专利名称：制备单质钨膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备单质钨膜的方法，具体地说是利用射频溅射技术 制备单质钨膜。
背景技术：
固体润滑薄膜在摩擦时固体润滑剂在对偶材料表面形成转移膜，使摩 擦发生在润滑剂内部，从而减少摩擦，降低磨损。润滑膜一方面可以防止 对偶材料表面直接接触，另一方面可以减小接触薄层的剪切强度，从而显 著减小摩擦系数。层状物(硫化亚铁、二硫化钼、石墨、二硫化钨)固体 润滑薄膜是常用的固体润滑材料，具有良好的摩擦学性能，在航空、航天、 汽车工业等领域都有应用，是机械设备中摩擦副表面应用得最多的固体润 滑薄膜类型，在改善摩擦副的润滑状态方面发挥了很大作用。
由于不同种类的固体润滑薄膜有着各自的最适合的用途和使用条件 要求。因此固体润滑薄膜的种类需要不断拓展，固体润滑薄膜对苛刻工况 的适应性需要不断加强。现有的固体润滑薄膜制备技术主要有制备出的钨 膜纯度不高，硬度以及与基体结合强度较低，表面结晶度欠佳等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作方法简捷、制备出的钨膜摩擦性能良 好的单质钨膜的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种制备单质锌膜的方法，其包括以下工艺首先将基体加热至100 15(TC;然后在磁控溅射设备中，高纯氩气环境下采用纯钨靶在基体上溅
射沉积钨膜。氩气一般纯度为99. 999%的高纯氩气。
上述最佳沉积基体为金属，所述基体若采用45#钢，则加热前进行淬
火工艺，表面粗糙度为0.4陶，淬火硬度为50 60HRC。
上述的一种制备单质钨膜的方法，其中，所述磁控溅射设备的工作气 压为2X10—3 3X10—3Pa，溅射电流为1 2A。
上述的一种制备单质钨膜的方法，其中，所述钨膜的厚度由基体在靶
前的沉积速率来控制，沉积钨膜时，基体在耙前的沉积速率为50
75nm/min，制备钨膜的厚度为0. 5 2Mm。
上述的一种制备单质钨膜的方法，其中，所述基体还可以为玻璃片，
加热前需先进行超声清洗。
上述的单质钨膜的制备工艺采用的设备为磁控溅射设备，工作时，将 基体置于转架上，靶面为射频高纯钨靶，工作气压、电流、靶面在基体上 的停留时间等参数可调。工作原理为电子在电场的作用下加速飞向基片 的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片， 氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的钨原子，呈中性的钨 原子沉积在基片上成膜。
本发明所用钨靶的最佳纯度为90 99.95%，可根据实际需要在市场购 买得到。
本发明制备的单质钨膜可用于机械性的设备表面的防摩擦，尤应用在 精密仪器上具有很好的效果。
通过本发明所述方法制备的单质钨膜还可以进一步通过低温离子渗 流处理进一步得到WS2膜。
本发明的优点与效益-(1 )由本发明方法制备的单质钨膜与现有钨膜相比纳米力学性能均 匀优异，纳米硬度是钨块硬度的三倍以上，且钨膜晶粒较细，具有较多的
晶界，从而更有利于进一步渗硫处理时得到WS2固体润滑薄膜。
(2) 本发明所制备的钨膜组织紧密，分布均匀，因此防护性能良好。
(3) 本发明所制备的钨膜与基体结合良好。
(4) 发明所述磁控溅射方法操作简便，技术可靠，可适用广泛的薄 膜制备。
下面结合附图及最佳实施方式对本发明做进一步说明，以使公众对发 明内容有整体和充分的了解，而并非对本发明保护范围的限定。前述部分 已经充分公开了本发明可以实施的保护范围，因此凡依照本发明公开内容 进行的任何本领域公知的等同替换，均属于对本发明的侵犯。
图1为实施例1制备的厚度为2um的单质钨膜和钨块在5个不同位 置的纳米硬度；
图2为实施例1制备的厚度为2 u m的单质钨膜和钨块在5个不同位 置的弹性模量；
图3为实施例2制备的厚度为0. 5 u m的单质钨膜和钨块在5个不同 位置的纳米硬度;
图4为实施例2制备的厚度为0. 5ii m的单质钨膜和钨块在5个不同 位置的弹性模量；
图5为磁控溅射设备工作示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
中使用的耙材为纯鸽耙，纯度为90-99.95%，购自宝 鸡有色金属有限公司。
实施例1所用成膜基体为45#钢，产自河北唐钢集团承德钢铁公司， 由河北工业大学机械系实验室加工。
实施例2所用成膜基体为载玻片，产自上海精轮工业玻璃有限公司。如图5所示为本实施例所使用的磁控溅射设备示意图，为清华大学自 行研制，型号为GDM-450BN，将基体1置于支架2上，耙面为钩耙3。将 基体置于支架上，支架通过一定速率转动并带动基体，耙面为射频高纯钩 靶，工作气压、电流、靶面在基体上的停留时间等参数可调。工作时，电 子在电场的作用下加速飞向基体的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量 的氩离子和电子，电子飞向基体，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材， 溅射出大量的钨原子，呈中性的钨原子沉积在基体上成膜。 实施例1
一种在金属表面制备单质钨膜的方法，其包括以下工艺以45"钢作 为成膜基体，镀膜前将基体经过淬火处理，硬度为55服C,经磨削后表面
粗糙度为0.4um;镀膜前将基体加热至15CTC;在磁控溅射设备中，高
纯氩气环境下采用纯钨靶在基体上溅射沉积钨膜。 工作气体为高纯Ar气(99.999%); 工作气压为3X10—3Pa;
溅射电流为2A;
实验中对薄膜厚度的控制由对沉积时间的精确控制来实现。经反复试
验，测定出W膜的沉积速率约为75nm/min。 最终得到的W为纳米膜的厚度为2ym。
经检测本发明实施例1制备的单质W膜的纳米力学性能如图1和图2 所示
图1为纳米压痕仪所测的实施例1制备的厚度为2 y m的单质W膜在5 个不同位置的纳米硬度，并与钨块进行对比；图2为纳米压痕仪所测的实 施例1制备的厚度为m的单质钨膜在5个不同位置的弹性模量，并与 钨块进行对比。
由图1可知，钨膜在不同位置的纳米硬度与弹性模量值几乎相等，可 见所制备的钨膜的纳米力学性能比较均匀。钨膜的平均纳米硬度为 14.96GPa，而钨块的纳米硬度只有4.8GPa。钩膜的纳米硬度是钨块纳米硬度的3倍还要多。这是由于制备出的钩膜的晶粒较细，晶界多，从而抑制 位错的产生和移动；另一方面，晶体的择优取向使得原子排列有序而阻止 原子的运动。这都会使得钩膜的纳米硬度升高。此外，钩膜表面存在的残 余压应力同样会增强钨膜的纳米硬度。
如图2所示，钨膜和钨块的平均弹性模量分别为282. 8GPa， 420GPa。 可见钨膜的弹性模量远小于钨块的弹性模量。弹性模量反映薄膜的防护性 能并主要取决于薄膜的紧密度和均匀性，而所制备的钩膜组织紧密，分布 均匀。因此经本发明制备的钨膜的防护性能良好。
综上所述，实施例l制备的钨膜具有优良的纳米力学性能。 实施例2
一种在玻璃表面制备单质钨膜的方法，其包括以下工艺以载玻片作 为成膜基体，溅射前先进行超声清洗，表面粗糙度为0.08ym;镀膜前基 体加热至IOO'C;在磁控溅射设备中，高纯氩气环境下采用纯钨靶在基体 上溅射沉积钨膜。
工作气体为高纯Ar气(99.999%);
工作气压为2X10—3Pa;
溅射电流为1A;
实验中对薄膜厚度的控制由对沉积时间的精确控制来实现。经反复试 验，测定出W膜的沉积速率约为50nm/min。 最终得到的W为纳米膜的厚度为0.5um。
经检测本发明实施例2制备的单质钨膜的纳米力学性能如图3和图4 所示平均纳米硬度和弹性模量分别为15.22Gpa和176.64GPa。 对比例
现有技术制备钨膜主要是采用磁过滤弧源沉积技术，在聚酯(PET) 薄膜表面上沉积金属钨膜。用金属钩做阴极，用12kV的电压对PET基体 表面进行溅射清洗和低能W离子注入，然后进行钨薄膜的沉积，在基体上 加120V的负压。得到厚度为仅为70nm的钩薄膜。其表面纳米硬度和弹性模量分别为2.54GPa， 7.38GPa。
由实施例和对比例可见，现有技术制备的钨膜薄，耐磨性差，本发明 所制备的钨薄膜厚度较大，纳米硬度和弹性模量均大于现有技术(磁过滤 弧源沉积技术)制备的钨膜，耐磨性优异且与基体结合较好，制备过程操 作简便，成本较低。
权利要求
1、一种制备单质钨膜的方法，其特征在于，包括以下工艺将基体加热至100～150℃；然后在磁控溅射设备中，氩气环境下采用纯钨靶在基体上溅射沉积钨膜。
2、 根据权利要求1所述的一种制备单质钨膜的方法，其特征在于，所述磁控溅射设备的工作气压为2X10—3Pa~3X10—3Pa，溅射电流为1 2A。
3、 根据权利要求1所述的一种制备单质钨膜的方法，其特征在于，所述钨膜的厚度由基体在靶前的沉积速率来控制，沉积钨膜时，基体在靶前的 沉积速率为50 75nm/min。
4、 根据权利要求3所述的一种制备单质钨膜的方法，其特征在于，所述 钨膜为0.5 2Mm。
5、 根据权利要求1至4中任意一项所述的一种制备单质钨膜的方法，其 特征在于，在基体加热前先进行淬火处理，硬度为50 60HRC。
6、 根据权利要求5所述的一种制备单质钨膜的方法，其特征在于，所述 基体为金属。
7、 根据权利要求6所述的一种制备单质钨膜的方法，其特征在于，所述 金属为45"钢。
8、 根据权利要求1至4中任意一项所述的一种制备单质钨膜的方法，其 特征在于，在基体加热前先进行超声清洗。
9、 根据权利要求8所述的一种制备单质钨膜的方法，其特征在于，所述 基体为玻璃片。
全文摘要
本发明公开了一种制备单质钨膜的方法，其包括以下工艺将基体加热至100～150℃；然后在磁控溅射设备中，氩气环境下采用纯钨靶在基体上溅射沉积钨膜。由本发明方法制备的单质钨膜纳米力学性能均匀优异，纳米硬度是钨块硬度的三倍以上，组织紧密，分布均匀，防护性能良好且钨膜晶粒较细，具有较多的晶界，与基体结合良好，从而更有利于进一步渗硫处理时得到WS<sub>2</sub>固体润滑薄膜，本发明所述磁控溅射方法操作简便，技术可靠，可适用广泛的薄膜制备。
文档编号C23C14/54GK101319304SQ20071010016
公开日2008年12月10日 申请日期2007年6月5日 优先权日2007年6月5日
发明者刘家浚, 庄大明, 康嘉杰, 弓 张, 徐滨士, 朱丽娜, 李国禄, 王海斗 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院