华锋

摘 要：如今，合金在体育器械中使用频率不断提高，且随着人类对体育器械性能要求不断提高，文章将以AZ91合金作为研究对象，由于各方面性能较好，但是摩擦性能还有待提高，于是对其进行表面改性，将AZ91合金基体表面镀Ti膜，然后使用微弧氧化装备对其进行处理，最后对试样进行实验研究。实验结果表明，氧化时间与膜层表面的微孔数量成反比关系，与微孔尺寸成正比关系，与Ti膜的厚度呈现反比关系，与复合改性层的厚度呈现正比关系;当微弧氧化时间为6min时，其耐磨性能将会更好。

关键词：体育器械;AZ91合金;性能

中图分类号：TG174.4;TS952 文献标识码：A            文章编号：1001-5922（2020）10-0068-04

Abstract：Nowadays， the frequency of use of alloys in sports equipment continues to increase， and with the continuous improvement of human performance requirements for sports equipment， the paper will take AZ91 alloy as the research object. Because of its good performance in all aspects， but the friction performance still needs to be improved， so the surface was modified， the surface of the AZ91 alloy substrate was coated with Ti film， and then treated with micro-arc oxidation equipment， and finally the sample was experimentally studied. The experimental results show that the oxidation time is inversely proportional to the number of micropores on the surface of the film， proportional to the size of the micropores， inversely proportional to the thickness of the Ti film， and proportional to the thickness of the composite modified layer; When the micro-arc oxidation time is 6 minutes， its wear resistance will be better.

Key words：sports equipment; AZ91 alloy; performance

0 引言

随着我国对体育项目的重视程度不断提高，并大力支持全民健身事业，人们逐渐认识到体育锻炼对自身的益处，于是开始了全民健身活动，该项活动促进了体育器材的快速发展[1]。如今各种体育器械层出不穷，功能也不尽相同。尤其是体育器械的材料不同时，其使用性能将会存在较大差别。随着体育器械的不断优化，各种优异的材料被研发，当前镁合金由于具有很多优异性能，比如具有高阻尼性能、高强度等，已经在体育器械、汽车和航空航天中得到了应用[2]。在体育器械中使用镁合金能够具有较好的应用效果，但是由于体育器械的使用功能，会存在较大的摩擦，发生摩擦之后会严重影响到体育器械的使用效果和美观度等，而镁合金的耐摩擦性能还不能够满足当前人类对体育器械的要求，于是为了能够使得镁合金满足使用要求，需要对其进行表面改性研究，从而提高其耐磨性能，在改性研究过程中还不能够影响到镁合金自身特性[3-4]。所以文章将以AZ91合金作为研究对象，在其表面制备复合改性层，研究其表面改性的影响机制，目的在于提高镁合金的耐磨性能，从而使其能够在体育器械中具有更加长久的应用效果。

1 实验部分

1.1   实验材料和仪器

实验材料为AZ91合金，其尺寸大小为15mm×15mm×4mm，该合金中主要成分为镁，还包含其他化学成分，比如锌、铜、硅，但是这些材料含量非常的少，需要将AZ91合金进行打磨、抛光、清水冲洗，还需要使用酒精超声进清洗，最后将其吹干备用。实验所需的仪器如表1所示。

1.2 实验过程

首先需要对AZ91合金进行表面镀Ti膜处理，其中需要使用到的仪器为闭合场非平衡磁控溅射系统，使用该系统时所需要的电流为4A，电源是480V，其中使用到的溅射气体是高纯氩气28sccm，在对合金进行溅射时所需要的时间为30min，在镀膜过程中使用的为熟练工人进行操作，要保证镀膜的均匀性。

完成镀膜之后需要对试样进行清洗干净，再吹干，然后再对试样进行微弧氧化处理，其中使用到的仪器为微弧氧化装备，整个实验过程需要在不锈钢电解槽中进行。试样过程中使用到的工作电流为0.08A/cm2，并且采用的恒电流工作模式。实验过程中将样品作为阳极，不锈钢作为阴极，需要使用到的电解液的组成成分有3种分别为1g/L氢氧化钾、12g/L磷酸钠和6g/L硅酸钠，进行微弧氧化的时间在3～12min之内即可，当完成该步骤之后，需要将试样进行清洗干净然后吹干备用。

对制备好的试样观察其改性层形貌，其中需要使用到的仪器为扫描电镜，还需要对其观察结果进行分析，会使用附带能谱仪。再分析试样的物象组成，其中，其中需要使用到的仪器为X射線衍射仪。最后还需要检测试样的摩擦磨损情况，其中需要使用到的仪器为往复摩擦磨损试验机，在进行该实验时，涉及到的相关参数为将荷载设置为5N，行程为6mm，摩擦副为直径6 mm的氮化硅陶瓷球，将往复频率设置为3Hz，检测时间为10min。

2 实验结果与分析

2.1 截面形貌和元素线扫描分析

对AZ91合金表面镀膜处理时，对其截面形貌和元素线扫描分析的结果如图1图2所示。从图1中可以看出，AZ91合金表面的Ti膜结合效果是良好的，在合金表面没有出现任何的裂纹或者气孔，且镀膜效果均匀，厚度为4μm。从图2元素线扫描图中可以看出，镁元素呈现出逐渐降低的趋势，在Ti膜和合金表面的结合处，有着较为明显的镁和Ti元素扩散，从该现象可以说面合金在经过镀膜处理后能够达到良好的冶金结合[5]。

2.2 X射线衍射仪分析

使用X射线衍射仪对试样进行分析的结果如图3所示，从图3中可以看出，Ti膜物相组成主要成分有两种，即α-Mg和α-Ti，说明了没有生产出其他的杂质，成分中含有α-Mg的主要原因是Ti膜非常薄，X射线穿透了Ti膜然后照射到了AZ91合金上，于是才会出现α-Mg [6]。

2.3 微弧氧化实验分析

再对试样的表面进行微弧氧化实验，实验结果如图4所示，其中当氧化时间不同时，其膜层的表面形貌就会存在差别。从图4中可以看出，实验设置了4个不同的氧化时间，图中呈现出了不同大小熔融状态的颗粒，当氧化时间为3min，其膜层较为平整，并且表面的孔径非常的小，而且分布比较均匀;当氧化时间不断增加时，其表面的微孔数量会越来越少，但是其尺寸不断变大。出现这种现象的主要原因在于当氧化时间越来越长时，膜层的厚度就会不断变厚，于是在实验过程中，电弧击穿膜层就会越来越困难，就会导致击穿压力不断增强，试样的表面熔融颗粒的局部区域就会受到高温影响，从而导致其在凝固过程中就会形成非常大的颗粒[7]。总之，从该实验中可以得到如下结论：当微弧氧化时间不断增强时，膜层表面微孔数量会不断降低，并且微孔尺寸大小会越来越大。

然后对膜层进行截面形貌观察，并且其氧化时间也设置为3～12min，其结果如图5所示。从图5中可以看出，当氧化时间不断增加之后，复合改性层的厚度也会随之增大。对于合金的膜层来讲，可以将其为了两层，分别为外层疏松层和内层致密层，两层分别具有不同的性能，其中内层致密性就是没有氧化的Ti膜。文章对两个层的厚度进行了分析，结果表明，当氧化时间不断增加之后，Ti层厚度与之呈反比关系，复合改性层厚度与之呈正比关系。另外当氧化时间为12min时，此时的Ti膜基本消失，而复合改性层的厚度已经达到了20μm。出现这种现象的主要原因在于刚刚开始氧化时，会增加氧化膜的厚度，于是就会增加击穿的难度，于是就会使得熔融物堆积在表面，从而就会形成疏松结构[8]。

2.4 试样的摩擦系数分析

图6为摩擦系数曲线测定，一共测定了3个物质，分别为AZ91合金基体、复合改性层和磁控溅射Ti膜。从图6中可以看出，Ti膜的摩擦系数的变化趋势为先增大后急剧的降低，AZ91合金基体的摩擦系数的变化趋势为先变大，然后就会趋于比较稳定的趋势，出现这种现象的原因应该与膜层被摩穿相关。另外对于复合改性层来讲，其摩擦系数发生比较剧烈的变化时发生在氧化时间为3min时，而其它时间，其摩擦系數都相对比较平缓，且氧化时间越大，摩擦系数就会越高。

然后再测试三者的磨损率，结果如图7所示。从图7中可以看出，Ti膜的磨损率为，属于第二大，而AZ91合金基体的磨损率为，磨损率最大。而另外一种经过微弧氧化之后的试样，当氧化时间发生变化时，其磨损率也会随之变化，其中4个氧化时间有小到大的磨损率分别为、、和。从而可以得出结论：当氧化时间不断增加时，其磨损率的变化趋势为先降低后增加;经过微弧氧化处理之后的合金其耐磨性能将会增强;当氧化时间为6min时，复合改性层将会具有更高的耐磨性能。

图8为摩擦磨损10min之后的表面形貌，从图8中可以看出，能够观察到AZ91合金基体的表面有沟槽和划痕，而经过镀膜之后的试样其表面也存在划痕，但是划痕变浅，经过分析之后，这两种试样的磨损的主要方式为黏着磨损和磨粒磨损[9]。然而经过微弧氧化处理之后，其磨痕宽度将会减小，且当氧化时间为6min时，其磨痕宽度达到最下。能够得出如下结论：经过微弧氧化处理之后的磨痕宽比较小，且当氧化时间不断增加之后，磨痕宽度的变化趋势为先降低后增加。能够反映出当氧化时间为6min时，此时的膜层具有更好的耐磨性能。该结论正好与上述的磨损率测试相互吻合。

3 结语

文章研究了体育器械中AZ91合金的性能，研究结果表明，AZ91经过镀膜处理之后，再对其进行微弧氧化处理，其耐磨性能将会增强，且当微弧氧化时间为6min时，其耐磨性能将会更好;当微弧氧化时间不断增加时，膜层表面的微孔数量将会不断降低，且微孔的的尺寸将会不断变大;当微弧氧化时间不断增加之后，Ti膜的厚度不断降低，而复合改性层厚度不断提高。体育器械的组成材料直接影响着器材的使用效果，所以对器械的材料进行性能分析，将会有助于提高材料的使用效果，从而增加体育器械的功能性。

参考文献

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[2]张智文.镁合金体育器械的表面喷涂与性能研究[J].热加工工艺，2018，047（008）：107-110+113.

[3]郭亚举.体育器械用镁合金的表面改性与性能研究[J].热加工工艺，2016，045（022）：145-148.

[4]刘浩，况栋梁.体育运动器材用新型镁合金的改性研究[J].铸造技术，2015，036（001）：63-65.

[5]刘建南，高峰，马思遥.体育器械用AZ91合金的表面改性处理研究[J].铸造技术，2015，284（12）：92-94.

[6]郭巧玲.电弧喷涂法镁合金AZ31表面改性与性能研究[J].材料开发与应用，2018，33（03）：39-44.

[7]李颂.镁合金微弧氧化膜的制备、表征及其性能研究[D].长春：吉林大学，2007.

[8]薛文斌，邓志威. ZM5镁合金微弧氧化膜的生产规律[J].金属热处理学报，1998，19（3）：42-45.

[9]沈轶娜. AZ91镁合金表面复合涂层的组织与性能研究[J].铸造技术，2014，35（10）：2301-2303.