專利名稱：二硫化鉬基潤滑耐磨復(fù)合薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域的制備方法，具體是一種二硫化鉬基潤滑 耐磨復(fù)合薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
普通層狀結(jié)構(gòu)(2H)的過渡族金屬硫化物MoS2晶體是S-Mo-S原子形成的六方體 結(jié)構(gòu)，在每一層里S-Mo原子是以很強的共價鍵結(jié)合，層與層之間是以很弱的范德瓦爾斯鍵 結(jié)合，層與層之間易于滑動，呈現(xiàn)出良好的潤滑性能，因而被廣泛用作干摩擦狀態(tài)下的固態(tài) 薄膜潤滑材料。但是由于層狀結(jié)構(gòu)的MoS2晶體邊緣不飽和的懸掛鍵具有化學(xué)活性，在大氣 (特別是潮濕空氣)和富氧環(huán)境的摩擦過程中容易被氧化生成MoO3和H2SO4使其摩擦性能 急劇下降，甚至失去潤滑作用，MoS2薄膜的這一缺點大大限制了其在大氣環(huán)境中的應(yīng)用。與 此同時，近年來TiN薄膜由于其高強度、高硬度，可以有效地提高材料的耐磨性能和使用壽 命而被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，然而，較高的摩擦系數(shù)、較差的韌性和較低的結(jié)合力無法滿足 其應(yīng)用環(huán)境的要求。經(jīng)對現(xiàn)有文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，S. Gangopadhyay等在雜志Surface & Coatings Technology 2009 年第 203 期第 3297-3305 頁發(fā)表的《Pulsed DC magnetron sputtered MoSx-TiN composite coatingfor improved mechanical properties and tribological perfprmance))(脈沖直流磁控濺射制備MoSx-TiN復(fù)合薄膜的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能研究) 發(fā)現(xiàn)，MoSx-TiN復(fù)合薄膜的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能較純MoS2和純TiN薄膜的有所提高，摩 擦系數(shù)最好為0. 3，硬度高，承載能力強，抗磨性能好。但是，該方法制備的MoSx-TiN復(fù)合 薄膜的摩擦系數(shù)相對較大，仍不能滿足干摩擦無油狀態(tài)下的潤滑性能要求，另外也未考慮 MoSx-TiN復(fù)合薄膜在潮濕大氣條件下的抗氧化性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種二硫化鉬基潤滑耐磨復(fù)合薄膜的 制備方法，制備得到良好摩擦性能的薄膜，其耐磨性能和使用壽命有了極大的提高，拓展了 MoS2在大氣環(huán)境下的應(yīng)用范圍。由于在濺射復(fù)合薄膜之前，在基體上濺射有一層IOOnm左 右的中間層，進(jìn)一步增強金屬基體與薄膜之間的結(jié)合強度。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明首先將基片拋光后超聲清洗并吹干， 然后置于濺射室中進(jìn)行中間層濺射和復(fù)合層反應(yīng)磁控濺射，待濺射室自然冷卻至室溫，得 到反應(yīng)磁控濺射制備的新型MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜。所述的基片為不銹鋼。所述的拋光是指將基片拋光至光潔度小于0. 05 μ m ；所述的超聲清洗是指采用分析純酒精、丙酮將拋光后的不銹鋼基片置于超聲清 洗機(jī)中分別超聲清洗30min，后用壓縮氮氣吹干基片表面。所述的中間層濺射是指將濺射室本底真空抽至ICT4Pa后，通入氬氣并調(diào)整氣體流量計使氣壓達(dá)到lPa，設(shè)置濺射功率為100W，濺射時間為15min，在基片上直流濺射純Ti 靶或純M靶，制成厚度約IOOnm的中間層； 所述的復(fù)合層反應(yīng)磁控濺射是指濺射室中通入的氣體為氬氣和氮氣的混合氣 體，其中氬氣為濺射氣體，氮氣為反應(yīng)氣體。調(diào)節(jié)氮氣和氬氣流量計，使得A2:^5* =1: I8，在 0. 5 2Pa氬氣和氮氣混合氣體環(huán)境下，分別設(shè)置
a) MoS2靶射頻濺射功率為100 300W ；b)純鈦靶直流濺射功率10 50W ；兩靶同時開啟進(jìn)行濺射，濺射時間為40 90min，制成厚度為0. 5 2μπι的復(fù)合層。本發(fā)明采用反應(yīng)磁控濺射，利用MoS2晶體結(jié)構(gòu)具有低摩擦系數(shù)的特性，加入Ti和 N成分，形成了 MoS2和TixN的復(fù)合薄膜。由于TixN的加入，薄膜的摩擦磨損性能有了極大 的提高，拓展了 MoS2在大氣環(huán)境下的使用范圍。由于在濺射復(fù)合薄膜之前，在基體上濺射 有一層IOOnm左右的中間層，進(jìn)一步增強金屬基體與薄膜之間的結(jié)合強度。本發(fā)明制備工藝簡單，沉積過程易于控制，薄膜沉積后無需進(jìn)行熱處理，可直接作 為機(jī)械零部件表面的減摩防護(hù)薄膜使用。本發(fā)明制備的復(fù)合薄膜具有低摩擦系數(shù)的同時耐 磨性能優(yōu)良，與金屬基底有較高的結(jié)合力，可用于制造軸承、陀螺儀和齒輪等零部件表面的 減摩防護(hù)薄膜。
具體實施例方式下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施 例。實施例1將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 05 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約15min， 關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調(diào)節(jié)濺射室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電源，用射 頻濺射MoS2靶，功率100W，直流濺射鈦靶，功率10W，工作氣壓為lPa，濺射時間40分鐘，關(guān) 閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成薄膜厚度約0. 5 μ m的薄膜。本實施例 制備得到的MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜，經(jīng)EDS能譜分析，得到其原子百分比為92. 9at. % MoS2+7. lat. % Ti1.2N。實施例2將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 05 μ m,并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約15min， 關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調(diào)節(jié)濺射室內(nèi)氣壓為1. 4Pa，開啟電源，用射 頻濺射MoS2靶，功率300W，直流濺射Ti靶，功率20W，工作氣壓為1. 4Pa,濺射時間70分鐘， 關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成薄膜厚度約2. O μ m的薄膜。本實施 例制備得到的MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜，經(jīng)EDS能譜分析，得到其原子百分比為95. 3at. %MoS2+4. 7at. % Ti1.5N。實施例3將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 05 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約15min， 關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調(diào)節(jié)濺射室內(nèi)氣壓為0. 8Pa，開啟電源，用射 頻濺射MoS2靶，功率200W，直流濺射Ti靶，功率20W，工作氣壓為0. 8Pa,濺射時間60分鐘， 關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成薄膜厚度約1. Iym的薄膜。本實施 例制備得到的MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜，經(jīng)EDS能譜分析，得到其原子百分比為94. Iat. % MoS2+5. 9at. % Ti1.4N。實施例4將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 05 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約15min， 關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調(diào)節(jié)濺射室內(nèi)氣壓為2Pa，開啟電源，用射 頻濺射MoS2靶，功率100W，直流濺射Ti靶，功率50W，工作氣壓為2Pa，濺射時間65分鐘，關(guān) 閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成薄膜厚度約1. 5μπι的薄膜。本實施例 制備得到的MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜，經(jīng)EDS能譜分析，得到其原子百分比為74. 9at. % MoS2+25. lat. % Ti4.2N。實施例5將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 05 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約15min， 關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調(diào)節(jié)濺射室內(nèi)氣壓為0. 5Pa，開啟電源，用射 頻濺射MoS2靶，功率200W，直流濺射Ti靶，功率30W，工作氣壓為0. 5Pa,濺射時間50分鐘， 關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成薄膜厚度約0. 7 μ m的薄膜。本實施 例制備得到的MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜，經(jīng)EDS能譜分析，得到其原子百分比為90. 2at. % MoS2+9. 8at. % Ti2.8N。實施例6將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 05 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約15min， 關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調(diào)節(jié)濺射室內(nèi)氣壓為1. 5Pa，開啟電源，用射 頻濺射MoS2靶，功率150W，直流濺射Ti靶，功率25W，工作氣壓為1. 5Pa,濺射時間80分鐘， 關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成薄膜厚度約1. 3 μ m的薄膜。本實施 例制備得到的MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜，經(jīng)EDS能譜分析，得到其原子百分比為87. 6at. % MoS2+12. 4at. % Ti2.3N。實施例7將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 05 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時間約15min， 關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調(diào)節(jié)濺射室內(nèi)氣壓為1. 8Pa，開啟電源，用射 頻濺射MoS2靶，功率150W，直流濺射Ti靶，功率40W，工作氣壓為1. 8Pa,濺射時間90分鐘， 關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成薄膜厚度約1.8μπι的薄膜。本實施 例制備得到的MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜，經(jīng)EDS能譜分析，得到其原子百分比為81. 4at. % MoS2+18. 6at. % Ti3.6N。 在MFT-4000材料表面性能試驗儀上對MoS2基復(fù)合薄膜的摩擦性能進(jìn)行評價具體 如下對磨材料材質(zhì)為硬度60HRC的GCrl5鋼，直徑為3mm鋼球。試驗條件為試驗載荷 為20N，摩擦方式為往復(fù)摩擦，摩擦長度10mm，摩擦頻率50Hz，試驗時間30min，干摩擦(無 油潤滑)狀態(tài)，在室溫空氣(相對濕度為50% 70% )條件下進(jìn)行，測試過程中自動記錄 摩擦系數(shù)。使用納米壓痕儀對MoS2基復(fù)合薄膜的力學(xué)性能進(jìn)行評價。表1為實施例1-7的 MoS2基復(fù)合薄膜以及純MoS2薄膜在室溫空氣(相對濕度為50% 70% )中的平均動摩擦 系數(shù)(μ )。表2為實施例1-7的MoS2基復(fù)合薄膜以及純MoS2薄膜的納米硬度。表1和表 2均為MoS2基復(fù)合薄膜和純MoS2薄膜在相對濕度為50% 70%環(huán)境中放置1個月后的測 試結(jié)果。表 1 表 2 上述實施例與現(xiàn)有技術(shù)相比1、摩擦系數(shù)低，摩擦系數(shù)穩(wěn)定。本實施例1-7的MoS2基復(fù)合薄膜在室溫空氣(相 對濕度為50% 70%)中平均動摩擦系數(shù)分別為0. 126,0. 108,0. 097,0. 121,0. 102,0. 091 和0.095，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于純MoS2薄膜在室溫空氣(相對濕度為50% 70%)中的平均動摩擦系 數(shù)0. 496，并且在室溫空氣中摩擦系數(shù)變化極小，表現(xiàn)出良好的環(huán)境摩擦穩(wěn)定性。本實施例 1-7的MoS2基復(fù)合薄膜以及純MoS2薄膜均在相對濕度為50% 70%環(huán)境中放置1個月后 測試。測試結(jié)果顯示，復(fù)合薄膜在半小時的往復(fù)摩擦循環(huán)過程中，其摩擦系數(shù)變化平穩(wěn)、波 動小。2、硬度較高。本實施例1-7的MoS2基復(fù)合薄膜其納米硬度分別達(dá)到了 4. 17,5. 63、 6. 14,7. 82,5. 76,6. 39,7. 23GPa，而純MoS2薄膜納米硬度為0. 27GPa。可見實施例1_7的 MoS2基復(fù)合薄膜在潮濕大氣中放置1個月后仍具有良好的硬度性能，抗氧化性能好，優(yōu)于純MoS2薄膜。 反應(yīng)磁控濺射制備的新型MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜在室溫空氣(相對濕度為 50% 70% )條件下具有低的摩擦系數(shù)，耐磨抗氧化性能優(yōu)良，并且具有較高的硬度，可用 于制造軸承、陀螺儀和齒輪等零部件表面的減摩防護(hù)薄膜。
權(quán)利要求
一種MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于首先將基片拋光后超聲清洗并吹干，然后置于濺射室中進(jìn)行中間層濺射和復(fù)合層反應(yīng)磁控濺射，待濺射室自然冷卻至室溫，得到反應(yīng)磁控濺射制備的新型MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜的制備方法，其特征是，所述的基 片為不銹鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜的制備方法，其特征是，所述的拋 光是指將基片拋光至光潔度小于0. 05 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜的制備方法，其特征是，所述的超 聲清洗是指采用分析純酒精、丙酮將拋光后的不銹鋼基片置于超聲清洗機(jī)中分別超聲清 洗30min，后用壓縮氮氣吹干基片表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜的制備方法，其特征是，所述的中 間層濺射是指將濺射室本底真空抽至KT4Pa后，通入氬氣并調(diào)整氣體流量計使氣壓達(dá)到 IPa,設(shè)置濺射功率為100W，濺射時間為15min，在基片上直流濺射純Ti靶或純M靶，制成 厚度約IOOnm的中間層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜的制備方法，其特征是，所述的復(fù) 合層反應(yīng)磁控濺射是指濺射室中通入的氣體為氬氣和氮氣的混合氣體，調(diào)節(jié)氮氣和氬氣 流量計，使得PN2:PAr＝118，在0. 5 2Pa氬氣和氮氣混合氣體環(huán)境下，分別設(shè)置a)MoS2靶射頻濺射功率為100 300W ；b)純鈦靶直流濺射功率10 50W；兩靶同時開啟進(jìn)行濺射，濺射時間為40 90min，制成厚度為0. 5 2μπι的復(fù)合層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜的制備方法，其特征是，所述的混 合氣體中氬氣為濺射氣體，氮氣為反應(yīng)氣體。
全文摘要
一種固體潤滑技術(shù)領(lǐng)域的二硫化鉬基潤滑耐磨復(fù)合薄膜的制備方法，通過將基片拋光后超聲清洗并吹干，然后置于濺射室中進(jìn)行中間層濺射和復(fù)合層反應(yīng)磁控濺射，待濺射室自然冷卻至室溫，得到反應(yīng)磁控濺射制備的新型MoS2基潤滑耐磨復(fù)合薄膜。本發(fā)明制備得到良好摩擦性能的薄膜，其耐磨性能和使用壽命有了極大的提高，拓展了MoS2在大氣環(huán)境下的應(yīng)用范圍。
文檔編號C23C14/06GK101906614SQ20101019654
公開日2010年12月8日 申請日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10日
發(fā)明者何丹農(nóng), 余震, 尹桂林, 李倩倩, 王永強, 鄭慈航 申請人:上海交通大學(xué);上海納米技術(shù)及應(yīng)用國家工程研究中心有限公司