體育教學器材用不銹鋼材質耐腐蝕性研究

齊佳

摘要：隨著人們生活水平的不斷提高，體育運動也越來越被人們重視，尤其針對學生們的體育教學，體育教學主要是以身體鍛煉為主要手段的社會實踐活動，為了更好的提高體育教學的效益和質量，豐富學生的體育運動，好的體育器材是不可或缺的基礎條件，體育教學器材的優良由其材質決定，目前絕大多數的體育器材都是由不銹鋼材質制成的，因此對其所用不銹鋼的性質研究尤為重要，主要對不銹鋼材質的耐腐蝕性能進行了研究，不同器材使用環境對不銹鋼耐腐蝕性的不同要求，從而選出最佳的不銹鋼材質來制作體育教學器材。

關鍵詞：體育教學器材;不銹鋼;耐腐蝕性

中圖分類號：C633.96;TC 142.71

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）06-0063-05

隨著國民生活水平的不斷提高，人們對生活質量的追求也逐漸提高，在滿足日常生活的物質基礎條件下，人們越來越重視自身身體健康的保護和關注，幾年來，越來越對的人參與到體育鍛煉中，體育運動的形式也越來越多樣化，人們也逐漸開展了許多的體育賽事。此外，我國的教育事業也越來越重視體育教學，對體育教學質量的要求也越來越高，因此我們對體育教學器材的開發利用也要引起一定的重視，這里主要是對體育教學器材用不銹鋼的耐腐蝕性能進行了研究，從而利用最佳的不銹鋼材質來制造體育教學器材[1]。

1 體育器材的分類

1）根據體育器材的性質分類，可以分為自備器材，場地器材，指定器材以及其他器材4類。自備器材即運動員自己使用的器材，比如運動服裝，帆船，賽艇，球拍以及護具等等;指定器材即參與競賽的雙方一同使用的器材，這是為了避免不必要的分歧，在賽事開始前指定器材的生產廠家，型號以及品牌等。場地器材就是訓練場館及競賽場館的裝備設施器材用具，比如裁判用具，計時計分裝備球架，球門以及擋板等;最后其他器材則主要指的是非競賽所使用的器材，不如健身活動，體能訓練，體育游藝等使用器材。

2）根據體育運動項目分類，這種方法是將與同一類運動項目相關的裝備和器材劃分為一類的分類方法，比如舉重器材，田徑器材以及冰雪器材等。

3）根據體育器材的用途分類，主要可以劃分為國防軍事體育器材，競技體育器材，健身健美器材，民間體育器材，兒童體育游藝器材以及輔助性器材等等[2]。

2 不銹鋼耐腐蝕性研究

2.1 不銹鋼的定義

不銹鋼即不銹耐酸剛的簡稱，圖l為不銹鋼器材，其又分為2類，耐蒸汽，水，空氣等弱腐蝕介質或者具有不銹性鋼種的即為不銹鋼，另一類則是耐化學腐蝕介質腐蝕的鋼種即耐酸剛。因為成分上的差異兩類鋼具有不同的耐腐蝕性能，比不銹鋼的合金化程度較低，所以一般情況下是不耐酸，而耐酸剛的合金化程度高，所以具有很好的耐酸性[3]。不銹鋼的人居消費量是衡量一個國家經濟水平的標志之一，在我國的生活生產占據著非常重要的地位。

鉻元素是不銹鋼中不可或缺的一種元素，但是在世界范圍，鉻的資源儲存量是非常少的，而且資源分布不均勻，目前世界上鉻元素主要分布在南非地區，少量分布在西歐各國[4]。隨著國民生活水平和經濟水平不斷發展提高，不銹鋼的消費量和產量也在不斷增加，目前生產生活中常用的不銹鋼主要是以鎳，鉻作為合金元素的鉻系不銹鋼，但是鉻元素和碳會產生晶間腐蝕，所以生產中絕大部分不銹鋼都是低碳鋼，而低碳又會導致不銹鋼的硬度強度較低，這種不銹鋼有時候無法滿足某些特殊行業的需求，還有就是鉻系不銹鋼中鉻鎳是重金屬材料，且比重較大，這樣就無法滿足現代社會發展的輕量化的要求，諸如在在航空，交通運輸，航海等領域的應用都會受到限制。體育教學器材在全球范圍了的需求量隨著社會經濟的發展越來越高，不銹鋼作為體育器材的主要使用材料，有必要研制開發品質優良，價格低廉的不銹鋼材料。

2.2 腐蝕的定義和種類

隨著社會生產里的不斷發展，不銹鋼的生產制造已經達到一定成熟的階段，目前生產的不銹鋼大都能夠滿足各種用途的。除了機械失效外，不銹鋼的腐蝕主要是局部腐蝕，只要包括點腐蝕，應力腐蝕開裂，腐蝕疲勞，晶間腐蝕以及縫隙腐蝕[5]。

應力腐蝕開裂：是指在腐蝕環境中承受應力的合金因為裂紋擴展而造成互相失效的一種通用的術語。應力腐蝕開裂比較明顯的特征就是具有脆性斷口形貌，同時也在韌性高的材料中也可能發生。其發生的必要條件是特定的腐蝕介質存在和一定的拉應力。其型紋的擴展和形成與應力的方向大致垂直。而這個致使應力腐蝕開裂的應力值，是遠小于腐蝕介質存在時材料斷裂所需的應力值的，顯微觀察時，穿過晶粒的裂紋被稱作穿晶裂紋，沿著晶界擴圖的裂紋則被稱作沿晶裂紋，所以當應力腐蝕開裂擴展到其中一個的深度時，此時材料斷面上在承受載荷的應力值達到了其在空氣中的斷裂應力，那么材料就會按照正常的裂紋而斷開，如圖2所示。所以，這種因應力腐蝕開裂失效的零件的斷裂面，會形成一個由應力腐蝕開裂的特征區域和已經產生微小缺陷的聚合相聯系的“韌窩”區域。

晶間腐蝕：如圖3所示。結晶學中取向不同的晶粒建紊亂錯合的界域被稱為晶粒間界，它是由金屬化合物沉淀析出或者鋼中各種溶質元素偏析產生的有利區域。所以，當處于某些腐蝕介質中是，晶粒間界很有可能被先行腐蝕，這類腐蝕即被稱作晶間腐蝕，絕大對數的合金或者金屬在某些特定的腐蝕介質中都很有可能產生晶間腐蝕。

全面腐蝕：是指以均勻的方式在整個合金表面所發生的腐蝕現象，當全面腐蝕發生時，合金材料會因為腐蝕而變薄，更甚至導致材料失效。當不銹鋼在強酸或者強堿中時可能會發生全面腐蝕，因而生活中全面腐蝕并不常見，通常這種腐蝕不事通過簡單的浸泡試驗等實現的。

縫隙腐蝕：當溶液停滯在材料縫隙中或者屏蔽的表面內時可能發生縫隙腐蝕，通常發生在金屬與非金屬或者金屬與金屬之間的結合處，如于螺栓，鉚釘，閥座，墊片等材料相接處。

點腐蝕：發生在材料表面的一種局部腐蝕形式。

3 不銹鋼腐蝕性研意義

3.1 輕量化

鉻是不銹鋼的必要元素之一，是重金屬，其密度為7.2glcm3，單位體積的重量較大，與現在社會發展的需求不符，所以我們需要用更輕的金屬來代替它。目前鋁及其合金是金屬材料中應用最廣泛的輕質金屬材料，且鋁加入到其他的合金中也可以大大降低金屬材料的比重。鋁的氧化物Al203結構致密，所以鋁及其合金都具有良好的耐腐蝕性，將一定量的鋁加入鐵中，也是可以提高Fe-AI合金的耐腐蝕性能，所以將不銹鋼中的鉻用鋁代替就能實現不銹鋼的輕質化。近些年，氮元素作為一種價廉性優的合金元素被很多研究者青睞，氮元素可以提高鋼耐腐蝕性能，還可以明顯的改善鋼的機械性能，所以作為一種優良的合金元素氮元素已經在不銹鋼的生產中得到廣泛的應用。將鎳元素用氮元素和錳元素代替，能夠大大降低不銹鋼的重量，這種新型的無鉻無鎳不銹鋼，具有更加優良的硬度，強度以及延展性，而且比重更輕，那么這種不銹鋼就可以更好的滿足某些特殊行業對不銹鋼的使用需求[6]，諸如航天，航海，交通運輸行業等等。同時，對于很多要求輕量化的體育器材也具有非常重要的使用意義，這種不銹鋼材質制作的體育器材不僅質量輕而且具有優良的強度、硬度，最重要的是具有非常好的耐腐蝕性能。

3.2 低成本

鎳和鉬是不銹鋼中常見金屬元素，但是二者都是貴金屬元素，而且隨著生產力的不斷發展，鎳和鉬兩種金屬也越來越少，為了節約這種稀缺資源，同時降低生產成本，研究人員用弱腐蝕介質氮和錳來代替不銹鋼中昂貴的稀缺金屬鎳，將氮。錳加入到不銹鋼中復合，從組織上能夠代替鎳從而或者奧氏體組織。其中，氮元素可以大大提高奧氏體相區，還能夠優化奧氏體的組織性能，在不銹鋼中大量加入氮元素可以是制成的不銹鋼獲得非常高的強度，而且不是使不銹鋼的斷裂韌性降低。氮元素的加入還可以提高不銹鋼的耐腐蝕性能，能夠使它們的耐晶間腐蝕性能，耐點蝕，耐縫隙腐蝕性能等等明顯提高。目前氮元素是不銹鋼中應用的唯一一種氣態合金元素，其價格低廉，而且存量無限取之容易，在不銹鋼成產中加入時也非常方便，對提高不銹鋼優良性能也有顯著效果，且副作用較少，是一種能夠有助于不銹鋼生產的發展前景非常好的重要合金元素。此外，錳元素在地殼中分布較為廣泛，并且將錳加入不銹鋼中制成的高錳鋼非常堅硬而且富有韌性，也沒有磁性，有益于切削加工等。鋁元素也是地殼中含量較多的一種金屬元素，存量較多，而且價格上面比鎳和鉻都要低廉很多，也可以作為替代元素應用于不銹鋼的生產之中。用以上這些儲量豐富，價格低廉的合金元素代替昂貴，稀缺的鎳、鉻元素，能夠大大降低奧氏體不銹鋼的生產成本，同時也保護了地球稀缺金屬，有助于增強國家材料行業的國際競爭力。因為體育器材的使用量巨大，所以采用新型的不銹鋼材料制作體育器材對于節約成本也是非常中要的。

3.3 環保綠色

鎳和鉻都是重金屬，所以都具有一定的毒性，尤其是鉻元素，六價鉻的毒性比三價鉻的毒性高100倍，而且極容易被人體吸收然后蓄積在人體內，造成重金屬中毒，且六價鉻和三價鉻可以相互的轉化。一般天然水中是不含有鉻元素的，而海水中的鉻的平均濃度也只有0.05μg//。據了解，鉻的污染源主要是，金屬表面處理，鉻礦石的加工，印染，皮革鞣制等等排放的污水。所以，用鋁代替鉻鎳加入到不銹鋼成產中，可以大大減少鎳和鉻的使用，減少了其對環境的污染以危害。

3.4 優越性能

在不銹鋼的身生產中，因為鉻的存在，則不能加入過多的碳，所以生產出來的都是低碳鋼，其使用會受到很多的限制。而主要原因是碳和鉻會發生反應，鉻和碳相結合會在晶間形成富鉻碳化物，然后造成鉻貧化，就會引起晶間腐蝕且耐腐蝕性能下降，這就直接導致生產的不銹鋼耐腐蝕性能下降。但是低碳鋼又無法滿足某些需要高強度高硬度的高碳鋼的場合，所以研究人員選擇用鋁來代替鉻，這樣就能解決這個問題，當生產不銹鋼是加入適量的鋁和碳，鋁與碳是不會發生反應的，這樣就能夠制成高碳不銹鋼。此外生產過程中加人大量的氮能夠獲得強度非常高的高氮奧氏體不銹鋼，同時保證了不銹鋼的斷裂韌性良好。氮的加入還使得奧氏體不銹鋼的耐腐蝕性能大大提高，包括它的耐點蝕耐縫隙等等局部腐蝕性能，耐晶間腐蝕性能都有所提高[7]。此外，錳的加入也能夠提高不銹鋼的各項性能，如加入13%的錳到不銹鋼中制得的高錳鋼，其硬度和韌性都顯著提高。當高錳鋼加熱到淡橙色時，會變得非常的柔軟，這樣就非常利于進行各種生產加工，而且它是沒有磁性的，所以不會被磁鐵吸引，也比較利于削切。綜上所述，生產無鉻的輕質不銹鋼能夠獲得更好的硬度，強度和良好的耐腐蝕性能，這種不銹鋼也更能滿足更多特使場合的使用，適用范圍更為廣泛，表明這種輕質額無鉻不銹鋼更加符合社會發展的需求。

4 國內外對不銹鋼腐蝕性的研究現狀

隨著我國人民的生活水平和社會生產水平不斷提升，國內的不銹鋼的產量以及消費量也都在不斷的增加，而目前我們生活中常用的不銹鋼大部分都是一鎳、鉻作為合金元素的鉻系不銹鋼，但是因為鉻會與碳發生反應而造成品間腐蝕，所以這種鉻系不銹鋼都是低碳鋼，這就導致不銹鋼的硬度和強度較低，在某些應用場合會無法滿足使用需求，此外鉻系不銹鋼中所含有的鎳、鉻均為稀缺重金屬，所占比重比較大，與現代社會發展的輕量化需求不符[8]，在很多行業諸如航空，航海，交通運輸行業等領域的應用都將受到限制，而且稀缺金屬的資源也較為匱乏，不適應長期大量的使用。

生產中為了提高鋼的抗電化學腐蝕性能，會在不銹鋼的生產過程中加入某些合金元素，以提高鋼集體的電極電位，進而提高不銹鋼耐腐蝕性能。一般情況下，在鋼中加入鎳、鉻、硅等合金元素都能夠提高其電極電位，但是硅和鎳大量加入后會使得鋼的材質變得脆弱，所以鉻就成了提高鋼基體電極電位的最常用元素。事實上，我們通常所說的不銹鋼并不是完全不銹的，通常的不銹鋼指的是能夠抵御大氣以及弱腐蝕介質腐蝕的一類鋼種，當其腐蝕速度低于0.01mm/年時就被稱作“完全耐蝕”，當其腐蝕速度低于0.1mm/年時被稱作“耐蝕”。因為鉻、鎳是非常稀缺的貴重金屬元素，所以近年來人們已經開發了不含鉻、鎳及鉬的一種新的造價比較低廉的不銹鋼品種，這種鋼種是用錳、鋁代替鉻、鎳加入不銹鋼中制成的，其中錳含量5%.30%，鋁含量5%-12%，而碳的含量低于1%，這種加入鋁、錳合金元素的無鎳、鉻不銹鋼，其中鋁可以提高鋼材的抗氧化，耐腐蝕性能，錳則可以改善鋼材的物理性能，所以這種新型的不銹鋼具有優良的抗氧化性，耐腐蝕性能以及高強度高硬度。據了解，日本和美國都是鎳、鉻資源稀少的國家，因此他們也加大投入人力物力來開發研究無鎳、鉻的不銹鋼，美國的科學家經過研究發現，當不銹鋼中鋁含量在10%，錳含量在30%，再加入1%的硅，具有優良的耐海腐蝕性能，而且非常適合采用電渣法進行精煉，這種方法鑄造的不銹鋼拉伸強度和硬度都較在海洋船舶上使用的黃銅高，所以現在很多海船上的螺旋槳所用的黃銅都被錳硅鋁不銹鋼所代替。另外，采用非真空感應電爐所生產的鋁含量30%，錳含量30%，硅含量1.5%，碳含量1%的不銹鋼，它的強度比鉻系不銹鋼大約還高出1-2倍之多，尤其是當其溫度達到650℃時，其強度達到最佳，因此這是一種廉價的具有良好的高溫抗氧化性的不銹鋼。此外，日本也成功研制了一種不含鎳、鉻的不銹鋼，其中碳含量少于0.4%，錳含量在18% -35%，鋁含量在4%-19%，硅含量不超過2.5%，然后再加入0.05%～0.5%的釩0.01% -0.2%的鈮以及0.007% -0.015%的氮，這樣就制成的一種新型的耐腐蝕不銹鋼，他對海水的耐腐蝕性能非常良好，可以廣泛地應用于海洋船舶上。俄羅斯也研制成功了一種優良的不含鎳、鉻的不銹鋼，這種不銹鋼的碳含量大約為0.3%-0.5%，錳含量為25%-27%，鋁含量為4% -4.5%，硅含量為2%-2.5%，這種不銹鋼可以在6000C的高溫環境中使用，且能夠長期保持良好的機械性能，此外，在超低碳的錳鋁不銹鋼中（其中鋁含量3.5%～5%，錳含量在25%-35%），加入微量的鈣（0.004%-0.006%）和氮（ 0.02% -0.1%），能夠顯著改善鋼的焊接性，耐蝕性以及低溫塑性，而且保持良好的強度和非磁性。還有一些國家成功研制了不含鎳的鐵素體不銹鋼，因為其顯微組織是一種金屬學上稱為鐵素體的晶體所組成，所以稱之為鐵素體不銹鋼。日本一家公司就研發了一種鉻含量不超過17%的無鎳鐵素體不銹鋼，它的表面質量和加工性能都比常用的鉻鎳不銹鋼優秀，且因為這種不銹鋼還含有一定量的銅，所以其耐腐蝕性能也得到大大改善，因而這種不銹鋼很適合用來制造汽車內襯板，浴缸以及窗框等要求耐腐蝕性且美觀的物品。