體育器械用合金組織與性能的表面改性影響機制研究

華鋒

摘 要：如今，合金在體育器械中使用頻率不斷提高，且隨著人類對體育器械性能要求不斷提高，文章將以AZ91合金作為研究對象，由于各方面性能較好，但是摩擦性能還有待提高，于是對其進行表面改性，將AZ91合金基體表面鍍Ti膜，然后使用微弧氧化裝備對其進行處理，最后對試樣進行實驗研究。實驗結(jié)果表明，氧化時間與膜層表面的微孔數(shù)量成反比關(guān)系，與微孔尺寸成正比關(guān)系，與Ti膜的厚度呈現(xiàn)反比關(guān)系，與復(fù)合改性層的厚度呈現(xiàn)正比關(guān)系;當(dāng)微弧氧化時間為6min時，其耐磨性能將會更好。

關(guān)鍵詞：體育器械;AZ91合金;性能

中圖分類號：TG174.4;TS952 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1001-5922（2020）10-0068-04

Abstract：Nowadays， the frequency of use of alloys in sports equipment continues to increase， and with the continuous improvement of human performance requirements for sports equipment， the paper will take AZ91 alloy as the research object. Because of its good performance in all aspects， but the friction performance still needs to be improved， so the surface was modified， the surface of the AZ91 alloy substrate was coated with Ti film， and then treated with micro-arc oxidation equipment， and finally the sample was experimentally studied. The experimental results show that the oxidation time is inversely proportional to the number of micropores on the surface of the film， proportional to the size of the micropores， inversely proportional to the thickness of the Ti film， and proportional to the thickness of the composite modified layer; When the micro-arc oxidation time is 6 minutes， its wear resistance will be better.

Key words：sports equipment; AZ91 alloy; performance

0 引言

隨著我國對體育項目的重視程度不斷提高，并大力支持全民健身事業(yè)，人們逐漸認識到體育鍛煉對自身的益處，于是開始了全民健身活動，該項活動促進了體育器材的快速發(fā)展[1]。如今各種體育器械層出不窮，功能也不盡相同。尤其是體育器械的材料不同時，其使用性能將會存在較大差別。隨著體育器械的不斷優(yōu)化，各種優(yōu)異的材料被研發(fā)，當(dāng)前鎂合金由于具有很多優(yōu)異性能，比如具有高阻尼性能、高強度等，已經(jīng)在體育器械、汽車和航空航天中得到了應(yīng)用[2]。在體育器械中使用鎂合金能夠具有較好的應(yīng)用效果，但是由于體育器械的使用功能，會存在較大的摩擦，發(fā)生摩擦之后會嚴重影響到體育器械的使用效果和美觀度等，而鎂合金的耐摩擦性能還不能夠滿足當(dāng)前人類對體育器械的要求，于是為了能夠使得鎂合金滿足使用要求，需要對其進行表面改性研究，從而提高其耐磨性能，在改性研究過程中還不能夠影響到鎂合金自身特性[3-4]。所以文章將以AZ91合金作為研究對象，在其表面制備復(fù)合改性層，研究其表面改性的影響機制，目的在于提高鎂合金的耐磨性能，從而使其能夠在體育器械中具有更加長久的應(yīng)用效果。

1 實驗部分

1.1? ?實驗材料和儀器

實驗材料為AZ91合金，其尺寸大小為15mm×15mm×4mm，該合金中主要成分為鎂，還包含其他化學(xué)成分，比如鋅、銅、硅，但是這些材料含量非常的少，需要將AZ91合金進行打磨、拋光、清水沖洗，還需要使用酒精超聲進清洗，最后將其吹干備用。實驗所需的儀器如表1所示。

1.2 實驗過程

首先需要對AZ91合金進行表面鍍Ti膜處理，其中需要使用到的儀器為閉合場非平衡磁控濺射系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)時所需要的電流為4A，電源是480V，其中使用到的濺射氣體是高純氬氣28sccm，在對合金進行濺射時所需要的時間為30min，在鍍膜過程中使用的為熟練工人進行操作，要保證鍍膜的均勻性。

完成鍍膜之后需要對試樣進行清洗干凈，再吹干，然后再對試樣進行微弧氧化處理，其中使用到的儀器為微弧氧化裝備，整個實驗過程需要在不銹鋼電解槽中進行。試樣過程中使用到的工作電流為0.08A/cm2，并且采用的恒電流工作模式。實驗過程中將樣品作為陽極，不銹鋼作為陰極，需要使用到的電解液的組成成分有3種分別為1g/L氫氧化鉀、12g/L磷酸鈉和6g/L硅酸鈉，進行微弧氧化的時間在3～12min之內(nèi)即可，當(dāng)完成該步驟之后，需要將試樣進行清洗干凈然后吹干備用。

對制備好的試樣觀察其改性層形貌，其中需要使用到的儀器為掃描電鏡，還需要對其觀察結(jié)果進行分析，會使用附帶能譜儀。再分析試樣的物象組成，其中，其中需要使用到的儀器為X射線衍射儀。最后還需要檢測試樣的摩擦磨損情況，其中需要使用到的儀器為往復(fù)摩擦磨損試驗機，在進行該實驗時，涉及到的相關(guān)參數(shù)為將荷載設(shè)置為5N，行程為6mm，摩擦副為直徑6 mm的氮化硅陶瓷球，將往復(fù)頻率設(shè)置為3Hz，檢測時間為10min。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 截面形貌和元素線掃描分析

對AZ91合金表面鍍膜處理時，對其截面形貌和元素線掃描分析的結(jié)果如圖1圖2所示。從圖1中可以看出，AZ91合金表面的Ti膜結(jié)合效果是良好的，在合金表面沒有出現(xiàn)任何的裂紋或者氣孔，且鍍膜效果均勻，厚度為4μm。從圖2元素線掃描圖中可以看出，鎂元素呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，在Ti膜和合金表面的結(jié)合處，有著較為明顯的鎂和Ti元素擴散，從該現(xiàn)象可以說面合金在經(jīng)過鍍膜處理后能夠達到良好的冶金結(jié)合[5]。

2.2 X射線衍射儀分析

使用X射線衍射儀對試樣進行分析的結(jié)果如圖3所示，從圖3中可以看出，Ti膜物相組成主要成分有兩種，即α-Mg和α-Ti，說明了沒有生產(chǎn)出其他的雜質(zhì)，成分中含有α-Mg的主要原因是Ti膜非常薄，X射線穿透了Ti膜然后照射到了AZ91合金上，于是才會出現(xiàn)α-Mg [6]。

2.3 微弧氧化實驗分析

再對試樣的表面進行微弧氧化實驗，實驗結(jié)果如圖4所示，其中當(dāng)氧化時間不同時，其膜層的表面形貌就會存在差別。從圖4中可以看出，實驗設(shè)置了4個不同的氧化時間，圖中呈現(xiàn)出了不同大小熔融狀態(tài)的顆粒，當(dāng)氧化時間為3min，其膜層較為平整，并且表面的孔徑非常的小，而且分布比較均勻;當(dāng)氧化時間不斷增加時，其表面的微孔數(shù)量會越來越少，但是其尺寸不斷變大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于當(dāng)氧化時間越來越長時，膜層的厚度就會不斷變厚，于是在實驗過程中，電弧擊穿膜層就會越來越困難，就會導(dǎo)致?lián)舸毫Σ粩嘣鰪?，試樣的表面熔融顆粒的局部區(qū)域就會受到高溫影響，從而導(dǎo)致其在凝固過程中就會形成非常大的顆粒[7]。總之，從該實驗中可以得到如下結(jié)論：當(dāng)微弧氧化時間不斷增強時，膜層表面微孔數(shù)量會不斷降低，并且微孔尺寸大小會越來越大。

然后對膜層進行截面形貌觀察，并且其氧化時間也設(shè)置為3～12min，其結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，當(dāng)氧化時間不斷增加之后，復(fù)合改性層的厚度也會隨之增大。對于合金的膜層來講，可以將其為了兩層，分別為外層疏松層和內(nèi)層致密層，兩層分別具有不同的性能，其中內(nèi)層致密性就是沒有氧化的Ti膜。文章對兩個層的厚度進行了分析，結(jié)果表明，當(dāng)氧化時間不斷增加之后，Ti層厚度與之呈反比關(guān)系，復(fù)合改性層厚度與之呈正比關(guān)系。另外當(dāng)氧化時間為12min時，此時的Ti膜基本消失，而復(fù)合改性層的厚度已經(jīng)達到了20μm。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于剛剛開始氧化時，會增加氧化膜的厚度，于是就會增加擊穿的難度，于是就會使得熔融物堆積在表面，從而就會形成疏松結(jié)構(gòu)[8]。

2.4 試樣的摩擦系數(shù)分析

圖6為摩擦系數(shù)曲線測定，一共測定了3個物質(zhì)，分別為AZ91合金基體、復(fù)合改性層和磁控濺射Ti膜。從圖6中可以看出，Ti膜的摩擦系數(shù)的變化趨勢為先增大后急劇的降低，AZ91合金基體的摩擦系數(shù)的變化趨勢為先變大，然后就會趨于比較穩(wěn)定的趨勢，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因應(yīng)該與膜層被摩穿相關(guān)。另外對于復(fù)合改性層來講，其摩擦系數(shù)發(fā)生比較劇烈的變化時發(fā)生在氧化時間為3min時，而其它時間，其摩擦系數(shù)都相對比較平緩，且氧化時間越大，摩擦系數(shù)就會越高。

然后再測試三者的磨損率，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，Ti膜的磨損率為，屬于第二大，而AZ91合金基體的磨損率為，磨損率最大。而另外一種經(jīng)過微弧氧化之后的試樣，當(dāng)氧化時間發(fā)生變化時，其磨損率也會隨之變化，其中4個氧化時間有小到大的磨損率分別為、、和。從而可以得出結(jié)論：當(dāng)氧化時間不斷增加時，其磨損率的變化趨勢為先降低后增加;經(jīng)過微弧氧化處理之后的合金其耐磨性能將會增強;當(dāng)氧化時間為6min時，復(fù)合改性層將會具有更高的耐磨性能。

圖8為摩擦磨損10min之后的表面形貌，從圖8中可以看出，能夠觀察到AZ91合金基體的表面有溝槽和劃痕，而經(jīng)過鍍膜之后的試樣其表面也存在劃痕，但是劃痕變淺，經(jīng)過分析之后，這兩種試樣的磨損的主要方式為黏著磨損和磨粒磨損[9]。然而經(jīng)過微弧氧化處理之后，其磨痕寬度將會減小，且當(dāng)氧化時間為6min時，其磨痕寬度達到最下。能夠得出如下結(jié)論：經(jīng)過微弧氧化處理之后的磨痕寬比較小，且當(dāng)氧化時間不斷增加之后，磨痕寬度的變化趨勢為先降低后增加。能夠反映出當(dāng)氧化時間為6min時，此時的膜層具有更好的耐磨性能。該結(jié)論正好與上述的磨損率測試相互吻合。

3 結(jié)語

文章研究了體育器械中AZ91合金的性能，研究結(jié)果表明，AZ91經(jīng)過鍍膜處理之后，再對其進行微弧氧化處理，其耐磨性能將會增強，且當(dāng)微弧氧化時間為6min時，其耐磨性能將會更好;當(dāng)微弧氧化時間不斷增加時，膜層表面的微孔數(shù)量將會不斷降低，且微孔的的尺寸將會不斷變大;當(dāng)微弧氧化時間不斷增加之后，Ti膜的厚度不斷降低，而復(fù)合改性層厚度不斷提高。體育器械的組成材料直接影響著器材的使用效果，所以對器械的材料進行性能分析，將會有助于提高材料的使用效果，從而增加體育器械的功能性。

參考文獻

[1]梁利平.體育器材中先進材料的使用對競技體育發(fā)展的影響[J].湖北科技學(xué)院學(xué)報，2015，035（007）：158-160.

[2]張智文.鎂合金體育器械的表面噴涂與性能研究[J].熱加工工藝，2018，047（008）：107-110+113.

[3]郭亞舉.體育器械用鎂合金的表面改性與性能研究[J].熱加工工藝，2016，045（022）：145-148.

[4]劉浩，況棟梁.體育運動器材用新型鎂合金的改性研究[J].鑄造技術(shù)，2015，036（001）：63-65.

[5]劉建南，高峰，馬思遙.體育器械用AZ91合金的表面改性處理研究[J].鑄造技術(shù)，2015，284（12）：92-94.

[6]郭巧玲.電弧噴涂法鎂合金AZ31表面改性與性能研究[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，2018，33（03）：39-44.

[7]李頌.鎂合金微弧氧化膜的制備、表征及其性能研究[D].長春：吉林大學(xué)，2007.

[8]薛文斌，鄧志威. ZM5鎂合金微弧氧化膜的生產(chǎn)規(guī)律[J].金屬熱處理學(xué)報，1998，19（3）：42-45.

[9]沈軼娜. AZ91鎂合金表面復(fù)合涂層的組織與性能研究[J].鑄造技術(shù)，2014，35（10）：2301-2303.