способ нанесения декоративного нитридтитанового покрытия на изделия из керамики, металла, стекла и полимерных материалов

Формула изобретения

Способ нанесения декоративного нитридтитанового покрытия на изделия с использованием маски, включающий распыление катода, изготовленного из титана, путем электодугового вакуумного испарения в азотосодержащей среде и ионно-плазменного осаждения покрытия на изделия, установленные на вращающейся технологической карусели, потенциал которой по отношению к катоду - ноль, отличающийся тем, что покрытие наносят на изделия из металла, или керамики, или стекла, или полимерных материалов, при этом маску изготавливают из бумаги и прикрепляют ее к изделию при помощи клеящей ленты, после установки изделий на карусель проводят ионную очистку поверхности при напряжении 3,5-4,0 кВ, вакууме (5,7-7,5) ·10^-2 Па и ионном токе 50-100 мА в течение 10-15 мин, затем осуществляют электродуговое напыление титана при вакууме 8,7·10^-2 Па в течение 90-120 с при ионном токе 90-130 А путем распыления катода, изготовленного из титана, затем при подаче азота в камеру наносят нитрид титана в течение 90-120 с, при ионном токе 90-130 А в вакууме 7,5·10^-2-1,5·10^-1 Па, который выбирают в зависимости от желаемого цвета декоративного покрытия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нанесения тонкопленочных покрытий в вакууме, в частности, к способам электродугового напыления нитридтитанового покрытия.

Известен способ формирования износостойкого покрытия на поверхности изделий из конструкционной стали (патент РФ №2131480, МПК С 23 С 14/06, 14/48, опубл. 10.06.1999 г.), включающий ионно-плазменное азотирование в среде реактивного газа-азота, очистку поверхности детали и нанесение нитрида титана из плазменной фазы. На поверхности детали образуют трехслойную структуру. Способ можно использовать для режущего инструмента, деталей машин, зубных протезов и др. Такие покрытия широко применяются с целью повышения износостойкости, коррозионной стойкости изделий, придания им декоративных свойств, в частности имитации золотого покрытия на зубных протезах.

Основными недостатками указанного способа применительно к изделиям из керамики, стекла и полимерных материалов являются высокая температура изделий при напылении (500-700°), что для многих неметаллических изделий неприемлемо, и низкая адгезия пленки нитрида титана с материалами этих изделий вследствие значительного различия их коэффициентов термического расширения.

Известен способ получения декоративных покрытий (патент РФ №2029795, кл. С 23 С 14/02, 14/32, опубл. 27.02.1995 г.), включающий размещение в вакуумной камере маски и изделия с регулируемым зазором между ними, генерацию потока напыляемого материала и осаждение покрытия на изделие в виде рисунка заданной конфигурации. Маску выбирают толщиной, обеспечивающей при размещении ее с выбранным зазором относительно изделия изменение цветовой гаммы рисунка и изменение размеров одноцветных фрагментов в рисунке покрытия. Маску изготавливают из электропроводного материала и прикладывают к ней отрицательный потенциал регулируемой величины. Или же маску изготавливают из магнитомягкого материала и изделие располагают в зоне действия магнитного поля.

Недостатком этого способа является сложность конструкции крепления и выбора материалов маски, а также ограниченность области использования. В частности, такие способы маскирования могут быть применимы только при напылении изделий пластинчатой или полой формы.

Анализ современного уровня техники и технологии в области нанесения декоративных нитридтитановых покрытий с рисунком показывает, что наиболее близким техническим решением является способ защитно-декоративного нитридтитанового покрытия керамической посуды (патент РФ №2123540, МПК С 23 С 14/02, 14/34, опубл. 03.03.1997 г.), основанный на вакуумном осаждении материала покрытия при катодном распылении в азотосодержащей среде, при котором посуду в местах нанесенного ранее рисунка покрывают предварительно маской краски плакатной гуаши ТУ 6-10-1378-79 с нанесением дополнительного декора этой же краской и нагревают до 300-400°С 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.

К основным недостаткам способа относятся

- необходимость предварительного прогрева изделий в термопечи до 300-400°С, что ограничивает номенклатуру напыляемых изделий (например, изделий из полимерных материалов), усложняет технологический процесс и увеличивает его длительность;

- трудоемкость нанесения краской гуашь индивидуальной маски на каждое изделие;

- однократное использование каждой маски;

- сложность выполнения идентичных рисунков на различных образцах одинаковых изделий;

- практическая невозможность нанесения прецизионных рисунков краской гуашь, особенно на изделиях сложной конфигурации;

- низкая вероятность стабильности адгезии при непосредственном нанесении нитридтитанового покрытия на изделие при толщине пленки до 0,5 мкм без специального нагрева в процессе напыления;

- использование для очистки поверхности напыленных изделий водных растворов с применением активного химического вещества - каустической соды.

Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения технологического процесса с одновременным повышением качества покрытий и производительности установки, а также расширение области применения способа, в частности, для изделий из полимерных материалов.

Для решения поставленной задачи предлагается на изделия, прошедшие предварительную механическую и химическую очистку, устанавливать маску с выбранным рисунком, изготовленную из бумаги (писчей, ксероксной, ватмана и др.), которую закрепляют на напыляемой поверхности с помощью отрезков клеющей ленты. После установки изделий на карусель проводят ионную очистку их поверхности при следующих режимах: напряжение 3,5-4,0 кВ, вакуум (5,7-7,5)·10^-2 Па, ионный ток 50-100 мА, в течение 10-15 минут. Затем осуществляют электродуговое напыление титана при вакууме не менее 8,7·10^-2 Па в течение 90-120 с при ионном токе 90-130 А путем распыления катода, изготовленного из титана. Затем при подаче в камеру азота наносят нитрид титана при вакууме 7,5·10^-2-1,5·10 ^-1 Па, который выбирают в зависимости от желаемого цвета декоративного покрытия, в течение 90-120 с при ионном токе 90-130 А.

При ионной очистке параметры источника установлены опытным путем. При выборе напряжения в пределах от 3,5 до 4,0 кВ и установке вакуума путем регулирования расхода технологического газа - воздуха в пределах (5,7-7,5)·10^-2 Па величина ионного тока составляет 50-100 мА. Такой режим удовлетворяет качеству очистки для керамики, стекла, металлов, полимерных материалов при времени очистки 10-15 минут. Уменьшение величины ионного тока до величин меньше 50 мА негативно сказывается на качестве очистки, увеличивая время очистки. Увеличение ионного тока ограничено технической характеристикой источника ионной очистки.

При нанесении титана при вакууме менее 8,7·10^-2 Па ухудшается адгезионная способность наносимого покрытия. Увеличение вакуума не ухудшает покрытия.

Толщина наносимой пленки нитрида титана зависит от соотношения тока испарителя и времени напыления и в диапазоне приведенных выше значений находится в пределах 0,02-0,1 мкм, что обеспечивает надежную адгезию и удовлетворяет требованиям к качеству декоративного покрытия. При времени напыления менее 90 с толщина слоя составит менее 0,02 мкм, что не обеспечивает необходимого декоративного качества, особенно для прозрачных материалов (например, стекла). При времени напыления более 120 с толщина слоя становится более 0,1 мкм, что может ухудшить адгезию нитрида титана.

Цвет покрытия зависит в основном от вакуума в камере при подаче азота в процессе напыления нитрида титана и в пределах от 7,5·10^-2 до 1,5·10^-1 Па, последовательно изменяется в порядке: серебристый, светло-золотой, золотой, темно-золотой, фиолетовый.

Зависимость цвета пленки нитридтитана от вакуума приводится в таблице.

Вакуум, Па	Время напыления, с	Цвет нитридтитанового покрытия
7,5·10-2	120	серебристый
8,7·10-2	120	светло-золотой
1,1·10-1	120	золотой
1,3·10-1	120	темно-золотой
1,5·10-1	120	фиолетовый

Специального нагрева изделий перед и в процессе напыления не предусмотрено, происходит небольшой нагрев изделий только в процессе ионной очистки и при напылении. При этом температура изделий не превышает 60-80°С, что позволяет наносить декоративные нитридтитановые покрытия на изделия, не допускающие нагрева 100°С и выше.

На прилагаемых фотографиях изображены изделия с нанесенными декоративными покрытиями:

на фиг.1 - изделие из керамики;

на фиг.2 - изделия из стекла.

Конкретный пример осуществления способа

Стеклянное изделие предварительно очищали механически и протирали бязью, смоченной в водном растворе изопропилового спирта, устанавливали маску с выбранным рисунком, изготовленным из бумаги (ватмана), которую закрепляли на напыляемой поверхности с помощью отрезков клеющей ленты («скотч») через вырезанные в маске отверстия.

Затем изделие размещали на технологической карусели, установленной внутри вакуумной камеры, оснащенной электродуговым испарителем, источником ионной очистки, вакуумной системой и системой подачи технологического газа. После закрытия и откачки камеры до вакуума 6,2·10^-2 Па включали электропривод вращения технологической карусели частотой 6·10^-1 мин и источник ионной очистки, на котором устанавливали напряжение 3,5-4,0 кВ. Посредством регулирования расхода технологического газа - воздуха поддерживали вакуум 6,2·10 ^-2 Па. При этом устанавливали ионный ток 90 мА. Время очистки продолжалось 15 мин. После чего ионный источник выключали, подача воздуха в него прекращалась, включался электродуговой испаритель, катод которого изготовлен из титана, и происходило напыление на изделие титана в течение 120 с при вакууме 3,5·10 ^-2 Па.

Затем в камеру подавался азот и происходило напыление нитрида титана также в течение 120 с при вакууме 1,1·10 ^-2 Па. Напыление титана и нитрида титана происходило при следующих параметрах дугового испарителя: ток 108 А; напряжение 22 В. По окончании напыления нитрида титана дуговой испаритель и подачу азота выключали. Вакуумную камеру открывали, изделия снимали с технологической карусели и с них снимали маски, которые, при необходимости, можно устанавливать на следующую партию изделий. Следы клеющего состава от ленты «скотч» в местах крепления маски легко смывали водой или стирали мокрой бязью. Цвет полученных изделий при таких режимах - золотой.

Приведенные параметры обеспечивают качество нитридтитанового покрытия также для металлических, керамических и полимерных материалов.

Практическая реализация предлагаемого способа осуществлена в лаборатории ионно-плазменной технологии Калининградского государственного технического университета при использовании модернизированной промышленной установки вакуумно-дугового напыления ВДН-051, изготовленной ПО «Кварц» г.Калининграда, и при выполнении ряда заказов промышленных и торговых организаций.

Технический результат использования предлагаемого способа: упрощение технологического процесса напыления; упрощения процесса изготовления, крепления и многократного использования масок со сложными рисунками при напылении нитридтитановых декоративных покрытий на изделия из металла, керамики, стекла и полимерных материалов произвольной конфигурации в широком диапазоне габаритов (десятки - сотни мм); обеспечение необходимой адгезии при низкотемпературном режиме напыления; снижение затрат на изготовление масок и повышение экономичности технологического процесса путем замены азота на воздух при ионной очистке изделий.