基于體育器械的鎂合金制備及其性能分析

張靜

摘 要：由于鎂合金具有質量輕、強度大、消震性能好等優勢，能夠作為體育器械的制造材料，并且相比于傳統的體育器械材料，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提高。文章對鎂合金制備及其性能進行分析，通過對鎂合金基材進行等離子熔覆處理，使用兩種不同復合涂層，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。實驗結果表明：通過顯微硬度測試，熔覆層的硬度最高，且結合區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，經過表面改性的鎂合金具有更好的耐磨性能;通過電化學性能測試，經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，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的耐腐蝕性和抗摩擦性能，作為體育器械的材質能夠提高器械的使用壽命和使用性能。

關鍵詞：關鍵詞：體育器械;鎂合金;性能

中圖分類號：TS952 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：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，促進了體育器械的快速發展。如今體育器械的銷售量在不斷上身，同時隨著社會經濟的發展，人類對體育器械的品質要求也越來越高，體育器械需要具備性能穩定、外觀漂亮、質量優良、安全可靠等特點，并且這樣的體育器械能夠促進運動水平的提高，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決定性作用，傳統的體育器械材料存在強度小、耐摩擦性能差、質量重、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發展[3-4]。如今隨著各種體育器械材料的不斷發展，鎂合金因其具備非常多優異性能，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，所以質量輕，但是其比強度高、消震性能好、比彈性模量大、耐腐蝕性能好、承受沖擊能力強、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，對鎂合金進行了改性研究。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行改性處理，在實際工業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行使用[7-8]。所以文章通過預置不同改性粉末的方式進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進行配比，其余全為Mg，將其放入中頻感應熔煉爐中進行熔煉，然后再鐵模中進行澆筑，最終形成AZ91合金。將鎂合金進行表面改性處理，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復合涂層進行處理，另外一種將TiB2-TiC：Al=2：1進行混合使用，然后應用于鎂合金涂層中使用。兩種復合涂層需要將原材料放入粉末混合機中進行充分攪拌混合，再通過使用水玻璃粘接劑的方式在鎂合金中中進行等離子熔覆處理，從而達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;使用射線衍射儀進行鎂合金及其改性層的物相分析，還需要對鎂合金進行電化學性能測試。

2 實驗結果和分析

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，然后對其進行X射線衍射分析和顯微組織觀察，得到的實驗結果如圖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時，從圖1中可以看出使用TiB2-TiC復合涂層的鎂合金包含有鎂合金基材、熔覆層和結合層，其中熔覆層中有粉末狀或者塊狀的灰色物質。通過實驗結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，沒有出現其他第二相。

當使用的熔覆材料為TiB2-TiC：Al=2：1粉末之后，顯微組織觀察到的不同層面與TiB2-TiC復合涂層的一致，但是區別在于結合層中存在一層樹枝狀晶，并且有一種向外生長的趨勢，給結構能夠提高熔覆材料和基材的結合力。熔覆層中主要包含α-Mg、Mg17Al12相、TiC、TiB2，與TiB2-TiC復合涂層相比，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，出現這種現象的主要原因在于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發生化學反應生成Mg17Al12相，于是就會降低α-Mg、增加Mg17Al12相的現象。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行硬度檢測，得到如圖2所示所示的顯微硬度結果。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，只有當距離涂層表面距離非常近的時候，當距離增加時，顯微硬度越來越大。顯微硬度最高的區域在熔覆層，然后就是結合區，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復合涂層的顯微硬度更高，大致為758HV，高出TiB2-TiC復合涂層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，所以進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對3種不同鎂合金進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，將儀器的轉速設置為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，即為磨損前的質量。最后就是使用摩擦磨損試驗機對試樣進行實驗，結果如圖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。出現這種現象是因為復合涂層中存在比較多的TiB2、TiC和Mg17Al12相，這些物質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行分析，得到如圖4和圖5所示的結果。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象非常明顯，另外還會出現梨溝現象，在某些地方還可以觀察到有片狀剝落現象，通過對磨損位置進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象，在某些地方還可以看到剝離現象。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展，于是就會降低剝離現象的發生。

2.4 耐腐蝕性

分別對3種不同鎂合金進行電化學性能測試，實驗結果如圖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，當鎂合金經過表面改性之后，腐蝕電位發生了正向移動，而且經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個數量級。對材料的耐腐蝕性能進行評價時，腐蝕電流密度作為非常重要的評價指標，當其越小時，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處理的鎂合金發生了腐蝕，在改性層上可以看出存在剝落腐蝕現象，但是因為其中存在硬質相，所以腐蝕不嚴重。TiB2-TiC：Al=2：1處理的鎂合金僅僅只發生了輕微腐蝕，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。而鎂合金基材出現了比較明顯的腐蝕產物，存在較為明顯的泥裂現象，所以腐蝕程度比較嚴重。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，該結果正好與極化曲線的測試結果一致。

3 結語

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，從而導致體育器械的使用壽命較短。文章對鎂合金進行等離子熔覆處理，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發展，需要不斷對其進行改性研究，從而增加其性能，以滿足體育器械的要求。

參考文獻

[1]張瑞林.體育器材的共性技術研究[J].體育科學，2011（10）：91-96.

[2]梁利平.體育器材中先進材料的使用對競技體育發展的影響[J].湖北科技學院學報，2015（7）：158-160.

[3]吳志勇.新型纖維在體育器材中的應用[J].體育科技文獻通報，2012，020（004）：87-90.

[4]李碩.新型材料對體育器材影響現狀分析[J].當代化工研究，2017（08）：20-22.

[5]訾炳濤，王輝.鎂合金及其在工業中的應用[J].稀有金屬，2004（01）：235-238.

[6]雷耿華.鎂合金體育器械的表面改性與耐磨性能研究[J].機械設計與制造工程，2019（2）：91-93.

[7]劉利夫，張華.體育器械用AZ31鎂合金表面等離子噴涂涂層的組織與性能研究[J].鑄造技術，2015（1）：131-133.

[8]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（8）：107-110.

[9]何俊波，李春福，姚夢佳，等.等離子噴涂AT13/MoS₂復合涂層的組織和耐腐蝕性[J].金屬熱處理，2015（6）：38-41.