体育器材用钢材料的耐腐蚀性能研究

李圣博

（民办四川天一学院，四川绵竹 618200）

随着经济的飞速发展，我国人民在满足基础的生活条件下，开始追求高质量的生活方式。其中，身体健康无疑是重要的组成部分，故而体育锻炼成为必不可缺的日常活动之一［1］。而随着体育活动的流行，多元化的发展使得体育器材也在日益精进。体育器材的质量一定程度上和体育器材所用材料相关。与建筑用钢和工业用钢不同的是，体育器材用钢材的服役环境较为复杂，需要满足多种人群在不同气候和环境下的运动需求，所以运动器材在满足体育活动所必须的强度、韧性等性能外，还需要一定的耐腐蚀性能［2］。总之言之，体育器材用钢的服役环境有两个特点，一方面与人体汗液直接接触，另一方面钢材承受的载荷较小［3］。即体育器材用钢并不要求极高的抗拉强度，但相对的其耐腐蚀能力要求较高。当钢材的耐腐蚀性较差时，尽管器材在出厂前会在钢材表面涂敷防腐涂层来避免钢材和腐蚀介质的直接接触，但在体育活动中不可避免地由于机械损伤造成涂层破坏，反而会引起腐蚀的加剧，导致体育器材的提前失效［4］。所以，在室外或易与汗液接触的体育器材用钢通常需要较为良好的耐腐蚀性能，以保证器材的稳定服役［5］。本文对常见的体育器材所用耐候钢材进行了电化学测试和失重实验，并将其与普通碳素钢相比较，以此评价耐候钢的耐腐蚀性能。

1 体育器材用钢和选择

体育器材的分类方式有多种，例如以体育器材的性质可将其分为自备器材、场地器材和指定器材等等，而按照体育项目和用途等为基础则可以将体育器材划分更为清晰［6］。一般而言以器材的性质分类比较常见。其中，因为材质和功能设计的原因，以运动服装和护具为代表的自备体育器材通常没有耐腐蚀的特性需求。而指定器材和场地器材一般常见于室外的活动中，尤其以场地器材为主，在经受外界环境中的风吹雨打和夏季长时间的曝晒后，容易发生材料的腐蚀和老化现象，使器材的使用寿命降低，甚至有人身安全方面的隐患［7］。

在考虑到器材不同的应用环境和成本因素，在沿海城市或健身房等潮湿和含盐量等腐蚀环境下常以不锈钢等耐蚀性较好的材料为主，而在一般情况下表面涂覆涂料的碳钢就能达到器材的耐蚀性要求。然而在涂层机械破损后，一旦体育器材表面有水滴附着，破损的器材表面将形成腐蚀原电池，未破损的涂层充当阴极而暴露的钢材作为阳极，形成大阴极小阳极这种腐蚀加速的局面［8］，故而，比碳钢耐蚀性高而成本相对不锈钢大大降低的耐候钢成为现在体育器材的最佳选择之一。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

本次实验对比组为鞍钢公司集团的Q235 碳素钢，实验组为同公司生产的经过轧制工艺生产的耐候钢。两者的化学成分见表1，金相显示两者组织结构均为铁素体和珠光体。

表1 两种钢材的化学成分（ 质量分数：%)Table 1 Chemical composition of the two kinds of experimental steels

试样标准划分为两种，其一为电化学测试使用的试样，测试面尺寸为10mm×10mm，厚度为15mm，以导线焊接并使用环氧树脂将试样封存。40℃恒温保存12h 后等待试样稳定固化，固化后依次使用金相水磨砂纸将试样测试面从400# 按照1000#、1500# 逐级打磨至2000#，打磨好的试样以去离子水冲洗干净并使用高纯度酒精冲洗并冷风吹干备用。第二种则选用长条形的50mm×100mm×10mm 试样来进行挂片实验，为了模拟体育器材的实际工作环境，挂片实验以暴晒和盐水泼撒的方式进行，盐水浓度选用3.5%(wt.) 的NaCl 溶液模拟人体汗液成分。

2.2 实验方法

2.2.1 形貌观察

使用数码相机对挂片实验的试样进行记录，挂片试样的截面在经过环氧树脂的封样固化后对截面进行打磨至2000# 后再使用Leica 金相显微镜进行截面的观察，微观形貌则使用SEM 进行观察。

2.2.2 电化学测试

动极化曲线是对金属材料进行腐蚀性能检测的最为常见的电化学测试方法之一，通过获取电位- 电流曲线来确定金属材料在该种环境下的腐蚀电位、腐蚀速度等信息。使用上海辰华电化学工作站对电化学测试试样进行动电位极化曲线的测试，测试电位以相对开路电位-200mV 开始，以1mV/cm2的扫描速度扫描到相对开路电位200mV 的电位，其中，应用经典的三电极体系进行测试［9］，20mm×20mm×1mm 的Pt 片作为对电极，饱和甘汞电极(+0.2415V) 为参比电极，工作电极即为待测样品。通过塔菲尔外推法对得到的极化曲线进行拟合进而得到金属材料的腐蚀参数。

3 实验结果与讨论

3.1 腐蚀加速实验

将耐候钢和碳素钢在经过同等条件下的模拟腐蚀加速实验后的表面宏观形貌进行捕捉，经过7 天、14 天和30 天的加速腐蚀后得到的结果如表2 所示。可以看出，在同等时间的腐蚀加速下，耐候钢的腐蚀程度明显要比碳素钢轻，在经过腐蚀加速一周后，碳素钢的表面出现明显的腐蚀产物堆积，并有大面积的黄褐色锈层，而耐候钢的锈层呈淡黄色。值得注意的是，碳素钢在一周的腐蚀加速后表面形貌比耐候钢在两周的腐蚀加速后的锈层痕迹要重，这意味着耐候钢的腐蚀速度仅有碳素钢的一半。在30 天的腐蚀加速实验后得到腐蚀层形貌却表现为相似的特征，考虑到不管是耐候钢还是碳素钢，腐蚀产物的主体依然是铁的氧化物为主［10］，在长时间的腐蚀环境下形成的腐蚀产物层己经有了较大的厚度，因此堆积在表面随着环境的干湿交替表现出相似的状态。

表2 耐候钢与碳素钢经过腐蚀加速后的宏观形貌与微观形貌Table 2 Macroscopic morphology and micromorphology of weathering steel and carbon steel after corrosion acceleration

在经过14 天和30 天腐蚀加速后取试样进行截面显微观察分析，通过试样截面的腐蚀层（见表2）可以清楚地发现，经过同等时间和条件的腐蚀加速，耐候钢的腐蚀层要明显比碳素钢的腐蚀层要薄，这也同样说明了耐候钢相较于普通碳素钢的优良耐腐蚀性［11］。而相似的腐蚀层结构也侧面印证了前文提到的，耐候钢与碳素钢的腐蚀产物几乎相同的结论。

3.2 动电位极化测试

以3.5% 的NaCl 溶液来模拟材料表面浸润的人体汗液环境，得到的动电位极化曲线如图1 所示，耐候钢和碳素钢的极化曲线都呈现活化状态，都不具备类似不锈钢的钝化膜结构，这也是在经过腐蚀加速后表面出现大量腐蚀产物的原因。通过塔菲尔外推法对活化体系金属材料的拟合得到的自腐蚀电流和自腐蚀电位列于表3。比较图1 中耐候钢和碳素钢的极化曲线和表3 中的拟合数值可以看到，耐候钢的自腐蚀电位较高，而自腐蚀电流较低。根据曹楚南在腐蚀电化学原理一书的解释，腐蚀电位代表着腐蚀反应的倾向，腐蚀电位越负意味着腐蚀反应越容易发生［12］，而腐蚀电流密度则和材料在溶液中的腐蚀速度正相关［13］。换而言之，耐候钢的较正的自腐蚀电位和较低的自腐蚀电流密度说明耐候钢的耐腐蚀性能较好，与腐蚀加速实验的结果相吻合。

图1 耐候钢和碳素钢在3.5%NaCl 溶液中的动电位极化曲线Fig. 1 Dynamic potential polarization curves of weathering steel and carbon steel in 3.5% NaCl solution

表3 耐候钢和碳素钢极化曲线的拟合Table 3 Fitting of polarization curves for weathering steel and carbon steel

3.3 腐蚀失重实验

将进行腐蚀加速实验后的试样进行去腐蚀产物处理并比较腐蚀加速实验前后的试样质量损失，去腐蚀产物液是500mL HCl、500mL 去离子水与3.5g 六次甲基四胺充分混合液［14］，将试样放进去腐蚀产物液中超声震荡300s 取出并称量，得到的结果如图2 所示，在经过1 周、2 周和4 周的加速腐蚀后，耐候钢的失重量要比碳素钢的失重量更小，也说明了两者相比耐候钢的耐腐蚀性要更为优秀。

图2 腐蚀加速实验后耐候钢与碳素钢的失重量Fig.2 Loss weight of weathering steel and carbon steel after corrosion acceleration test

4 结论与展望

通过对两种钢材进行腐蚀加速实验，得到试样的宏观形貌和微观形貌显示同等条件下耐候钢的腐蚀速度较慢，具有较为优良的耐蚀性，而后进行的电化学测试也在理论角度验证了耐候钢的腐蚀倾向较低，腐蚀速度较慢。失重实验则将腐蚀速度量化显示出来，得到的结果与前文一致，即耐候钢的耐蚀性有着较为明显的提高。而随着技术的发展，具有更强耐蚀性和钝化膜稳定性的不锈钢材料也开始慢慢进入体育器材领域，使器材的安全性更好，使用寿命更长，将更好地服务于大众。