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研究目的:我国户外体育器材的平均使用寿命仅为4.8年远低于国家体育总局规定的不少于8年的规定,其主要原因是空气对户外体育器材金属氧化和酸性雨水对户外体育器材金属的腐蚀所致,更为严重的是仅仅在2018年由于户外体育器材断裂引起的意外伤害事故高达13.4万例,其主要原因是空气对户外体育器材金属氧化和酸性雨水对户外体育器材金属的腐蚀所致。当前,对户外器材防腐主要采用表面喷涂防腐漆涂层界面结合力低、耐磨损性能差,易造成户外体育器材的早期失效。如何对户外体育器材进行防腐增材延长其使用寿命确保使用者安全的研究就成为体育工作者的一项迫切的任务。本研究根据户外体育器材的工况条件,采用高效智能熔涂技术制备了镍基合金防护层,并与户外体育器材常用钢Q235进行耐磨性及抗蚀性对比研究,并通过工业应用实例,以给出其适用于户外体育器材长寿命化,显著提升其使用安全性的评价。研究方法:2.1涂层的制备:本研究以Q235作为基体,选用武汉汉工智造新材料科技有限公司生产的NF201镍基自熔性合金粉末作为涂层材料,粉末粒度为45-106um。其工艺过程主要包括:基体表面除油除锈粗糙化→高能火焰喷涂预制备涂层→高效智能重熔。2.2性能测试:采用LEXT OLS4100奥林巴斯激光共聚焦显微镜和蔡司Zeiss EVO HD15(SEM/EDS)进行微观结构观察与研究。采用OLYCIA金相分析软件(型号:OLYCIA m3)对涂层孔隙率、缺陷尺寸分布及晶粒度进行测试和分析。利用HXD-1000型显微硬度计测试涂层的显微硬度,压头载荷300g,保荷时间为15s。通过切样、嵌样、磨样和抛光等步骤进行金相试样的制备。摩擦磨损试验在MW-2000A端面摩擦磨损试验机上进行。研究结果:3.1微观组织分析。结果表明,镍基合金熔涂层与基体界面结合好。镍基合金熔涂是以感应加热为基础的智能化的熔涂过程,而感应加热熔涂使得基体与界面呈现良好的冶金结合,其界面结合力可达330MPa以上,能够有效地防止在使用过程中涂层剥落失效。而热喷涂铝锌涂层虽然耐腐蚀性能优于防腐涂,但与基体主要是机械结合,其界面结合强度不高于20MPa,抗机械冲击能力差,严重地影响户外体育器材的使用安全性能。熔涂层组织致密,仅有少量夹杂或气孔。测试不同涂层部位的孔隙率,镍基合金熔涂层的平均缺陷孔隙率为0.148%。而热喷涂锌铝涂层的孔隙缺陷率一般为1-3%。相对于热喷涂铝锌涂层,镍基合金熔涂层具有更为致密细腻的微观组织,能够有效地阻止外界空气、汗液和酸雨对户外体育器材基体的侵蚀。3.2摩擦学性能。结果表明,镍基合金熔涂层平均硬度为879HV300,远高于Q235钢(164HV300)。镍基合金熔涂层和Q235钢的摩擦系数分别为0.384和0.691,前者Q235钢降低了44.42%。在相同条件下,低的摩擦系数意味着高的抗磨损特性。由表4可知,镍基合金熔涂层耐磨性远高于Q235钢。本研究将镍基合金熔涂层应用于西安市雁塔区、高新区、新城区和长安区609件户外篮球架、足球球门、羽毛球架、单杠和双杠等体育器材,经过长达24个月的跟踪测试,发现正常损耗率仅为6.7%,通过质检部门等效推算,镍基合金熔涂层户外体育器材比表面喷涂防腐漆或热喷涂铝锌合金涂层户外体育器材的使用寿命延长了48个月以上。由于户外体育器材免费试用,其使用率远远高于室内体育器材,相应的磨损率也成倍的增加,因此对户外体育器材进行镍基合金熔涂层的增材处理不仅大大的延长了使用寿命,而且消除了安全隐患,减少了更换维修的次数,创造了巨大的经济效益。3.3耐腐蚀性分析。用极化曲线对比熔涂层与Q235钢的耐蚀性。采用恒电位法,参比电极为甘汞电极(CE),辅助电极为铂电极。户外体育器材所处的环境,特别是沿海大气环境的氯离子腐蚀性强,是其产生腐蚀锈蚀的最主要原因,则用质量分数为18.6%的AlCl3水溶液作为电解质溶液质,测试温度25℃,在大气下进行测试。试样的有效面积为1cm2,其余用环氧树脂密封。将试样用丙酮、酒精和蒸馏水冲洗干净,测试试样浸入腐蚀液中稳定10分钟后和自腐蚀电位。进行阴极和阳极极化,电位扫描速度0.5mVS-1。分析可知,Q235经过镍基合金熔涂层强化处理,具有更低的腐蚀电流密度,比Q235钢低三个数量级,耐蚀性大大提高,在AlCl3水溶液中的电化学腐蚀速率降低了5个数量级。这是由于镍基合金熔涂层中的Cr等提高了金属的电极电位,从而有效地提高了Q235钢的耐蚀性。同时,Cr能与氧等元素在钢的表面快速形成Cr2O3钝化膜,该钝化膜致密、稳定并能与铁基牢固结合,从而有效阻碍钢的继续腐蚀;镍在合金中起到稳定合金表层钝态的作用,并有助于延长发生孔蚀核的诱导时间,这就决定了镍基合金防护层具有优异的抗腐蚀即防腐能力。研究结论:(1)镍基合金防护层致密,其缺陷孔隙率及缺陷率极值差分别为0.148%和0.14%。其致密细腻的微观组织,能够有效地阻止外界空气、汗液和酸雨对户外体育器材基体的侵蚀。(2)镍基合金防护层和Q235钢的平均显微硬度分别为879HV300和164HV300,摩擦系数分别为0.384和0.691,前者的相对耐磨性远高于后者,Q235钢的腐蚀速率为NF201熔涂层的2.821×105倍,表明镍基合金防护层能显著提高碳素钢的硬度、耐磨性,充分地实现了对户外体育器材的增材效果。(3)应用案例表明,镍基合金防护层优异的耐磨性及耐蚀性能显著地延长了户外体育器材的使用寿命,从而确保了户外体育器材的使用安全性。