L международная выставка-презентация
научных, технических, учебно-методических и литературно-художественных изданий
СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ
| Название | СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ |
|---|---|
| Разработчик (Авторы) | Попова О.В., Марьева Е.А., Клиндухов В.Г., Сербиновский М.Ю. |
| Вид объекта патентного права | Изобретение |
| Регистрационный номер | 2496924 |
| Дата регистрации | 26.06.2012 |
| Правообладатель | Попова О.В., Марьева Е.А., Клиндухов В.Г., Сербиновский М.Ю. |
Описание изобретения
Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано для получения защитно-декоративных покрытий в промышленности, в частности для формирования тонких пленок нитрида титана на поверхностях из титана и его сплавов. Способ включает электролитическое получение тонкого слоя нитрида титана на поверхности титана, при этом формирование покрытия осуществляют методом анодной поляризации при постоянном токе в электролитах на основе полярных органических растворителей с добавлением воды в присутствии 0,1-0,5 мас.% электропроводящих добавок с барботированием азотсодержащим газом, при этом электролиз проводят при комнатной температуре электролита. Технический результат: получение тонких, плотных, равномерных слоев нитрида титана различной толщины, в том числе на деталях различной конфигурации. 8 пр.
Предлагаемое изобретение относится к области электрохимических технологий получения защитно-декоративных покрытий и может быть использовано в промышленности для модифицирования поверхности титана путем формирования слоя нитрида титана, обладающего высокой химической стойкостью, твердостью и износостойкостью, декоративными свойствами.
Известен способ получения коррозионно-стойких покрытий золотистого цвета на подложках (патент РФ №2039127, МКИ С23С 14/35, опубл. 09.07.1995.). Сущность способа состоит в нанесении методом магнетронного распыления полупрозрачной пленки из нитрида титана толщиной 1000-1200 Å и металлического слоя из алюминия толщиной 2000-4000 Å.
Существенными признаками этого способа являются: метод магнетронного нанесения слоя нитрида титана, получение полупрозрачной тонкой пленки нитрида титана, получение тонкого металлического слоя из алюминия при скорости 16-20 Å/с в течение 50-60 с в среде из аргона и азота при содержании азота в газовой смеси 6-8%.
Существенным признаком, общим с существенными признаками заявляемого способа, является получение пленок нитрида титана малой толщины (в заявляемом способе - получение тонких слоев нитрида титана).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является высокая энергоемкость и сложность процесса за счет применения вакуума, сложность контролирования процесса. Кроме того, покрытия, полученные методом магнетронного распыления отличаются повышенной шероховатостью и пористостью, поэтому требуют формирования защитных слоев большой толщины, что приводит к дополнительным затратам энергии и материалов.
Вторым аналогом заявляемого изобретения является способ нанесения защитных покрытий на металлы (патент РФ №2078857, МКИ C25D 11/02, опубл. 10.05.1997.), в частности титан, в режиме электрических разрядов. Способ включает обработку в электролите в режиме электрических разрядов при наложении чередующихся импульсов: через 1-5 положительных импульсов 1-100 отрицательных импульсов с амплитудой напряжения импульсов обеих полярностей 50-1500 В, при этом скважность подачи импульсов задают равной 2-50 при длительности импульсов 0,1-50 мс.
Существенными признаками является электролитический способ обработки, импульсный режим электролиза: через 1-5 положительных импульсов 1-100 отрицательных импульсов с амплитудой напряжения импульсов обеих полярностей 50-1500 В.
Существенным признаком, общим с существенными признаками заявляемого способа, является электролитический способ нанесения покрытий (в заявляемом способе - электролитическое формирование покрытия на титане).
Причинами, препятствующими достижению технического результата, является высокая энергоемкость процесса (напряжение при обработке достигает 1500 В) и то, что способ предназначен для формирования многослойных защитных покрытий и не позволяет формировать тонкие декоративные покрытия из нитрида титана.
Наиболее близким к заявляемому является способ плазменно-электролитического оксидирования вентильных металлов и их сплавов (патент РФ №2263163, МКИ C25D 11/02, опубл. 27.10.2005.), преимущественно алюминия и титана. Сущность способа состоит в том, что обработку титана проводят в водном электролите, содержащем тринатрийфосфат 12-водный 20-120 г/л, тетраборат натрия 10-водный 10-80 г/л, вольфрамат натрия 2-водный 1-12 г/л, при переменной анодно-катодной поляризации изделия с длительностью импульсов 0,0033-0,1 с и эффективной плотности тока 0,01-0,3 А/см2.
Способ прототипа (в отличие от второго аналога) дает возможность модифицировать поверхность титана, позволяет управлять процессом модифицирования поверхности и формировать слои равномерной толщины и структуры.
Существенными признаками данного прототипа являются:
- обработка титана в водном электролите, содержащем тринатрийфосфат 12-водный - 20-120 г/л, тетраборат натрия 10-водный - 10-80 г/л, вольфрамат натрия 2-водный - 1-12 г/л;
- электролиз при переменной анодно-катодной поляризации;
- длительность импульсов 0,0033-0,1 и эффективная плотность тока 0,01-0,3 А/см2.
Существенным признаком, общим с заявляемым способом, является обработка титана в электролите (в заявляемом способе - электролитическое формирование покрытия на титане).
Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что этот способ не позволяет получать покрытие из нитрида титана, так как предназначен для модифицирования поверхности титана путем оксидирования.
Задачей изобретения является получение тонких, плотных и равномерных слоев нитрида титана различной толщины, в том числе, на деталях сложной конфигурации; упрощение процесса формирования нитрида титана на поверхности титана и его сплавов благодаря использованию метода электролитической обработки и управлению электролитическим процессом модифицирования поверхности; значительное снижение энергоемкости процесса.
Для достижения технического результата в способе модифицирования поверхности титана и его сплавов, включающем электролитическое формирование покрытия на титане с получением тонкого слоя нитрида титана, формирование покрытия осуществляют методом анодной поляризации при постоянном токе в полярных органических растворителях, в том числе, с добавлением воды (0-20 масс.%), в присутствии 0,1-0,5 масс.% электропроводящих добавок при барботировании азотсодержащим газом, при комнатной температуре электролита.
Технический результат достигается тем, что в способе модифицирования поверхности титана и его сплавов, включающем электролитическое формирования покрытия на титане с получением тонкого слоя нитрида титана, формирование покрытия осуществляют методом анодной поляризации при постоянном токе в полярных органических растворителях, в том числе, с добавлением воды (0-20 масс.%) и в присутствии 0,1-0,5 масс.% электропроводящих добавок при барботировании азотсодержащим газом. При этом электролиз проводят при комнатной температуре электролита.
Отличительными от прототипа признаками являются: формирование слоя нитрида титана; применение метода анодной поляризации при постоянном токе; применение электролитов на основе органических растворителей, в том числе, с добавлением воды; насыщение электролита азотсодержащим газом. Указанные признаки являются существенными, так как позволяют проводить процесс на новом качественном уровне.
Модифицирование поверхности титана проводят с использованием источника постоянного тока или потенциостата. Изделие из титана или его сплава или изделие, имеющее титановое покрытие, в качестве анода погружают в электролит и проводят электролиз в гальваностатическом режиме при плотности тока i=0,1-1 мА/см2 и потенциостатическом режиме при потенциалах 1-10 В при комнатной температуре электролита в течение 10 с - 90 минут до образования определенного слоя нитрида титана на титановой поверхности. По окончании синтезов образцы промывали, сушили и исследовали визуально и на оптическом микроскопе BMG-160. Наблюдали плотные однородные слои различных оттенков от желтого до фиолетового цвета. Под микроскопом наблюдали ровную поверхность практически без шероховатостей и дефектов. Поверхность слоев устойчива к царапинам (твердость по Моосу равна 9). Для исследования химической устойчивости полученные образцы, покрытые нитридом титана, выдерживали в концентрированных и разбавленных серной, хлорной, соляной и плавиковой кислотах, в гидроксиде калия при комнатной температуре и в горячем растворе. Разрушение слоев нитрида титана наблюдалось только в плавиковой кислоте с добавлением перекиси водорода и в горячем растворе гидроксида калия, что соответствует литературным данным [Реми Г. Курс неорганической химии. Том 2. М.: Мир, 1966. - 873 с.].
Удельная электропроводность полученных слоев нитрида титана составляла от ~5 мСм/см до ~15 мСм/см.
Способ может быть применен в промышленности для формирования тонких пленок нитрида титана на титановых покрытиях узлов и деталей или конструктивных элементах непосредственно из титана или его сплавов.
Способ отличается низкой энергоемкостью и высокой экономичностью, а также экологической чистотой, так как предполагает многократное использование электролита.
Формула изобретения
Способ формирования покрытия на поверхности титана и его сплавов, включающий электролитическое получение тонкого слоя нитрида титана на поверхности титана, отличающийся тем, что формирование покрытия осуществляют методом анодной поляризации при постоянном токе в электролитах на основе полярных органических растворителей с добавлением воды в присутствии 0,1-0,5 мас.% электропроводящих добавок с барботированием азотсодержащим газом, при этом электролиз проводят при комнатной температуре электролита.
Медаль Альфреда Нобеля