|
Защитные покрытия для стеклянных,
металлических и керамических поверхностей Введение
В последние 20-25 лет специалисты-материаловеды начали более отчетливо
осознавать ту особую роль, которую играет свободная поверхность и границы
раздела в материалах в комплексе его служебных свойств. Практическое
использование этого обстоятельства позволило
разработать способы модификации
поверхности материалов, и среди них наиболее эффективный- нанесение
тонкопленочных 0,01-50 мкм покрытий из различных материалов с заданными
структурой и физико-механическими и химическими свойствами. При помощи таких покрытий можно
существенным образом изменить механические, оптические, электрические,
магнитные, тепловые и химические свойства исходного материала, получая
изделия с требуемыми (например, антикоррозионными,
износостойкими и др.) свойствами . В этом
направлениии нами накоплен определенный опыт исследований и разработок. Технологическая концепция В основу нашей концепции положено
применение высокоскоростных и эффективных методов нанесения покрытий, таких
как : ионно-плазменный магнетронный,
ионно-плазменный вакуумно-дуговой, ионная имплантация, ионное травление и др.;
а также совмещенных методов, например: магнетронный +вакуумно-дуговой, магнетронный +
ионная имплантация, вакуумно-дуговой +
ионная имплантация, электронно-лучевой +электронно-плазменный
и т.п. Эти методы наиболее универсальны и технологичны, с их помощью можно
наносить практически любые материалы :
металлы, сплавы, химические соединения, композиты; получать пленки с
ультрадисперсной структурой аморфного и аморфноподобного типов; наносить
покрытия на изделия из практически любых материалов: металлов, сплавов,
керамики, пластмасс, стекла, углерода и углепластиков и т.д. Оборудование для нанесения покрытий
Для эффективного распыления
материалов и их нанесения на рабочие поверхности изделий в настоящее время
разработаны основные конструктивные схемы ионно-плазменных распылительных
систем: плазматроны магнетронного и вакуумно-дугового типов, применяемые либо
отдельно, либо в совмещенном варианте, в том числе совместно с устройствами
ионной обработки и травления поверхности . С
их помощью осуществляется нанесение покрытий как на внешние поверхности
изделий, так и на внутренние поверхности, например, труб, втулок, гильз и
других полостных изделий с внутренним диаметром от 300-1500 мм и выше и длиной от нескольких миллиметров до 10-12 метров. Конструктивные особенности
этих распылительных систем в том, что они позволяют распылять металлы и
сплавы при удельной плотности мощности в зоне распыления мишени
до 500-800 Вт/см2 ; химические соединения (карбиды, нитриды,
силициды и др.) от 70 до 500 Вт/см2.
Для широкого
использования простых, и универсальных распылительных систем, была
разработана концепция катода-мишени (таргета), особенно для получения
покрытий из сложных сплавов, химических соединений и композитов. Учитывая
особенности ионно-плазменных процессов распыления (перенос материала таргета
в покрытие без существенного изменения состава) в основу концепции было
положено использование катодов-мишеней из материала с заданным составом. Для
изготовления таргетов, например, карбидов тугоплавких металлов, используются
как методы обычной металлургии, так и методы порошковой металлургии, в т.ч.
химического восстановления, горячего прессования и спекания с использованием
"ноу-хау" при приготовлении порошков и их горячем компактировании.
На этом же принципе разработан новый класс материалов типа металл-углерод,
позволяющий получать в покрытии такие составы, как : металл-углерод, металл-карбид-углерод, металл-карбид, карбид,
карбид-углерод и др. Использование таргетов из данных материалов существенно упрощает
процесс и позволяет получать покрытия различного функционального назначения,
отвечающие самым высоким требованиям по составу, химической чистоте,
однородности структуры и специфическим физико-механическим и химическим
свойствам. Технология и типы покрытий
На основе этих разработок в
настоящее время уже созданы, не имеющие зарубежных аналогов, высокоскоростные
экспериментальные системы нанесения покрытий, позволяющие наносить покрытия
из следующих материалов: * магнитных, таких как
никель, кобальт, армкожелезо, сплавы на их основе, РЗМ; * химических соединений
тугоплавких металлов с азотом, углеродом, бором, кремнием, серой; * композитов на основе
металл-углерод; * псевдосплавов типа молибден-медь,
вольфрам-медь, вольфрам-олово, вольфрам-свинец и др.; *интерметаллидов, например,
никель-алюминий, никель-магний, титан-медь ; *оксидов, в том числе, сложных, так
называемых шпинелей и др. Используя описанные выше методы
нанесения покрытий разработаны методологические основы создания нового класса
материалов на основе атомарно-кластерного перемешивания. Результатом этого стало возможным
получение новых композиционных материалов ,например,
на основе металл-металл (Ме-Ме), металл-углерод (Ме-С), металл-углерод-азот
(Ме-С-М) и некоторые другие. Общим для всех этих материалов является
гомогенное перемешивание на атомарном уровне и аморфная структура, причем ряд
материалов (Ме-С, Me-C-N)
сохраняет аморфную структуру до температур
1000-1200°С. Обычными металлургическими методами и методами порошковой
металлургии эти материалы либо практически нельзя получить, либо для этого необходимы очень большие и дорогостоящие
ухищрения. Например, известно, что все карбиды тугоплавких металлов IV-VI групп
таблицы Менделеева окисляются при температуре нагрева около 300°С. Нами
получены карбиды, в частности, хрома и молибдена, которые не подвержены
окислению в токе чистого кислорода до 800-1000°С. Металлические покрытия
Металлические покрытия из металлов
и сплавов имеют широкую область применения и в зависимости от заданных
условий эксплуатации, могут быть, например: упрочняющими, коррозионно- и
эрозионностойкими, износостойкими, тепло- и светоотражающими, селективными,
пористыми, с аномально низким коэффициентом трения (<0,05) и др.
Технологии позволяют наносить за один технологический цикл многослойные ( с заданными параметрами слоев) покрытия Износостойкие покрытия
Наряду с традиционными покрытиями
из нитрида титана, циркония и их карбонитридов разработаны также технологии
применительно: *к режущему инструменту-
для создания твердого барьера с аномально низким коэффициентом трения и
уровнем внутренних напряжений 200-400
кГ/мм2 при обработке труднообрабатываемых материалов, где в
процессе резания поверхности в месте контакта детали с резцом имеют
температуру 1100-1250°С (стойкость, например, резцов из твердого сплава с
покрытием при обработке нержавеющей стали и сплавов, содержащих никель и
титан, повышалась в 7-10 раз). *к формообрабатывающему инструменту - для создания твердого барьера с аномально низким
коэффициентом трения, препятствующего прилипанию обрабатываемого материала,
например, пластичного никеля, меди, ниобия, ванадия, тантала к материалу инструмента;
стойкость инструмента при прокатке и волочении этих материалов повышалась в 5-10 раз. Трибологические
покрытия Покрытия на основе металл углерод
в силу своих уникальных особенностей позволяют применять их для пар трения (механизмы
скольжения и частично качения)- аномально низкий коэффициент статического и
динамического трения (<0,05); хорошо показали себя в экспериментальных
испытаниях в центрифугах (18000
об/мин), установках для сжижения газов (турбодетандеры со скоростью вращения 120000-360000 об/мин) в качестве подпятников
в аэростатических опорах при остановках ротора, в шаровых подвесках
двигателей коррекции, в качестве антисхватывающего барьера в нагруженных
винтовых парах и др. Функциональные покрытия
Из функциональных покрытий в
качестве примера можно привести: *нанесение металлических
токопроводящих покрытий на керамические корпуса, теплоотводы и окна из
оксидов алюминия, бериллия, нитрида алюминия и др; *нанесение регулирующих пористость коррозионностойких покрытий на фильтры для очистки газов от вредных примесей (аэрозоли и механические примеси) и фильтры разделения газов с целью утилизации токсических отходов ( в том числе сероводорода и окиси азота). Декоративные
покрытия
В качестве декоративных
покрытий на изделиях из металла, стекла, керамики и пластмассы традиционно
используются прежде всего золото, серебро, платина и для широкого потребления
бронза, латунь, алюминий. В последнее время в качестве заменителей драгоценных
металлов стали использовать нитриды титана, циркония. Особое применение нашел класс
тонкопленочных покрытий на основе оксидов и оксикарбидов металлов IV-VIА групп,
алюминия, железа, кобальта, никеля. Для этих целей разработана технология,
отличительной особенностью которой является то, , что тонкоплёночные покрытия из оксидов
получают без использования чистого кислорода (взрывоопасный при применении
паромасляных вакуумных насосов) и ВЧ-процесса распыления оксидов. Используя
обычное распыление металлических материалов на постоянном токе и специальные
газовые смеси, инертные по отношению
к маслу, удаётся устойчиво получать прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные
тонкопленочные оксидные покрытия на поверхности изделий из
различных материалов, в том числе, и из стекла и керамики. Технология
универсальна и позволяет за один рабочий цикл получать как однослойные, так и
многослойные покрытия переменного состава. Типы покрытий Данная
технология позволяет получать оксидные покрытия следующего типа: *прозрачные чистые с показателем преломления 2.1 - 2.3; * прозрачные слабоокрашенные типа "люстр" с
широкой цветовой гаммой оттенков,
например, серебристый, золотистый, голубоватый, синеватый, рубиновый,
зеленоватый, золотисто-коричневый и т.д.; * полупрозрачные окрашенные, например, фиолетовые, голубые,
синие, зелёные, жёлтые,
коричневые, чёрные и др. *непрозрачные с ярко выраженным цветом, например, фиолетовый, синий, изумрудно-зелёный, сиреневый и др. Физико-химические
и механические характеристики покрытий: *
Химический состав близок к стехиометрии. *Пористость
покрытия на уровне 95-98% от
теоретической. *
Электрические характеристики близки к уровню чистых оксидов или шпинелей в случае распыления сложных сплавов. *
Химическая стойкость на уровне
стойкости чистых оксидов
или шпинелей. *
Механические свойства тонких оксидных плёнок значительно выше, чем массивных изделий из оксидов,
например, тонкоплёночное оксидное покрытие из оксида кремния
повышает прочность стекловолокна из оксида кремния диаметром 100 мкм на
15-20%. * Твёрдость HV ( Гн/кв.м при комнатной
температуре) на уровне
твёрдости чистых оксидов или шпинелей ( например, двуокиси
циркония) и составляет порядка 7,9 - 8,0. *Адгезия к
основе на уровне прочности основного материала на растяжение.
Оксидное покрытие хорошо
согласуется с оксидной
осно вой, например, стеклом, керамикой, стеклоэмалевым и глазурованным слоем на керамике. *Сопротивление износу на уровне
износа высокопрочных электроэма левых покрытий. Повышает стойкость силикатных стёкол к
пылевой эрозии в 2 - 3 раза. Области, применения
Рассматривается широкая область
использования оксидных покрытийВ
настоящее время проверены и практически используются оксидные покрытия в
следующих направлениях: * художественная
отделка посуды из силикатного
стекла, хрусталя, фарфора, фаянса -
это цветная тонировка, придание
блеска и высокой светоотражающей и лучепреломляющей
способности; * художественная отделка облицовочной строительной плитки - это цветное окрашивание поверхности в
требуемый цвет, придание блеска и высокоотражающей способности; * художественная отделка поверхности бижутерии и пуговиц из
стекла и керамики, металлической фурнитуры для одежды, обуви и аксессуаров. Другие
области применения, которые требуют создания специализированного
оборудования для крупнотонажного производства: * тонирование
оконного и витринного
стекла для гражданского и промышленного строительства. Применение
оксидных покрытий для этих целей значительно удешевляет и упрощает процесс
нанесения свето- и теп-лоотражающего
слоя и, по сравнению с существующими техпроцессами нанесения многослойных покрытий на основе
металлов, повышают срок службы
тонированного стекла и расширяют цветовую гамму его окраски ; * тонирование строительного профиля из пластмасс и
стеклопластиков, используемых для
изготовления оконных и дверных переплётов (каркасов) , облицовочных панелей. Покрытие соответствующей цветовой гаммы
имитирует цвет дерева различных пород светлых и тёмных т |
|
|