針對機床導軌類曲面，通過表面鍍制TiNi 合金薄膜來提高其耐磨性。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現(xiàn)TiNi薄膜的氧化處理，利用球-盤式摩擦實驗機考察了干摩擦條件下氧化處理后TiNi 薄膜的摩擦學性能，并對鍍膜滾動直線導軌滾道的防護性能作了初步研究。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； 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)于陽極氧化； 加熱氧化處理后的鍍膜導軌具有良好的耐磨性，減輕了滾動直線導軌滾道的損傷。

　　滾動直線導軌作為機械傳動機構中的精密定位部件，已廣泛應用于數(shù)控機床、工業(yè)機器人、液晶/半導體制造、醫(yī)療器械及光機電等設備中。當前滾動直線導軌研究主要涉及到幾何結(jié)構、剛度、預緊力等，也有從滾動體保持器優(yōu)化、滾動體降噪、自潤滑技術等方面著手提高其高速運動性能，對運動精度也有探討。滾動導軌中導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。以摩擦學材料設計為出發(fā)點，通過選擇不同材料構成摩擦副或者在現(xiàn)有的摩擦副材料間增加減摩耐磨層，可改善系統(tǒng)的摩擦學性能。TiNi 形狀記憶合金以其獨特的形狀記憶效應、超彈性和耐磨性而作為機敏摩擦學材料，但其減摩性往往不好。針對導軌滾道的曲面，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現(xiàn)TiNi 薄膜的氧化處理。利用球-盤式摩擦實驗機考察了干摩擦條件下表面氧化處理后TiNi 薄膜的摩擦學性能，并鍍制到導軌表面，期望提高導軌的減摩耐磨性能，從而提高其傳動和定位精度。

1、試驗部分

　　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合濺射設備制備TiNi 薄膜。基體材料為GCr15 盤，直徑30 mm，厚度5 mm。鍍膜前基體材料表面預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) 儀測試薄膜晶化度，采用JEOL JSM-6700F 型場發(fā)射掃描式電子顯微鏡( SEM) 測量制備的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，鑒于導軌長度(190 mm) 遠大于靶材直徑，為實現(xiàn)其表面薄膜均勻沉積，設計專用夾具將導軌固定在轉(zhuǎn)盤( 直徑為400 mm) 上，鍍膜過程中計算機控制轉(zhuǎn)盤勻速轉(zhuǎn)動，擺角大小保證整個導軌長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 表面粗糙度儀測試帶有臺階的薄膜，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 磁控濺射在導軌上制備TiNi 薄膜的工藝參數(shù)

　　在自制的精密導軌往復運動試驗臺上進行鍍膜導軌實驗。試驗臺運動控制部分采用限位開關控制其運動行程，穩(wěn)壓電源通過改變電壓值控制電機轉(zhuǎn)速變化。利用基于Visual Basic 開發(fā)的上位控制系統(tǒng)對導軌往復運動狀態(tài)進行在線監(jiān)測，對控制元件進行手動測試和對往復行程數(shù)及運行時間進行自動計數(shù)。實驗運行工況為干摩擦，穩(wěn)定運行時的運動速度為2 m/min，加載砝碼為6 kg，有效運動行程為90 mm，總的往復周數(shù)約為8000 周。采用數(shù)位顯微鏡KEYENCE VH-Z450 觀測鍍膜導軌在摩擦實驗后的表面形貌。

　　1.2、銷盤摩擦實驗

　　摩擦副采用球-盤對磨形式。考察在干摩擦條件下，TiNi 合金薄膜經(jīng)表面氧化處理后的摩擦學性能。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，保證表面無微觀缺陷。實驗過程中選擇接觸壓力為240 MPa 進行試驗，滑動速度為25 mm/s。試驗前所有試樣均用丙酮超聲清洗10 min，并用吹風機吹干。每組實驗運行時間為1000 s，環(huán)境溫度為22℃，相對濕度為58%。采用SEM(S-3000N) 觀察磨損表面形貌，采用C130 型真實色共聚焦顯微觀測薄膜的磨痕寬度。

3、結(jié)論

　　本文采用兩種不同工藝對TiNi 薄膜進行氧化處理，并將TiNi 合金薄膜應用于導軌表面，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，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)于陽極氧化；

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