基于體育器械的鎂合金制備及其性能分析

張靜

摘 要：由于鎂合金具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、消震性能好等優(yōu)勢，能夠作為體育器械的制造材料，并且相比于傳統(tǒng)的體育器械材料，鎂合金能夠提高器械的性能，有助于提高使用者的運動水平。所以鎂合金在體育器械中具有非常廣泛的應(yīng)用。由于人類對體育器械性能要求不斷提高，鎂合金的性能也需要相應(yīng)提高。文章對鎂合金制備及其性能進(jìn)行分析，通過對鎂合金基材進(jìn)行等離子熔覆處理，使用兩種不同復(fù)合涂層，分別為TiB2-TiC：Al=2：1和TiB2-TiC。然后研究鎂合金基體、TiB2-TiC和TiB2-TiC：Al=2：1改性層的硬度、耐摩擦性和抗腐蝕性。實驗結(jié)果表明：通過顯微硬度測試，熔覆層的硬度最高，且結(jié)合區(qū)和熔覆層的硬度都大于鎂合金基體;通過摩擦磨損測試，鎂合金基體的磨損失重最大，經(jīng)過表面改性的鎂合金具有更好的耐磨性能;通過電化學(xué)性能測試，經(jīng)過表面改性的鎂合金具有更好的抗腐蝕性能，且TiB2-TiC：Al=2：1涂層抗腐蝕最強(qiáng)，其次為TiB2-TiC涂層，鎂合金基體的抗腐蝕性最弱。改性之后的鎂合金具有更強(qiáng)的耐腐蝕性和抗摩擦性能，作為體育器械的材質(zhì)能夠提高器械的使用壽命和使用性能。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：體育器械;鎂合金;性能

中圖分類號：TS952 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號：1001-5922（2021）06-0064-04

Abstract：Due to its advantages of light weight， high strength， and good shock absorption performance， magnesium alloy can be used as a manufacturing material for sports equipment， and coMPared with traditional sports equipment materials， magnesium alloy can improve the performance of equipment， and helps improve the users exercise level. Therefore， magnesium alloys are very widely used in sports equipment. Due to the continuous improvement of human performance requirements for sports equipment， the performance of magnesium alloys also needs to be improved accordingly. Therefore， the paper analyzes the preparation and performance of magnesium alloys. By plasma cladding the magnesium alloy substrate， two different composite coatings are used， namely TiB2-TiC：Al=2：1 and TiB2-TiC. Then study the hardness， friction resistance and corrosion resistance of the magnesium alloy matrix， TiB2-TiC and TiB2-TiC：Al=2：1 modified layer. The experimental results show that： through the micro-hardness test， the hardness of the cladding layer is the highest， and the hardness of the bonding zone and the cladding layer are greater than the magnesium alloy matrix; through the friction and wear test， the magnesium alloy matrix wears the largest weight loss， after surface modification magnesium alloy has better wear resistance; through electrochemical performance test， surface-modified magnesium alloy has better corrosion resistance， and TiB2-TiC：Al=2：1 coating has the strongest corrosion resistance， followed by TiB2-TiC coating， the magnesium alloy matrix has the weakest corrosion resistance. Therefore， the modified magnesium alloy has stronger corrosion resistance and anti-friction performance. As the material of sports equipment， it can improve the service life and performance of the equipment.

Key words：sports equipment; magnesium alloy; performance

隨著各種運動競技賽的火熱舉行，加之人類意識到運動健身的重要性，促進(jìn)了體育器械的快速發(fā)展。如今體育器械的銷售量在不斷上身，同時隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對體育器械的品質(zhì)要求也越來越高，體育器械需要具備性能穩(wěn)定、外觀漂亮、質(zhì)量優(yōu)良、安全可靠等特點，并且這樣的體育器械能夠促進(jìn)運動水平的提高，而且還能夠保障運動員或者健身者的生命安全[1-2]。材料對體育器械的性能起到?jīng)Q定性作用，傳統(tǒng)的體育器械材料存在強(qiáng)度小、耐摩擦性能差、質(zhì)量重、耐腐蝕較差等缺陷，使得體育器械的使用壽命較短，并且阻礙了運動水平的繼續(xù)發(fā)展[3-4]。如今隨著各種體育器械材料的不斷發(fā)展，鎂合金因其具備非常多優(yōu)異性能，使其在體育器械材料中脫穎而出。鎂合金的密度只有1.8g/cm3，所以質(zhì)量輕，但是其比強(qiáng)度高、消震性能好、比彈性模量大、耐腐蝕性能好、承受沖擊能力強(qiáng)、散熱性好等[5-6]。所以在體育器械中使用鎂合金成為首先材料。文章為了使得鎂合金的耐磨性、耐腐蝕性變得更強(qiáng)，對鎂合金進(jìn)行了改性研究。通常為了提高體育器械的的耐腐蝕性和耐磨性，會對體育器械的表面進(jìn)行改性處理，在實際工業(yè)中常常使用的一種方式就是等離子熔覆改性處理，但是這種方式很少在鎂合金中進(jìn)行使用[7-8]。所以文章通過預(yù)置不同改性粉末的方式進(jìn)行等離子熔覆改性處理，然后提高鎂合金的性能。

1 實驗過程

1.1 實驗材料和儀器

實驗所需材料：選擇工業(yè)級金屬Mg錠、Mn、Al、Zn、Si、Fe、Al顆粒、TiB2-TiC粉末等。實驗需要的儀器如表1所示。

1.2 實驗方法

以8.86Al-0.79Zn-0.11Mn-0.01Si-0.002Fe進(jìn)行配比，其余全為Mg，將其放入中頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行熔煉，然后再鐵模中進(jìn)行澆筑，最終形成AZ91合金。將鎂合金進(jìn)行表面改性處理，其中需要使用到的儀器就是高能等離子表面處理設(shè)備。Al鋁顆粒類似于球形，其粒徑為60?m，TiB2-TiC粉末的形狀為多邊形，尺寸在2～9?m，然后對這兩種材料進(jìn)行等離子熔覆處理。文章使用兩種涂層方式，一種是直接使用TiB2-TiC復(fù)合涂層進(jìn)行處理，另外一種將TiB2-TiC：Al=2：1進(jìn)行混合使用，然后應(yīng)用于鎂合金涂層中使用。兩種復(fù)合涂層需要將原材料放入粉末混合機(jī)中進(jìn)行充分?jǐn)嚢杌旌?，再通過使用水玻璃粘接劑的方式在鎂合金中中進(jìn)行等離子熔覆處理，從而達(dá)到鎂合金性能提高的作用。

使用掃描電鏡觀察鎂合金改性涂層顯微組織;使用顯微硬度計測量鎂合金的硬度;使用射線衍射儀進(jìn)行鎂合金及其改性層的物相分析，還需要對鎂合金進(jìn)行電化學(xué)性能測試。

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 改性層的顯微組織和物相

鎂合金使用了兩種不同的涂層，然后對其進(jìn)行X射線衍射分析和顯微組織觀察，得到的實驗結(jié)果如圖1所示。從顯微組織圖中可以看出，鎂合金基材有3種物質(zhì)組成，分別為α-Mg固溶體、二次析出β相和離異共晶β相，其中離異共晶β相簡稱為Mg17Al12相，主要分布在晶界處，通過分析X射線衍射圖譜可知，鎂合金基材主要含有Mg17Al12相和α-Mg。

在基材上使用等離子熔覆技術(shù)時，從圖1中可以看出使用TiB2-TiC復(fù)合涂層的鎂合金包含有鎂合金基材、熔覆層和結(jié)合層，其中熔覆層中有粉末狀或者塊狀的灰色物質(zhì)。通過實驗結(jié)果觀察到在熔覆層中沒有觀察到裂紋或者孔洞，但是分布不均勻，熔覆工藝和其混合不均勻都可能造成這種現(xiàn)象。通過X射線衍射圖譜觀察到熔覆層中只含有TiC、α-Mg和TiB2，沒有出現(xiàn)其他第二相。

當(dāng)使用的熔覆材料為TiB2-TiC：Al=2：1粉末之后，顯微組織觀察到的不同層面與TiB2-TiC復(fù)合涂層的一致，但是區(qū)別在于結(jié)合層中存在一層樹枝狀晶，并且有一種向外生長的趨勢，給結(jié)構(gòu)能夠提高熔覆材料和基材的結(jié)合力。熔覆層中主要包含α-Mg、Mg17Al12相、TiC、TiB2，與TiB2-TiC復(fù)合涂層相比，TiB2-TiC：Al=2：1涂層中Mg17Al12相衍射峰增加，但是其中的α-Mg衍射峰降低，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于TiB2-TiC：Al=2：1涂層中有Al粉末，于是就會增加α-Mg中固溶的Al含量。該Al會和Mg發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成Mg17Al12相，于是就會降低α-Mg、增加Mg17Al12相的現(xiàn)象。該涂層中TiC和TiB2沒有分解，就會增加熔覆層的硬度和耐磨性能。

2.2 硬度

對兩種使用不同熔覆材料的鎂合金進(jìn)行硬度檢測，得到如圖2所示所示的顯微硬度結(jié)果。圖中展示了鎂合金不同層的顯微硬度，從圖中可以看出，兩種改性層的鎂合金的變化趨勢一致，即顯微硬度隨著距離涂層表面距離不斷增加而降低，只有當(dāng)距離涂層表面距離非常近的時候，當(dāng)距離增加時，顯微硬度越來越大。顯微硬度最高的區(qū)域在熔覆層，然后就是結(jié)合區(qū)，硬度最小的就是鎂合金基體。通過對比TiB2-TiC：Al=2：1涂層和TiB2-TiC復(fù)合涂層的顯微硬度可知，只有在熔覆層時兩者硬度有明顯的差距，另外兩個部分硬度差別非常小，且TiB2-TiC復(fù)合涂層的顯微硬度更高，大致為758HV，高出TiB2-TiC復(fù)合涂層46HV。通過觀察之后鎂合金基材的顯微硬度大致為100HV，相比于熔覆層是相差甚遠(yuǎn)，所以進(jìn)行等離子熔覆能夠很大程度增加鎂合金的硬度。

2.3 耐磨性

使用摩擦磨損試驗機(jī)對3種不同鎂合金進(jìn)行常溫摩擦磨損實驗，實驗中使用的對摩材料為GCr15高碳锘軸承鋼，摩擦實驗時間控制在300～1500s之間，將儀器的轉(zhuǎn)速設(shè)置為180r/min。實驗所需的3種試樣需要將其加工成尺寸一致的材料，然后使用丙酮清洗吹干。然后使用電子天平稱出每個試樣的重量，即為磨損前的質(zhì)量。最后就是使用摩擦磨損試驗機(jī)對試樣進(jìn)行實驗，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，3種不同試樣隨著磨損時間的增加，磨損失重不當(dāng)增加。但是可以看出，鎂合金基體的磨損失重大于另外兩種試樣，另外兩種試樣，即TiB2-TiC：Al=2：1涂層和TiB2-TiC復(fù)合涂層的磨損失重都非常小，且磨損失重大致上差不多。所以通過改性之后的鎂合金具有更好的耐摩擦性能。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為復(fù)合涂層中存在比較多的TiB2、TiC和Mg17Al12相，這些物質(zhì)能夠提高鎂合金表面耐摩擦性能。

然后再對改性層磨損形貌進(jìn)行分析，得到如圖4和圖5所示的結(jié)果。在實驗過程中可以觀察得到TiB2-TiC改性層的摩擦磨損形貌中剝落現(xiàn)象非常明顯，另外還會出現(xiàn)梨溝現(xiàn)象，在某些地方還可以觀察到有片狀剝落現(xiàn)象，通過對磨損位置進(jìn)行高倍放大之后能夠看到氧化磨損特征。而另外一種TiB2-TiC：Al=2：1涂層，其磨損形象主要是梨溝現(xiàn)象，在某些地方還可以看到剝離現(xiàn)象。相比較而言，TiB2-TiC：Al=2：1改性層的剝落比較少，是因為其中包含Al元素，于是就會增加鎂合金的韌性，在磨損過程中就會降低裂紋的形成和擴(kuò)展，于是就會降低剝離現(xiàn)象的發(fā)生。

2.4 耐腐蝕性

分別對3種不同鎂合金進(jìn)行電化學(xué)性能測試，實驗結(jié)果如圖6所示。3種不同鎂合金的腐蝕電位和電流密度如表2所示。由此可見，當(dāng)鎂合金經(jīng)過表面改性之后，腐蝕電位發(fā)生了正向移動，而且經(jīng)過涂層處理后的鎂合金腐蝕電流密度分別有所降低，TiB2-TiC：Al=2：1和TiB2-TiC分別降低了2個和3個數(shù)量級。對材料的耐腐蝕性能進(jìn)行評價時，腐蝕電流密度作為非常重要的評價指標(biāo)，當(dāng)其越小時，就說明材料的耐腐蝕性能越好[9]。所以由表中可以看出，TiB2-TiC：Al=2：1處理的鎂合金具有最好的耐腐蝕性。

然后再對樣品表面腐蝕形貌進(jìn)行分析，3種不同鎂合金的形貌如圖7所示。從圖中可以看出，TiB2-TiC處理的鎂合金發(fā)生了腐蝕，在改性層上可以看出存在剝落腐蝕現(xiàn)象，但是因為其中存在硬質(zhì)相，所以腐蝕不嚴(yán)重。TiB2-TiC：Al=2：1處理的鎂合金僅僅只發(fā)生了輕微腐蝕，具有較好的抗腐蝕作用，其中存在的點腐蝕坑的尺寸小于1?m。而鎂合金基材出現(xiàn)了比較明顯的腐蝕產(chǎn)物，存在較為明顯的泥裂現(xiàn)象，所以腐蝕程度比較嚴(yán)重。因此，通過3種不同鎂合金可知，TiB2-TiC：Al=2：1處理的鎂合金具有最好的抗腐蝕性能，該結(jié)果正好與極化曲線的測試結(jié)果一致。

3 結(jié)語

由于鎂合金在體育器械中使用范圍比較廣泛，對其性能也會要求比較高。尤其體育器械容易受到各種摩擦或者腐蝕，從而導(dǎo)致體育器械的使用壽命較短。文章對鎂合金進(jìn)行等離子熔覆處理，使用的兩種材料都能夠使得鎂合金具有較好的耐腐蝕作用和抗摩擦性能，并且具有較強(qiáng)的硬度。由于人類需要在不斷提高，對體育器械材料的性能要求也會越來越高，為了使鎂合金具有可持續(xù)發(fā)展，需要不斷對其進(jìn)行改性研究，從而增加其性能，以滿足體育器械的要求。

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