RU2365672C1 - Способ получения антифрикционных тонких пленок - Google Patents
Способ получения антифрикционных тонких пленок Download PDFInfo
- Publication number
- RU2365672C1 RU2365672C1 RU2007148428/02A RU2007148428A RU2365672C1 RU 2365672 C1 RU2365672 C1 RU 2365672C1 RU 2007148428/02 A RU2007148428/02 A RU 2007148428/02A RU 2007148428 A RU2007148428 A RU 2007148428A RU 2365672 C1 RU2365672 C1 RU 2365672C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- target
- substrate
- wse
- mose
- padding
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области технологии нанесения защитных антифрикционных покрытий, в частности к способу получения антифрикционных тонких пленок и может быть использовано в вакуумной, авиационной и космической технике, микромеханике, изготовлении металлорежущего и металлообрабатывающего инструмента. Осуществляют импульсное лазерное распыление мишени, выполненной из дихалькогенидов тугоплавких металлов, при плотности энергии лазерного излучения от 5 до 100 Дж/см2, при комнатной температуре подложки и давлении инертного газа 1-10 Па. Дихалькогениды тугоплавких металлов выбраны из группы, включающей MoS2, WS2, MoSe2 WSe2, MoSe2/Ni, WSe2/Ni. Подложка расположена напротив мишени на расстоянии 3-8 см. Подложка может быть выполнена из любых металлических материалов и твердых сплавов, использующихся в машиностроении. Подложка может быть выполнена из стали с покрытием из алмазоподобного углерода (α-С). Технический результат заключается в упрощении технологии и снижении загрязнения окружающей среды и вредности производства. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к области технологии нанесения защитных антифрикционных покрытий и может быть использовано в вакуумной, авиационной и космической технике, микромеханике, изготовлении металлорежущего и металлообрабатывающего инструмента и др.
Известно изобретение «Низкофрикционные покрытия для использования в зубном деле или медицине» (заявка WO 2006123336, опубл. 2006-11-23), предлагающее заготовки, части которого покрыты фуллереноподобными наночастицами или композитами, содержащими такие наночастицы. Предпочтительно предлагают заготовки из металла для использования в зубном деле или медицине, имеющие пленку с уменьшенным трением, а также предлагают методы для покрытия таких заготовок с уменьшенным трением, такие как электролиз или электрохимическое осаждение. В заготовках согласно пунктам формулы 1-6 наночастицы изготовлены из TiS2, TiSe2, TiTe2, WS2, WSe2, WTe2, MoS2, MoSe2, MoTe2, SnS2, SnSe2, SnTe2 RuS2, RuSe2, RuTe2, GaS, GaSe, GaTe, InS, InSe, HfS2, ZrS2, VS2, ReS2 or NbS2.
Недостатком данного способа является ограниченная область использования данных материалов. Кроме того, композиты, содержащие указанные наночастицы, имеют недостаточную прочность сцепления с подложкой, ухудшающую антифрикционные свойства пленки.
Известно изобретение «Метод для покрытия трущихся поверхностей твердой смазкой» (патент KR 20020007884, опубл. 2002-01-29), который обеспечивает низкий коэффициент трения. В этом методе твердая смазка напыляется (spray) на предварительно нанесенный лубрикант (lubrite), твердая смазка выбирается из группы веществ, включающей WS2, MoS2, WSe2. Также, содержание влаги в смазке 0,4-1,5% по весу в сухом виде, и 5-15% в виде суспензии.
Недостатком данного способа является то, что антифрикционная пленка наносится при помощи распыления (spray) и поэтому она имеет слабое сцепление с подложкой. Увеличение сцепления достигается только за счет попадания смазки в углубления, сформированные осажденным лубрикантом. Содержание влаги и ограничение минимальной толщиной сужает область применения данной антифрикционной пленки, которую невозможно использовать в микромеханике, космической и вакуумной технике.
Известно изобретение «Ориентированные поликристаллические тонкие пленки халькогенидов переходных металлов» (патент EP 0580019, опубл. 1994-01-26), которое включает (а) осаждение слоя материала переходного металла или их сочетания на подложке; и б) нагрев слоя в атмосфере газа, содержащего один или более материала халкогена в течении такого времени, чтобы позволить материалу переходного металла и материалу халькогена среагировать и сформировать ориентированную поликристаллическую тонкую пленку.
Тонкие пленки такие, как MoS2, MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2, ZrS2, ZrSe2, HfS2, HfSe2, PtS2, ReS2, ReSe2, TiS3, ZrS3, ZrSe3, HfS3, HfSe3, TiS2, TaS2, TaSe2, NbS2, NbSe2 и NbTe2 изучены на предмет трибологических свойств.
Согласно существующему изобретению, тонкая поликристаллическая пленка желательной ориентации сформирована на подложке первым нанесением слоя материала переходного металла. Может использоваться любая подходящая подложка. Предпочтительно - кварц, стекло или титан, молибденовая или вольфрамовая фольга.
Осаждение переходного металла или смеси переходных металлов на подложку может быть достигнуто любым подходящим способом. Он может включать вакуумное напыление, химическое или гальваническое осаждение.
После осаждения слоя переходного металла слой нагревают в газообразной атмосфере, содержащей халькоген, который может быть одним или более и/или одним или более смесями халкогенов, содержащими один или более халкогенов. Предпочтительно материал халкогена - сера или селен, или смеси этого.
Недостатком данного способа является необходимость нагрева подложки до температуры выше 400°С, что делает невозможным использование закаленных сталей, подслоя из алмазоподобного углерода и других материалов, применяемых в машиностроении и металлообработке. Сам процесс сложный и длительный, требуется использование вредных халькоген-содержащих газов.
Данное изобретение является наиболее близким аналогом, т.е. прототипом.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение области применения данного способа, использующего более широкий перечень конструкционных материалов, на которые может быть нанесено покрытие, при упрощении технологии, снижение загрязнения окружающей среды и вредности производства.
Данная задача решается созданием способа получения антифрикционных тонких пленок путем импульсного лазерного распыления и осаждения материала мишени на подложке в атмосфере инертного газа, отличающегося тем, что проводят импульсное лазерное распыление мишени, выполненной из дихалькогенидов тугоплавких металлов, при плотности энергии лазерного излучения от 5 до 100 Дж/см, при комнатной температуре подложки и давлении инертного газа 1-10 Па.
Кроме того, дихалькогениды тугоплавких металлов выбраны из группы, включающей MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, MoSe2/Ni, WSe2/Ni.
Кроме того, подложка расположена напротив мишени на расстоянии 3-8 см.
Кроме того, подложка может быть выполнена из любых металлических материалов и твердых сплавов, использующихся в машиностроении.
Кроме того, подложка может быть выполнена из стали с покрытием из алмазоподобного углерода (α-C).
Изобретение поясняется схемами и графиками.
На фиг.1 дана схема импульсного лазерного осаждения в буферном газе: где 1 - лазерное излучение, 2 - система сканирования и фокусировки лазерного излучения, 3 - вакуумная камера, 4 - распыляемая мишень, 5 - подложка, 6 - система подачи газа.
На фиг.2 даны графики изменения отношения атомных концентраций селена и вольфрама, то есть величина x, в зависимости от давления аргона и гелия для пленок WSex: где а) для аргона, б) для гелия.
На фиг.3 дана зависимость коэффициента трения от числа циклов вращения диска для покрытий MoSex, сформированных импульсным лазерным осаждением: а) в вакууме, б) в аргоне при давлении 2 Па и в) в аргоне при давлении 5 Па.
На фиг.4 дан график зависимости износа покрытий от влажности окружающей среды.
На фиг.5 представлен график зависимости величины x от расстояния между мишенью и подложкой, для пленки WSex, осажденной в аргоне при давлении 2 Па и F=20 Дж/см2.
Способ осуществляют следующим образом.
Излучение лазера на иттрий-алюминиевом гранате, активированном неодимом (ИАГ:Nd+) с длиной волны 1,06 мкм и частотой следования импульсов от 25 до 100 Гц фокусируется и сканируется по поверхности мишени 4 (фиг.1). Мишень и подложка находятся в вакуумной камере, откачиваемой до остаточного давления не более чем 1·10-3 Па, при этом подложка расположена напротив мишени на расстоянии от 3 до 8 см. Перед помещением в вакуумную камеру подложку полируют и очищают химическим способом (промывание ацетоном и спиртом). Перед началом осаждения в вакуумную камеру подается инертный газ (Ar, He и др.). Процесс осаждения производится при комнатной температуре.
Величина плотности энергии лазерного излучения на поверхности мишени (F), определяемой по формуле:
F=E/S,
где Е - энергия в импульсе, S - площадь пятна фокусировки. Величина F выбирается в диапазоне от 5 до 100 Дж/см2, поскольку в этом случае в потоке осаждаемого вещества присутствуют атомы и ионы с энергией от 100 до 1500 эВ. Облучение растущей пленки атомами и ионами с такой энергией улучшает адгезию и микроструктуру. Пленки MoSe2 или WSe2, полученные при F<5 Дж/см2, при испытаниях выдерживали менее 5000 циклов, в то время как пленки, полученные при F от 5 до 100 Дж/см2, выдерживали 10000-20000 циклов. Кроме того, величина F в данном диапазоне обеспечивает высокую скорость осаждения пленок. Использование более высокого F не технологично в связи с уменьшением скорости осаждения пленки.
Выбор комнатной температуры подложки обусловлен, во-первых, тем, что при данной температуре пленки обладают нанокристаллической структурой, которая характеризуется большей износостойкостью по сравнению с поликристаллической, во-вторых, технологической простотой, возможностью расширить перечень конструкционных материалов, на которые может быть нанесено защитное покрытие.
Расстояния между мишенью и подложкой определяется исходя из требований по скорости осаждения и однородности пленок. При осаждении в газе величина x зависит от расстояния между мишенью и подложкой. Экспериментально установлено, что при заданной величине F, комнатной температуре подложки и расстоянии между мишенью и подложкой от 3 до 8 см можно подобрать давление инертного газа в диапазоне от 3 до 10 Па, при котором пленка в центре зоны осаждения будет иметь стехиометрический состав. Соотношение давления газа, необходимого для получения стехиометрической пленки, и плотности энергии лазерного излучения приведено в таблице 1. Экспериментально установлено, что стехиометрические пленки дихалькогенидов тугоплавких металлов имеют наилучшие антифрикционные свойства. В таблице 2 дана средняя величина коэффициента трения пленок MoSex для разных значений x. Трибологические испытания проводились по схеме шарик-диск при диаметре стального шарика 3 мм, нагрузке 1 H и относительной влажности воздуха 45-55%.
Примеры осуществления способа.
Пример 1.
Тонкие пленки MoSe2 осаждались на шайбы диаметром 20 мм, изготовленные из стали марки 95X18. Скорость осаждения составляла 22 нм/мин при частоте лазера 25 Гц. Температура подложки составляла 25°С. Подложка располагалась на расстоянии 5 см от мишени. Осаждение проводилось в вакууме и в аргоне при давлении 2 Па и 5 Па. Результаты испытаний приведены на фиг. 3 и в таблице 2. Пленки MoSe2, полученные при давлении аргона 2 Па, характеризуются наименьшей величиной коэффициента трения (0,04).
Пример 2.
Тонкие пленки WSe2 осаждались на шайбы диаметром 20 мм, изготовленные из стали марки 95X18 и покрытые пленкой α-C. Пленка α-C была получена методом импульсного лазерного осаждения в одном технологическом цикле с пленкой WSe2. Сканирование лазерного луча по мишеням из графита и WSe2 осуществлялось автоматически при помощи дефлекторной системы, управляемой компьютером. Толщина пленки α-C составляла 200 нм, скорость осаждения пленки α-C составляла 15 нм/мин. Скорость осаждения пленки WSe2 составляла 25 нм/мин при частоте лазера 25 Гц. Температура подложки составляла 25°С, давление гелия в рабочей камере -7 Па. Среднее значение коэффициента трения составило 0,04, интенсивность износа покрытия составила 2,92·10-6 мм3·Н-1·м-1.
Пример 3.
Тонкие пленки MoSe2/Ni осаждались на подложке в виде прямоугольного параллелепипеда, изготовленные из твердого сплава WC-Co и покрытые пленкой TiN (толщина 2 мкм). Скорость и условия осаждения дихалькогенидной пленки были аналогичны предыдущему примеру. Среднее значение коэффициента трения составило 0,05. На рисунке 4 представлены результаты сравнительных испытаний на износостойкость пленок MoSe2/Ni, полученных данным способом, и ряда покрытий на основе дихалькогенидов тугоплавких металлов аналогичного назначения MoST, MOVIC, двух опытных образцов WSe2, полученных методами высокочастотного магнетронного осаждения (1, 2) и смазочного состава на основе эпоксидной смолы и WSe2 (3). Испытания проводились фреттинговым методом с нагрузкой 1 H, частотой 10 Гц, амплитудой смещения 100 мкм. Контртело - корундовый шар, температура - 23°С, количество циклов - 50000.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает широкий перечень конструкционных материалов, на которые может быть нанесено покрытие, при упрощении технологии и безопасности в эксплуатации, а также улучшении износостойкости и адгезии пленок, уменьшении коэффициента трения.
Таблица 1. | ||
F, Дж/см2 | Аргон, Па | Гелий, Па |
5 | 2,0±0,2 | 7,5±0,2 |
50 | 1,7±0,2 | 6,6±0,2 |
100 | 1,5±0,2 | 5,7±0,2 |
Таблица 2. | |||
Давление аргона, Па | 0,0±0,1 | 2,0±0,1 | 5,0±0,1 |
x | 1,3±0,1 | 2,0±0,1 | 2,2±0,1 |
Средний коэффициент трения | 0,09 | 0,04 | 0,08 |
Claims (5)
1. Способ получения антифрикционных тонких пленок, включающий импульсное лазерное распыление и осаждение материала мишени на подложке в атмосфере инертного газа, отличающийся тем, что проводят импульсное лазерное распыление мишени, выполненной из дихалькогенидов тугоплавких металлов, при плотности энергии лазерного излучения от 5 до 100 Дж/см2 и давлении инертного газа 1-10 Па, а осаждение осуществляют на подложку, имеющую комнатную температуру.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что мишень выполнена из дихалькогенида тугоплавких металлов, выбранного из группы, включающей MoS2, WS2, MoSe2, WSe2, MoSe2/Ni, WSe2/Ni.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подложку располагают напротив мишени на расстоянии 3-8 см.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что подложку выполняют из металлических материалов и твердых сплавов.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что подложку выполняют из стали с покрытием из алмазоподобного углерода (α-С).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007148428/02A RU2365672C1 (ru) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Способ получения антифрикционных тонких пленок |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007148428/02A RU2365672C1 (ru) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Способ получения антифрикционных тонких пленок |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2365672C1 true RU2365672C1 (ru) | 2009-08-27 |
Family
ID=41149843
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007148428/02A RU2365672C1 (ru) | 2007-12-27 | 2007-12-27 | Способ получения антифрикционных тонких пленок |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2365672C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2459012C2 (ru) * | 2010-10-01 | 2012-08-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Способ изготовления тонких пленок на основе моносульфида самария |
RU2743353C2 (ru) * | 2016-12-19 | 2021-02-17 | СМСи КОРПОРЕЙШН | Коррозионностойкий элемент конструкции |
CN114959590A (zh) * | 2022-04-16 | 2022-08-30 | 江西师范大学 | 二硫化钨复合型纳米颗粒及其制备方法和作为析氢反应电催化剂的应用 |
-
2007
- 2007-12-27 RU RU2007148428/02A patent/RU2365672C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2459012C2 (ru) * | 2010-10-01 | 2012-08-20 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) | Способ изготовления тонких пленок на основе моносульфида самария |
RU2743353C2 (ru) * | 2016-12-19 | 2021-02-17 | СМСи КОРПОРЕЙШН | Коррозионностойкий элемент конструкции |
RU2743353C9 (ru) * | 2016-12-19 | 2022-01-12 | СМСи КОРПОРЕЙШН | Коррозионностойкий элемент конструкции |
CN114959590A (zh) * | 2022-04-16 | 2022-08-30 | 江西师范大学 | 二硫化钨复合型纳米颗粒及其制备方法和作为析氢反应电催化剂的应用 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ding et al. | Tribological properties of Cr-and Ti-doped MoS2 composite coatings under different humidity atmosphere | |
Nossa et al. | The influence of the addition of C and N on the wear behaviour of W–S–C/N coatings | |
RU2447012C1 (ru) | Способ получения наноструктурированной поверхности сталей методом лазерно-плазменной обработки | |
Lackner et al. | Room temperature pulsed laser deposited (Ti, Al) CxN1− x coatings—chemical, structural, mechanical and tribological properties | |
Kharanzhevskiy et al. | Ultralow friction behaviour of B4C-BN-MeO composite ceramic coatings deposited on steel | |
RU2365672C1 (ru) | Способ получения антифрикционных тонких пленок | |
Zappelino et al. | Tribological behavior of duplex-coating on Vanadis 10 cold work tool steel | |
Grigoriev et al. | Dependence of mechanical and tribological properties of diamond-like carbon coatings on laser deposition conditions and alloying by metals | |
Shamshiri et al. | Influence of laser structural patterning on the tribological performance of C-alloyed WS coatings | |
RU2392351C2 (ru) | Способ нанесения антифрикционного износостойкого покрытия на изделие из металла или сплава | |
DE102004004177B4 (de) | Verfahren zur Herstellung dünner Schichten sowie dessen Verwendung | |
Scheibe et al. | Laser-induced vacuum arc (Laser Arc) and its application for deposition of hard amorphous carbon films | |
Grenadyorov et al. | Deposition of silicon–carbon coatings from the plasma of a non-self-sustained arc discharge with a heated cathode | |
Uglov et al. | Compression plasma flow interraction with titanium-on-steel system: Structure and mechanical properties | |
Geng et al. | Tribological behaviour of low-pressure plasma sprayed WC-Co coatings at elevated temperatures | |
JPS63166957A (ja) | 表面被覆鋼製品 | |
de la Roche-Yepes et al. | Corrosion resistance and tribological behavior of WS2-Ti coatings by Ti cathode power changes in magnetron co-sputtering | |
Grigoriev et al. | Structural modification and tribological behavior improvement of solid lubricating WSe x coatings during pulsed laser deposition in buffer He-Gas | |
Maleque et al. | Abrasive wear response of TIG-melted TiC composite coating: Taguchi approach | |
CN107034438B (zh) | 高速钢丝锥表面涂层制备方法 | |
Lu et al. | Influence of V doping on the microstructure, chemical stability, mechanical and tribological properties of MoS2 coatings | |
Chernogor et al. | Influence of bias voltage on structure and mechanical properties of TiCrN-Mo2N-Ni coatings | |
Tellez et al. | RSM Performance Characteristics Improving Due to the Application of the Nanostructured Carbon-containing Coating “Superlattice” | |
RU2791571C1 (ru) | Способ вакуумно-дугового нанесения наноструктурированных покрытий на стоматологические конструкции | |
Yeskermessov et al. | Structure and properties of multi component (Ti-Zr-Cr-Nb) N coatings obtained by vacuum-arc deposition |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171228 |