專利名稱：減摩MoS的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種復合材料技術領域的鍍層，具體說，涉及一種減摩MoS2/Ti復合鍍層。
背景技術：
層狀結構的MoS2作為一種性能優(yōu)良的固體潤滑劑，是由MoS2晶體的特殊結構所決定的，它的晶體是S-Mo-S原子形成的六方體結構。在每一層里S-Mo原子是以很強的共價鍵結合，層與層之間是以很弱的范德瓦爾斯鍵結合，層與層之間易于滑動。作為固體潤滑劑，它不僅摩擦系數(shù)小、承載力大、耐磨性好，而且還具有與基材的結合力強、蒸發(fā)率低、耐輻射等優(yōu)點。
經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Voevodin A.A.，等人在《Surf.Coat.Technol.》注明刊物中譯文1998第12期107頁上介紹了層狀結構的MoS2晶體，在低溫空氣和真空中，MoS2都具有良好的潤滑性能。但是在較高溫度的空氣中，由于層狀結構的MoS2晶體邊緣不飽和的懸掛鍵具有化學活性，350℃以上MoS2就會發(fā)生氧化，尤其當溫度高于560℃時，其氧化作用進行得更為劇烈，使其潤滑性能急劇下降，甚至失去潤滑作用，從而對機械系統(tǒng)的安全可靠性和機械零部件的使用壽命產(chǎn)生重要的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術中的不足，提供一種減摩MoS2/Ti復合鍍層，使其可在空氣中室溫以及較高溫度下使用，并具有優(yōu)異減摩性能。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，本發(fā)明組分及重量百分比為80～95％MoS2粉末，5～20％金屬Ti粉，鍍層厚度1-5μm。
所述的金屬Ti以平均尺寸為10～60nm的顆粒均勻分布在MoS2基體中。
所述的金屬Ti以連續(xù)非晶態(tài)的形式存在于MoS2基體中。
所述的MoS2粉末，粒度100目，所述的金屬Ti粉，粒度150目。
本發(fā)明的MoS2/Ti減摩復合鍍層以層狀結構的MoS2粉、金屬Ti粉為基本原料，采用磁控濺射方法制備而成。其制備方法如下按質(zhì)量百分含量稱量75～98％MoS2粉末(粒度100目)，2～25％金屬Ti粉(粒度150目)。先將MoS2粉與Ti粉在瑪瑙球磨罐中高能球磨1～15小時，使MoS2粉和金屬Ti粉混合均勻，金屬Ti粉在高能球磨過程中粒度減小。將球磨后的混合粉末在30MPa壓力下冷壓成厚度為6mm的圓片狀，然后在800℃真空中燒結制成MoS2/Ti復合靶材。采用磁控濺射方法在直流濺射條件下在低碳鋼基底上濺射沉積，加熱基底溫度為100℃，抽真空至10-3Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為0.2～1.0Pa，偏壓為-100V，調(diào)整磁控電源電壓至600V，濺射時間0.5-4小時，待真空腔溫度降至室溫后，打開真空室，制成濺射沉積MoS2/Ti復合鍍層的工件。
金屬Ti具有良好的耐熱(＜500℃)、耐低溫，并與氧化學親和力強等性能特點。因此，添加金屬Ti部分固溶在復合鍍層中使層狀MoS2發(fā)生鈍化，同時較高溫度的環(huán)境中，金屬Ti與氧有較強的化學親和力而使金屬Ti優(yōu)先被氧化，從而降低了層狀MoS2對氧化氣氛作用的敏感性。在MoS2膜中添加少量的金屬Ti并使其以高分散性的納米顆粒相形式存在，將提高MoS2薄膜的硬度和耐磨性性能；而較多的金屬Ti在MoS2基體中以連續(xù)的非晶態(tài)形式存在，可以提高MoS2鍍層的承載能力。在較高溫度下復合鍍層中軟化的金屬Ti由于相對滑動引起的塑性流變，改善了摩擦副表面的接觸狀態(tài)，降低了摩擦系數(shù)并提高了耐磨性能，延長MoS2鍍層在摩擦磨損過程中的使用壽命。在MoS2鍍層基體中呈納米顆粒相形式或呈連續(xù)的非晶態(tài)形式存在的金屬Ti都明顯降低了復合鍍層的內(nèi)應力，改善了復合鍍層與金屬基體的界面結合強度。
本發(fā)明的減摩復合鍍層制備工藝簡單，普通的直流磁控濺射設備即可制備，濺射過程易于控制，濺射后無需進行熱處理，可直接作為機械零部件表面的減摩防護鍍層使用。
本發(fā)明減摩MoS2/Ti復合鍍層在室溫和較高溫度空氣中都具有低的摩擦系數(shù)，耐磨性能優(yōu)良，并與金屬基底有較高的結合力，可用于制造在常溫以及較高溫度下使用的軸承、陀螺儀和齒輪等零部件表面的減摩防護鍍層。
具體實施例方式
實施例1減摩MoS2/Ti復合鍍層中含有(按重量)95％MoS2、5％Ti，鍍層厚度約3μm，復合鍍層中金屬Ti以平均尺寸為40nm的顆粒均勻分布在MoS2基體中。按材料成分配比將MoS2粉和Ti粉混合，在瑪瑙球磨罐中氬氣保護氣氛下，高能機械球磨15小時混合均勻，金屬Ti粉在高能球磨過程中平均粒徑減小到80nm。將球磨后的混合粉末在30MPa壓力下冷壓成厚度為6mm的圓片狀，在800℃真空中燒結制成MoS2/Ti復合靶材。采用磁控濺射方法在直流濺射條件下在低碳鋼基底上濺射沉積，加熱基底溫度為100℃，抽真空至10-3Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為0.5Pa，偏壓為-100V，調(diào)整磁控電源電壓至600V，濺射時間2小時，待真空腔溫度降至室溫后，打開真空室，制成濺射沉積鍍層厚度約3μm的工件。
實施例3減摩MoS2/Ti復合鍍層中含有(按重量)88％MoS2、12％Ti，鍍層厚度約3μm，復合鍍層中金屬Ti以平均尺寸為40nm的顆粒均勻分布在MoS2基體中。按材料成分配比將MoS2粉和Ti粉混合，在瑪瑙球磨罐中氬氣保護氣氛下，高能機械球磨15小時混合均勻，金屬Ti粉在高能球磨過程中平均粒徑減小到80nm。將球磨后的混合粉末在30MPa壓力下冷壓成厚度為6mm的圓片狀，在800℃真空中燒結制成MoS2/Ti復合靶材。采用磁控濺射方法在直流濺射條件下在低碳鋼基底上濺射沉積，加熱基底溫度為100℃，抽真空至10-3Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為0.6Pa，偏壓為-100V，調(diào)整磁控電源電壓至600V，濺射時間1.8小時，待真空腔溫度降至室溫后，打開真空室，制成濺射沉積鍍層厚度約3μm的工件。
實施例3減摩MoS2/Ti復合鍍層中含有(按重量)80％MoS2、20％Ti，鍍層厚度約3μm，復合鍍層中金屬Ti以連續(xù)非晶態(tài)的形式存在于MoS2基體中。按材料成分配比將MoS2粉和Ti粉混合，在瑪瑙球磨罐中氬氣保護氣氛下，機械球磨1小時混合均勻。將球磨后的混合粉末在30MPa壓力下冷壓成厚度為6mm的圓片狀，在800℃真空中燒結制成MoS2/Ti復合靶材。采用磁控濺射方法在直流濺射條件下在低碳鋼基底上濺射沉積，加熱基底溫度為100℃，抽真空至10-3Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為0.8Pa，偏壓為-100V，調(diào)整磁控電源電壓至600V，濺射時間1.5小時，待真空腔溫度降至室溫后，打開真空室，制成濺射沉積鍍層厚度約3μm的工件。
用劃痕試驗機測定復MoS2/Ti復合鍍層與低碳鋼基底的界面結合強度。在球-盤式摩擦試驗機上對MoS2/Ti復合鍍層的摩擦磨損性能進行評價。球試樣為硬度60HRC的GCr15鋼，直徑為3mm，盤試樣為MoS2/Ti復合鍍層。試驗條件為試驗載荷為9.8N，線速度為0.2m/s，空氣相對濕度為30％，干摩擦(無油潤滑)狀態(tài)，在室溫和400℃溫度下進行。測試過程中自動記錄摩擦系數(shù)，在磨損試驗后用光學顯微鏡觀察MoS2/Ti復合鍍層的磨損表面劃痕尺寸，并稱量鍍層的磨損失重。表1為實施例1、實施例2和實施例3的MoS2/Ti復合鍍層與純MoS2鍍層(厚度約3μm)在室溫和400℃空氣中所測定的平均動摩擦系數(shù)(μ)比較。
表1

本發(fā)明減摩MoS2/Ti復合鍍層與純MoS2鍍層比較具有如下優(yōu)點1、摩擦系數(shù)低。本發(fā)明實施例1和實施例2的MoS2/Ti復合鍍層在室溫空氣中的平均動摩擦系數(shù)分別為0.037和0.045，低于MoS2鍍層在室溫空氣中的平均動摩擦系數(shù)0.051，實施例3的MoS2/Ti復合鍍層的平均動摩擦系數(shù)與MoS2鍍層相當。在400℃空氣中本發(fā)明實施例1、實施例2和實施例3的MoS2/Ti復合鍍層的平均動摩擦系數(shù)遠低于MoS2鍍層。
2、摩擦系數(shù)穩(wěn)定。本發(fā)明實施例1、實施例2和實施例3的MoS2/Ti復合鍍層在空氣環(huán)境中室溫和400℃條件下經(jīng)過150000個摩擦循環(huán)過程中的摩擦系數(shù)波動較小，由室溫到400℃實施例3的MoS2/Ti復合鍍層的平均動摩擦系數(shù)變化較少，實施例1和實施例2的MoS2/Ti復合鍍層平的均動摩擦系數(shù)也增大較少，而MoS2鍍層則發(fā)生摩擦系數(shù)的急劇增大，在400℃條件下經(jīng)過150000個摩擦循環(huán)過程中的摩擦系數(shù)波動較大。
3、耐磨性能良好。本發(fā)明實施例1、實施例2和實施例3的MoS2/Ti復合鍍層在室溫經(jīng)過150000個循環(huán)后的磨損失重分別為13.6mg、15.2mg和17.9mg，低于MoS2鍍層在室溫的磨損失重18.2mg；實施例1、實施例2和實施例3的MoS2/Ti復合鍍層在400℃條件下經(jīng)過150000個循環(huán)后的磨損失重分別為38.4mg、34.5mg和31.7mg，明顯低于MoS2鍍層在400℃的磨損失重107.3mg。實施例1、實施例2和實施例3的MoS2/Ti復合鍍層在室溫和400℃的磨損表面沒有明顯的磨損碎片，磨損表面劃痕尺寸和深度都小于相應磨損條件下的MoS2鍍層。
4、與金屬基底結合力好。本發(fā)明實施例1、實施例2和實施例3的MoS2/Ti復合鍍層中分別呈納米顆粒形式和連續(xù)的非晶態(tài)形式存在的金屬Ti明顯降低了復合鍍層的內(nèi)應力，改善了復合鍍層與金屬基底的界面結合強度。劃痕試驗測量的實施例1、實施例2和實施例3的MoS2/Ti復合鍍層的臨界載荷(Lc)值分別為91N、88N和84N，低于MoS2鍍層的臨界載荷67N，并且在摩擦磨損過程中實施例1、實施例2和實施例3的MoS2/Ti復合鍍層不會開裂和剝落。
權利要求
1.一種減摩MoS2/Ti復合鍍層，其特征在于，其組分及重量百分比為80～95％MoS2粉末，5～20％金屬Ti粉，鍍層厚度1-5μm。
2.根據(jù)權利要求1所述的減摩MoS2/Ti復合鍍層，其特征是，組分的重量百分比為95％ MoS2，5％金屬Ti，鍍層厚度3μm。
3.根據(jù)權利要求1所述的減摩MoS2/Ti復合鍍層，其特征是，組分的重量百分比為88％ MoS2，12％金屬Ti，鍍層厚度3μm。
4.根據(jù)權利要求1所述的減摩MoS2/Ti復合鍍層，其特征是，組分的重量百分比為80％ MoS2，20％金屬Ti，鍍層厚度3μm。
5.根據(jù)權利要求1或者2或者3或者4所述的減摩MoS2/Ti復合鍍層，其特征是，金屬Ti以平均尺寸為10～60nm的顆粒均勻分布在MoS2基體中。
6.根據(jù)權利要求1或者2或者3或者4所述的減摩MoS2/Ti復合鍍層，其特征是，金屬Ti以連續(xù)非晶態(tài)的形式存在于MoS2基體中。
7.根據(jù)權利要求1或者2或者3或者4所述的減摩MoS2/Ti復合鍍層，其特征是，所述的MoS2粉末，粒度100目。
8.根據(jù)權利要求1或者2或者3或者4所述的減摩MoS2/Ti復合鍍層，其特征是，所述的金屬Ti粉，粒度150目。
全文摘要
一種潤滑技術領域的減摩MoS
文檔編號B32B15/04GK1718857SQ2005100286
公開日2006年1月11日 申請日期2005年8月11日 優(yōu)先權日2005年8月11日
發(fā)明者何丹農(nóng), 涂江平, 夏正志, 余震 申請人:上海交通大學