WS2－C固體潤滑薄膜的制備及其摩擦磨損性能＊

宋玉波，代明江，余志明，韋春貝，侯惠君，林松盛

（1．中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083；2．廣東省工業(yè)技術研究院（廣州有色金屬研究院材料表面工程研究所），廣東 廣州 510650）

WS2－C固體潤滑薄膜的制備及其摩擦磨損性能＊

宋玉波1，2，代明江2，余志明1，韋春貝2，侯惠君2，林松盛2

（1．中南大學材料科學與工程學院，湖南 長沙 410083；2．廣東省工業(yè)技術研究院（廣州有色金屬研究院材料表面工程研究所），廣東 廣州 510650）

為改善純WS2薄膜在潮濕大氣中的摩擦磨損性能，采用磁控濺射結合離子源的方法在TC4合金基體上沉積了WS2－C復合薄膜，利用掃描電鏡、能譜儀對復合薄膜的微觀結構及成分組成進行了分析，并利用顯微硬度儀和摩擦磨損試驗機對復合薄膜的硬度及摩擦磨損性能進行了評估．結果表明：WS2－C復合薄膜的膜面較為平整，斷面呈柱狀晶方式生長、結構致密，C的原子比約為41%；WS2－C復合薄膜的顯微硬度較純WS2薄膜有所提高，隨著法向載荷的加大，其摩擦系數(shù)有所降低，C的加入可以提高WS2薄膜在大氣環(huán)境中的耐磨壽命．

WS2－C復合薄膜；TC4合金；摩擦系數(shù)；耐磨壽命

據(jù)不完全統(tǒng)計［1］，全世界約有1／3的能源消耗于摩擦，約80%的機械零部件因磨損而失效，所以對摩擦及磨損的研究是一個具有重大社會經(jīng)濟效益的課題．潤滑可降低摩擦系數(shù)、減少磨損，從而延長材料的使用壽命．低摩擦系數(shù)的固體潤滑材料，不僅可以在常規(guī)條件下代替潤滑油、潤滑脂等產(chǎn)生減磨耐磨的效果，還可以在高溫、真空等限制傳統(tǒng)潤滑劑使用的特殊工況環(huán)境中穩(wěn)定工作．

近年來，WS2固體潤滑薄膜作為一種新型的優(yōu)秀潤滑材料引起了國內(nèi)外學者的廣泛關注［2］．與MoS2類似，WS2也具有層狀的六方結構［3］，層與層之間較低的剪切強度賦予其優(yōu)良的潤滑性能，其在微電子機械加工、航空航天等領域中被廣泛地應用［4］．但是，在潮濕的大氣環(huán)境中純的MoS2及 WS2容易吸潮而氧化，導致失效［5］，因此影響了此類材料的推廣應用．

針對這一現(xiàn)象，國內(nèi)外的研究人員通過共濺射Ti，Ag及Au等可以優(yōu)先氧化的材料，來改善MoS2和WS2的耐磨性能，也有人進行摻C或摻N的研究［6－7］，但大多都是通過反應磁控濺射或射頻濺射的方法來獲得硫化物薄膜［2］．本文采用中頻磁控濺射WS2、直流磁控濺射石墨的方法制備了 WS2－C復合薄膜，并在大氣環(huán)境中對其服役性能進行了測試．

1 實驗部分

采用多功能離子鍍膜機制備WS2－C復合薄膜，鍍膜設備如圖1所示．該設備由孿生中頻磁控、直流磁控和離子源三大部分組成，其中孿生中頻為WS2靶，兩個直流磁控分別為高純Ti靶（純度為99．99%）和石墨靶．薄膜的截面形貌表征所用樣品的基體材料為單晶硅片，表面形貌、成分、顯微硬度及摩擦磨損性能分析所用樣品的基體為TC4合金，樣品尺寸為直徑25 mm×7mm，表面粗糙度R a約為0．3μm．鍍膜前先用離子源產(chǎn)生的輝光放電對樣品進行刻蝕清洗，真空度為0．4 Pa，離子源電壓為570 V，偏壓為700 V，清洗時間為10 min；然后在相同的工作真空條件下進行濺射沉積，沉積的Ti膜和C膜作為過渡層；最后沉積 WS2－C復合薄膜，具體工藝參數(shù)列于表1．

用JSM－5910型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察WS2－C復合薄膜的截面及表面形貌，用NORAN能量色散光譜儀分析復合薄膜的成分及含量；用MH－5D型顯微硬度儀對薄膜的表面硬度進行測量，其中載荷為0．245N，保載時間為15 s；用 MS－T3000型摩擦磨損試驗儀測量薄膜的摩擦磨損性能，對磨件為直徑4 mm的GC15鋼球．

表1 沉積WS2－C復合薄膜的工藝參數(shù)

圖1 鍍膜機的示意圖

2 結果與討論

2．1 WS2－C復合薄膜的結構及成分分析

圖2所示為WS2－C復合薄膜的表面和截面SEM照片．從圖2（a）可以看到，薄膜表面整體上比較細膩，但還是發(fā)現(xiàn)有大量形狀不規(guī)則的凹坑，同時還分散有一些白色的球形顆粒．文獻［8］中提到，由于MoS2靶材是由粉末冶金方法制得的，因此在沉積MoS2－Ti復合薄膜薄膜時MoS2顆粒容易脫落，從而在膜面上形成粗大的顆粒，并且隨著膜厚的增加，在膜表面上會生成更多的大顆粒，從而使膜表面變得更加不平整．本文所用的WS2靶材為粉末冶金燒結而成，制備的 WS2－C復合薄膜厚度較厚約為3μm．由此可知，膜面上的大顆粒是從 WS2靶材上脫落而形成的．

觀察復合薄膜的截面形貌（圖2（b））發(fā)現(xiàn)，其呈致密的柱狀晶結構，與文獻［9］中介紹的 MoS2－Ti復合薄膜斷面形貌相似，沒有明顯的孔隙和空洞．本實驗所選用的過渡層為Ti／C過渡層，具體操作過程中兩個靶材的轉(zhuǎn)換形式為Ti靶功率逐漸降低的同時緩慢啟動石墨靶，其中Ti過渡層可以有效提高WS2薄膜與基底的結合力與耐磨性［10］，而C膜則是為了盡量較少實驗過程中的操作誤差，這樣可以在石墨靶穩(wěn)定工作時啟動中頻WS2靶．

圖2 WS2－C復合薄膜的SEM照片

從圖2（b）中還可以看出，在復合薄膜與基底之間的過渡層有黑色和白色兩層，其中白色的為Ti膜，沉積時間約為10 min，黑色的為C膜，沉積時間為30 min．

對WS2－C復合薄膜進行能譜分析發(fā)現(xiàn)，C元素的原子百分比約為41%，S和 W的原子比高達2．02，遠高于本設備在相同工作氣壓及沉積溫度條件下所得純 WS2薄膜的S／W比（約1．52），具體原因目前還不太清楚，有待進一步研究．

2．2 WS2－C復合薄膜的顯微硬度及摩擦磨損性能

與純WS2薄膜相比，WS2－C復合薄膜的硬度有所提高，在0．245N載荷，保載15 s的條件下測得復合薄膜的顯微硬度約為357 HV，比純WS2薄膜提高了80 HV左右．

在大氣環(huán)境中（相對濕度約為50%，溫度23℃），測試了 WS2－C復合薄膜與GC15鋼球?qū)δr的摩擦系數(shù)，對磨形式為球盤式摩擦磨損，選取的載荷分別為1．96N，4．9N，9．8N 和14．7N，試樣的轉(zhuǎn)動速度為120 r／min，測試時間為10 min．圖3為復合薄膜的摩擦系數(shù)與載荷的關系曲線，可以發(fā)現(xiàn)，當載荷為1．96N時，薄膜的摩擦系數(shù)較高，約為0．16，隨著載荷的增加，復合薄膜的摩擦系數(shù)逐漸降低，載荷為14．7N時，薄膜的摩擦系數(shù)降到0．1以下．

圖3 不同載荷對WS2－C復合薄膜摩擦系數(shù)的影響

根據(jù)赫茲接觸理論模型［11］，薄膜的摩擦系數(shù)公式：

式（1）中：S和α為與材料相關的系數(shù)，W為法向載荷，R為對磨鋼球半徑，E為摩擦副的等效彈性模量．由式（1）可知，薄膜的摩擦系數(shù)主要與施加的載荷有關，隨著載荷的增大，薄膜的摩擦系數(shù)有所降低，這與本實驗的結果相符．

由于WS2－C復合薄膜的摩擦系數(shù)較低，僅通過10 min的摩擦磨損試驗很難評價其耐磨性能，本實驗通過延長測試時間并加大轉(zhuǎn)速，使復合薄膜在較為苛刻的條件下磨破（當薄膜被磨破時，摩擦系數(shù)會產(chǎn)生突變，并伴隨有刺耳的響聲），從而計算出WS2－C復合薄膜的耐磨壽命．圖4為復合薄膜在9．8 N的載荷、轉(zhuǎn)速為240 r／min的條件下，其摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線．從圖4可見，起始10 min內(nèi)薄膜的摩擦系數(shù)基本維持在0．1以下，隨著磨損時間的延長，薄膜的摩擦系數(shù)緩慢上升，在116 min時，薄膜的摩擦系數(shù)突然上升至0．35左右，肉眼可以觀察到樣品表面露出了亮白色的基體，表明復合薄膜此時已被磨破，經(jīng)過計算可以得出其耐磨壽命約為1748 m．在相同條件下與制得的純WS2薄膜相比，復合薄膜的耐磨壽命提高了5倍以上．在試驗的過程中，復合薄膜的摩擦系數(shù)出現(xiàn)了上升的趨勢，這是因為隨著時間的延長，對磨件GC15鋼球的接觸尖端產(chǎn)生了磨損，使球－盤摩擦副之間的實際接觸面積增大，進而導致了法向載荷變小，由式（1）可以得出薄膜的摩擦系數(shù)會有所升高．

圖4 WS2－C復合薄膜的摩擦系數(shù)曲線

3 結 論

（1）通過磁控濺射的方法制備了碳原子百分比約為41%的WS2－C復合薄膜，膜層結構致密，呈柱狀晶方式生長，薄膜的顯微硬度約為357 HV．

（2）法向載荷對復合薄膜的摩擦系數(shù)影響顯著，加大載荷會使 WS2－C復合薄膜的摩擦系數(shù)降低，WS2－C復合薄膜的耐磨性能較好．

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Preparation and tribological properties of WS2－C solid lubrication films

SONG Yu－bo1，2，DAI Ming－jiang2，YU Zhi－ming1，WEI Chun－bei2，HOU Hui－jun2，LIN Song－sheng2
（1．School of Materials Science and Engineering，Central South University，Changsha 410083，China；2．Institute of Surface Engineering，Guangzhou Research Institude of Nonferrous Metals，Guangzhou 510651，China）

WS2－C composite films were deposited by magnetron sputtering coupled with ion source on TC4 substrates to improve the tribological properties of pure WS2films．The surface morphology，micro－structure and composition were analyzed using SEM and EDX，and the tribological properties of the composite films were evaluated by using ball－on－disk friction and wear tester．The results show that the surface of the composite films is smooth；the films with carbon content about 41%by atom ratio grow as the stytle of columnar shape；the wear life of the composite films is much longer than the pure WS2films，and the friction of the composite films becomes lower when the load increases．

WS2－C composite films；TC4 alloy；friction coefficient；wear life

TG174．44

A

1673－9981（2010）04－0530－04

2010－10－15

廣東省自然科學基金（07006996A）

宋玉波（1985—），男，河南鶴壁人，碩士研究生．