基于表面噴涂對體育器材的磨損分析

張巍

摘要：文章主要對體育器材的磨損性能受到表面噴涂的影響情況進(jìn)行了分析，針對體育器械表面涂層主要從涂層結(jié)合強(qiáng)度和磨損失重兩方面出發(fā)，分析了電弧噴涂對其組織與性能產(chǎn)生的影響，并在此基礎(chǔ)上對噴涂工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在3IV噴涂電壓為和250A電流下采用0.5MPa霧化空氣壓力在2lOmm處進(jìn)行噴涂可獲得最佳的體育器材表面電弧噴涂工藝效果，涂層結(jié)合強(qiáng)度同器械表面涂層厚度呈現(xiàn)反比關(guān)系、在熱處理溫度持續(xù)升高的情況下則呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢。并以鎂合金體育器械為例分析了表面噴涂同磨損性能間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：體育器械;表面噴涂工藝;耐磨性能;結(jié)合強(qiáng)度;實(shí)驗(yàn)分析

中圖分類號：TC174.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1001-5922（2020）12-0054-04

0 引言

近幾年隨著體育用品行業(yè)的快速發(fā)展，人們對自身素質(zhì)和健康的關(guān)注程度不斷提高，對體育器械的質(zhì)量要求提出了更高的要求，體育器械的持續(xù)使用會(huì)對其性能產(chǎn)生一定的影響，實(shí)際使用中體育器械的各種失效情況大多由器械磨損導(dǎo)致，磨損則主要由高強(qiáng)度多頻率的使用造成，因此對器械進(jìn)行表面防護(hù)成為完善和優(yōu)化體育器械質(zhì)量的一項(xiàng)有效手段，在器械表面進(jìn)行噴涂成為領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)，但現(xiàn)階段體育器械的表面改性手段普遍受到一定的局限、難以達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)目標(biāo)。為此本文在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，通過使用電弧噴涂技術(shù)（具備設(shè)備簡單、易操作、性價(jià)比高、噴涂質(zhì)量高等優(yōu)勢）對體育器械表面進(jìn)行噴涂實(shí)現(xiàn)較佳的改性處理效果，并對表面涂層結(jié)合強(qiáng)度和耐磨性能受到具體噴涂參數(shù)的影響情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，為進(jìn)一步完善體育器械防護(hù)層性能提供參考[1]。

1 制備工藝與測試方法

截取一段80mmx 50mmx 5mm的磨損失效體育器械（用于某高校體育場）作為本文實(shí)驗(yàn)的基體試樣進(jìn)行化學(xué)成分測試，其主要成分如表1所示，基體材質(zhì)為Q235碳素鋼。在測試前，先對器械基材試樣進(jìn)行除油、清洗、干燥及表面噴砂處理，使用NHG-300B電弧噴涂機(jī)按照表2噴涂材料的化學(xué)成分完成表面噴涂，表3為噴涂工藝參數(shù)，再對得到的不同工藝下的表面噴涂試樣的組織和性能進(jìn)行分析;對涂層耐磨性能進(jìn)行測試，使用橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)持續(xù)5min的載荷磨損，磨損壓力為35N，橡膠輪轉(zhuǎn)速為250r/min，并使用電子天平測出磨損前后的失重量;對涂層結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行測試，根據(jù)GB/T 8462-2002標(biāo)準(zhǔn)，使用MTS-809萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)以0.2mm/min的加載速率拉伸涂層，初始載荷為10N;對涂層硬度進(jìn)行測試，使用HVS-IOOO數(shù)顯硬度計(jì)在涂層上施加持續(xù)lOs的加載載荷（大小為200g），然后計(jì)算出各試樣5個(gè)點(diǎn)的平均值作為最終結(jié)果;然后使用Quanta電子顯微鏡觀察涂層表面形貌，在通過能譜分析儀測量微區(qū)成分[2]。

2 結(jié)果與討論

體育器械表面涂層耐磨性能（平均磨損失重）受到不同噴涂參數(shù)（包括噴涂距離、電流、電壓、霧化空氣壓力）影響情況的測試結(jié)果如圖1所示，在其他參數(shù)相同且噴涂電流持續(xù)增加的情況下，平均磨損失重呈現(xiàn)出先減小后增加的變化趨勢，在210A的電流下得到最小值，適當(dāng)增加電流可提高噴涂的制備效率和涂層耐磨性能（過大、過小的電流則易降低涂層致密性）;平均磨損失重同噴涂電壓之間呈現(xiàn)正相關(guān)，噴涂距離的延長可通過增加電壓實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)會(huì)使噴涂層的C和Cr等元素被不同程度的燒損，不利于提高涂層的硬度和耐磨性能;在持續(xù)增加的霧化空氣壓力的作用下，平均磨損失重會(huì)先增加后降低，噴涂距離越長則融滴的飛行時(shí)間越長，會(huì)對涂層的氧化量造成不同程度的影響，進(jìn)而影響到涂層的致密性和覆蓋性，因此最佳致密涂層的獲取，需確保融滴飛行時(shí)間合理，同時(shí)施加適當(dāng)?shù)撵F化空氣壓力，以實(shí)現(xiàn)提高涂層耐磨性能的目的[3]。

圖2為器械表面涂層結(jié)合強(qiáng)度受到不同噴涂工藝參數(shù)影響的測試結(jié)果，僅改變一項(xiàng)噴涂參數(shù)、其他參數(shù)相同：持續(xù)增加的噴涂電流和電壓均能夠提高結(jié)合強(qiáng)度，在電弧噴涂體育器械表面時(shí)通過電壓和電流的適當(dāng)增加可使涂層結(jié)合強(qiáng)度得到顯著提升，涂層結(jié)合強(qiáng)度隨著噴涂距離的不斷增加則呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，涂層結(jié)合強(qiáng)度在0.55MPa的霧化空氣壓力下時(shí)最小。根據(jù)上述磨損失重和涂層結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果，進(jìn)行工藝優(yōu)化，采用碳氮合金化涂層獲得最佳電弧噴涂效果時(shí)對應(yīng)的參數(shù)為：噴涂距離為2lOmm、噴涂電壓為31V、電流為250A、霧化空氣壓力為0.5MPa，此時(shí)的涂層表面形貌和能譜分析結(jié)果如圖3所示，可見涂層表面未見明顯缺陷，但在白色基體中存在灰色物質(zhì)，其主要構(gòu)成元素為Fe、O、Cr等，基體金屬間具有較好的連接效果。在此基礎(chǔ)上考察涂層結(jié)合強(qiáng)度受到5種不同厚度涂層的影響情況，具體測試結(jié)果為：涂層結(jié)合強(qiáng)度隨表面涂層厚度的持續(xù)增加而表現(xiàn)為逐漸下降的趨勢，在涂層厚度分別為0.3lmm、0.46mm、0.6mm、0.71mm、0.82mm時(shí)，結(jié)合強(qiáng)度分別為24.9MPa、18.2MPa、17.6MPa、16.3MPa、15.6MPa，涂層硬度和磨損質(zhì)量損失受到5種涂層厚度（0.3lmm、0.46mm、0.6mm、0.7 Imm和0.82mm）影響情況的測試結(jié)果表明：隨著隨涂層厚度的不斷增加，涂層硬度分別為298HV、312HV、374HV、428HV和5IOHV（逐漸增加），磨損質(zhì)量損失分別為158mg、136mg、108mg、104mg和lOlmg（逐漸降低）[4]。

采用4種不同熱處理溫度回火熱處理0.6mm厚的涂層，保溫20min后，具體測試結(jié)果如表4所示，在熱處理溫度不斷升高的情況下，涂層的結(jié)合強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，并在550℃時(shí)得到最大結(jié)合強(qiáng)度，涂層的磨損質(zhì)量損失則逐漸降低，涂層在不斷上升的熱處理溫度的作用下會(huì)有大量碳氮硬質(zhì)相析出（明顯降低了磨損質(zhì)量損失），這是涂層耐磨性能得以顯著提高的主要原因[5]。

3 A291D鎂合金表面噴涂涂層的實(shí)驗(yàn)

3.1 材料與方法

本文以尺寸為50mmx50mmx8mm的A291D鎂合金體育器械作為噴涂試驗(yàn)材料，預(yù)熱處理經(jīng)打磨、清洗等處理后的基體材料，使用火焰噴涂法噴涂處理材料表面，打底層（A12O3）的噴涂材料采用CoCrAIY粉末，工作層（CoCrAIY-Al2O3）選用Al203/Ti02陶瓷粉末，送粉量為0.6 - 0.8m3/h，涂層厚度為150 - 300μm，預(yù)熱溫度控制在85qC左右不超過2h，確保噴涂粒子接觸基底時(shí)達(dá)到足夠的界面溫度;再行拋光、打磨和腐蝕處理金相試樣，通過金相顯微鏡觀察微觀組織，并測試顯微硬度（使用數(shù)顯維式硬度計(jì)），使用環(huán)塊材料磨損試驗(yàn)機(jī)以45鋼作為對磨材料完成干摩擦磨損試驗(yàn)，精確磨損失重量到0.0001g[6]。

3.2 結(jié)果與分析

噴涂涂層中的打底層和工作層的表面均存在一定的孔隙，如圖4所示，孔隙率分別為13.7%、13.9%，均屬正常，主要由噴涂粒子在初始低溫度下的飛行較慢導(dǎo)致。涂層的斷面微觀形貌如圖7所示，涂層斷面組織沒有粗大孔隙和明顯裂紋，但存在如不同尺寸的孔隙或細(xì)小裂紋等宏觀裂紋缺陷，主要原因在于噴射到金屬表面上的噴涂粉末粒子因存在不同的熔化狀況在相互碰撞時(shí)極易引起變形而降低了結(jié)合強(qiáng)度，并且在空氣中噴涂火焰時(shí)因易吸附空氣中的氧化物而在涂層中出現(xiàn)氣孔造成組織缺陷。涂層截面的能譜線掃描結(jié)果表明鎂合金基體同CoCrAIY-AI2O3涂層間發(fā)生了冶金結(jié)合，此時(shí)仍以鑲嵌式咬合的結(jié)合方式為主（輔以少量的冶金結(jié)合方式）。試樣的基體金屬會(huì)優(yōu)先噴涂上一層起到余熱作用的CoCrAIY粉末，降低了涂層中的溫度梯度，避免了涂層應(yīng)力集中問題，進(jìn)一步抑制了涂層中的顯微裂紋[7]。硬度測試結(jié)果表明A29ID基體、粘結(jié)底層和陶瓷層的顯微硬度逐漸增加，產(chǎn)生擴(kuò)散元素的粘結(jié)底層起到了良好的過渡作用，使噴涂截面硬度得以均勻過渡;涂層磨損質(zhì)量損失的測試結(jié)果如表5所示，由于陶瓷涂層硬度較高而增加了致密性，涂層的耐磨性能明顯優(yōu)于對磨材料;表6涂層磨損質(zhì)量損失測試結(jié)果，表現(xiàn)為隨載荷的增加而增加，主要由涂層各部分不同的硬度和耐磨性導(dǎo)致，受到磨損后的粘結(jié)底層與鎂合金基體質(zhì)量損失較為明顯。圖5為CoCrAIY-A12O3涂層的磨損形貌，75N載荷下的涂層的磨損質(zhì)量損失較小（噴涂涂層形貌），耐磨性較好;經(jīng)175N的載荷磨損后，磨損已深入到基體中，涂層表面出現(xiàn)磨損程度不同的合金基體組織，出現(xiàn)了犁溝特征，產(chǎn)生一定程度的切削磨損[8]。

4 結(jié)語

文章主要對經(jīng)電弧噴涂后的體育器械表面的磨損性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，對于表面涂層可通過增加噴涂電壓與電流實(shí)現(xiàn)其結(jié)合強(qiáng)度的顯著提高，涂層結(jié)合強(qiáng)度在距離170mm處噴涂可得到最大值、在0.55MPa的霧化空氣壓力下得到最小值，并且磨損質(zhì)量損失隨著涂層厚度的增加而逐漸降低，涂層的顯微硬度則同表面涂層厚度呈正比，在熱處理溫度持續(xù)上升時(shí)，涂層的結(jié)合強(qiáng)度先增加后下降，磨損質(zhì)量損失則逐漸降低。

參考文獻(xiàn)

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