CN101654771B

CN101654771B - 磁控溅射制备减磨MoS2/C/Ti复合薄膜的方法

Info

Publication number: CN101654771B
Application number: CN2009101951272A
Authority: CN
Inventors: 李倩倩; 周磊; 尹桂林; 余震; 何丹农
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai National Engineering Research Center for Nanotechnology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Shanghai National Engineering Research Center for Nanotechnology Co Ltd
Priority date: 2009-09-04
Filing date: 2009-09-04
Publication date: 2011-02-09
Anticipated expiration: 2029-09-04
Also published as: CN101654771A

Abstract

一种固体润滑技术领域的磁控溅射制备减磨MoS₂/C/Ti复合薄膜的方法，包括：第一步、将基片抛光后超声清洗并烘干，装入溅射室内；第二步、在溅射室中进行纯钛溅射和复合层溅射，然后待溅射室自然冷却至室温，制备得到磁控溅射制备减磨复合薄膜。本发明制备工艺简单，沉积过程易于控制，薄膜沉积后无需进行热处理，可直接作为机械零部件表面的减摩防护薄膜使用，制备所得的复合薄膜纳米硬度达到5.9GPa，摩擦系数可达到0.03。

Description

磁控溅射制备减磨MoS2/C/Ti复合薄膜的方法

技术领域

本发明涉及的是一种固体润滑技术领域的薄膜及其制备方法，具体是一种磁控溅射制备减磨MoS₂/C/Ti复合薄膜的方法。

背景技术

普通层状结构(2H)的过渡族金属硫化物MoS₂晶体是S-Mo-S原子形成的六方体结构，在每一层里S-Mo原子是以很强的共价键结合，层与层之间是以很弱的范德瓦尔斯键结合，层与层之间易于滑动。作为固体润滑剂，MoS₂具有摩擦系数小、承载力大、耐磨性好的特点，而且与基材的结合力强、蒸发率低、耐辐射。但是由于层状结构的MoS₂晶体边缘不饱和的悬挂键具有化学活性，在潮湿空气和富氧环境的摩擦过程中容易粘合到金属表面和被氧化使其摩擦性能急剧下降，甚至失去润滑作用，从而对机械系统的安全可靠性和机械零部件的使用寿命产生重要的影响。与此同时，近年来DLC(类金刚石薄膜)由于其高硬度、表面平滑以及良好的抗磨损特性而被广泛应用于各个领域，然而，较高的摩擦系数、较差的耐久性和较低的结合力无法满足其应用环境的要求。

经对现有文献检索发现，在Surface & Coatings Technology杂志2006年第200期第5849-5854页发表的《Friction properties of co-sputtered sulfide/DLC solidlubricating films》(共溅射硫化物/类金刚石薄膜的摩擦学性质)发现，用磁控溅射法制备的MoS₂/DLC和WS₂/DLC复合薄膜具有极其优异的摩擦学性能，其最低摩擦系数已低于0.05，并且表现出良好的力学性能。但单纯的MoS₂/DLC或者WS₂/DLC复合薄膜由于内应力较大，与金属基体结合力差，在较大载荷下薄膜的承载能力和耐磨性能不足，会发生过早失效(磨穿、脱落)现象。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种磁控溅射制备减磨MoS₂/C/Ti复合薄膜的方法，制备工艺简单，沉积过程易于控制，薄膜沉积后无需进行热处理，可直接作为机械零部件表面的减摩防护薄膜使用，制备所得的复合薄膜纳米硬度达到5.9GPa，摩擦系数可达到0.03。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

第一步、将基片抛光后超声清洗并烘干，装入溅射室内。

所述的基片为不锈钢。

所述的抛光是指：将基片抛光至光洁度小于0.05μm；

所述的超声清洗是指：采用酒精、丙酮将抛光后的基片置于超声清洗机中进行超声清洗。

第二步、在溅射室中进行纯钛溅射和复合层溅射，然后待溅射室自然冷却至室温，制备得到磁控溅射制备减磨复合薄膜。

所述的纯钛溅射是指：将溅射室抽真空至10^-4Pa后通入氩气并调整气压至0.3Pa，设置溅射功率为80W，溅射时间为40min，在基片上直流溅射纯钛靶，制成厚度约100nm的中间层；

所述的复合层溅射是指：在0.1～1Pa氩气环境下，分别设置：

a)MoS₂靶射频溅射功率为100～300W；

b)石墨靶直流溅射功率5～20W；

c)纯钛靶直流溅射功率5～20W；

三靶同时开启进行溅射，溅射时间为20～60min，制成厚度为0.5～2.0μm的的复合层。

本发明的主要优点是采用磁控溅射，利用MoS₂晶体结构具有降低摩擦系数的特性，加入C和Ti成分，使得薄膜的耐磨性能和硬度有了极大的提高。由于在溅射复合薄膜之前，在基体上溅射有一层100nm左右的中间层，进一步增强金属基体与薄膜之间的结合强度。本发明的减摩复合薄膜制备工艺简单，沉积过程易于控制，薄膜沉积后无需进行热处理，可直接作为机械零部件表面的减摩防护薄膜使用。本发明制备的复合薄膜具有低摩擦系数的同时耐磨性能优良，与金属基底有较高的结合力，可用于制造轴承、陀螺仪和齿轮等零部件表面的减摩防护薄膜。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

将不锈钢基片抛光至光洁度小于0.05μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，烘干，装入溅射室内。抽真空至10^-4Pa，通入氩气，调整真空室内气压为0.3Pa，开启电源，直流溅射Ti靶，厚度约100nm，溅射功率为80W，工作气压为0.3Pa，溅射时间约40min，关闭电源。保持室内气压0.3Pa，开启电源，用射频溅射MoS₂靶，功率100W，直流溅射石墨靶，功率10W，直流溅射Ti靶，功率10W，工作气压为0.3Pa，溅射时间20分钟，关闭电源，待真空室温度降至室温后，打开真空室，制成薄膜厚度约0.5μm的薄膜。

实施例2：

将不锈钢基片抛光至光洁度小于0.05μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，烘干，装入溅射室内。抽真空至10^-4Pa，通入氩气，调整真空室内气压为0.3Pa，开启电源，直流溅射Ti靶，厚度约100nm，溅射功率为80W，工作气压为0.3Pa，溅射时间约40min，关闭电源。调整保持室内气压0.2Pa，开启电源，用射频溅射MoS₂靶，功率150W，直流溅射石墨靶，功率10W，直流溅射Ti靶，功率5W，工作气压为0.2Pa，溅射时间33分钟，关闭电源，待真空室温度降至室温后，打开真空室，制成薄膜厚度约0.7μm的薄膜。

实施例3：

将不锈钢基片抛光至光洁度小于0.05μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，烘干，装入溅射室内。抽真空至10^-4Pa，通入氩气，调整真空室内气压为0.3Pa，开启电源，直流溅射Ti靶，厚度约100nm，溅射功率为80W，工作气压为0.3Pa，溅射时间约40min，关闭电源。调整保持室内气压1Pa，用射频溅射MoS₂靶，功率200W，直流溅射石墨靶，功率15W，直流溅射Ti靶，功率5W，工作气压为1Pa，溅射时间50分钟，关闭电源，待真空室温度降至室温后，打开真空室，制成薄膜厚度约2.0μm的薄膜。

实施例4：

将不锈钢基片抛光至光洁度小于0.05μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，烘干，装入溅射室内。抽真空至10^-4Pa，通入氩气，调整真空室内气压为0.3Pa，开启电源，直流溅射Ti靶，厚度约100nm，溅射功率为80W，工作气压为0.3Pa，溅射时间约40min，关闭电源。调整室内气压为0.1Pa，开启电源，用射频溅射MoS₂靶，功率300W，直流溅射石墨靶，功率10W，直流溅射Ti靶，功率15W，溅射时间43分钟，关闭电源，待真空室温度降至室温后，打开真空室，制成薄膜厚度约1.7μm的薄膜。

实施例5：

将不锈钢基片抛光至光洁度小于0.05μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，烘干，装入溅射室内。抽真空至10^-4Pa，通入氩气，调整真空室内气压为0.3，开启电源，直流溅射Ti靶，厚度约100nm，溅射功率为80W，工作气压为0.3Pa，溅射时间约40min，关闭电源。调整工作气压为0.7Pa，开启电源，用射频溅射MoS₂靶，功率250W，直流溅射石墨靶，功率5W，直流溅射Ti靶，功率5W，溅射时间23分钟，关闭电源，待真空室温度降至室温后，打开真空室，制成薄膜厚度约1.2μm的薄膜。

实施例6：

将不锈钢基片抛光至光洁度小于0.05μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，烘干，装入溅射室内。抽真空至10^-4Pa，通入氩气，调整真空室内气压为0.3Pa，开启电源，直流溅射Ti靶，厚度约100nm，溅射功率为80W，工作气压为0.3Pa，溅射时间约40min，关闭电源。调整工作气压为0.3Pa，开启电源，用射频溅射MoS₂靶，功率150W，直流溅射石墨靶，功率5W，直流溅射Ti靶，功率10W，溅射时间33分钟，关闭电源，待真空室温度降至室温后，打开真空室，制成薄膜厚度约1.0μm的薄膜。

实施例7：

将不锈钢基片抛光至光洁度小于0.05μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，烘干，装入溅射室内。抽真空至10^-4Pa，通入氩气，调整真空室内气压为0.3Pa，开启电源，直流溅射Ti靶，厚度约100nm，溅射功率为80W，工作气压为0.3Pa，溅射时间约40min，关闭电源。调整工作气压为0.3Pa，开启电源，用射频溅射MoS₂靶，功率150W，直流溅射石墨靶，功率20W，直流溅射Ti靶，功率15W，溅射时间33分钟，关闭电源，待真空室温度降至室温后，打开真空室，制成薄膜厚度约1.3μm的薄膜。

在MFT-4000材料表面性能试验仪上对MoS₂/C/Ti复合薄膜的摩擦性能进行评价。对磨材料材质为硬度60HRC的GCr15钢，直径为3mm钢球。试验条件为：试验载荷为20N，摩擦方式为往复摩擦，摩擦长度10mm，摩擦频率50Hz，试验时间30min，干摩擦(无油润滑)状态，在室温空气(相对湿度为60％)下进行，测试过程中自动记录摩擦系数。使用纳米压痕仪对MoS₂/C/Ti复合薄膜的力学性能进行评价。表1为实施例1-7的MoS₂/C/Ti复合薄膜以及纯MoS₂薄膜在室温空气(相对湿度为60％)中的平均动摩擦系数(μ)。表2为实施例1-7的MoS₂/C/Ti复合薄膜以及纯MoS₂薄膜的纳米硬度。

表1

实施例编号	1	2	3	4	5	6	7	纯MoS₂薄膜
									摩擦系数(μ)	0.051	0.078	0.030	0.041	0.053	0.062	0.043	0.107

表2

实施例编号	1	2	3	4	5	6	7	纯MoS₂薄膜
									纳米硬度(GPa)	5.90	5.70	5.32	5.57	5.68	5.49	5.69	0.76

本实施例减摩MoS2/C/Ti复合薄膜具有如下特点：

1、摩擦系数低，摩擦系数稳定。本实施例1-7的MoS₂/C/Ti复合薄膜在室温空气(相对湿度为60％)中平均动摩擦系数分别为0.051、0.078、0.030、0.041、0.053、0.062和0.043，低于纯MoS₂薄膜在室温空气(相对湿度为60％)中的平均动摩擦系数0.107，并且在室温空气中摩擦系数变化极小，表现出良好的环境摩擦稳定性。本实施例1-7的MoS₂/C/Ti复合薄膜在室温空气(相对湿度为60％)条件下经过半小时的往复摩擦循环过程，其摩擦系数变化平稳、波动小。

2、硬度较高。本实施例1-7的MoS₂/C/Ti复合薄膜其纳硬度分别达到了5.90、5.70、5.32、5.57、5.68、5.49和5.69GPa，而纯MoS₂薄膜纳硬度为0.76GPa。可见实施例1-7的MoS₂/C/Ti复合薄膜具有良好的硬度性能，优于纯MoS₂薄膜

本实施例减摩MoS₂/C/Ti复合薄膜在室温空气(相对湿度为60％)具有低的摩擦系数，耐磨性能优良，并且具有较高的硬度，可用于制造轴承、陀螺仪和齿轮等零部件表面的减摩防护薄膜。

Claims

1.一种磁控溅射制备减磨MoS₂/C/Ti复合薄膜的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步、将基片抛光后超声清洗并烘干，装入溅射室内；

第二步、在溅射室中进行纯钛溅射和复合层溅射，然后待溅射室自然冷却至室温，制备得到磁控溅射制备减磨复合薄膜；

所述的纯钛溅射是指：将溅射室抽真空至10^-4Pa后，通入氩气并调整气压至0.3Pa，设置溅射功率为80W，溅射时间为40min，在基片上直流溅射纯钛靶，制成厚度约100nm的中间层；

所述的复合层溅射是指：在0.1～1Pa氩气环境下，分别设置：

a)MoS₂靶射频溅射功率为100～300W；

b)石墨靶直流溅射功率5～20W；

c)纯钛靶直流溅射功率5～20W；

三靶同时开启进行溅射，溅射时间为20～60min，制成厚度为0.5～2.0μm的复合层。

2.根据权利要求1所述的磁控溅射制备减磨MoS₂/C/Ti复合薄膜的方法，其特征是，所述的抛光是指：将基片抛光至光洁度小于0.05μm。

3.根据权利要求1所述的磁控溅射制备减磨MoS₂/C/Ti复合薄膜的方法，其特征是，所述的超声清洗是指：采用酒精、丙酮将抛光后的基片置于超声清洗机中进行超声清洗。