СПОСОБ ЗАЩИТНО-ДЕКОРАТИВНОГО НИТРИДТИТАНОВОГО ПОКРЫТИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ ПОСУДЫ Российский патент 1998 года по МПК C23C14/02 C23C14/34 

Изобретение относится к области нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме, в частности к способам электродугового напыления нитридтитанового покрытия на керамическую посуду. Известны [1] способы нанесения нитрида титана в вакууме электродуговым напылением на изделие из металла - режущий инструмент, детали машин, зубные протезы и т.д. Такие покрытия широко применяются с целью повышения износостойкости, коррозионной стойкости изделий, придания им декоративных свойств или замены золота на зубных протезах. Основным недостатком указанных способов покрытия является низкое качество изделий за счет низкой прочности сцепления покрытия с основой из стекла, фарфора или керамики.

Объясняется это тем, что материал покрытия нитрид титана, нанесенный на фарфоровую посуду, имеет коэффициент температурного расширения, значительно отличающийся от коэффициента температурного расширения фарфора. За счет этой разницы при остывании изделий возникают растягивающие температурные напряжения, что ведет к увеличению вероятности отслаивания покрытия.

Анализ современного уровня техники в области нанесения защитно-декоративных покрытий позволил выявить наиболее близкое техническое решение [2].

Способ нанесения нитрида титана на изделие из металла, стекла и керамики в вакууме, включающий нагрев изделий, электродуговое напыление пленки в азотосоджержащей среде и осаждение, а после напыления пленки проводят термообработку в камерной печи до получения требуемого цветного оттенка и высокой прочности, причем пленку нитрида титана напыляют толщиной, не превышающей 5 мкм. Напыление пленки осуществляют из сепарированного плазменного потока. Термообработку проводят в камерной печи при температуре 100 - 700^oC с последующей выдержкой 1 - 10 ч. При нанесении покрытия на фарфор и стекло используют установки УВНД производства г. Калининграда. Предварительно изделия промываются, прокаливаются и протираются спиртом, помещаются в приспособление и устанавливаются в вакуумную камеру, где происходит процесс напыления пленки нитрида титана. В процессе напыления включается поворотное устройство с частотой 15-20 мин^-1, откачка воздуха достигает давления 1,33•10^-3 Па и на держатель подается высокое напряжение, включается электродуговой испаритель и устанавливается ток дуги (80-90) А, 1500 В. Производится ионная очистка и нагрев изделий и напыление нитрида титана в среде азота.

После напыления покрытия изделие будет иметь золотистый цвет, поверхность может быть матовой или блестящей в зависимости от состояния исходного материала (сырья-эмали), которой покрыта посуда. Температура отжига для керамики 500-700^oC с выдержкой 1-10 ч. Определяется оптимальный режим экспериментально, а контролируется визуально. Цвет изменяется последовательно: золотистый, коричневый, красный, сиреневый, синий, зеленый, желтый, перламутрово-радужный.

Недостатком указанного способа является низкая адгезия пленочного покрытия с материалом фарфорового изделия при малой производительности. Объясняется это тем, что слой нитрида титана после его нанесения и охлаждения при последующем нагревании до 500-700^oC не обеспечивает протекания процессов между покрытием и основой. Только нанесение нескольких тонких слоев (менее 0,05 мкм) последовательно на фарфоровые изделия позволяет получить хорошую адгезию и предотвратить "осыпание" покрытия пленки нитрида титана. Суммарная толщина пленки при этом не должна превышать 0,5 мкм. Кроме того, предлагаемая изобретением маска из фольги не может быть применена во многих случаях для посуды из фарфора. Техническим результатом изобретения является увеличение прочности сцепления покрытия нитрида титана с керамической основой посуды при повышении производительности работ и расширении цветовой гаммы нитридтитановых покрытий с дополнительным художественным обрамлением.

Технический результат достигается за счет нанесения специалистами с художественным образованием на поверхность посуды перед нитридтитановым покрытием маски краской плакатной гуаши ТУ 6-10-1378-79 на места, где покрытие не допускается, с нанесением этой же краской дополнительного декора. Затем посуду нагревают до 300-400^oC непосредственно в металлических кассетах в камерной печи. После этого горячие кассеты с посудой помещают в вакуумно-плазменную установку модели преимущественно ВУ-2МБС, в которой в качестве материала катода используют прессованный из порошка титан, а в качестве реактивного газа - азот. Распыление катода ведут электродуговым испарением при ионно-плазменном его осаждении. Время осаждения покрытия выбирают 120-180 с, в течение которого кассеты с посудой вращают вокруг своей оси и вокруг оси плазменной установки с частотой 15-20 мин^-1 . При этом ток электрической дуги при электродуговом испарении составляет 100-110 А, давление реактивного газа (азота) 2•10^-1 Па, а потенциал подложки (кассеты) составляет ноль. После напыления кассеты с посудой охлаждают и с посуды удаляют краску плакатной гуаши теплой водой с каустической содой.

Применение низкого давления обеспечивает высокую адгезию, атомарную и экологическую чистоту. Проверки Главного Государственного врача Тульской области показали, что при условии соблюдения технологического процесса нанесения нитрида титана на изделие из фарфора, фаянса, керамики и стекла, посуда соответствует ГОСТу 19807-74, ГОСТу 28390-89 - санитарному законодательству России и безопасна для эксплуатации. Испаренные атомы титанового катода ионизируются в плазме электрической дуги. Степень ионизации достигает 80%. Поданный в камеру реактивный газ - азот также ионизируется. Под действием электронных сил ионы ускоряются в направлении посуды. Они создают слой пленки толщиной, не превышающей 0,05 мкм, что обеспечивает высокую адгезию.

Нанесенный художником плакатной гуашью декор также смывается теплой водой и обеспечивает новую композицию рисунка деколя с дополнительным декором. Новая композиция рисунка повышает эстетическое восприятие всего изделия, повышая его стоимость.

В этом случае разница коэффициентов температурного расширения фарфора и нитрида титана не приводит к отслоению покрытия. Цвет покрытия обеспечивается определенным давлением реакционного газа в вакуумной установке и временем нанесения покрытия.

Использование предлагаемого способа нанесения защитно-декоративного покрытия на основе нитрида титана обеспечит по сравнению с существующими технологиями высокое качество изделий, оригинальное художественное изображение, высокую производительность. Способ многослойного покрытия и предварительный нагрев изделий в камерной печи позволяет значительно сократить трудоемкость изготовления и расход электроэнергии.

Экологическая чистота покрытия, получаемая в результате реализации заявляемого способа, гарантирует безвредное применение покрытий для здоровья людей при эксплуатации ими посуды.

Источник информации
1. Заявка Японии N 63-72866, кл C 23 C 14/34, 02.04.88.

2. Патент СССР N 1760987, кл. C 23 C 14/34, 1992.

Способ защитно-декоративного нитридтитанового покрытия керамической посуды, основанный на вакуумном осаждении материала покрытия при катодном распылении, включает покрытие посуды в местах нанесенного ранее рисунка маской краски - плакатной гуаши ТУ 6-10-1378-79 с нанесением дополнительного декора этой же краской и нагрев до 300-400^oC непосредственно в металлических кассетах камерной печи, после чего горячие кассеты с посудой помещают в вакуумную установку преимущественно модели ВУ-2МБС, в которой в качестве материала катода используют прессованный из порошка титан, а в качестве реактивного газа - азот, при этом распыление катода ведут электродуговым испарением при ионно-плазменном его осаждении со следующими параметрами: ток электрической дуги 100-110 А, давление реактивного газа (азота) 2•10^-1Па, потенциал подложки (кассеты) составляет ноль, время осаждения покрытия 120-180 с, в течение которого кассеты с посудой вращают вокруг оси вакуумной установки с частотой 15-20 мин^-1, после чего кассеты с посудой извлекают и с посуды удаляют маску гуаши водой с использованием каустической соды. Способ позволяет повысить прочность сцепления покрытия с керамической основой, расширить цветовую гамму нитридтитановых покрытий с дополнительным художественным обрамлением.

Способ защитно-декоративного нитридтитанового покрытия керамической посуды, основанный на вакуумном осаждении материала покрытия при катодном распылении в азотсодержащей среде, отличающийся тем, что посуду в местах нанесенного ранее рисунка предварительно покрывают маской краски - плакатной гуаши ТУ 6-10-1378-79 с нанесением дополнительного декора этой же краской и нагревают до 300-400^oC непосредственно в металлических кассетах в камерной печи, после чего горячие кассеты с посудой помещают в вакуумную установку, в которой в качестве материала катода используют прессованный из порошка титан, при этом распыление катода ведут электродуговым испарением при ионно-плазменном его осаждении со следующими параметрами: ток электрической дуги 100-110 А, давление реактивного газа - азота 2•10^-1 Па, потенциал подложки кассеты составляет ноль, время осаждения покрытия 120-180 с, в течение которого кассеты с посудой вращают вокруг оси вакуумной установки частотой 15-20 мин^-1, после чего кассеты с посудой извлекают и с посуды удаляют маску гуаши водой с использованием каустической соды.