運(yùn)動(dòng)器械用鋼的耐腐蝕老化性能分析

李傳雷

(上海建橋?qū)W院,上海 201306)

我國(guó)正經(jīng)歷從體育大國(guó)到體育強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變過(guò)程中也同時(shí)帶動(dòng)了相關(guān)的體育器材的發(fā)展。因?yàn)椴煌倪\(yùn)動(dòng)器械會(huì)在室內(nèi)和室外不同的應(yīng)用場(chǎng)合下使用，因此運(yùn)動(dòng)器械除了本身的安全穩(wěn)定性和高強(qiáng)度外，還需要保證其耐蝕性，使得在復(fù)雜的使用環(huán)境中能夠保證足夠的服役時(shí)間。尤其是在一些沿海城市中，由于靠海，空氣濕潤(rùn)且有腐蝕性氯離子的存在，對(duì)體育器械的耐蝕性能提出了更高的要求。最為常見的提高其耐蝕性的方式就是在體育器材表面涂裝一層耐蝕性較好的涂料。雖然涂料的耐蝕性較好，但是一旦涂層破裂或遭到破壞，體育器械的表面就會(huì)形成更劇烈的腐蝕反應(yīng)，導(dǎo)致腐蝕速率加劇。目前主流研究比較認(rèn)可的方案是在保證體育器材用鋼的力學(xué)性能和安全性能的基礎(chǔ)上，開發(fā)耐蝕性較高的耐候鋼。因此，本研究通過(guò)在傳統(tǒng)體育器械常用的碳素鋼基礎(chǔ)上，加入少量的鈦元素，通過(guò)材料的微合金化作用提高其耐蝕性，希望可以為新型耐蝕體育器械的開發(fā)應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所需的普通碳素鋼和含鈦耐候鋼均為上海寶鋼公司試制。方法是將普通Q235碳素鋼置于感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行重熔，然后加入金屬鈦，經(jīng)過(guò)精煉、連鑄成板坯后，再以終軋溫度 1 100 ℃ 、精軋入口溫度1 050 ℃ 、精軋終軋溫度590 ℃、精軋穿帶速度390 mm/min 進(jìn)行熱連軋，制得所需的含鈦耐候建筑鋼板試樣。制備的鋼板在溫度900 ℃條件下退火4 h。普通Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼的成分如表1所示。

表1 Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 曝曬試驗(yàn)

Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼的現(xiàn)場(chǎng)暴曬實(shí)驗(yàn)要將試驗(yàn)架朝南放置，試驗(yàn)架與2種鋼之間的角度為45°；框架上Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼各有4片試樣。暴曬后通過(guò)GB/T16545—2015《金屬和合金的腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除 》對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕失重測(cè)試。

1.3 電化學(xué)測(cè)試

通過(guò)ZAHNER Im6ex電化學(xué)工作站對(duì)Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試以表征材料的耐蝕性。使用703硅橡膠包制好待測(cè)的試樣，留下1 cm的表面區(qū)域作為工作電極，對(duì)電極和參比電極分別為鉑電極和Ag/AgCl電極。測(cè)試在25 ℃的恒溫條件下進(jìn)行，測(cè)試的溶液為采集的雨水。

1.4 腐蝕形貌分析

通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)分析Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在腐蝕之后的表明形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕形貌分析

首先利用掃描電子顯微鏡(SEM)分析Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在采集雨水溶液中分別浸泡1 d和90 d之后的腐蝕形貌，具體結(jié)果如圖1所示。

圖1(a)、(b)分別為Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在采集雨水溶液中分別浸泡1 d的腐蝕形貌；圖1(c)、(d)分別為Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在采集雨水溶液中分別浸泡90 d的腐蝕形貌。

從圖1可以看出，在浸泡的初期，Q235碳素鋼的表面就出現(xiàn)了較多的腐蝕坑；而含鈦耐候鋼的腐蝕坑較少。在雨水中浸泡90 d后，Q235碳素鋼的表面的腐蝕坑已經(jīng)很深并且腐蝕面積較大，所以含鈦耐候鋼的耐蝕性能要明顯的優(yōu)于Q235碳素鋼。

圖1 Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在采集雨水溶液中浸泡的腐蝕形貌

2.2 動(dòng)電位極化曲線

圖2為Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在雨水溶液中分別浸泡1 d和90 d的極化曲線。

圖2 Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在雨水溶液中浸泡不同時(shí)間的極化曲線

由圖2可以看出，4條極化曲線的陽(yáng)極區(qū)均為活性溶解，沒有出現(xiàn)明顯的鈍化區(qū)間，因此，在雨水溶液中4種腐蝕體系均為電化學(xué)活性腐蝕。根據(jù)極化曲線可以得出極化曲線的擬合結(jié)果，具體如表2所示。

由表2可知，在測(cè)試溶液中極化曲線的陰極區(qū)域內(nèi)，含鈦耐候鋼的塔菲爾(Tafel)斜率小于Q235碳素鋼Tafel 斜率。在雨水溶液中浸泡時(shí)間為1 d時(shí)，Q235碳素鋼的腐蝕電流小于含鈦耐候鋼，說(shuō)明在浸泡初期Q235碳素鋼的腐蝕速度較?。坏?dāng)浸泡時(shí)間延長(zhǎng)到90 d后，Q235碳素鋼的腐蝕電流遠(yuǎn)大于含鈦耐候鋼，說(shuō)明經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的浸泡，在含鈦耐候鋼的表面生成了穩(wěn)定而致密的氧化膜抑制腐蝕介質(zhì)和基體金屬的接觸從而起到了保護(hù)材料的作用。

表2 極化曲線擬合結(jié)果

2.3 電化學(xué)阻抗譜結(jié)果分析

圖3為Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在雨水溶液中浸泡不同時(shí)間的電化學(xué)阻抗譜(EIS)；橫、縱坐標(biāo)分別表示電化學(xué)阻抗譜的實(shí)部、虛部坐標(biāo)。

圖3 含鈦耐候鋼在雨水溶液中浸泡不同時(shí)間的電化學(xué)阻抗譜

由圖3可知，含鈦耐候鋼的EIS中不同浸泡時(shí)間下都是圓心在軸下方的半圓，EIS中的電荷轉(zhuǎn)移電阻是半圓與軸交點(diǎn)的弦長(zhǎng)，電荷轉(zhuǎn)移電阻的大小可以代表材料耐蝕性的大小和材料的耐蝕性成正比關(guān)系。電荷轉(zhuǎn)移電阻隨著浸泡時(shí)間的增加，先增大，在到達(dá)極值后減??；說(shuō)明含鈦耐候鋼的耐蝕性也是先增加后減小。這是因?yàn)樵诮莩跗跁?huì)有保護(hù)膜的形成，提高材料的耐蝕性能，當(dāng)保護(hù)膜破裂之后，材料的耐蝕性能下降；Q235碳素鋼也出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。

圖4為Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在雨水溶液中浸泡不同時(shí)間的阻抗膜值，通過(guò)電化學(xué)阻抗譜擬合得到，材料的膜值越大，代表材料的耐蝕性能越好。

圖4 Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在雨水溶液中浸泡不同時(shí)間阻抗膜值變化

由圖4可知，Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼2種材料的阻抗膜值都是先增大后減??；而產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在溶液浸泡初期，Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼2種材料的表面因腐蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物膜阻礙了腐蝕介質(zhì)與基體的接觸，阻礙了腐蝕反應(yīng)，因此初期 R和阻抗膜值逐漸增加。但隨著浸泡時(shí)間的增加，腐蝕產(chǎn)物膜被腐蝕介質(zhì)破壞，擊穿后直接與基體接觸，腐蝕速率加快，EIS膜值其值逐漸減小。Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼在剛浸泡時(shí)的阻抗膜值分別為9 718.58、40 891.41 Ω·cm，說(shuō)明此時(shí)含鈦耐候鋼的腐蝕速率要大于Q235碳素鋼。由圖4還可知，含鈦耐候鋼在浸泡實(shí)驗(yàn)中，膜值相較于Q235碳素鋼達(dá)到極值的時(shí)間短且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，說(shuō)明含鈦耐候鋼的耐蝕性要明顯的好于普通Q235碳素鋼。

2.4 腐蝕失重實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法中介紹的掛片試驗(yàn)進(jìn)行腐蝕失重的分析，在取回暴曬試樣之后對(duì)Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼分別進(jìn)行腐蝕失重計(jì)算。根據(jù) ISO 9223，本實(shí)驗(yàn)的Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼腐蝕失重計(jì)算及腐蝕等級(jí)評(píng)估結(jié)果如表3所示。

表3 Q235碳素鋼和含鈦耐候鋼腐蝕失重計(jì)算及腐蝕等級(jí)評(píng)估

由表3可知，含鈦耐候鋼在大氣中的腐蝕等級(jí)為C2，屬于低等腐蝕速率。普通碳素鋼的腐蝕等級(jí)為C3，屬于中等腐蝕速率，而且Q235碳素鋼的腐蝕速率大于含鈦耐候鋼。腐蝕失重計(jì)算的結(jié)果和前面的電化學(xué)阻抗譜結(jié)果以及動(dòng)電位極化測(cè)試的結(jié)果一致，說(shuō)明無(wú)論是大氣腐蝕還是在雨水環(huán)境中的腐蝕，含鈦耐候鋼的耐蝕性都要明顯的好于Q235碳素鋼。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)SEM的觀察可以發(fā)現(xiàn)，在雨水中浸泡1 d和90 d，含鈦耐候鋼的腐蝕坑的深度和面積都小于Q235碳素鋼，含鈦耐候鋼的耐蝕性提高明顯；

(2)在雨水溶液中的浸泡實(shí)驗(yàn)說(shuō)明含鈦耐候鋼要比Q235碳素鋼更早的生成鈍化膜，而且鈍化膜更致密，所以含鈦耐候鋼的耐蝕性更好；

(3)通過(guò)曝曬 1周期(年)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明含鈦耐候鋼的腐蝕等級(jí)為 C2；Q235 鋼的腐蝕等級(jí)為 C3，分別屬于低等和中等。