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行了分析，針對體育器械表面涂層主要從涂層結合強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生的影響，并在此基礎上對噴涂工藝參數(shù)進行優(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，涂層結合強度同器械表面涂層厚度呈現(xiàn)反比關系、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系。

關鍵詞：體育器械;表面噴涂工藝;耐磨性能;結合強度;實驗分析

中圖分類號：TC174.4

文獻標識碼：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，人們對自身素質和健康的關注程度不斷提高，對體育器械的質量要求提出了更高的要求，體育器械的持續(xù)使用會對其性能產生一定的影響，實際使用中體育器械的各種失效情況大多由器械磨損導致，磨損則主要由高強度多頻率的使用造成，因此對器械進行表面防護成為完善和優(yōu)化體育器械質量的一項有效手段，在器械表面進行噴涂成為領域內的研究熱點，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、難以達到工業(yè)化生產目標。為此本文在現(xiàn)有成果的基礎上，通過使用電弧噴涂技術（具備設備簡單、易操作、性價比高、噴涂質量高等優(yōu)勢）對體育器械表面進行噴涂實現(xiàn)較佳的改性處理效果，并對表面涂層結合強度和耐磨性能受到具體噴涂參數(shù)的影響情況進行了實驗測試，為進一步完善體育器械防護層性能提供參考[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）作為本文實驗的基體試樣進行化學成分測試，其主要成分如表1所示，基體材質為Q235碳素鋼。在測試前，先對器械基材試樣進行除油、清洗、干燥及表面噴砂處理，使用NHG-300B電弧噴涂機按照表2噴涂材料的化學成分完成表面噴涂，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行分析;對涂層耐磨性能進行測試，使用橡膠輪磨粒磨損試驗機持續(xù)5min的載荷磨損，磨損壓力為35N，橡膠輪轉速為250r/min，并使用電子天平測出磨損前后的失重量;對涂層結合強度進行測試，根據(jù)GB/T 8462-2002標準，使用MTS-809萬能拉伸試驗機以0.2mm/min的加載速率拉伸涂層，初始載荷為10N;對涂層硬度進行測試，使用HVS-IOOO數(shù)顯硬度計在涂層上施加持續(xù)lOs的加載載荷（大小為200g），然后計算出各試樣5個點的平均值作為最終結果;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，噴涂距離的延長可通過增加電壓實現(xiàn)，但同時會使噴涂層的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，平均磨損失重會先增加后降低，噴涂距離越長則融滴的飛行時間越長，會對涂層的氧化量造成不同程度的影響，進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，需確保融滴飛行時間合理，同時施加適當?shù)撵F化空氣壓力，以實現(xiàn)提高涂層耐磨性能的目的[3]。

圖2為器械表面涂層結合強度受到不同噴涂工藝參數(shù)影響的測試結果，僅改變一項噴涂參數(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合強度，在電弧噴涂體育器械表面時通過電壓和電流的適當增加可使涂層結合強度得到顯著提升，涂層結合強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，涂層結合強度在0.55MPa的霧化空氣壓力下時最小。根據(jù)上述磨損失重和涂層結合強度測試結果，進行工藝優(yōu)化，采用碳氮合金化涂層獲得最佳電弧噴涂效果時對應的參數(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，此時的涂層表面形貌和能譜分析結果如圖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，其主要構成元素為Fe、O、Cr等，基體金屬間具有較好的連接效果。在此基礎上考察涂層結合強度受到5種不同厚度涂層的影響情況，具體測試結果為：涂層結合強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，結合強度分別為24.9MPa、18.2MPa、17.6MPa、16.3MPa、15.6MPa，涂層硬度和磨損質量損失受到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，具體測試結果如表4所示，在熱處理溫度不斷升高的情況下，涂層的結合強度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，并在550℃時得到最大結合強度，涂層的磨損質量損失則逐漸降低，涂層在不斷上升的熱處理溫度的作用下會有大量碳氮硬質相析出（明顯降低了磨損質量損失），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驗

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材料，預熱處理經打磨、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，預熱溫度控制在85qC左右不超過2h，確保噴涂粒子接觸基底時達到足夠的界面溫度;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），使用環(huán)塊材料磨損試驗機以45鋼作為對磨材料完成干摩擦磨損試驗，精確磨損失重量到0.0001g[6]。

3.2 結果與分析

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極易引起變形而降低了結合強度，并且在空氣中噴涂火焰時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果表明鎂合金基體同CoCrAIY-AI2O3涂層間發(fā)生了冶金結合，此時仍以鑲嵌式咬合的結合方式為主（輔以少量的冶金結合方式）。試樣的基體金屬會優(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，避免了涂層應力集中問題，進一步抑制了涂層中的顯微裂紋[7]。硬度測試結果表明A29ID基體、粘結底層和陶瓷層的顯微硬度逐漸增加，產生擴散元素的粘結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;涂層磨損質量損失的測試結果如表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涂層磨損質量損失測試結果，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致，受到磨損后的粘結底層與鎂合金基體質量損失較為明顯。圖5為CoCrAIY-A12O3涂層的磨損形貌，75N載荷下的涂層的磨損質量損失較?。▏娡客繉有蚊玻?，耐磨性較好;經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，產生一定程度的切削磨損[8]。

4 結語

文章主要對經電弧噴涂后的體育器械表面的磨損性能進行了實驗測試，對于表面涂層可通過增加噴涂電壓與電流實現(xiàn)其結合強度的顯著提高，涂層結合強度在距離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，涂層的結合強度先增加后下降，磨損質量損失則逐漸降低。

參考文獻

[1]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（08）：107-110.

[2]高鵬，周鴻，體育器械用碳纖維復合材料的工藝優(yōu)化與性能研究[J].合成材料老化與應用，2019（04）：91-94.

[3]陳小明，周夏涼，吳燕明，等，超音速火焰噴涂微、納米結構WC- IOC04Cr涂層及其性能[J]金屬熱處理，2016（05）：52-56.

[4]趙春，張順，機械液壓桿的表面噴涂與涂層耐磨性能研究[J].鑄造技術，2016（12）：2594-2596.

[5]賈利，崔娘，劉光，等，冷噴涂鋁涂層及其耐磨性能研究[J].兵器材料科學與工程，2017（03）：78-80.

[6]郭亞舉，體育器械用鎂合金的表面改性與性能研究[J].熱加工工藝，2016（22）：145-148.

[7]劉利夫，張華，體育器械用A231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，2018（01）：131-133.

[8]崔澤琴，王文先，吳宏亮，等.鎂合金表面激光熔覆Al-Si/Al203-Ti02復合涂層界面特征及耐磨性[J].中國激光，2017（06）：192-197.