氧化处理TiNi合金薄膜的摩擦性能及其对滚动直线导轨滚道的防护

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)西安交通大学 作者:唐光海

  针对机床导轨类曲面,通过表面镀制TiNi 合金薄膜来提高其耐磨性。TiNi 晶态薄膜在干摩擦下虽具有优异的耐磨性,有效降低粘着磨损,但TiNi 薄膜的摩擦系数偏大,一般在0.4 ~0.6 的范围内。本文采用两种不同氧化处理工艺实现TiNi薄膜的氧化处理,利用球-盘式摩擦实验机考察了干摩擦条件下氧化处理后TiNi 薄膜的摩擦学性能,并对镀膜滚动直线导轨滚道的防护性能作了初步研究。结果表明: 两种表面氧化处理后的TiNi 薄膜在干摩擦条件下均有明显的减摩耐磨效应; 表面氧化处理后TiNi 薄膜的摩擦系数均稳定在0.17 ~0.19,比未氧化处理的TiNi 薄膜摩擦系数低60%左右; 加热氧化处理的TiNi 薄膜表面只出现了微压痕,未见粘着及薄膜剥落,而阳极氧化处理TiNi 薄膜出现轻微的粘着痕迹,转移膜呈现片状。两种氧化处理的TiNi 薄膜都能显著降低表面磨损,但加热氧化处理后TiNi 薄膜的耐磨性能优于阳极氧化; 加热氧化处理后的镀膜导轨具有良好的耐磨性,减轻了滚动直线导轨滚道的损伤。

  滚动直线导轨作为机械传动机构中的精密定位部件,已广泛应用于数控机床、工业机器人、液晶/半导体制造、医疗器械及光机电等设备中。当前滚动直线导轨研究主要涉及到几何结构、刚度、预紧力等,也有从滚动体保持器优化、滚动体降噪、自润滑技术等方面着手提高其高速运动性能,对运动精度也有探讨。滚动导轨中导轨与钢球一般均采用GCr15 材料,摩擦配副采用相同的材料,易发生粘着磨损。以摩擦学材料设计为出发点,通过选择不同材料构成摩擦副或者在现有的摩擦副材料间增加减摩耐磨层,可改善系统的摩擦学性能。TiNi 形状记忆合金以其独特的形状记忆效应、超弹性和耐磨性而作为机敏摩擦学材料,但其减摩性往往不好。针对导轨滚道的曲面,焦艳等采用磁控溅射的方法将TiNi 合金以薄膜的形式沉积在导轨摩擦滚道,有效降低磨损,摩擦系数偏大(一般在0.4 ~0.6 的范围内) 。

  本文采用两种不同氧化工艺实现TiNi 薄膜的氧化处理。利用球-盘式摩擦实验机考察了干摩擦条件下表面氧化处理后TiNi 薄膜的摩擦学性能,并镀制到导轨表面,期望提高导轨的减摩耐磨性能,从而提高其传动和定位精度。

1、试验部分

  1.1、薄膜制备及表面氧化处理

  采用FJL520 高真空磁控溅射与离子束复合溅射设备制备TiNi 薄膜。基体材料为GCr15 盘,直径30 mm,厚度5 mm。镀膜前基体材料表面预先用砂纸打磨并抛光至表面粗糙度约为0.15 μm,用丙酮超声波清洗10 min 后进行干燥处理。靶材为直径60 mm 的Ti-50. 9%( 原子比) Ni 合金盘,炉温控制在550 ± 5℃内,TiNi 薄膜制备工艺参数见表1。所得薄膜厚度约为1.5 μm。采用纳米压入仪测得薄膜的弹性模量为51.27 GPa,硬度为2.18 GPa。

表1 磁控溅射在GCr15 基体上制备TiNi 薄膜的工艺参数

磁控溅射在GCr15 基体上制备TiNi 薄膜的工艺参数

  TiNi 薄膜采用两种不同氧化处理工艺实现薄膜表面氧化,具体氧化处理工艺流程见表2。采用D8 ADVANCE型X 射线衍射( XRD) 仪测试薄膜晶化度,采用JEOL JSM-6700F 型场发射扫描式电子显微镜( SEM) 测量制备的TiNi 氧化薄膜表面各元素含量分布。采用上述制备薄膜的方法在导轨表面制备TiNi薄膜。靶材为直径60 mm 的Ti-50.9%Ni 合金盘,鉴于导轨长度(190 mm) 远大于靶材直径,为实现其表面薄膜均匀沉积,设计专用夹具将导轨固定在转盘( 直径为400 mm) 上,镀膜过程中计算机控制转盘匀速转动,摆角大小保证整个导轨长度均在靶材溅射范围内,具体镀膜工艺参数见表3。经TR200 表面粗糙度仪测试带有台阶的薄膜,所得薄膜厚度在1 ~2 μm 范围内。

表2 TiNi 薄膜表面氧化工艺

TiNi 薄膜表面氧化工艺

表3 磁控溅射在导轨上制备TiNi 薄膜的工艺参数

磁控溅射在导轨上制备TiNi 薄膜的工艺参数

  在自制的精密导轨往复运动试验台上进行镀膜导轨实验。试验台运动控制部分采用限位开关控制其运动行程,稳压电源通过改变电压值控制电机转速变化。利用基于Visual Basic 开发的上位控制系统对导轨往复运动状态进行在线监测,对控制元件进行手动测试和对往复行程数及运行时间进行自动计数。实验运行工况为干摩擦,稳定运行时的运动速度为2 m/min,加载砝码为6 kg,有效运动行程为90 mm,总的往复周数约为8000 周。采用数位显微镜KEYENCE VH-Z450 观测镀膜导轨在摩擦实验后的表面形貌。

  1.2、销盘摩擦实验

  摩擦副采用球-盘对磨形式。考察在干摩擦条件下,TiNi 合金薄膜经表面氧化处理后的摩擦学性能。摩擦配副为GCr15 钢球(Φ6 mm,800 Hv) ,钢球在丙酮超声波清洗10 min 后经SEM(500 × ) 检查,保证表面无微观缺陷。实验过程中选择接触压力为240 MPa 进行试验,滑动速度为25 mm/s。试验前所有试样均用丙酮超声清洗10 min,并用吹风机吹干。每组实验运行时间为1000 s,环境温度为22℃,相对湿度为58%。采用SEM(S-3000N) 观察磨损表面形貌,采用C130 型真实色共聚焦显微观测薄膜的磨痕宽度。

3、结论

  本文采用两种不同工艺对TiNi 薄膜进行氧化处理,并将TiNi 合金薄膜应用于导轨表面,得到如下结论:

  (1) 两种表面氧化后的TiNi 薄膜在干摩擦条件下均有明显的减摩效应,表面氧化处理后TiNi 薄膜的摩擦系数均稳定在0.17 ~0.19,比未经氧化TiNi薄膜的低60%左右;

  (2) 加热氧化处理的TiNi 薄膜表面出现了微压痕,未见粘着及薄膜剥落。阳极氧化处理TiNi 薄膜可见轻微的粘着痕迹,转移膜呈现片状。两种氧化处理TiNi 薄膜都能显著降低表面磨损,但加热氧化处理后TiNi 薄膜的耐磨性能优于阳极氧化;

  (3) 加热氧化处理后的镀膜导轨具有较好的耐磨性,减轻了滚动直线导轨滚道的损伤。

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