CN101398123B - 一种WS2/MoS2固体润滑多层膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种WS2/MoS2固体润滑多层膜及其制备方法，其是在基体上通过双靶射频溅射交替沉积W层和Mo层制成W/Mo多层膜，然后通过低温离子渗硫该W/Mo多层膜制成的。本发明利用两步法复合处理制备了新型固体润滑薄膜-WS2/MoS2固体润滑纳米多层膜，其各子层厚度相同且硫元素在多层膜内分布均匀，使其在纳米力学性能及减摩耐磨等方面与现有的纳米多层膜相比具有较高的硬度、良好的纳米性能、弹性模量及屈服强度，实用性更强，减摩耐磨性能优异。本发明WS2/MoS2固体润滑多层膜可用于机械装备各种摩擦表面，尤其是精密配合表面减轻摩擦，改善润滑条件。

Description

一种WS2/MoS2固体润滑多层膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种固体润滑多层膜，具体地说是利用两步法既射频溅射及低温离子渗硫制成的WS2/MoS2固体润滑多层膜及其制备方法。
背景技术
固体润滑，是指利用某些具有特殊晶体结构和低剪切强度的固体材料来改善摩擦副之间摩擦磨损的润滑方式，它是流体润滑的有力补充，在航空航天、原子能、军工以及众多工业部门都有重要应用。对于在高温、高压、高载荷、超低温、超高真空、强氧化、强辐射等特殊工况下工作的机械装备零部件，固体润滑将发挥不可替代的润滑作用。
固体润滑薄膜，即固体润滑剂沉积而成的薄膜，通过阻止摩擦副之间的直接接触，可以有效避免摩擦副的粘着磨损和应变疲劳，因而能够显著提高摩擦副材料的摩擦学性能。目前，可以作为固体润滑剂的物质有石墨和二硫化钼等层状物质、塑料和树脂等高分子材料、软金属及其各种化合物等。具有层状结构、低剪切强度特性的硫化物固体润滑材料，是机械设备中摩擦副表面应用得最多的固体润滑薄膜类型，在改善摩擦副的润滑状态方面发挥了很大作用，例如固体润滑剂硫化亚铁(FeS)、二硫化钼(MoS2)等。
但随着新形势的发展，现有的单独由固体润滑剂硫化亚铁(FeS)或二硫化钼(MoS2)等制成的固体润滑薄膜的润滑效率已不能满足一些特殊工况对固体润滑的需求，如精密零件表面的固体润滑。到目前为止，经发明人检索，现有的纳米多层膜只有“固体润滑剂/金属”型，如Hampshire等通过磁控溅射制备了MoS2/Au的微纳米复合膜及多层膜(Surface andCoatings Technology.2000，127(1)：24-37.)；Da-Yung Wang等通过同样的方法制备了不同调制波长的MoS2/Ti纳米多层膜(Surface andCoatings Technology.1999，120-121(11)：629-635.)。虽然“固体润滑剂/金属”型纳米多层膜也有较好的固体润滑作用，但由于多层膜中的金属主要用来帮助形成纳米多层膜，以及纳米多层膜与基体的结合强度，它本身并不具有固体润滑性能，它在纳米多层膜中妨碍了固体润滑性的发挥，因此“固体润滑剂/金属”型纳米多层膜的润滑效率并不理想。
现阶段，固体润滑薄膜的润滑效率需要不断提高，固体润滑薄膜的种类需要不断拓展，固体润滑薄膜对苛刻工况的适应性需要不断加强。在这种背景下，性能明显优于现有固体润滑薄膜，且适用于精密摩擦副表面的固体润滑薄膜是材料学家们研究的重点内容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备工艺简单，纳米力学性能及减摩耐磨性能优异的WS2/MoS2固体润滑多层膜。
本发明的另一目的在于提供一种上述WS2/MoS2固体润滑多层膜的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种WS2/MoS2固体润滑多层膜，其是在基体上通过双靶射频溅射交替沉积W层和Mo层制成W/Mo多层膜，然后通过低温离子渗硫该W/Mo多层膜制成的。
上述的WS2/MoS2固体润滑多层膜，其中，所述双靶射频溅射交替沉积的单层W层和单层Mo层厚度之比为0.95～1.05，所述WS2/MoS2固体润滑多层膜总厚度为1.5～2μm，单层膜厚大约为300nm。
上述的WS2/MoS2固体润滑多层膜，其中，所述W/Mo多层膜的制备过程中，其在基体上交替沉积时的首层和末层可以任意选择，可以为W层也可以为Mo层，没有固定模式。
一种制备WS2/MoS2固体润滑多层膜的方法，其特征在于，其具体步骤如下：首先将基体进行淬火处理，硬度为HRC55，表面粗糙度为0.8μm；然后在双靶射频溅射设备中通过双靶交替在基体上沉积W层和Mo层，靶材采用纯度为90～99.95％的W靶和纯度为90～99.95％的Mo靶，靶距为70mm；当炉内真空度达到2.5×10-3～3×10-3时，通入惰性气体氩气，并将压强控制在1.0～1.2Pa，开始溅射；电流为1.0～2.0A，制成W/Mo多层膜；最后对该W/Mo多层膜进行低温离子渗硫处理最终制得WS/MoS2固体润滑多层膜。
上述WS2/MoS2固体润滑多层膜的制备方法，其中，所述的双靶射频溅射交替沉积W层和Mo层制成W/Mo多层膜，单层W层和单层Mo层的厚度由双靶射频溅射交替沉积步骤中基体在靶前的停留时间、沉积速率来控制，靶距为60～80mm，沉积W层时，基体在W靶前停留时间为：270秒，沉积速率为67nm/min；沉积Mo层时，基体在Mo靶前停留时间为：180秒，沉积速率为100nm/min。
上述的一种WS2/MoS2固体润滑多层膜的制各方法，其中，所述的低温离子渗硫处理其是将所述的W/Mo多层膜接阴极，炉壁接阳极，当真空度达到10Pa时，给炉内通入氨气，充至600Pa，然后再抽至40Pa，在阴阳极之间加高压直流电，该电压为540～560V，在此电压作用下，氨离子轰击阴极，当阴极温度升高至210～230℃后停止轰击，在此温度下固体硫被气化形成硫蒸气，用固体硫蒸气渗硫所述W/Mo多层膜，渗硫处理时间为1.5～2.5小时。所述的渗硫处理时间是指固体硫被气化后硫原子扩渗的时间。
上述的WS2/MoS2固体润滑多层膜的制备工艺中双靶射频溅射采用的设备为射频溅射炉，原理是：电子在电场的作用下加速飞向基体的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基体，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的钨原子/钼原子，呈中性的钨原子/钼原子沉积在基体上成膜。工作时，将基体置于转架上，两靶面分别为射频W靶和射频Mo靶，电压、电流、靶面在基体上的停留时间、靶距等参数可调。工作时，基体旋转到Mo靶面前则沉积Mo层，旋转到W靶面前则沉积W层，从而实现交替沉积。所述钨靶和钼靶的最佳纯度为90～99.95％。
上述的WS2/MoS2固体润滑多层膜是对双靶射频溅射制备的W/Mo多层膜进行低温离子渗硫处理后得到的。由于渗硫时固体硫在高温下气化为硫蒸气，硫气氛弥散于整个低温离子渗硫炉内，通过硫(S)原子的扩散作用将W/Mo多层膜渗透，因此多层膜中每一个W层和Mo层都与S发生反应，分别生成WS2和MoS2，因此最终W/Mo多层膜变成了WS2/MoS2固体润滑纳米多层膜。
本发明所述的WS2/MoS2固体润滑多层膜多应用于机械性设备，与沉积基体间结合强度强，沉积基体可以为金属，玻璃或陶瓷等，最佳沉积基体为金属。
本发明所述的WS2/MoS2固体润滑纳米多层膜可用于各类装备零部件摩擦表面的减摩耐磨，特适用于精密仪器，效果更佳。
本发明的优点与效益：
1、利用射频溅射技术和离子渗硫技术，通过两步法复合处理，制备了新型固体润滑薄膜，WS2/MoS2固体润滑纳米多层膜；由于对其沉积时间和各工艺参数的控制使得各子层厚度相同且硫元素在多层膜内分布均匀，使本发明WS2/MoS2固体润滑多层膜在纳米力学性能及减摩耐磨等方面与现有的纳米多层膜相比性能更优异，实用性更强。
2、本发明制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜具有较高的硬度、弹性模量及屈服强度，因此具有良好的纳米力学性能。
3、本发明制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜结构新颖，通过双靶溅射多层膜然后渗硫处理该多层膜，S原子在多层膜中分布均匀，结构紧密，因此本发明多层膜在摩擦学实验中表现出很好的稳定性，减摩耐磨性能优异。
4、WS2/MoS2固体润滑纳米多层膜具有极为优良的固体润滑性能，即“超滑性”，无论在干摩擦还是在油润滑摩擦条件下，其自身的润滑性能及减摩抗磨性能均比比现有的固体润滑薄膜优异，可用于机械装备各种摩擦表面，尤其是精密配合表面减轻摩擦，改善润滑条件。
下面结合最佳实施方式对本发明做进一步说明，以使公众对发明内容有整体和充分的了解，而并非对本发明保护范围的限定。前述部分已经充分公开了本发明可以实施的保护范围，因此凡依照本发明公开内容进行的任何本领域公知的等同替换，均属于对本发明的侵犯。
附图说明
图1为双靶射频溅射设备示意图；
图2为低温离子渗硫设备示意图；
图3为干摩擦条件下45#钢、WS2薄膜和实施例1制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩擦系数随时间变化曲线；
图4为干摩擦条件下45#钢、WS2薄膜和实施例1制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩痕深度随时间变化曲线；
图5为油润滑条件下45#钢、WS2薄膜和实施例1制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩擦系数随时间变化曲线；
图6为油润滑条件下45#钢、WS2薄膜和实施例1制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩痕深度随时间变化曲线；
图7为干摩擦条件下45#钢、WS2薄膜和实施例2制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩擦系数随时间变化曲线；
图8为干摩擦条件下45#钢、WS2薄膜和实施例2制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩痕深度随时间变化曲线；
图9为油润滑条件下45#钢、WS2薄膜和实施例2制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩擦系数随时间变化曲线；
图10为油润滑条件下45#钢、WS2薄膜和实施例2制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩痕深度随时间变化曲线；
图11为干摩擦条件下45#钢、WS2薄膜和实施例3制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩擦系数随时间变化曲线；
图12为干摩擦条件下45#钢、WS2薄膜和实施例3制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩痕深度随时间变化曲线；
图13为油润滑条件下45#钢、WS2薄膜和实施例3制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩擦系数随时间变化曲线；
图14为油润滑条件下45#钢、WS2薄膜和实施例3制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩痕深度随时间变化曲线。
具体实施方式
一、本发明实施例所用设备及材料来源：
1、双靶射频溅射设备由清华大学自行研制，型号为GDM-450BN。其他厂家生产的用于射频溅射多层膜的不同型号的射频溅射设备也可以应用于本发明，只要依据本发明限定的工艺参数进行操作，均可得到本发明所述产品。
如图1所示为双靶射频溅射设备示意图，工作时，将基体1置于转架2上，两靶面3分别为射频W靶和射频Mo靶，电压、电流、靶面3在基体1上的停留时间、靶距等参数可调。工作时，基体1旋转到Mo靶面前则沉积Mo层，旋转到W靶面前则沉积W层，从而实现交替沉积。
2、低温离子渗硫设备为中国铁道科学研究院研制的，型号为LDM1-100。3、淬火设备为无锡金石开电炉设备有限公司研制的，型号为GCL125～50/1～10。
如图2所示，为以下实施例所述的WS2/MoS2固体润滑多层膜制备工艺中低温离子渗硫处理采用设备示意图。低温离子渗硫技术也叫离子渗硫技术，因为其温度控制在210℃～230℃之间，较之普通渗硫技术所用600℃～700℃温度低很多。如图所示，控制柜15用来控制渗硫过程中的电压等；气瓶4中为氨气通过导入管5导入真空室6中，气流阀7和节流阀8可以控制氨气的流出和流量；装有固体硫粉末的硫容器9和工件10，即本发明中涂覆有W/Mo多层膜的基体，置于连接阴极11的阴极托盘12上，传动系统13可以控制阴极托盘12的转动；壁炉接阳极14，真空泵14用来控制真空度。
3、本发明实施例所用基体为45#钢，性能对比所用45#钢，均产自河北唐钢集团承德钢铁公司，由河北工业大学机械系实验室加工。
4、射频溅射所用靶材：钨靶和钼靶的纯度为90～99.95％，钨靶和钼靶的尺寸分别为：124mm×254mm×2mm，124mm×254mm×10mm；购自宝鸡有色金属有限公司。
5、本实施例所用的对比材料WS2薄膜是由磁控溅射W膜+低温离子渗硫制备得到，均为现有技术。
二、本发明实施例中纳米硬度和弹性模量的测量方法及所用仪器设备：
使用英国微观材料纳米测试科技有限公司研制的Nano Test 600型纳米压痕仪测量WS2/MoS2固体润滑多层膜的纳米硬度和弹性模量。压头最大载荷30μN，加载与卸载时间均为10s，最大载荷持续时间3s，每个试样取5点平均值。
三、本发明实施例中干摩擦条件下摩擦性能随时间变化试验测试方法及所用仪器设备：
采用波兰Instytut Technologii Eksploatacji公司研制的T11球盘式摩擦磨损实验机，上试样为GCr15滚珠钢球，直径为6.35mm，硬度为HV770。下试样分别为45#钢、WS2薄膜和表面制备有WS2/MoS2固体润滑多层膜的45#钢圆盘试块，直径均为25.4mm，厚度为6mm。试验时上试样钢球固定，下试样圆盘旋转。固定转速为0.2m/s，固定载荷为5N。实验温度为20~30℃，实验时间为1小时。摩擦力和磨痕深度分别由力传感器和位移传感器测量，并通过计算机显示。摩擦系数由摩擦力除以载荷得到。
四、本发明实施例中油润滑条件下摩擦性能随时间变化试验测试方法及所用仪器设备：
采用波兰Instytut Technologii Eksploatacji公司研制的T11球盘式摩擦磨损实验机，上试样为GCr15滚珠钢球，直径为6.35mm，硬度为HV770。下试样分别为45#钢、WS2和表面制备有WS2/MoS2固体润滑多层膜的45#钢圆盘试块，直径均为25.4mm，厚度为6mm。试验时上试样钢球固定，下试样圆盘旋转。润滑油为中国石油化工股份有限公司润滑油分公司生产的FB二冲程摩托车机油。固定转速为0.2m/s，固定载荷为40N。实验温度为20~30℃，实验时间为1小时。摩擦力和磨痕深度分别由力传感器和位移传感器测量，并通过计算机显示。摩擦系数由摩擦力除以载荷得到。
实施例1
(1)将基体进行淬火处理，硬度为HRC55，表面粗糙度为0.8μm；
(2)靶材采用纯度为90～99.95％的W靶和纯度为90～99.95％的Mo靶，在双靶射频溅射设备中通过交替在基体上沉积W层和Mo层制成W/Mo多层膜，当炉内真空度达到2.5×10-3时，通入纯度为99.999％的惰性气体氩气，并将压强控制在1.0Pa，开始溅射。电流为1.0A；所述的双靶射频溅射交替沉积W层和Mo层制成W/Mo多层膜厚度由双靶射频溅射交替沉积步骤中基体在靶前的停留时间、沉积速率来控制，靶距为60mm，沉积W层时，基体在W靶前停留时间为：270秒，沉积速率为67nm/min；沉积Mo层时，基体在Mo靶前停留时间为：180秒，沉积速率为100nm/min。单层W层和单层Mo层厚度之比为0.95～1.05。
(3)对步骤(2)制备的W/Mo多层膜进行低温离子渗硫处理；
将所述的W/Mo多层膜接阴极，炉壁接阳极，当真空度达到10Pa时，给炉内通入氨气，充至600Pa，然后再抽至40Pa，在阴阳极之间加高压直流电，该电压540V，在此电压作用下，氨离子轰击阴极，当阴极温度升高至210℃后停止轰击，在此温度下固体硫被气化形成硫蒸气，用固体硫蒸气渗硫所述W/Mo纳米多层膜，渗硫处理时间为1.5小时，最终制备成WS2/MoS2固体润滑多层膜，膜厚为1.5μm。
效果测试：
(一)将W膜、Mo膜、WS2薄膜及MoS2薄膜与实施例1制备出的WS2/MoS2固体润滑多层膜进行纳米硬度(GPa)和弹性模量(GPa)的比较。WS2薄膜和MoS2薄膜是由W膜和Mo膜经低温离子渗硫处理得到的，参数条件同本实施例。
测试结果：见表1。
表1几种薄膜的纳米硬度和弹性模量
薄膜种类 W膜 Mo膜   WS2薄膜   MoS2薄膜     WS2/MoS2多层膜
  纳米硬度(GPa) 15.22 2.90 15.36 1.50 14.45
  弹性模量(GPa) 176.64 223.45 353.97 162.20 261.23
从表1可以看出，WS2/MoS2固体润滑多层膜的纳米硬度和弹性模量都大于单质Mo膜，其弹性模量大于W膜，纳米硬度与W膜近似相等；WS2/MoS2固体润滑多层膜的纳米硬度和弹性模量介于WS2薄膜和MoS2薄膜之间，这是因为多层膜层间位错能的增大所致。WS2/MoS2多层膜的纳米硬度和弹性模量分别为14.45GPa，261.23GPa。这是因为W/Mo多层膜在渗硫过程中生成了WS2和MoS2的缘故，WS2的硬度和弹性模量较大，而MoS2却相反。根据资料证明，高弹性模量和低弹性模量交替的多层膜具有较高的屈服强度，因此WS2/MoS2多层膜的屈服强度较高。
(二)用45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜在干摩擦条件下进行摩擦性能比较。
测试结果：如图3所示为干摩擦条件下45#钢、WS2薄膜和WS2/MoS2固体润滑多层膜摩擦系数随时间变化曲线；图4为干摩擦条件下45#钢、WS2薄膜和WS2/MoS2固体润滑多层膜摩痕深度随时间变化曲线；
从图3可以看出WS2/MoS2固体润滑多层膜的摩擦系数较小且非常稳定，在整个试验过程中，它的摩擦系数都始终远远低于WS2薄膜和45#钢，且一直处于稳定状态，说明本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜结构紧密摩擦性能稳定。
由图4可知，三种薄膜的磨痕深度都随时间不断增大。WS2/MoS2固体润滑多层膜的磨痕深度曲线浮动不大始终处于平稳状态，且始终远远低于WS2薄膜和45#钢，说明本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜结构紧密摩擦性能稳定。
综上可知，WS2/MoS2固体润滑多层膜在干摩擦条件下其自身具有很优异的润滑性能，因此摩擦性能较其他薄膜突出，具有稳定和优良的减摩耐磨性。
(三)用45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜在油润滑条件下进行摩擦性能比较。
测试结果：如图5、图6所示，图5为油润滑条件下45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩擦系数随时间变化曲线；图6为油润滑条件下45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩痕深度随时间变化曲线。
从图5可以看出，WS2/MoS2固体润滑多层膜的初始摩擦系数远远低于45#钢和WS2薄膜。此后，摩擦系数在一个较大范围内变化，比初始值小。在整个试验阶段，由于受到油润滑和自身润滑的双重作用，WS2/MoS2固体润滑多层膜的摩擦系数始终远远低于WS2薄膜和45钢，且。
由图6可知，45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜的磨痕深度随时间在不断增加。但WS2/MoS2固体润滑多层膜的磨痕深度曲线增加缓慢，且较平稳，始终都低于WS2薄膜和45#钢。这说明WS2/MoS2多层膜具有优异的减摩耐磨性能。
综上可知，本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜在油润滑条件下较现有固体润滑薄膜能表现出非常优异且稳定的润滑性能，具有很好的减摩耐磨性能。
实施例2
(1)将基体进行淬火处理，硬度为HRC55，表面粗糙度为0.8μm；
(2)靶材采用纯度为90～99.95％的W靶和纯度为90～99.95％的Mo靶，在双靶射频溅射设备中通过交替在基体上沉积W层和Mo层制成W/Mo纳米多层膜，当炉内真空度达到2.75×10-3Pa时，通入纯度为99.999％的惰性气体氩气，并将压强控制在1.1Pa，开始溅射。电流为1.5A；所述的双靶射频溅射交替沉积W层和Mo层制成W/Mo纳米多层膜厚度由双靶射频溅射交替沉积步骤中基体在靶前的停留时间、沉积速率来控制，靶距为70mm，沉积W层时，基体在W靶前停留时间为：270秒，沉积速率为67nm/min；沉积Mo层时，基体在Mo靶前停留时间为：180秒，沉积速率为100nm/min。单层W层和单层Mo层厚度之比为0.95～1.05。
(3)对步骤(2)制备的W/Mo纳米多层膜进行低温离子渗硫处理；
将所述的W/Mo多层膜接阴极，炉壁接阳极，当真空度达到10Pa时，给炉内通入氨气，充至600Pa，然后再抽至40Pa，在阴阳极之间加高压直流电，该电压550V，在此电压作用下，氨离子轰击阴极，当阴极温度升高至220℃后停止轰击，在此温度下固体硫被气化形成硫蒸气，用固体硫蒸气渗硫所述W/Mo多层膜，渗硫处理时间为2小时，最终制备成WS2/MoS2固体润滑多层膜，膜厚为1.8μm。
效果测试：
(一)将W膜、Mo膜、WS2薄膜及MoS2薄膜与本实施例制备出的WS2/MoS2固体润滑多层膜进行纳米硬度(GPa)和弹性模量(GPa)的比较。WS2薄膜和MoS2薄膜是由W膜和Mo膜经低温离子渗硫处理得到的，参数条件同本实施例。
测试结果：见表2。
表2几种薄膜的纳米硬度和弹性模量
薄膜种类 W膜 Mo膜   WS2薄膜     MoS2薄膜   WS2/MoS2多层膜
    纳米硬度(GPa)   15.22   2.90   15.36     1.50   14.84
    弹性模量(GPa)   176.64   223.45   353.97     162.20   263.87
从1表2可以看出，WS2/MoS2固体润滑多层膜的纳米硬度和弹性模量都大于单质Mo膜，其弹性模量大于W膜，纳米硬度与W膜近似相等；WS2/MoS2固体润滑多层膜的纳米硬度和弹性模量介于WS2薄膜和MoS2薄膜之间，这是因为多层膜层间位错能的增大所致。WS2/MoS2固体润滑多层膜的纳米硬度和弹性模量分别为14.84GPa，263.87GPa。这是因为W/Mo多层膜在渗硫过程中生成了WS2和MoS2的缘故，WS2薄膜的硬度和弹性模量较大，而MoS2却相反。根据资料证明，高弹性模量和低弹性模量交替的多层膜具有较高的屈服强度，因此WS2/MoS2多层膜的屈服强度较高。
(二)用45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜在干摩擦条件下进行摩擦性能比较。
测试结果：如图7所示为干摩擦条件下45#钢、WS2薄膜和WS2/MoS2固体润滑多层膜摩擦系数随时间变化曲线；图8为干摩擦条件下45#钢、WS2薄膜和WS2/MoS2固体润滑多层膜摩痕深度随时间变化曲线；
从图7可以看出WS2/MoS2固体润滑多层膜的摩擦系数较小且非常稳定，在整个试验过程中，它的摩擦系数都始终远远低于WS2薄膜和45#钢。
由图8可知，三种薄膜的磨痕深度都随时间不断增大。WS2/MoS2固体润滑多层膜的磨痕深度曲线浮动不大始终处于平稳状态，且始终远远低于WS2薄膜和45#钢。
由此可知，WS2/MoS2固体润滑多层膜在干摩擦条件下其自身具有很优异的润滑性能，且减摩耐磨性能稳定说明本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜结构紧密，由实验结果可以看出其摩擦性能较其他薄膜突出，具有稳定和优良的减摩耐磨性。
(三)用45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜在油润滑条件下进行摩擦性能比较。
测试结果：如图9、图10所示，图9为油润滑条件下45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩擦系数随时间变化曲线；图10为油润滑条件下45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩痕深度随时间变化曲线。
从图9可以看出，WS2/MoS2固体润滑多层膜的初始摩擦系数远远低于45#钢和WS2薄膜。此后，摩擦系数在一个较大范围内变化，比初始值小。在整个试验阶段，由于受到油润滑和自身润滑的双重作用，WS2/MoS2固体润滑多层膜的摩擦系数始终远远低于WS2薄膜和45钢。
由图10可知，45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜的磨痕深度随时间在不断增加。但WS2/MoS2固体润滑多层膜的磨痕深度曲线增加缓慢，且较平稳，始终都低于WS2薄膜和45#钢。这说明WS2/MoS2多层膜具有优异的减摩耐磨性能。
实施例3
(1)将基体进行淬火处理，硬度为HRC55，表面粗糙度为0.8μm；
(2)靶材采用纯度为90～99.95％的W靶和纯度为90～99.95％的Mo靶，在双靶射频溅射设备中通过交替在基体上沉积W层和Mo层制成W/Mo纳米多层膜，当炉内真空度达到3.0×10-3Pa时，通入纯度为99.999％的惰性气体氩气，并将压强控制在1.2Pa，开始溅射。电流为2A；所述的双靶射频溅射交替沉积W层和Mo层制成W/Mo纳米多层膜厚度由双靶射频溅射交替沉积步骤中基体在靶前的停留时间、沉积速率来控制，靶距为80mm，沉积W层时，基体在W靶前停留时间为：270秒，沉积速率为67nm/min；沉积Mo层时，基体在Mo靶前停留时间为：180秒，沉积速率为100nm/min。单层W层和单层Mo层厚度之比为0.95～1.05。
(3)对步骤(2)制备的W/Mo纳米多层膜进行低温离子渗硫处理；
将所述的W/Mo纳米多层膜接阴极，炉壁接阳极，当真空度达到10Pa时，给炉内通入氨气，充至600Pa，然后再抽至40Pa，在阴阳极之间加高压直流电，该电压560V，在此电压作用下，氨离子轰击阴极，当阴极温度升高至230℃后停止轰击，在此温度下固体硫被气化形成硫蒸气，用固体硫蒸气渗硫所述W/Mo纳米多层膜，渗硫处理时间为2.5小时，最终制备成WS2/MoS2固体润滑多层膜。
效果测试：
(一)将W膜、Mo膜、WS2薄膜及MoS2薄膜与实施例1制备出的WS2/MoS2固体润滑多层膜进行纳米硬度(GPa)和弹性模量(GPa)的比较。WS2薄膜和MoS2薄膜是由W膜和Mo膜经低温离子渗硫处理得到的，参数条件同本实施例。
测试结果：见表3。
表3几种薄膜的纳米硬度和弹性模量
薄膜种类 W膜 Mo膜   WS2薄膜   MoS2薄膜   WS2/MoS2多层膜
    纳米硬度(GPa)   15.22   2.90   15.36   1.50   14.15
    弹性模量(GPa)   176.64   223.45   353.97   162.20   259.38
从表3可以看出，WS2/MoS2固体润滑多层膜的纳米硬度和弹性模量都大于单质Mo膜，其弹性模量大于W膜，纳米硬度与W膜近似相等；WS2/MoS2固体润滑多层膜的纳米硬度和弹性模量介于WS2薄膜和MoS2薄膜之间，这是因为多层膜层间位错能的增大所致。WS2/MoS2多层膜的纳米硬度和弹性模量分别为14.15GPa，259.38GPa。这是因为W/Mo多层膜在渗硫过程中生成了WS2和MoS2的缘故，WS2的硬度和弹性模量较大，而MoS2却相反。根据资料证明，高弹性模量和低弹性模量交替的多层膜具有较高的屈服强度，因此WS2/MoS2多层膜的屈服强度较高。
(二)用45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜在干摩擦条件下进行摩擦性能比较。
测试结果：如图11所示为干摩擦条件下45#钢、WS2薄膜和WS2/MoS2固体润滑多层膜摩擦系数随时间变化曲线；图12为干摩擦条件下45#钢、WS2薄膜和WS2/MoS2固体润滑多层膜摩痕深度随时间变化曲线；
从图11可以看出WS2/MoS2固体润滑多层膜的摩擦系数较小且非常稳定，在整个试验过程中，它的摩擦系数都始终远远低于WS2薄膜和45#钢。
由图12可知，三种薄膜的磨痕深度都随时间不断增大；WS2/MoS2固体润滑多层膜的磨痕深度曲线浮动不大始终处于平稳状态，且始终远远低于WS2薄膜和45#钢。
由此可知，WS2/MoS2固体润滑多层膜在干摩擦条件下其自身具有很优异的润滑性能，因此摩擦性能较其他薄膜突出，具有稳定和优良的减摩耐磨性。
(三)用45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜在油润滑条件下进行摩擦性能比较。
测试结果：如图13、图14所示，图13为油润滑条件下45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩擦系数随时间变化曲线；图14为油润滑条件下45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜摩痕深度随时间变化曲线。
从图13可以看出，WS2/MoS2固体润滑多层膜的初始摩擦系数远远低于45#钢和WS2薄膜。此后，摩擦系数在一个较大范围内变化，比初始值小。在整个试验阶段，由于受到油润滑和自身润滑的双重作用，WS2/MoS2固体润滑多层膜的摩擦系数始终远远低于WS2薄膜和45#钢。
由图14可知，45#钢、WS2薄膜和本实施例制备的WS2/MoS2固体润滑多层膜的磨痕深度随时间在不断增加。但WS2/MoS2固体润滑多层膜的磨痕深度曲线增加缓慢，且较平稳，始终都低于WS2薄膜和45#钢。这说明WS2/MoS2多层膜具有优异的减摩耐磨性能。

Claims (4)

1.一种制备WS2/MoS2固体润滑多层膜的方法，其特征在于，其具体步骤如下：首先将基体进行淬火处理，硬度为HRC55，表面粗糙度为0.8μm；然后在双靶射频溅射设备中在基体上通过双靶交替沉积W层和Mo层，最后对该W/Mo多层膜进行低温离子渗硫处理最终制得WS2/MoS2固体润滑多层膜。
2.根据权利要求1所述的一种制备WS2/MoS2固体润滑多层膜的方法，其特征在于，所述的双靶射频溅射的工艺步骤及参数为：靶材采用纯度为90～99.95％的W靶和纯度为90～99.95％的Mo靶，靶距为60～80mm；当炉内绝对真空度达到2.5×10-3～3×10-3Pa时，通入惰性气体氩气，并将压强控制在1.0～1.2Pa，开始溅射；电流为1.0～2.0A，制成W/Mo多层膜。
3.根据权利要求1所述的一种WS2/MoS2固体润滑多层膜的制备方法，其特征在于，所述的双靶射频溅射交替沉积W层和Mo层制成W/Mo多层膜，单层W层和单层Mo层的厚度由双靶射频溅射交替沉积步骤中基体在靶前的停留时间、沉积速率来控制，沉积W层时，基体在W靶前停留时间为：270秒，沉积速率为67nm/min；沉积Mo层时，基体在Mo靶前停留时间为：180秒，沉积速率为100nm/min。
4.根据权利要求1所述的一种WS2/MoS2固体润滑多层膜的制备方法，其特征在于，所述的低温离子渗硫处理是将所述的W/Mo多层膜接阴极，炉壁接阳极，当真空度达到10Pa时，给炉内通入氨气，充至600Pa，然后再抽至40Pa，在阴阳极之间加高压直流电，该电压540～560V，在此电压作用下，氨离子轰击阴极，当阴极温度升高至210～230℃后停止轰击，在此温度下固体硫被气化形成硫蒸气，用硫蒸气渗硫所述W/Mo多层膜，渗硫处理时间为：1.5～2.5小时。
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