運動器械用鋼的耐腐蝕老化性能分析

李傳雷

(上海建橋學院,上海 201306)

我國正經歷從體育大國到體育強國的轉變，這一轉變過程中也同時帶動了相關的體育器材的發展。因為不同的運動器械會在室內和室外不同的應用場合下使用，因此運動器械除了本身的安全穩定性和高強度外，還需要保證其耐蝕性，使得在復雜的使用環境中能夠保證足夠的服役時間。尤其是在一些沿海城市中，由于靠海，空氣濕潤且有腐蝕性氯離子的存在，對體育器械的耐蝕性能提出了更高的要求。最為常見的提高其耐蝕性的方式就是在體育器材表面涂裝一層耐蝕性較好的涂料。雖然涂料的耐蝕性較好，但是一旦涂層破裂或遭到破壞，體育器械的表面就會形成更劇烈的腐蝕反應，導致腐蝕速率加劇。目前主流研究比較認可的方案是在保證體育器材用鋼的力學性能和安全性能的基礎上，開發耐蝕性較高的耐候鋼。因此，本研究通過在傳統體育器械常用的碳素鋼基礎上，加入少量的鈦元素，通過材料的微合金化作用提高其耐蝕性，希望可以為新型耐蝕體育器械的開發應用提供參考。

1 實驗材料和實驗方法

1.1 實驗材料

實驗所需的普通碳素鋼和含鈦耐候鋼均為上海寶鋼公司試制。方法是將普通Q235碳素鋼置于感應熔煉爐中進行重熔，然后加入金屬鈦，經過精煉、連鑄成板坯后，再以終軋溫度 1 100 ℃ 、精軋入口溫度1 050 ℃ 、精軋終軋溫度590 ℃、精軋穿帶速度390 mm/min 進行熱連軋，制得所需的含鈦耐候建筑鋼板試樣。制備的鋼板在溫度900 ℃條件下退火4 h。普通Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼的成分如表1所示。

表1 Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼成分質量分數

1.2 曝曬試驗

Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼的現場暴曬實驗要將試驗架朝南放置，試驗架與2種鋼之間的角度為45°；框架上Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼各有4片試樣。暴曬后通過GB/T16545—2015《金屬和合金的腐蝕試樣上腐蝕產物的清除 》對試樣進行腐蝕失重測試。

1.3 電化學測試

通過ZAHNER Im6ex電化學工作站對Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼進行電化學測試以表征材料的耐蝕性。使用703硅橡膠包制好待測的試樣，留下1 cm的表面區域作為工作電極，對電極和參比電極分別為鉑電極和Ag/AgCl電極。測試在25 ℃的恒溫條件下進行，測試的溶液為采集的雨水。

1.4 腐蝕形貌分析

通過掃描電子顯微鏡(SEM)分析Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在腐蝕之后的表明形貌。

2 結果與討論

2.1 腐蝕形貌分析

首先利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在采集雨水溶液中分別浸泡1 d和90 d之后的腐蝕形貌，具體結果如圖1所示。

圖1(a)、(b)分別為Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在采集雨水溶液中分別浸泡1 d的腐蝕形貌；圖1(c)、(d)分別為Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在采集雨水溶液中分別浸泡90 d的腐蝕形貌。

從圖1可以看出，在浸泡的初期，Q235碳素鋼的表面就出現了較多的腐蝕坑；而含鈦耐候鋼的腐蝕坑較少。在雨水中浸泡90 d后，Q235碳素鋼的表面的腐蝕坑已經很深并且腐蝕面積較大，所以含鈦耐候鋼的耐蝕性能要明顯的優于Q235碳素鋼。

圖1 Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在采集雨水溶液中浸泡的腐蝕形貌

2.2 動電位極化曲線

圖2為Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在雨水溶液中分別浸泡1 d和90 d的極化曲線。

圖2 Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在雨水溶液中浸泡不同時間的極化曲線

由圖2可以看出，4條極化曲線的陽極區均為活性溶解，沒有出現明顯的鈍化區間，因此，在雨水溶液中4種腐蝕體系均為電化學活性腐蝕。根據極化曲線可以得出極化曲線的擬合結果，具體如表2所示。

由表2可知，在測試溶液中極化曲線的陰極區域內，含鈦耐候鋼的塔菲爾(Tafel)斜率小于Q235碳素鋼Tafel 斜率。在雨水溶液中浸泡時間為1 d時，Q235碳素鋼的腐蝕電流小于含鈦耐候鋼，說明在浸泡初期Q235碳素鋼的腐蝕速度較小；但當浸泡時間延長到90 d后，Q235碳素鋼的腐蝕電流遠大于含鈦耐候鋼，說明經過長時間的浸泡，在含鈦耐候鋼的表面生成了穩定而致密的氧化膜抑制腐蝕介質和基體金屬的接觸從而起到了保護材料的作用。

表2 極化曲線擬合結果

2.3 電化學阻抗譜結果分析

圖3為Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在雨水溶液中浸泡不同時間的電化學阻抗譜(EIS)；橫、縱坐標分別表示電化學阻抗譜的實部、虛部坐標。

圖3 含鈦耐候鋼在雨水溶液中浸泡不同時間的電化學阻抗譜

由圖3可知，含鈦耐候鋼的EIS中不同浸泡時間下都是圓心在軸下方的半圓，EIS中的電荷轉移電阻是半圓與軸交點的弦長，電荷轉移電阻的大小可以代表材料耐蝕性的大小和材料的耐蝕性成正比關系。電荷轉移電阻隨著浸泡時間的增加，先增大，在到達極值后減小；說明含鈦耐候鋼的耐蝕性也是先增加后減小。這是因為在浸泡初期會有保護膜的形成，提高材料的耐蝕性能，當保護膜破裂之后，材料的耐蝕性能下降；Q235碳素鋼也出現類似的現象。

圖4為Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在雨水溶液中浸泡不同時間的阻抗膜值，通過電化學阻抗譜擬合得到，材料的膜值越大，代表材料的耐蝕性能越好。

圖4 Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在雨水溶液中浸泡不同時間阻抗膜值變化

由圖4可知，Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼2種材料的阻抗膜值都是先增大后減小；而產生這種現象的原因是在溶液浸泡初期，Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼2種材料的表面因腐蝕產生的腐蝕產物膜阻礙了腐蝕介質與基體的接觸，阻礙了腐蝕反應，因此初期 R和阻抗膜值逐漸增加。但隨著浸泡時間的增加，腐蝕產物膜被腐蝕介質破壞，擊穿后直接與基體接觸，腐蝕速率加快，EIS膜值其值逐漸減小。Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在剛浸泡時的阻抗膜值分別為9 718.58、40 891.41 Ω·cm，說明此時含鈦耐候鋼的腐蝕速率要大于Q235碳素鋼。由圖4還可知，含鈦耐候鋼在浸泡實驗中，膜值相較于Q235碳素鋼達到極值的時間短且持續時間長，說明含鈦耐候鋼的耐蝕性要明顯的好于普通Q235碳素鋼。

2.4 腐蝕失重實驗結果與分析

根據實驗方法中介紹的掛片試驗進行腐蝕失重的分析，在取回暴曬試樣之后對Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼分別進行腐蝕失重計算。根據 ISO 9223，本實驗的Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼腐蝕失重計算及腐蝕等級評估結果如表3所示。

表3 Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼腐蝕失重計算及腐蝕等級評估

由表3可知，含鈦耐候鋼在大氣中的腐蝕等級為C2，屬于低等腐蝕速率。普通碳素鋼的腐蝕等級為C3，屬于中等腐蝕速率，而且Q235碳素鋼的腐蝕速率大于含鈦耐候鋼。腐蝕失重計算的結果和前面的電化學阻抗譜結果以及動電位極化測試的結果一致，說明無論是大氣腐蝕還是在雨水環境中的腐蝕，含鈦耐候鋼的耐蝕性都要明顯的好于Q235碳素鋼。

3 結語

(1)通過SEM的觀察可以發現，在雨水中浸泡1 d和90 d，含鈦耐候鋼的腐蝕坑的深度和面積都小于Q235碳素鋼，含鈦耐候鋼的耐蝕性提高明顯；

(2)在雨水溶液中的浸泡實驗說明含鈦耐候鋼要比Q235碳素鋼更早的生成鈍化膜，而且鈍化膜更致密，所以含鈦耐候鋼的耐蝕性更好；

(3)通過曝曬 1周期(年)的實驗結果說明含鈦耐候鋼的腐蝕等級為 C2；Q235 鋼的腐蝕等級為 C3，分別屬于低等和中等。