RU2567428C1 - Protective-decorative coating of product and method for producing it (versions) - Google Patents
Protective-decorative coating of product and method for producing it (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2567428C1 RU2567428C1 RU2014119963/02A RU2014119963A RU2567428C1 RU 2567428 C1 RU2567428 C1 RU 2567428C1 RU 2014119963/02 A RU2014119963/02 A RU 2014119963/02A RU 2014119963 A RU2014119963 A RU 2014119963A RU 2567428 C1 RU2567428 C1 RU 2567428C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- gold
- inner layer
- ion
- product
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения защитно-декоративных покрытий в вакууме и может найти применение в производстве товаров народного потребления, в частности в часовом и ювелирном производстве, в производстве фурнитуры, сантехнических изделий, а также в приборостроении, в том числе для медицины.The invention relates to the field of protective and decorative coatings in a vacuum and can find application in the production of consumer goods, in particular in watch and jewelry production, in the manufacture of accessories, sanitary ware, as well as in instrumentation, including medicine.
Известно износостойкое защитно-декоративное покрытие изделия, представляющее собой слой драгоценного металла или его сплава, например слой золота или его сплава, содержащее дисперсные включения твердого соединения, например нитрида титана, равномерно распределенные по объему слоя; при получении такого покрытия указанные включения соосаждают в вакууме из паровой фазы вместе с драгоценным металлом [Заявка №2589484 Франция, МПК С23С 16/30, 1987].Known wear-resistant protective and decorative coating of the product, which is a layer of a precious metal or its alloy, for example a layer of gold or its alloy, containing dispersed inclusions of a solid compound, for example titanium nitride, uniformly distributed throughout the volume of the layer; upon receipt of such a coating, these inclusions are coprecipitated in vacuum from the vapor phase together with a precious metal [Application No. 2589484 France, IPC С23С 16/30, 1987].
Данные покрытия имеют следующие недостатки:These coatings have the following disadvantages:
а) при осаждении драгоценного металла из пара значительное его количество теряется, осаждаясь на стенках вакуумной камеры и на различных элементах, расположенных внутри камеры; б) ввиду того, что покрытие тонкое (~1 мкм), оно может продавливаться, если нанесено на мягкую подложку, и за счет этого разрушаться.a) when a precious metal is deposited from steam, a significant amount is lost, deposited on the walls of the vacuum chamber and on various elements located inside the chamber; b) due to the fact that the coating is thin (~ 1 μm), it can be pressed through if applied to a soft substrate, and thereby be destroyed.
Известно износостойкое защитно-декоративное покрытие изделия, содержащее несколько внутренних слоев, представляющих собой различные твердые фазы системы титан - азот; далее на поверхность указанных слоев нанесен слой золота или его сплава [3аявка №61-231160 Япония, МПК С23С 14/06, 14/30, G04B 37/00, 1986].Known wear-resistant protective and decorative coating of the product, containing several inner layers, representing various solid phases of the titanium-nitrogen system; then a layer of gold or its alloy is deposited on the surface of these layers [3 application No. 61-231160 Japan, IPC С23С 14/06, 14/30, G04B 37/00, 1986].
Недостатком этого покрытия является то, что хотя покрытие, в целом, является износостойким, верхний слой золота сравнительно легко стирается, так что для длительной эксплуатации изделия с данным покрытием необходимо наносить достаточно толстый слой золота или его сплава. Кроме того, имеются большие потери золота за счет его осаждения на стенках камеры и на элементах внутри нее. Это все значительно увеличивает стоимость изделия.The disadvantage of this coating is that although the coating is generally wear-resistant, the top layer of gold is relatively easy to erase, so for a long-term operation of the product with this coating it is necessary to apply a sufficiently thick layer of gold or its alloy. In addition, there are large losses of gold due to its deposition on the walls of the chamber and on the elements inside it. This all significantly increases the cost of the product.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является износостойкое защитно-декоративное покрытие на подложку из титана, содержащее следующие слои: внутренний, контактирующий с подложкой слой титана, внутренний слой золота или его сплава, верхний слой соединения титана, имеющего цвет золота, в частности оксида титана [Заявка №JP 2003105561]. Все слои наносят физическим осаждением в вакууме (PVD).The closest in technical essence and the achieved result to the proposed one is a wear-resistant protective and decorative coating on a titanium substrate containing the following layers: an inner layer of titanium in contact with the substrate, an inner layer of gold or its alloy, an upper layer of a titanium compound having a color of gold, in particular titanium oxide [Application No. JP 2003105561]. All layers are applied by physical deposition in vacuum (PVD).
Получение данных покрытий осуществляется за счет последовательного выполнения следующих операций:Obtaining these coatings is carried out by sequentially performing the following operations:
Очищенный образец помещается в рабочую камеру (РК) вакуумной установки:The purified sample is placed in the working chamber (RC) of the vacuum installation:
1. РК вакуумируется, после чего в нее напускается газообразный аргон.1. RK is evacuated, after which gaseous argon is introduced into it.
2. Методом электронно-лучевого испарения титана на образец наносится слой титана толщиной от 0,2 до 0,5 мкм.2. The method of electron beam evaporation of titanium on the sample is applied to a layer of titanium with a thickness of 0.2 to 0.5 microns.
3. Методом физического осаждением в вакууме (PVD) - электронно-лучевого испарения золота или его сплава наносится слой золота или его сплава толщиной от 0,1 до 0,2 мкм.3. By the method of physical deposition in vacuum (PVD) - electron beam evaporation of gold or its alloy, a layer of gold or its alloy is applied with a thickness of 0.1 to 0.2 microns.
4. Из РК удаляется аргон и вводится газообразный кислород.4. Argon is removed from the SC and gaseous oxygen is introduced.
5. С помощью электронно-лучевого испарения титана методом активированного реактивного осаждения наносится верхний слой оксида титана толщиной от 0,3 до 0,5 мкм, имеющего цвет золота.5. Using electron beam evaporation of titanium by the method of activated reactive deposition, an upper layer of titanium oxide is deposited with a thickness of 0.3 to 0.5 μm having a color of gold.
Такие покрытия имеют следующие недостатки:Such coatings have the following disadvantages:
1. В поверхностном слое покрытия не содержится золота или его сплава, что значительно ограничивает область применения данного покрытия, в частности оксид титана не является биосовместимым материалом и может вызывать аллергию.1. The surface layer of the coating does not contain gold or its alloy, which significantly limits the scope of this coating, in particular titanium oxide is not a biocompatible material and can cause allergies.
2. Так как твердый слой оксида титана тонкий (от 0,3 до 0,5 мкм) и нанесен на относительно мягкий металл, то этот слой может продавливаться.2. Since the solid titanium oxide layer is thin (from 0.3 to 0.5 μm) and deposited on a relatively soft metal, this layer can be pressed through.
3. Слои металлов, нанесенные методом электронно-лучевого испарения, обычно обладают недостаточной адгезией к подложке и между металлическими слоями.3. Metal layers deposited by electron beam evaporation usually have insufficient adhesion to the substrate and between the metal layers.
4. При нанесении слоя золота или его сплава имеются большие потери золота за счет его осаждения на стенках камеры и на элементах внутри нее; это значительно увеличивает стоимость изделия.4. When applying a layer of gold or its alloy there are large losses of gold due to its deposition on the walls of the chamber and on the elements inside it; This significantly increases the cost of the product.
Указанные недостатки могут быть устранены за счет нанесения предлагаемых ниже многослойных тонкопленочных защитно-декоративных покрытий с наружным слоем, содержащим драгоценный металл, характеризующихся биосовместимостью, износостойкостью к истиранию и продавливанию, высокой адгезией и умеренной стоимостью изделия с покрытием.These disadvantages can be eliminated by applying the multilayer thin-film protective and decorative coatings proposed below with an outer layer containing a precious metal, characterized by biocompatibility, wear resistance to abrasion and bursting, high adhesion and moderate cost of the coated product.
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в возможности получения покрытий, полученных нижеуказанными способами, характеризующихся биосовместимостью, износостойкостью к истиранию и продавливанию, высокой адгезией и умеренной стоимостью изделия с покрытием.The technical result achieved by the invention is the possibility of obtaining coatings obtained by the following methods, characterized by biocompatibility, wear resistance to abrasion and bursting, high adhesion and moderate cost of the coated product.
Для достижения указанного результата предложены варианты защитно-декоративных покрытий изделия и способы их выполнения.To achieve this result, options for protective and decorative coatings of the product and methods for their implementation are proposed.
По первому варианту предложен способ получения защитно-декоративного покрытия на изделии, включающий физическое PVD осаждение в вакууме адгезионного слоя на изделие, нанесение на адгезионный слой внутреннего слоя и затем выполнение наружного слоя, при этом внутренний слой наносят из нитрида титана или нитрида циркония толщиной 1-5 мкм путем PVD осаждения, а наружный слой выполняют толщиной 0,05-0,2 мкм путем имплантации ионов золота с энергией ионов 20-150 кэВ и дозой больше 5·1017 ион/см2, при этом адгезионный слой толщиной 0.2-0.3 мкм выполняют из металла или сплава на его основе, входящего в состав материала внутреннего слоя.According to the first embodiment, a method for producing a protective and decorative coating on an article is proposed, including physical PVD deposition of an adhesive layer on a product in a vacuum, applying an inner layer to an adhesive layer and then applying an outer layer, wherein the inner layer is made of titanium nitride or zirconium nitride 1- 5 μm by PVD deposition, and the outer layer is 0.05-0.2 μm thick by implanting gold ions with an ion energy of 20-150 keV and a dose of more than 5 · 10 17 ion / cm 2 , while the adhesive layer is 0.2-0.3 thick microns are made from met alla or an alloy based on it, which is part of the material of the inner layer.
Также предложено защитно-декоративное покрытие изделия, содержащее контактирующий с изделием адгезионный слой, внутренний слой и наружный слой, полученное способом по первому варианту.A protective and decorative coating of the product is also proposed, comprising an adhesive layer in contact with the product, an inner layer and an outer layer obtained by the method of the first embodiment.
В данном защитно-декоративном покрытии изделия концентрация золота в наружном слое уменьшается от предельной на его поверхности до нуля к внутреннему слою.In this protective and decorative coating of the product, the concentration of gold in the outer layer decreases from the limit on its surface to zero to the inner layer.
По второму варианту предложен способ получения защитно-декоративного покрытия на изделии, включающий физическое PVD осаждение в вакууме адгезионного слоя на изделие, нанесение на адгезионный слой внутреннего слоя и затем выполнение наружного слоя, при этом внутренний слой наносят из нитрида титана или нитрида циркония толщиной 1-5 мкм путем PVD осаждения, а наружный слой выполняют путем нанесения слоя золота толщиной 0,05-0,2 мкм и его ионного перемешивания облучением ионами золота с энергией ионов 20-150 кэВ и дозой больше 240 ион/см2, при этом адгезионный слой толщиной 0.2-0.3 мкм выполняют из металла или сплава на его основе, входящего в состав материала внутреннего слоя.According to the second embodiment, a method for producing a protective and decorative coating on an article is proposed, including physical PVD deposition of an adhesive layer on a product in a vacuum, applying an inner layer to an adhesive layer and then applying an outer layer, wherein the inner layer is made of titanium nitride or zirconium nitride 1- 5 μm by PVD deposition, and the outer layer is performed by depositing a gold layer with a thickness of 0.05-0.2 μm and ion-mixing it by irradiation with gold ions with ion energies of 20-150 keV and a dose of more than 240 ion / cm 2 , with ad An adhesive layer with a thickness of 0.2-0.3 μm is made of metal or an alloy based on it, which is part of the material of the inner layer.
Кроме того:Besides:
- слой золота наносят физическим осаждением в вакууме;- a layer of gold is applied by physical deposition in a vacuum;
- слой золота наносят путем селективного электрохимического осаждения;- a layer of gold is applied by selective electrochemical deposition;
- перед нанесением слоя золота поверхность внутреннего слоя облучают ионами золота с энергией ионов 20-150 кэВ и дозой имплантации большей 1017 ион/см2.- before applying the gold layer, the surface of the inner layer is irradiated with gold ions with an ion energy of 20-150 keV and an implantation dose greater than 10 17 ion / cm 2 .
Также предложено защитно-декоративное покрытие изделия, содержащее контактирующий с изделием адгезионный слой, внутренний слой и наружный слой, полученное способом по второму варианту.A protective and decorative coating of the product is also proposed, comprising an adhesive layer in contact with the product, an inner layer and an outer layer obtained by the method of the second embodiment.
В данном защитно-декоративном покрытии изделия концентрация золота в наружном слое уменьшается от предельной на его поверхности до нуля к внутреннему слою.In this protective and decorative coating of the product, the concentration of gold in the outer layer decreases from the limit on its surface to zero to the inner layer.
Таким образом, предложено несколько типов тонкопленочных покрытий, представляющих следующую последовательность слоев:Thus, several types of thin film coatings are proposed, representing the following sequence of layers:
- адгезионный слой толщиной 0,2-0,3 мкм, нанесенный на подложку-изделие;- an adhesive layer with a thickness of 0.2-0.3 microns deposited on the substrate-product;
- внутренний слой толщиной 1-5 мкм, который представляет собой слой твердого соединения, имитирующего цвет драгоценного металла; например для золота это нитрид титана или нитрид циркония, а также их комбинация;- the inner layer is 1-5 μm thick, which is a layer of a solid compound that mimics the color of a precious metal; for example, for gold, it is titanium nitride or zirconium nitride, as well as their combination;
- наружный слой, содержащий драгоценный металл, толщиной 0,05-0,2 мкм.- the outer layer containing a precious metal, a thickness of 0.05-0.2 microns.
Наружный слой может представлять собой поверхностный слой твердого соединения внутреннего слоя, модифицированный за счет имплантации ионами драгоценного металла; при этом концентрация драгоценного металла спадает от предельной концентрации вблизи поверхности покрытия до нуля в объеме внутреннего слоя. Предельная концентрация зависит от энергии ионов и дозы имплантации и находится в пределах 1-30 ат. %.The outer layer may be a surface layer of a solid compound of the inner layer, modified by implantation with precious metal ions; the concentration of the precious metal decreases from the limiting concentration near the surface of the coating to zero in the volume of the inner layer. The limiting concentration depends on the ion energy and the implantation dose and is in the range of 1-30 at. %
Также наружный слой может представлять собой слой драгоценного металла, атомы которого перемешаны пучком высокоэнергетических ионов драгоценного металла с атомами твердого соединения внутреннего слоя; при этом концентрация драгоценного металла спадает от примерно 100% на поверхности покрытия до нуля в объеме внутреннего слоя.Also, the outer layer may be a layer of a precious metal, the atoms of which are mixed by a beam of high-energy ions of a precious metal with atoms of a solid compound of the inner layer; while the concentration of the precious metal drops from about 100% on the surface of the coating to zero in the volume of the inner layer.
На фиг. 1 представлено покрытие с последовательным расположением его слоев согласно настоящему изобретению.In FIG. 1 shows a coating with a sequential arrangement of its layers according to the present invention.
Многослойное покрытие состоит из наружного слоя 1, содержащего драгоценный металл - золото, внутреннего слоя 2 и адгезионного слоя 3, наносимых на обрабатываемое изделие 4.The multilayer coating consists of an outer layer 1 containing a precious metal - gold, an inner layer 2 and an adhesive layer 3 applied to the workpiece 4.
Нанесение покрытия на полированную поверхность изделия (подложку) осуществляется за счет выполнения следующей последовательности операций:The coating on the polished surface of the product (substrate) is carried out by performing the following sequence of operations:
1. Очистка в ультразвуковой ванне.1. Cleaning in an ultrasonic bath.
2. Помещение в рабочую камеру (РК) вакуумной установки.2. The room in the working chamber (RC) of the vacuum installation.
3. Ионная очистка с помощью тлеющего разряда поверхности подложки внутри РК при давлении 2-3 Па.3. Ionic cleaning by glow discharge of the substrate surface inside the RC at a pressure of 2-3 Pa.
4. Осаждение PVD методом в атмосфере аргона (давление 0,2-0,3 Па).адгезионного слоя толщиной 0,2-0,3 мкм. В качестве материала адгезионного слоя выбирают металл (или сплав на его основе), входящий в состав твердого соединения внутреннего слоя, контактирующего с адгезионным слоем, например в случае нитрида титана как материала внутреннего слоя материалом адгезионного слоя выбирается титан.4. Deposition by PVD method in an argon atmosphere (pressure 0.2-0.3 Pa). An adhesive layer with a thickness of 0.2-0.3 microns. As the material of the adhesive layer, a metal (or an alloy based on it) is selected, which is part of the solid compound of the inner layer in contact with the adhesive layer, for example, in the case of titanium nitride as the material of the inner layer, titanium is selected as the material of the adhesive layer.
5. Осаждение внутреннего слоя PVD методом в атмосфере азота (давление 0,4-0,5 Па). В качестве материала внутреннего слоя выбирают твердое соединение, имитирующее цвет драгоценного металла, например для золота - это нитрид титана или нитрид циркония; толщина слоя 1-5 мкм; температура осаждения 300-500°C.5. Deposition of the inner layer by the PVD method in a nitrogen atmosphere (pressure 0.4-0.5 Pa). A solid compound imitating the color of a precious metal is chosen as the material of the inner layer, for example, for gold, it is titanium nitride or zirconium nitride; layer thickness 1-5 microns; deposition temperature 300-500 ° C.
Толщина внутреннего слоя зависит от материала подложки: чем мягче подложка, тем требуется большая толщина внутреннего слоя.The thickness of the inner layer depends on the material of the substrate: the softer the substrate, the greater the thickness of the inner layer.
6. Нанесение наружного слоя.6. Application of the outer layer.
6.1. Производят имплантацию поверхности внутреннего слоя ионами драгоценного металла с энергией ионов 20-150 кэВ и дозой имплантации большей 5·1017 ион/см2, что приводит к созданию градиентного слоя с плавным изменением концентрации драгоценного металла от нуля в объеме внутреннего слоя до предельной концентрации вблизи поверхности покрытия; предельная концентрация находится в пределах 1-30 ат. %.6.1. The surface of the inner layer is implanted with precious metal ions with an ion energy of 20-150 keV and an implantation dose greater than 5 · 10 17 ion / cm 2 , which leads to the creation of a gradient layer with a smooth change in the concentration of the precious metal from zero in the volume of the inner layer to a maximum concentration near coating surface; limit concentration is in the range of 1-30 at. %
6.2. Либо на поверхность внутреннего слоя наносят любым из известных методов слой драгоценного металла толщиной 0,05-0,2 мкм, который затем облучается ионами драгоценного металла с энергией ионов 20-150 кэВ и дозой имплантации большей 2·1017 ион/см2, что приводит к ионному перемешиванию атомов драгоценного металла с атомами внутреннего слоя и созданию градиентного слоя с плавным изменением концентрации драгоценного металла от нуля в объеме внутреннего слоя до, примерно, 100% на внешней поверхности покрытия. С целью улучшения адгезии слоя драгоценного металла к поверхности внутреннего слоя перед нанесением слоя драгоценного металла поверхность внутреннего слоя облучается ионами драгоценного металла с энергией ионов 20-150 кэВ и дозой имплантации большей 1017 ион/см2.6.2. Or, by any of the known methods, a layer of a precious metal with a thickness of 0.05-0.2 μm is applied to the surface of the inner layer, which is then irradiated with precious metal ions with an ion energy of 20-150 keV and an implantation dose greater than 2 · 10 17 ion / cm 2 , which leads to ionic mixing of the precious metal atoms with the atoms of the inner layer and the creation of a gradient layer with a smooth change in the concentration of the precious metal from zero in the volume of the inner layer to about 100% on the outer surface of the coating. In order to improve the adhesion of the precious metal layer to the surface of the inner layer before applying the precious metal layer, the surface of the inner layer is irradiated with precious metal ions with ion energies of 20-150 keV and an implantation dose greater than 10 17 ion / cm 2 .
6.2.1 Нанесение слоя драгоценного металла может осуществляться как вакуумным методом физического осаждения потоков плазмы или пара, генерируемых специальными источниками внутри РК, так и невакуумным методом вне РК, например селективным электрохимическим осаждением.6.2.1. The deposition of a layer of precious metal can be carried out both by the vacuum method of physical deposition of plasma or vapor flows generated by special sources inside the RK, and by the non-vacuum method outside the RK, for example, by selective electrochemical deposition.
Нанесение слоя драгоценного металла невакуумным методом осуществляется, например, следующим образом:The application of a layer of precious metal by a non-vacuum method is carried out, for example, as follows:
- поверхность нанесенного ранее внутреннего слоя облучается ионами драгоценного металла;- the surface of the previously deposited inner layer is irradiated with precious metal ions;
- остывание обрабатываемых изделий в РК;- cooling of processed products in the Republic of Kazakhstan;
- извлечение их из РК;- extracting them from the Republic of Kazakhstan;
- нанесение на изделия невакуумным методом (напр., с помощью электрохимической металлизации) тонкого слоя (0,05-1 мкм) драгоценного металла;- application of a thin layer (0.05-1 microns) of the precious metal to the products by a non-vacuum method (e.g., using electrochemical metallization);
- очистка изделий в ультразвуковой ванне;- cleaning products in an ultrasonic bath;
- помещение изделий в РК;- placement of products in the Republic of Kazakhstan;
- обработка изделий пучком высокоэнергетических ионов драгоценного металла.- processing products with a beam of high-energy ions of a precious metal.
7. Охлаждение изделий в РК.7. Cooling products in the Republic of Kazakhstan.
8. Извлечение изделий из РК.8. Extracting products from the Republic of Kazakhstan.
Ввиду износостойкости внутреннего слоя наружный слой золота может быть достаточно тонким и должен обеспечить (в случае когда покрытие используется в качестве защитно-декоративного) лишь золотой цвет покрытия. При этом цвет материала внутреннего слоя должен быть также золотым (нитрид титана или нитрид циркония). Для предотвращения образования карбидов и тем самым для сохранения цвета покрытия осаждение должно проводиться в вакуумной камере с безмасляной откачкой.Due to the wear resistance of the inner layer, the outer layer of gold can be quite thin and should provide (in the case when the coating is used as a protective and decorative) only the gold color of the coating. In this case, the color of the material of the inner layer should also be gold (titanium nitride or zirconium nitride). To prevent the formation of carbides and thereby preserve the color of the coating, deposition should be carried out in a vacuum chamber with oil-free pumping.
Ионная имплантация на заключительном этапе формирования покрытия обеспечивает блеск поверхности обрабатываемого изделия за счет текстурирования наружного слоя покрытия.Ion implantation at the final stage of coating formation provides shine to the surface of the workpiece by texturing the outer coating layer.
Рассмотрим преимущества и недостатки рассмотренных выше вариантов наружного слоя.Consider the advantages and disadvantages of the above options for the outer layer.
Использование наружного слоя по п. 4 формулы позволяет получить износостойкое покрытие, на поверхности которого имеется почти чистый драгоценный металл, тогда как наружный слой по п. 1 формулы обеспечивает на поверхности существенно меньшую концентрацию драгоценного металла. С другой стороны, нанесение наружного слоя по п. 4 является более сложной технологической операцией, т.к. требует дополнительной операции - нанесение слоя драгоценного металла. Это значительно увеличивает время процесса при нанесении данного слоя путем селективного электрохимического осаждения и увеличивает расход драгоценного металла при вакуумном нанесении внутри РК за счет осаждения металла на стенках РК и внутрикамерных устройствах. Использование вакуумного метода нанесения слоя драгоценного металла наиболее целесообразно при обработке больших поверхностей, тогда как использование невакуумного метода целесообразно при одновременной обработке большого числа мелких изделий.Using the outer layer according to claim 4 of the formula makes it possible to obtain a wear-resistant coating on the surface of which there is an almost pure precious metal, while the outer layer according to claim 1 provides a substantially lower concentration of the precious metal on the surface. On the other hand, applying the outer layer according to claim 4 is a more complex technological operation, because requires an additional operation - applying a layer of precious metal. This significantly increases the process time when applying this layer by selective electrochemical deposition and increases the consumption of precious metal during vacuum deposition inside the SC due to the deposition of metal on the walls of the SC and intracameral devices. The use of the vacuum method of applying a layer of precious metal is most appropriate when processing large surfaces, while the use of the non-vacuum method is advisable when simultaneously processing a large number of small items.
Износостойкость предлагаемого покрытия определяется наличием внутреннего слоя из твердого соединения: нитрида титана и/или нитрида циркония. Износостойкость данных соединений, связанная с их высокой микротвердостью, подтверждается многочисленными применениями этих соединений в качестве материала износостойких покрытий, наносимых на металлорежущий инструмент (см., напр., Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. - М.: 1993, с. 335). Наличие тонкого слоя золота фактически не изменяет микротвердость и износостойкость покрытия.The wear resistance of the proposed coating is determined by the presence of an inner layer of a solid compound: titanium nitride and / or zirconium nitride. The wear resistance of these compounds, associated with their high microhardness, is confirmed by the numerous applications of these compounds as the material of wear-resistant coatings applied to metal cutting tools (see, for example, Vereshchak A.S. Workability of cutting tools with wear-resistant coatings. - M .: 1993, p. 335). The presence of a thin layer of gold does not actually change the microhardness and wear resistance of the coating.
Биосовместимость предлагаемого покрытия также связана с использованием нитридов титана и/или циркония. Биосовместимость данных соединений подтверждается многочисленными применениями этих соединений в качестве материала покрытий на детали и изделия, имплантируемые в тело человека: имплантаты (см., например, Свидетельство на полезную модель №20450 от 25.04.2001), эндокардиальные электроды электрокардиостимуляторов (см., например, Шальдах Макс. Электрокардиотерапия. Технические аспекты электрокардиостимуляции, 1992 г., 256 с.). Золото традиционно считается биосовместимым материалом, так что наличие золота не может ухудшить биосовместимость покрытия.The biocompatibility of the proposed coating is also associated with the use of titanium and / or zirconium nitrides. The biocompatibility of these compounds is confirmed by the numerous applications of these compounds as a coating material for parts and products implanted in the human body: implants (see, for example, Utility Model Certificate No. 20450 of 04.25.2001), endocardial electrodes of pacemakers (see, for example, Shaldakh Max. Pacemaking. Technical aspects of pacemaking, 1992, 256 pp.). Gold is traditionally considered a biocompatible material, so the presence of gold cannot degrade the biocompatibility of the coating.
Высокая адгезия к подложке достигается использованием адгезионного слоя.High adhesion to the substrate is achieved using an adhesive layer.
Пример 1. Получение многослойного покрытия с наружным слоем, содержащим золотоExample 1. Obtaining a multilayer coating with an outer layer containing gold
Предварительно очищенные в ультразвуковой ванне плоские образцы из стали помещаются в рабочую камеру (РК) вакуумно-дуговой установки, оснащенной двумя электродуговыми испарителями Zr и имплантором высокоэнергетических ионов Au.Preliminarily cleaned in an ultrasonic bath, flat steel samples are placed in a working chamber (RC) of a vacuum arc unit equipped with two Zr electric arc evaporators and an Au high-energy ion implant.
Далее осуществляется следующая последовательность технологических операций:Next, the following sequence of technological operations:
1. Очистка поверхностей образцов.1. Cleaning the surfaces of the samples.
Производят в атмосфере аргона при давлении 2,6 Па тлеющим разрядом, который зажигают за счет подачи на рабочий стол напряжения смещения 1000-1200 В.It is produced in an argon atmosphere at a pressure of 2.6 Pa by a glow discharge, which is ignited by applying bias voltages of 1000-1200 V to the working table.
2. Нагрев образцов.2. Heating the samples.
Производят при работе двух испарителей, оснащенных катодами из Zr, в атмосфере аргона при давлении 0,13-0.06 Па; напряжении смещения на рабочем столе 1000-1200 В; токе дуги испарителя 90-110 А до температуры 500°C.Produced during operation of two evaporators equipped with Zr cathodes in an argon atmosphere at a pressure of 0.13-0.06 Pa; bias voltage on the desktop 1000-1200 V; the arc current of the evaporator is 90-110 A to a temperature of 500 ° C.
3. Осаждение адгезионного слоя из Zr.3. The deposition of the adhesive layer of Zr.
Производят при работе двух испарителей с катодами из Zr в атмосфере аргона при давлении 2 10-2 Па; напряжении смещения на рабочем столе 200 В; токе дуги испарителя 90 -110 А, температуре 500°C.Produced during operation of two evaporators with Zr cathodes in an argon atmosphere at a pressure of 2 10 -2 Pa; bias voltage on the desktop 200 V; arc current of the evaporator 90 -110 A, temperature 500 ° C.
Толщина слоя - 0,3 мкм.The layer thickness is 0.3 microns.
4. Осаждение внутреннего слоя4. Deposition of the inner layer
Производят при работе двух испарителей с катодами из Zr в атмосфере азота при давлении (0,4-0,5) Па, напряжении смещения на рабочем столе 200 В, температуре 500°C.When two evaporators are used with Zr cathodes in a nitrogen atmosphere at a pressure of (0.4-0.5) Pa, a bias voltage on the working table of 200 V, and a temperature of 500 ° C.
Толщина слоя - 3 мкм.Layer thickness - 3 microns.
5. Получение наружного слоя.5. Obtaining the outer layer.
Производят имплантацию ионов Au с ускоряющим напряжением 10 кВ, при токе пучка 15 мА, времени имплантации 5 мин, что соответствует дозе имплантации равной 0,7·1017 ион/см2. При этом учтено, что ионы Au характеризуются средней зарядностью равной 2, так что средняя энергия ионов равна 20 кэВ.Au ions are implanted with an accelerating voltage of 10 kV, with a beam current of 15 mA, an implantation time of 5 minutes, which corresponds to an implantation dose of 0.7 · 10 17 ion / cm 2 . It was taken into account that Au ions are characterized by an average charge of 2, so that the average ion energy is 20 keV.
6. Охлаждение изделий в РК.6. Cooling products in the Republic of Kazakhstan.
7. Извлечение изделий из РК.7. Extraction of products from the Republic of Kazakhstan.
Исследования образцов:Sample research:
1. Распределение концентрации Au по глубине от поверхности образца проводилось на фотоэлектронном спектрометре компании PHI Versa Probe II с монохроматическим сканирующим рентгеновским источником (излучение - Кα Al). Профилирование по глубине осуществлялось с помощью ионной аргоновой пушки (0,5 кВ, размер области травления -1 см2). Через каждые 10 нм снимались спектры высокого разрешения по Au. Изменение концентрации Au по глубине показано на фиг. 2, из которой следует, что максимальная концентрация Au наблюдается вблизи поверхности образца и равна 11,5 ат. %. С увеличением глубины концентрация Au монотонно уменьшается и достигает 8 ат. % на глубине 100 нм.1. The distribution of Au concentration in depth from the surface of the sample was carried out on a PHI Versa Probe II photoelectron spectrometer with a monochromatic scanning x-ray source (radiation - K α Al). Profiling in depth was carried out using an ion argon gun (0.5 kV, the size of the etching region -1 cm 2 ). High-resolution Au spectra were taken at every 10 nm. Depth change in Au concentration is shown in FIG. 2, from which it follows that the maximum concentration of Au is observed near the surface of the sample and is equal to 11.5 at. % With increasing depth, the Au concentration monotonically decreases and reaches 8 at. % at a depth of 100 nm.
2. Микротвердость Hµ покрытия определяли на микротвердомере «Polivar Met» компании «Reicher-Jung» (Австрия) при нагрузке на алмазный индентор 5-100 г не менее чем в 5-10 точках поверхности пластины с покрытием.2. The microhardness Hμ of the coating was determined on a Polivar Met microhardness meter of Reicher-Jung company (Austria) with a load on the diamond indenter of 5-100 g at no less than 5-10 points on the surface of the coated plate.
Полученное значение Нµ=17,3 ГПа превышает соответствующее значение для массивного образца ZrN (Нµ=15,2 ГПа). Это указывает на высокие прочностные свойства покрытия.The obtained value Нµ = 17.3 GPa exceeds the corresponding value for the bulk sample ZrN (Нµ = 15.2 GPa). This indicates high strength properties of the coating.
3. Для определения прочности адгезии использовали прибор для скрайбирования Scratch-Tester фирмы CSEM REVETEST.3. To determine the adhesion strength, a Scratch-Tester scribing device from CSEM REVETEST was used.
Полученное значение адгезии равно 65 Н, что указывает на высокую прочность адгезии покрытия к подложке.The obtained adhesion value is 65 N, which indicates a high adhesion strength of the coating to the substrate.
Пример 2. Получение многослойного покрытия с наружным слоем, содержащим золото.Example 2. Obtaining a multilayer coating with an outer layer containing gold.
Данный пример отличается от примера 1 только способом получения наружного слоя, так что операции 1-4 примера 1 повторяются.This example differs from example 1 only in the method of obtaining the outer layer, so that operations 1-4 of example 1 are repeated.
Получение наружного слоя осуществляется следующим образом:Obtaining the outer layer is as follows:
5.1. После нанесения внутреннего слоя из нитрида циркония толщиной 3 мкм его поверхность обрабатывается пучком ионов золота с ускоряющим напряжением 20 кВ, при токе пучка 20 мА, времени имплантации 5 мин, что соответствует дозе имплантации равной 1017 ион/см2.5.1. After applying an inner layer of zirconium nitride with a thickness of 3 μm, its surface is treated with a beam of gold ions with an accelerating voltage of 20 kV, with a beam current of 20 mA, an implantation time of 5 min, which corresponds to an implantation dose of 10 17 ion / cm 2 .
5.2. Остывание образцов в РК.5.2. Cooling samples in the Republic of Kazakhstan.
5.3. Извлечение образцов из РК.5.3. Extracting samples from the RK.
5.4. Нанесение методом селективного электрохимического осаждения слоя Au толщиной 0,05 мкм.5.4. Application by selective electrochemical deposition of an Au layer 0.05 μm thick.
5.5. Очистка образцов в ультразвуковой ванне5.5. Cleaning samples in an ultrasonic bath
5.6. Образцы помещаются в РК, камера вакуумируется.5.6. Samples are placed in the RK, the chamber is evacuated.
5.7. Очистка поверхностей образцов с помощью тлеющего разряда проводится аналогично операции 1 в примере 1.5.7. Cleaning the surfaces of the samples using a glow discharge is carried out similarly to operation 1 in example 1.
5.8. Образцы обрабатываются пучком ионов Au с ускоряющим напряжением 20 кВ, при токе пучка 20 мА, времени имплантации 15 мин, что соответствует дозе имплантации равной 2,8·1017 ион/см2.5.8. The samples are treated with an Au ion beam with an accelerating voltage of 20 kV, with a beam current of 20 mA, an implantation time of 15 min, which corresponds to an implantation dose of 2.8 · 10 17 ion / cm 2 .
Аналогично примеру 1 заключительными операциями являются охлаждение изделий в РК и извлечение изделий из РК. Исследования образцов.Analogously to example 1, the final operations are cooling products in the Republic of Kazakhstan and removing products from the Republic of Kazakhstan. Research samples.
Распределение концентрации Au по глубине проводилось описанным выше методом. Изменение концентрации Au по глубине от поверхности образца показано на фиг. 3, из которой следует, что максимальная концентрация Au наблюдается на поверхности образца и равна 100 ат. %. На границе нанесенного слоя Au и внутреннего слоя наблюдается резкое уменьшение концентрации Au, после чего наблюдается монотонное уменьшение концентрации Au с глубиной.The depth concentration of Au was carried out by the method described above. The change in Au concentration in depth from the surface of the sample is shown in FIG. 3, from which it follows that the maximum concentration of Au is observed on the surface of the sample and is equal to 100 at. % At the boundary of the deposited Au layer and the inner layer, a sharp decrease in the Au concentration is observed, after which a monotonic decrease in the Au concentration with depth is observed.
Определение микротвердости и адгезии проводились описанными выше методами. Получено: Нµ=17,2 ГПа, адгезия равна 65 Н.Microhardness and adhesion were determined using the methods described above. Received: Нµ = 17.2 GPa, adhesion is 65 N.
Использование настоящего изобретения позволяет получить износостойкое защитно-декоративное покрытие с наружным слоем, содержащим драгоценный металл (золото), имеющим цвет этого драгоценного металла; покрытие характеризуется износостойкостью к истиранию, биосовместимостью, высокой адгезией и умеренной стоимостью изделия с покрытием.Using the present invention allows to obtain a wear-resistant protective and decorative coating with an outer layer containing a precious metal (gold) having the color of this precious metal; the coating is characterized by abrasion resistance, biocompatibility, high adhesion and moderate cost of the coated product.
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014119963/02A RU2567428C1 (en) | 2014-05-19 | 2014-05-19 | Protective-decorative coating of product and method for producing it (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014119963/02A RU2567428C1 (en) | 2014-05-19 | 2014-05-19 | Protective-decorative coating of product and method for producing it (versions) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2567428C1 true RU2567428C1 (en) | 2015-11-10 |
Family
ID=54537020
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014119963/02A RU2567428C1 (en) | 2014-05-19 | 2014-05-19 | Protective-decorative coating of product and method for producing it (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2567428C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4745035A (en) * | 1985-11-04 | 1988-05-17 | Asulab S.A. | Article having a wear resisting precious metal coating |
RU2139793C1 (en) * | 1997-12-25 | 1999-10-20 | Мареичев Анатолий Васильевич | Multilayer sheet material and its version |
JP2003105561A (en) * | 2001-09-27 | 2003-04-09 | Seiko Instruments Inc | Decorative member |
RU2266351C1 (en) * | 2004-06-15 | 2005-12-20 | Калининградский государственный технический университет | Method of applying decorative titanium nitride coating for ceramic, metallic, glass, and polymeric articles |
-
2014
- 2014-05-19 RU RU2014119963/02A patent/RU2567428C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4745035A (en) * | 1985-11-04 | 1988-05-17 | Asulab S.A. | Article having a wear resisting precious metal coating |
RU2139793C1 (en) * | 1997-12-25 | 1999-10-20 | Мареичев Анатолий Васильевич | Multilayer sheet material and its version |
JP2003105561A (en) * | 2001-09-27 | 2003-04-09 | Seiko Instruments Inc | Decorative member |
RU2266351C1 (en) * | 2004-06-15 | 2005-12-20 | Калининградский государственный технический университет | Method of applying decorative titanium nitride coating for ceramic, metallic, glass, and polymeric articles |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5334264A (en) | Titanium plasma nitriding intensified by thermionic emission source | |
EP2240631B1 (en) | Antimicrobial provision of titanium and titanium alloys with silver | |
Shanaghi et al. | Structure and corrosion resistance of Ti/TiC coatings fabricated by plasma immersion ion implantation and deposition on nickel–titanium | |
Oliveira et al. | Improved properties of Ti6Al4V by means of nitrogen high temperature plasma based ion implantation | |
Ligot et al. | Tantalum-doped hydroxyapatite thin films: Synthesis and characterization | |
Ueda et al. | Improvements of plasma immersion ion implantation (PIII) and deposition (PIII&D) processing for materials surface modification | |
Mei et al. | Effect of nitrogen partial pressure on microstructure and mechanical properties of Mo-Cu-VN composite coatings deposited by HIPIMS | |
Kadlec et al. | Growth and properties of hard coatings prepared by physical vapor deposition methods | |
Roy et al. | Improvement of adhesion of DLC coating on nitinol substrate by hybrid ion beam deposition technique | |
CN103243306B (en) | Method for preparing Cu doped TiN alloy layer on surface of titanium alloy | |
RU2567428C1 (en) | Protective-decorative coating of product and method for producing it (versions) | |
Hirano et al. | Surface characteristics and cell-adhesion performance of titanium treated with direct-current gas plasma comprising nitrogen and oxygen | |
JP5720996B2 (en) | Coated member with excellent film adhesion and method for producing the same | |
CN1796594A (en) | Ion implantation process method for surface of metal material embedded to human body | |
Osman et al. | Synergistic effects of optimal negative bias-enhanced growth of quenched-produced diamond films on titanium substrates | |
CN112853281A (en) | Carbon-based multilayer film and preparation method and application thereof | |
Siddiqui et al. | Effect of deposition parameters on structural and mechanical properties of niobium nitride synthesized by plasma focus device | |
Sun et al. | Characteristics and in vitro biological assessment of (Ti, O, N)/Ti composite coating formed on NiTi shape memory alloy | |
Wolf et al. | Ion beam assisted deposition for metal finishing | |
RU2008135603A (en) | METHOD FOR PRODUCING ION-PLASMA NANO-LAYER COATING ON TURBO MACHINES OF TURBO MACHINES FROM TITANIUM ALLOYS | |
Lotkov et al. | Interaction of human endothelial cells and nickel-titanium materials modified with silicon ions | |
bin Abdullah et al. | Mechanical properties of Cr/CrN/CrCN/ZrN multilayer coatings by physical vapour deposition (PVD) | |
CN1165636C (en) | A method for surface modification of artificial organs of cardiovascular system | |
Thobor et al. | Ion bombardment: a means to improve the properties of TiN/AlN multilayered coatings | |
Pilarska et al. | The role of complementary potential in plasma nitriding processes of technical titanium |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160520 |