專利名稱：基于MoS₂-TiC-C的自潤滑減摩復(fù)合薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種納米處理技術(shù)領(lǐng)域的材質(zhì)及方法，具體是一種基于 MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復(fù)合薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，固態(tài)潤滑材料的研究成為摩擦學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。與液體潤滑劑相比， 一方面它具有更高的使用溫度和更大的承載能力，另一方面可以減小對(duì)環(huán)境的污染。常用 的固態(tài)潤滑材料主要有MoS2、WS2和石墨，其中又以MoS2基潤滑材料的研究應(yīng)用最為廣泛。 普通層狀結(jié)構(gòu)(2H)的過渡族金屬硫化物MoS2晶體是S-Mo-S原子形成的六方體結(jié)構(gòu)，在每 一層里S-Mo原子以很強(qiáng)的共價(jià)鍵結(jié)合，層與層之間以很弱的范德瓦爾斯鍵結(jié)合，層與層之 間易于滑動(dòng)，呈現(xiàn)出良好的潤滑性能，因而被廣泛用作干摩擦狀態(tài)下的固態(tài)薄膜潤滑材料。 但是由于層狀結(jié)構(gòu)的MoS2晶體邊緣不飽和的懸掛鍵具有化學(xué)活性，在大氣(特別是潮濕空 氣)和富氧環(huán)境的摩擦過程中容易被氧化生成MoO3和H2SO4使其摩擦性能急劇下降，甚至 失去潤滑作用，MoS2薄膜的這一缺點(diǎn)大大限制了其在大氣環(huán)境中的應(yīng)用。與此同時(shí)，TiC薄 膜和DLC(類金剛石)薄膜由于其強(qiáng)度高、硬度高、耐蝕性和熱穩(wěn)定性好，可以有效地提高材 料的耐磨性能和使用壽命而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。然而，單獨(dú)的TiC薄膜或DLC(類金 剛石)薄膜由于較高的摩擦系數(shù)、較差的耐久性和較低的結(jié)合力無法滿足其應(yīng)用環(huán)境的要 求。A. A. El Mel 等人在雜志 Surface & Coatings Technology 2010 年第 204 期第 1880-1883 頁發(fā)表的〈〈Microstructure and composition of TiC/a-C :H nanocomposite thin films deposited by a hybrid IPVD/PECVD process》(混合 IPVD/PECVD(電離物理 氣相沉積和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)方法制備TiC/a-C :H(非晶態(tài)氫化碳)納米復(fù)合 薄膜的結(jié)構(gòu)和成分研究)中提出，在Ar-CH4等離子體氣氛中用Ti靶磁控濺射可以制備得 到TiC/a-C =H納米復(fù)合薄膜。對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)和專利檢索，未發(fā)現(xiàn)在Ar-CH4氣氛中MoS2靶和 Ti靶共濺射制備MoS2-TiC-C自潤滑減摩復(fù)合薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復(fù) 合薄膜及其制備方法，制備工藝簡單，沉積過程易于控制，沉積后的復(fù)合薄膜無需進(jìn)行熱處 理，可直接作為機(jī)械零部件表面的減摩防護(hù)薄膜使用。本工藝制備所得的復(fù)合薄膜硬度高， 納米硬度達(dá)到7. 6GPa，抗磨減摩性能優(yōu)異，摩擦系數(shù)可達(dá)到0. 04，經(jīng)摩擦磨損測(cè)試后薄膜 表面未見磨穿脫落現(xiàn)象。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明通過在不銹鋼基片濺射純鈦或純鎳后 進(jìn)一步進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射制備得到MoS2-TiC-C復(fù)合薄膜。所述的不銹鋼基片為經(jīng)拋光機(jī)上拋光后超聲波清洗并吹干后的不銹鋼片。所述的基片為不銹鋼，直徑為30mm，厚度為4mm
所述的拋光是指將基片拋光至光潔度小于等于0. 01 μ m ；所述的超聲清洗是指采用分析純酒精、丙酮將拋光后的不銹鋼基片置于超聲清 洗機(jī)中分別超聲清洗30min;所述的吹干是指用壓縮氮?dú)鈱⒉讳P鋼基片表面吹干。所述的濺射純鈦或純鎳是指將濺射室本底真空抽至IO-4Pa后，通入氬氣并調(diào)整 氣體流量計(jì)使氣壓達(dá)到lPa，設(shè)置濺射功率為100W，濺射時(shí)間為15min，在基片上直流濺射 純Ti靶或純Ni靶，制成厚度約IOOnm的中間層；所述的進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射是指在濺射室中通入氬氣和甲烷的混合氣體后，在 0. 3 1. 5Pa氬氣和甲烷混合氣體環(huán)境下，分別設(shè)置a) MoS2靶射頻濺射功率為100 300W ；b)純鈦靶直流濺射功率10 30W ；兩靶同時(shí)開啟進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為60 120min，制成厚度為0. 4 1. 7 μ m的復(fù)
口 te O所述的混合氣體中氬氣為濺射氣體，甲烷為反應(yīng)氣體，氬氣在混合氣體中所占體 積百分比含量為85%且甲烷為15%。本發(fā)明通過上述方法制備得到的復(fù)合薄膜采用XRD和EDS分析，物相為MoS2、TiC 和非晶態(tài)C，成分含量MoS2* 17. 1 29. 6at%、TiC為5. 9 15. 8at%、非晶態(tài)C為63. 8 73at%。本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是采用氬氣和甲烷混合氣體進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射，利用MoS2晶體 結(jié)構(gòu)具有低摩擦系數(shù)的特性，加入Ti和C成分，形成了 MoS2、TiC和C三者的復(fù)合薄膜。首 先，TiC可以細(xì)化MoS2晶粒，大大改善MoS2薄膜的柱狀疏松結(jié)構(gòu)，抑制MoS2在潮濕大氣和富 氧環(huán)境中的氧化；其次，TiC可以提高M(jìn)oS2薄膜的硬度和強(qiáng)度；再次，非晶態(tài)C可以進(jìn)一步 提高薄膜的硬度，強(qiáng)度，韌性和潤滑性能；這些特點(diǎn)使得薄膜的耐磨性能和使用壽命有了極 大的提高，拓展了 MoS2在大氣環(huán)境下的使用范圍。由于在濺射復(fù)合薄膜之前，在基體上濺 射有一層IOOnm左右的中間層，進(jìn)一步增強(qiáng)金屬基體與薄膜之間的結(jié)合強(qiáng)度。本發(fā)明MoS2-TiC-C自潤滑減摩復(fù)合薄膜制備工藝簡單，沉積過程易于控制，薄膜 沉積后無需進(jìn)行熱處理，可直接作為機(jī)械零部件表面的減摩防護(hù)薄膜使用。本發(fā)明制備的 復(fù)合薄膜具有低摩擦系數(shù)的同時(shí)耐磨性能優(yōu)良，與金屬基底有較高的結(jié)合力，可用于制造 軸承、陀螺儀和齒輪等零部件表面的減摩防護(hù)薄膜。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。實(shí)施例1將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時(shí)間約15min， 關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)使濺射室內(nèi)氣壓為0. 8Pa,
4甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率150W，直流濺射鈦靶，功率10W，工 作氣壓為0. 8Pa，濺射時(shí)間60分鐘，關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成 薄膜厚度約0. 6 μ m的薄膜。經(jīng)EDS能譜分析，得到其原子百分比為19. Iat % MoS2+7. 9at% TiC+73at% C實(shí)施例2將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時(shí)間約15min， 關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)使濺射室內(nèi)氣壓為1.2Pa， 甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率200W，直流濺射Ti靶，功率15W，工 作氣壓為1. 2Pa，濺射時(shí)間90分鐘，關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成 薄膜厚度約1.3μπι的薄膜。實(shí)施例3將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電 源，直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時(shí)間約 15min，關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)使濺射室內(nèi)氣壓為
0.5Pa,甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率100W，直流濺射Ti靶，功 率30W，工作氣壓為0. 5Pa,濺射時(shí)間100分鐘，關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開 真空室，制成薄膜厚度約Ι.Ομπι的薄膜。經(jīng)EDS能譜分析，得到其原子百分比為17. Iat % MoS2+15. 8at% TiC+67. Iat % C實(shí)施例4將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電 源，直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時(shí)間約 15min，關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)使濺射室內(nèi)氣壓為
1.5Pa,甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率300W，直流濺射Ti靶，功 率20W，工作氣壓為1.5Pa，濺射時(shí)間120分鐘，關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開 真空室，制成薄膜厚度約1. 7 μ m的薄膜。經(jīng)EDS能譜分析，得到其原子百分比為25. 3at% MoS2+10. 9at% TiC+63. 8at% C實(shí)施例5將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時(shí)間約15min， 關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)使濺射室內(nèi)氣壓為0. 3Pa, 甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率200W，直流濺射Ti靶，功率10W，工 作氣壓為0. 3Pa，濺射時(shí)間80分鐘，關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成 薄膜厚度約0.4μπι的薄膜。實(shí)施例6
將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時(shí)間約15min， 關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)使濺射室內(nèi)氣壓為l.OPa， 甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率250W，直流濺射Ti靶，功率10W，工 作氣壓為l.OPa，濺射時(shí)間100分鐘，關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制 成薄膜厚度約1.5μπι的薄膜。實(shí)施例7將不銹鋼基片拋光至光潔度小于0. 01 μ m，并用酒精、丙酮在超聲波清洗器中洗 凈，吹干，裝入濺射室內(nèi)。抽真空至10_4Pa，通入氬氣，調(diào)整真空室內(nèi)氣壓為lPa，開啟電源， 直流濺射Ti或Ni靶，厚度約lOOnm，濺射功率為100W，工作氣壓為lPa，濺射時(shí)間約15min， 關(guān)閉電源。通入一定量氬氣和甲烷的混合氣體，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)使濺射室內(nèi)氣壓為1.3Pa， 甲烷的含量為15 %，開啟電源，用射頻濺射MoS2靶，功率300W，直流濺射Ti靶，功率10W，工 作氣壓為1. 3Pa，濺射時(shí)間90分鐘，關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫后，打開真空室，制成 薄膜厚度約1. 6 μ m的薄膜。經(jīng)EDS能譜分析，得到其原子百分比為29. 6at% MoS2+5. 9at% TiC+64. 5at% C對(duì)MoS2基復(fù)合薄膜進(jìn)行摩擦學(xué)性能和力學(xué)性能評(píng)價(jià)，所用的設(shè)備為在MFT-4000 材料表面性能試驗(yàn)儀。對(duì)磨材料選用Φ4mm的GCr 15鋼球，硬度62HRC。試驗(yàn)條件為試驗(yàn) 載荷為20N，摩擦方式為往復(fù)摩擦，摩擦長度10mm，摩擦頻率50Hz，試驗(yàn)時(shí)間30min，干摩擦 (無油潤滑)狀態(tài)，在室溫空氣(相對(duì)濕度為50% 70%)條件下進(jìn)行，測(cè)試過程中自動(dòng)記 錄摩擦系數(shù)。力學(xué)性能評(píng)價(jià)所用設(shè)備為納米壓痕儀。表1為實(shí)施例1-7的MoS2基復(fù)合薄膜 以及純MoS2薄膜在室溫，相對(duì)濕度為50% 70%空氣中的平均動(dòng)摩擦系數(shù)(μ )。表2為 實(shí)施例1-7的MoS2基復(fù)合薄膜以及純MoS2薄膜的納米硬度。表 1 表 2
實(shí)施例編號(hào)1234567純MoS2薄膜納米硬度(GPa)6. 287. 137. 637. 215. 765. 134. 610. 57 本實(shí)施例制備的MoS2-TiC-C自潤滑減摩復(fù)合薄膜硬度高，可達(dá)7. 6GPa,復(fù)合薄膜 在室溫空氣(相對(duì)濕度為50% 70%)條件下往復(fù)循環(huán)摩擦半小時(shí)過程中，摩擦系數(shù)低且 變化平穩(wěn)、波動(dòng)小，摩擦系數(shù)達(dá)到0. 042，該薄膜耐磨抗氧化性能優(yōu)良，可用于制造軸承、陀 螺儀和齒輪等零部件表面的減摩防護(hù)薄膜。
權(quán)利要求
一種基于MoS2 TiC C的自潤滑減摩復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于，通過在不銹鋼基片濺射純鈦或純鎳后進(jìn)一步進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射制備得到MoS2 TiC C復(fù)合薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復(fù)合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的不銹鋼基片為經(jīng)拋光機(jī)上拋光后超聲波清洗并吹干后的不銹鋼片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復(fù)合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的基片為不銹鋼，直徑為30mm，厚度為4mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復(fù)合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的拋光是指將基片拋光至光潔度小于等于0. 01 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復(fù)合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的超聲清洗是指采用分析純酒精、丙酮將拋光后的不銹鋼基片置于超聲清洗機(jī)中 分別超聲清洗30min。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復(fù)合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的吹干是指用壓縮氮?dú)鈱⒉讳P鋼基片表面吹干。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復(fù)合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的濺射純鈦或純鎳是指將濺射室本底真空抽至KT4Pa后，通入氬氣并調(diào)整氣體流 量計(jì)使氣壓達(dá)到lPa，設(shè)置濺射功率為100W，濺射時(shí)間為15min，在基片上直流濺射純Ti靶 或純M靶，制成厚度約IOOnm的中間層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復(fù)合薄膜的制備方法，其特 征是，所述的進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射是指在濺射室中通入氬氣和甲烷的混合氣體后，在0. 3 1. 5Pa氬氣和甲烷混合氣體環(huán)境下，分別設(shè)置a)MoS2靶射頻濺射功率為100 300W ；b)純鈦靶直流濺射功率10 30W；兩靶同時(shí)開啟進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為60 120min，制成厚度為0. 4 1. 7μπι的復(fù)合層。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復(fù)合薄膜的制備方法，其特征 是，所述的混合氣體中氬氣為濺射氣體，甲烷為反應(yīng)氣體，氬氣在混合氣體中所占體積百 分比含量為85%且甲烷為15%。
10.一種基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復(fù)合薄膜，其特征在于，采用上述任一權(quán)利要求 所述方法制備得到。
全文摘要
一種納米表面處理技術(shù)領(lǐng)域的基于MoS2-TiC-C的自潤滑減摩復(fù)合薄膜及其制備方法，通過在不銹鋼基片濺射純鈦或純鎳后進(jìn)一步進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射制備得到MoS2-TiC-C復(fù)合薄膜。本發(fā)明制備工藝簡單，沉積過程易于控制，沉積后的復(fù)合薄膜無需進(jìn)行熱處理，可直接作為機(jī)械零部件表面的減摩防護(hù)薄膜使用。本工藝制備所得的復(fù)合薄膜硬度高，納米硬度達(dá)到7.6GPa，抗磨減摩性能優(yōu)異，摩擦系數(shù)可達(dá)到0.04，經(jīng)摩擦磨損測(cè)試后薄膜表面未見磨穿脫落現(xiàn)象。
文檔編號(hào)C23C14/06GK101921984SQ201010282390
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月15日
發(fā)明者何丹農(nóng), 余震, 宋佳, 尹桂林, 李倩倩 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué);上海納米技術(shù)及應(yīng)用國家工程研究中心有限公司