專利名稱：一種w-s-c復(fù)合膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固體潤滑復(fù)合膜的制備方法，特別涉及一種W-S-C固體潤滑復(fù)合 膜的制備方法。
背景技術(shù)：
二硫化鎢(WS2)在真空環(huán)境以及惰性氣氛下具有低的摩擦系數(shù)，同時(shí)具有較高的 使用溫度(大于450°c)，因此作為航空航天在高真空下的潤滑材料被大量研究。但WS2由 于其晶體邊緣的不飽和懸掛鍵具有化學(xué)活性，在摩擦過程中易被氧化，降低了其摩擦磨損 性能，在大氣中，特別是在潮濕的空氣中，硫系化合物的潤滑性能會(huì)發(fā)生退化甚至失效。同 時(shí)，由于單純用磁控濺射制備的純WS2固體潤滑薄膜呈現(xiàn)柱狀生長結(jié)構(gòu)，具有這種結(jié)構(gòu)的薄 膜耐負(fù)載能力不好，耐磨性能相對較差。類金剛石膜(DLC)是一種具有高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定 性，尤其是具有良好的力學(xué)和摩擦性能的薄膜材料，其作為固體潤滑膜在軸承、齒輪、航天 微電子機(jī)械系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而DLC的一個(gè)突出問題就是膜的熱穩(wěn)定性 不夠，DLC膜在大氣下是穩(wěn)定的，但當(dāng)加熱超過300°C時(shí)，將會(huì)逐漸發(fā)生相變即石墨晶化，從 而導(dǎo)致內(nèi)部力學(xué)性能失效。為了提高WS2在大氣環(huán)境下的抗摩擦磨損性能，使該潤滑劑可以在大氣/真空等 不同條件下都具有良好的潤滑效果，適應(yīng)變化環(huán)境對性能的使用要求。已有研究將WS2與 DLC結(jié)合制備W-S-C復(fù)合膜，該復(fù)合膜依次由基材、金屬過渡層和由WS2和DLC摻雜的混合 層。利用DLC在大氣下低的摩擦系數(shù)和高的抗磨性能以提高復(fù)合膜在大氣下的穩(wěn)定性和抗 摩擦磨損性能，而WS2提供高溫、高真空條件下的潤滑性能。這種復(fù)合膜層有望在變化的環(huán) 境下實(shí)現(xiàn)潤滑效果，因此在航空航天領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。磁控濺射沉積W-S-C復(fù)合膜一般有共濺射法或者是氣體源與濺射結(jié)合的方法，比 如T. Polcar等人(《Wear》，2009，266 :388_392)采用獨(dú)立的石墨靶與WS2靶進(jìn)行射頻濺 射共沉積或者采用鑲嵌靶進(jìn)行濺射沉積，在大氣下的摩擦系數(shù)達(dá)到0. 15^0. 25。采用Ti作 為過渡層與沒有金屬過渡層相比，結(jié)合強(qiáng)度并沒有得到提高。M. Evaristo 等人(《Surface and Coatings Technology)), 2005, 200 1076-1079)
采用射頻共濺射WS2靶和C靶的方法沉積W-S-C復(fù)合膜，發(fā)現(xiàn)采用Ti過渡層和沒有過渡層 的膜/基結(jié)合力相差不大，得到的膜/基結(jié)合力在5 28N左右。T. Koch 等人(《Thin Solid Films)), 2009, 518 :185_193)采用射頻磁控濺射 WS2 靶中加入CH4的方法沉積W-S-C復(fù)合膜，復(fù)合膜的硬度在1. 8飛GPa，大氣下的摩擦系數(shù)在 0. 07～0. 18。A. Nossa 等人(((Surface and Coatings Technology》，2001，142—144 :984_991 ； ((Surface and Coatings Technology》，2003，163-164 :552 - 560)則采用磁控溉射WS2^* 加入CH4氣體反應(yīng)形成W-S-C復(fù)合膜，摩擦系數(shù)在0. 15^0. 25，膜/基結(jié)合力只有5飛N ；然 而采用Ti金屬過渡層后，膜/基結(jié)合力只提高到7N，膜/基結(jié)合力比較差。在這些方法中，為了防止硫元素?fù)p失，一般都采用較低的沉積偏壓和沉積溫度，或者基體不加偏壓。雖然這些方法對防止硫損失具有一定的作用，但并不利于獲得致密的膜 層結(jié)構(gòu)。因此，提高復(fù)合膜層的致密性、獲得較高的膜/基結(jié)合力對復(fù)合膜層的潤滑性能至 關(guān)重要。另外，這些方法均采用射頻磁控濺射沉積WS2,由于射頻的輻射比較大，對人體產(chǎn)生 危害。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有W-S-C復(fù)合膜制備方法的缺點(diǎn)和不足，提供一種膜/基 結(jié)合力高、摩擦系數(shù)小的具有良好潤滑效果，安全無污染，對人體沒有危害的W-S-C復(fù)合膜 的制備方法。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的所述W-S-C復(fù)合膜的制備方法依次包括以下 步驟
①將工件進(jìn)行機(jī)械拋光，超聲波除油、清洗，烘干后放入本底真空度5.OX 10_3Pa，溫度 5(T200°C的真空室中，工件轉(zhuǎn)速2 IOrpm ；
②在Ar氣壓力0.2 1. 5Pa，氣體離子源功率0. 2 2. Okff和偏壓20(Tl000V下，用Ar離 子轟擊清洗l(T30min ；
③Ar氣壓為0.2 1. OPa，氣體離子源功率為0. 2 1. 5kW，偏壓為5(T800V，磁控金屬靶功 率為0. 5 10W/cm2，時(shí)間為5 20min，工件連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，沉積金屬過渡層；
④Ar氣壓力0.5 3. OPa，氣體離子源功率0. 1 1. OkW，偏壓30 200V，WS2靶功率為 0. 5 lOW/cm2，石墨靶功率為2 lOW/cm2，厚度0.廣10 m，工件連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，沉積WS2和DLC摻 雜的混合層。所述的金屬靶為Ti、Cr或W。本發(fā)明所述的金屬過渡層為Ti、Cr或W。沉積金屬層Ti、Cr或W是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)慕?屬層和鋼鐵、鈦合金或硬質(zhì)合金等材料的粘附性好，該層的厚度為10(T300nm。本發(fā)明采用氣體離子源離化氬氣進(jìn)行輔助沉積，實(shí)現(xiàn)離子對材料表面的轟擊，離 子源的優(yōu)點(diǎn)是可控范圍廣，可徹底清除表面雜質(zhì)，顯著提高后繼膜層與基體材料的界面結(jié) 合力，同時(shí)可對膜層材料起到轟擊夯實(shí)的作用，從而提高膜層的致密性。本發(fā)明采用磁控濺射與氣體離子源輔助沉積相結(jié)合的方法，工件連續(xù)旋轉(zhuǎn)，采用 磁控濺射金屬靶，基材依次在金屬靶和氣體離子源前面經(jīng)過，獲得氣體離子源輔助沉積的 金屬過渡層。中頻磁控濺射WS2靶可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性差的WS2的濺射沉積，同時(shí)可獲得較高的沉積速 率。另外中頻磁控濺射的方法對人體安全無害，避免了常規(guī)使用射頻磁控濺射WS2時(shí)由于 射頻輻射對人體的傷害。通過工件連續(xù)旋轉(zhuǎn)使基材依次在中頻磁控濺射WS2靶、磁控濺射石墨靶和氣體離 子源前面經(jīng)過，從而形成WS2與DLC摻雜的混合層。本發(fā)明所沉積的W-S-C復(fù)合膜組織致密，在大氣下性能更穩(wěn)定，硬度> HV350，膜/ 基結(jié)合力》40N,摩擦系數(shù)在0. 02、. 15之間。本發(fā)明的方法清潔環(huán)保，對人體無害，工藝簡 單，可以實(shí)現(xiàn)大面積工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
1.采用TC4鈦合金基體，將基材表面拋光后，超聲波除油、清洗，烘干后放入真空室 中，本底真空度5. OX 10_3Pa，溫度150°C，工件轉(zhuǎn)速3pm ；
2.Ar離子轟擊清洗，壓力為0. 5Pa，Ar氣離子源功率lkW，偏壓800V，時(shí)間為30min ；
3.Ar氣流量lOOsccm，氣壓0. 5Pa，Ar氣離子源功率0. 5kff,偏壓150V，直流磁控濺射 Ti靶功率8ff/cm2,時(shí)間lOmin，沉積Ti過渡層；
4.Ar氣流量300sccm，壓力1. 2Pa，偏壓80V，Ar氣離子源功率0. 3kff,中頻磁控濺射WS2 靶功率8W/cm2，直流磁控石墨靶功率2W/cm2，膜層厚度5. 3 m,沉積WS2和DLC摻雜的混合層。沉積得到的W-S-C膜層的硬度為HV357，摩擦系數(shù)為0. 05，膜/基結(jié)合力為42N。實(shí)施例2
1.在同一真空爐內(nèi)放入TC4鈦合金和硬質(zhì)合金基材，將基材表面拋光后，超聲波除油 清洗，烘干后放入真空室中，本底真空度5. 0X10_3Pa，溫度200°C，工件轉(zhuǎn)速3pm ；
2.Ar離子轟擊清洗，壓力為0. 5Pa，Ar氣離子源功率1. Okff,偏壓800V，時(shí)間為30min ；
3.Ar氣流量lOOsccm，氣壓0. 5Pa，Ar氣離子源功率0. 5kff,偏壓150V，直流磁控濺射 Cr靶功率5W/cm2，時(shí)間15min，沉積Cr過渡層；
4.Ar氣流量300sccm，壓力1. OPa，偏壓80V，Ar氣離子源功率0. 4kW，中頻磁控濺射靶 WS2功率為lW/cm2，直流磁控石墨靶功率為8W/cm2，膜層厚度1. 25 m,沉積WS2和DLC摻雜 的混合層。沉積得到的W-S-C膜層中，TC4鈦合金表面膜層硬度為HV451，硬質(zhì)合金剛表面膜 層硬度為HV495，TC4鈦合金表面膜層的摩擦系數(shù)為0. 11，TC4鈦合金表面膜層的膜/基結(jié) 合力為50N，硬質(zhì)合金表面膜層的膜/基結(jié)合力為55N。實(shí)施例3
1.在同一真空爐內(nèi)放入TC4鈦合金和硬質(zhì)合金基材，將基材表面拋光后，超聲波除油 清洗，烘干后放入真空室中，本底真空度5. OX 10_3Pa，過程不加熱，工件轉(zhuǎn)速3pm ；
2.Ar離子轟擊清洗，壓力為0. 5Pa，Ar氣離子源功率1. Okff,偏壓800V，時(shí)間為30min ；
3.Ar氣流量lOOsccm，氣壓0. 5Pa，Ar氣離子源功率1. Okff,偏壓150V，直流磁控W靶 功率3W/cm2，時(shí)間18min，沉積W過渡層；
4.Ar氣流量300sccm，壓力1. OPa，偏壓80V，Ar氣離子源功率0. 4kff,中頻磁控濺射 WS2靶功率為4W/cm2，直流磁控石墨靶功率為6W/cm2，膜層厚度2. 45 m,沉積WS2和DLC摻 雜的混合層。沉積得到的W-S-C膜層中，TC4鈦合金表面膜層硬度為HV432，硬質(zhì)合金剛表面膜 層硬度為HV465，TC4鈦合金表面膜層的摩擦系數(shù)為0. 09，TC4鈦合金表面膜層的膜/基結(jié) 合力為44N，硬質(zhì)合金表面膜層的膜/基結(jié)合力為47N。測試方法如下
①膜層厚度采用橫截面掃描電鏡法測量；
膜層硬度采用維氏顯微硬度計(jì)測量載荷25g，加載時(shí)間15秒，測5點(diǎn)硬度取平均
5Cl)膜/基結(jié)合力采用薄膜結(jié)合強(qiáng)度劃痕試驗(yàn)儀測量加載速度為lOON/min，劃行速
度為5mm/min，劃行時(shí)間為1分鐘；
④膜層摩擦系數(shù)采用球_盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測量，對磨件材質(zhì)為GCrl5，線速度為 0. 2m/s，載荷為 2N。
權(quán)利要求
一種W S C復(fù)合膜的制備方法，其特征是依次包括以下步驟①將工件進(jìn)行機(jī)械拋光，超聲波除油、清洗，烘干后放入本底真空度5.0×10 3Pa，溫度50~200℃的真空室中，工件轉(zhuǎn)速2~10rpm；②在Ar氣壓力0.2~1.5Pa，氣體離子源功率0.2~2.0 kW和偏壓200~1000V下，用Ar離子轟擊清洗10~30min；③Ar氣壓為0.2~1.0Pa，氣體離子源功率為0.2~1.5kW，偏壓為50~800V，磁控金屬靶功率為0.5~10W/cm2，時(shí)間為5~20min，工件連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，沉積金屬過渡層；④Ar氣壓力0.5~3.0Pa，氣體離子源功率0.1~1.0kW，偏壓30~200V，WS2靶功率為0.5~10W/cm2，石墨靶功率為2~10W/cm2，厚度0.1~10 m，工件連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，沉積WS2和DLC摻雜的混合層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的W-S-C復(fù)合膜的制備方法，其特征是所述的金屬靶為Ti、Cr 或W。
全文摘要
一種W-S-C復(fù)合膜的制備方法。其特征是采用氣體離子源輔助沉積，采用直流磁控濺射沉積金屬過渡層，采用中頻磁控濺射WS2靶沉積WS2和磁控濺射石墨靶形成DLC獲得W-S-C復(fù)合膜。本發(fā)明的方法可以獲得較高的沉積速率，并且清潔環(huán)保，對人體安全無害。本發(fā)明的方法制備的W-S-C復(fù)合膜層硬度達(dá)到HV≥350、膜/基結(jié)合力≥40N，摩擦系數(shù)在0.02~0.15之間，具有良好的抗摩擦磨損性能和表面潤滑效果，并提高使用壽命。在航空航天中的高真空、輻射、高溫等情況下具有良好的應(yīng)用前景。本發(fā)明的方法清潔環(huán)保，對人體無害，工藝簡單，可以實(shí)現(xiàn)大面積工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號C23C14/34GK101921983SQ20101027492
公開日2010年12月22日 申請日期2010年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月8日
發(fā)明者代明江, 侯惠君, 宋玉波, 林松盛, 胡芳, 趙利, 韋春貝 申請人:廣州有色金屬研究院