李圣博

（民辦四川天一學(xué)院，四川綿竹 618200）

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)人民在滿足基礎(chǔ)的生活條件下，開(kāi)始追求高質(zhì)量的生活方式。其中，身體健康無(wú)疑是重要的組成部分，故而體育鍛煉成為必不可缺的日?；顒?dòng)之一［1］。而隨著體育活動(dòng)的流行，多元化的發(fā)展使得體育器材也在日益精進(jìn)。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(fù)雜，需要滿足多種人群在不同氣候和環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)需求，所以運(yùn)動(dòng)器材在滿足體育活動(dòng)所必須的強(qiáng)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(gè)特點(diǎn)，一方面與人體汗液直接接觸，另一方面鋼材承受的載荷較?。?］。即體育器材用鋼并不要求極高的抗拉強(qiáng)度，但相對(duì)的其耐腐蝕能力要求較高。當(dāng)鋼材的耐腐蝕性較差時(shí)，盡管器材在出廠前會(huì)在鋼材表面涂敷防腐涂層來(lái)避免鋼材和腐蝕介質(zhì)的直接接觸，但在體育活動(dòng)中不可避免地由于機(jī)械損傷造成涂層破壞，反而會(huì)引起腐蝕的加劇，導(dǎo)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(duì)常見(jiàn)的體育器材所用耐候鋼材進(jìn)行了電化學(xué)測(cè)試和失重實(shí)驗(yàn)，并將其與普通碳素鋼相比較，以此評(píng)價(jià)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(chǎng)地器材和指定器材等等，而按照體育項(xiàng)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(jiàn)。其中，因?yàn)椴馁|(zhì)和功能設(shè)計(jì)的原因，以運(yùn)動(dòng)服裝和護(hù)具為代表的自備體育器材通常沒(méi)有耐腐蝕的特性需求。而指定器材和場(chǎng)地器材一般常見(jiàn)于室外的活動(dòng)中，尤其以場(chǎng)地器材為主，在經(jīng)受外界環(huán)境中的風(fēng)吹雨打和夏季長(zhǎng)時(shí)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(yīng)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(dá)到器材的耐蝕性要求。然而在涂層機(jī)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(dāng)陰極而暴露的鋼材作為陽(yáng)極，形成大陰極小陽(yáng)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(duì)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(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)對(duì)比組為鞍鋼公司集團(tuán)的Q235碳素鋼，實(shí)驗(yàn)組為同公司生產(chǎn)的經(jīng)過(guò)軋制工藝生產(chǎn)的耐候鋼。兩者的化學(xué)成分見(jiàn)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)：%)Table 1 Chemical composition of the two kinds of experimental steels

試樣標(biāo)準(zhǔn)劃分為兩種，其一為電化學(xué)測(cè)試使用的試樣，測(cè)試面尺寸為10mm×10mm，厚度為15mm，以導(dǎo)線焊接并使用環(huán)氧樹(shù)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(cè)試面從400#按照1000#、1500#逐級(jí)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(fēng)吹干備用。第二種則選用長(zhǎng)條形的50mm×100mm×10mm試樣來(lái)進(jìn)行掛片實(shí)驗(yàn)，為了模擬體育器材的實(shí)際工作環(huán)境，掛片實(shí)驗(yàn)以暴曬和鹽水潑撒的方式進(jìn)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(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 形貌觀察

使用數(shù)碼相機(jī)對(duì)掛片實(shí)驗(yàn)的試樣進(jìn)行記錄，掛片試樣的截面在經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂的封樣固化后對(duì)截面進(jìn)行打磨至2000#后再使用Leica金相顯微鏡進(jìn)行截面的觀察，微觀形貌則使用SEM進(jìn)行觀察。

2.2.2 電化學(xué)測(cè)試

動(dòng)極化曲線是對(duì)金屬材料進(jìn)行腐蝕性能檢測(cè)的最為常見(jiàn)的電化學(xué)測(cè)試方法之一，通過(guò)獲取電位-電流曲線來(lái)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(xué)工作站對(duì)電化學(xué)測(cè)試試樣進(jìn)行動(dòng)電位極化曲線的測(cè)試，測(cè)試電位以相對(duì)開(kāi)路電位-200mV開(kāi)始，以1mV/cm2的掃描速度掃描到相對(duì)開(kāi)路電位200mV的電位，其中，應(yīng)用經(jīng)典的三電極體系進(jìn)行測(cè)試［9］，20mm×20mm×1mm 的 Pt片作為對(duì)電極，飽和甘汞電極(+0.2415V)為參比電極，工作電極即為待測(cè)樣品。通過(guò)塔菲爾外推法對(duì)得到的極化曲線進(jìn)行擬合進(jìn)而得到金屬材料的腐蝕參數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 腐蝕加速實(shí)驗(yàn)

將耐候鋼和碳素鋼在經(jīng)過(guò)同等條件下的模擬腐蝕加速實(shí)驗(yàn)后的表面宏觀形貌進(jìn)行捕捉，經(jīng)過(guò)7天、14天和30天的加速腐蝕后得到的結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，在同等時(shí)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(guò)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)時(shí)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(guò)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(guò)14天和30天腐蝕加速后取試樣進(jìn)行截面顯微觀察分析，通過(guò)試樣截面的腐蝕層（見(jiàn)表2）可以清楚地發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)同等時(shí)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(shuō)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(dòng)電位極化測(cè)試

以3.5%的NaCl溶液來(lái)模擬材料表面浸潤(rùn)的人體汗液環(huán)境，得到的動(dòng)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(guò)腐蝕加速后表面出現(xiàn)大量腐蝕產(chǎn)物的原因。通過(guò)塔菲爾外推法對(duì)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(xué)原理一書(shū)的解釋，腐蝕電位代表著腐蝕反應(yīng)的傾向，腐蝕電位越負(fù)意味著腐蝕反應(yīng)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(shuō)明耐候鋼的耐腐蝕性能較好，與腐蝕加速實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)驗(yàn)

將進(jìn)行腐蝕加速實(shí)驗(yàn)后的試樣進(jìn)行去腐蝕產(chǎn)物處理并比較腐蝕加速實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(guò)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(shuō)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(shí)驗(yàn)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(guò)對(duì)兩種鋼材進(jìn)行腐蝕加速實(shí)驗(yàn)，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(jìn)行的電化學(xué)測(cè)試也在理論角度驗(yàn)證了耐候鋼的腐蝕傾向較低，腐蝕速度較慢。失重實(shí)驗(yàn)則將腐蝕速度量化顯示出來(lái)，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(qiáng)耐蝕性和鈍化膜穩(wěn)定性的不銹鋼材料也開(kāi)始慢慢進(jìn)入體育器材領(lǐng)域，使器材的安全性更好，使用壽命更長(zhǎng)，將更好地服務(wù)于大眾。