建筑用鋼和工業(yè)用鋼不同的是，體育器材用鋼材的服役環(huán)境較為復雜，需要滿足多種人群在不同氣候和環(huán)境下的運動需求，所以運動器材在滿足體育活動所必須的強度、韌性等性能外，還需要一定的耐腐蝕性能［2］。總之言之，體育器材用鋼的服役環(huán)境有兩個特點，一方面與人體汗液直接接觸，另一方面鋼材承受的載荷較小［3］。即體育器材用鋼并不要求極高的抗拉強度，但相對的其耐腐蝕能力要求較高。當鋼材的耐腐蝕性較差時，盡管器材在出廠前會在鋼材表面涂敷防腐涂層來避免鋼材和腐蝕介質(zhì)的直接接觸，但在體育活動中不可避免地由于機械損傷造成涂層破壞，反而會引起腐蝕的加劇，導致體育器材的提前失效［4］。所以，在室外或易與汗液接觸的體育器材用鋼通常需要較為良好的耐腐蝕性能，以保證器材的穩(wěn)定服役［5］。本文對常見的體育器材所用耐候鋼材進行了電化學測試和失重實驗，并將其與普通碳素鋼相比較，以此評價耐候鋼的耐腐蝕性能。

1 體育器材用鋼和選擇

體育器材的分類方式有多種，例如以體育器材的性質(zhì)可將其分為自備器材、場地器材和指定器材等等，而按照體育項目和用途等為基礎(chǔ)則可以將體育器材劃分更為清晰［6］。一般而言以器材的性質(zhì)分類比較常見。其中，因為材質(zhì)和功能設(shè)計的原因，以運動服裝和護具為代表的自備體育器材通常沒有耐腐蝕的特性需求。而指定器材和場地器材一般常見于室外的活動中，尤其以場地器材為主，在經(jīng)受外界環(huán)境中的風吹雨打和夏季長時間的曝曬后，容易發(fā)生材料的腐蝕和老化現(xiàn)象，使器材的使用壽命降低，甚至有人身安全方面的隱患［7］。

在考慮到器材不同的應用環(huán)境和成本因素，在沿海城市或健身房等潮濕和含鹽量等腐蝕環(huán)境下常以不銹鋼等耐蝕性較好的材料為主，而在一般情況下表面涂覆涂料的碳鋼就能達到器材的耐蝕性要求。然而在涂層機械破損后，一旦體育器材表面有水滴附著，破損的器材表面將形成腐蝕原電池，未破損的涂層充當陰極而暴露的鋼材作為陽極，形成大陰極小陽極這種腐蝕加速的局面［8］，故而，比碳鋼耐蝕性高而成本相對不銹鋼大大降低的耐候鋼成為現(xiàn)在體育器材的最佳選擇之一。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料

本次實驗對比組為鞍鋼公司集團的Q235碳素鋼，實驗組為同公司生產(chǎn)的經(jīng)過軋制工藝生產(chǎn)的耐候鋼。兩者的化學成分見表1，金相顯示兩者組織結(jié)構(gòu)均為鐵素體和珠光體。

表1 兩種鋼材的化學成分(質(zhì)量分數(shù)：%)Table 1 Chemical composition of the two kinds of experimental steels

試樣標準劃分為兩種，其一為電化學測試使用的試樣，測試面尺寸為10mm×10mm，厚度為15mm，以導線焊接并使用環(huán)氧樹脂將試樣封存。40℃恒溫保存12h后等待試樣穩(wěn)定固化，固化后依次使用金相水磨砂紙將試樣測試面從400#按照1000#、1500#逐級打磨至2000#，打磨好的試樣以去離子水沖洗干凈并使用高純度酒精沖洗并冷風吹干備用。第二種則選用長條形的50mm×100mm×10mm試樣來進行掛片實驗，為了模擬體育器材的實際工作環(huán)境，掛片實驗以暴曬和鹽水潑撒的方式進行，鹽水濃度選用3.5%(wt.)的NaCl溶液模擬人體汗液成分。

2.2 實驗方法

2.2.1 形貌觀察

使用數(shù)碼相機對掛片實驗的試樣進行記錄，掛片試樣的截面在經(jīng)過環(huán)氧樹脂的封樣固化后對截面進行打磨至2000#后再使用Leica金相顯微鏡進行截面的觀察，微觀形貌則使用SEM進行觀察。

2.2.2 電化學測試

動極化曲線是對金屬材料進行腐蝕性能檢測的最為常見的電化學測試方法之一，通過獲取電位-電流曲線來確定金屬材料在該種環(huán)境下的腐蝕電位、腐蝕速度等信息。使用上海辰華電化學工作站對電化學測試試樣進行動電位極化曲線的測試，測試電位以相對開路電位-200mV開始，以1mV/cm2的掃描速度掃描到相對開路電位200mV的電位，其中，應用經(jīng)典的三電極體系進行測試［9］，20mm×20mm×1mm 的 Pt片作為對電極，飽和甘汞電極(+0.2415V)為參比電極，工作電極即為待測樣品。通過塔菲爾外推法對得到的極化曲線進行擬合進而得到金屬材料的腐蝕參數(shù)。

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 腐蝕加速實驗

將耐候鋼和碳素鋼在經(jīng)過同等條件下的模擬腐蝕加速實驗后的表面宏觀形貌進行捕捉，經(jīng)過7天、14天和30天的加速腐蝕后得到的結(jié)果如表2所示。可以看出，在同等時間的腐蝕加速下，耐候鋼的腐蝕程度明顯要比碳素鋼輕，在經(jīng)過腐蝕加速一周后，碳素鋼的表面出現(xiàn)明顯的腐蝕產(chǎn)物堆積，并有大面積的黃褐色銹層，而耐候鋼的銹層呈淡黃色。值得注意的是，碳素鋼在一周的腐蝕加速后表面形貌比耐候鋼在兩周的腐蝕加速后的銹層痕跡要重，這意味著耐候鋼的腐蝕速度僅有碳素鋼的一半。在30天的腐蝕加速實驗后得到腐蝕層形貌卻表現(xiàn)為相似的特征，考慮到不管是耐候鋼還是碳素鋼，腐蝕產(chǎn)物的主體依然是鐵的氧化物為主［10］，在長時間的腐蝕環(huán)境下形成的腐蝕產(chǎn)物層己經(jīng)有了較大的厚度，因此堆積在表面隨著環(huán)境的干濕交替表現(xiàn)出相似的狀態(tài)。

表2 耐候鋼與碳素鋼經(jīng)過腐蝕加速后的宏觀形貌與微觀形貌Table 2 Macroscopic morphology and micromorphology of weathering steel and carbon steel after corrosion acceleration

在經(jīng)過14天和30天腐蝕加速后取試樣進行截面顯微觀察分析，通過試樣截面的腐蝕層（見表2）可以清楚地發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過同等時間和條件的腐蝕加速，耐候鋼的腐蝕層要明顯比碳素鋼的腐蝕層要薄，這也同樣說明了耐候鋼相較于普通碳素鋼的優(yōu)良耐腐蝕性［11］。而相似的腐蝕層結(jié)構(gòu)也側(cè)面印證了前文提到的，耐候鋼與碳素鋼的腐蝕產(chǎn)物幾乎相同的結(jié)論。

3.2 動電位極化測試

以3.5%的NaCl溶液來模擬材料表面浸潤的人體汗液環(huán)境，得到的動電位極化曲線如圖1所示，耐候鋼和碳素鋼的極化曲線都呈現(xiàn)活化狀態(tài)，都不具備類似不銹鋼的鈍化膜結(jié)構(gòu)，這也是在經(jīng)過腐蝕加速后表面出現(xiàn)大量腐蝕產(chǎn)物的原因。通過塔菲爾外推法對活化體系金屬材料的擬合得到的自腐蝕電流和自腐蝕電位列于表3。比較圖1中耐候鋼和碳素鋼的極化曲線和表3中的擬合數(shù)值可以看到，耐候鋼的自腐蝕電位較高，而自腐蝕電流較低。根據(jù)曹楚南在腐蝕電化學原理一書的解釋，腐蝕電位代表著腐蝕反應的傾向，腐蝕電位越負意味著腐蝕反應越容易發(fā)生［12］，而腐蝕電流密度則和材料在溶液中的腐蝕速度正相關(guān)［13］。換而言之，耐候鋼的較正的自腐蝕電位和較低的自腐蝕電流密度說明耐候鋼的耐腐蝕性能較好，與腐蝕加速實驗的結(jié)果相吻合。

圖1 耐候鋼和碳素鋼在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線Fig.1 Dynamic potential polarization curves of weathering steel and carbon steel in 3.5% NaCl solution

表3 耐候鋼和碳素鋼極化曲線的擬合Table 3 Fitting of polarization curves for weathering steel and carbon steel

3.3 腐蝕失重實驗

將進行腐蝕加速實驗后的試樣進行去腐蝕產(chǎn)物處理并比較腐蝕加速實驗前后的試樣質(zhì)量損失，去腐蝕產(chǎn)物液是500mL HCl、500mL去離子水與3.5g六次甲基四胺充分混合液［14］，將試樣放進去腐蝕產(chǎn)物液中超聲震蕩300s取出并稱量，得到的結(jié)果如圖2所示，在經(jīng)過1周、2周和4周的加速腐蝕后，耐候鋼的失重量要比碳素鋼的失重量更小，也說明了兩者相比耐候鋼的耐腐蝕性要更為優(yōu)秀。

圖2 腐蝕加速實驗后耐候鋼與碳素鋼的失重量Fig.2 Loss weight of weathering steel and carbon steel after corrosion acceleration test

4 結(jié)論與展望

通過對兩種鋼材進行腐蝕加速實驗，得到試樣的宏觀形貌和微觀形貌顯示同等條件下耐候鋼的腐蝕速度較慢，具有較為優(yōu)良的耐蝕性，而后進行的電化學測試也在理論角度驗證了耐候鋼的腐蝕傾向較低，腐蝕速度較慢。失重實驗則將腐蝕速度量化顯示出來，得到的結(jié)果與前文一致，即耐候鋼的耐蝕性有著較為明顯的提高。而隨著技術(shù)的發(fā)展，具有更強耐蝕性和鈍化膜穩(wěn)定性的不銹鋼材料也開始慢慢進入體育器材領(lǐng)域，使器材的安全性更好，使用壽命更長，將更好地服務(wù)于大眾。