专利名称：：一种共溅射固体润滑薄膜的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种自润滑复合材料共溅射固体润滑薄膜及其制备方法。美国航空航天局(SpalvinsT.，J.Vac.Sci.Technol.A5(2)(1987)212～219；SurfaceCoatingsTechnol54/55(1992)435～441)、欧洲空间局(RobertsE.W.，TribologyInternation-alVol.23(1990)95～104，149～155；MoserI.，ThinSolidFilms，228(1993)257～260)和日本航空宇宙研究所(NishimuraM.TribologyInternationalVol.23(1990)143～147)等先后研究了二硫化钼溅射膜和二硫化铝添加金或镍的共溅射复合膜，并越来越广泛地用于空间机械润滑。众所周知，二硫化钼溅射膜耐潮湿氧化性很差，在潮湿空气中短时间贮存后，被深度氧化和生成硫酸腐蚀底材导致润滑失效；二硫化钼-金共溅射膜比前者的耐磨寿命和耐潮湿空气特性有所提高，但经潮湿空气中短期贮存后仍明显地腐蚀底材。所以，人们对上述两种薄膜充干燥氮气保护贮存和进行地面试验，重要的是它们仍然不能满足精密空间机械对高可靠和长寿命的要求。本发明的目的在于提供一种共溅射固体润滑膜及其制备方法，该固体薄膜具有精密机械特是空间机械所需的各种优异性能。耐地面潮湿空气中贮存、运输和运转，耐冲击、振动、加速等恶劣环境力学条件，具有低摩擦系数和较长的耐磨寿命。本发明的配方采用在真空中摩擦学性能优异的二硫化钼作主要润滑剂，用耐环境特性优异的金或金-钯合金作辅助润滑剂和增强剂，本发明的关键在于添加耐磨的稀土金属氟化物。本发明的具体配方包括；二硫化钼2～96％，金或金-钯合金1～95％，稀土金属氟化物0.1～10t％(重量百分含量)。本发明选用金或金-钯合金纯度大于99％。本发明选用的稀土金属氟化物为氟化铈或氟化镧，纯度大于等于99％，粒度小于38μm。本发明的最佳配方包括二硫化钼65～95％，金或金-钯合金3～12％。稀土金属氟化物0.2～5％(重量百分含量)。本发明采用二硫化钼-金或金-钯-稀土金属氟化物多种组元复合共溅薄膜产生了奇特的协同效应，使二硫化钼、二硫化钼-金或二硫化钼-稀土金属氟化物的溅射薄膜都存在的疏松“枝状”组织结构消失了。产生了很致密的薄膜体相及表面组织结构，使环境气氛难以侵入，并在保持主体二硫化钼低摩擦系数的同时大幅度地延长了耐磨寿命。本发明采用共溅射法成膜，具体制备过程包括溅射靶的制备、镀膜和性能检测。制靶商品MoS2粉经丙酮清洗烘干使纯度≥99％，稀土氟化物为分析纯粉，它们均被研细过筛使粒度≤38μm；根据不同的应用对象，在洁净室中在上述配比范围中选择配方分别称取适量，装入混料器并振混30分钟；按比例称取尺寸均匀的高纯(＞99％)金粒使之在靶的主要工作面积上均匀分布，模压成接近于平均理论密度的靶。用导电胶将靶粘到靶电极上。溅射成膜工艺由于溅射设备、靶及工件尺寸等差别使成膜工艺参数变化很大，但下列工艺条件需要严格控制。镀膜室气压≤1×10-3Pa，工艺气体(氩或氙)纯度≥99％，对新靶预溅射15小时以上，工件表面被严格除尘脱脂后镀膜前经离子刻蚀(0.2～10W/cm2)；溅射镀膜工作气压10-2～10°Pa，靶电压0.2～4.0KV，工件偏压-50～-200V，镀膜结束后1～10分钟内充保护气体2～8×104Pa后自然冷却至室温。本发明的制备方法适用于任何材料及其组合，配比不受热力学相律限制因而可以任意剪裁。通过技术改造消除了射频干扰，使测探仪表能稳定可靠地工作，从而确定了一套优化的成膜工艺参数并能严格地调控之。本发明薄膜的主要特征和性能(及测试方法)○表观亮灰色，表面经扫描电子显微镜(SEM)在放大1万倍时观察为均匀致密组织，无枝状疏松组织。○薄膜体相组织断面用SEM观察结果为均匀致密组织。○薄膜的内聚强度和与底材的结合强度用各国常用的划痕试验法检测。其中洛氏硬度计金刚石压头顶端半径为200±5μm，在样品表面上垂直加载，划痕速度2mm/min，划痕长度5mm，痕间距≥2mm，测定其临界负荷L≥6±1N，此时膜开始破裂但不露底材。○承载能力用HRC≥60的C级轴承滚珠对样品(HRC≥55)表面垂直加载后，当Fn≥1838N时，用600倍显微观察即使在底材变形的情况下，本发明的薄膜不破裂不剥落。○采用本工艺镀膜后工件硬度和尺寸稳定HRC60左右的9Cr18工件镀膜后硬度下降≤HRC2，尺寸变化≤0.02％。○镀膜厚度均匀性用轮廓仪或干涉显微镜测定膜厚度3个以上数据，平均值的标准偏差≤±10％。○摩擦学性能用φ8C级9Cr18钢球(固定)对镀膜盘(旋转)进行球-盘滑动摩擦试验，结果列入表1。○潮湿空气中贮存特性40±1℃，分别在50％RH和80％RH的空气中贮存两个月后无锈蚀，即使在底材自锈蚀时被该薄膜覆盖的底材部分仍不锈蚀；在真空和湿热空气中保持其摩擦学特性不超过表1所列的范围。○耐空间机构经历的恶劣环境力学条件经受地面大气中贮存、安装调试后，耐受发射期间强振动(30g，6分钟)、冲击过载(≥50g，8ms)，加速过载(≥12g)等，还能耐受太空超高真空(≤10-5Pa)、热交变(-200～+400℃)和强辐照(离子≥0.1MeV，1×1017个/cm2；电子≥1MeV，3.5×1015个/cm2；质子≥6.8MeV3.2×1012个/cm2等)，并在太空环境中保持低摩擦和三年以上寿命，对间歇操作的部件确保无冷焊。上述特征和性能证明本发明所用材料、配方、制膜工艺是合理的，能充分满足空间精密机械润滑和防冷焊薄膜所要求的各种优异性能。结合实施例详述如下。实施例1摆动球轴承润滑按表2所列配方，称取MoS2和LaF3，装入混科器，将混样器紧固在振动微米粉碎机上，振混30分钟后装入模具，快速升温至300℃，热压压力15MPa，保压10分钟，自然冷却至室温后脱模成靶。<tables>将靶用导电胶粘结到靶电极上固化后装入镀膜室。CZYS-619轴承经严格化学清洗和干燥后装入镀膜室。当其本底真空度≤2×10-4Pa，调节工作气体氩(Ar)或氙(Xe)气压至0.1Pa，溅射靶电压3KV，溅射30分钟，薄膜厚度1μm，原位充Ar或N2气，自然冷却。轴承真空试验条件气压≤5×10-3Pa，径向负荷147N，轴向负荷196N，重复摆动角20°，往返计1次。由于在这种工况下，每个球转不到半周，故靠滚道与球润滑。结果轴承运转平稳，摩擦力矩值及其波动值均呈下降趋势，达到6×105次时正常停机，分解轴承发现内外套圈沟道上润滑薄膜致密完整，其对偶球光亮如初，且无磨屑堆积；经检测轴承启动力矩低达9.1×10-3N·m，符合设计要求，从而成功地用于航天机械。实施例2丝杠润滑溅射靶组成MoS2/LaF3/Au＝87.5/0.5/12，其余同实施例1制靶和成膜。将镀有本发明薄膜(厚度0.8μm)的丝杠装入动平衡机构后，通过下列航天部级鉴定试验考核冲击50g(8ms)，X、Y、Z三方向各3次；振动10g(18min)；真空无冷焊(≤1.3×10-7Pa，42℃，启-停50次；保持24小时重新启动，均无冷焊现象)；潮湿空气中(40℃，80％RH，24小时)，贮存后摩擦力矩无变化，经上述系列试验考核后，丝杠镀膜完好，机构运转正常，继续完成了寿命试验在大气中，相对湿度40～60％RH。间歇操作，累计运行已超过1×105，还在正常运行。总之，镀有本发明薄膜的丝杠可充分满足长寿命动平衡调整机构润滑和防冷焊要求。实施例3，连续运转的球轴承润滑将实施例1中，溅射靶的组成改为MoS2/CeF3/Au-Pd＝89.0/3.0/8.0，其中Au/Pd＝5/1；溅射靶电压改为2KV，工作气压0.5Pa，溅射45分钟；其余不变，C1136807薄膜接触式球轴承内外圈滚道镀本发明薄膜，光球和胶木保持器。在常温常压普通大气中，两个轴承成对使用，径向负荷14.7N，轴向负荷49N，转速10转/分，平均摩擦力矩M≤1.47×10-3Nm，M随转数变化的曲线平稳并呈下降趋势，寿命高达2×107转时，轴承性能仍符合设计指标要求。结果表明本发明的薄膜不但可以用于精密航天机械，而且可以在大气中长寿命运行，从而解决了至今发达国家对MoS2基溅射薄膜需要在干燥惰性气体中进行地面试验的问题，为MoS2基溅射薄膜在地面大气中的应用提供了一类新的润滑薄膜。权利要求1.一种共溅射固体润滑薄膜，具体配方包括二硫化钼2～96％，金或金-钯合金1～95％、稀土金属氟化物0.1～10％(重量百分含量)。2.如权利要求1所述的膜，其特征在于稀土金属氟化物为氟化铈、氟化锅。3.如权利要求1或2所述的膜，具体配方包括二硫化钼65～95％、金或金-钯合金3～12％、稀土金属氟化物0.2～5％(重量百分含量)。4.如权利要求1所述的共溅射固体润滑薄膜的制备方法，包括被镀工件表面置于溅射电磁场及温度场的均匀区内，本底真空压力≤1×10-3Pa，靶被预溅射累计15小时以上方可正式溅射镀膜，预溅射和溅射工作气压(高纯氩或氙)0.02～6.0Pa，离子刻蚀面功率密度0.2～1W/cm2，靶电压0.5～4.0KV，溅射镀膜时间视具体使用要求控制于10～100分钟、镀膜完成后1～5分钟充高纯氮气至2×104～8×104Pa，自然冷却至室温。全文摘要本发明提供一种共溅射固体润滑薄膜及其制备方法，以二硫化钼为主要润滑剂，以金或其合金作为润滑剂兼增强剂，由稀土金属氟化物作改性剂，采用共溅射法成膜。该膜具有低摩擦系数、可靠的耐环境力学特性、较强的防冷焊能力和较长的耐磨寿命以及良好的耐潮湿空气特性。适用于精密机械特别是空间机械中相对运动部件表面改性处理。文档编号C23C14/06GK1114984SQ9410754公开日1996年1月17日申请日期1994年7月14日优先权日1994年7月14日发明者于德祥,王均安,孙晓军,朱昌铭,翁立军申请人:中国科学院兰州化学物理研究所