基于体育器械的镁合金制备及其性能分析

张静

摘 要：由于鎂合金具有质量轻、强度大、消震性能好等优势，能够作为体育器械的制造材料，并且相比于传统的体育器械材料，镁合金能够提高器械的性能，有助于提高使用者的运动水平。所以镁合金在体育器械中具有非常广泛的应用。由于人类对体育器械性能要求不断提高，镁合金的性能也需要相应提高。文章对镁合金制备及其性能进行分析，通过对镁合金基材进行等离子熔覆处理，使用两种不同复合涂层，分别为TiB2-TiC：Al=2：1和TiB2-TiC。然后研究镁合金基体、TiB2-TiC和TiB2-TiC：Al=2：1改性层的硬度、耐摩擦性和抗腐蚀性。实验结果表明：通过显微硬度测试，熔覆层的硬度最高，且结合区和熔覆层的硬度都大于镁合金基体;通过摩擦磨损测试，镁合金基体的磨损失重最大，经过表面改性的镁合金具有更好的耐磨性能;通过电化学性能测试，经过表面改性的镁合金具有更好的抗腐蚀性能，且TiB2-TiC：Al=2：1涂层抗腐蚀最强，其次为TiB2-TiC涂层，镁合金基体的抗腐蚀性最弱。改性之后的镁合金具有更强的耐腐蚀性和抗摩擦性能，作为体育器械的材质能够提高器械的使用寿命和使用性能。

关键词：关键词：体育器械;镁合金;性能

中图分类号：TS952              文献标识码：A             文章编号：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

随着各种运动竞技赛的火热举行，加之人类意识到运动健身的重要性，促进了体育器械的快速发展。如今体育器械的销售量在不断上身，同时随着社会经济的发展，人类对体育器械的品质要求也越来越高，体育器械需要具备性能稳定、外观漂亮、质量优良、安全可靠等特点，并且这样的体育器械能够促进运动水平的提高，而且还能够保障运动员或者健身者的生命安全[1-2]。材料对体育器械的性能起到决定性作用，传统的体育器械材料存在强度小、耐摩擦性能差、质量重、耐腐蚀较差等缺陷，使得体育器械的使用寿命较短，并且阻碍了运动水平的继续发展[3-4]。如今随着各种体育器械材料的不断发展，镁合金因其具备非常多优异性能，使其在体育器械材料中脱颖而出。镁合金的密度只有1.8g/cm3，所以質量轻，但是其比强度高、消震性能好、比弹性模量大、耐腐蚀性能好、承受冲击能力强、散热性好等[5-6]。所以在体育器械中使用镁合金成为首先材料。文章为了使得镁合金的耐磨性、耐腐蚀性变得更强，对镁合金进行了改性研究。通常为了提高体育器械的的耐腐蚀性和耐磨性，会对体育器械的表面进行改性处理，在实际工业中常常使用的一种方式就是等离子熔覆改性处理，但是这种方式很少在镁合金中进行使用[7-8]。所以文章通过预置不同改性粉末的方式进行等离子熔覆改性处理，然后提高镁合金的性能。

1 实验过程

1.1 实验材料和仪器

实验所需材料：选择工业级金属Mg锭、Mn、Al、Zn、Si、Fe、Al颗粒、TiB2-TiC粉末等。实验需要的仪器如表1所示。

1.2 实验方法

以8.86Al-0.79Zn-0.11Mn-0.01Si-0.002Fe进行配比，其余全为Mg，将其放入中频感应熔炼炉中进行熔炼，然后再铁模中进行浇筑，最终形成AZ91合金。将镁合金进行表面改性处理，其中需要使用到的仪器就是高能等离子表面处理设备。Al铝颗粒类似于球形，其粒径为60?m，TiB2-TiC粉末的形状为多边形，尺寸在2～9?m，然后对这两种材料进行等离子熔覆处理。文章使用两种涂层方式，一种是直接使用TiB2-TiC复合涂层进行处理，另外一种将TiB2-TiC：Al=2：1进行混合使用，然后应用于镁合金涂层中使用。两种复合涂层需要将原材料放入粉末混合机中进行充分搅拌混合，再通过使用水玻璃粘接剂的方式在镁合金中中进行等离子熔覆处理，从而达到镁合金性能提高的作用。

使用扫描电镜观察镁合金改性涂层显微组织;使用显微硬度计测量镁合金的硬度;使用射线衍射仪进行镁合金及其改性层的物相分析，还需要对镁合金进行电化学性能测试。

2 实验结果和分析

2.1 改性层的显微组织和物相

镁合金使用了两种不同的涂层，然后对其进行X射线衍射分析和显微组织观察，得到的实验结果如图1所示。从显微组织图中可以看出，镁合金基材有3种物质组成，分别为α-Mg固溶体、二次析出β相和离异共晶β相，其中离异共晶β相简称为Mg17Al12相，主要分布在晶界处，通过分析X射线衍射图谱可知，镁合金基材主要含有Mg17Al12相和α-Mg。

在基材上使用等离子熔覆技术时，从图1中可以看出使用TiB2-TiC复合涂层的镁合金包含有镁合金基材、熔覆层和结合层，其中熔覆层中有粉末状或者块状的灰色物质。通过实验结果观察到在熔覆层中没有观察到裂纹或者孔洞，但是分布不均匀，熔覆工艺和其混合不均匀都可能造成这种现象。通过X射线衍射图谱观察到熔覆层中只含有TiC、α-Mg和TiB2，没有出现其他第二相。

当使用的熔覆材料为TiB2-TiC：Al=2：1粉末之后，显微组织观察到的不同层面与TiB2-TiC复合涂层的一致，但是区别在于结合层中存在一层树枝状晶，并且有一种向外生长的趋势，给结构能够提高熔覆材料和基材的结合力。熔覆层中主要包含α-Mg、Mg17Al12相、TiC、TiB2，与TiB2-TiC复合涂层相比，TiB2-TiC：Al=2：1涂层中Mg17Al12相衍射峰增加，但是其中的α-Mg衍射峰降低，出现这种现象的主要原因在于TiB2-TiC：Al=2：1涂层中有Al粉末，于是就会增加α-Mg中固溶的Al含量。该Al会和Mg发生化学反应生成Mg17Al12相，于是就会降低α-Mg、增加Mg17Al12相的现象。该涂层中TiC和TiB2没有分解，就会增加熔覆层的硬度和耐磨性能。

2.2 硬度

对两种使用不同熔覆材料的镁合金进行硬度检测，得到如图2所示所示的显微硬度结果。图中展示了镁合金不同层的显微硬度，从图中可以看出，两种改性层的镁合金的变化趋势一致，即显微硬度随着距离涂层表面距离不断增加而降低，只有当距离涂层表面距离非常近的时候，当距离增加时，显微硬度越来越大。显微硬度最高的区域在熔覆层，然后就是结合区，硬度最小的就是镁合金基体。通过对比TiB2-TiC：Al=2：1涂层和TiB2-TiC复合涂层的显微硬度可知，只有在熔覆层时两者硬度有明显的差距，另外两个部分硬度差别非常小，且TiB2-TiC复合涂层的显微硬度更高，大致为758HV，高出TiB2-TiC复合涂层46HV。通过观察之后镁合金基材的显微硬度大致为100HV，相比于熔覆层是相差甚远，所以进行等离子熔覆能够很大程度增加镁合金的硬度。

2.3 耐磨性

使用摩擦磨损试验机对3种不同镁合金进行常温摩擦磨损实验，实验中使用的对摩材料为GCr15高碳锘轴承钢，摩擦实验时间控制在300～1500s之间，将仪器的转速设置为180r/min。实验所需的3种试样需要将其加工成尺寸一致的材料，然后使用丙酮清洗吹干。然后使用电子天平称出每个试样的重量，即为磨损前的质量。最后就是使用摩擦磨损试验机对试样进行实验，结果如图3所示。从图中可以看出，3种不同试样随着磨损时间的增加，磨损失重不当增加。但是可以看出，镁合金基体的磨损失重大于另外两种试样，另外两种试样，即TiB2-TiC：Al=2：1涂层和TiB2-TiC复合涂层的磨损失重都非常小，且磨损失重大致上差不多。所以通过改性之后的镁合金具有更好的耐摩擦性能。出现这种现象是因为复合涂层中存在比较多的TiB2、TiC和Mg17Al12相，这些物质能够提高镁合金表面耐摩擦性能。

然后再对改性层磨损形貌进行分析，得到如图4和图5所示的结果。在实验过程中可以观察得到TiB2-TiC改性层的摩擦磨损形貌中剥落现象非常明显，另外还会出现梨沟现象，在某些地方还可以观察到有片状剥落现象，通过对磨损位置进行高倍放大之后能够看到氧化磨损特征。而另外一种TiB2-TiC：Al=2：1涂层，其磨损形象主要是梨沟现象，在某些地方还可以看到剥离现象。相比较而言，TiB2-TiC：Al=2：1改性层的剥落比较少，是因为其中包含Al元素，于是就会增加镁合金的韧性，在磨损过程中就会降低裂纹的形成和扩展，于是就会降低剥离现象的发生。

2.4 耐腐蚀性

分别对3种不同镁合金进行电化学性能测试，实验结果如图6所示。3种不同镁合金的腐蚀电位和电流密度如表2所示。由此可见，当镁合金经过表面改性之后，腐蚀电位发生了正向移动，而且经过涂层处理后的镁合金腐蚀电流密度分别有所降低，TiB2-TiC：Al=2：1和TiB2-TiC分别降低了2个和3个数量级。对材料的耐腐蚀性能进行评价时，腐蚀电流密度作为非常重要的评价指标，当其越小时，就说明材料的耐腐蚀性能越好[9]。所以由表中可以看出，TiB2-TiC：Al=2：1处理的镁合金具有最好的耐腐蚀性。

然后再对样品表面腐蚀形貌进行分析，3种不同镁合金的形貌如图7所示。从图中可以看出，TiB2-TiC处理的镁合金发生了腐蚀，在改性层上可以看出存在剥落腐蚀现象，但是因为其中存在硬质相，所以腐蚀不严重。TiB2-TiC：Al=2：1处理的镁合金仅仅只发生了轻微腐蚀，具有较好的抗腐蚀作用，其中存在的点腐蚀坑的尺寸小于1?m。而镁合金基材出现了比较明显的腐蚀产物，存在较为明显的泥裂现象，所以腐蚀程度比较严重。因此，通过3种不同镁合金可知，TiB2-TiC：Al=2：1处理的镁合金具有最好的抗腐蚀性能，该结果正好与极化曲线的测试结果一致。

3 结语

由于镁合金在体育器械中使用范围比较广泛，对其性能也会要求比较高。尤其体育器械容易受到各种摩擦或者腐蚀，从而导致体育器械的使用寿命较短。文章对镁合金进行等离子熔覆处理，使用的两种材料都能够使得镁合金具有较好的耐腐蚀作用和抗摩擦性能，并且具有较强的硬度。由于人类需要在不断提高，对体育器械材料的性能要求也会越来越高，为了使镁合金具有可持续发展，需要不断对其进行改性研究，从而增加其性能，以满足体育器械的要求。

参考文献

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