способ получения защитно-декоративных покрытий в вакууме из нитрида титана на поверхности материалов и изделий

Формула изобретения

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.

Описание изобретения к патенту

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 1
Сравнение энергозатрат при получении TiN покрытия по двум способам
№ п/п	Технологические параметры	Ед. измерения	Прототип (Пат. №1760987)	По данной заявке	Эффективность разработанного способа
1	Очистка поверхности подложки	Дж	1,62·10 8	4,2·105	в 39 раз меньше
2	Нанесение покрытия	Дж	1,62·107	7,56·106	в 2 раза меньше
3	Отжиг	Дж	5·10 6	2,1·104	в 240 раз меньше

Таблица 2
Сравнение технологических параметров предлагаемого способа нанесения металлического покрытия и известных ранее (прототипов)
Технологические параметры	Ед. измерения	Аналог (Пат. №2052539)	Прототип (Пат. №1760987)	По данной заявке
Материал для покрытия		Ti	TiN	TiN
Параметры ионной бомбардировки:
Сила тока дуги	А	-	80-90	1
Напряжение тока дуги	В	-	1500	300-350
Параметры напыления:
Сила тока дуги	А	-	80-90	80-90
Напряжение тока дуги	В	-	120-150	70
Давление реакционного газа	Па	-	-	0,2-0,026
Процесс отжига:
Установка		Камерная печь	УВНД	ННВ-66
Атмосфера в установке		Воздушная	Газовая - азот	Газовая - аргон, азот
Скорость нагрева	°С	40-100	-	-
Температура	°С	200-445	500-700	150-200
Время выдержки (конденсации)	мин	5-60	60-600	5
Толщина получаемого покрытия	мкм	-	<5	4-6
Оттенок		Золотой	Золотой	Золотой

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 3
Технологические параметры конденсации при напылении специальных декоративных покрытий на изделия из керамики
№ п/п	Температура, °С	Давление реакционного газа - азота	Материал покрытия	Цвет покрытия	Характеристика покрытия
1	25	(1,5-2)·10-3	TiN	Золотой, густой, насыщенный	Однородное, плотное, без дефектов
2	150-200	(1,5-2)·10-3	TiN	Золотой	Однородное, плотное, без дефектов
3	150-200	0,5·10 -3	TiN	Золотой, бледно-желтый	Однородное, плотное, без дефектов
4	150-200	2·10-4	TiN	Золотой, бледно-желтый	Однородное, плотное, без дефектов

Таблица 4
Свойства керамических плиток с нанесенным металлическим покрытием TiN золотых оттенков.
№ п/п	Технологические параметры	Ед. измерения	Серии испытаний				Соответствие ГОСТ 27180-86
			1	2	3	4
1	Водопоглощение	%	11	11,3	19,4	7,9	соответствует
2	Прочность при изгибе	МПа	43,3	-	21,8	65,2	соответствует
3	Химическая стойкость		цвет не изменился		цвет не изменился, но появились пятна		частично соответствует
4	Твердость по шкале Мооса		7	6	6	6	соответствует
5	Термическая стойкость		цвет не изменился, трещины отсутствуют				соответствует

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.