运动器械用钢的耐腐蚀老化性能分析

李传雷

(上海建桥学院,上海 201306)

我国正经历从体育大国到体育强国的转变，这一转变过程中也同时带动了相关的体育器材的发展。因为不同的运动器械会在室内和室外不同的应用场合下使用，因此运动器械除了本身的安全稳定性和高强度外，还需要保证其耐蚀性，使得在复杂的使用环境中能够保证足够的服役时间。尤其是在一些沿海城市中，由于靠海，空气湿润且有腐蚀性氯离子的存在，对体育器械的耐蚀性能提出了更高的要求。最为常见的提高其耐蚀性的方式就是在体育器材表面涂装一层耐蚀性较好的涂料。虽然涂料的耐蚀性较好，但是一旦涂层破裂或遭到破坏，体育器械的表面就会形成更剧烈的腐蚀反应，导致腐蚀速率加剧。目前主流研究比较认可的方案是在保证体育器材用钢的力学性能和安全性能的基础上，开发耐蚀性较高的耐候钢。因此，本研究通过在传统体育器械常用的碳素钢基础上，加入少量的钛元素，通过材料的微合金化作用提高其耐蚀性，希望可以为新型耐蚀体育器械的开发应用提供参考。

1 实验材料和实验方法

1.1 实验材料

实验所需的普通碳素钢和含钛耐候钢均为上海宝钢公司试制。方法是将普通Q235碳素钢置于感应熔炼炉中进行重熔，然后加入金属钛，经过精炼、连铸成板坯后，再以终轧温度 1 100 ℃ 、精轧入口温度1 050 ℃ 、精轧终轧温度590 ℃、精轧穿带速度390 mm/min 进行热连轧，制得所需的含钛耐候建筑钢板试样。制备的钢板在温度900 ℃条件下退火4 h。普通Q235碳素钢和含钛耐候钢的成分如表1所示。

表1 Q235碳素钢和含钛耐候钢成分质量分数

1.2 曝晒试验

Q235碳素钢和含钛耐候钢的现场暴晒实验要将试验架朝南放置，试验架与2种钢之间的角度为45°；框架上Q235碳素钢和含钛耐候钢各有4片试样。暴晒后通过GB/T16545—2015《金属和合金的腐蚀试样上腐蚀产物的清除 》对试样进行腐蚀失重测试。

1.3 电化学测试

通过ZAHNER Im6ex电化学工作站对Q235碳素钢和含钛耐候钢进行电化学测试以表征材料的耐蚀性。使用703硅橡胶包制好待测的试样，留下1 cm的表面区域作为工作电极，对电极和参比电极分别为铂电极和Ag/AgCl电极。测试在25 ℃的恒温条件下进行，测试的溶液为采集的雨水。

1.4 腐蚀形貌分析

通过扫描电子显微镜(SEM)分析Q235碳素钢和含钛耐候钢在腐蚀之后的表明形貌。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀形貌分析

首先利用扫描电子显微镜(SEM)分析Q235碳素钢和含钛耐候钢在采集雨水溶液中分别浸泡1 d和90 d之后的腐蚀形貌，具体结果如图1所示。

图1(a)、(b)分别为Q235碳素钢和含钛耐候钢在采集雨水溶液中分别浸泡1 d的腐蚀形貌；图1(c)、(d)分别为Q235碳素钢和含钛耐候钢在采集雨水溶液中分别浸泡90 d的腐蚀形貌。

从图1可以看出，在浸泡的初期，Q235碳素钢的表面就出现了较多的腐蚀坑；而含钛耐候钢的腐蚀坑较少。在雨水中浸泡90 d后，Q235碳素钢的表面的腐蚀坑已经很深并且腐蚀面积较大，所以含钛耐候钢的耐蚀性能要明显的优于Q235碳素钢。

图1 Q235碳素钢和含钛耐候钢在采集雨水溶液中浸泡的腐蚀形貌

2.2 动电位极化曲线

图2为Q235碳素钢和含钛耐候钢在雨水溶液中分别浸泡1 d和90 d的极化曲线。

图2 Q235碳素钢和含钛耐候钢在雨水溶液中浸泡不同时间的极化曲线

由图2可以看出，4条极化曲线的阳极区均为活性溶解，没有出现明显的钝化区间，因此，在雨水溶液中4种腐蚀体系均为电化学活性腐蚀。根据极化曲线可以得出极化曲线的拟合结果，具体如表2所示。

由表2可知，在测试溶液中极化曲线的阴极区域内，含钛耐候钢的塔菲尔(Tafel)斜率小于Q235碳素钢Tafel 斜率。在雨水溶液中浸泡时间为1 d时，Q235碳素钢的腐蚀电流小于含钛耐候钢，说明在浸泡初期Q235碳素钢的腐蚀速度较小；但当浸泡时间延长到90 d后，Q235碳素钢的腐蚀电流远大于含钛耐候钢，说明经过长时间的浸泡，在含钛耐候钢的表面生成了稳定而致密的氧化膜抑制腐蚀介质和基体金属的接触从而起到了保护材料的作用。

表2 极化曲线拟合结果

2.3 电化学阻抗谱结果分析

图3为Q235碳素钢和含钛耐候钢在雨水溶液中浸泡不同时间的电化学阻抗谱(EIS)；横、纵坐标分别表示电化学阻抗谱的实部、虚部坐标。

图3 含钛耐候钢在雨水溶液中浸泡不同时间的电化学阻抗谱

由图3可知，含钛耐候钢的EIS中不同浸泡时间下都是圆心在轴下方的半圆，EIS中的电荷转移电阻是半圆与轴交点的弦长，电荷转移电阻的大小可以代表材料耐蚀性的大小和材料的耐蚀性成正比关系。电荷转移电阻随着浸泡时间的增加，先增大，在到达极值后减小；说明含钛耐候钢的耐蚀性也是先增加后减小。这是因为在浸泡初期会有保护膜的形成，提高材料的耐蚀性能，当保护膜破裂之后，材料的耐蚀性能下降；Q235碳素钢也出现类似的现象。

图4为Q235碳素钢和含钛耐候钢在雨水溶液中浸泡不同时间的阻抗膜值，通过电化学阻抗谱拟合得到，材料的膜值越大，代表材料的耐蚀性能越好。

图4 Q235碳素钢和含钛耐候钢在雨水溶液中浸泡不同时间阻抗膜值变化

由图4可知，Q235碳素钢和含钛耐候钢2种材料的阻抗膜值都是先增大后减小；而产生这种现象的原因是在溶液浸泡初期，Q235碳素钢和含钛耐候钢2种材料的表面因腐蚀产生的腐蚀产物膜阻碍了腐蚀介质与基体的接触，阻碍了腐蚀反应，因此初期 R和阻抗膜值逐渐增加。但随着浸泡时间的增加，腐蚀产物膜被腐蚀介质破坏，击穿后直接与基体接触，腐蚀速率加快，EIS膜值其值逐渐减小。Q235碳素钢和含钛耐候钢在刚浸泡时的阻抗膜值分别为9 718.58、40 891.41 Ω·cm，说明此时含钛耐候钢的腐蚀速率要大于Q235碳素钢。由图4还可知，含钛耐候钢在浸泡实验中，膜值相较于Q235碳素钢达到极值的时间短且持续时间长，说明含钛耐候钢的耐蚀性要明显的好于普通Q235碳素钢。

2.4 腐蚀失重实验结果与分析

根据实验方法中介绍的挂片试验进行腐蚀失重的分析，在取回暴晒试样之后对Q235碳素钢和含钛耐候钢分别进行腐蚀失重计算。根据 ISO 9223，本实验的Q235碳素钢和含钛耐候钢腐蚀失重计算及腐蚀等级评估结果如表3所示。

表3 Q235碳素钢和含钛耐候钢腐蚀失重计算及腐蚀等级评估

由表3可知，含钛耐候钢在大气中的腐蚀等级为C2，属于低等腐蚀速率。普通碳素钢的腐蚀等级为C3，属于中等腐蚀速率，而且Q235碳素钢的腐蚀速率大于含钛耐候钢。腐蚀失重计算的结果和前面的电化学阻抗谱结果以及动电位极化测试的结果一致，说明无论是大气腐蚀还是在雨水环境中的腐蚀，含钛耐候钢的耐蚀性都要明显的好于Q235碳素钢。

3 结语

(1)通过SEM的观察可以发现，在雨水中浸泡1 d和90 d，含钛耐候钢的腐蚀坑的深度和面积都小于Q235碳素钢，含钛耐候钢的耐蚀性提高明显；

(2)在雨水溶液中的浸泡实验说明含钛耐候钢要比Q235碳素钢更早的生成钝化膜，而且钝化膜更致密，所以含钛耐候钢的耐蚀性更好；

(3)通过曝晒 1周期(年)的实验结果说明含钛耐候钢的腐蚀等级为 C2；Q235 钢的腐蚀等级为 C3，分别属于低等和中等。