CN101921984B - 基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜及其制备方法 - Google Patents

基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种纳米表面处理技术领域的基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜及其制备方法，通过在不锈钢基片溅射纯钛或纯镍后进一步进行反应磁控溅射制备得到MoS2-TiC-C复合薄膜。本发明制备工艺简单，沉积过程易于控制，沉积后的复合薄膜无需进行热处理，可直接作为机械零部件表面的减摩防护薄膜使用。本工艺制备所得的复合薄膜硬度高，纳米硬度达到7.6GPa，抗磨减摩性能优异，摩擦系数可达到0.04，经摩擦磨损测试后薄膜表面未见磨穿脱落现象。

Description

基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及的是一种纳米处理技术领域的材质及方法，具体是一种基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜及其制备方法。
背景技术
近年来，固态润滑材料的研究成为摩擦学领域的热点问题。与液体润滑剂相比，一方面它具有更高的使用温度和更大的承载能力，另一方面可以减小对环境的污染。常用的固态润滑材料主要有MoS2、WS2和石墨，其中又以MoS2基润滑材料的研究应用最为广泛。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原子以很强的共价键结合，层与层之间以很弱的范德瓦尔斯键结合，层与层之间易于滑动，呈现出良好的润滑性能，因而被广泛用作干摩擦状态下的固态薄膜润滑材料。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，在大气(特别是潮湿空气)和富氧环境的摩擦过程中容易被氧化生成MoO3和H2SO4使其摩擦性能急剧下降，甚至失去润滑作用，MoS2薄膜的这一缺点大大限制了其在大气环境中的应用。与此同时，TiC薄膜和DLC(类金刚石)薄膜由于其强度高、硬度高、耐蚀性和热稳定性好，可以有效地提高材料的耐磨性能和使用寿命而被广泛应用于各个领域。然而，单独的TiC薄膜或DLC(类金刚石)薄膜由于较高的摩擦系数、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。
A.A.El Mel等人在杂志Surface & Coatings Technology 2010年第204期第1880-1883页发表的《Microstructure and composition of TiC/a-C：H nanocomposite thin films deposited by ahybrid IPVD/PECVD process》(混合IPVD/PECVD(电离物理气相沉积和等离子体增强化学气相沉积)方法制备TiC/a-C：H(非晶态氢化碳)纳米复合薄膜的结构和成分研究)中提出，在Ar-CH4等离子体气氛中用Ti靶磁控溅射可以制备得到TiC/a-C：H纳米复合薄膜。对现有文献和专利检索，未发现在Ar-CH4气氛中MoS2靶和Ti靶共溅射制备MoS2-TiC-C自润滑减摩复合薄膜。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜及其制备方法，制备工艺简单，沉积过程易于控制，沉积后的复合薄膜无需进行热处理，可直接作为机械零部件表面的减摩防护薄膜使用。本工艺制备所得的复合薄膜硬度高，纳米硬度达到7.6GPa，抗磨减摩性能优异，摩擦系数可达到0.04，经摩擦磨损测试后薄膜表面未见磨穿脱落现象。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过在不锈钢基片溅射纯钛或纯镍后进一步进行反应磁控溅射制备得到MoS2-TiC-C复合薄膜。
所述的不锈钢基片为：经抛光机上抛光后超声波清洗并吹干后的不锈钢片。
所述的基片为不锈钢，直径为30mm，厚度为4mm
所述的抛光是指：将基片抛光至光洁度小于等于0.01μm；
所述的超声清洗是指：采用分析纯酒精、丙酮将抛光后的不锈钢基片置于超声清洗机中分别超声清洗30min；
所述的吹干是指：用压缩氮气将不锈钢基片表面吹干。
所述的溅射纯钛或纯镍是指：将溅射室本底真空抽至10-4Pa后，通入氩气并调整气体流量计使气压达到1Pa，设置溅射功率为100W，溅射时间为15min，在基片上直流溅射纯Ti靶或纯Ni靶，制成厚度约100nm的中间层；
所述的进行反应磁控溅射是指：在溅射室中通入氩气和甲烷的混合气体后，在0.3～1.5Pa氩气和甲烷混合气体环境下，分别设置：
a)MoS2靶射频溅射功率为100～300W；
b)纯钛靶直流溅射功率10～30W；
两靶同时开启进行溅射，溅射时间为60～120min，制成厚度为0.4～1.7μm的复合层。
所述的混合气体中：氩气为溅射气体，甲烷为反应气体，氩气在混合气体中所占体积百分比含量为85％且甲烷为15％。
本发明通过上述方法制备得到的复合薄膜采用XRD和EDS分析，物相为MoS2、TiC和非晶态C，成分含量MoS2为17.1～29.6at％、TiC为5.9～15.8at％、非晶态C为63.8～73at％。
本发明的主要优点是采用氩气和甲烷混合气体进行反应磁控溅射，利用MoS2晶体结构具有低摩擦系数的特性，加入Ti和C成分，形成了MoS2、TiC和C三者的复合薄膜。首先，TiC可以细化MoS2晶粒，大大改善MoS2薄膜的柱状疏松结构，抑制MoS2在潮湿大气和富氧环境中的氧化；其次，TiC可以提高MoS2薄膜的硬度和强度；再次，非晶态C可以进一步提高薄膜的硬度，强度，韧性和润滑性能；这些特点使得薄膜的耐磨性能和使用寿命有了极大的提高，拓展了MoS2在大气环境下的使用范围。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MoS2-TiC-C自润滑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0.01μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，吹干，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1Pa，开启电源，直流溅射Ti或Ni靶，厚度约100nm，溅射功率为100W，工作气压为1Pa，溅射时间约15min，关闭电源。通入一定量氩气和甲烷的混合气体，调节气体流量计使溅射室内气压为0.8Pa，甲烷的含量为15％，开启电源，用射频溅射MoS2靶，功率150W，直流溅射钛靶，功率10W，工作气压为0.8Pa，溅射时间60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0.6μm的薄膜。经EDS能谱分析，得到其原子百分比为19.1at％MoS2+7.9at％TiC+73at％C
实施例2
将不锈钢基片抛光至光洁度小于0.01μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，吹干，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1Pa，开启电源，直流溅射Ti或Ni靶，厚度约100nm，溅射功率为100W，工作气压为1Pa，溅射时间约15min，关闭电源。通入一定量氩气和甲烷的混合气体，调节气体流量计使溅射室内气压为1.2Pa，甲烷的含量为15％，开启电源，用射频溅射MoS2靶，功率200W，直流溅射Ti靶，功率15W，工作气压为1.2Pa，溅射时间90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。
实施例3
将不锈钢基片抛光至光洁度小于0.01μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，吹干，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1Pa，开启电源，直流溅射Ti或Ni靶，厚度约100nm，溅射功率为100W，工作气压为1Pa，溅射时间约15min，关闭电源。通入一定量氩气和甲烷的混合气体，调节气体流量计使溅射室内气压为0.5Pa，甲烷的含量为15％，开启电源，用射频溅射MoS2靶，功率100W，直流溅射Ti靶，功率30W，工作气压为0.5Pa，溅射时间100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。经EDS能谱分析，得到其原子百分比为17.1at％MoS2+15.8at％TiC+67.1at％C
实施例4
将不锈钢基片抛光至光洁度小于0.01μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，吹干，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1Pa，开启电源，直流溅射Ti或Ni靶，厚度约100nm，溅射功率为100W，工作气压为1Pa，溅射时间约15min，关闭电源。通入一定量氩气和甲烷的混合气体，调节气体流量计使溅射室内气压为1.5Pa，甲烷的含量为15％，开启电源，用射频溅射MoS2靶，功率300W，直流溅射Ti靶，功率20W，工作气压为1.5Pa，溅射时间120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。经EDS能谱分析，得到其原子百分比为25.3at％MoS2+10.9at％TiC+63.8at％C
实施例5
将不锈钢基片抛光至光洁度小于0.01μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，吹干，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1Pa，开启电源，直流溅射Ti或Ni靶，厚度约100nm，溅射功率为100W，工作气压为1Pa，溅射时间约15min，关闭电源。通入一定量氩气和甲烷的混合气体，调节气体流量计使溅射室内气压为0.3Pa，甲烷的含量为15％，开启电源，用射频溅射MoS2靶，功率200W，直流溅射Ti靶，功率10W，工作气压为0.3Pa，溅射时间80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0.4μm的薄膜。
实施例6
将不锈钢基片抛光至光洁度小于0.01μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，吹干，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1Pa，开启电源，直流溅射Ti或Ni靶，厚度约100nm，溅射功率为100W，工作气压为1Pa，溅射时间约15min，关闭电源。通入一定量氩气和甲烷的混合气体，调节气体流量计使溅射室内气压为1.0Pa，甲烷的含量为15％，开启电源，用射频溅射MoS2靶，功率250W，直流溅射Ti靶，功率10W，工作气压为1.0Pa，溅射时间100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1.5μm的薄膜。
实施例7
将不锈钢基片抛光至光洁度小于0.01μm，并用酒精、丙酮在超声波清洗器中洗净，吹干，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1Pa，开启电源，直流溅射Ti或Ni靶，厚度约100nm，溅射功率为100W，工作气压为1Pa，溅射时间约15min，关闭电源。通入一定量氩气和甲烷的混合气体，调节气体流量计使溅射室内气压为1.3Pa，甲烷的含量为15％，开启电源，用射频溅射MoS2靶，功率300W，直流溅射Ti靶，功率10W，工作气压为1.3Pa，溅射时间90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1.6μm的薄膜。经EDS能谱分析，得到其原子百分比为29.6at％MoS2+5.9at％TiC+64.5at％C
对MoS2基复合薄膜进行摩擦学性能和力学性能评价，所用的设备为在MFT-4000材料表面性能试验仪。对磨材料选用Φ4mm的GCr15钢球，硬度62HRC。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50％～70％)条件下进行，测试过程中自动记录摩擦系数。力学性能评价所用设备为纳米压痕仪。表1为实施例1-7的MoS2基复合薄膜以及纯MoS2薄膜在室温，相对湿度为50％～70％空气中的平均动摩擦系数(μ)。表2为实施例1-7的MoS2基复合薄膜以及纯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)   0.050   0.047   0.066   0.042   0.053   0.046   0.058   0.196
表2
  实施例编号   1   2   3   4   5   6   7   纯MoS2薄膜
  纳米硬度(GPa)   6.28   7.13   7.63   7.21   5.76   5.13   4.61   0.57
本实施例制备的MoS2-TiC-C自润滑减摩复合薄膜硬度高，可达7.6GPa，复合薄膜在室温空气(相对湿度为50％～70％)条件下往复循环摩擦半小时过程中，摩擦系数低且变化平稳、波动小，摩擦系数达到0.042，该薄膜耐磨抗氧化性能优良，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 (8)

1.一种基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜的制备方法，其特征在于，通过在不锈钢基片溅射纯钛或纯镍后进一步进行反应磁控溅射制备得到MoS2-TiC-C复合薄膜；
所述的溅射纯钛或纯镍是指：将溅射室本底真空抽至10-4Pa后，通入氩气并调整气体流量计使气压达到1Pa，设置溅射功率为100W，溅射时间为15min，在基片上直流溅射纯Ti靶或纯Ni靶，制成厚度约100nm的中间层；
所述的进行反应磁控溅射是指：在溅射室中通入氩气和甲烷的混合气体后，在0.3～1.5Pa氩气和甲烷混合气体环境下，分别设置：
a)MoS2靶射频溅射功率为100～300W；
b)纯钛靶直流溅射功率10～30W；
两靶同时开启进行溅射，溅射时间为60～120min，制成厚度为0.4～1.7μm的复合层。
2.根据权利要求1所述的基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜的制备方法，其特征是，所述的不锈钢基片为：经抛光机上抛光后超声波清洗并吹干后的不锈钢片。
3.根据权利要求2所述的基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜的制备方法，其特征是，所述的基片，直径为30mm，厚度为4mm。
4.根据权利要求2所述的基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜的制备方法，其特征是，所述的抛光是指：将基片抛光至光洁度小于等于0.01μm。
5.根据权利要求2所述的基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜的制备方法，其特征是，所述的超声清洗是指：采用分析纯酒精、丙酮将抛光后的不锈钢基片置于超声清洗机中分别超声清洗30min。
6.根据权利要求2所述的基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜的制备方法，其特征是，所述的吹干是指：用压缩氮气将不锈钢基片表面吹干。
7.根据权利要求1所述的基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜的制备方法，其特征是，所述的混合气体中：氩气为溅射气体，甲烷为反应气体，氩气在混合气体中所占体积百分比含量为85％且甲烷为15％。
8.一种基于MoS2-TiC-C的自润滑减摩复合薄膜，其特征在于，采用上述任一权利要求所述方法制备得到。
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