提高自拍桿耐蝕耐磨性的研究

王信凝

摘 要：近年來，自拍桿已成為一款大受歡迎的拍照神器。主要用于居家或出行，但頻繁使用自拍桿極易被腐蝕或磨損，在其重要且受力部位--自拍桿的上端鋁合金堵頭、鋁合金可伸縮金屬桿和手柄的表層，用火焰噴涂法，在鋁合金基體上噴涂一層特制的Fe78Si9B13非晶涂層，利用非晶合金沒有晶界，其會引起的晶間腐蝕；也利用非晶合金的高硬度和高彈性模量，從而具有耐腐蝕和抗磨損功能。這種自拍桿耐蝕耐磨，舒適耐用，使用壽命長久。

關(guān)鍵詞：鋁合金；火焰噴涂；非晶涂層；耐蝕耐磨

中國分類號：TG17 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 前言

現(xiàn)今，手機(jī)照相越來越普及，自拍桿漸漸成為風(fēng)靡世界的拍照神器。自拍桿能夠在20cm～120cm任意伸縮，我們只需將手機(jī)或者小型的相機(jī)固定在伸縮桿前端的固定夾上，通過按壓開關(guān)即可進(jìn)行多角度自拍。在旅游旺季，各大旅游景點(diǎn)、特色景區(qū)內(nèi)往往是人滿為患。做為一名背包客，總是希望旅游用品耐磨耐蝕耐用，使用時(shí)間長。外表美觀、部件耐用是旅游用品所必需的品質(zhì)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自拍桿的造型越來越美觀，所用材料的質(zhì)量越來越好。自拍桿通常由相機(jī)夾或手機(jī)夾、伸縮桿、手柄及導(dǎo)線等組成。所選材料通常有塑料或金屬材料。塑料的優(yōu)點(diǎn)是握感舒適，有較好的摩擦力；缺點(diǎn)是易老化，不耐磨。在寒冷天氣下易硬化碎裂。重要部件通常用金屬材料如不銹鋼或鋁合金材料。自拍桿中重要部件如伸縮桿和手機(jī)夾，它們要經(jīng)受較復(fù)雜的作用力。如伸縮桿在伸縮過程中，承受較大的摩擦力與拉應(yīng)力。當(dāng)伸縮桿拉到最大長度時(shí)，在連接處要承受很大的剪應(yīng)力，使得伸縮桿易扭曲變形，而使部件失效。同時(shí)，手機(jī)夾與自拍桿的連接部位也是存在類似的問題。故自拍桿重要部件需要用強(qiáng)度較高的金屬材料制成，如高強(qiáng)鋼、高強(qiáng)鋁合金材料。

對于自拍桿，提高美觀程度，鋁合金是種常用且較好的候選材料，因其比強(qiáng)度高、著色鮮艷而廣為采用，適用于自拍桿的骨架。但是，鋁合金因硬度較低，其耐磨性較差是一個缺陷。且自拍桿作為一個容易磨損的物品，人們手握自拍桿時(shí)人體汗液在握力作用下對用品的浸漬或雨天潮濕的空氣也會腐蝕自拍桿。其受力部件在酸堿條件下容易腐蝕，也不耐磨。綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中對于自拍桿不耐磨易腐蝕同時(shí)功能少的問題，尚缺乏有效的解決方案。

那么在其表面涂敷一層耐磨耐蝕涂層是一個很好的選擇，從而可以消除上述各種不足。非晶合金，也叫金屬玻璃，是材料界的一個新熱點(diǎn)。因?yàn)樗吣芴厥獾慕Y(jié)構(gòu)，從而有特殊的性能——高硬度，高彈性模量、高耐腐蝕性、高耐磨性、低密度等。采用非晶涂層是一條較好的提高拍桿耐用性的途徑。

1 自拍桿重要部件耐蝕性提高的研究

1.1 Fe78Si9B13非晶涂層粉末

制作為延長自拍桿使用壽命，提高其耐蝕性能，將重要且受力的部件，用火焰噴涂法，在鋁合金基體涂上一層Fe78Si9B13非晶涂層，利用非晶合金沒有晶界，可以杜絕因晶界引起的晶間腐蝕和生銹現(xiàn)象。所噴涂的非晶粉末用1K101非晶條帶磨制的粉末，如圖1（a）所示。原材料為帶材，尺寸200mm×0.025mm×1000mm。

噴涂用非晶粉末制備須經(jīng)歷兩個步驟——非晶合金磨制前處理與球磨機(jī)球磨。 非晶粉末磨制前處理?xiàng)l件：300 ℃條件下在氮?dú)夥罩斜?0min，溫度誤差不超過2℃；因?yàn)闇囟忍?，非晶則會晶化，耐蝕耐磨性能降低，溫度太低，則帶材無法粉碎團(tuán)球化，達(dá)不到粉末所要求的尺寸10μm以下。保溫到10min后在空冷條件下冷卻到室溫。非晶粉末磨制條件：在行星式球磨機(jī)中，用不銹鋼球?yàn)槟チ?，磨球磨料比不低?∶2。球磨罐的氣氛為氮?dú)狻?jīng)過前處理后的帶材進(jìn)行30min球磨，所磨制的粉末形狀為近圓片狀，棱角比較圓潤，從而可獲得舒適的觸感。

1.2 Fe78Si9B13非晶涂層的涂覆

對自拍桿重要部件進(jìn)行火焰噴涂，敷設(shè)30μm厚度左右的非晶粉末涂層，涂層厚度誤差應(yīng)控制在5μm之內(nèi)。送粉氣體選用氮?dú)?，送粉?0mg/min，氣體流量為1mL/s。燃?xì)鉃橐胰矚怏w，氣體流量亦為1mL/s。 噴頭與部件距離3mm。部件在工作臺上勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為20r/min。非晶金屬粉末經(jīng)過噴嘴中心，遇到由燃?xì)馔ㄟ^圍繞噴嘴和氣罩形成的環(huán)形火焰，非晶金屬粉末表面將被加熱到熔點(diǎn)1500 ℃以上。然后，通過壓縮空氣將它們分散成噴射粒子，并依靠壓縮空氣流噴射到自拍桿部件的鋁合金基體上，從而表面熔融的粒子冷卻到基體塑性變形區(qū)。粒子與基體撞擊時(shí)變平并粘接到基體上，一層又一層，從而堆積到所需要的厚度。噴涂時(shí)基體溫度控制在600 ℃。如果噴涂溫度太高則基體熔化變形，溫度太低則結(jié)合不牢固，影響表面質(zhì)量與美觀程度。

1.3 Fe78Si9B13非晶涂層的電化學(xué)測試

如圖1（b）所示， 根據(jù)本文常遇到的使用條件——體帶酸性的汗液或含酸的雨水，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)——電化學(xué)實(shí)驗(yàn)。將非晶涂層與鋁合金基體兩種樣品在人工汗液溶液（其配方為98%的水，其密度為1.003 kg/L，pH值約為5，食鹽NaCl的濃度為約30 mg/L，伴有約2%的尿素、乳酸和脂肪酸等）中，進(jìn)行靜電位Tafel曲線掃描。測量腐蝕電流密度、腐蝕電位與點(diǎn)蝕電位：基體的腐蝕電位為-1.15 Vvs.SCE， 涂層的腐蝕電位-0.95Vvs. SCE，比前者高出30 %。另外，涂層的點(diǎn)蝕電位比基體的點(diǎn)蝕電位高出15%，而涂層的腐蝕電流密度比基體的腐蝕電流密度要低80%，如表1所示，表明Fe78Si9B13非晶涂層的點(diǎn)蝕電位與腐蝕電位均明顯高于基體，其耐腐蝕性能提高。

如圖1（c），圖1（d）所示，從腐蝕形貌分析，在基體表面有很多腐蝕產(chǎn)物，還有裂紋。這表明基體表面的質(zhì)量下降，而在涂層表面，這種腐蝕產(chǎn)物與裂紋很少， 在觀察視場內(nèi)很清潔，宏觀形貌也很光潔。 這些實(shí)驗(yàn)所得的基體與涂層的腐蝕電位與點(diǎn)蝕電位，表明涂層有優(yōu)良的耐蝕性能。

2 自拍桿重要部件耐磨性提高的研究

本文也利用非晶合金高硬度和高彈性模量而具有的抗磨損功能，延長其使用壽命。如圖2所示，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)用M-2000型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，采用滾動摩擦方式，測量非晶涂層的耐磨性。摩擦為200r/min，壓力為120N；通過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，表明涂層的磨損量比基體減少了1/3。磨損時(shí)間越長，則涂層的相對磨損量越少，具體數(shù)值見表2。Fe78Si9B13非晶涂層的磨損量明顯低于基體，表明耐磨性能提高。這些腐蝕與摩擦磨損實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了涂層適合本文使用。

結(jié)語

非晶合金沒有晶界，晶界會引起的晶間腐蝕；非晶合金具有的高硬度和高彈性模量，從而具有良好的耐腐蝕和抗磨損功能。因而本文采用Fe78Si9B13非晶涂層涂覆在自拍桿的重要部位，如自拍桿的上端鋁合金堵頭、鋁合金可伸縮金屬桿和手柄的表層。實(shí)驗(yàn)中，用人工汗液作為電解液，對非晶涂層及基體進(jìn)行了電化學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)非晶涂層的耐腐蝕性明顯好于基體；摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)顯示，相對于基體，非晶涂層的磨損量隨著時(shí)間的延長而持續(xù)降低，表明非晶涂層的耐磨性明顯增強(qiáng)。涂覆這種涂層的自拍桿耐蝕耐磨，舒適耐用，使用壽命長久。

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