固体润滑剂MoS2溅射技术

《轴承ｙｚ￣０２．№．２　

．．专题综述．．　

固体润滑剂ＭｏＳ：溅射技术　

洛阳轴承研究所（河南洛阳４７１０３９）赵滨海　

【ＡＢＳＴＲＡＣＴ］Ｔｈｅ　ｗｉｄｅｌｙ一∞耐ｓｐｕｔｔｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ｅｓｐｅｉｅａＵｙ　ｔｈｅ￣Ｉ（】Ｓ２，ＷＳ　ａｇｇｒａ—　

ｄａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ＰＴＦＥ　ｓｏｌｉｄ　ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｓｐｕｔｔｅｒ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ　Ｍ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｏｌｉｄ　

ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｓ　ｄｉｒｅｃｔｌｙ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｓｐｕｔｔｅｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ【ｐｏｗｅｒ，ｄｅｎｓｉｔｙ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ，　ｓｐｕｔｔｅｒ　ｅｔｃｈ，ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｅｔＣ）ａｎｄ　ｎｍｔｅｒｉａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｓｕｒｆａｃｅ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，　

ｐｒｏｆｉｌｅ　ａｎｄ　ｅｎｖｉｍｎｍａｎｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｔ　ｔｈｅ　ｆｌｉｃｔｉａｎ　ｔｅｓｔｓ　Ｔｎｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　ａｎｄ　ｏｔｈｅ　ｚ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｓｔｉｒ－　

ｆａｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｓｈ０ｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｍｐｏｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ　Ｍ０Ｓ２　

ｆｉｌｍ　ｄｉｒｅｃｄｙ　ａｆｅｃｔ　ｕｎｉｔｅｄ　ｓ　ｒ　ｇｔ｝【ａｎｄ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｓｐｕｔｔｅｒｅｄ　ｆｉｈｎｓ．０ｎｌｙ　ｉｆ　ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ　ｓｐｕｔｔｅｒ　ｐａ—　

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在滑动或滚动接触面上溅射Ｍｏ　和其他固　

体润滑剂（Ｗｓ、Ａｕ、沁和盯ＦＥ等）已有三十多年　历史。但沉积固体润滑剂特别是沉积Ｍ　的溅　

射技术仍然在不断改进中，且已经由实验室迅速　

转化到实际使用。在航天、航空领域，极为广泛地　

采用溅射Ｍｏｓ２固体润滑剂。如：陀螺仪和加速仪　

使用的高速长寿命轴承，卫星太阳帆板打开装置，　

飞船谐波驱动装置用的齿轮和轴承以及通讯卫星　

中的消旋轴承都使用溅射的ＭｏＳ润滑膜　许多　

民用工业也转向使用溅射润滑膜。例如，在高真　

空、高温下工作的旋转阳极ｘ射线管中使用的溅　

射ＭｏＳ２轴承　溅射主要是用作沉积薄膜的技术　

（膜厚小于１　一），在摩擦学应用中．使用的溅射　

膜很少超过１Ⅲ，在许多应用中，膜厚范围从０．２　

—０．７ｔａｎ，在特殊的陀螺仪应用中报导的最佳膜　厚是７００置。因为与一般使用的涂层相比，溅射膜　

很薄，所以保持适宜的溅射时参数是十分重要的。　这些参数包括表面清洁和随后的溅射沉积　

本文主要阐述溅射Ｍｏ　膜的结台力、化学组　

成、膜厚、底材温度、外形以及与摩擦有关的化学　

性质的相互关系。　

１　Ｍ０ｓ，溅射润滑基本过程　

在许多溅射方法和装置中，带有直流或射频　

偏压的射频溅射是溅射沉积固体润滑剂最广泛采　用的技术。图１所示为该种溅射装置示意图　所　

用的Ｍ０Ｓ２平面溅射靶的直径是１３０—１５０　ｒｔｌｌｎ。在　赵滨海男，４ｏ岁。　

研究员级高级工程师　

Ｉ９８２年毕业于上海复旦　太学、学士学位。现任洛　

阳轴承研究所副总工程　

师。主要从事精密轴承　的检测、固体润滑轴承、　

精密仪表轴承设计及　轴承ＣＡＤ工作。其中主持“关键陀螺转子和框架　

灵敏轴承的研究”获机械部科技进步一等奖　为　

本刊撰写论文多篇　

频率为１３　５６ＭＨｚ、２．６７　Ｐａ氩气压力下，溅射无机　

固体润滑剂的条件一般是３５　Ｗ／ｃ　，样品离靶距　离大约保持９＿５／／１／１１。零件表面在溅射前，用溅射　蚀刻清洁。轴承零件（套圈和保持架）可以不旋转　滁膜。这是因为溅射物质以所有可能的角度离开　

靶。太部分被镀件表面都是与靶的某些部分的视　

线成直线。溅射材料由于与等离子体中的粒子碰　

撞会向任意方向散射。这样的散射使溅射物质不　是按着与靶视线成直线到达被镀零件表面。因　

此，可以涂覆不规则和不对称的表面。当涂覆轴　

承钢球时，为　获得均匀的膜涂层，要把钢球放在　

屏蔽盘上，并在溅射过程中保持经常的运动。　理想的Ｍ０　溅射膜应在物理性能方面，满足　

与基体材料附着力强、薄膜致密、膜厚均匀、耐摩　

擦磨损和寿命长的使用要求；在化学性能方面，应　满足抗氧化、耐潮湿和储存性能好的使用要求。　

・３】・

　维普资讯 http://www.cqvip.com 《轴承》２ＯＩ）２№２　

ｔ一靶ｌ　性；２一Ｍ　一Ａｌ－韭，／ｔ　；３一厦碱电　授；４一样　；５一样－　ｌｎ韫；６一绝缘扳；１一　板；８一旋转样－　鼻；９一　气ＩＩ；１０一　诫ｆ也　；Ｉ１一射蛳电豫；１２一磁场线圈；Ｉ３一氲气＾　ＩＩ：１４一自动调雎闷　图】射频溅射仪的结精示意图　

针对应用在精密轴承中，还应满足镀膜过程中，套　

圈温升小，轴承套圈圆度、沟形精度变化小，出、外　

径及相关儿何尺寸变化小而均匀，轴承套圉硬度　

变化小，轴乐材料金相不变等具体要求。　

２影响溅射ＭｃＳ膜特性的因素　

粘附程度和生产形态的类型直接影响溅射膜　作为润滑剂的质量。溅射膜是在一个复杂的等离　

子体中生产的，因而，溅射润滑膜的质量取决于：　（１）对底材的溅射蚀刻或加偏压。（２）溅射物质的　

动能　（３）等离子体条件　（４１底材温度、化学性　质或外形。通过评价上述几个因素，ｒ解膜的性　

能，就可以确立在润滑期问有利的以及有害的效　

应　

２．１底材温度和膜的结构　

在Ｍｏ曼溅射时，底材温度的改变会引起成核　

现象和晶核生跃特征以及粒子大小的变化　温度　

效应是通过透射显微镜和衍射固确定的。有资料　报导，美国曾经研究了从液氮（一１９５　ｏｃ）到３２０　ｏＣ　

的不同底材温度对膜性能的影响。结果发现底材　温度低时所形成的膜是无定形的，而在高温时，则　

是晶体。有着无定形衍射图的膜具有良好低摩擦　性质，它与ｊｊ『５些细的结晶膜有明显不同。　

根据多年摸索的经验和设备状态，确定底材　的温度ｌ６ｏ℃为宜（镀膜工作时问３０　ｒａｉｎ），这样不　仅能获得低摩擦系数的ＭｏＳ膜，其膜厚约为０．４　

一Ｏ．７　ｔａｎ，１ｉｔ被处理零件（材料为ＧＣｒｌ５和９Ｃｒｌ８）　不需再作任何热处理，仅需作少许的跑台便可使　

用。　

另外，溅射Ｍｏｓ２膜不仅与金属底橱，而且也　

与玻璃和聚台物表面表现出强的粘附。但是，也　

・３２－　有几种例外，它对铜、银嗣＿青铜表面的粘结就很弱　而且膜易剥落　这足由于在铜上溅射Ｍ０　时，在　

形成膜的初始阶段产生ｒ许多特有的岛状物　随　

着连续不断的溅射，孤立的反应岛状物由于尺寸　的扩大而连成一体，最后，膜发生完全剥落。在银　和青铜表面上，也看到类似的效应。这种现象在　

青制保持架镀银刚耍引起足够的重视一　上述现象是由于硫和金　表面（铜或银）之间　起ｒ化学反应，应藏指出，洲射ＭｏＳ物质是处在　

高能态，非常易于化学吸附和反应。以高速撞击　底材的商能态的溅射的硫原子具有一定的活化能　

而与底材起反应。因此底材的选择对膜的形成非　

常重要　当把同样的铜、青铜和银表面进行氧化成一　

个大约为１　５ｔ３ｏ＾厚的氧化膜，然后溅射Ｍ０Ｓ２膜　

时　结果形成粘结很牢的麟一　

２．２外观的影响　当膜厚增加到超过０　５　ｆ盯ｎ时，在溅射膜的基　

体巾会形成各种异常的晶体缺陷生长特征，这些　

缺陷可能是由于种种原因引起的，最常见的表面　

外形的影响有微小划伤、表面污染和杂质以及对　

成品棱部位有利的缺陷晶膜的生长。在这些部位　

上，结晶生长比基体生长快。这样一来，结晶缺陷　

特征的扩展超过ｒ基体表面，最常见的缺陷是结　

痛类型。而所需的是屡状润滑膜，为ｒ减小溅射　

膜的有缺陷品津生长，必须保证被溅射零件的表　

面质量（足够的粗糙度加清洁的表面）。　

另纠　，这些缺陷对膜在使用中将是致命的　

因为轴承套圈在应力和应变作用下，它们容易从　

基体上掉下来留下一空穴。在小游隙的精密轴承　

中，造　缺陷易于破碎，同时产生很多磨屑，而这　

磨屑会引起滑动阻力增大，因而产生高的摩擦　

系数．进而使轴承失效。　

２　３底材偏压和膜的理想配比　

溅射Ｍ　优异的润滑性被认为是强的粘着　

造成的，牯着直接依赖于溅射蚀刻表面和高能的　

溅射物质，在低的氩气压力下．溅射材料具有足够　

的能量穿透几个原子的表面层进入底材形成过渡　

层，有助于产生强的粘着。　

在溅刺中．　般保持溅射沉积期间底材负（偏　

ｊ１／）是正常的　底材偏压有助于再溅射吸附或粘　

结很弱的材料，从而促进腆的粘着　已经确认，膜　

的摩擦系数对在Ｍｏ　溅别沉积过程中施加在底　维普资讯 http://www.cqvip.com 《轴承Ｆ２ｏｏ２．№．２　

使用环境对摩托车发动机轴承早期失效的影响　

杭州轴承试验研究中　ｔｋ，（浙江杭州　３１００２－２）　李兴林曹茂来张仰平　台州环宇轴承有限公司（浙江台州　３１８０５０）戴学利俞加欣陈振林　

摩托车发动机轴承是精密的机械基础件，客　

户对产品质量的要求越来越高，厂商提供符合标　

准、满足主机使用性能的高质量产品固然重要，但　正确使用轴承更为重要。通常滚动轴承检测是合　

格的，但装机后出现卡滞及早期止转失效。主要　

表现为转动卡滞感，滚动工作表面疲劳剥落、磨　

损、断裂，特别是保持架严重磨损、扭曲甚至断裂。　

经失效分析表明，属于轴承本身质量问题并不多．　多数是由于安装使用环境不当造成。本文就使用　

环境对摩托车发动机轴承的常见早期失效模式原　

因及对策进行分析研究以供轴承制造厂及用户在　实际应用中参考。　

１轴承沟道疲劳剥落　

１　１轴承沟道一侧剥落　轴承沟道一侧剥落如图１所示，主要表现在　轴承沟道与挡边交界处有一剥落环带。其产生原　

因主要是轴承安装不到位或运转过程中异常轴向　

过载造成的。采取对策是确保轴承安装到位或将　

自由侧轴承外圈配合改为间隙配合，以期轴向过　载时使外睡起到补偿作用。　

材上的偏压大小是十分灵敏的　摩擦系数的增大　

是由于膜的组成发生变化，这种变化是膜中硫的　

放气引起的。　因此，所有的Ｍｏｓ１溅射沉积都是在溅射蚀刻　

表面上在接地电位下进行的，在这些条件下溅射　时，当用化学技术和俄歇电子能谱分析膜组成时，　

可以看到膜保持一个很理想的配比。　２．４气氛影响　

一般米说，ＭｏＳ２的摩擦系数随着空气中水蒸　

汽分压增加而增加，气氛压力对溅射ｍｏＳ：膜摩擦　

系数有较大的影响。根据滑动摩擦试验表明，气　

氛压力在】３．３～５３．３　ｋＰａ之间摩擦系数发生ｒ连　

续的变化，５３　３　ｋＰａ以上摩擦系数稳定在大约０．　

１５，１３．３　ｋＰａ以下摩擦系数则稳定在０．０４。在干　燥的空气、氨气和氩气中也进行ｒ溅射ＭｏＳ２膜的　

摩擦试验。在这些条件下，摩擦系数是相同的，均　

为Ｏ．０４。　２．５双层溅射膜　

曾将９Ｃｒ１８不锈钢制角接触球轴承７２０４（滚　道和钢球）溅射涂覆１　０００置厚的ｃｒ、　，接着再溅　

射大约６　０００Ａ　Ｍｏ　相同型号的另＿－组轴承直　

接溅射６　０００　Ａ　Ｍｏ是　把这两组轴承在真空度为