体育器材用钢的耐腐蚀性能试验分析

邓彭冲

( 中共陕西省委党校（陕西行政学院）文化与科技部，陕西西安710061)

在社会人民生活水平逐步提升的趋势下，人们对于生活质量的要求也不断提高，基于满足日常生活物质条件，人们开始注重身体健康保护，近年来，越来越多的人参与到了体育锻炼中，体育运动形式也趋向于多元化，这就进一步提高了对体育器材的要求。若是体育器材用钢耐腐蚀性较差，很容易导致器材短时间内失效，从而影响器材使用寿命。所以当前体育器材通常都明确要求必须具备良好耐腐蚀性，特别是在室外与沿海潮湿腐蚀环境下。目前在实际情况下，一般都以涂装方式进行体育器械表面处理，但是在涂装被破坏之后，基体材料依旧会被腐蚀，从而失效［1］。因此，本文基于具体需求与性能要求，面向体育器材用钢进行了耐腐蚀性能试验研究。

1 体育器材

就体育器材性质可以划分为自备器材、场地器材、指定器材、其他器材四种类型。其中自备器材是运动员所使用器材，即运动服、帆船、球拍等；指定器材是参加竞赛的双方共同所用器材，为防止分歧，竞赛开始前需明确指定器材生产商、型号、品牌等；场地器材是训练与竞赛场馆所使用装备设施器材，即裁判用具与装备球架等；其他器材是非竞赛用器材，即健身活动与体能训练器材［2］。

就体育运动项目分类，实际上就是将与相同类型运动项目有关的装备与器材划分成相同类型，即举重、田径、冰雪等器材。

就体育器材用途可具体划分为国防军事体育器材、竞技体育器材、健身健美器材、民用体育器材、辅助性器材等［3］。

2 试验材料简介

通过宝钢分公司热轧厂制备对比钢与试验钢，对比钢即碳素钢，试验钢则为耐候钢，坯料加热温度设定为1255℃/4h，以两个阶段进行制备，第一阶段的开轧温度设定为1155℃，终轧温度设定为1065℃；第二阶段的开轧温度设定为930℃，终轧温度生为830℃，开冷温度设定为790℃，返红温度设定为580℃，冷速设置为19℃/s，以此制备生成28mm 厚的钢［4］，对比钢与试验钢的化学组分具体如表1 所示。其中金相组织均是铁素体与珠光体相结合。

表1 对比钢与试验钢化学组分（质量分数/%）Tab.1 Composition of steels

3 试验方法简介

加工制备对比钢与试验钢为40mm×120mm×3mm样品，表面通过砂纸打磨与机械抛光之后，清洗干净，并吹干以备用。以暴晒与浇水相结合的方式面向对比钢与试验钢样品，开展大约12 周的室外加速腐蚀试验，样品放置在阳光比较充足的位置，每日按时浇水，室外温度大约25℃左右，在试验开展到第8 周之后，停止不再浇水，然后自然放置4 周之后，结束试验。

以数码相机拍摄室外加速腐蚀之后样品的宏观形貌；以X 射线衍射仪器测试腐蚀产物的物相；以扫描电镜观察样品的表面形貌；以电化学工作站测试对比钢与试验钢的电化学性能，以样品作为工作电极，Pt 作为辅助电极，饱和甘汞作为参比电极，3.5%NaCl 溶液作为腐蚀介质［5］。

4 结果分析

4.1 宏观形貌分析

不同加速腐蚀时间后，对比钢与试验钢腐蚀的宏观形貌［6］如图1 所示。

图1 不同时间后对比钢与试验钢腐蚀的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of corrosion of compared steel and test steel after different time

由图1 可知，对于对比钢与试验钢而言，在室外通过加速腐蚀之后，表面都发生了明显锈层形态，然而不同腐蚀时间之后，锈层颜色也存在显著差异。其中1 周加速腐蚀时间下，对比钢与试验钢的表面锈层都呈现为黄褐色、淡黄色等；在4 周加速腐蚀时间下，对比钢与试验钢的表面锈层都转换成为了青黑色；在8 周加速腐蚀时间下，表面锈层又变成了红棕色，在8 周之后，二者表面形貌越来越相似。

4.2 锈层厚度分析

不同时间后对比钢与试验钢腐蚀的锈层厚度均值［7］见如表2。

表2 不同时间后对比钢与试验钢腐蚀的锈层厚度均值（单位为：μm）Table 2 Mean values of rust layer thickness of steels corrosion after different time

由表2 可知，腐蚀1 周时间之后，对比钢与试验钢表面的锈层厚度相对较薄；腐蚀8 周时间之后，对比钢与试验钢表面的锈层厚度明显加厚；腐蚀12 周时间之后，两种钢的表面锈层厚度出现了快速增加形势；对比钢与试验钢表面的锈层显著增加，然而试验钢表面锈层致密度较高，对比钢表面锈层则相对疏松，局部锈层甚至因为脱落变得更加稀薄，厚度也随之下降。

4.3 表面形貌分析

以扫描电镜进行形貌分析，不同时间后对比钢与试验钢腐蚀的表面形貌［8］如图2 所示。

图2 不同时间后对比钢与试验钢腐蚀的表面形貌Fig.2 Surface topography of corrosion of steels after different time

由图2 可知，在通过室外加速腐蚀之后，对比钢与试验钢表面的锈层都表现出了凹凸不平的显著特征，对比钢经过12 周腐蚀之后，表面依旧可以看到些微裂缝，这是由于锈层变形能力相对不足，在不同区域，氧浓度与水含量存在差异，如此脱水时，便会生成内应力，导致锈层出现裂纹。相对来讲，试验钢通过12 周腐蚀之后，表面依旧可以看到致密度较高的氧化物，并未出现明显裂缝，这是由于试验钢内存在Cr、Cu、Ni、Mo 等相关元素，可以帮助锈层表面生成致密尖晶石氧化物，以此降低表面能，限制表面裂缝与孔洞等缺陷发生。致密度较高的锈层可有效防止外界的腐蚀性介质侵蚀基体，但是过于疏松，且孔洞较多的锈层则会演变为外界腐蚀性介质侵蚀基体的载体，无法有效保护基体，所以，相较于对比钢，试验钢的耐腐蚀性能更佳。

4.4 电化学性能分析

于3.5%NaCl 溶液内对比钢与试验钢的动电位极化曲线［9］具体如图3 所示。

图3 对比钢与试验钢的动电位极化曲线示意图Fig. 3 Potentiodynamic polarization curve of corrosion of ssteels

基于此，对比钢与试验钢的动电位极化曲线拟合结果［10］见如表3。

表3 对比钢与试验钢的动电位极化曲线拟合结果Table 3 Fitting results of test steel and comparison steel potentiometric polarization curves

分析可知，就腐蚀之前的裸钢样品而言，试验钢腐蚀电位更正，电流密度更小；在腐蚀8 周与12 周之后，试验钢比对比钢的腐蚀电位更正，电流密度更小。基于既有研究文献可知，腐蚀电位越正，腐蚀的倾向就会越小，但是腐蚀电流密度越小，腐蚀的速度就会越慢，因此不论试验钢裸钢样品或通过不同时间腐蚀之后的样品，都比对比钢的耐腐蚀性更好，其与上述试验结果相一致，主要是由于试验钢中所包含的微量元素，可在很大程度上提升钢的耐腐蚀性，并且腐蚀之后，表面锈层的致密度更高，稳定性更良好，同时有助于保护基体不受侵蚀。

5 结语

本文通过体育器材用钢的耐腐蚀性能试验分析，得出：对比钢与试验钢在室外通过加速腐蚀之后，表面都发生了明显锈层形态，然而不同腐蚀时间之后，锈层颜色也存在显著差异；腐蚀1 周时间之后，对比钢与试验钢表面的锈层厚度相对较薄，腐蚀8 周时间之后，对比钢与试验钢表面的锈层厚度明显加厚，腐蚀12 周时间之后，两种钢的表面锈层厚度出现了快速增加形势；经过4 周时间的自然放置之后，对比钢与试验钢表面的锈层显著增加，然而试验钢表面锈层致密度较高，对比钢表面锈层则相对疏松，局部锈层甚至因为脱落变得更加稀薄，厚度也随之下降；就腐蚀之前的裸钢样品而言，试验钢腐蚀电位更正，电流密度更小，在腐蚀8 周与12 周之后，试验钢比对比钢的腐蚀电位更正，电流密度更小，而腐蚀电位越正，腐蚀的倾向就会越小，但是腐蚀电流密度越小，腐蚀的速度就会越慢，因此不论试验钢裸钢样品或通过不同时间腐蚀之后的样品，都比对比钢的耐腐蚀性更好，且腐蚀之后，表面锈层的致密度更高，稳定性更良好，同时有助于保护基体不受侵蚀。