固體潤滑薄膜的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種固體潤滑薄膜的制造，特別是一種利用磁過濾陰極真空弧沉積技術(shù)在金屬表面制備超長壽命二硫化鎢固體潤滑薄膜的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前二硫化鎢(WS2)是國內(nèi)外新型固體潤滑領(lǐng)域的主要研宄方向。它具有較低的摩擦系數(shù)、較高的抗極壓性能，且抗氧化性能優(yōu)于MoS2，故適用于高溫、高真空、高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速、高輻射、強(qiáng)腐蝕、超低溫等苛刻條件。美國率先將其應(yīng)用到火星探測機(jī)器人、飛機(jī)、航天飛機(jī)等軍事領(lǐng)域。
[0003]現(xiàn)有研宄結(jié)果中，普遍采用磁控濺射技術(shù)制備二硫化鎢固體潤滑膜，但該種技術(shù)存在生產(chǎn)效率較低、無法制備較厚涂層的問題。采用離子鍍制備薄膜沉積速度較快，用于代替磁控濺射技術(shù)制備二硫化鎢固體潤滑膜可有效提高生產(chǎn)效率，但是離子鍍會(huì)在工件表面沉積大量大顆粒(5-10 μπι)導(dǎo)致膜層表面粗糙度較大，內(nèi)部包裹的顆粒易導(dǎo)致膜層剝離失效，使得膜層的耐磨性能受到影響，不能完全滿足長壽命固體潤滑設(shè)備儀器的需要。因此有必要結(jié)合磁過濾的方式研制新的制備方法，制備出性能良好的二硫化鎢固體潤滑薄膜以滿足大負(fù)載實(shí)際使用需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種利用磁過濾陰極真空弧沉積技術(shù)制造二硫化鎢固體潤滑薄膜的方法，可在提高二硫化鎢固體潤滑薄膜的生產(chǎn)效率的基礎(chǔ)上減少膜層中的大顆粒，改善二硫化鎢膜層質(zhì)量，提高膜層耐磨性能。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種WS2固體潤滑薄膜的制造方法，其中，采用磁過濾陰極真空弧沉積在金屬材料基體的表面形成WS2固體潤滑薄膜，包括如下步驟:
[0006]S100、金屬材料基體的預(yù)處理，對待加工的金屬材料基體進(jìn)行預(yù)處理，去除附著在所述金屬材料基體表面的油脂、銹點(diǎn)和雜質(zhì)；
[0007]S200、生成WS2固體潤滑薄膜，進(jìn)一步包括:
[0008]S201、將所述金屬材料基體放入真空室內(nèi)并將所述真空室抽真空，所述真空室與磁過濾陰極真空弧沉積裝置連接，所述磁過濾陰極真空弧沉積裝置的磁過濾管直徑為200mm，所述磁過濾管的彎管弧度為0°?90°，所述磁過濾管的磁場偏轉(zhuǎn)電流為1.6A?2.2A ；
[0009]S202、通入Ar氣使磁過濾陰極真空弧沉積裝置的工作氣壓達(dá)到設(shè)定值，開啟并將磁過濾陰極真空弧沉積裝置的負(fù)偏壓調(diào)整至-400V?-1000V進(jìn)行輝光放電，通過離子轟擊對所述金屬材料基體表面進(jìn)行濺射清洗；
[0010]S203、以復(fù)合靶WS2/Ag為靶材，使用所述磁過濾陰極真空弧沉積裝置在所述金屬材料基體表面進(jìn)行WS2/Ag膜層沉積，其中，所述磁過濾陰極真空弧沉積裝置的弧壓為20V?36V，負(fù)偏壓為-100V?-800V，弧流為90A?100A，占空比為50?90%，沉積時(shí)間為Ih ;以及
[0011]S300、金屬材料基體的封存，將表面生成高耐磨胃^固體潤滑薄膜后的所述金屬材料基體放入丙酮溶液中清洗后烘干，并將烘干后的所述金屬材料基體真空密封封存。
[0012]上述的高耐磨WS2固體潤滑薄膜的制造方法，其中，將所述真空室抽真空至6.0Xl(T4Pa。
[0013]上述的高耐磨WS2固體潤滑薄膜的制造方法，其中，所述靶材WS 2/Ag中Ag的含量為 1-10%。
[0014]上述的高耐磨WS2固體潤滑薄膜的制造方法，其中，在所述步驟S202中，所述Ar氣的純度為99.99%。
[0015]上述的高耐磨WS2固體潤滑薄膜的制造方法，其中，所述靶材中摻雜有鋯離子、鈦離子、鉬離子和/或鉻離子。
[0016]上述的高耐磨WS2固體潤滑薄膜的制造方法，其中，所述WS2固體潤滑薄膜的膜層中評^與Ag含量與所述靶材相同，所述WS 2固體潤滑薄膜與鋼材或陶瓷的干摩擦系數(shù)均小于或等于0.08。
[0017]上述的高耐磨WS2固體潤滑薄膜的制造方法，其中，所述步驟SlOO包括:
[0018]S101、去除所述金屬材料基體的表面油脂，用金屬除脂溶劑去除該金屬材料基體的表面油脂后，將該金屬材料基體放入無污染的四氯乙烯溶劑中浸泡20?30分鐘，取出后用宣紙吸凈殘留的四氯乙烯溶劑，再用脫脂棉擦拭該金屬材料基體的表面，最后用綢布擦拭干凈;
[0019]S102、去除銹點(diǎn)，用金屬除銹清洗劑浸泡清洗該金屬材料基體10?20分鐘，取出后擦拭干凈，以使其表面無微銹點(diǎn)；
[0020]S103、去除雜質(zhì)，將該金屬材料基體放入丙酮溶劑中，超聲清洗20?40分鐘后取出，使用干凈綢布擦干；
[0021]S104、超聲清洗，將該金屬材料基體放入去離子水中，超聲清洗5?10分鐘后取出，使用干凈綢布擦拭，并放置于真空烘箱中烘干2?4小時(shí)。
[0022]本發(fā)明的技術(shù)效果在于:
[0023]本發(fā)明采用磁過濾真空陰極弧離子鍍技術(shù)制備的二硫化鎢固體潤滑薄膜，沉積速率高，制備時(shí)間短，薄膜表面基本不存在大顆粒，摩擦系數(shù)低，耐磨壽命長，耐磨性能優(yōu)異。通過調(diào)整弧壓、弧流、負(fù)壓、占空比等參數(shù)控制薄膜的生長，以優(yōu)化薄膜結(jié)構(gòu)，提高薄膜摩擦磨損性能。其中，弧流大小影響弧源對靶材的燒蝕速率，影響弧源生成的離子數(shù)量和真空室內(nèi)沉積溫度；負(fù)壓影響離子沉積時(shí)的能量大小，負(fù)壓越大，離子向基材運(yùn)動(dòng)的速度越快、能量越大；占空比則是影響每個(gè)放電周期內(nèi)負(fù)壓施加在基材上的時(shí)間長短。本發(fā)明制備的WS2固體潤滑薄膜以10g載荷、500rpm轉(zhuǎn)速室溫條件下進(jìn)行測試，其耐磨壽命可達(dá)20h，摩擦系數(shù)小于0.08。
[0024]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對本發(fā)明的限定。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的制造方法流程圖；
[0026]圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的樣品截面圖；
[0027]圖3為本發(fā)明一實(shí)施例的二硫化鎢固體潤滑薄膜摩擦磨損曲線；
[0028]圖4為本發(fā)明一實(shí)施例的裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0029]圖5為本發(fā)明另一實(shí)施例的裝置結(jié)構(gòu)圖。
[0030]其中，附圖標(biāo)記
[0031]I 真空室
[0032]2高閥分子泵
[0033]3直管弧源
[0034]4彎管弧源S100-300步驟
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作具體的描述:
[0036]磁過濾陰極真空弧沉積技術(shù)由離子鍍技術(shù)發(fā)展而來，是近年來受到廣泛關(guān)注的一種薄膜制備技術(shù)。電弧離子鍍技術(shù)本身具有一個(gè)不可避免的弊端，即在離子沉積的同時(shí)，伴隨著靶面電弧斑點(diǎn)噴涌出大量的微米級顆?；蛞旱?統(tǒng)稱大顆粒)，并直接沉積到工件上，降低了膜層的質(zhì)量(如致密、和粗糙度和結(jié)合力)，一般高熔點(diǎn)靶材產(chǎn)生的液滴相對少些，低熔點(diǎn)靶材產(chǎn)生的液滴較多。磁過濾就是為了克服這一問題而研制出的一項(xiàng)技術(shù)。其原理為通過陰極表面電弧放電產(chǎn)生等離子體，利用磁場對帶電離子的約束作用將離子束縛在磁場中傳輸，通過添加磁場引導(dǎo)，使等離子體在磁場的束縛下繞開障礙物，而大顆粒因呈電中性保持運(yùn)動(dòng)方向不變而撞在障礙物上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)去除大顆粒的效果。把障礙物和磁場結(jié)合，使等離子體到達(dá)被鍍工件而阻隔大顆粒的方法就是磁過濾的基本原理與方法。磁過濾陰極真空弧沉積技術(shù)與其他鍍膜技術(shù)相比具有膜層沉積速率快、結(jié)合力強(qiáng)、轉(zhuǎn)移性能較好等優(yōu)點(diǎn)。
[0037]參見圖1，圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的制造方法流程圖。本發(fā)明的WS2固體潤滑薄膜的制造方法，在真空條件下，采用磁過濾陰極真空弧沉積技術(shù)在金屬材料基體的表面形成WS2固體潤滑薄膜，包括如下步驟:
[0038]步驟S100、金屬材料基體的預(yù)處理，對待加工的金屬材料基體進(jìn)行預(yù)處理，去除附著在所述金屬材料基體表面的油脂、銹點(diǎn)和雜質(zhì)；進(jìn)一步包括:
[0039]步驟S101、去除所述金屬材料基體的表面油脂，用金屬除脂溶劑(例如氫氧化鈉、碳酸鈉、十水磷酸鈉、硅酸鈉、洗滌劑、緩蝕劑、溶劑水等)去除該金屬材料基體的表面油脂后，將該金屬材料基體放入無污染的四氯乙烯溶劑中浸泡20?30分鐘，取出后用宣紙吸凈殘留的四氯乙烯溶劑，再用脫脂棉擦拭該金屬材料基體的表面，最后用綢布擦拭干凈；
[0040]步驟S102、去除銹點(diǎn)，用具有除銹功能的金屬除銹清洗劑浸泡清洗該金屬材料基體10?20分鐘，取出后擦拭干凈，以使其表面無微銹點(diǎn)；
[0041]步驟S103、去除雜質(zhì)，將該金屬材料基體放入丙酮溶劑中，超聲清洗20?40分鐘后取出，使用干凈綢布擦干，擦干時(shí)，在材料的光滑表面上沿同一方向進(jìn)行擦拭，保證基材表面沒有水漬和雜質(zhì)殘留；材料的特殊部位(工作面)重點(diǎn)擦拭，材料的其他部位(非工作面)保證基材表面沒有水漬和雜質(zhì)殘留，同時(shí)，不使用已經(jīng)被污染、浸濕的綢布對基材進(jìn)行擦拭；
[0042]步驟S104、超聲清洗，將該金屬材料基體放入