【康沃真空網(wǎng)】針對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌類曲面，通過(guò)表面鍍制TiNi 合金薄膜來(lái)提高其耐磨性。TiNi 晶態(tài)薄膜在干摩擦下雖具有優(yōu)異的耐磨性，有效降低粘著磨損，但TiNi 薄膜的摩擦系數(shù)偏大，一般在0.4 ～0.6 的范圍內(nèi)。本文采用兩種不同氧化處理工藝實(shí)現(xiàn)TiNi薄膜的氧化處理，利用球-盤式摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)考察了干摩擦條件下氧化處理后TiNi 薄膜的摩擦學(xué)性能，并對(duì)鍍膜滾動(dòng)直線導(dǎo)軌滾道的防護(hù)性能作了初步研究。結(jié)果表明: 兩種表面氧化處理后的TiNi 薄膜在干摩擦條件下均有明顯的減摩耐磨效應(yīng)； 表面氧化處理后TiNi 薄膜的摩擦系數(shù)均穩(wěn)定在0.17 ～0.19，比未氧化處理的TiNi 薄膜摩擦系數(shù)低60%左右； 加熱氧化處理的TiNi 薄膜表面只出現(xiàn)了微壓痕，未見粘著及薄膜剝落，而陽(yáng)極氧化處理TiNi 薄膜出現(xiàn)輕微的粘著痕跡，轉(zhuǎn)移膜呈現(xiàn)片狀。兩種氧化處理的TiNi 薄膜都能顯著降低表面磨損，但加熱氧化處理后TiNi 薄膜的耐磨性能優(yōu)于陽(yáng)極氧化； 加熱氧化處理后的鍍膜導(dǎo)軌具有良好的耐磨性，減輕了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌滾道的損傷。

　　滾動(dòng)直線導(dǎo)軌作為機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的精密定位部件，已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、液晶/半導(dǎo)體制造、醫(yī)療器械及光機(jī)電等設(shè)備中。當(dāng)前滾動(dòng)直線導(dǎo)軌研究主要涉及到幾何結(jié)構(gòu)、剛度、預(yù)緊力等，也有從滾動(dòng)體保持器優(yōu)化、滾動(dòng)體降噪、自潤(rùn)滑技術(shù)等方面著手提高其高速運(yùn)動(dòng)性能，對(duì)運(yùn)動(dòng)精度也有探討。滾動(dòng)導(dǎo)軌中導(dǎo)軌與鋼球一般均采用GCr15 材料，摩擦配副采用相同的材料，易發(fā)生粘著磨損。以摩擦學(xué)材料設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)選擇不同材料構(gòu)成摩擦副或者在現(xiàn)有的摩擦副材料間增加減摩耐磨層，可改善系統(tǒng)的摩擦學(xué)性能。TiNi 形狀記憶合金以其獨(dú)特的形狀記憶效應(yīng)、超彈性和耐磨性而作為機(jī)敏摩擦學(xué)材料，但其減摩性往往不好。針對(duì)導(dǎo)軌滾道的曲面，焦艷等采用磁控濺射的方法將TiNi 合金以薄膜的形式沉積在導(dǎo)軌摩擦滾道，有效降低磨損，摩擦系數(shù)偏大(一般在0.4 ～0.6 的范圍內(nèi)) 。

　　本文采用兩種不同氧化工藝實(shí)現(xiàn)TiNi 薄膜的氧化處理。利用球-盤式摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)考察了干摩擦條件下表面氧化處理后TiNi 薄膜的摩擦學(xué)性能，并鍍制到導(dǎo)軌表面，期望提高導(dǎo)軌的減摩耐磨性能，從而提高其傳動(dòng)和定位精度。

　　1、試驗(yàn)部分
　　1.1、薄膜制備及表面氧化處理

　　采用FJL520 高真空磁控濺射與離子束復(fù)合濺射設(shè)備制備TiNi 薄膜?；w材料為GCr15 盤，直徑30 mm，厚度5 mm。鍍膜前基體材料表面預(yù)先用砂紙打磨并拋光至表面粗糙度約為0.15 μm，用丙酮超聲波清洗10 min 后進(jìn)行干燥處理。靶材為直徑60 mm 的Ti-50. 9%( 原子比) Ni 合金盤，爐溫控制在550 ± 5℃內(nèi)，TiNi 薄膜制備工藝參數(shù)見表1。所得薄膜厚度約為1.5 μm。采用納米壓入儀測(cè)得薄膜的彈性模量為51.27 GPa，硬度為2.18 GPa。

　　表1 磁控濺射在GCr15 基體上制備TiNi 薄膜的工藝參數(shù)

　　TiNi 薄膜采用兩種不同氧化處理工藝實(shí)現(xiàn)薄膜表面氧化，具體氧化處理工藝流程見表2。采用D8 ADVANCE型X 射線衍射( XRD) 儀測(cè)試薄膜晶化度，采用JEOL JSM-6700F 型場(chǎng)發(fā)射掃描式電子顯微鏡( SEM) 測(cè)量制備的TiNi 氧化薄膜表面各元素含量分布。采用上述制備薄膜的方法在導(dǎo)軌表面制備TiNi薄膜。靶材為直徑60 mm 的Ti-50.9%Ni 合金盤，鑒于導(dǎo)軌長(zhǎng)度(190 mm) 遠(yuǎn)大于靶材直徑，為實(shí)現(xiàn)其表面薄膜均勻沉積，設(shè)計(jì)專用夾具將導(dǎo)軌固定在轉(zhuǎn)盤( 直徑為400 mm) 上，鍍膜過(guò)程中計(jì)算機(jī)控制轉(zhuǎn)盤勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，擺角大小保證整個(gè)導(dǎo)軌長(zhǎng)度均在靶材濺射范圍內(nèi)，具體鍍膜工藝參數(shù)見表3。經(jīng)TR200 表面粗糙度儀測(cè)試帶有臺(tái)階的薄膜，所得薄膜厚度在1 ～2 μm 范圍內(nèi)。

　　表2 TiNi 薄膜表面氧化工藝
 

　　表3 磁控濺射在導(dǎo)軌上制備TiNi 薄膜的工藝參數(shù)

　　在自制的精密導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行鍍膜導(dǎo)軌實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制部分采用限位開關(guān)控制其運(yùn)動(dòng)行程，穩(wěn)壓電源通過(guò)改變電壓值控制電機(jī)轉(zhuǎn)速變化。利用基于Visual Basic 開發(fā)的上位控制系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，對(duì)控制元件進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試和對(duì)往復(fù)行程數(shù)及運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工況為干摩擦，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度為2 m/min，加載砝碼為6 kg，有效運(yùn)動(dòng)行程為90 mm，總的往復(fù)周數(shù)約為8000 周。采用數(shù)位顯微鏡KEYENCE VH-Z450 觀測(cè)鍍膜導(dǎo)軌在摩擦實(shí)驗(yàn)后的表面形貌。

　　1.2、銷盤摩擦實(shí)驗(yàn)

　　摩擦副采用球-盤對(duì)磨形式?？疾煸诟赡Σ翖l件下，TiNi 合金薄膜經(jīng)表面氧化處理后的摩擦學(xué)性能。摩擦配副為GCr15 鋼球(Φ6 mm，800 Hv) ，鋼球在丙酮超聲波清洗10 min 后經(jīng)SEM(500 × ) 檢查，保證表面無(wú)微觀缺陷。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中選擇接觸壓力為240 MPa 進(jìn)行試驗(yàn)，滑動(dòng)速度為25 mm/s。試驗(yàn)前所有試樣均用丙酮超聲清洗10 min，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。每組實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間為1000 s，環(huán)境溫度為22℃，相對(duì)濕度為58%。采用SEM(S-3000N) 觀察磨損表面形貌，采用C130 型真實(shí)色共聚焦顯微觀測(cè)薄膜的磨痕寬度。

　　3、結(jié)論
　　本文采用兩種不同工藝對(duì)TiNi 薄膜進(jìn)行氧化處理，并將TiNi 合金薄膜應(yīng)用于導(dǎo)軌表面，得到如下結(jié)論：

　　(1) 兩種表面氧化后的TiNi 薄膜在干摩擦條件下均有明顯的減摩效應(yīng)，表面氧化處理后TiNi 薄膜的摩擦系數(shù)均穩(wěn)定在0.17 ～0.19，比未經(jīng)氧化TiNi薄膜的低60%左右；

　　(2) 加熱氧化處理的TiNi 薄膜表面出現(xiàn)了微壓痕，未見粘著及薄膜剝落。陽(yáng)極氧化處理TiNi 薄膜可見輕微的粘著痕跡，轉(zhuǎn)移膜呈現(xiàn)片狀。兩種氧化處理TiNi 薄膜都能顯著降低表面磨損，但加熱氧化處理后TiNi 薄膜的耐磨性能優(yōu)于陽(yáng)極氧化；

　　(3) 加熱氧化處理后的鍍膜導(dǎo)軌具有較好的耐磨性，減輕了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌滾道的損傷。