專利名稱：二硫化鉬基潤滑耐磨復合薄膜的制備方法
技術領域：
本發明涉及的是一種固體潤滑技術領域的制備方法，具體是一種二硫化鉬基潤滑 耐磨復合薄膜的制備方法。
背景技術：
普通層狀結構(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 結構，在每一層里S-Mo原子是以很強的共價鍵結合，層與層之間是以很弱的范德瓦爾斯鍵 結合，層與層之間易于滑動，呈現出良好的潤滑性能，因而被廣泛用作干摩擦狀態下的固態 薄膜潤滑材料。但是由于層狀結構的MoS2晶體邊緣不飽和的懸掛鍵具有化學活性，在大氣 (特別是潮濕空氣)和富氧環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境中的應用。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 命而被廣泛應用于各個領域，然而，較高的摩擦系數、較差的韌性和較低的結合力無法滿足 其應用環境的要求。經對現有文獻檢索發現，S. Gangopadhyay等在雜志Surface & Coatings Technology 2009 年第 203 期第 3297-3305 頁發表的《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復合薄膜的力學性能和摩擦學性能研究) 發現，MoSx-TiN復合薄膜的力學性能和摩擦學性能較純MoS2和純TiN薄膜的有所提高，摩 擦系數最好為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復合 薄膜的摩擦系數相對較大，仍不能滿足干摩擦無油狀態下的潤滑性能要求，另外也未考慮 MoSx-TiN復合薄膜在潮濕大氣條件下的抗氧化性能。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種二硫化鉬基潤滑耐磨復合薄膜的 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在大氣環境下的應用范圍。由于在濺射復合薄膜之前，在基體上濺射有一層IOOnm左 右的中間層，進一步增強金屬基體與薄膜之間的結合強度。本發明是通過以下技術方案實現的，本發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行中間層濺射和復合層反應磁控濺射，待濺射室自然冷卻至室溫，得 到反應磁控濺射制備的新型MoS2基潤滑耐磨復合薄膜。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，通入氬氣并調整氣體流量計使氣壓達到lPa，設置濺射功率為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； 所述的復合層反應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，氮氣為反應氣體。調節氮氣和氬氣流量計，使得A2:^5* =1: I8，在 0. 5 2Pa氬氣和氮氣混合氣體環境下，分別設置
a) MoS2靶射頻濺射功率為100 300W ；b)純鈦靶直流濺射功率10 50W ；兩靶同時開啟進行濺射，濺射時間為40 90min，制成厚度為0. 5 2μπι的復合層。本發明采用反應磁控濺射，利用MoS2晶體結構具有低摩擦系數的特性，加入Ti和 N成分，形成了 MoS2和TixN的復合薄膜。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在大氣環境下的使用范圍。由于在濺射復合薄膜之前，在基體上濺射 有一層IOOnm左右的中間層，進一步增強金屬基體與薄膜之間的結合強度。本發明制備工藝簡單，沉積過程易于控制，薄膜沉積后無需進行熱處理，可直接作 為機械零部件表面的減摩防護薄膜使用。本發明制備的復合薄膜具有低摩擦系數的同時耐 磨性能優良，與金屬基底有較高的結合力，可用于制造軸承、陀螺儀和齒輪等零部件表面的 減摩防護薄膜。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護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。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為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， 關閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調節濺射室內氣壓為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 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基潤滑耐磨復合薄膜，經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。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為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， 關閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調節濺射室內氣壓為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基潤滑耐磨復合薄膜，經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。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為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， 關閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調節濺射室內氣壓為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基潤滑耐磨復合薄膜，經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。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為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， 關閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調節濺射室內氣壓為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 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基潤滑耐磨復合薄膜，經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。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為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， 關閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調節濺射室內氣壓為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基潤滑耐磨復合薄膜，經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。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為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， 關閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調節濺射室內氣壓為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基潤滑耐磨復合薄膜，經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。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調整真空室內氣壓為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， 關閉電源。通入一定量氬氣和氮氣的混合氣體，調節濺射室內氣壓為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基潤滑耐磨復合薄膜，經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基復合薄膜的摩擦性能進行評價具體 如下對磨材料材質為硬度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，在室溫空氣(相對濕度為50% 70% )條件下進行，測試過程中自動記錄 摩擦系數。使用納米壓痕儀對MoS2基復合薄膜的力學性能進行評價。表1為實施例1-7的 MoS2基復合薄膜以及純MoS2薄膜在室溫空氣(相對濕度為50% 70% )中的平均動摩擦 系數(μ )。表2為實施例1-7的MoS2基復合薄膜以及純MoS2薄膜的納米硬度。表1和表 2均為MoS2基復合薄膜和純MoS2薄膜在相對濕度為50% 70%環境中放置1個月后的測 試結果。表 1 表 2 上述實施例與現有技術相比1、摩擦系數低，摩擦系數穩定。本實施例1-7的MoS2基復合薄膜在室溫空氣(相 對濕度為50% 70%)中平均動摩擦系數分別為0. 126,0. 108,0. 097,0. 121,0. 102,0. 091 和0.095，遠遠低于純MoS2薄膜在室溫空氣(相對濕度為50% 70%)中的平均動摩擦系 數0. 496，并且在室溫空氣中摩擦系數變化極小，表現出良好的環境摩擦穩定性。本實施例 1-7的MoS2基復合薄膜以及純MoS2薄膜均在相對濕度為50% 70%環境中放置1個月后 測試。測試結果顯示，復合薄膜在半小時的往復摩擦循環過程中，其摩擦系數變化平穩、波 動小。2、硬度較高。本實施例1-7的MoS2基復合薄膜其納米硬度分別達到了 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，優于純MoS2薄膜。 反應磁控濺射制備的新型MoS2基潤滑耐磨復合薄膜在室溫空氣(相對濕度為 50% 70% )條件下具有低的摩擦系數，耐磨抗氧化性能優良，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薄膜。
權利要求
一種MoS2基潤滑耐磨復合薄膜的制備方法，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行中間層濺射和復合層反應磁控濺射，待濺射室自然冷卻至室溫，得到反應磁控濺射制備的新型MoS2基潤滑耐磨復合薄膜。
2.根據權利要求1所述的MoS2基潤滑耐磨復合薄膜的制備方法，其特征是，所述的基 片為不銹鋼。
3.根據權利要求1所述的MoS2基潤滑耐磨復合薄膜的制備方法，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.根據權利要求1所述的MoS2基潤滑耐磨復合薄膜的制備方法，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中分別超聲清 洗30min，后用壓縮氮氣吹干基片表面。
5.根據權利要求1所述的MoS2基潤滑耐磨復合薄膜的制備方法，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，通入氬氣并調整氣體流量計使氣壓達到 IPa,設置濺射功率為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.根據權利要求1所述的MoS2基潤滑耐磨復合薄膜的制備方法，其特征是，所述的復 合層反應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，調節氮氣和氬氣 流量計，使得PN2:PAr＝118，在0. 5 2Pa氬氣和氮氣混合氣體環境下，分別設置a)MoS2靶射頻濺射功率為100 300W ；b)純鈦靶直流濺射功率10 50W；兩靶同時開啟進行濺射，濺射時間為40 90min，制成厚度為0. 5 2μπι的復合層。
7.根據權利要求6所述的MoS2基潤滑耐磨復合薄膜的制備方法，其特征是，所述的混 合氣體中氬氣為濺射氣體，氮氣為反應氣體。
全文摘要
一種固體潤滑技術領域的二硫化鉬基潤滑耐磨復合薄膜的制備方法，通過將基片拋光后超聲清洗并吹干，然后置于濺射室中進行中間層濺射和復合層反應磁控濺射，待濺射室自然冷卻至室溫，得到反應磁控濺射制備的新型MoS2基潤滑耐磨復合薄膜。本發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在大氣環境下的應用范圍。
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 優先權日2010年6月10日
發明者何丹農, 余震, 尹桂林, 李倩倩, 王永強, 鄭慈航 申請人:上海交通大學;上海納米技術及應用國家工程研究中心有限公司