體育器械用AZ91合金的耐磨性能試驗(yàn)研究

譚靖韜

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西西安 710300)

AZ91 合金以其質(zhì)輕、強(qiáng)度高、阻尼性與散熱性良好深受體育器械領(lǐng)域青睞,且得益于全民健身熱情高漲,推動了AZ91 合金制備體育器械的迅速發(fā)展[1]。但是多數(shù)體育器械均會承受磨損,從而影響使用壽命。以提升AZ91 合金制備體育器械的耐磨性等角度進(jìn)行深入研究,最有效可行的方法便是針對傳統(tǒng)體育器械進(jìn)行表面改性處理,以提升體育器械的耐磨性[2]。本文以等離子噴涂技術(shù),基于體育器械用AZ91 合金表面進(jìn)行了Al+Al2О3復(fù)合涂層制備,并進(jìn)行了耐磨性能試驗(yàn),以期能夠?yàn)轶w育器械延長使用壽命提供有力幫助。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

體育器械用AZ91 合金化學(xué)成分[3]見表1；Al 和Al2О3復(fù)合粉未。

表1 體育器械用AZ91 合金化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of AZ91 alloy used in sports equipment

1.2 方法

基于線切割方法切割A(yù)Z91 合金基材[4],轉(zhuǎn)化成180×48×6(mm)試樣,以噴砂機(jī)表面噴砂預(yù)處理噴涂面,砂粒選用棕剛玉砂,噴砂時(shí)間距設(shè)定為60mm,氣壓設(shè)置為0.35MPa,完成后2h 之內(nèi)進(jìn)行等離子噴涂。等離子噴涂粉末為純Al 粉末與Al2О3粉末有機(jī)混合的Al+Al2О3復(fù)合粉末。

1.3 儀器與測試

采用掃描電子顯微鏡[5]觀察復(fù)合涂層顯微形貌；采用磨損試驗(yàn)機(jī)針對AZ91 合金基材與Al+Al2О3復(fù)合涂層試樣進(jìn)行快速磨損試驗(yàn),以測試其體積磨損量；基于高速環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)[6]針對AZ91 合金基材與Al+Al2О3復(fù)合涂層試樣進(jìn)行高速環(huán)塊磨損試驗(yàn),以測試其磨損失重；基于微弧氧化處理裝置針對AZ91 合金基材與Al+Al2О3復(fù)合涂層進(jìn)行磨損率測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 Al+Al2О3復(fù)合粉末顯微形貌

基于掃描電鏡分析,80% 純Al 粉末+20%Al2О3粉末的復(fù)合粉末顯微形貌具體如圖1 所示。

圖1 復(fù)合粉末掃描電鏡顯微形貌Fig.1 Scanning electron microscope morphology of composite powder

由圖1 可知,Al+Al2О3復(fù)合粉末已均勻混合,尺寸較小的粉末顆粒是Al2О3粉末；尺寸較大的粉末顆粒是純Al 粉末,二者相比,Al2О3粉末較少,而純Al 粉末較多。

2.2 AZ91 合金基材與Al+Al2О3復(fù)合涂層磨損形貌

AZ91 合金基材與Al+Al2О3復(fù)合涂層磨損形貌具體如圖2 所示。

圖2 基材與不同含量Al2O3復(fù)合涂層磨損形貌Fig.2 Wear morphology of substrate and different content Al2O3composite coating

由圖2 可知,AZ91 合金基材表層比較粗糙,存在明顯犁溝與剝落的凹坑,且存在白色磨損屑。不同配比Al+Al2О3復(fù)合涂層表層都相對整潔平滑,盡管局部位置存在磨損痕跡,但是并未發(fā)現(xiàn)明顯裂痕或剝落的凹坑,這可能是因?yàn)锳l+Al2О3復(fù)合涂層的Al2О3屬于硬質(zhì)相[6],硬度較高,耐磨性良好,可在一定程度上抵抗摩擦副造成的磨損。相對來講,添加12%Al2О3粉末的復(fù)合涂層磨損程度更輕,呈現(xiàn)了良好耐磨性,這可能是因?yàn)锳l+Al2О3復(fù)合涂層的致密性與均勻性良好[7],而添加少量Al2О3粉末的復(fù)合涂層存在一定的孔洞或裂縫,導(dǎo)致耐磨性有所下降。

2.3 AZ91 合金基材與Al+Al2О3復(fù)合涂層快速磨損

選擇三組試樣分別進(jìn)行AZ91 合金基材與Al+Al2О3復(fù)合涂層快速磨損試驗(yàn),具體結(jié)果見表2。

表2 基材與復(fù)合涂層快速磨損試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Fast wear test results of substrate and composite coating

由表2 可知,AZ91 合金基材均磨損體積相對于Al+Al2О3復(fù)合涂層均磨損體積,明顯比較大,由此可見,相對于AZ91 合金基材,Al+Al2О3復(fù)合涂層均磨損體積出現(xiàn)了大幅下降,然而均磨損體積越小,則代表材料耐磨性越好[8],所以基于等離子噴涂處理的Al+Al2О3復(fù)合涂層耐磨性能更優(yōu)。

2.4 AZ91 合金基材與Al+Al2О3復(fù)合涂層環(huán)塊磨損

AZ91 合金基材與Al+Al2О3復(fù)合涂層環(huán)塊磨損失重測試結(jié)果見表3。

表3 基材與復(fù)合涂層環(huán)塊磨損失重試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Wear weight test results of substrate and composite coating

由表3 可知,AZ91 合金基材相對于Al+Al2О3復(fù)合涂層,磨損失重明顯更多,這就說明Al+Al2О3復(fù)合涂層耐磨性更具優(yōu)勢,可能是因?yàn)锳l+Al2О3復(fù)合涂層內(nèi)存在硬度較大的Al2О3粉末顆粒增強(qiáng)相[9],在磨損時(shí)可切實(shí)阻止磨料壓入,以此縮減材料磨損,降低磨損失重。

2.5 AZ91 合金基材與Al+Al2О3復(fù)合涂層磨損率

AZ91 合金基材與不同氧化時(shí)間下的Al+Al2О3復(fù)合涂層磨損率測試結(jié)果見表4。

表4 基材與不同氧化時(shí)間的復(fù)合涂層磨損率測試結(jié)果Table 4 Test results of wear rate of substrate and composite coating with different oxidation time

由表4 可知,AZ91 合金基材在通過微弧氧化處理[10]之后,不同氧化時(shí)間下,磨損率都出現(xiàn)了一定程度的下降,據(jù)此可見,微弧氧化處理之后的Al+Al2О3復(fù)合涂層耐磨性都實(shí)現(xiàn)了有效提高,并且在氧化時(shí)間逐漸增加的趨勢下,磨損率呈現(xiàn)出先減小后增加的狀態(tài),其中氧化時(shí)間為6min 時(shí)獲取最小值,這就說明在6min 氧化時(shí)間時(shí)Al+Al2О3復(fù)合涂層的耐磨性能最佳。

3 結(jié)論

對體育器械用AZ91 合金進(jìn)行了耐磨性能試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:(1)AZ91 合金基材表層比較粗糙,存在明顯犁溝與剝落的凹坑,且存在白色磨損屑；不同配比Al+Al2О3復(fù)合涂層表層都相對整潔平滑,盡管局部位置存在磨損痕跡,但是并未發(fā)現(xiàn)明顯裂痕或剝落的凹坑；(2)AZ91 合金基材均磨損體積相對于Al+Al2О3復(fù)合涂層均磨損體積明顯較大,所以Al+Al2О3復(fù)合涂層耐磨性能更優(yōu)；(3)AZ91 合金基材相對于Al+Al2О3復(fù)合涂層,磨損失重明顯更多,說明Al+Al2О3復(fù)合涂層耐磨性更具優(yōu)勢；(4)AZ91 合金基材在通過微弧氧化處理之后,不同氧化時(shí)間下,磨損率都出現(xiàn)了一定程度的下降,可見微弧氧化處理之后的Al+Al2О3復(fù)合涂層耐磨性都實(shí)現(xiàn)了有效提高,其中氧化時(shí)間為6min 時(shí)Al+Al2О3復(fù)合涂層的耐磨性能最佳。