PL243740B1

PL243740B1 - Powłoka z fazy S, zwłaszcza do podłoży stalowych i sposób otrzymywania powłoki z fazy S, zwłaszcza do podłoży stalowych

Info

Publication number: PL243740B1
Application number: PL431118A
Authority: PL
Inventors: Jolanta Baranowska; Sebastian Fryska; Justyna Słowik
Original assignee: Univ West Pomeranian Szczecin Tech
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2023-10-09
Also published as: PL431118A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest powłoka z fazy S, zwłaszcza do podłoży stalowych, zawierająca żelazo, nikiel, chrom, azot, otrzymana metodą reaktywnego rozpylania magnetronowego, z użyciem stali austenitycznej rozpylanej w atmosferze mieszaniny argonu i azotu zawierająca od 10 do 40% masowych miedzi oraz od 2 do 15% masowych azotu. Przedmiotem, niniejszego zgłoszenia jest także sposób otrzymania powłoki z fazy S, zwłaszcza do podłoży stalowych, otrzymana metodą reaktywnego rozpylania magnetronowego, z użyciem stali austenitycznej rozpylanej w atmosferze mieszaniny argonu i azotu charakteryzujący się tym, że w atmosferze mieszaniny argonu i azotu rozpyla się miedź, przy czym stosuje się prąd wytworzony na źródle z miedzi z natężeniem wynoszącym od 60 mA do 500 mA, uzyskując powłokę z fazy S zawierającą się od 10 do 40% masowych miedzi oraz od 2 do 15% masowych azotu.

Description

Przedmiotem wynalazku jest powłoka z fazy S, osadzona na podłożu stalowym i sposób otrzymania powłoki z fazy S, osadzonej na podłożu stalowym. Powłoka ma właściwości antybakteryjne i przeznaczona jest do pokrywania wyrobów, na powierzchni których w łatwy sposób mogą rozwijać się drobnoustroje i może być to groźne dla zdrowia ludzi, tak jak urządzenia medyczne, powierzchnie dotykowe (klamki, poręcze), zlewy, elementy instalacji hydraulicznych oraz elementy układów wentylacyjnych zwłaszcza w placówkach medycznych i miejscach użyteczności publicznej.

Wyżej wymienione wyroby często są wykonywane ze stali austenitycznej, która przy szeregu zalet jak odporność na korozję czy estetyczny metaliczny wygląd, nie posiada właściwości biobójczych, a dodatkowo na jej powierzchni w łatwy sposób powstają zarysowania, które stanowią miejsca sprzyjające rozwojowi biofilmu.

Istnieją liczne rozwiązania dotyczące modyfikacji powierzchni stali austenitycznej w celu ograniczenia na jej powierzchni rozwoju drobnoustrojów. W rozprawie doktorskiej Dong Y.; Towards multifunctional stainless steel surface: plasma surface alloying with N, Ag and Cu; The University of Birmingham; 2011 opisano stopowanie powierzchni stali austenitycznej azotem, srebrem oraz miedzią z użyciem plazmy. Wskutek stopowania powierzchni powstaje gradientowa warstwa integralna z podłożem. Z opisu patentowego JPH0849085, znany jest sposób wykonania powłoki z metali lub stopów takich jak chrom, tytan, nikiel, żelazo oraz stal austenityczna z dodatkiem srebra i miedzi, które są metalami antybakteryjnymi. Jedną z metod wytwarzania powłok jest rozpylanie kilku źródeł wykonanych z różnych materiałów celem uzyskania antybakteryjnej powłoki, w której składzie znajdować się będą wszystkie rozpylane pierwiastki. Z publikacji P. A. Dearnley, “Corrosion wear response of S phase coated 316L,” Surf. Eng., vol. 18, no. 6, pp. 429-432, 2003.; J. Baranowska, S. Fryska, J. Przekop, and T. Suszko, “The properties of hard coating composed of S-phase obtained by PVD method,” Adv. Manuf. Sci. Technol., vol. 33, no. 4, pp. 59-69, 2009.; K. Dahm and P. A. Dearnley, “S-phase coatings produced by unbalanced magnetron sputtering,” Surf. Eng., vol. 12, no. 1, pp. 61-67, 1996 osadzano powłoki z fazy S bez miedzi na powierzchni stali austenitycznej (.) Wykazano w nich wyższą od stali austenitycznej twardość i odporność na zużycie powłok z fazy S, przy zachowaniu jej równie dobrych właściwości korozyjnych. Jednakże, nie zweryfikowano aktywności przeciwdrobnoustrojowej powłok z fazy S.

Nieoczekiwanie okazało się, że jednoczesne rozpylanie stali austenitycznej oraz miedzi w atmosferze azotu skutkuje powstaniem powłoki z fazy S z roztworzoną w jej strukturze miedzią, a nie jak w znanych ze stanu techniki rozwiązaniach miedzi w postaci nanocząstek lub azotków miedzi (M. G. Moreno-Armenta, A. Martinez-Ruiz, and N. Takeuchi, “Ab initio total energy calculations of copper nitride: The effect of lattice parameters and Cu content in the electronic properties,” Solid State Sci., vol. 6, no. 1, pp. 9-14, 2004).

Powłoka z fazy S, osadzona na podłożu stalowym, według wynalazku, zawierająca żelazo, nikiel, chrom, azot otrzymana metodą reaktywnego rozpylania magnetronowego, z użyciem źródła ze stali austenitycznej rozpylanej w atmosferze mieszaniny argonu i azotu, charakteryzuje się tym, że zawiera od 10 do 40% masowych miedzi oraz do 2 do 15% masowych azotu.

Sposób otrzymania powłoki z fazy S, osadzonej na podłożu stalowym według wynalazku, metodą reaktywnego rozpylania magnetronowego, z użyciem źródła ze stali austenitycznej rozpylanej w atmosferze mieszaniny argonu i azotu, charakteryzuje się tym, że w atmosferze mieszaniny argonu i azotu rozpyla się także miedź, przy czym stosuje się prąd wytworzony na źródle z miedzi z natężeniem wynoszącym od 60 mA do 500 mA, uzyskując powłokę z fazy S zawierającą się od 10% do 40% masowych miedzi oraz do 2 do 15% masowych azotu w strukturze fazy S. Proces prowadzi się przy stosunku mieszaniny argonu i azotu 8:7, przy ciśnieniu roboczym 0,53 Pa, w temperaturze 350°C, przy mocy polaryzacji podłoża 2 W. W procesie stosuje się prąd wytworzony na źródłach ze stali austenitycznej z natężeniem wynoszącym 500 mA.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest uzyskanie powłoki o właściwościach antybakteryjnych, o wysokiej twardości i odporności tribologicznej. Korzystnym skutkiem wynalazku jest możliwość naniesienia na wyrób powłoki rozpylanej z dowolnego gatunku stali austenitycznej, a tym samym lepszą możliwość sterowania właściwościami powłoki np. gradientowe lub stałe właściwości na przekroju poprzecznym powłoki. Ponadto sposób według wynalazku pozwala na zachowanie wysokiej odporności korozyjnej oraz estetycznego metalicznego wyglądu powierzchni. Powłoka może być otrzymywania z dowolnego gatunku stali o strukturze austenitu, gdyż struktura ta ma charakter roztworowy i daje możliwość roztwarzania w niej innych pierwiastków np. miedzi czy azotu.

Wynalazek został przedstawiony w przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia dyfraktogramy rentgenowskie próbek z powłokami, fig. 2 przedstawia skład chemiczny wytworzonych powłok badany metodą EDS/WDS wraz z próbką referencyjną bez miedzi, fig. 3 przedstawia porównanie bakteriobójczości oraz bakteriostatyczności stali austenitycznej, powłoki z fazy S bez miedzi oraz powłok z przykładów wobec Staphyloccocus aureus.

P rzykład 1

Metodą reaktywnego rozpylania magnetronowego wytworzono powłokę rozpylaną z zestawu źródeł - dwóch ze stali austenitycznej oraz jednego z miedzi technicznej. Powłoka była rozpylana w atmosferze reaktywnej - mieszaninie argonu i azotu w stosunku 8:7 przy ciśnieniu roboczym 0,53 Pa w temperaturze 350°C, przy mocy polaryzacji podłoża 2 W (ok. 50 V). Prąd wytworzony na źródłach ze stali austenitycznej wynosił 500 mA, natomiast na źródle z miedzi wynosił 60 mA. Otrzymano powłokę o zawartości 10,1% miedzi i 2,9% azotu, co potwierdza badanie składu chemicznego metodą EDS/WDS. Powłoka charakteryzuje się 100% bakteriobójczością względem Staphylococcus aureus oraz lepszą biostatycznością niż stal austenityczna oraz powłoka z fazy S bez miedzi (fig. 3).

Przykład 2 ‘

Powłokę otrzymano sposobem jak w przykładzie 1, z tym, że prąd wytworzony z miedzi wynosił 125 mA. Otrzymano powłokę o zawartości 22,5% miedzi i 4,3% azotu, co potwierdza badanie składu chemicznego metodą EDS/WDS. Powłoka charakteryzuje się 100% bakteriobójczością względem Staphylococcus aureus oraz lepszą biostatycznością niż stal austenityczna oraz powłoka z fazy S bez miedzi (fig. 3).

Przykład 3

Powłokę otrzymano sposobem jak w przykładzie 1, z tym, że prąd wytworzony z miedzi wynosił 500 mA. Otrzymano powłokę o zawartości 59,2% miedzi i 7,2% azotu, co potwierdza badanie składu chemicznego metodą EDS/WDS. Powłoka charakteryzuje się 100% bakteriobójczością względem Staphylococcus aureus oraz lepszą biostatycznością niż stal austenityczna oraz powłoka z fazy S bez miedzi (fig. 3). Przy zawartości 44,1% Cu zauważalny jest niewielki refleks dyfrakcyjny od czystej miedzi, co świadczy o przekroczeniu progu rozpuszczalności miedzi w austenicie w przy tych warunkach osadzania i wydzieleniu niewielkich klasterów miedzi. Wyższa niż próg rozpuszczalności zawartość miedzi w powłoce mieści się w granicach istoty wynalazku, gdyż w samej fazie S zawartość miedzi nie przekracza 40%.

Claims

1. Powłoka z fazy S, osadzana na podłożach stalowych, zawierająca żelazo, nikiel, chrom, azot, otrzymana metodą reaktywnego rozpylania magnetronowego, z użyciem źródła ze stali austenitycznej rozpylanej w atmosferze mieszaniny argonu i azotu, znamienna tym, że zawiera od 10 do 40% masowych miedzi oraz do 2 do 15% masowych azotu.

2. Sposób otrzymania powłoki z fazy S, osadzonej na podłożu stalowym, otrzymana metodą reaktywnego rozpylania magnetronowego, z użyciem źródła ze stali austenitycznej rozpylanej w atmosferze mieszaniny argonu i azotu, znamienny tym, że w atmosferze mieszaniny argonu i azotu rozpyla się źródło z miedzi, przy czym stosuje się prąd wytworzony na źródle z miedzi z natężeniem wynoszącym od 60 mA do 500 mA, uzyskując powłokę z fazy S zawierającą się od 10 do 40% masowych miedzi oraz do 2 do 15% masowych azotu, przy czym w procesie stosuje się stosunek mieszaniny argonu i azotu 8:7, przy ciśnieniu roboczym 0,53 Pa, a proces prowadzi się w temperaturze 350°C, przy mocy polaryzacji podłoża 2 W i stosuje się prąd wytworzony na źródłach ze stali austenitycznej z natężeniem wynoszącym 500 mA.