体育器械用AZ91合金的耐磨性能试验研究

谭靖韬

（陕西国防工业职业技术学院,陕西西安 710300)

AZ91 合金以其质轻、强度高、阻尼性与散热性良好深受体育器械领域青睐,且得益于全民健身热情高涨,推动了AZ91 合金制备体育器械的迅速发展[1]。但是多数体育器械均会承受磨损,从而影响使用寿命。以提升AZ91 合金制备体育器械的耐磨性等角度进行深入研究,最有效可行的方法便是针对传统体育器械进行表面改性处理,以提升体育器械的耐磨性[2]。本文以等离子喷涂技术,基于体育器械用AZ91 合金表面进行了Al+Al2О3复合涂层制备,并进行了耐磨性能试验,以期能够为体育器械延长使用寿命提供有力帮助。

1 试验

1.1 原料

体育器械用AZ91 合金化学成分[3]见表1；Al 和Al2О3复合粉未。

表1 体育器械用AZ91 合金化学成分Table 1 Chemical composition of AZ91 alloy used in sports equipment

1.2 方法

基于线切割方法切割AZ91 合金基材[4],转化成180×48×6(mm)试样,以喷砂机表面喷砂预处理喷涂面,砂粒选用棕刚玉砂,喷砂时间距设定为60mm,气压设置为0.35MPa,完成后2h 之内进行等离子喷涂。等离子喷涂粉末为纯Al 粉末与Al2О3粉末有机混合的Al+Al2О3复合粉末。

1.3 仪器与测试

采用扫描电子显微镜[5]观察复合涂层显微形貌；采用磨损试验机针对AZ91 合金基材与Al+Al2О3复合涂层试样进行快速磨损试验,以测试其体积磨损量；基于高速环块磨损试验机[6]针对AZ91 合金基材与Al+Al2О3复合涂层试样进行高速环块磨损试验,以测试其磨损失重；基于微弧氧化处理装置针对AZ91 合金基材与Al+Al2О3复合涂层进行磨损率测试。

2 试验结果分析

2.1 Al+Al2О3复合粉末显微形貌

基于扫描电镜分析,80% 纯Al 粉末+20%Al2О3粉末的复合粉末显微形貌具体如图1 所示。

图1 复合粉末扫描电镜显微形貌Fig.1 Scanning electron microscope morphology of composite powder

由图1 可知,Al+Al2О3复合粉末已均匀混合,尺寸较小的粉末颗粒是Al2О3粉末；尺寸较大的粉末颗粒是纯Al 粉末,二者相比,Al2О3粉末较少,而纯Al 粉末较多。

2.2 AZ91 合金基材与Al+Al2О3复合涂层磨损形貌

AZ91 合金基材与Al+Al2О3复合涂层磨损形貌具体如图2 所示。

图2 基材与不同含量Al2O3复合涂层磨损形貌Fig.2 Wear morphology of substrate and different content Al2O3composite coating

由图2 可知,AZ91 合金基材表层比较粗糙,存在明显犁沟与剥落的凹坑,且存在白色磨损屑。不同配比Al+Al2О3复合涂层表层都相对整洁平滑,尽管局部位置存在磨损痕迹,但是并未发现明显裂痕或剥落的凹坑,这可能是因为Al+Al2О3复合涂层的Al2О3属于硬质相[6],硬度较高,耐磨性良好,可在一定程度上抵抗摩擦副造成的磨损。相对来讲,添加12%Al2О3粉末的复合涂层磨损程度更轻,呈现了良好耐磨性,这可能是因为Al+Al2О3复合涂层的致密性与均匀性良好[7],而添加少量Al2О3粉末的复合涂层存在一定的孔洞或裂缝,导致耐磨性有所下降。

2.3 AZ91 合金基材与Al+Al2О3复合涂层快速磨损

选择三组试样分别进行AZ91 合金基材与Al+Al2О3复合涂层快速磨损试验,具体结果见表2。

表2 基材与复合涂层快速磨损试验结果Table 2 Fast wear test results of substrate and composite coating

由表2 可知,AZ91 合金基材均磨损体积相对于Al+Al2О3复合涂层均磨损体积,明显比较大,由此可见,相对于AZ91 合金基材,Al+Al2О3复合涂层均磨损体积出现了大幅下降,然而均磨损体积越小,则代表材料耐磨性越好[8],所以基于等离子喷涂处理的Al+Al2О3复合涂层耐磨性能更优。

2.4 AZ91 合金基材与Al+Al2О3复合涂层环块磨损

AZ91 合金基材与Al+Al2О3复合涂层环块磨损失重测试结果见表3。

表3 基材与复合涂层环块磨损失重试验结果Table 3 Wear weight test results of substrate and composite coating

由表3 可知,AZ91 合金基材相对于Al+Al2О3复合涂层,磨损失重明显更多,这就说明Al+Al2О3复合涂层耐磨性更具优势,可能是因为Al+Al2О3复合涂层内存在硬度较大的Al2О3粉末颗粒增强相[9],在磨损时可切实阻止磨料压入,以此缩减材料磨损,降低磨损失重。

2.5 AZ91 合金基材与Al+Al2О3复合涂层磨损率

AZ91 合金基材与不同氧化时间下的Al+Al2О3复合涂层磨损率测试结果见表4。

表4 基材与不同氧化时间的复合涂层磨损率测试结果Table 4 Test results of wear rate of substrate and composite coating with different oxidation time

由表4 可知,AZ91 合金基材在通过微弧氧化处理[10]之后,不同氧化时间下,磨损率都出现了一定程度的下降,据此可见,微弧氧化处理之后的Al+Al2О3复合涂层耐磨性都实现了有效提高,并且在氧化时间逐渐增加的趋势下,磨损率呈现出先减小后增加的状态,其中氧化时间为6min 时获取最小值,这就说明在6min 氧化时间时Al+Al2О3复合涂层的耐磨性能最佳。

3 结论

对体育器械用AZ91 合金进行了耐磨性能试验研究,结果表明:(1)AZ91 合金基材表层比较粗糙,存在明显犁沟与剥落的凹坑,且存在白色磨损屑；不同配比Al+Al2О3复合涂层表层都相对整洁平滑,尽管局部位置存在磨损痕迹,但是并未发现明显裂痕或剥落的凹坑；(2)AZ91 合金基材均磨损体积相对于Al+Al2О3复合涂层均磨损体积明显较大,所以Al+Al2О3复合涂层耐磨性能更优；(3)AZ91 合金基材相对于Al+Al2О3复合涂层,磨损失重明显更多,说明Al+Al2О3复合涂层耐磨性更具优势；(4)AZ91 合金基材在通过微弧氧化处理之后,不同氧化时间下,磨损率都出现了一定程度的下降,可见微弧氧化处理之后的Al+Al2О3复合涂层耐磨性都实现了有效提高,其中氧化时间为6min 时Al+Al2О3复合涂层的耐磨性能最佳。