СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАЩИТНО-ДЕКОРАТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ В ВАКУУМЕ ИЗ НИТРИДА ТИТАНА НА ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2008 года по МПК C23C14/02 C23C14/34 

Изобретение относится к области технологии нанесения тонкопленочных нитридтитановых декоративных покрытий на глазурованные керамические и полимерные материалы и изделия в вакууме способом ионно-плазменного напыления и может найти применение в производстве строительных материалов и товаров народного потребления.

Известен способ нанесения износостойких покрытий на режущий инструмент, включающий вакуумно-плазменное нанесение многослойного покрытия, где в качестве нижнего слоя наносят карбонитрид TiCN, в качестве промежуточного слоя наносят нитрид титана-циркония TiZrN, а в качестве верхнего слоя наносится нитрид титана TiN / Пат. 2219281 Российская Федерация. МПК С23С 14/00. Способ повышения стойкости режущего инструмента / Табаков В.П., Ширманов Н.А., Смирнов М.Ю., Циркин А.В.; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет, - №2002128096/02; заявл. 2002.10.18; опубл. 2003.12.20 / [1].

Недостатками данного способа являются трудоемкость и длительность процесса напыления, высокая стоимость материалов.

Известен также способ получения декоративного покрытия на поверхности стекла, керамики и других изделий путем нанесения пленки тугоплавких металлов или их сплавов, позволяющий получить покрытие золотистых оттенков / Пат. 2052539 Российская Федерация. МПК С23С 14/32, 14/00. Способ получения декоративного покрытия на поверхности материалов и изделий / Назаров Ю.Н., Кулешов М.П., Константинов В.В. [и др.]; заявитель и патентообладатель Науч. - производственная фирма «Химмет», Производственное объединение «Электромеханика». - №93027795/02; заявл. 21.05.93; опубл. 20.01.96, Бюл. №2/ [2].

Недостатками данного способа являются: наличие энергоемкого процесса термообработки изделия в печи при высоких температурах, необходимость использования в качестве основы только материалов с высокой температурой плавления и разложения, получение ограниченного количества оттенков поверхностей.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению является способ получения защитно-декоративного покрытия в вакууме из нитрида титана на изделиях из металла, стекла, керамики, включающий нагрев изделий, электродуговое напыление пленки в азотосодержащей среде, термообработку изделия до получения требуемого цветового оттенка и охлаждение / Пат. 1760987 СССР, МПК С23С 14/34. Способ получения защитно-декоративных покрытий в вакууме из нитрида титана на изделиях из металла, стекла, керамики / Кремко Е.В.; заявитель и патентообладатель Хозрасчетное науч.-производ. творческое предприятие «Витт». - №5005026/21; заявл. 01.10.91; опубл. 07.09.92, Бюл. №33 / [3]. Принят за прототип.

Недостатками данного способа являются: высокое потребление электроэнергии, необходимость поддержания высокой температуры в процессе нанесения покрытия с целью обеспечения хорошего сцепления его с основой, трудность получения заданной цветовой гаммы и повторяемости цветового оттенка на изделиях в серийном производстве, наличие длительного и также энергоемкого процесса термообработки изделия (500-700°С в течение 1-10 ч), в некоторых режимах необходимость весьма дорогой лазерной обработки.

Сущность изобретения - снижение энергозатрат и повышение качества материалов и изделий.

Технический результат - повышение физико-механических, защитно-декоративных свойств изделий и сокращение рабочего цикла нанесения покрытия.

Технический результат достигается тем, что в известном способе получения защитно-декоративных покрытий в вакууме из нитрида титана на поверхности материалов и изделий, включающий ионно-плазменное напыление на подложку катодом из тугоплавкого металла в атмосфере азотосодержащего реакционного газа и выдержку до получения требуемого цветового оттенка, особенностью является то, что подложку предварительно подвергают очистке ионной бомбардировкой в тлеющем разряде при температуре 45-50°С в атмосфере инертного газа - аргона в течение 10-15 минут, а напыление покрытия проводят при температуре ниже 200°С.

Другой особенностью данного способа является то, что в процессе ионно-плазменного напыления осуществляют регулирование цвета покрытия путем варьирования давления реакционного газа и материала катода.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Реализация заданного режима происходит в вакуумном модуле низкотемпературной очистки «Поток». Эффект энергосбережения по операциям нанесения покрытия из нитрида титана представлен в таблице 1.

Керамические плитки были подвергнуты ионно-плазменному напылению нитридом титана (таблица 2).

Были экспериментально подобраны условия ионно-плазменного напыления, обеспечивающие создание на поверхности декоративного покрытия определенного цвета и фактуры (таблица 3), в основном, путем вариации давления реакционного газа.

Таблица 1Сравнение энергозатрат при получении TiN покрытия по двум способам№ п/пТехнологические параметрыЕд. измеренияПрототип (Пат. №1760987)По данной заявкеЭффективность разработанного способа1Очистка поверхности подложкиДж1,62·10⁸4,2·10⁵в 39 раз меньше2Нанесение покрытияДж1,62·10⁷7,56·10⁶в 2 раза меньше3ОтжигДж5·10⁶2,1·10⁴в 240 раз меньше

Таблица 2Сравнение технологических параметров предлагаемого способа нанесения металлического покрытия и известных ранее (прототипов)Технологические параметрыЕд. измеренияАналог (Пат. №2052539)Прототип (Пат. №1760987)По данной заявкеМатериал для покрытия TiTiNTiNПараметры ионной бомбардировки:Сила тока дугиА-80-901Напряжение тока дугиВ-1500300-350Параметры напыления:Сила тока дугиА-80-9080-90Напряжение тока дугиВ-120-15070Давление реакционного газаПа--0,2-0,026Процесс отжига:Установка Камерная печьУВНДННВ-66Атмосфера в установке ВоздушнаяГазовая - азотГазовая - аргон, азотСкорость нагрева°С40-100--Температура°С200-445500-700150-200Время выдержки (конденсации)мин5-6060-6005Толщина получаемого покрытиямкм-<54-6Оттенок ЗолотойЗолотойЗолотой

Было проведено исследование влияния ионно-плазменного напыления глазурованной поверхности керамических плиток на их свойства.

Керамические плитки после ионно-плазменного напыления, условия которого приведены в табл.3, были испытаны по ГОСТ 27180-86 / ГОСТ 27180-86 (СТ СЭВ 4870-84). Плитки керамические. Методы испытаний / [4]. Качество плиток после испытаний определялось по ГОСТ 6141-91 / ГОСТ 6141-91 (СТ СЭВ 2047-88). Плитки керамические глазурованные для внутренней облицовки стен. Технические условия./ [5]. Всего было подвергнуто испытаниям более 100 плиток.

В результате исследования установлено следующее:

- ионно-плазменное напыление не влияет на размеры плиток;

- водопоглощение соответствует требованиям ГОСТа;

- после ионно-плазменного напыления повышается прочность на изгиб и твердость по шкале Мооса;

- термическая стойкость керамических плиток с тонкой пленкой металла практически не изменяется.

Таблица 3Технологические параметры конденсации при напылении специальных декоративных покрытий на изделия из керамики№ п/пТемпература, °СДавление реакционного газа - азотаМатериал покрытияЦвет покрытияХарактеристика покрытия125(1,5-2)·10^-3TiNЗолотой, густой, насыщенныйОднородное, плотное, без дефектов2150-200(1,5-2)·10^-3TiNЗолотойОднородное, плотное, без дефектов3150-2000,5·10^-3TiNЗолотой, бледно-желтыйОднородное, плотное, без дефектов4150-2002·10^-4TiNЗолотой, бледно-желтыйОднородное, плотное, без дефектов

Таблица 4Свойства керамических плиток с нанесенным металлическим покрытием TiN золотых оттенков.№ п/пТехнологические параметрыЕд. измеренияСерии испытанийСоответствие ГОСТ 27180-8612341Водопоглощение%1111,319,47,9соответствует2Прочность при изгибеМПа43,3-21,865,2соответствует3Химическая стойкость цвет не изменилсяцвет не изменился, но появились пятначастично соответствует4Твердость по шкале Мооса 7666соответствует5Термическая стойкость цвет не изменился, трещины отсутствуютсоответствует

Данное изобретение кроме строительной отрасли может быть использовано предприятиями авиационно-космической отрасли, атомного машиностроения, инструментального производства, в медицине, стоматологии.

Предлагаемый способ позволяет наносить декоративные покрытия золотых оттенков на материалы, применение которых возможно для оформления интерьеров общественных и административных зданий, изготовления памятных досок, церковных кровель и крестов.

Источники информации

1. Пат. 2219281 Российская Федерация, МПК С23С 14/00. Способ повышения стойкости режущего инструмента. / Табаков В.П., Ширманов Н.А., Смирнов М.Ю., Циркин А.В.; заявитель и патентообладатель Ульяновский государственный технический университет. - №2002128096/02; заявл. 2002.10.18; опубл. 2003.12.20.

2. Пат. 2052539 Российская Федерация. МПК С23С 14/32, 14/00. Способ получения декоративного покрытия на поверхности материалов и изделий. / Назаров Ю.Н., Кулешов М.П., Константинов В.В. и др.; заявитель и патентообладатель Науч.-производственная фирма «Химмет», Производственное объединение «Электромеханика». - №93027795/02; заявл. 21.05.93; опубл. 20.01.96, Бюл. №2.

3. Пат. 1760987 СССР. МПК С23С 14/34. Способ получения защитно-декоративных покрытий в вакууме из нитрида титана на изделиях из металла, стекла, керамики. / Кремко Е.В.; заявитель и патентообладатель Хозрасчетное науч.-производ. творческое предприятие «Витт». - №5005026/21; заявл. 01.10.91; опубл. 07.09.92, Бюл. №33.

4. ГОСТ Р 27180-86 Плитки керамические. Методы испытаний. - введ. 01.01.87. - М.: Изд-тво стандартов, 1986 - 14 с.: ил.

5. ГОСТ Р 6141-91 Плитки керамические глазурованные для внутренней облицовки стен. Технические условия, взамен ГОСТ 6141-82; введ. 01.07.91. - М.: Изд-тво стандартов, 1991 - 12 с.: ил.

Изобретение относится к области технологии нанесения тонкопленочных титановых и нитридтитановых декоративных покрытий на глазурованные керамические и полимерные материалы и изделия в вакууме способом ионно-плазменного напыления и может найти применение в производстве строительных материалов и товаров народного потребления. Технический результат - повышение физико-механических, защитно-декоративных свойств изделий и сокращение рабочего цикла нанесения покрытия. Осуществляют ионно-плазменное напыление на подложку катодом из тугоплавкого металла в атмосфере азотсодержащего реакционного газа и выдержку до получения требуемого цветового оттенка. Подложку предварительно подвергают очистке ионной бомбардировкой в тлеющем разряде при температуре 45-50°С в атмосфере инертного газа - аргона в течение 10-15 минут. Напыление покрытия проводят при температуре ниже 200°С. 1 з.п. ф-лы, 4 табл.

1. Способ получения защитно-декоративных покрытий в вакууме из нитрида титана на поверхности материалов и изделий, включающий ионно-плазменное напыление на подложку катодом из титана в атмосфере азотсодержащего реакционного газа и выдержку до получения требуемого цветового оттенка, отличающийся тем, что подложку предварительно подвергают очистке ионной бомбардировкой в тлеющем разряде при температуре 45-50°С в атмосфере инертного газа-аргона в течении 10-15 мин, а напыление покрытия проводят при температуре ниже 200°С.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе ионно-плазменного напыления осуществляют регулирование цвета покрытия путем варьирования давления реакционного газа и наносимого материала катода.