一种多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法

摘要

一种多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，采用磁控溅射方法在金属材料基体表面形成多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜，包括：对待加工的金属材料基体进行预处理；将所述金属材料基体放入真空室内并抽真空；采用低能离子源对所述金属材料基体进行离子轰击清洗；使用所述磁控溅射装置对所述金属材料基体进行表面改性，采用Ar和N2气体作为磁控溅射和反应气体，以WS2为靶材，在所述金属材料基体表面先沉积一层WS2膜层，再沉积一层WS2/WN复合膜层，依次循环，所述WS2膜层与WS2/WN复合膜层各沉积1‑10层；将所述金属材料基体放入丙酮溶液中清洗后烘干，并将烘干后的金属材料基体真空密封封存。

权利要求

1.一种多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其特征在于，采用磁控溅射方法在金属材料基体的表面形成多相耦合WS2/WN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，所述真空室与磁控溅射装置连接，将所述真空室抽真空；

S202、采用低能离子源对所述金属材料基体进行离子轰击清洗；以及

S203、使用所述磁控溅射装置对所述金属材料基体进行表面改性，采用Ar和N2气体作为磁控溅射工作气体和反应气体，并通过两台独立的质量流量控制仪分别对所述Ar和N2气体流量进行控制，以WS2为靶材，在所述金属材料基体表面先沉积一层WS2膜层，再在所述WS2膜层上沉积一层WS2/WN复合膜层，该WS2/WN复合膜层为WS2与WN相互混合均匀构成的复合膜层，依次循环沉积所述WS2膜层与WS2/WN复合膜层，所述WS2膜层与WS2/WN复合膜层各沉积1-

10层。

2.如权利要求1所述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其特征在于，将所述真空室抽真空至3.0×10-4Pa。

3.如权利要求1或2所述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其特征在于，在所述步骤S202中，通入Ar气使工作气压为5Pa-10Pa，开启低能离子源的负偏压至-400V--1000V，进行辉光发电以清洗所述金属材料基体表面。

4.如权利要求1或2所述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其特征在于，所述步骤S203进一步包括：S2031、生成WS2膜层，所述磁控溅射装置的参数为：溅射电压为-600～-800V，溅射电流为0.5A-2A，溅射气压为5×10-2Pa-1.0×10-1Pa，溅射时间为1min-5min，Ar气流量为20-

40sccm；以及

S2032、生成WS2/WN复合膜层，打开所述磁控溅射装置的磁控溅射靶和微波源，所述微波源采用纯度为99.99％的N2，所述磁控溅射靶的参数为：溅射电压为-600～-800V，溅射电流为0.5-2A，溅射气压为8×10-2Pa-1.6×10-1Pa，溅射时间为1min-5min，所述N2的气流量为

13-16sccm，所述Ar气的气流量为30-50sccm。

5.如权利要求4所述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其特征在于，在所述WS2膜层中，W:S为0.8,在所述WS2/WN复合膜层中能检测到WN物相。

6.如权利要求1所述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其特征在于，所述靶材为97％-99％的WS2靶。

7.如权利要求1、2、5或6所述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，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20～40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。

8.如权利要求1、2、5或6所述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其特征在于，还包括如下步骤：S300、金属材料基体的封存，将表面生成多相耦合WS2/WN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。

说明书

一种多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及固体润滑薄膜的制造，特别是一种利用磁控溅射法制造多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜的方法。

背景技术

[0002] 目前二硫化钨(WS2)薄膜是国内外新型固体润滑领域的主要研究方向之一。二硫化钨具有较低的摩擦系数、较高的抗极压性能，抗氧化性优于当前主流固体润滑材料MoS2，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。但是WS2固体润滑膜硬度低、易磨损，在高速、高负载作用下润滑膜损耗快、寿命无法满足使用要求，而较厚的WS2薄膜结合力难以保证，易出现层片状剥落。

[0003] 因此，需要提高WS2固体润滑膜的耐磨性，使薄膜既具有耐磨性又能起到固体润滑效果，解决高磨损环境下工件的固体润滑需求，大幅延长其使用寿命。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，以解决纯WS2固体润滑薄膜易磨损失效的问题。

[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其中，采用磁控溅射方法在金属材料基体的表面形成多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜，包括如下步骤：

[0006] 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；

[0007] S200、生成固体润滑薄膜，进一步包括：

[0008] S201、将所述金属材料基体放入真空室内，所述真空室与磁控溅射装置连接，将所述真空室抽真空；

[0009] S202、采用低能离子源对所述金属材料基体进行离子轰击清洗；

[0010] S203、使用所述磁控溅射装置对所述金属材料基体进行表面改性，采用Ar和N2气体作为磁控溅射工作气体和反应气体，并通过两台独立的质量流量控制仪分别对所述Ar和N2气体流量进行控制，以WS2为靶材，在所述金属材料基体表面先沉积一层WS2膜层，再在所述WS2膜层上沉积一层WS2/WN复合膜层，依次循环沉积所述WS2膜层与WS2/WN复合膜层，所述WS2膜层与WS2/WN复合膜层各沉积1-10层；以及

[0011] S300、金属材料基体的封存，将表面生成多相耦合WS2/WN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。

[0012] 上述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其中，将所述真空室抽真空至3.0×10-4Pa。

[0013] 上述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其中，在所述步骤S202中，通入Ar气使工作气压为5Pa-10Pa，开启低能离子源的负偏压至-400V--1000V，进行辉光发电以清洗所述金属材料基体表面。

[0014] 上述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其中，所述步骤S203进一步包括：

[0015] S 2031、生成WS2膜层，所述磁控溅射装置的参数为：溅射电压为-600～-800V，溅射电流为0.5A-2A，溅射气压为5×10-2Pa-1.0×10-1Pa，溅射时间为1min-5min，Ar气流量为20-40sccm；以及

[0016] S2032、生成WS2/WN复合膜层，打开所述磁控溅射装置的磁控溅射靶和微波源，所述微波源采用纯度为99.99％的N2，所述磁控溅射靶的参数为：溅射电压为-600--800V，溅射电流为0.5-2A，溅射气压为8×10-2Pa-1.6×10-1Pa，溅射时间为1min-5min，所述N2的气流量为13-16sccm，所述Ar气的气流量为30-50sccm。

[0017] 上述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其中，在所述WS2膜层中，W:S为0.8,在所述WS2/WN复合膜层中能检测到WN物相，所述金属材料基体表面与钢材和陶瓷的摩擦系数均小于或等于0.05。

[0018] 上述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其中，所述靶材为97％-99％的WS2靶。

[0019] 上述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其中，所述步骤S100包 括：

[0020] 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。

[0021] 上述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其中，所述步骤S100还包括：

[0022] 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。

[0023] 上述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其中，所述步骤S100还包括：

[0024] 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。

[0025] 上述的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，其中，所述步骤S100还包括：

[0026] S104、超声清洗，将该金属材料基体放入去离子水中，超声清洗20～40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。

[0027] 本发明的技术效果在于：

[0028] 本发明利用磁控溅射技术并通过溅射电流、溅射电压、工作气压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。本发明的WS2/WN多层减摩耐磨薄膜摩擦系数低，耐磨寿命长，耐磨性能优异。纯WS2固体润滑薄膜用Si3N4陶瓷球对磨副进行研磨，在试验4h后膜层即失效，本发明的WS2/WN多层固体润滑薄膜用该摩擦副进行试验后耐磨寿命可达20h。

[0029] 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

[0030] 图1为本发明一实施例的制造方法流程图；

[0031] 图2为WS2/WN复合膜层示意图；

[0032] 图3为WS2/WN截面图；

[0033] 图4为WS2/WN摩擦磨损曲线；

[0034] 图5为本发明一实施例的制造装置结构示意图。

[0035] 其中，附图标记

[0036] 10 真空室

[0037] 20 低能离子源

[0038] 30 磁控溅射靶

[0039] 40 微波源

[0040] 50 N2气入口

[0041] 60 Ar气入口

[0042] 70 冷却水入口

[0043] 1 金属材料基体

[0044] 2 WS2膜层

[0045] 3 WS2/WN复合膜层

[0046] S100-300 步骤

具体实施方式

[0047] 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：

[0048] 参见图1，图1为本发明一实施例的制造方法流程图。本发明的多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜制造方法，采用磁控溅射方法在金属材料基体1的表面形成多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜，包括如下步骤：

[0049] 步骤S100、金属材料基体1的预处理，对待加工的金属材料基体1进行预处理，去除附着在所述金属材料基体1表面的油脂、锈点和杂质；该步骤可进一步包括：

[0050] 步骤S101、在表面改性前，去除所述金属材料基体1的表面油脂，首先用金属除脂溶剂(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)去除该待处理金属材料基体1的表面油脂后，将该金属材料基体1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1的表面，最后用绸布擦拭干净。

[0051] 步骤S102、去除锈点，用金属除锈清洗剂浸泡清洗该金属材料基体110～20分钟，取出后擦拭干净，以使其表面无微锈点。

[0052] 步骤S103、去除杂质，将该金属材料基体1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，保证金属材料基体1工件表面没有水渍和杂质残留；金属材料基体1的特殊部位(工作面)重点擦拭，金属材料基体1的其他部位(非工作面)保证金属材料基体1工件表面没有水渍和杂质残留。同时，不使用已经被污染、浸湿的绸布对金属材料基体1工件进行擦拭。

[0053] 步骤S104、超声清洗，将该金属材料基体1放入去离子水中，超声清洗20～40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。

[0054] 步骤S200、生成固体润滑薄膜，进一步包括：

[0055] 步骤S201、将所述金属材料基体1放入真空室10内的试样台上，使真空室10的试样台沿自身轴线匀速缓慢旋转，所述真空室10与磁控溅射装置连接，开启磁控溅射装置的机械泵、分子泵及循环水系统，将所述真空室10抽真空至3.0×10-4Pa；

[0056] 步骤S202、采用低能离子源20对所述金属材料基体1进行离子轰击清洗，充入99.99％氩气使工作气压为5Pa-10Pa，开启低能离子源20的负偏压至-400V--1000V，进行辉光发电以清洗所述金属材料基体1表面；

[0057] 步骤S203、使用所述磁控溅射装置对所述金属材料基体1进行表面改性，采用Ar气和N2气作为磁控溅射工作气体和反应气体，并通过两台独立的质量流量控制仪分别对所述Ar和N2气体流量进行控制，以97％-99％的WS2为靶材，在所述金属材料基体1表面先沉积一层WS2膜层2，再在所述WS2膜层2上沉积一层WS2/WN复合膜层3，依次循环沉积所述WS2膜层2与WS2/WN复合膜层3，所述WS2膜层2与WS2/WN复合膜层3各沉积1-10层；以及[0058] 步骤S300、金属材料基体1的封存，将表面生成多相耦合WS2/WN固体润滑薄膜后的所述金属材料基体1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1真空密封封存。

[0059] 其中，利用磁控溅射的溅射电流影响靶材溅射速率，溅射电流越大，靶材溅射越快；工作气压对膜层沉积速率有影响，随着工作气压升高，参与溅射的气体分子数增多，若为反应溅射，则参与反应的气体成分也增加，加速膜层沉积速率，当气压达到一定值后，沉积速率不再加快，若为反应溅射，气体会与靶材反应生成陶瓷相使得溅射速率大幅降低、出现靶材中毒现象，膜层沉积速率下降。故所述步骤S203进一步包括：

[0060] 步骤S2031、生成WS2膜层2，所述磁控溅射装置的参数为：溅射电压为 -600～-800V，溅射电流为0.5A-2A，溅射气压为5×10-2Pa-1.0×10-1Pa，溅射时间为1min-5min，Ar气流量为20-40sccm；

[0061] 步骤S2032、生成WS2/WN复合膜层3，打开所述磁控溅射装置的微波源40，所述微波源40采用纯度为99.99％的N2气，所述磁控溅射装置的参数为：溅射电压为-600～-800V，溅射电流为0.5-2A，溅射气压为8×10-2Pa-1.6×10-1Pa，溅射时间为1min-5min，所述N2的气流量为13-16sccm，所述Ar气的气流量为30-50sccm。

[0062] 参见图2及图3，图2为WS2/WN复合膜层示意图，图3为WS2/WN薄膜样品截面图。表面改性后的金属材料基体1与改性前相比，颜色变为银灰或暗灰色，从表面向内依次为WS2/WN复合层与WS2层相互交替，直至金属材料基体1的基体。对表面处理后的金属材料基体1工件进行表面检测发现膜层均匀致密，层与层之间及与基体结合良好，WS2/WN层与WS2层之间无明显界面。本实施例中，在所述WS2膜层2中，W:S达到0.8,在所述WS2/WN复合膜层3中能检测到WN物相存在，说明该金属材料基体1表面膜层确实由WS2和WN复合而形成，所述金属材料基体1表面与钢材和陶瓷的摩擦系数均小于或等于0.05，摩擦曲线较平稳，耐磨寿命能达到20h，具有非常好的耐磨性能，以及良好的润滑效果(参见图4，图4为WS2/WN摩擦磨损曲线)。

[0063] 下面以具体实施例说明本发明的制造方法的具体应用：

[0064] 实施例1

[0065] 参见图5，图5为本发明一实施例的制造装置结构示意图。该制造装置包括真空室10和与真空室10连接的低能离子源20、磁控溅射靶30和微波源40，所述微波源40设置有N2气入口50，所述磁控溅射靶30设置有Ar气入口60和冷却水入口70。

[0066] 将作为样品的金属材料基体1放到真空室10的试样台上，抽真空至3.0×10-4Pa后，通过N2气入口50充入纯度99.99％的氩气，开启低能离子源20对样品进行离子轰击清洗，去除表面附着的气体或杂质。清洗完成后使用磁控溅射靶30和微波源40开始溅射沉积过程，溅射气采用Ar、反应气用N2。先沉积一层WS2膜层2，再沉积一层WS2/WN复合膜层3，依次循环。其中WS2膜层2沉积一层，WS2/WN复合膜层3沉积一层。

[0067] 沉积WS2膜层2时所用参数优选为：溅射电压-600～-800V，溅射电流 0.5-1A，溅射-2 -2气压5×10 -8×10 Pa，溅射时间3-5min。Ar气流量15-30sccm。

[0068] 沉积WS2/WN复合膜层3时所用参数优选为：溅射电压-600V，溅射电流0.5-1A，N2气流量10-13sccm，Ar气流量15-30sccm,溅射气压5×10-2-1×10-1Pa，溅射时间1-3min。

[0069] 实施例2

[0070] 将金属材料基体1放到真空室10试样台上，抽真空至3.0×10-4Pa后，充入99.99％氩气，开启低能离子源20对样品进行离子轰击清洗。清洗完成后开始溅射沉积过程，溅射气采用Ar、反应气用N2。先沉积一层WS2膜层2，再沉积一层WS2/WN复合膜层3，依次循环，其中WS2膜层2沉积十层，WS2/WN复合膜层3沉积十层。

[0071] 沉积WS2膜层2时所用参数优选为：溅射电压-600～-800V，溅射电流2A，溅射气压8×10-2-1×10-1Pa，溅射时间5-8min。Ar气流量30-40sccm。

[0072] 沉积WS2/WN复合膜层3时所用参数优选为：溅射电压-800～-900V，溅射电流2A，溅射气压8×10-2-1.4×10-1Pa，溅射时间5min。N2气流量10sccm，Ar气流量30-40sccm。

[0073] 本发明利用磁控溅射技术并通过溅射电流、溅射电压、工作气压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。本发明的WS2/WN多层减摩耐磨薄膜摩擦系数低，耐磨寿命长，耐磨性能优异。纯WS2固体润滑薄膜用Si3N4陶瓷球对磨副进行研磨，在试验4h后膜层即失效，本发明的WS2/WN多层固体润滑薄膜用该摩擦副进行试验后耐磨寿命可达20h。

[0074] 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。