Способ получения защитно-декоративных покрытий в вакууме из нитрида титана на изделиях из металла, стекла, керамики Советский патент 1992 года по МПК C23C14/34 

Изобретение относится к области нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме, в частности к способам электродугового напыления нитридтитанового покрытия на изделия из различных материалов и может быть использовано в машиностроении, строительстве и для производства товаров народного потребления.

Известны способы нанесения нитрида титана в вакууме электродуговым напылением на изделия из металла - это режущий инструмент, детали машин, зубные протезы и т.д. Такие покрытия широко применяются в СССР и за рубежом с целью повышения износостойкости, коррозионной стойкости изделий, придания им декоративных свойств или замены золота - на зубных протезах.

Известен также способ получения декоративной керамики, при котором на керамическую эмаль наносят композицию, содержащую 10-80% нитрида титана. 10- 80% стекла и остальное пигмент для окрашивания керамических материалов и

проводят обжиг при температуре более 1000°С до получения декоративного материала, имеющего золотистую окраску и металлический блеск.

Недостатками данного способа являются необходимость использования специальных добавок, вводимых в керамический материал для восстановления декоративных характеристик, и низкая прочность сцепления покрытия.

Наиболее близким решением к изобретению является способ нанесения декоративного покрытия из нитрида титана на изделия из металла, стекла и керамики, включающий нагрев изделий, электродуговое напыление пленки в азотсодержащей среде и охлаждение. В данном способе путем регулирования парциальных давлений аргона и азота можно изменять оттенок полученной пленки от красного до золотистого цвета.

Недостатком данного способа является низкое качество издэямя за счет низкой прочности сцеплена покрытия с основой.

41

о ю

Сл

Целью настоящего изобретения является увеличение прочности сцепления покрытия с основой из металла, стекла, керамики, достижение декоративности за счет расширения цветовой гаммы нитридтитановых покрытий, что приводит к повышению качества выпускаемых изделий промышленного назначения и товаров народного потребления. Поставленная цель достигается за счет проведения термообработки и нанесения нитридтитановых покрытий на изделия из металла, стекла и керамики по оптимальным режимам.

Нанесение нитридтитановых покрытий осуществляется на выпускаемых промыш- ленностью установках типа Булат (г. Сморгонь), Пуск (Москва), Мир (Харьков), УВНД (г. Калининград), ННВ (г. Новосибирск). Основные недостатки получаемых покрытий на этих установках - невысокая прочность сцепления покрытия с основой из стекла или керамики (покрытие отслаивается) и нет декоративных свойств (только один цвет - золотистый), Это объясняется наличием капельной фазы вструк- туре покрытий.

Модернизация установок заключается в том, чтобы обеспечить исчезновение капельной фазы в покрытии. Между катодом и напыляемыми изделиями устанавливается экран, улавливающий эту капельную фазу. Для обеспечения качественного нанесения покрытия необходимо обеспечить вращение изделий относительно катода. Оптимальный режим нанесенмя покрытий не является предметом изобретения и приводится в конкретных примерах осуществления изобретения.

Металлические изделия в установках данного типа нагреваются перед напылени- ем покрытий за счет пропускания электрического тока. Стекло и керамику таким образом нагреть нельзя, они не являются материалами - проводниками эл. тока. Поэтому в установках необходимо дополни- тельно разместить нагреватель, который будет изделия из керамики нагревать излучением, то же относится и к изделиям из стекла. Температуры нагрева рассчитываются приблизительно и выбираются экспе- риментально из интервала температур (0,5-0,8 Тпл.). Тонкая пленка на горячую основуложится с высокой прочностью сцепления только в том случае, если коэффициенты термического расширения нитрида титана и материала основы согласуются, но они чаще всего очень сильно различаются. Эта проблема разрешается применением последующей термообработки, в процессе которой за счет протекания диффузионных

процессов происходит изменение химического состава и микроструктуры нитридти- тановой пленки и материала основы. Происходит диффузионный процесс закрепления нитридтитановой пленки на основе и снятие температурных напряжений, возникающих в процессе нанесения покрытий, Если покрытие изделия подвергнуть отжигу сразу после напыления, то есть выдержать при температурах от 100 до 700°С в течение от 1 до 10 ч, то образуется диффузионная зона между покрытием и основой, а покрытие приобретает разные цвета в зависимости от режима нагрева и охлаждения, то есть меняет свою структуру и свойства.

Существует ряд изделий, которые необходимо защитить от износа или коррозионного воздействия в определенном месте. Тогда можно произвести напыление нит- ридтитанового покрытия с применением масок из металлической фольги, а для обеспечения высокой прочности сцепления обработку лазерным излучением с плотностью энергии в пятне фокусировки от 1 до 2 Дж/мм2 и длительностью импульса от 1 до 2-10 с. Для этих целей используются установки типа Квант-10,16,18, ЛТУ-2М и другие импульсного действия. Этим способом можно получить эффект декорирования изделий от золотистого цвета до желтого, коричневого, красновато-фиолетового и синего. Время обработки одного изделия сокращается существенно от нескольких часов до нескольких минут, то есть значительно вырастает производительность труда и качество изделий.

Автор считает, что защитно-декоративные покрытия наиболее целесообразно применять на изделиях - товарах народного потребления, качество которых зависит от уровня технологии, используемой при их производстве, Поэтому применение данного изобретения показано, главным образом, на товарах народного потребления. Изделия из металла - это ложки, вилки, ножи, тур(и и др. посуда. Изделия из стекла - это линзы, вазы, витражные стекла, стаканы, фужеры, сервизы и др. посуда. Изделия из керамики - это облицовочная плитка, сервизы из керамики и фарфора, вазы и др. посуда.

Для всех изделий, товаров народного потребления, особенно важен фактор прочности сцепления покрытия с основой, а затем цвет изделий как декоративная характеристика. Данное изобретение решает эту проблему, достигается высокое качество продукции, большое разнообразие цветовой гаммы: золотистый, сиреневый,

синий, коричневый, зеленый, голубой, радужно-перламутровый и все цвета с характерным для нитрида титана блеском на полированных поверхностях.

П р и м е р 1. Покрытие наносят на изделия из. металла (нержавеющая сталь). Установка УВНД. Изделия отполированы, промыты, просушены и протираются спиртом, помещаются в приспособление и устанавливаются з вакуумную камеру, происходит процесс напыления покрытия. Согласно разработанномутехпроцессу приспособление помещается в поворотное устройство, затем камера закрывается и происходит откачка воздуха до давления 1,33-10 Па, включается привод вращения и подается на держатель высокое напряжение, включается электродуговой испаритель и устанавливается ток дуги 80-90 А, 1500 В, производится ионная очистка и на- грев изделий бомбардировкой ионами титана в непрерывном режиме, напыление покрытия в среде азота, отключается испаритель, прекращается подача газа, снимается напряжение 120-150 В и ток 80-90 А, при которых происходило напыление нитридти- танового покрытия. Изделия охлаждаются до температуры 150-200°С в камере, а затем переносятся в камерную печь для проведения операции отжига. Визуально контролируется цвет покрытий. Если необходимо оставить цвет золотисто-желтый, то температура отжига 200°С и выдержка 2 ч, затем медленное охлаждение. Прочность сцепления и цвет получаются взаимосья- занными, а качество изделий высокое.

П р и м е р 2. Покрытие наносят на изделия из стекла (стекло может быть закаленным, прочным, светлым, прозрачным, цветным, обычным или хрустальным, тон- ким и толстым, после огранки или пескоструйной обработки). Установка УВНД. Изделия промыты, просушены и протираются спиртом, помещаются в приспособление и устанавливаются в вакуумную камеру, происходит процесс напыления покрытия, который описан выше (пример 1). После напыления покрытия изделие, в зависимости оттребований заказчика, может иметь золотистый цвет или любой из перечисленных: сиреневый, синий, зеленый, голубой, радужно-перламутровый с блеском, Температура отжига обычного стекла 250-300°С, для закаленного стекла 350 400°С, для хрустального стекла 400-450°С, выдержка приводит к тому, что меняется цвет стекла последовательно и достигается эффект просветления. После термообработки за счет протекающих процессов диффузии между покрытием и основой образуется диффузионная зона,

которая обеспечивает высокую прочность сцепления покрытия с основой. Охлаждение после отжига происходит в печи, медленно, в этом случае происходит релаксация напряжений.

П р и м е р 3. Покрытие наносят на изделия из керамики (керамическая облицовочная плитка, вазы, сервизы и посуда из фарфора). Установка УВНД. Изделия промыты, прокалены и протираются спиртом, помещаются в приспособление и устанавливаются в вакуумную камеру, происходит процесс напыления покрытия, который описан выше (пример 1). После напыления покрытия изделия в зависимости от требований заказчика могут иметь золотистый цвет, поверхность может быть матовой или блестящей в зависимости от состояния исходного материала (эмали, которой покрыта керамика). Температура отжига для керамики 500-700°С, выдержка от 1 до 10ч. Определяется оптимальный режим экспериментально, а контролируется визуально. Цвет изменяется последовательно: золотистый, коричневый, красный, сиреневый, синий, зеленый, желтый, перламутрово-ра- дужный.

Длительность операции отжига можно существенно сократить, если применять лазерную обработку.

П р и м е р 4. Покрытие наносят на керамическую плитку (пример 3). Вместо операции отжига, которая длится от 1 до 10 ч, L течение неско/1 ьких минут на установке ЛТУ-2М можно обработать изделие с разной плотностью излучения от 1 до 2 Дж/мм2 и длительностью импульса от 1 до с. Качество обработки контролируется визуально, прочность сцепления покрытия с основой и цвет изменяются в зависимости от режима обработки. Основное преимущество лазерной обработки - это локальность обработки. Можно нарисовать любой рисунок, заложенной в программу компьютера.

П р и м е р 5. Покрытие наносят на металлическое изделие (пример 1). Вместо отжига производят лазерную обработку (пример 4), но не всего изделия, а только определенной его части, которую необходимо упрочнить (режущая кромка инструмента или ножа). За счет локальной лазерной обработки обеспечивается высокая прочность сцепления покрытия с основой. Как правило, когда покрытие надо нанести частично, используют маски из металлической фольги. Покрытие в нужном месте на изделии выполняет защитную функцию от износа или коррозии. Маски из фольги можно использовать м с другой целью - декорировать изделие.

Использование предлагаемого способа нанесения защитно-декоративных покрытий на основе нитрида титана обеспечит по сравнению с существующими технологиями высокое качество изделий, которое обеспечивается высокой прочностью сцепления покрытия с основой из металла, стекла, керамики и достаточно большой гаммой цветов, получаемых после термообработки от золотистого до перламутрового. Кроме того, вследствие неприменений- специальных пигментов (как в заявке-прототипе) и стекла, обеспечит экономию этих материалов и использование по другому назначению. Низкотемпературный отжиг позволит существенно сократить расход электроэнергии при осуществлении заявляемого способа. Экологическая чистота реализации заявляемого способа является гарантией безвредного применения покрытий для здоровья людей, которые будут использовать посуду с такими покрытиями.

Формула изобретения 1. Способ получения защитно-декоративных покрытий в вакууме из нитрида титана на изделиях из металла, стекла, керамики, включающий нагрев изделий, электродуговое напыление пленки в азотсодержащей среде и охлаждение, отличающ и и с я тем, что после напыления пленки проводят термообработку изделия до получения требуемого цветового оттенка и ssj- сокой прочности, причем пленку нитрида титана напыляют толщиной, не превышающей 5 мкм.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что напыление пленки осуществляют из сепарированного плазменного потока.

3.Способ по п. 1,отличающийся тем, что термообработку проводят в камерной печи при 100-700°С с последующей выдержкой 1-10 ч.

4.Способ по п.1, отличающийся тем, что термообработку проводят с помощью лазерного излучения с плотностью энергии в пятне фокусировки Дж/мм2 и длительности импульса с,

5.Способ по п.1,отличающийся тем, что напыление пленки осуществляют

через маску.

Использование: в машиностроении, строительстве и для производства товароз народного потребления. Сущность изобретения: увеличение прочности сцепления покрытия с основой из металла, стекла, керамики, расширение цветовой гаммы нит- ридтитановых покрытий и повышение качества выпускаемых изделий достигается за счет термообработки в печи или лазерном излучением после напыления покрытия толщиной не более 5 мкм. 4 з.п. ф-лы.