體育器材用鋼的耐腐蝕性能試驗分析

鄧彭沖

( 中共陜西省委黨校（陜西行政學院）文化與科技部，陜西西安710061)

在社會人民生活水平逐步提升的趨勢下，人們對于生活質量的要求也不斷提高，基于滿足日常生活物質條件，人們開始注重身體健康保護，近年來，越來越多的人參與到了體育鍛煉中，體育運動形式也趨向于多元化，這就進一步提高了對體育器材的要求。若是體育器材用鋼耐腐蝕性較差，很容易導致器材短時間內失效，從而影響器材使用壽命。所以當前體育器材通常都明確要求必須具備良好耐腐蝕性，特別是在室外與沿海潮濕腐蝕環境下。目前在實際情況下，一般都以涂裝方式進行體育器械表面處理，但是在涂裝被破壞之后，基體材料依舊會被腐蝕，從而失效［1］。因此，本文基于具體需求與性能要求，面向體育器材用鋼進行了耐腐蝕性能試驗研究。

1 體育器材

就體育器材性質可以劃分為自備器材、場地器材、指定器材、其他器材四種類型。其中自備器材是運動員所使用器材，即運動服、帆船、球拍等；指定器材是參加競賽的雙方共同所用器材，為防止分歧，競賽開始前需明確指定器材生產商、型號、品牌等；場地器材是訓練與競賽場館所使用裝備設施器材，即裁判用具與裝備球架等；其他器材是非競賽用器材，即健身活動與體能訓練器材［2］。

就體育運動項目分類，實際上就是將與相同類型運動項目有關的裝備與器材劃分成相同類型，即舉重、田徑、冰雪等器材。

就體育器材用途可具體劃分為國防軍事體育器材、競技體育器材、健身健美器材、民用體育器材、輔助性器材等［3］。

2 試驗材料簡介

通過寶鋼分公司熱軋廠制備對比鋼與試驗鋼，對比鋼即碳素鋼，試驗鋼則為耐候鋼，坯料加熱溫度設定為1255℃/4h，以兩個階段進行制備，第一階段的開軋溫度設定為1155℃，終軋溫度設定為1065℃；第二階段的開軋溫度設定為930℃，終軋溫度生為830℃，開冷溫度設定為790℃，返紅溫度設定為580℃，冷速設置為19℃/s，以此制備生成28mm 厚的鋼［4］，對比鋼與試驗鋼的化學組分具體如表1 所示。其中金相組織均是鐵素體與珠光體相結合。

表1 對比鋼與試驗鋼化學組分（質量分數/%）Tab.1 Composition of steels

3 試驗方法簡介

加工制備對比鋼與試驗鋼為40mm×120mm×3mm樣品，表面通過砂紙打磨與機械拋光之后，清洗干凈，并吹干以備用。以暴曬與澆水相結合的方式面向對比鋼與試驗鋼樣品，開展大約12 周的室外加速腐蝕試驗，樣品放置在陽光比較充足的位置，每日按時澆水，室外溫度大約25℃左右，在試驗開展到第8 周之后，停止不再澆水，然后自然放置4 周之后，結束試驗。

以數碼相機拍攝室外加速腐蝕之后樣品的宏觀形貌；以X 射線衍射儀器測試腐蝕產物的物相；以掃描電鏡觀察樣品的表面形貌；以電化學工作站測試對比鋼與試驗鋼的電化學性能，以樣品作為工作電極，Pt 作為輔助電極，飽和甘汞作為參比電極，3.5%NaCl 溶液作為腐蝕介質［5］。

4 結果分析

4.1 宏觀形貌分析

不同加速腐蝕時間后，對比鋼與試驗鋼腐蝕的宏觀形貌［6］如圖1 所示。

圖1 不同時間后對比鋼與試驗鋼腐蝕的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of corrosion of compared steel and test steel after different time

由圖1 可知，對于對比鋼與試驗鋼而言，在室外通過加速腐蝕之后，表面都發生了明顯銹層形態，然而不同腐蝕時間之后，銹層顏色也存在顯著差異。其中1 周加速腐蝕時間下，對比鋼與試驗鋼的表面銹層都呈現為黃褐色、淡黃色等；在4 周加速腐蝕時間下，對比鋼與試驗鋼的表面銹層都轉換成為了青黑色；在8 周加速腐蝕時間下，表面銹層又變成了紅棕色，在8 周之后，二者表面形貌越來越相似。

4.2 銹層厚度分析

不同時間后對比鋼與試驗鋼腐蝕的銹層厚度均值［7］見如表2。

表2 不同時間后對比鋼與試驗鋼腐蝕的銹層厚度均值（單位為：μm）Table 2 Mean values of rust layer thickness of steels corrosion after different time

由表2 可知，腐蝕1 周時間之后，對比鋼與試驗鋼表面的銹層厚度相對較薄；腐蝕8 周時間之后，對比鋼與試驗鋼表面的銹層厚度明顯加厚；腐蝕12 周時間之后，兩種鋼的表面銹層厚度出現了快速增加形勢；對比鋼與試驗鋼表面的銹層顯著增加，然而試驗鋼表面銹層致密度較高，對比鋼表面銹層則相對疏松，局部銹層甚至因為脫落變得更加稀薄，厚度也隨之下降。

4.3 表面形貌分析

以掃描電鏡進行形貌分析，不同時間后對比鋼與試驗鋼腐蝕的表面形貌［8］如圖2 所示。

圖2 不同時間后對比鋼與試驗鋼腐蝕的表面形貌Fig.2 Surface topography of corrosion of steels after different time

由圖2 可知，在通過室外加速腐蝕之后，對比鋼與試驗鋼表面的銹層都表現出了凹凸不平的顯著特征，對比鋼經過12 周腐蝕之后，表面依舊可以看到些微裂縫，這是由于銹層變形能力相對不足，在不同區域，氧濃度與水含量存在差異，如此脫水時，便會生成內應力，導致銹層出現裂紋。相對來講，試驗鋼通過12 周腐蝕之后，表面依舊可以看到致密度較高的氧化物，并未出現明顯裂縫，這是由于試驗鋼內存在Cr、Cu、Ni、Mo 等相關元素，可以幫助銹層表面生成致密尖晶石氧化物，以此降低表面能，限制表面裂縫與孔洞等缺陷發生。致密度較高的銹層可有效防止外界的腐蝕性介質侵蝕基體，但是過于疏松，且孔洞較多的銹層則會演變為外界腐蝕性介質侵蝕基體的載體，無法有效保護基體，所以，相較于對比鋼，試驗鋼的耐腐蝕性能更佳。

4.4 電化學性能分析

于3.5%NaCl 溶液內對比鋼與試驗鋼的動電位極化曲線［9］具體如圖3 所示。

圖3 對比鋼與試驗鋼的動電位極化曲線示意圖Fig. 3 Potentiodynamic polarization curve of corrosion of ssteels

基于此，對比鋼與試驗鋼的動電位極化曲線擬合結果［10］見如表3。

表3 對比鋼與試驗鋼的動電位極化曲線擬合結果Table 3 Fitting results of test steel and comparison steel potentiometric polarization curves

分析可知，就腐蝕之前的裸鋼樣品而言，試驗鋼腐蝕電位更正，電流密度更小；在腐蝕8 周與12 周之后，試驗鋼比對比鋼的腐蝕電位更正，電流密度更小。基于既有研究文獻可知，腐蝕電位越正，腐蝕的傾向就會越小，但是腐蝕電流密度越小，腐蝕的速度就會越慢，因此不論試驗鋼裸鋼樣品或通過不同時間腐蝕之后的樣品，都比對比鋼的耐腐蝕性更好，其與上述試驗結果相一致，主要是由于試驗鋼中所包含的微量元素，可在很大程度上提升鋼的耐腐蝕性，并且腐蝕之后，表面銹層的致密度更高，穩定性更良好，同時有助于保護基體不受侵蝕。

5 結語

本文通過體育器材用鋼的耐腐蝕性能試驗分析，得出：對比鋼與試驗鋼在室外通過加速腐蝕之后，表面都發生了明顯銹層形態，然而不同腐蝕時間之后，銹層顏色也存在顯著差異；腐蝕1 周時間之后，對比鋼與試驗鋼表面的銹層厚度相對較薄，腐蝕8 周時間之后，對比鋼與試驗鋼表面的銹層厚度明顯加厚，腐蝕12 周時間之后，兩種鋼的表面銹層厚度出現了快速增加形勢；經過4 周時間的自然放置之后，對比鋼與試驗鋼表面的銹層顯著增加，然而試驗鋼表面銹層致密度較高，對比鋼表面銹層則相對疏松，局部銹層甚至因為脫落變得更加稀薄，厚度也隨之下降；就腐蝕之前的裸鋼樣品而言，試驗鋼腐蝕電位更正，電流密度更小，在腐蝕8 周與12 周之后，試驗鋼比對比鋼的腐蝕電位更正，電流密度更小，而腐蝕電位越正，腐蝕的傾向就會越小，但是腐蝕電流密度越小，腐蝕的速度就會越慢，因此不論試驗鋼裸鋼樣品或通過不同時間腐蝕之后的樣品，都比對比鋼的耐腐蝕性更好，且腐蝕之后，表面銹層的致密度更高，穩定性更良好，同時有助于保護基體不受侵蝕。