一種金屬材料表面改性層的制造方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬材料表面改性層的制造，特別是一種采用離子注入方法以WS2為固體潤(rùn)滑材料的金屬材料表面改性層的制造方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]二硫化鎢(WS2)固體潤(rùn)滑材料的改性層制備方法和工藝研宄是目前國(guó)際上固體潤(rùn)滑領(lǐng)域的主要研宄方向之一。二硫化鎢具有很低的摩擦系數(shù)，較高的抗極壓性能，其抗氧化性能比現(xiàn)有固體潤(rùn)滑材料MoS2好，因此適用于高溫、高壓、高真空、高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速、高輻射、強(qiáng)腐蝕、超低溫等苛刻條件下零件的潤(rùn)滑。美國(guó)率先將二硫化鎢應(yīng)用到航天飛機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、軍用機(jī)械鏈條傳動(dòng)等軍事領(lǐng)域，同時(shí)還將其應(yīng)用在計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)軸承，超高真空系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)、滑動(dòng)部件上?，F(xiàn)有技術(shù)主要是利用磁控濺射技術(shù)在材料表面制備一定厚度的二硫化鎢膜，研宄方向則主要集中在薄膜制備和降低薄膜在空氣中的摩擦系數(shù)上。由于二硫化鎢膜層是類似石墨的層片狀結(jié)構(gòu)、硬度低、滑動(dòng)過(guò)程中易轉(zhuǎn)移或磨損，不能完全滿足一些特種精密儀器潤(rùn)滑的使用需求，比如在航天精密儀表領(lǐng)域需要純凈無(wú)污染的固體潤(rùn)滑，不允許有膜層脫落；在高溫高壓真空環(huán)境使用的軸承上，也不允許有膜層剝落，否則剝落的碎肩附著在高壓件上易出現(xiàn)高壓打火造成設(shè)備不穩(wěn)或零件損傷。因此，如何制備出既具有良好潤(rùn)滑性能，又不會(huì)發(fā)生表面剝落的二硫化鎢改性層成為目前亟待解決的問(wèn)題。
[0003]離子注入技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展形成的一種金屬材料表面改性方法，其原理為利用強(qiáng)電場(chǎng)將需要注入的離子加速，將高速離子束轟擊靶室中的工件表面，使離子注入到工件材料中，產(chǎn)生大量高密度位錯(cuò)、空位，同時(shí)還可使表面非晶化，起到改善材料表面性能的作用。由于傳統(tǒng)鍍膜是在工件材料表面沉積膜層，而離子注入層是由工件材料本身受離子注入改性而形成的，因此注入層與基體之間不存在界面分層和結(jié)合力問(wèn)題。因此采用離子注入技術(shù)在金屬材料上制備具有二硫化鎢固體潤(rùn)滑功能的改性層成為解決固體潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜脫落問(wèn)題的發(fā)展方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中固體潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜脫落的問(wèn)題，提供一種采用離子注入技術(shù)，以Ws2S固體潤(rùn)滑材料的金屬材料表面改性層的制造方法及其裝置，該金屬材料表面改性層具有固體潤(rùn)滑功能。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種金屬材料表面改性層的制造方法，其中，采用離子注入方法以WS2為靶材對(duì)金屬材料進(jìn)行表面改性，包括如下步驟:
[0006]S100、金屬材料的預(yù)處理，對(duì)待加工的金屬材料進(jìn)行預(yù)處理，去除附著在所述金屬材料表面的油脂、銹點(diǎn)和雜質(zhì)；
[0007]S200、生成表面改性層，采用離子注入方法以WS2S靶材生成金屬材料表面改性層O
[0008]上述的金屬材料表面改性層的制造方法，其中，所述步驟S200包括:將所述金屬材料放入真空室內(nèi)，所述真空室與MEVVA離子源連接，將所述真空室抽真空至
1.0X KT4Pa?5.0X 10_4Pa，所述MEVVA離子源以WS2為靶材對(duì)所述金屬材料進(jìn)行表面改性，以在所述金屬材料的表面生成表面改性層，其中，所述MEVVA離子源的離子注入能量為50keV?120keV，所述MEVVA離子源的離子注入總劑量為1.0X 10171ns/cm2?5 X 10171ns/cm2；
[0009]上述的金屬材料表面改性層的制造方法，其中，在步驟S200之后，還包括:S300、金屬材料的封存，將表面生成表面改性層后的所述金屬材料放入丙酮溶液中清洗5?10分鐘后烘干，并將烘干后的所述金屬材料真空密封封存。
[0010]上述的金屬材料表面改性層的制造方法，其中，所述離子源采用99%的WS2陰極進(jìn)行咼子注入。
[0011]上述的金屬材料表面改性層的制造方法，其中，所述金屬材料由表面向內(nèi)依次形成非晶、微晶及合金相結(jié)構(gòu)。
[0012]上述的金屬材料表面改性層的制造方法，其中，所述步驟SlOO包括:
[0013]S101、去除所述金屬材料的表面油脂，用金屬除脂溶劑去除該金屬材料的表面油脂后，將該金屬材料放入無(wú)污染的四氯乙烯溶劑中浸泡20?30分鐘，取出后用宣紙吸凈殘留的四氯乙烯溶劑，再用脫脂棉擦拭該金屬材料的表面，最后用干凈的綢布擦拭。
[0014]上述的金屬材料表面改性層的制造方法，其中，所述步驟SlOO還包括:
[0015]S102、去除銹點(diǎn)，用金屬除銹清洗劑浸泡清洗該金屬材料10?20分鐘，取出后擦拭干凈，以使其表面無(wú)微銹點(diǎn)。
[0016]上述的金屬材料表面改性層的制造方法，其中，所述步驟SlOO還包括:
[0017]S103、去除雜質(zhì)，將該金屬材料放入丙酮溶劑中，超聲清洗20?40分鐘后取出，使用干凈綢布擦干。
[0018]上述的金屬材料表面改性層的制造方法，其中，所述步驟SlOO還包括:
[0019]S104、超聲清洗，將該金屬材料放入去離子水中，超聲清洗20?40分鐘后取出，使用干凈綢布擦拭，并放置于真空烘箱中烘干2?4小時(shí)。
[0020]為了更好地實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種用于上述金屬材料表面改性層制造方法的金屬材料表面改性層制造裝置。
[0021]本發(fā)明的技術(shù)效果在于:
[0022]本發(fā)明利用離子注入技術(shù)在金屬表面制備二硫化鎢固體潤(rùn)滑功能層的方法，可在不改變工件尺寸的前提下顯著降低工件表面摩擦系數(shù)，可用于高溫、高壓、高真空、高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速、高輻射、強(qiáng)腐蝕、超低溫等苛刻條件下零件的潤(rùn)滑。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用離子注入技術(shù)對(duì)金屬工件進(jìn)行表面改性，通過(guò)調(diào)整注入能量、注入劑量等參數(shù)來(lái)控制改性效果，最終實(shí)現(xiàn)降低摩擦系數(shù)、改善工件潤(rùn)滑效果的作用。改性后的材料摩擦系數(shù)低，耐磨壽命長(zhǎng)，由于改性元素直接打入基體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而在表層形成改性層，因此改性層與金屬材料仍是一體材料、不存在結(jié)合力問(wèn)題，且改性前后工件尺寸精度不發(fā)生改變，故該技術(shù)適用用于高壓高真空超低溫等極限工況下的精密零件表面改性?，F(xiàn)有技術(shù)的二硫化鎢固體潤(rùn)滑薄膜在空氣中的摩擦系數(shù)普遍為0.05-0.25，而本發(fā)明改性的金屬材料，在常溫常濕下以50g的加載載荷，100r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行滑動(dòng)摩擦磨損測(cè)試，其耐磨壽命可達(dá)2h，表面摩擦系數(shù)小于0.2。
[0023]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明的制造方法流程圖；
[0025]圖2為本發(fā)明離子注入層示意圖；
[0026]圖3為本發(fā)明金屬材料的截面圖；
[0027]圖4為本發(fā)明生成表面改性層后的摩擦磨損曲線圖；
[0028]圖5為金屬材料未生成表面改性層的摩擦磨損曲線；
[0029]圖6為本發(fā)明一實(shí)施例的制造裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]其中，附圖標(biāo)記
[0031]I金屬材料
[0032]2真空室
[0033]3離子源
[0034]4表面改性層
[0035]5工作臺(tái)
【具體實(shí)施方式】
[0036]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作具體的描述:
[0037]參見(jiàn)圖1，圖1為本發(fā)明的制造方法流程圖。本發(fā)明的金屬材料表面改性層的制造方法，采用離子注入方法以WS2為靶材對(duì)金屬材料I的表面改性，包括如下步驟:
[0038]步驟S100、金屬材料I的預(yù)處理，對(duì)待加工的金屬材料I進(jìn)行預(yù)處理，去除附著在所述金屬材料I表面的油脂、銹點(diǎn)和雜質(zhì)；
[0039]所述步驟SlOO包括:
[0040]S101、去除所述金屬材料I的表面油脂，用金屬除脂溶劑(例如氫氧化鈉、碳酸鈉、十水磷酸鈉、硅酸鈉、洗滌劑、緩蝕劑、溶劑水等)去除該金屬材料I的表面油脂后，將該金屬材料I放入無(wú)污染的四氯乙烯溶劑中浸泡20?30分鐘，取出后用宣紙吸凈殘留的四氯乙烯溶劑，再用脫脂棉擦拭該金屬材料I的表面，最后用干凈的綢布擦拭。
[0041]所述步驟SlOO還包括:
[0042]S102、去除銹點(diǎn)，用金屬除銹清洗劑浸泡清洗該金屬材料110?20分鐘，取出后擦拭干凈，以使其表面無(wú)微銹點(diǎn)。
[0043]所述步驟SlOO還包括:
[0044]S103、去除雜質(zhì)，將該金屬材料I放入丙酮溶劑中，超聲清洗20?40分鐘后取出，使用干凈綢布擦干。擦干時(shí)，在該金屬材料I的光滑表面上沿同一方向進(jìn)行擦拭，保證該金屬材料I的表面沒(méi)有水漬和雜質(zhì)殘留；該金屬材料I的特殊部位(工作面)重點(diǎn)擦拭，該金