CN104928622A - 一种ws2固体润滑薄膜的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种WS₂固体润滑薄膜的制造方法，采用磁过滤阴极真空弧沉积在金属材料基体的表面形成WS₂固体润滑薄膜，包括：金属材料基体的预处理；生成WS₂固体润滑薄膜，将所述金属材料基体放入真空室内并抽真空；通入Ar气，开启磁过滤阴极真空弧沉积装置的负偏压至-400V～-1000V，进行辉光放电，对金属材料基体表面进行清洗；以WS₂/Ag复合靶为靶材，使用所述磁过滤阴极真空弧沉积装置在所述金属材料基体表面进行WS₂/Ag膜层沉积，其中，所述磁过滤阴极真空弧沉积装置的弧压为20V～36V，负偏压为-100V～-800V，弧流为90A～100A，占空比为50～90％，沉积时间为1h；以及金属材料基体的封存。

Description

一种WS2固体润滑薄膜的制造方法

技术领域

本发明涉及一种固体润滑薄膜的制造，特别是一种利用磁过滤阴极真空弧沉积技术在金属表面制备超长寿命二硫化钨固体润滑薄膜的方法。

背景技术

目前二硫化钨(WS₂)是国内外新型固体润滑领域的主要研究方向。它具有较低的摩擦系数、较高的抗极压性能，且抗氧化性能优于MoS₂，故适用于高温、高真空、高负荷、高转速、高辐射、强腐蚀、超低温等苛刻条件。美国率先将其应用到火星探测机器人、飞机、航天飞机等军事领域。

现有研究结果中，普遍采用磁控溅射技术制备二硫化钨固体润滑膜，但该种技术存在生产效率较低、无法制备较厚涂层的问题。采用离子镀制备薄膜沉积速度较快，用于代替磁控溅射技术制备二硫化钨固体润滑膜可有效提高生产效率，但是离子镀会在工件表面沉积大量大颗粒(5-10μm)导致膜层表面粗糙度较大，内部包裹的颗粒易导致膜层剥离失效，使得膜层的耐磨性能受到影响，不能完全满足长寿命固体润滑设备仪器的需要。因此有必要结合磁过滤的方式研制新的制备方法，制备出性能良好的二硫化钨固体润滑薄膜以满足大负载实际使用需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种利用磁过滤阴极真空弧沉积技术制造二硫化钨固体润滑薄膜的方法，可在提高二硫化钨固体润滑薄膜的生产效率的基础上减少膜层中的大颗粒，改善二硫化钨膜层质量，提高膜层耐磨性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其中，采用磁过滤阴极真空弧沉积在金属材料基体的表面形成WS₂固体润滑薄膜，包括如下步骤：

S100、金属材料基体的预处理，对待加工的金属材料基体进行预处理，去除附着在所述金属材料基体表面的油脂、锈点和杂质；

S200、生成WS₂固体润滑薄膜，进一步包括：

S201、将所述金属材料基体放入真空室内并将所述真空室抽真空，所述真空室与磁过滤阴极真空弧沉积装置连接，所述磁过滤阴极真空弧沉积装置的磁过滤管直径为200mm，所述磁过滤管的弯管弧度为0°～90°，所述磁过滤管的磁场偏转电流为1.6A～2.2A；

S202、通入Ar气使磁过滤阴极真空弧沉积装置的工作气压达到设定值，开启并将磁过滤阴极真空弧沉积装置的负偏压调整至-400V～-1000V进行辉光放电，通过离子轰击对所述金属材料基体表面进行溅射清洗；

S203、以复合靶WS₂/Ag为靶材，使用所述磁过滤阴极真空弧沉积装置在所述金属材料基体表面进行WS₂/Ag膜层沉积，其中，所述磁过滤阴极真空弧沉积装置的弧压为20V～36V，负偏压为-100V～-800V，弧流为90A～100A，占空比为50～90％，沉积时间为1h；以及

S300、金属材料基体的封存，将表面生成高耐磨WS₂固体润滑薄膜后的所述金属材料基体放入丙酮溶液中清洗后烘干，并将烘干后的所述金属材料基体真空密封封存。

上述的高耐磨WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其中，将所述真空室抽真空至6.0×10^-4Pa。

上述的高耐磨WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其中，所述靶材WS₂/Ag中Ag的含量为1-10％。

上述的高耐磨WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其中，在所述步骤S202中，所述Ar气的纯度为99.99％。

上述的高耐磨WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其中，所述靶材中掺杂有锆离子、钛离子、钼离子和/或铬离子。

上述的高耐磨WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其中，所述WS₂固体润滑薄膜的膜层中WS₂与Ag含量与所述靶材相同，所述WS₂固体润滑薄膜与钢材或陶瓷的干摩擦系数均小于或等于0.08。

上述的高耐磨WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其中，所述步骤S100包括：

S101、去除所述金属材料基体的表面油脂，用金属除脂溶剂去除该金属材料基体的表面油脂后，将该金属材料基体放入无污染的四氯乙烯溶剂中浸泡20～30分钟，取出后用宣纸吸净残留的四氯乙烯溶剂，再用脱脂棉擦拭该金属材料基体的表面，最后用绸布擦拭干净；

S102、去除锈点，用金属除锈清洗剂浸泡清洗该金属材料基体10～20分钟，取出后擦拭干净，以使其表面无微锈点；

S103、去除杂质，将该金属材料基体放入丙酮溶剂中，超声清洗20～40分钟后取出，使用干净绸布擦干；

S104、超声清洗，将该金属材料基体放入去离子水中，超声清洗5～10分钟后取出，使用干净绸布擦拭，并放置于真空烘箱中烘干2～4小时。

本发明的技术效果在于：

本发明采用磁过滤真空阴极弧离子镀技术制备的二硫化钨固体润滑薄膜，沉积速率高，制备时间短，薄膜表面基本不存在大颗粒，摩擦系数低，耐磨寿命长，耐磨性能优异。通过调整弧压、弧流、负压、占空比等参数控制薄膜的生长，以优化薄膜结构，提高薄膜摩擦磨损性能。其中，弧流大小影响弧源对靶材的烧蚀速率，影响弧源生成的离子数量和真空室内沉积温度；负压影响离子沉积时的能量大小，负压越大，离子向基材运动的速度越快、能量越大；占空比则是影响每个放电周期内负压施加在基材上的时间长短。本发明制备的WS₂固体润滑薄膜以100g载荷、500rpm转速室温条件下进行测试，其耐磨寿命可达20h，摩擦系数小于0.08。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明一实施例的制造方法流程图；

图2为本发明一实施例的样品截面图；

图3为本发明一实施例的二硫化钨固体润滑薄膜摩擦磨损曲线；

图4为本发明一实施例的装置结构图；

图5为本发明另一实施例的装置结构图。

其中，附图标记

1  真空室

2  高阀分子泵

3  直管弧源

4  弯管弧源       S100-300  步骤

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

磁过滤阴极真空弧沉积技术由离子镀技术发展而来，是近年来受到广泛关注的一种薄膜制备技术。电弧离子镀技术本身具有一个不可避免的弊端，即在离子沉积的同时，伴随着靶面电弧斑点喷涌出大量的微米级颗粒或液滴(统称大颗粒)，并直接沉积到工件上，降低了膜层的质量(如致密、和粗糙度和结合力)，一般高熔点靶材产生的液滴相对少些，低熔点靶材产生的液滴较多。磁过滤就是为了克服这一问题而研制出的一项技术。其原理为通过阴极表面电弧放电产生等离子体，利用磁场对带电离子的约束作用将离子束缚在磁场中传输，通过添加磁场引导，使等离子体在磁场的束缚下绕开障碍物，而大颗粒因呈电中性保持运动方向不变而撞在障碍物上，进而实现去除大颗粒的效果。把障碍物和磁场结合，使等离子体到达被镀工件而阻隔大颗粒的方法就是磁过滤的基本原理与方法。磁过滤阴极真空弧沉积技术与其他镀膜技术相比具有膜层沉积速率快、结合力强、转移性能较好等优点。

参见图1，图1为本发明一实施例的制造方法流程图。本发明的WS₂固体润滑薄膜的制造方法，在真空条件下，采用磁过滤阴极真空弧沉积技术在金属材料基体的表面形成WS₂固体润滑薄膜，包括如下步骤：

步骤S100、金属材料基体的预处理，对待加工的金属材料基体进行预处理，去除附着在所述金属材料基体表面的油脂、锈点和杂质；进一步包括：

步骤S101、去除所述金属材料基体的表面油脂，用金属除脂溶剂(例如氢氧化钠、碳酸钠、十水磷酸钠、硅酸钠、洗涤剂、缓蚀剂、溶剂水等)去除该金属材料基体的表面油脂后，将该金属材料基体放入无污染的四氯乙烯溶剂中浸泡20～30分钟，取出后用宣纸吸净残留的四氯乙烯溶剂，再用脱脂棉擦拭该金属材料基体的表面，最后用绸布擦拭干净；

步骤S102、去除锈点，用具有除锈功能的金属除锈清洗剂浸泡清洗该金属材料基体10～20分钟，取出后擦拭干净，以使其表面无微锈点；

步骤S103、去除杂质，将该金属材料基体放入丙酮溶剂中，超声清洗20～40分钟后取出，使用干净绸布擦干，擦干时，在材料的光滑表面上沿同一方向进行擦拭，保证基材表面没有水渍和杂质残留；材料的特殊部位(工作面)重点擦拭，材料的其他部位(非工作面)保证基材表面没有水渍和杂质残留，同时，不使用已经被污染、浸湿的绸布对基材进行擦拭；

步骤S104、超声清洗，将该金属材料基体放入去离子水中，超声清洗5～10分钟后取出，使用干净绸布擦拭，并放置于真空烘箱中烘干2～4小时。

步骤S200、生成WS₂固体润滑薄膜，进一步包括：

步骤S201、将所述金属材料基体放入真空室1内的试样台上，使真空室1的试样台沿其自身轴线匀速缓慢旋转，所述真空室1与磁过滤阴极真空弧沉积装置连接，将所述真空室1抽真空至6.0×10^-4Pa；

步骤S202、通入纯度为99.99％的Ar气使磁过滤阴极真空弧沉积装置的工作气压为设定值，该设定值优选为5Pa-10Pa，开启磁过滤阴极真空弧沉积装置的负偏压至-400V～-1000V，进行辉光放电，在所述金属材料基体表面进行清洗；

步骤S203、以复合靶WS₂/Ag为靶材，所述靶材WS₂/Ag中Ag的含量优选为1-10％，所述靶材中可掺杂有锆离子、钛离子、钼离子和/或铬离子(掺杂元素种类根据膜层性能要求更改)，使用所述磁过滤阴极真空弧沉积装置在所述金属材料基体表面进行WS₂/Ag膜层沉积，其中，所述磁过滤阴极真空弧沉积装置的弧压为20V～36V，负偏压为-100V～-800V，弧流为90A～100A，占空比为50～90％，沉积时间为1h，所述磁过滤阴极真空弧沉积装置的磁过滤管直径为200mm，所述磁过滤管的弯管弧度为0°～90°，所述磁过滤管的磁场偏转电流为1.6A～2.2A；以及

步骤S300、金属材料基体的封存，将表面生成高耐磨WS₂固体润滑薄膜后的所述金属材料基体放入丙酮溶液中清洗5～10分钟后烘干，并将烘干后的所述金属材料基体真空密封封存。

参见图2及图3，图2为本发明一实施例的样品截面图，图3为本发明一实施例的二硫化钨固体润滑薄膜摩擦磨损曲线。由图可见，表面处理后的工件表面膜厚均匀、膜层致密，薄膜与基体结合良好，掺杂的Ag在膜层中未出现明显岛状颗粒，表面光洁度保持较好，对表面处理后的基材进行表面检测，所述WS₂固体润滑薄膜的膜层中WS₂与Ag含量与所述靶材基本相同，摩擦磨损曲线基本保持稳定、波动较小，所述WS₂固体润滑薄膜与钢材或陶瓷的干摩擦系数均小于或等于0.08，且镀膜前后基材表面粗糙度基本无变化，耐磨寿命达到了20h。

参见图4及图5，图4为本发明一实施例的装置结构图，图5为本发明另一实施例的装置结构图。本发明的磁过滤阴极真空弧沉积装置，包括真空室1和与该真空室1连接的高阀分子泵2及弧源，该弧源根据具体需求可以为直管弧源3或弯管弧源4。

下面以几个具体实施例详细说明本发明的WS₂固体润滑薄膜制备过程：

实施例1

1)将待处理样品装入磁过滤设备中，采用WS₂/Ag复合靶；

2)开启机械泵、分子泵，开启循环水系统，抽真空至6.0×10^-4Pa，开始工艺；

3)通入Ar气体使工作气压为5Pa～10Pa，开启负偏压至-400V～-1000V，进行辉光放电，清洗工件表面；

4)具体控制参数为：弧压为20V～36V，负偏压为-100V～-800V，弧流为90A～100A。占空比为50～90％，沉积时间为1h。磁过滤管直径为200mm，弯管弧度为0°，磁场偏转电流为1.6A～2.2A。

实施例2

1)将待处理样品装入磁过滤设备中，采用WS₂/Ag复合靶；

2)开启机械泵、分子泵，开启循环水系统，抽真空至6.0×10^-4Pa，开始工艺；

3)通入Ar气体使工作气压为5Pa～10Pa，开启负偏压至-400V～-1000V，进行辉光放电，清洗工件表面；

4)具体控制参数为：弧压为20V～36V，负偏压为-100V～-800V，弧流为90A～100A。占空比为50～90％，沉积时间为1h。磁过滤管直径为200mm，弯管弧度为90°，磁场偏转电流为1.6A～2.2A。

本发明通过调整弧压、弧流、负压、占空比等参数控制薄膜的生长，以优化薄膜结构，提高薄膜摩擦磨损性能，其沉积速率高，制备时间短，薄膜表面基本不存在大颗粒，以100g载荷、500rpm转速室温条件下进行测试，其耐磨寿命可达20h，摩擦系数小于0.08，摩擦系数低，耐磨寿命长，耐磨性能优异。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，采用磁过滤阴极真空弧沉积在金属材料基体的表面形成WS₂固体润滑薄膜，包括如下步骤：

S100、金属材料基体的预处理，对待加工的金属材料基体进行预处理，去除附着在所述金属材料基体表面的油脂、锈点和杂质；

S200、生成WS₂固体润滑薄膜，进一步包括：

S201、将所述金属材料基体放入真空室内并将所述真空室抽真空，所述真空室与磁过滤阴极真空弧沉积装置连接，所述磁过滤阴极真空弧沉积装置的磁过滤管直径为200mm，所述磁过滤管的弯管弧度为0°～90°，所述磁过滤管的磁场偏转电流为1.6A～2.2A；

S202、通入Ar气使磁过滤阴极真空弧沉积装置的工作气压达到设定值5Pa-10Pa，开启并将磁过滤阴极真空弧沉积装置的负偏压调整至-400V～-1000V进行辉光放电，通过离子轰击对所述金属材料基体表面进行溅射清洗；

S203、以WS₂/Ag复合靶为靶材，使用所述磁过滤阴极真空弧沉积装置在所述金属材料基体表面进行WS₂/Ag膜层沉积，其中，所述磁过滤阴极真空弧沉积装置的弧压为20V～36V，负偏压为-100V～-800V，弧流为90A～100A，占空比为50～90％，沉积时间为1h；以及

S300、金属材料基体的封存，将表面生成高耐磨WS₂固体润滑薄膜后的所述金属材料基体放入丙酮溶液中清洗后烘干，并将烘干后的所述金属材料基体真空密封封存。

2.如权利要求1所述的高耐磨WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，将所述真空室抽真空至6.0×10^-4Pa。

3.如权利要求1或2所述的高耐磨WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，所述复合靶WS₂/Ag中Ag的含量为1-10％。

4.如权利要求3所述的高耐磨WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，在所述步骤S202中，所述Ar气的纯度为99.99％。

5.如权利要求1、2或4所述的高耐磨WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，所述靶材中掺杂有锆离子、钛离子、钼离子和/或铬离子。

6.如权利要求1、2或4所述的高耐磨WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，所述WS₂固体润滑薄膜的膜层中WS₂与Ag含量与所述靶材相同，所述WS₂固体润滑薄膜与钢材或陶瓷的干摩擦系数均小于或等于0.08。

7.如权利要求1、2或4所述的高耐磨WS₂固体润滑薄膜的制造方法，其特征在于，所述步骤S100包括：

S101、去除所述金属材料基体的表面油脂，用金属除脂溶剂去除该金属材料基体的表面油脂后，将该金属材料基体放入无污染的四氯乙烯溶剂中浸泡20～30分钟，取出后用宣纸吸净残留的四氯乙烯溶剂，再用脱脂棉擦拭该金属材料基体的表面，最后用绸布擦拭干净；

S102、去除锈点，用金属除锈清洗剂浸泡清洗该金属材料基体10～20分钟，取出后擦拭干净，以使其表面无微锈点；

S103、去除杂质，将该金属材料基体放入丙酮溶剂中，超声清洗20～40分钟后取出，使用干净绸布擦干；

S104、超声清洗，将该金属材料基体放入去离子水中，超声清洗5～10分钟后取出，使用干净绸布擦拭，并放置于真空烘箱中烘干2～4小时。