[发明专利]一种硫化物基复合膜层及其制备方法和耐磨工件

说明书

本发明涉及一种硫化物基复合膜层及其制备方法和耐磨工件，属于无机润滑膜的制备领域。该硫化物基复合膜层由硫化物基体和掺杂在硫化物基体中的Nd、Cr组成；其中，Nd的质量百分含量为2‑15％，Cr的质量百分含量为2‑16％；所述硫化物基体为二硫化钼或二硫化钨。本发明提供的硫化物基复合膜层，可提高硫化物基体的结晶强度，改善膜层结构，从而使复合膜层的硬度、弹性模量等力学性能得以提高，摩擦系数、耐磨性等摩擦学性能也得到显著改善。

技术领域

本发明属于无机润滑膜的制备领域，具体涉及一种硫化物基复合膜层及其制备方法和耐磨工件。

背景技术

在表面工程领域，以二硫化钨、二硫化钼为代表的硫化物薄膜材料因具有优异的润滑特性、较高的抗氧化温度、良好的减摩和抗辐射性能，在机械传动、光电子、生物医学等领域具有广泛的应用前景。

纯硫化物薄膜的孔隙率较高，且硬度和膜基结合力较低，影响了其在高承载力场合的应用。关晓艳等通过磁控溅射沉积制备了一种高承载、低摩擦MoS₂/Ti复合薄膜(摩擦学学报，第35卷第3期，2015年5月)，结果表明，二硫化钼薄膜中掺杂Ti元素后，薄膜的摩擦性能及力学性能均有提高，硬度可达12.5Gpa，摩擦系数在0.02-0.03之间，但其磨损率较高，耐磨性仍有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硫化物基复合膜层，从而解决现有硫化物薄膜的耐磨性差的问题。

本发明的第二个目的在于提供一种硫化物基复合膜层的制备方法，以解决现有耐磨工件的使用寿命有待进一步提高的问题。

本发明的第三个目的在于提供一种耐磨工件，以解决现有耐磨工件的耐磨工作层的膜层结合力有待进一步提高的问题。

为实现上述目的，本发明的硫化物基复合膜层的技术方案是：

一种硫化物基复合膜层，由硫化物基体和掺杂在硫化物基体中的Nd、Cr组成；其中，Nd的质量百分含量为2-15％，Cr的质量百分含量为2-16％；所述硫化物基体为二硫化钼或二硫化钨。

以二硫化钼为例，MoS₂具有六方晶体层状结构，层内为强的化学键，层间以弱的范德华力相结合，这种特殊的层状结构为MoS₂提供了良好的自润滑性能。然而，层边缘的钼和硫原子由于不能完全成键而形成悬空键，悬空键具有一定的化学活性，其在大气和富氧环境下的摩擦过程中容易被氧化，导致其摩擦性能急剧下降，继而失去润滑作用，这严重影响了其在大气环境下的工程应用。在膜层结构方面，纯二硫化钼薄膜因众多柱状晶的存在，在成膜时形成了大量孔洞，导致薄膜的力学性能欠佳，进而又影响了其耐磨损性能。

本发明提供的硫化物基复合膜层，利用稀土元素Nd和金属元素Cr对硫化物基体进行二元共掺杂，Cr作为钼(或钨)的合金元素，Nd作为S的活性反应元素和钼(或钨)的微合金元素，可以对边缘未成键的钼(或钨)、S进行结合，减少纯二硫化钼(或钨)薄膜悬空键的存在，改善其易氧化问题。另一方面，原子半径一大一小的Nd、Cr原子以混杂方式掺入膜层结构中，能够有效抑制柱状晶的形成，提高层内结构的致密性，因而可显著改善膜层的力学性能和耐磨损性。

该硫化物基复合膜层，可提高硫化物基体的结晶强度，改善膜层结构，从而使复合膜层的硬度、弹性模量等力学性能得以提高，摩擦系数、耐磨性等摩擦学性能也得到显著改善。

针对硫化物基体为二硫化钨的情形，为进一步优化其耐磨性，优选的，硫化物基体为二硫化钨，所述硫化物基复合膜层中，Nd的质量百分含量为5.97-13.71％，Cr的质量百分含量为4.69-13.28％。

针对硫化物基体为二硫化钼的情形，为进一步优化其耐磨性，优选的，硫化物基体为二硫化钼，所述硫化物基复合膜层中，Nd的质量百分含量为6.38-13.95％，Cr的质量百分含量为5.13-13.85％。