基體表面粗糙度對MoS2/Ti薄膜摩擦磨損性能的影響

陳 爽，韓雪艷，安帥帥，王勇杰，李仕華*

(1 燕山大學 機械工程學院，河北 秦皇島 066004；2 唐山師范學院 物理科學與技術學院，河北 唐山 063000)

作為被廣泛應用于航天工業的固體潤滑膜之一，MoS2具有獨特的六方晶系層狀結構，層間以較弱的范德瓦爾斯力結合，表現出優異的摩擦學性能[1]。然而單一組分的MoS2薄膜承載能力差，對環境濕度敏感度高，易于氧化失效[2]；因此，常采用摻入異質元素的方法來改善其綜合性能。金屬Ti作為摻雜元素引入MoS2薄膜基質中，能夠使薄膜結構致密，提高其抗潮性能及耐磨損性能[3]。

在薄膜摩擦學行為的研究過程中，人們發現表面粗糙度是影響薄膜摩擦磨損性能的主要參數之一[4]。Roberts等[5]通過實驗研究發現隨基體粗糙度Ra(輪廓算數平均偏差)由0.04 μm增加到0.4 μm，純MoS2薄膜(膜厚為1 μm)的摩擦因數減小，而磨損壽命先增加后減小。Cunningham等[6]發現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，膜層松脆，而元素摻雜可以抑制MoS2的柱狀晶生長[7]。因此摻雜后MoS2復合薄膜的微觀結構和摩擦學特征對基體表面粗糙度的依賴性，尚需進一步研究探討。程蓓等[8]通過空氣噴涂法制備CeF3改性的MoS2基潤滑涂層，發現涂層的摩擦因數與磨損量均隨著基體表面粗糙度的增加呈現出先減小后增大的趨勢。Jaffee等[9]研究發現邊界潤滑條件下，MoS2/Ti的摩擦因數隨AISI 440C鋼基體表面粗糙度的增加而增大；當基體粗糙度Ra在0.1～1 μm范圍時，隨著Ra增加，磨損率顯著增加；而當Ra為0.01～0.1 μm時，磨損率幾乎不受Ra影響，但其未對產生變化的原因進行深入闡述。

MoS2/Ti薄膜是金屬摻雜MoS2薄膜中研究的重點與熱點之一，目前針對不同基體表面粗糙度下MoS2/Ti薄膜摩擦磨損機理的研究并不充分，而系統研究干摩擦、固體-油、固體-脂復合潤滑條件下，基體表面粗糙度對MoS2/Ti薄膜摩擦磨損性能影響的報道也較少。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，系統研究了不同潤滑條件下，基體表面粗糙度對MoS2/Ti復合薄膜摩擦學性能的影響，并深入分析其摩擦機理，以期為實現摩擦學設計和控制提供指導意見，同時對改善MoS2/Ti復合薄膜潤滑的實際應用性能具有重要意義。

1 實驗材料與方法

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)采用自動精磨機床，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)采用手動式磨拋機，800#砂紙磨光，基體平均粗糙度Ra為0.06 μm；(4)采用手動式磨拋機，2000#砂紙打磨后進行拋光處理，基體平均粗糙度Ra為0.01 μm。基體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制備MoS2/Ti薄膜。用無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的沉積平臺上。在沉積過程中，樣品工作臺的轉速保持為0.15 r/s，工作臺加熱至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。在濺射過程中，氬流量保持為40 cm3/min并將氣壓調至0.65 Pa，濺射功率為250 W。首先預沉積一層200 nm厚的Ti膜，目的是增加MoS2/Ti薄膜與基體的結合力。之后在氬氣氣氛條件下同時濺射MoS2靶和Ti靶，沉積得到厚度約為3 μm的MoS2/Ti復合薄膜。

1.3 實驗方法

1.3.1 表面形貌和物相成分分析

采用Sigma500型熱場發射掃描電子顯微鏡分析MoS2/Ti固體潤滑薄膜的表面形貌。表面粗糙度測量使用的設備是Form Talysurfi60高精度電感式粗糙度輪廓儀，測量結果使用3個測試點的平均值。采用D/MAX-RB型X射線衍射儀對MoS2/Ti薄膜的物相進行分析，衍射角掃描范圍為5°～70°。

1.3.2 薄膜與基體結合強度測試

采用CSM Revetest Xpress劃痕測試儀測試薄膜與基體材料的結合性能，滑動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，劃痕長度為3 mm。

1.3.3 摩擦學性能測試

由于MoS2潤滑膜廣泛應用于衛星中的軸承和諧波齒輪傳動機構[10]，尤其在高接觸應力條件下表現出優異的摩擦學特性。因此本工作針對高接觸應力工況條件下，MoS2/Ti薄膜的摩擦學性能進行了研究。根據研究工況，選擇實驗參數如下：采用CSM摩擦磨損試驗機，對偶鋼球選用φ6 mm的GCr15軸承鋼(表面粗糙度Ra為0.02 μm)，法向載荷2 N，摩擦時對偶件間的最大赫茲接觸應力為0.81 GPa。下試樣的旋轉線速度為5.02 cm/s，運行周期為2000 r。分別在干摩擦、固體-油復合潤滑、固體-脂復合潤滑條件下，測試樣品的摩擦磨損性能。實驗前用酒精清洗干凈表面以去除油污，每組參數實驗重復3次。利用白光共聚焦顯微鏡測量磨損后的表面輪廓，磨損率計算公式：K=V/(N·S)，式中：K為磨損率；V為磨損體積；N為載荷；S為滑動總距離。

2 結果與分析

2.1 基體粗糙度對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，當基體Ra為0.01 μm時，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，出現堆積現象，晶粒團聚；當基體Ra增加到0.26 μm時，可觀察到薄膜表面的“菜花狀”形貌(圖2(d))。基體表面質量影響沉積薄膜的生長情況，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衍射峰強度逐漸減弱，但是當基體粗糙度增加到0.26 μm時，衍射峰強度又開始增強。

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，其表面缺陷較少，表面的成核勢壘增加，致使基體表面薄膜的成核密度較小。在薄膜的生長過程中，成核密度越小，晶核之間的競爭生長不激烈，生長速度較快，對應的薄膜晶粒尺寸較大。根據Thornton[12]研究結果，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和擴散的影響[13]，由于MoS2具有獨特的片層結構，當基體粗糙度達到0.26 μm時，陰影效應增強，如圖4所示。峰上原子生長優勢明顯，谷處區域原子生長緩慢，因此后期粗化機制中，在峰區域的晶粒尺寸增加明顯，MoS2薄膜的結晶程度增強。

圖4 基體表面粗糙度的陰影效應

2.2 基體粗糙度對膜基結合性能的影響

薄膜與基體的結合力是評價膜基體系性能的一項重要指標，它將直接影響薄膜的摩擦磨損性能[14]。基體表面粗糙度分別為0.01,0.06,0.11,0.26 μm時，MoS2/Ti薄膜的臨界結合力分別為5.5,1.1,1.5,1.4 N。當基體粗糙度增加時，膜基臨界結合力呈下降趨勢，這與Ostadi等[15]的研究結果相一致。產生這一現象主要是由于陰影效應，表面粗糙度導致濺射原子與表面發生傾斜碰撞，不能與基體形成良好的結合。而且基體粗糙度越大，膜基結合界面存在較多缺陷，局部應力增加，使得基體與MoS2/Ti薄膜不能緊密地結合。

2.3 干摩擦條件下基體粗糙度對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呈現先增大后減小的趨勢，其值分別為0.101,0.116,0.124,0.116。由此可以發現MoS2/Ti薄膜的摩擦因數與其臨界結合力具有相關性，臨界結合力較大的薄膜，其摩擦因數較小。

圖5 干摩擦條件下MoS2/Ti薄膜的摩擦因數

根據分子-機械摩擦理論[16-17]，滑動摩擦時既要克服表面粗糙峰的機械嚙合阻力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，其數學模型表達式為：

μ=μ1+μ2

(1)

(2)

(3)

式中：μ為整體摩擦因數；μ1為分子間相互作用引起的摩擦因數；μ2為對偶表面粗糙峰對薄膜犁溝作用引起的摩擦因數；τ0為黏著點的抗剪強度；H為硬度；β,K,ν為系數；Δ為粗糙度指標；p為摩擦接觸點的平均壓力。由2.1節分析可知，當基體表面粗糙度增加時，薄膜粗糙度隨之增加，同時真實接觸面積減小，p隨之增加，由式(3)可得μ2增大。MoS2薄膜優異的潤滑性能源于它的層狀結構，單元層間以較弱的范德瓦爾斯力相結合，因此層間的剪切強度較低[18]。當結晶度較高時，片層結構較完整，有利于減小摩擦力。通過2.1節分析發現，隨基體粗糙度增加，薄膜中(002)和(100)取向的MoS2結晶強度先減小再增加，導致τ0先增加再減小。由式(2)可知，μ1變化規律與τ0一致。綜上可得，MoS2/Ti薄膜的摩擦因數受到機械嚙合力和分子作用力協同作用，當表面粗糙度較大時(Ra=0.26 μm)，分子作用力對摩擦因數的影響更加顯著。

圖6為干摩擦條件下MoS2/Ti薄膜的磨痕形貌，從圖6中可以發現當基體表面粗糙度較低時，薄膜的磨痕淺而窄，表面存在沿滑動方向的微溝槽，主要磨損機制是磨粒磨損，這與相關文獻報道的結果一致[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，并且產生了明顯的片層剝落現象。分析其原因：隨著基體粗糙度的增加，一方面對偶面之間的機械嚙合作用增強，加劇了薄膜的磨損；另一方面薄膜與基體材料的結合性能呈下降趨勢(2.2節)，導致易于產生片層脫落現象，此時片狀碎片的產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薄膜摩擦因數和磨損率的變化趨勢一致，基體表面粗糙度較小時(Ra=0.01 μm)，薄膜的摩擦磨損性能較優異；而基體粗糙度在0.11 μm左右時，MoS2/Ti薄膜摩擦學性能較差，在實際應用過程中應該避免選用此范圍內的基體表面粗糙度。

2.4 復合潤滑條件下基體粗糙度對摩擦磨損性能的影響

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

圖9 復合潤滑條件下MoS2/Ti薄膜的摩擦因數 (a)固體-油潤滑；(b)固體-脂潤滑

對于不同的潤滑條件，基體表面粗糙度對薄膜摩擦因數影響的機理不同。與干摩擦相比，薄膜在油潤滑條件下，接觸界面上形成的油膜避免了摩擦對偶副的直接接觸，其在結構上與典型的邊界潤滑相似[20]。根據邊界摩擦的機理，摩擦界面之間同時存在粗糙峰的直接接觸和潤滑油接觸，總的摩擦力F表達式為[21]：

F=A[ατS+(1-α)τL]+FP

(4)

式中：A為真實接觸面積；α為薄膜粗糙峰接觸面積占A中的百分數；τS和τL分別為MoS2/Ti薄膜與潤滑油的表面剪切強度；FP為犁溝力，一般可忽略。由于τL小于τS，因此邊界潤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Wenzel-Cassie模型，可知MoS2薄膜為微親油表面[22]。對于油潤滑表面，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，摩擦因數降低[23]。由此可知，在基體粗糙度為0.06～0.26 μm范圍時，接觸面積增加導致的μ增加幅度與接觸角減小導致的μ減小幅度相當，從而使摩擦因數基本相當。

由于潤滑脂是一種膠狀物質，因此具有不同于潤滑油獨特的流變特性。在鋰基脂潤滑條件下，復合膜處于不連續的邊界潤滑狀態[24]。隨基體表面粗糙度的增加，平均摩擦因數分別為0.131,0.127,0.139,0.136。由于MoS2易在摩擦對副表面形成轉移膜，因此能夠有效減小摩擦[25]。但潤滑脂的黏度系數較大，流動性較差，導致MoS2轉移層的形成過程較慢。所以MoS2/Ti薄膜-脂復合潤滑的磨合階段較長，且摩擦因數較大，如圖9(b)所示。Cann等[26-27]發現潤滑脂的平均潤滑膜厚度隨實驗時間的延長先下降后回升并逐漸趨于穩定，且在低速條件下，脂潤滑膜的厚度會產生波動。因此，MoS2/Ti-脂復合潤滑的摩擦因數先增大后減小并逐漸趨于穩定，波動幅度較大，潤滑效果不佳。

在固體-油復合潤滑條件下，MoS2薄膜的磨損機理發生了改變，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，薄膜的磨損情況無明顯變化。MoS2薄膜-油復合潤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-脂復合潤滑條件下，MoS2/Ti薄膜表面呈現嚴重的片狀剝落，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。由于潤滑脂的潤滑被認為是乏油潤滑，遷移能力較差，造成接觸區油膜厚度和均勻性下降，因此MoS2薄膜的磨損率較干摩擦時增加。

圖10 油潤滑條件下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 結論

(1)干摩擦條件下，基體表面粗糙度對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和磨損率都是先增加后減小。基體表面粗糙度較大時(Ra=0.26 μm)，相比于表面粗糙峰機械嚙合作用的影響，分子間作用力的影響占主導作用。

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

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