Палитра цветов вакуумно-плазменных
декоративных покрытий на основе титана, применяемых для художественных изделий,
изготовленных из томпака и нейзильбера.
Соколова
Марина Леонидовна,
доктор технических наук, профессор,
Барбашина
Юлия Александровна,
аспирант Московского Государственного Университета
Приборостроения и Информатики,
инженер-технолог Московского монетного
двора Гознака.
В статье предлагается технология нанесения
декоративных покрытий, получаемых на поверхности художественных изделий, изготовленных
из томпака и нейзильбера методом вакуумно-плазменного напыления с заранее
заданными параметрами цвета покрытия в соответствии с предлагаемой палитрой
согласно системе цветоизмерения RGB.
Покрытия на основе титана в силу своей
высокой твердости, коррозионной стойкости и красивого цвета находят широкое
применение в качестве декоративных покрытий, наносимых на современные художественные
изделия и бижутерию из стали, цветных сплавов,
стекла и полимеров.
На сегодняшний день наиболее
распространенными вакуумно-плазменными декоративными покрытиями на
художественные изделия из цветных сплавов являются покрытия титаном, цирконием,
нитридом титана (TiNx), нитридом циркония
(ZrNx), карбонитридом
титана (TixNyCz), карбонитридом циркония (ZrxNyCz).
Эти покрытия улучшают физико-механические
характеристики и химическую стойкость изделий и позволяют изменять цвет
поверхности. Однако, пока еще нет достаточной научной информации о том, какая
толщина пленки является оптимальной для цветопередачи декоративных покрытий, как
зависит цвет покрытия от толщины напыляемой пленки, в какой мере оказывает
влияние цвет материала подложки на цвет полученного покрытия, какие изменения
цвета покрытия могут произойти во время эксплуатации изделия. Попытка получить
ответы на эти важные для развития дизайна художественных изделий вопросы была
положена в основу изложенных ниже исследований.
Объектом исследования стала технология
вакуумно-плазменного напыления декоративных покрытий на основе титана на
цветные сплавы томпак и нейзильбер.
Для проведения опытных работ были
подготовлены образцы Ø
На образцы из томпака Л90 наносилось покрытие
титана (Ti), на образцы из нейзильбера МНЦ15-20 –
нитрид титана (TiNx). Было изготовлено 27
образцов из томпака и 27 образцов из нейзильбера (1 эталон каждого сплава без
покрытия и по 26 образцов с различной толщиной покрытия). Материалы основы и покрытия были выбраны исходя из их цветовых
особенностей. Качественно цвет этих металлических материалов можно описать
следующим образом. Томпак имеет желтый цвет, нейзильбер – белый, титан – цвет металлов
платиновой группы (бело-серый), нитрид-титана – золотистый.
Технологический процесс нанесения
декоративных покрытий на основе титана осуществляли на промышленной
автоматизированной установке УНИП-700, предназначенной для нанесения методом магнетронного
распыления вакуумных защитно-декоративных и упрочняющих покрытий. Далее
приведены технологические параметры работы установки. Давление в камере:
базовое 10-4 Па, рабочее 2х10-1 Па; сочетание
реактивных газов при напылении покрытия нитрид титана: аргон (рабочий газ) –
92%, азот – 8% (по объему). На изделия подается отрицательный потенциал 90
вольт. При напылении титана в камеру подается только аргон (100 %). На основу
наносились покрытия различной толщины от 0,2 до 2,0 мкм. Толщина задавалась
длительностью напыления.
Измерение толщин покрытий производилось на
изображениях поперечного шлифа образцов (увеличение х1000), полученных при
помощи стереомикроскопа Zeiss Axiovert 100 A.
Фотографирование образцов до и после
напыления осуществлялось зеркальной цифровой фотокамерой Canon
EOS 5D при следующих режимах съемки: рассеянное освещение галогеновой
лампой, баланс цвета по белому листу, фокусировка точечная.
Исследования на коррозионную стойкость
покрытий проводились по программе, разработанной на основе методик ускоренных
испытаний согласно ГОСТ 9.308-85 и ОСТ 42-307-10-93 в следующих средах: вода
водопроводная; вода морская (3,5% раствор NaCl); 10%
раствор NH3; 1% раствор Na2S. Продолжительность испытаний
– 1, 3, 6, 24 часа.
Для обработки экспериментальных данных
использовались программы Photoshop CS2, CorelDRAW 12, Excel 2000.
Рассмотрим результаты напыления титана и
нитрид-титана на томпак и нейзильбер соответственно. Первоначально были
проведены измерения толщины покрытий в зависимости от времени напыления. Для
всех покрытий зависимость толщины покрытия от времени нанесения была одинакова.
В таблице 1 приведена зависимость толщины покрытия от времени его нанесения.
Таблица 1.
Зависимость
толщины покрытия из титана от времени его нанесения.
|
Время нанесения, мин |
Толщина покрытия, мкм |
|
7 |
0,2 |
|
15 |
0,5 |
|
30 |
1,0 |
|
45 |
1,5 |
|
60 |
2,0 |
Для исследованных покрытий по всем опытным
заготовкам одной толщины от заготовки к заготовке изменение толщины покрытий незначительное
и составляет от 0,05 до 0,15 мкм.
На рис. 1 приведена фотография микроструктуры
образца из томпака с напылением титана.
а
Рис. 1.
Микрошлиф покрытия Ti на томпаке (х1000).
Далее рассмотрим изменение цвета образца в
зависимости от толщины покрытий.
На рис. 2 (а) приведена фотография образцов
из томпака и нейзильбера без покрытия. На рис. 2 (б) – фотография образцов из
томпака с напылением титана и образцов из нейзильбера с напылением нитрид-титана
толщиной от 0,2 до 2,0 мкм в обоих случаях.
Рис. 2
(а).
Образцы
из томпака и нейзильбера без покрытия.
Рис. 2 (б).
Образцы
из томпака с напылением титана и заготовки из нейзильбера с напылением
нитрид титана.
Из рисунка 2 видно, что
цвет образца из томпака существенно меняется с желтого на бело-серый и
нейзильбера с белого на золотистый уже при толщине покрытия в 0,2 мкм. Вместе с тем, цвет образцов с покрытиями
разной толщины тоже отличается друг от друга, хотя и не так существенно. Например,
образец из нейзильбера с покрытием нитрид-титана толщиной 0,2 мкм имеет
лимонный оттенок, а образец толщиной 2,0 мкм – насыщенно золотой. Необходимо подчеркнуть,
что даже такое небольшое изменение цвета является важным для дизайна художественных
изделий. В связи с этим далее проведем количественную оценку цвета полученных покрытий.
Оценку цвета осуществлялась с использованием цифровых изображений и их анализа
в системе RGB.
С точки зрения оценки цвета, при переводе
фотографического изображения в формат графического цветоизмерения,
различие в толщине покрытия приведет к различным показаниям цвета каждого пиксела. Каждый пиксел будет
иметь свой цветовой оттенок вне зависимости от того, какой общий цвет покрытия
мы видим на экране компьютера. Площадь поверхности каждой заготовки была
разделена на сектора, сектора пронумерованы. Фильтром в программе графического редактора был
размыт цвет для уменьшения количества отображаемых пикселов.
На основании полученных таблиц удалось высчитать
среднее арифметическое цветового значения в системе RGB каждого покрытия. На рисунке 3, 4 показаны изменения
значений RGB от толщины покрытия 0,2 мкм к толщине покрытия 2,0 мкм.
Рис. 3.
Зависимость уровня основных цветов в
системе RGB основы из нейзильбера
с покрытием
нитрид-титана толщиной от 0,2 мкм до 2,0
мкм.
Рис. 4.
Зависимость уровня основных цветов в
системе RGB основы из
томпака с покрытием титана
толщиной от 0,2 мкм до 2,0 мкм.
Данные графиков показывают, что цвет покрытия
находится в прямой зависимости от двух факторов: в первую очередь – это цвет
подложки, а во вторую – толщина напыленного слоя.
На основе полученных данных нами разработаны палитры
цветов покрытий титана на томпак и нитрид-титана на нейзильбер, которая проиллюстрирована
на рисунке 5.
Такая палитра позволяет дизайнеру заранее
планировать цвет получаемого покрытия на стадии художественного проектирования
изделия.
Рис. 5.
Палитра цветов покрытий: а – покрытия
титана на томпак; в – покрытия нитрид-титана на нейзильбер.
Важно отметить, что любое покрытие, в том
числе и полученное вакуумно-плазменным методом, попадая в агрессивные условия
эксплуатации подвержено коррозионным изменениям и разрушениям [3, 4]. Совершенно
очевидно, что художественное изделие, являясь памятником истории, за годы своей
эксплуатации может не только менять
обладателей, но и по случайным обстоятельствам попадать в среды, неблагоприятные
для качественного хранения. В процессе протекания коррозионных разрушений
покрытие изменяет цвет, растрескивается,
появляются следы точечной коррозии и т.д.
Были проведены исследования коррозионной
стойкости покрытий образцов томпака и
нейзильбера с покрытиями различной толщины в различных коррозионных
средах. Эти исследования выявили существенные
изменения поверхности. На рисунках 6, 7 видны дефекты, которые могут произойти
на изделиях из томпака с покрытием титана и нейзильбера с покрытием
нитрид-титана, если художественное изделие будет находиться длительное время в среде содержащей продукты
NH3.
Рис. 6.
Результат коррозионных процессов,
проходивших на поверхности заготовок из томпака с покрытием
чистый титан толщиной от 0,2 до 2,0 мкм
в среде с 10% раствора NH3
(а – до испытаний;
б – 0,2 мкм; в – 0,5 мкм; г – 1,0 мкм; д – 1,5 мкм; е
– 2,0 мкм).
Рис. 7.
Результат коррозионных процессов,
проходивших на поверхности заготовок из нейзильбера
с покрытием нитрид-титана толщиной от
0,2 до 2,0 мкм в среде с 10% раствора NH3
(а – до
испытаний; б – 0,2 мкм; в – 0,5 мкм; г – 1,0 мкм; д –
1,5 мкм; е – 2,0 мкм).
Рассмотрим изменения цвета изделий из томпака
с покрытием титана и нейзильбера с покрытием нитрид-титана. По методу числовой
оценки цвета, описанной ранее, были получены значения цвета в системе RGB и для образцов прошедших испытания на коррозионную стойкость. В средах:
вода водопроводная и вода морская за 24
часа испытаний изменений в цвете обнаружено не было. В растворах NH3
и Na2S произошли значительные изменения цвета покрытия уже спустя 6
часов контакта со средой (рис. 8).
Рис. 8.
Изменение уровня основных цветов в
системе RGB покрытий
нитрид-титана толщиной от 0,2 мкм
до 2,0 мкм на нейзильбер вследствие
коррозионных процессов проходящих в коррозионной среде
NH3.
На основании полученных данных была
составлена палитра изменения цвета покрытий титана на томпак и нитрид-титана на
нейзильбер в результате коррозионных процессов (рис. 9).
а)
б)
Рис. 9.
Палитра изменения цвета покрытий в
результате коррозионных процессов:
а) покрытия титана на томпак; в)
покрытия нитрид-титана на нейзильбер.
Значение палитры изменения цвета покрытий в
результате коррозионных процессов очевидно для развития дизайна художественных
изделий. Палитра поможет художнику, дизайнеру или технологу заранее
прогнозировать возможное изменение цвета покрытия в процессе эксплуатации
художественного изделия.
Выводы.
Разработаны цветовые палитры в системе цветоизмерения RGB,
позволяющие наносить покрытия на поверхность художественных изделий из томпака
и нейзильбера с заранее заданными параметрами цвета.
Так же была составлена палитра изменения
цвета покрытий художественных изделий в процессе эксплуатации.
Литература.
1.
Минайчев В.Е.
Нанесение пленок в вакууме. – М.: Высшая школа, 1989. – 108с.
2.
Головяшкин
А. Н. Вакуумные методы получения тонких пленок. – Пенза: Пенз.
Гос. Ун-та, 1999. – 103 с.
3.
Тодт Ф. Коррозия
и защита от коррозии. Коррозия металлов и сплавов. Методы зашиты от коррозии,
пер. с нем., М. Л., 1966.
4.
Плудек В. Зашита от коррозии па стадии проектирования, пер. с англ., –
М: 1980.
5.
Флеров
А.В. Материаловедение и технология художественной обработки металлов. – М.:
Высшая школа, 1981. – 288с.
Поступила в редакцию 05.06.2008
г.