陳 爽，韓雪艷，安帥帥，王勇杰，李仕華*

(1 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004；2 唐山師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063000)

作為被廣泛應(yīng)用于航天工業(yè)的固體潤(rùn)滑膜之一，MoS2具有獨(dú)特的六方晶系層狀結(jié)構(gòu)，層間以較弱的范德瓦爾斯力結(jié)合，表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)性能[1]。然而單一組分的MoS2薄膜承載能力差，對(duì)環(huán)境濕度敏感度高，易于氧化失效[2]；因此，常采用摻入異質(zhì)元素的方法來(lái)改善其綜合性能。金屬Ti作為摻雜元素引入MoS2薄膜基質(zhì)中，能夠使薄膜結(jié)構(gòu)致密，提高其抗潮性能及耐磨損性能[3]。

在薄膜摩擦學(xué)行為的研究過程中，人們發(fā)現(xiàn)表面粗糙度是影響薄膜摩擦磨損性能的主要參數(shù)之一[4]。Roberts等[5]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)隨基體粗糙度Ra(輪廓算數(shù)平均偏差)由0.04 μm增加到0.4 μm，純MoS2薄膜(膜厚為1 μm)的摩擦因數(shù)減小，而磨損壽命先增加后減小。Cunningham等[6]發(fā)現(xiàn)MoS2薄膜的磨損壽命隨基體粗糙度的增加而減小，但平均摩擦因數(shù)幾乎不受影響。由于純MoS2薄膜容易垂直于基體表面呈柱狀晶生長(zhǎng)，膜層松脆，而元素?fù)诫s可以抑制MoS2的柱狀晶生長(zhǎng)[7]。因此摻雜后MoS2復(fù)合薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和摩擦學(xué)特征對(duì)基體表面粗糙度的依賴性，尚需進(jìn)一步研究探討。程蓓等[8]通過空氣噴涂法制備CeF3改性的MoS2基潤(rùn)滑涂層，發(fā)現(xiàn)涂層的摩擦因數(shù)與磨損量均隨著基體表面粗糙度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。Jaffee等[9]研究發(fā)現(xiàn)邊界潤(rùn)滑條件下，MoS2/Ti的摩擦因數(shù)隨AISI 440C鋼基體表面粗糙度的增加而增大；當(dāng)基體粗糙度Ra在0.1～1 μm范圍時(shí)，隨著Ra增加，磨損率顯著增加；而當(dāng)Ra為0.01～0.1 μm時(shí)，磨損率幾乎不受Ra影響，但其未對(duì)產(chǎn)生變化的原因進(jìn)行深入闡述。

MoS2/Ti薄膜是金屬摻雜MoS2薄膜中研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)之一，目前針對(duì)不同基體表面粗糙度下MoS2/Ti薄膜摩擦磨損機(jī)理的研究并不充分，而系統(tǒng)研究干摩擦、固體-油、固體-脂復(fù)合潤(rùn)滑條件下，基體表面粗糙度對(duì)MoS2/Ti薄膜摩擦磨損性能影響的報(bào)道也較少。因此，本工作采用磁控濺射法，在不同原始表面粗糙度的軸承鋼基體表面制備MoS2/Ti薄膜，系統(tǒng)研究了不同潤(rùn)滑條件下，基體表面粗糙度對(duì)MoS2/Ti復(fù)合薄膜摩擦學(xué)性能的影響，并深入分析其摩擦機(jī)理，以期為實(shí)現(xiàn)摩擦學(xué)設(shè)計(jì)和控制提供指導(dǎo)意見，同時(shí)對(duì)改善MoS2/Ti復(fù)合薄膜潤(rùn)滑的實(shí)際應(yīng)用性能具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 基體材料

選用尺寸φ25 mm×6 mm的軸承鋼作為基體材料，采用不同的處理方式得到4種不同的表面粗糙度：(1)采用自動(dòng)精磨機(jī)床，基體的平均粗糙度Ra為0.26 μm；(2)磨床精磨后，400#砂紙打磨樣品表面，基體平均粗糙度Ra為0.11 μm；(3)采用手動(dòng)式磨拋機(jī)，800#砂紙磨光，基體平均粗糙度Ra為0.06 μm；(4)采用手動(dòng)式磨拋機(jī)，2000#砂紙打磨后進(jìn)行拋光處理，基體平均粗糙度Ra為0.01 μm?；w材料的原始表面粗糙度曲線如圖1所示。

圖1 基體樣品的表面粗糙度曲線 (a)Ra=0.01 μm;(b)Ra=0.06 μm;(c)Ra=0.11 μm;(d)Ra=0.26 μm

1.2 薄膜制備

采用JGP560梨形單室磁控濺射沉積系統(tǒng)制備MoS2/Ti薄膜。用無(wú)水乙醇超聲清洗基體表面20 min并吹干，將清洗好的基體放入距離靶材60 mm的沉積平臺(tái)上。在沉積過程中，樣品工作臺(tái)的轉(zhuǎn)速保持為0.15 r/s，工作臺(tái)加熱至150 ℃。沉積之前，真空室抽真空度至1.3×10-3Pa，用氬離子轟擊基體10 min除去樣品表面的氧化物和雜質(zhì)。在濺射過程中，氬流量保持為40 cm3/min并將氣壓調(diào)至0.65 Pa，濺射功率為250 W。首先預(yù)沉積一層200 nm厚的Ti膜，目的是增加MoS2/Ti薄膜與基體的結(jié)合力。之后在氬氣氣氛條件下同時(shí)濺射MoS2靶和Ti靶，沉積得到厚度約為3 μm的MoS2/Ti復(fù)合薄膜。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 表面形貌和物相成分分析

采用Sigma500型熱場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡分析MoS2/Ti固體潤(rùn)滑薄膜的表面形貌。表面粗糙度測(cè)量使用的設(shè)備是Form Talysurfi60高精度電感式粗糙度輪廓儀，測(cè)量結(jié)果使用3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值。采用D/MAX-RB型X射線衍射儀對(duì)MoS2/Ti薄膜的物相進(jìn)行分析，衍射角掃描范圍為5°～70°。

1.3.2 薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試

采用CSM Revetest Xpress劃痕測(cè)試儀測(cè)試薄膜與基體材料的結(jié)合性能，滑動(dòng)過程中逐漸增大載荷，載荷的起止值為1～40 N，加載速度為78 N/min，劃痕速度為6 mm/min，劃痕長(zhǎng)度為3 mm。

1.3.3 摩擦學(xué)性能測(cè)試

由于MoS2潤(rùn)滑膜廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星中的軸承和諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[10]，尤其在高接觸應(yīng)力條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦學(xué)特性。因此本工作針對(duì)高接觸應(yīng)力工況條件下，MoS2/Ti薄膜的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究。根據(jù)研究工況，選擇實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：采用CSM摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)偶鋼球選用φ6 mm的GCr15軸承鋼(表面粗糙度Ra為0.02 μm)，法向載荷2 N，摩擦?xí)r對(duì)偶件間的最大赫茲接觸應(yīng)力為0.81 GPa。下試樣的旋轉(zhuǎn)線速度為5.02 cm/s，運(yùn)行周期為2000 r。分別在干摩擦、固體-油復(fù)合潤(rùn)滑、固體-脂復(fù)合潤(rùn)滑條件下，測(cè)試樣品的摩擦磨損性能。實(shí)驗(yàn)前用酒精清洗干凈表面以去除油污，每組參數(shù)實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。利用白光共聚焦顯微鏡測(cè)量磨損后的表面輪廓，磨損率計(jì)算公式：K=V/(N·S)，式中：K為磨損率；V為磨損體積；N為載荷；S為滑動(dòng)總距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 基體粗糙度對(duì)薄膜表面形貌和物相成分的影響

不同基體表面粗糙度鍍膜后的表面形貌如圖2所示。由圖2可見，當(dāng)基體Ra為0.01 μm時(shí)，薄膜表面比較平整，沒有明顯的濺射缺陷；隨著基體表面粗糙度的增加，薄膜表面的平整度下降，出現(xiàn)堆積現(xiàn)象，晶粒團(tuán)聚；當(dāng)基體Ra增加到0.26 μm時(shí)，可觀察到薄膜表面的“菜花狀”形貌(圖2(d))?；w表面質(zhì)量影響沉積薄膜的生長(zhǎng)情況，鍍膜后樣品的平均表面粗糙度分別為0.02,0.07,0.1 μm和0.23 μm。

圖2 不同基體表面粗糙度MoS2/Ti薄膜的SEM照片

圖3為MoS2/Ti薄膜在不同基體粗糙度下的X射線衍射譜。從圖3中可觀察到明顯的MoS2衍射峰，其中(002)MoS2基面平行于基體表面，而(100)MoS2和(110)MoS2垂直于基體表面。隨著基體表面粗糙度的增加， (002)MoS2和(100)MoS2衍射峰強(qiáng)度逐漸減弱，但是當(dāng)基體粗糙度增加到0.26 μm時(shí)，衍射峰強(qiáng)度又開始增強(qiáng)。

圖3 MoS2/Ti薄膜的XRD譜圖

基體表面粗糙度影響薄膜的成核密度[11]。粗糙度較小時(shí)，其表面缺陷較少，表面的成核勢(shì)壘增加，致使基體表面薄膜的成核密度較小。在薄膜的生長(zhǎng)過程中，成核密度越小，晶核之間的競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)不激烈，生長(zhǎng)速度較快，對(duì)應(yīng)的薄膜晶粒尺寸較大。根據(jù)Thornton[12]研究結(jié)果，基體表面粗糙度引起表面能的變化，由于表面峰的能量大于谷的能量，晶粒更容易在表面峰處形成。濺射原子在基體表面的沉積受陰影效應(yīng)和擴(kuò)散的影響[13]，由于MoS2具有獨(dú)特的片層結(jié)構(gòu)，當(dāng)基體粗糙度達(dá)到0.26 μm時(shí)，陰影效應(yīng)增強(qiáng)，如圖4所示。峰上原子生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)明顯，谷處區(qū)域原子生長(zhǎng)緩慢，因此后期粗化機(jī)制中，在峰區(qū)域的晶粒尺寸增加明顯，MoS2薄膜的結(jié)晶程度增強(qiáng)。

圖4 基體表面粗糙度的陰影效應(yīng)

2.2 基體粗糙度對(duì)膜基結(jié)合性能的影響

薄膜與基體的結(jié)合力是評(píng)價(jià)膜基體系性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它將直接影響薄膜的摩擦磨損性能[14]?；w表面粗糙度分別為0.01,0.06,0.11,0.26 μm時(shí)，MoS2/Ti薄膜的臨界結(jié)合力分別為5.5,1.1,1.5,1.4 N。當(dāng)基體粗糙度增加時(shí)，膜基臨界結(jié)合力呈下降趨勢(shì)，這與Ostadi等[15]的研究結(jié)果相一致。產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要是由于陰影效應(yīng)，表面粗糙度導(dǎo)致濺射原子與表面發(fā)生傾斜碰撞，不能與基體形成良好的結(jié)合。而且基體粗糙度越大，膜基結(jié)合界面存在較多缺陷，局部應(yīng)力增加，使得基體與MoS2/Ti薄膜不能緊密地結(jié)合。

2.3 干摩擦條件下基體粗糙度對(duì)摩擦磨損性能的影響

在干摩擦條件下，不同基體表面粗糙度樣品的平均摩擦因數(shù)如圖5所示。隨著基體表面粗糙度的增大，樣品的平均摩擦因數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，其值分別為0.101,0.116,0.124,0.116。由此可以發(fā)現(xiàn)MoS2/Ti薄膜的摩擦因數(shù)與其臨界結(jié)合力具有相關(guān)性，臨界結(jié)合力較大的薄膜，其摩擦因數(shù)較小。

圖5 干摩擦條件下MoS2/Ti薄膜的摩擦因數(shù)

根據(jù)分子-機(jī)械摩擦理論[16-17]，滑動(dòng)摩擦?xí)r既要克服表面粗糙峰的機(jī)械嚙合阻力F1，又要克服分子間相互作用的阻力F2，摩擦力為F1和F2之和。塑性接觸情況下，其數(shù)學(xué)模型表達(dá)式為：

μ=μ1+μ2

(1)

(2)

(3)

式中：μ為整體摩擦因數(shù)；μ1為分子間相互作用引起的摩擦因數(shù)；μ2為對(duì)偶表面粗糙峰對(duì)薄膜犁溝作用引起的摩擦因數(shù)；τ0為黏著點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度；H為硬度；β,K,ν為系數(shù)；Δ為粗糙度指標(biāo)；p為摩擦接觸點(diǎn)的平均壓力。由2.1節(jié)分析可知，當(dāng)基體表面粗糙度增加時(shí)，薄膜粗糙度隨之增加，同時(shí)真實(shí)接觸面積減小，p隨之增加，由式(3)可得μ2增大。MoS2薄膜優(yōu)異的潤(rùn)滑性能源于它的層狀結(jié)構(gòu)，單元層間以較弱的范德瓦爾斯力相結(jié)合，因此層間的剪切強(qiáng)度較低[18]。當(dāng)結(jié)晶度較高時(shí)，片層結(jié)構(gòu)較完整，有利于減小摩擦力。通過2.1節(jié)分析發(fā)現(xiàn)，隨基體粗糙度增加，薄膜中(002)和(100)取向的MoS2結(jié)晶強(qiáng)度先減小再增加，導(dǎo)致τ0先增加再減小。由式(2)可知，μ1變化規(guī)律與τ0一致。綜上可得，MoS2/Ti薄膜的摩擦因數(shù)受到機(jī)械嚙合力和分子作用力協(xié)同作用，當(dāng)表面粗糙度較大時(shí)(Ra=0.26 μm)，分子作用力對(duì)摩擦因數(shù)的影響更加顯著。

圖6為干摩擦條件下MoS2/Ti薄膜的磨痕形貌，從圖6中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)基體表面粗糙度較低時(shí)，薄膜的磨痕淺而窄，表面存在沿滑動(dòng)方向的微溝槽，主要磨損機(jī)制是磨粒磨損，這與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果一致[19]。圖7和圖8分別為干摩擦條件下MoS2/Ti薄膜磨痕的二維輪廓曲線和平均磨損率。結(jié)合圖7和圖8可以看出，隨著基體表面粗糙度的增加，薄膜磨痕變寬，磨損率增加，并且產(chǎn)生了明顯的片層剝落現(xiàn)象。分析其原因：隨著基體粗糙度的增加，一方面對(duì)偶面之間的機(jī)械嚙合作用增強(qiáng)，加劇了薄膜的磨損；另一方面薄膜與基體材料的結(jié)合性能呈下降趨勢(shì)(2.2節(jié))，導(dǎo)致易于產(chǎn)生片層脫落現(xiàn)象，此時(shí)片狀碎片的產(chǎn)生及剝離是薄膜主要的失效形式。

圖6 干摩擦條件下MoS2/Ti薄膜的磨痕形貌 (a)Ra=0.01 μm;(b)Ra=0.06 μm;(c)Ra=0.11 μm;(d)Ra=0.26 μm

圖7 干摩擦條件下MoS2/Ti薄膜磨痕的二維輪廓曲線

圖8 干摩擦條件下MoS2/Ti薄膜的平均磨損率

通過上述分析可知，隨著基體表面粗糙度的增加，MoS2/Ti薄膜摩擦因數(shù)和磨損率的變化趨勢(shì)一致，基體表面粗糙度較小時(shí)(Ra=0.01 μm)，薄膜的摩擦磨損性能較優(yōu)異；而基體粗糙度在0.11 μm左右時(shí)，MoS2/Ti薄膜摩擦學(xué)性能較差，在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)該避免選用此范圍內(nèi)的基體表面粗糙度。

2.4 復(fù)合潤(rùn)滑條件下基體粗糙度對(duì)摩擦磨損性能的影響

在固體-油復(fù)合潤(rùn)滑條件下，樣品具有更好的摩擦學(xué)性能。當(dāng)基體粗糙度為0.01 μm時(shí)，樣品摩擦因數(shù)小而平穩(wěn)，僅為0.074；而隨著基體表面粗糙度增大，平均摩擦因數(shù)分別為0.109,0.112,0.110，如圖9(a)所示。

圖9 復(fù)合潤(rùn)滑條件下MoS2/Ti薄膜的摩擦因數(shù) (a)固體-油潤(rùn)滑；(b)固體-脂潤(rùn)滑

對(duì)于不同的潤(rùn)滑條件，基體表面粗糙度對(duì)薄膜摩擦因數(shù)影響的機(jī)理不同。與干摩擦相比，薄膜在油潤(rùn)滑條件下，接觸界面上形成的油膜避免了摩擦對(duì)偶副的直接接觸，其在結(jié)構(gòu)上與典型的邊界潤(rùn)滑相似[20]。根據(jù)邊界摩擦的機(jī)理，摩擦界面之間同時(shí)存在粗糙峰的直接接觸和潤(rùn)滑油接觸，總的摩擦力F表達(dá)式為[21]：

F=A[ατS+(1-α)τL]+FP

(4)

式中：A為真實(shí)接觸面積；α為薄膜粗糙峰接觸面積占A中的百分?jǐn)?shù)；τS和τL分別為MoS2/Ti薄膜與潤(rùn)滑油的表面剪切強(qiáng)度；FP為犁溝力，一般可忽略。由于τL小于τS，因此邊界潤(rùn)滑的摩擦力小于干摩擦條件下的摩擦力。而隨著表面粗糙度的增加，薄膜的接觸面積占比α增大，摩擦力F增大。

根據(jù)Wenzel-Cassie模型，可知MoS2薄膜為微親油表面[22]。對(duì)于油潤(rùn)滑表面，表面粗糙度越大，親油表面的固液接觸角越小，油膜在固體表面越容易鋪展，摩擦因數(shù)降低[23]。由此可知，在基體粗糙度為0.06～0.26 μm范圍時(shí)，接觸面積增加導(dǎo)致的μ增加幅度與接觸角減小導(dǎo)致的μ減小幅度相當(dāng)，從而使摩擦因數(shù)基本相當(dāng)。

由于潤(rùn)滑脂是一種膠狀物質(zhì)，因此具有不同于潤(rùn)滑油獨(dú)特的流變特性。在鋰基脂潤(rùn)滑條件下，復(fù)合膜處于不連續(xù)的邊界潤(rùn)滑狀態(tài)[24]。隨基體表面粗糙度的增加，平均摩擦因數(shù)分別為0.131,0.127,0.139,0.136。由于MoS2易在摩擦對(duì)副表面形成轉(zhuǎn)移膜，因此能夠有效減小摩擦[25]。但潤(rùn)滑脂的黏度系數(shù)較大，流動(dòng)性較差，導(dǎo)致MoS2轉(zhuǎn)移層的形成過程較慢。所以MoS2/Ti薄膜-脂復(fù)合潤(rùn)滑的磨合階段較長(zhǎng)，且摩擦因數(shù)較大，如圖9(b)所示。Cann等[26-27]發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑脂的平均潤(rùn)滑膜厚度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)先下降后回升并逐漸趨于穩(wěn)定，且在低速條件下，脂潤(rùn)滑膜的厚度會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。因此，MoS2/Ti-脂復(fù)合潤(rùn)滑的摩擦因數(shù)先增大后減小并逐漸趨于穩(wěn)定，波動(dòng)幅度較大，潤(rùn)滑效果不佳。

在固體-油復(fù)合潤(rùn)滑條件下，MoS2薄膜的磨損機(jī)理發(fā)生了改變，薄膜表面只被輕微拋光，如圖10所示。隨著基體表面粗糙度的增加，薄膜的磨損情況無(wú)明顯變化。MoS2薄膜-油復(fù)合潤(rùn)滑體系具有更好的耐磨性，可通過此方法增加薄膜的使用壽命。而在固體-脂復(fù)合潤(rùn)滑條件下，MoS2/Ti薄膜表面呈現(xiàn)嚴(yán)重的片狀剝落，如圖11所示。隨著表面粗糙度的增加，平均磨損率分別為2.80×10-7,4.73×10-7,4.54×10-7,4.37×10-7mm3·N-1·m-1。由于潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑被認(rèn)為是乏油潤(rùn)滑，遷移能力較差，造成接觸區(qū)油膜厚度和均勻性下降，因此MoS2薄膜的磨損率較干摩擦?xí)r增加。

圖10 油潤(rùn)滑條件下MoS2/Ti薄膜的磨痕形貌 (a)Ra=0.01 μm;(b)Ra=0.06 μm;(c)Ra=0.11 μm;(d)Ra=0.26 μm

圖11 脂潤(rùn)滑條件下MoS2/Ti薄膜的磨痕形貌 (a)Ra=0.01 μm;(b)Ra=0.06 μm;(c)Ra=0.11 μm;(d)Ra=0.26 μm

3 結(jié)論

(1)干摩擦條件下，基體表面粗糙度對(duì)MoS2/Ti薄膜的摩擦磨損性能存在顯著影響。隨著基體粗糙度的升高，樣品的平均摩擦因數(shù)和磨損率都是先增加后減小?；w表面粗糙度較大時(shí)(Ra=0.26 μm)，相比于表面粗糙峰機(jī)械嚙合作用的影響，分子間作用力的影響占主導(dǎo)作用。

(2)固體-油復(fù)合潤(rùn)滑體系具有更好的耐磨性，基體粗糙度為0.01 μm時(shí)，樣品的摩擦因數(shù)僅為0.074；而基體粗糙度為0.06～0.26 μm時(shí)，摩擦因數(shù)差別不大。

(3)固體-脂復(fù)合潤(rùn)滑條件下，MoS2/Ti薄膜的摩擦磨損性能較差，基體粗糙度的影響不明顯。