CN1314784C - 一种减摩IF－WS2/Ag复合薄膜 - Google Patents
一种减摩IF－WS2/Ag复合薄膜 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1314784C CN1314784C CNB2005100606597A CN200510060659A CN1314784C CN 1314784 C CN1314784 C CN 1314784C CN B2005100606597 A CNB2005100606597 A CN B2005100606597A CN 200510060659 A CN200510060659 A CN 200510060659A CN 1314784 C CN1314784 C CN 1314784C
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- antifriction
- laminated film
- film
- metal
- vacuum
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title abstract description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 28
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 7
- 239000010408 film Substances 0.000 description 69
- 238000000034 method Methods 0.000 description 12
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 8
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 6
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 5
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 230000004087 circulation Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 2
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000010008 shearing Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000003245 working effect Effects 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical compound C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明公开的减摩IF-WS2/Ag复合薄膜是粒径为20～80nm的金属Ag分布在平均粒径为90nm的IF-WS2颗粒膜基体中的薄膜，其组分的重量百分比为：IF-WS292～98%，金属Ag 2～8%，薄膜厚度为1～5μm。本发明的复合薄膜中，金属Ag以纳米颗粒的形式分布在无机类富勒烯结构(IF-)WS2纳米颗粒膜基体中。该减摩复合薄膜在大气和真空环境都具有低的摩擦系数，耐磨性能优良，并与金属基底有较高的结合力，可用于制造在真空和潮湿空气中交叉使用的轴承、陀螺仪和齿轮等零部件表面的减摩防护薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及减摩复合薄膜，属于固体润滑技术领域。
背景技术
普通层状结构(2H)的过渡族金属硫化物WS2晶体是S-W-S原子形成的六方体结构，在每一层里S-W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，2H-WS2在真空环境中具有摩擦系数小、承载力大、耐磨性好，而且还具有与基材的结合力强、蒸发率低、耐辐射等优点。但是由于层状结构的WS2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，(Voevodin A.A.，Bultman J.，Zabinski J.S.Surf.Coat.Technol.，1998，107，12.)。
由于无机类富勒烯(Inorganic fullerene-like，简称IF)IF-WS2纳米颗粒具有球形、嵌套中空的结构特点和良好的化学稳定性，表现出优异的环境摩擦稳定性，(Rapoport L.，Lvovsky M.，Lapsker I.，Leshchinsky V.，Volovik Y.，Feldman Y.，MargolinA.，Rosentsveig R.，Tenne R.Nano.Lett.，2001，1，137.)。但单纯的IF-WS2薄膜由于与金属基体结合强度较低，在较大载荷下薄膜的承载能力和耐磨性能不足也会发生过早失效现象。软金属Ag有较低的剪切强度，在摩擦磨损过程中产生晶间滑移而具有润滑的自行修补性，改善了摩擦副表面的接触状态。同时金属Ag还有良好的耐热(＜450℃)、耐低温、真空中蒸发率低和环境稳定性等性能特点，作为固体润滑膜或复合润滑膜已在工业中得到了广泛的应用。因此，在IF-WS2薄膜中添加少量的金属Ag并使其以高分散性的纳米颗粒相形式存在，将提高薄膜的界面结合力并延长薄膜在摩擦磨损过程中的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有优异减摩性能，可在空气和真空中交叉使用的减摩IF-WS2/Ag复合薄膜。
本发明的减摩IF-WS2/Ag复合薄膜是粒径为20～80nm的金属Ag分布在平均粒径为90nm的IF-WS2颗粒膜基体中的薄膜，其组分的重量百分比为：
IF-WS2 92～98％，
金属Ag 2～8％，薄膜厚度为1～5μm。
通常，金属Ag颗粒的粒径为20～80nm。IF-WS2颗粒的平均粒径为90nm。
本发明的减摩IF-WS2/Ag复合薄膜以层状结构的WS2靶、金属Ag靶，采用激光脉冲沉积方法在钛合金基底上共沉积制备而成。其制备方法如下：采用激光脉冲沉积方法同时烧蚀层状结构的WS2和金属Ag靶，在钛合金基底上溅射沉积复合薄膜。基底加热温度为200℃，抽真空至10-3Pa，通入氩气，调整真空室内气压为0.2～1.0Pa，偏压为-150V，溅射时间0.6～3.5小时，待真空室温度降至室温后，打开真空室，制成沉积IF-WS2/Ag复合薄膜的工件。
IF-WS2纳米颗粒具有球形、嵌套中空的结构特点和良好的化学稳定性。以IF-WS2纳米颗粒膜为基体的复合薄膜在摩擦过程中纳米IF-WS2颗粒会从基体中缓慢地释放到摩擦副表面，提供了有效的润滑作用。具有较低剪切强度的金属Ag，在摩擦磨损过程中相对滑动引起塑性流变，改善了摩擦副表面的接触状态。因此，在IF-WS2纳米颗粒膜中添加少量的金属Ag并使其以高分散性的纳米颗粒形式存在，将提高IF-WS2薄膜的耐磨性能；同时，在WS2薄膜基体中呈纳米颗粒相形式的金属Ag明显降低了复合薄膜的内应力，改善了复合薄膜与金属基底的界面结合力。
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。
本发明减摩IF-WS2/Ag复合薄膜在空气和真空都具有低的摩擦系数，耐磨性能优良，并与金属基底有较高的结合力，可用于制造在真空和潮湿空气中交叉使用的轴承、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
实施例1：
减摩IF-WS2/Ag复合薄膜中含有(按重量)98％IF-WS2、2％Ag。薄膜厚度约3μm，复合薄膜中金属Ag以平均尺寸为30nm的颗粒分布在平均尺寸为90nm的IF-WS2颗粒膜基体中。采用激光脉冲沉积方法同时溅射层状结构的WS2和金属Ag靶，在钛合金基底上沉积复合薄膜。基底加热温度为200℃，抽真空至10-3Pa，通入氩气，调整真空室内气压为0.4Pa，偏压为-150V，溅射时间2小时，待真空室温度降至室温后，打开真空室，制成IF-WS2/Ag复合薄膜厚度约3μm的工件。
实施例2：
减摩IF-WS2/Ag复合薄膜中含有(按重量)95％IF-WS2、5％Ag。薄膜厚度约3μm，复合薄膜中金属Ag以平均尺寸为40nm的颗粒分布在平均尺寸为90nn的IF-WS2颗粒膜基体中。采用激光脉冲沉积方法同时溅射层状结构的WS2和金属Ag靶，在钛合金基底上沉积复合薄膜。基底加热温度为200℃，抽真空至10-3Pa，通入氩气，调整真空室内气压为0.5Pa，偏压为-150V，溅射时间2小时，待真空室温度降至室温后，打开真空室，制成IF-WS2/Ag复合薄膜厚度约3μm的工件。
实施例3：
减摩IF-WS2/Ag复合薄膜中含有(按重量)92％IF-WS2、8％Ag。薄膜厚度约3μm，复合薄膜中金属Ag以平均尺寸为60nm的颗粒分布在平均尺寸为90nm的IF-WS2颗粒膜基体中。采用激光脉冲沉积方法同时溅射层状结构的WS2和金属Ag靶，在钛合金基底上沉积复合薄膜。基底加热温度为200℃，抽真空至10-3Pa，通入氩气，调整真空室内气压为0.6Pa，偏压为-150V，溅射时间2小时，待真空室温度降至室温后，打开真空室，制成IF-WS2/Ag复合薄膜厚度约3μm的工件。
用划痕试验机测定IF-WS2/Ag复合薄膜与钛合金基底的界面结合强度。在球—盘式摩擦试验机上对IF-WS2/Ag复合薄膜的摩擦磨损性能进行评价。球试样为硬度60HRC的GCr15钢，直径为3mm，盘试样为IF-WS2/Ag复合薄膜。试验条件为：试验载荷为15N，线速度为0.12m/s，干摩擦(无油润滑)状态，在室温空气(相对湿度为60％)和真空(10-2Pa)下进行。测试过程中自动记录摩擦系数，在磨损试验后用光学显微镜观察IF-WS2/Ag复合薄膜的磨损表面划痕尺寸，并称量薄膜的磨损失重。表1为实施例1、实施例2和实施例3的IF-WS2/Ag复合薄膜在室温空气(相对湿度为60％)和真空(10-2Pa)中的平均动摩擦系数(μ)。
表1
| 薄膜 | 真空中 | 空气中 |
| 实施例1复合薄膜 | 0.032 | 0.041 |
| 实施例2复合薄膜 | 0.046 | 0.053 |
| 实施例3复合薄膜 | 0.055 | 0.059 |
本发明减摩IF-WS2/Ag复合薄膜具有如下特点：
1、摩擦系数低，摩擦系数稳定。本发明实施例1、实施例2和实施例3的IF-WS2/Ag复合薄膜在真空中平均动摩擦系数分别为0.032、0.046和0.055；在室温空气的平均动摩擦系数分别为0.041、0.053和0.059，都具有很低的摩擦系数。在室温空气和真空中摩擦系数变化极小，表现出良好的环境摩擦稳定性。本发明实施例1、实施例2和实施例3的IF-WS2/Ag复合薄膜在室温空气和真空环境条件下经过150000个摩擦循环过程中的摩擦系数变化平稳、波动小。
2、耐磨性能良好。本发明实施例1、实施例2和实施例3的IF-WS2/Ag复合薄膜在真空中经过150000个循环后的磨损失重分别为9.8mg、8.7mg和10.3mg，低于IF-WS2薄膜在真空中的磨损失重11.6mg；本发明实施例1、实施例2和实施例3的WS2/Ag复合薄膜在空气中经过150000个循环后的磨损失重分别为10.5mg、9.7mg和12.4mg，低于IF-WS2薄膜在空气中的磨损失重13.3mg。实施例1、实施例2和实施例3的IF-WS2/Ag复合薄膜在真空和空气中的磨损表面没有明显的磨损碎片，磨损表面磨痕尺寸和深度都小于相应磨损条件下的IF-WS2薄膜。
3、与金属基底结合力好。本发明实施例1、实施例2和实施例3的IF-WS2/Ag复合薄膜中呈纳米颗粒形式存在的金属Ag明显降低了复合薄膜的内应力，改善了复合薄膜与金属基底的界面结合力。划痕试验测量的实施例1、实施例2和实施例3的IF-WS2/Ag复合薄膜的临界载荷(Lc)值分别为66N、78N和85N，高于IF-WS2薄膜的临界载荷52N，并且在摩擦磨损过程中实施例1、实施例2和实施例3的IF-WS2/Ag复合薄膜不会开裂和剥落。
本发明减摩IF-WS2/Ag复合薄膜在大气和真空环境都具有低的摩擦系数，耐磨性能优良，并与金属基底有较高的结合力，可用于制造在真空和潮湿空气中交叉使用的轴承、陀螺仪和齿轮等零部件表面的减摩防护薄膜。
Claims (1)
1.一种减摩IF-WS2/Ag复合薄膜，其特征在于它是粒径为20～80nm的金属Ag分布在平均粒径为90nm的IF-WS2颗粒膜基体中的薄膜，其组分的重量百分比为：
IF-WS2 92～98％，
金属Ag 2～8％，薄膜厚度为1～5μm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2005100606597A CN1314784C (zh) | 2005-09-07 | 2005-09-07 | 一种减摩IF－WS2/Ag复合薄膜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB2005100606597A CN1314784C (zh) | 2005-09-07 | 2005-09-07 | 一种减摩IF－WS2/Ag复合薄膜 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1737091A CN1737091A (zh) | 2006-02-22 |
| CN1314784C true CN1314784C (zh) | 2007-05-09 |
Family
ID=36080043
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB2005100606597A Expired - Fee Related CN1314784C (zh) | 2005-09-07 | 2005-09-07 | 一种减摩IF－WS2/Ag复合薄膜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1314784C (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8449200B2 (en) * | 2007-05-21 | 2013-05-28 | Ntn Corporation | Resin composition for sliding member and rolling bearing |
| CN104962859B (zh) * | 2014-09-05 | 2018-04-24 | 北京机械工业自动化研究所 | WS2/Ag复合梯度固体润滑薄膜的制造方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1406164A (zh) * | 2000-03-06 | 2003-03-26 | 耶达研究与开发有限公司 | 在复合金属基体中作为固体润滑剂的空心类富勒烯纳米粒子 |
| CN1411426A (zh) * | 2000-03-06 | 2003-04-16 | 耶达研究与开发有限公司 | 用于生产无机类富勒烯二硫化钨中空纳米颗粒和纳米管的反应器 |
-
2005
- 2005-09-07 CN CNB2005100606597A patent/CN1314784C/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1406164A (zh) * | 2000-03-06 | 2003-03-26 | 耶达研究与开发有限公司 | 在复合金属基体中作为固体润滑剂的空心类富勒烯纳米粒子 |
| CN1411426A (zh) * | 2000-03-06 | 2003-04-16 | 耶达研究与开发有限公司 | 用于生产无机类富勒烯二硫化钨中空纳米颗粒和纳米管的反应器 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Ni-P-无机类富勒烯WS2纳米材料化学复合镀层的制备及其摩擦学性能初步研究 陈卫祥，等，化学学报，第60卷第9期 2002 * |
| Ni-P-无机类富勒烯WS2纳米材料化学复合镀层的制备及其摩擦学性能初步研究 陈卫祥，等，化学学报，第60卷第9期 2002;Slow Release of Fullerene-like WS2 Nanoparticles fromFe-Ni Graphite Matrix: A Self-Lubricating Nanocomposite L.Rapoport,et al,Nano Lett.,Vol.1 No.3 2001;无机类富勒烯过渡金属硫化物纳米材料的合成及其摩擦学应用研究进展 陈卫祥，等，摩擦学学报，第23卷第1期 2003 * |
| Slow Release of Fullerene-like WS2 Nanoparticles fromFe-Ni Graphite Matrix: A Self-Lubricating Nanocomposite L.Rapoport,et al,Nano Lett.,Vol.1 No.3 2001 * |
| 无机类富勒烯过渡金属硫化物纳米材料的合成及其摩擦学应用研究进展 陈卫祥，等，摩擦学学报，第23卷第1期 2003 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1737091A (zh) | 2006-02-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ding et al. | Tribological properties of Cr-and Ti-doped MoS2 composite coatings under different humidity atmosphere | |
| Zeng et al. | Study on atmospheric tribology performance of MoS2–W films with self-adaption to temperature | |
| Wan et al. | Tribological performance of CrN and CrN/GLC coated components for automotive engine applications | |
| Xu et al. | Nanostructured WS2–Ni composite films for improved oxidation, resistance and tribological performance | |
| Cook et al. | Analysis of wear mechanisms in low-friction AlMgB14–TiB2 coatings | |
| US20090074522A1 (en) | Reduced-friction coatings | |
| Xu et al. | Microstructure evolution and enhanced tribological properties of Cu-doped WS 2 films | |
| Martins et al. | Influence of low friction coatings on the scuffing load capacity and efficiency of gears | |
| Kara et al. | The effect of TiN, TiAlN, CrAlN, and TiAlN/TiSiN coatings on the wear properties of AISI H13 steel at room temperature | |
| CN101209606A (zh) | 自润滑耐磨类石墨/TiC梯度复合薄膜 | |
| Zhang et al. | Microstructure and friction behavior of LaF3 doped Ti-MoS2 composite thin films deposited by unbalanced magnetron sputtering | |
| Wang et al. | Tribological properties of graphite-like carbon coatings coupling with different metals in ambient air and water | |
| Staia et al. | High-temperature tribological characterization of commercial TiAlN coatings | |
| CN100371496C (zh) | 一种自润滑多层复合涂层及其制备方法 | |
| Qi et al. | The tribological performance of selected solid lubricant films in sand-dust environments | |
| CN100387750C (zh) | 磁控溅射制备减摩IF－WS2/IF－MoS2复合薄膜的方法 | |
| CN1314784C (zh) | 一种减摩IF－WS2/Ag复合薄膜 | |
| Zhu et al. | Nano-crystallization-driven high temperature self-lubricating properties of magnetron-sputtered WS 2 coatings | |
| Zhang et al. | Influence of Ag target current on the structure and tribological properties of CrMoSiCN/Ag coatings in air and water | |
| Dai et al. | Properties of W/DLC/W–S–C composite films fabricated by magnetron sputtering | |
| Ahmed et al. | Tribological properties of multilayer TiN and MoS2 thin films | |
| JP6249533B2 (ja) | ナノ複合固体潤滑被膜 | |
| CN1718857A (zh) | 减摩MoS2/Ti复合镀层 | |
| CN106467959A (zh) | 一种基体表面的固体润滑复合涂层及其制备方法 | |
| KR101727931B1 (ko) | 나노복합 고체 윤활제 코팅 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20070509 Termination date: 20110907 |