制備單質鎢膜的方法

專利名稱：制備單質鎢膜的方法
技術領域：
本發明涉及一種制備單質鎢膜的方法，具體地說是利用射頻濺射技術 制備單質鎢膜。
背景技術：
固體潤滑薄膜在摩擦時固體潤滑劑在對偶材料表面形成轉移膜，使摩 擦發生在潤滑劑內部，從而減少摩擦，降低磨損。潤滑膜一方面可以防止 對偶材料表面直接接觸，另一方面可以減小接觸薄層的剪切強度，從而顯 著減小摩擦系數。層狀物(硫化亞鐵、二硫化鉬、石墨、二硫化鎢)固體 潤滑薄膜是常用的固體潤滑材料，具有良好的摩擦學性能，在航空、航天、 汽車工業等領域都有應用，是機械設備中摩擦副表面應用得最多的固體潤 滑薄膜類型，在改善摩擦副的潤滑狀態方面發揮了很大作用。
由于不同種類的固體潤滑薄膜有著各自的最適合的用途和使用條件 要求。因此固體潤滑薄膜的種類需要不斷拓展，固體潤滑薄膜對苛刻工況 的適應性需要不斷加強。現有的固體潤滑薄膜制備技術主要有制備出的鎢 膜純度不高，硬度以及與基體結合強度較低，表面結晶度欠佳等缺陷。

發明內容
本發明的目的在于提供一種操作方法簡捷、制備出的鎢膜摩擦性能良 好的單質鎢膜的制備方法。
為實現上述目的，本發明采用如下技術方案一種制備單質鋅膜的方法，其包括以下工藝首先將基體加熱至100 15(TC;然后在磁控濺射設備中，高純氬氣環境下采用純鎢靶在基體上濺
射沉積鎢膜。氬氣一般純度為99. 999%的高純氬氣。
上述最佳沉積基體為金屬，所述基體若采用45#鋼，則加熱前進行淬
火工藝，表面粗糙度為0.4陶，淬火硬度為50 60HRC。
上述的一種制備單質鎢膜的方法，其中，所述磁控濺射設備的工作氣 壓為2X10—3 3X10—3Pa，濺射電流為1 2A。
上述的一種制備單質鎢膜的方法，其中，所述鎢膜的厚度由基體在靶
前的沉積速率來控制，沉積鎢膜時，基體在耙前的沉積速率為50
75nm/min，制備鎢膜的厚度為0. 5 2Mm。
上述的一種制備單質鎢膜的方法，其中，所述基體還可以為玻璃片，
加熱前需先進行超聲清洗。
上述的單質鎢膜的制備工藝采用的設備為磁控濺射設備，工作時，將 基體置于轉架上，靶面為射頻高純鎢靶，工作氣壓、電流、靶面在基體上 的停留時間等參數可調。工作原理為電子在電場的作用下加速飛向基片 的過程中與氬原子發生碰撞，電離出大量的氬離子和電子，電子飛向基片， 氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材，濺射出大量的鎢原子，呈中性的鎢 原子沉積在基片上成膜。
本發明所用鎢靶的最佳純度為90 99.95%，可根據實際需要在市場購 買得到。
本發明制備的單質鎢膜可用于機械性的設備表面的防摩擦，尤應用在 精密儀器上具有很好的效果。
通過本發明所述方法制備的單質鎢膜還可以進一步通過低溫離子滲 流處理進一步得到WS2膜。
本發明的優點與效益-(1 )由本發明方法制備的單質鎢膜與現有鎢膜相比納米力學性能均 勻優異，納米硬度是鎢塊硬度的三倍以上，且鎢膜晶粒較細，具有較多的
晶界，從而更有利于進一步滲硫處理時得到WS2固體潤滑薄膜。
(2) 本發明所制備的鎢膜組織緊密，分布均勻，因此防護性能良好。
(3) 本發明所制備的鎢膜與基體結合良好。
(4) 發明所述磁控濺射方法操作簡便，技術可靠，可適用廣泛的薄 膜制備。
下面結合附圖及最佳實施方式對本發明做進一步說明，以使公眾對發 明內容有整體和充分的了解，而并非對本發明保護范圍的限定。前述部分 已經充分公開了本發明可以實施的保護范圍，因此凡依照本發明公開內容 進行的任何本領域公知的等同替換，均屬于對本發明的侵犯。


圖1為實施例1制備的厚度為2um的單質鎢膜和鎢塊在5個不同位 置的納米硬度；
圖2為實施例1制備的厚度為2 u m的單質鎢膜和鎢塊在5個不同位 置的彈性模量；
圖3為實施例2制備的厚度為0. 5 u m的單質鎢膜和鎢塊在5個不同 位置的納米硬度;
圖4為實施例2制備的厚度為0. 5ii m的單質鎢膜和鎢塊在5個不同 位置的彈性模量；
圖5為磁控濺射設備工作示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
中使用的耙材為純鴿耙，純度為90-99.95%，購自寶 雞有色金屬有限公司。
實施例1所用成膜基體為45#鋼，產自河北唐鋼集團承德鋼鐵公司， 由河北工業大學機械系實驗室加工。
實施例2所用成膜基體為載玻片，產自上海精輪工業玻璃有限公司。如圖5所示為本實施例所使用的磁控濺射設備示意圖，為清華大學自 行研制，型號為GDM-450BN，將基體1置于支架2上，耙面為鉤耙3。將 基體置于支架上，支架通過一定速率轉動并帶動基體，耙面為射頻高純鉤 靶，工作氣壓、電流、靶面在基體上的停留時間等參數可調。工作時，電 子在電場的作用下加速飛向基體的過程中與氬原子發生碰撞，電離出大量 的氬離子和電子，電子飛向基體，氬離子在電場的作用下加速轟擊靶材， 濺射出大量的鎢原子，呈中性的鎢原子沉積在基體上成膜。 實施例1
一種在金屬表面制備單質鎢膜的方法，其包括以下工藝以45"鋼作 為成膜基體，鍍膜前將基體經過淬火處理，硬度為55服C,經磨削后表面
粗糙度為0.4um;鍍膜前將基體加熱至15CTC;在磁控濺射設備中，高
純氬氣環境下采用純鎢靶在基體上濺射沉積鎢膜。 工作氣體為高純Ar氣(99.999%); 工作氣壓為3X10—3Pa;
濺射電流為2A;
實驗中對薄膜厚度的控制由對沉積時間的精確控制來實現。經反復試
驗，測定出W膜的沉積速率約為75nm/min。 最終得到的W為納米膜的厚度為2ym。
經檢測本發明實施例1制備的單質W膜的納米力學性能如圖1和圖2 所示
圖1為納米壓痕儀所測的實施例1制備的厚度為2 y m的單質W膜在5 個不同位置的納米硬度，并與鎢塊進行對比；圖2為納米壓痕儀所測的實 施例1制備的厚度為m的單質鎢膜在5個不同位置的彈性模量，并與 鎢塊進行對比。
由圖1可知，鎢膜在不同位置的納米硬度與彈性模量值幾乎相等，可 見所制備的鎢膜的納米力學性能比較均勻。鎢膜的平均納米硬度為 14.96GPa，而鎢塊的納米硬度只有4.8GPa。鉤膜的納米硬度是鎢塊納米硬度的3倍還要多。這是由于制備出的鉤膜的晶粒較細，晶界多，從而抑制 位錯的產生和移動；另一方面，晶體的擇優取向使得原子排列有序而阻止 原子的運動。這都會使得鉤膜的納米硬度升高。此外，鉤膜表面存在的殘 余壓應力同樣會增強鎢膜的納米硬度。
如圖2所示，鎢膜和鎢塊的平均彈性模量分別為282. 8GPa， 420GPa。 可見鎢膜的彈性模量遠小于鎢塊的彈性模量。彈性模量反映薄膜的防護性 能并主要取決于薄膜的緊密度和均勻性，而所制備的鉤膜組織緊密，分布 均勻。因此經本發明制備的鎢膜的防護性能良好。
綜上所述，實施例l制備的鎢膜具有優良的納米力學性能。 實施例2
一種在玻璃表面制備單質鎢膜的方法，其包括以下工藝以載玻片作 為成膜基體，濺射前先進行超聲清洗，表面粗糙度為0.08ym;鍍膜前基 體加熱至IOO'C;在磁控濺射設備中，高純氬氣環境下采用純鎢靶在基體 上濺射沉積鎢膜。
工作氣體為高純Ar氣(99.999%);
工作氣壓為2X10—3Pa;
濺射電流為1A;
實驗中對薄膜厚度的控制由對沉積時間的精確控制來實現。經反復試 驗，測定出W膜的沉積速率約為50nm/min。 最終得到的W為納米膜的厚度為0.5um。
經檢測本發明實施例2制備的單質鎢膜的納米力學性能如圖3和圖4 所示平均納米硬度和彈性模量分別為15.22Gpa和176.64GPa。 對比例
現有技術制備鎢膜主要是采用磁過濾弧源沉積技術，在聚酯(PET) 薄膜表面上沉積金屬鎢膜。用金屬鉤做陰極，用12kV的電壓對PET基體 表面進行濺射清洗和低能W離子注入，然后進行鎢薄膜的沉積，在基體上 加120V的負壓。得到厚度為僅為70nm的鉤薄膜。其表面納米硬度和彈性模量分別為2.54GPa， 7.38GPa。
由實施例和對比例可見，現有技術制備的鎢膜薄，耐磨性差，本發明 所制備的鎢薄膜厚度較大，納米硬度和彈性模量均大于現有技術(磁過濾 弧源沉積技術)制備的鎢膜，耐磨性優異且與基體結合較好，制備過程操 作簡便，成本較低。
權利要求
1、一種制備單質鎢膜的方法，其特征在于，包括以下工藝將基體加熱至100～150℃；然后在磁控濺射設備中，氬氣環境下采用純鎢靶在基體上濺射沉積鎢膜。
2、 根據權利要求1所述的一種制備單質鎢膜的方法，其特征在于，所述磁控濺射設備的工作氣壓為2X10—3Pa~3X10—3Pa，濺射電流為1 2A。
3、 根據權利要求1所述的一種制備單質鎢膜的方法，其特征在于，所述鎢膜的厚度由基體在靶前的沉積速率來控制，沉積鎢膜時，基體在靶前的 沉積速率為50 75nm/min。
4、 根據權利要求3所述的一種制備單質鎢膜的方法，其特征在于，所述 鎢膜為0.5 2Mm。
5、 根據權利要求1至4中任意一項所述的一種制備單質鎢膜的方法，其 特征在于，在基體加熱前先進行淬火處理，硬度為50 60HRC。
6、 根據權利要求5所述的一種制備單質鎢膜的方法，其特征在于，所述 基體為金屬。
7、 根據權利要求6所述的一種制備單質鎢膜的方法，其特征在于，所述 金屬為45"鋼。
8、 根據權利要求1至4中任意一項所述的一種制備單質鎢膜的方法，其 特征在于，在基體加熱前先進行超聲清洗。
9、 根據權利要求8所述的一種制備單質鎢膜的方法，其特征在于，所述 基體為玻璃片。
全文摘要
本發明公開了一種制備單質鎢膜的方法，其包括以下工藝將基體加熱至100～150℃；然后在磁控濺射設備中，氬氣環境下采用純鎢靶在基體上濺射沉積鎢膜。由本發明方法制備的單質鎢膜納米力學性能均勻優異，納米硬度是鎢塊硬度的三倍以上，組織緊密，分布均勻，防護性能良好且鎢膜晶粒較細，具有較多的晶界，與基體結合良好，從而更有利于進一步滲硫處理時得到WS₂固體潤滑薄膜，本發明所述磁控濺射方法操作簡便，技術可靠，可適用廣泛的薄膜制備。
文檔編號C23C14/54GK101319304SQ20071010016
公開日2008年12月10日 申請日期2007年6月5日 優先權日2007年6月5日
發明者劉家浚, 莊大明, 康嘉杰, 弓 張, 徐濱士, 朱麗娜, 李國祿, 王海斗 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學院