体育教学器材用不锈钢材质耐腐蚀性研究

齐佳

摘要：随着人们生活水平的不断提高，体育运动也越来越被人们重视，尤其针对学生们的体育教学，体育教学主要是以身体锻炼为主要手段的社会实践活动，为了更好的提高体育教学的效益和质量，丰富学生的体育运动，好的体育器材是不可或缺的基础条件，体育教学器材的优良由其材质决定，目前绝大多数的体育器材都是由不锈钢材质制成的，因此对其所用不锈钢的性质研究尤为重要，主要对不锈钢材质的耐腐蚀性能进行了研究，不同器材使用环境对不锈钢耐腐蚀性的不同要求，从而选出最佳的不锈钢材质来制作体育教学器材。

关键词：体育教学器材;不锈钢;耐腐蚀性

中图分类号：C633.96;TC 142.71

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）06-0063-05

随着国民生活水平的不断提高，人们对生活质量的追求也逐渐提高，在满足日常生活的物质基礎条件下，人们越来越重视自身身体健康的保护和关注，几年来，越来越对的人参与到体育锻炼中，体育运动的形式也越来越多样化，人们也逐渐开展了许多的体育赛事。此外，我国的教育事业也越来越重视体育教学，对体育教学质量的要求也越来越高，因此我们对体育教学器材的开发利用也要引起一定的重视，这里主要是对体育教学器材用不锈钢的耐腐蚀性能进行了研究，从而利用最佳的不锈钢材质来制造体育教学器材[1]。

1 体育器材的分类

1）根据体育器材的性质分类，可以分为自备器材，场地器材，指定器材以及其他器材4类。自备器材即运动员自己使用的器材，比如运动服装，帆船，赛艇，球拍以及护具等等;指定器材即参与竞赛的双方一同使用的器材，这是为了避免不必要的分歧，在赛事开始前指定器材的生产厂家，型号以及品牌等。场地器材就是训练场馆及竞赛场馆的装备设施器材用具，比如裁判用具，计时计分装备球架，球门以及挡板等;最后其他器材则主要指的是非竞赛所使用的器材，不如健身活动，体能训练，体育游艺等使用器材。

2）根据体育运动项目分类，这种方法是将与同一类运动项目相关的装备和器材划分为一类的分类方法，比如举重器材，田径器材以及冰雪器材等。

3）根据体育器材的用途分类，主要可以划分为国防军事体育器材，竞技体育器材，健身健美器材，民间体育器材，儿童体育游艺器材以及辅助性器材等等[2]。

2 不锈钢耐腐蚀性研究

2.1 不锈钢的定义

不锈钢即不锈耐酸刚的简称，图l为不锈钢器材，其又分为2类，耐蒸汽，水，空气等弱腐蚀介质或者具有不锈性钢种的即为不锈钢，另一类则是耐化学腐蚀介质腐蚀的钢种即耐酸刚。因为成分上的差异两类钢具有不同的耐腐蚀性能，比不锈钢的合金化程度较低，所以一般情况下是不耐酸，而耐酸刚的合金化程度高，所以具有很好的耐酸性[3]。不锈钢的人居消费量是衡量一个国家经济水平的标志之一，在我国的生活生产占据着非常重要的地位。

铬元素是不锈钢中不可或缺的一种元素，但是在世界范围，铬的资源储存量是非常少的，而且资源分布不均匀，目前世界上铬元素主要分布在南非地区，少量分布在西欧各国[4]。随着国民生活水平和经济水平不断发展提高，不锈钢的消费量和产量也在不断增加，目前生产生活中常用的不锈钢主要是以镍，铬作为合金元素的铬系不锈钢，但是铬元素和碳会产生晶间腐蚀，所以生产中绝大部分不锈钢都是低碳钢，而低碳又会导致不锈钢的硬度强度较低，这种不锈钢有时候无法满足某些特殊行业的需求，还有就是铬系不锈钢中铬镍是重金属材料，且比重较大，这样就无法满足现代社会发展的轻量化的要求，诸如在在航空，交通运输，航海等领域的应用都会受到限制。体育教学器材在全球范围了的需求量随着社会经济的发展越来越高，不锈钢作为体育器材的主要使用材料，有必要研制开发品质优良，价格低廉的不锈钢材料。

2.2 腐蚀的定义和种类

随着社会生产里的不断发展，不锈钢的生产制造已经达到一定成熟的阶段，目前生产的不锈钢大都能够满足各种用途的。除了机械失效外，不锈钢的腐蚀主要是局部腐蚀，只要包括点腐蚀，应力腐蚀开裂，腐蚀疲劳，晶间腐蚀以及缝隙腐蚀[5]。

应力腐蚀开裂：是指在腐蚀环境中承受应力的合金因为裂纹扩展而造成互相失效的一种通用的术语。应力腐蚀开裂比较明显的特征就是具有脆性断口形貌，同时也在韧性高的材料中也可能发生。其发生的必要条件是特定的腐蚀介质存在和一定的拉应力。其型纹的扩展和形成与应力的方向大致垂直。而这个致使应力腐蚀开裂的应力值，是远小于腐蚀介质存在时材料断裂所需的应力值的，显微观察时，穿过晶粒的裂纹被称作穿晶裂纹，沿着晶界扩图的裂纹则被称作沿晶裂纹，所以当应力腐蚀开裂扩展到其中一个的深度时，此时材料断面上在承受载荷的应力值达到了其在空气中的断裂应力，那么材料就会按照正常的裂纹而断开，如图2所示。所以，这种因应力腐蚀开裂失效的零件的断裂面，会形成一个由应力腐蚀开裂的特征区域和已经产生微小缺陷的聚合相联系的“韧窝”区域。

晶间腐蚀：如图3所示。结晶学中取向不同的晶粒建紊乱错合的界域被称为晶粒间界，它是由金属化合物沉淀析出或者钢中各种溶质元素偏析产生的有利区域。所以，当处于某些腐蚀介质中是，晶粒间界很有可能被先行腐蚀，这类腐蚀即被称作晶间腐蚀，绝大对数的合金或者金属在某些特定的腐蚀介质中都很有可能产生晶间腐蚀。

全面腐蚀：是指以均匀的方式在整个合金表面所发生的腐蚀现象，当全面腐蚀发生时，合金材料会因为腐蚀而变薄，更甚至导致材料失效。当不锈钢在强酸或者强碱中时可能会发生全面腐蚀，因而生活中全面腐蚀并不常见，通常这种腐蚀不事通过简单的浸泡试验等实现的。

缝隙腐蚀：当溶液停滞在材料缝隙中或者屏蔽的表面内时可能发生缝隙腐蚀，通常发生在金属与非金属或者金属与金属之间的结合处，如于螺栓，铆钉，阀座，垫片等材料相接处。

点腐蚀：发生在材料表面的一种局部腐蚀形式。

3 不锈钢腐蚀性研意义

3.1 轻量化

铬是不锈钢的必要元素之一，是重金属，其密度为7.2glcm3，单位体积的重量较大，与现在社会发展的需求不符，所以我们需要用更轻的金属来代替它。目前铝及其合金是金属材料中应用最广泛的轻质金属材料，且铝加入到其他的合金中也可以大大降低金属材料的比重。铝的氧化物Al203结构致密，所以铝及其合金都具有良好的耐腐蚀性，将一定量的铝加入铁中，也是可以提高Fe-AI合金的耐腐蚀性能，所以将不锈钢中的铬用铝代替就能实现不锈钢的轻质化。近些年，氮元素作为一种价廉性优的合金元素被很多研究者青睐，氮元素可以提高钢耐腐蚀性能，还可以明显的改善钢的机械性能，所以作为一种优良的合金元素氮元素已经在不锈钢的生产中得到广泛的应用。将镍元素用氮元素和锰元素代替，能够大大降低不锈钢的重量，这种新型的无铬无镍不锈钢，具有更加优良的硬度，强度以及延展性，而且比重更轻，那么这种不锈钢就可以更好的满足某些特殊行业对不锈钢的使用需求[6]，诸如航天，航海，交通运输行业等等。同时，对于很多要求轻量化的体育器材也具有非常重要的使用意义，这种不锈钢材质制作的体育器材不仅质量轻而且具有优良的强度、硬度，最重要的是具有非常好的耐腐蚀性能。

3.2 低成本

镍和钼是不锈钢中常见金属元素，但是二者都是貴金属元素，而且随着生产力的不断发展，镍和钼两种金属也越来越少，为了节约这种稀缺资源，同时降低生产成本，研究人员用弱腐蚀介质氮和锰来代替不锈钢中昂贵的稀缺金属镍，将氮。锰加入到不锈钢中复合，从组织上能够代替镍从而或者奥氏体组织。其中，氮元素可以大大提高奥氏体相区，还能够优化奥氏体的组织性能，在不锈钢中大量加入氮元素可以是制成的不锈钢获得非常高的强度，而且不是使不锈钢的断裂韧性降低。氮元素的加入还可以提高不锈钢的耐腐蚀性能，能够使它们的耐晶间腐蚀性能，耐点蚀，耐缝隙腐蚀性能等等明显提高。目前氮元素是不锈钢中应用的唯一一种气态合金元素，其价格低廉，而且存量无限取之容易，在不锈钢成产中加入时也非常方便，对提高不锈钢优良性能也有显著效果，且副作用较少，是一种能够有助于不锈钢生产的发展前景非常好的重要合金元素。此外，锰元素在地壳中分布较为广泛，并且将锰加入不锈钢中制成的高锰钢非常坚硬而且富有韧性，也没有磁性，有益于切削加工等。铝元素也是地壳中含量较多的一种金属元素，存量较多，而且价格上面比镍和铬都要低廉很多，也可以作为替代元素应用于不锈钢的生产之中。用以上这些储量丰富，价格低廉的合金元素代替昂贵，稀缺的镍、铬元素，能够大大降低奥氏体不锈钢的生产成本，同时也保护了地球稀缺金属，有助于增强国家材料行业的国际竞争力。因为体育器材的使用量巨大，所以采用新型的不锈钢材料制作体育器材对于节约成本也是非常中要的。

3.3 环保绿色

镍和铬都是重金属，所以都具有一定的毒性，尤其是铬元素，六价铬的毒性比三价铬的毒性高100倍，而且极容易被人体吸收然后蓄积在人体内，造成重金属中毒，且六价铬和三价铬可以相互的转化。一般天然水中是不含有铬元素的，而海水中的铬的平均浓度也只有0.05μg//。据了解，铬的污染源主要是，金属表面处理，铬矿石的加工，印染，皮革鞣制等等排放的污水。所以，用铝代替铬镍加入到不锈钢成产中，可以大大减少镍和铬的使用，减少了其对环境的污染以危害。

3.4 优越性能

在不锈钢的身生产中，因为铬的存在，则不能加入过多的碳，所以生产出来的都是低碳钢，其使用会受到很多的限制。而主要原因是碳和铬会发生反应，铬和碳相结合会在晶间形成富铬碳化物，然后造成铬贫化，就会引起晶间腐蚀且耐腐蚀性能下降，这就直接导致生产的不锈钢耐腐蚀性能下降。但是低碳钢又无法满足某些需要高强度高硬度的高碳钢的场合，所以研究人员选择用铝来代替铬，这样就能解决这个问题，当生产不锈钢是加入适量的铝和碳，铝与碳是不会发生反应的，这样就能够制成高碳不锈钢。此外生产过程中加人大量的氮能够获得强度非常高的高氮奥氏体不锈钢，同时保证了不锈钢的断裂韧性良好。氮的加入还使得奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能大大提高，包括它的耐点蚀耐缝隙等等局部腐蚀性能，耐晶间腐蚀性能都有所提高[7]。此外，锰的加入也能够提高不锈钢的各项性能，如加入13%的锰到不锈钢中制得的高锰钢，其硬度和韧性都显著提高。当高锰钢加热到淡橙色时，会变得非常的柔软，这样就非常利于进行各种生产加工，而且它是没有磁性的，所以不会被磁铁吸引，也比较利于削切。综上所述，生产无铬的轻质不锈钢能够获得更好的硬度，强度和良好的耐腐蚀性能，这种不锈钢也更能满足更多特使场合的使用，适用范围更为广泛，表明这种轻质额无铬不锈钢更加符合社会发展的需求。

4 国内外对不锈钢腐蚀性的研究现状

随着我国人民的生活水平和社会生产水平不断提升，国内的不锈钢的产量以及消费量也都在不断的增加，而目前我们生活中常用的不锈钢大部分都是一镍、铬作为合金元素的铬系不锈钢，但是因为铬会与碳发生反应而造成品间腐蚀，所以这种铬系不锈钢都是低碳钢，这就导致不锈钢的硬度和强度较低，在某些应用场合会无法满足使用需求，此外铬系不锈钢中所含有的镍、铬均为稀缺重金属，所占比重比较大，与现代社会发展的轻量化需求不符[8]，在很多行业诸如航空，航海，交通运输行业等领域的应用都将受到限制，而且稀缺金属的资源也较为匮乏，不适应长期大量的使用。

生产中为了提高钢的抗电化学腐蚀性能，会在不锈钢的生产过程中加入某些合金元素，以提高钢集体的电极电位，进而提高不锈钢耐腐蚀性能。一般情况下，在钢中加入镍、铬、硅等合金元素都能够提高其电极电位，但是硅和镍大量加入后会使得钢的材质变得脆弱，所以铬就成了提高钢基体电极电位的最常用元素。事实上，我们通常所说的不锈钢并不是完全不锈的，通常的不锈钢指的是能够抵御大气以及弱腐蚀介质腐蚀的一类钢种，当其腐蚀速度低于0.01mm/年时就被称作“完全耐蚀”，当其腐蚀速度低于0.1mm/年时被称作“耐蚀”。因为铬、镍是非常稀缺的贵重金属元素，所以近年来人们已经开发了不含铬、镍及钼的一种新的造价比较低廉的不锈钢品种，这种钢种是用锰、铝代替铬、镍加入不锈钢中制成的，其中锰含量5%.30%，铝含量5%-12%，而碳的含量低于1%，这种加入铝、锰合金元素的无镍、铬不锈钢，其中铝可以提高钢材的抗氧化，耐腐蚀性能，锰则可以改善钢材的物理性能，所以这种新型的不锈钢具有优良的抗氧化性，耐腐蚀性能以及高强度高硬度。据了解，日本和美国都是镍、铬资源稀少的国家，因此他们也加大投入人力物力来开发研究无镍、铬的不锈钢，美国的科学家经过研究发现，当不锈钢中铝含量在10%，锰含量在30%，再加入1%的硅，具有优良的耐海腐蚀性能，而且非常适合采用电渣法进行精炼，这种方法铸造的不锈钢拉伸强度和硬度都较在海洋船舶上使用的黄铜高，所以现在很多海船上的螺旋桨所用的黄铜都被锰硅铝不锈钢所代替。另外，采用非真空感应电炉所生产的铝含量30%，锰含量30%，硅含量1.5%，碳含量1%的不锈钢，它的强度比铬系不锈钢大约还高出1-2倍之多，尤其是当其温度达到650℃时，其强度达到最佳，因此这是一种廉价的具有良好的高温抗氧化性的不锈钢。此外，日本也成功研制了一种不含镍、铬的不锈钢，其中碳含量少于0.4%，锰含量在18% -35%，铝含量在4%-19%，硅含量不超过2.5%，然后再加入0.05%～0.5%的钒0.01% -0.2%的铌以及0.007% -0.015%的氮，这样就制成的一种新型的耐腐蚀不锈钢，他对海水的耐腐蚀性能非常良好，可以广泛地应用于海洋船舶上。俄罗斯也研制成功了一种优良的不含镍、铬的不锈钢，这种不锈钢的碳含量大约为0.3%-0.5%，锰含量为25%-27%，铝含量为4% -4.5%，硅含量为2%-2.5%，这种不锈钢可以在6000C的高温环境中使用，且能够长期保持良好的机械性能，此外，在超低碳的锰铝不锈钢中（其中铝含量3.5%～5%，锰含量在25%-35%），加入微量的钙（0.004%-0.006%）和氮（ 0.02% -0.1%），能够显著改善钢的焊接性，耐蚀性以及低温塑性，而且保持良好的强度和非磁性。还有一些国家成功研制了不含镍的铁素体不锈钢，因为其显微组织是一种金属学上称为铁素体的晶体所组成，所以称之为铁素体不锈钢。日本一家公司就研发了一种铬含量不超过17%的无镍铁素体不锈钢，它的表面质量和加工性能都比常用的铬镍不锈钢优秀，且因为这种不锈钢还含有一定量的铜，所以其耐腐蚀性能也得到大大改善，因而这种不锈钢很适合用来制造汽车内衬板，浴缸以及窗框等要求耐腐蚀性且美观的物品。