[发明专利]一种金属材料表面改性层的制造方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属材料表面改性层的制造，特别是一种采用离子注入方法以WS₂为固体润滑材料的金属材料表面改性层的制造方法及装置。

背景技术

二硫化钨(WS₂)固体润滑材料的改性层制备方法和工艺研究是目前国际上固体润滑领域的主要研究方向之一。二硫化钨具有很低的摩擦系数，较高的抗极压性能，其抗氧化性能比现有固体润滑材料MoS₂好，因此适用于高温、高压、高真空、高负荷、高转速、高辐射、强腐蚀、超低温等苛刻条件下零件的润滑。美国率先将二硫化钨应用到航天飞机、战斗机、军用机械链条传动等军事领域，同时还将其应用在计算机硬盘驱动轴承，超高真空系统中的转动、滑动部件上。现有技术主要是利用磁控溅射技术在材料表面制备一定厚度的二硫化钨膜，研究方向则主要集中在薄膜制备和降低薄膜在空气中的摩擦系数上。由于二硫化钨膜层是类似石墨的层片状结构、硬度低、滑动过程中易转移或磨损，不能完全满足一些特种精密仪器润滑的使用需求，比如在航天精密仪表领域需要纯净无污染的固体润滑，不允许有膜层脱落；在高温高压真空环境使用的轴承上，也不允许有膜层剥落，否则剥落的碎屑附着在高压件上易出现高压打火造成设备不稳或零件损伤。因此，如何制备出既具有良好润滑性能，又不会发生表面剥落的二硫化钨改性层成为目前亟待解决的问题。

离子注入技术是近年来发展形成的一种金属材料表面改性方法，其原理为利用强电场将需要注入的离子加速，将高速离子束轰击靶室中的工件表面，使离子注入到工件材料中，产生大量高密度位错、空位，同时还可使表面非晶化，起到改善材料表面性能的作用。由于传统镀膜是在工件材料表面沉积膜层，而离子注入层是由工件材料本身受离子注入改性而形成的，因此注入层与基体之间不存在界面分层和结合力问题。因此采用离子注入技术在金属材料上制备具有二硫化钨固体润滑功能的改性层成为解决固体润滑转移膜脱落问题的发展方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中固体润滑转移膜脱落的问题，提供一种采用离子注入技术，以WS₂为固体润滑材料的金属材料表面改性层的制造方法及其装置，该金属材料表面改性层具有固体润滑功能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种金属材料表面改性层的制造方法，其中，采用离子注入方法以WS₂为靶材对金属材料进行表面改性，包括如下步骤：

S100、金属材料的预处理，对待加工的金属材料进行预处理，去除附着在所述金属材料表面的油脂、锈点和杂质；

S200、生成表面改性层，采用离子注入方法以WS₂为靶材生成金属材料表面改性层。

上述的金属材料表面改性层的制造方法，其中，所述步骤S200包括：将所述金属材料放入真空室内，所述真空室与MEVVA离子源连接，将所述真空室抽真空至1.0×10^-4Pa～5.0×10^-4Pa，所述MEVVA离子源以WS₂为靶材对所述金属材料进行表面改性，以在所述金属材料的表面生成表面改性层，其中，所述MEVVA离子源的离子注入能量为50keV～120keV，所述MEVVA离子源的离子注入总剂量为1.0×10¹⁷ions/cm²～5×10¹⁷ions/cm²；

上述的金属材料表面改性层的制造方法，其中，在步骤S200之后，还包括：S300、金属材料的封存，将表面生成表面改性层后的所述金属材料放入丙酮溶液中清洗5～10分钟后烘干，并将烘干后的所述金属材料真空密封封存。

上述的金属材料表面改性层的制造方法，其中，所述离子源采用99％的WS₂阴极进行离子注入。

上述的金属材料表面改性层的制造方法，其中，所述金属材料由表面向内依次形成非晶、微晶及合金相结构。

上述的金属材料表面改性层的制造方法，其中，所述步骤S100包括：

S101、去除所述金属材料的表面油脂，用金属除脂溶剂去除该金属材料的表面油脂后，将该金属材料放入无污染的四氯乙烯溶剂中浸泡20～30分钟，取出后用宣纸吸净残留的四氯乙烯溶剂，再用脱脂棉擦拭该金属材料的表面，最后用干净的绸布擦拭。

上述的金属材料表面改性层的制造方法，其中，所述步骤S100还包括：