Материал изделий культурно-бытового назначения

 

Материал используется в производстве изделий культурно-бытового назначения, а именно столовых принадлежностей и приборов, в частности ложек, вилок, ножей, рюмок и т.д., а также металлических украшений, в частности сережек, браслетов, цепочек и т.д., корпусов часов и браслетов с замками для них, выполненных из материала на основе циркония с разноцветной анодной окисной пленкой на поверхности. Материал содержит, мас.%: кислород 0,001-0,08, железо 0,003-0,015, кальций 0,001-0,020, при необходимости ниобий 0-2,7, сопутствующие примеси 0,01-0,35, цирконий - остальное, при выполнении соотношения 11≥Nb/Σ(Fe+Ca)≥198,53. Техническим результатом является повышение густоты цвета покрытия на изделиях от средних до насыщенных тонов, а также повышение на 48-62% долговечности покрытия и снижение на 22-28% относительной стоимости материала по сравнению с прототипом. 1 табл.

Изобретение относится к материалам для изготовления изделий культурно-бытового назначения, а именно, столовых принадлежностей и приборов, в частности, ложек, вилок, ножей, рюмок, графинов и т.д., а также металлических украшений, в частности, сережек, браслетов, цепочек и т.д., корпусов часов и браслетов с замками для них, выполненными из материала на основе циркония с разноцветной анодной окисной пленкой на поверхности.

Известен материал на основе циркония, выполненный из электролитического порошка циркония с размерами частиц 0,05-1,5 мм (патент РФ 1811632, G 04 B 37/22, 1993 г.).

Известный материал позволяет изготавливать из него изделия культурно-бытового назначения со сравнительно невысокой себестоимостью их изготовления.

Недостатком известного технического решения является то, что оно не позволяет получать изделия с высокоглянцевым слоем разноцветной анодной окисной пленки из-за трудностей в проведении отделочных операций.

Известен механически обработанный материал на основе циркония (патент РФ 2077858, А 44 С 27/00, 1997 г.).

Недостатком известного материала является его высокая себестоимость, определяемая ценой шихтовых материалов и большой трудоемкостью механической обработки. К тому же из-за недостаточной прочности сцепления с основной поверхностью не удается добиться яркого блеска и необходимой густоты цвета покрытия.

Наиболее близким техническим решением, выбранным авторами за прототип, является известный материал на основе циркония из прессованного порошка металлического циркония с содержанием в нем кислорода 0,03-0,08 мас.% (Патент РФ 2120220, А 44 С 27/00, B 22 F 3/12, 1998 г.).

Известное техническое решение позволяет получать изделия из материала на основе циркония с ярким блеском покрытия. Недостатком данного технического решения являются сравнительно недостаточная долговечность и густота цвета покрытия, нанесенного на изделия из этого материала, а также сравнительно высокая стоимость материала.

Заявляемое техническое решение направлено на повышение потребительских свойств материала и изделий из него за счет повышения долговечности и густоты цвета покрытия и на снижение стоимости материала.

Технический результат достигается тем, что в известном материале изделий культурно-бытового назначения, содержащем цирконий и кислород, в качестве ультрафиолетовых поглотителей и светостабилизаторов он дополнительно содержит железо, кальций, при необходимости ниобий в соотношении при следующем содержании элементов, мас.%: Кислород - 0,001-0,08 Железо - 0,003-0,015 Кальций - 0,001-0,020 Ниобий - 0-2,7 Сопутствующие примеси - 0,01-0,35 Цирконий - Остальное При анализе патентных и научно-технических источников не выявлено технических решений, обладающих всей совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения.

Таким образом, заявляемый материал по результатам анализа уровня техники является неизвестным и соответствует критерию патентоспособности изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого технического решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники показало, что известны циркониевые сплавы Э-110 и Э-125 реакторной чистоты. Сплав Э-110 содержит ниобий 0,9-1,1 мас.%, кислород 0,06-0,17 мас.%, железо до 0,05 мас.%, кальций до 0,03 мас.%, гафний до 0,05 мас.% и сопутствующие примеси. Сплав Э-125 содержит ниобий 2,4-2,7 мас.%, кислород - до 0,1 мас.%, железо до 0,05 мас.%, кальций до 0,03 мас.%, гафний до 0,05 мас.% и сопутствующие примеси.

Однако выявленные технические решения лишь частично содержат известные существенные признаки, но не обладают всей совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения. В заявляемом материале только совокупность известных и неизвестных существенных признаков позволяет получить ранее неизвестный положительный эффект, заключающийся в значительном повышении долговечности покрытия и густоты цвета разноцветной анодной окисной пленки на заявляемом материале при одновременном значительном снижении стоимости материала.

Заявляемое техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.к. между химическим составом материала и показателями долговечности и густоты цвета, нанесенного на него покрытия, существует сложная нелинейная зависимость, определяемая множеством факторов. Кроме того, для определения оптимального химического состава, обеспечивающего максимальные значения показателей долговечности и густоты цвета, требуется проведение большого количества дорогостоящих экспериментов.

Таким образом, заявляемый материал соответствует критерию патентоспособности изобретения "Изобретательский уровень".

Многие покрытия выцветают и деструктируют под воздействием облучений, особенно ультрафиолетового. Установлено, что поглотители ультрафиолетовых излучений повышают срок службы таких покрытий. Еще более успешным оказалось сочетание в материале светостабилизаторов с ультрафиолетовыми поглотителями в заданном соотношении. При этом достигается защита покрытия на двух уровнях. Ультрафиолетовый поглотитель превращает вредное коротковолновое излучение в тепловую энергию, светостабилизатор захватывает образующиеся свободные радикалы, которые являются причиной деструкции пленки.

Найденное в заявляемом материале оптимальное сочетание ультрафиолетовых поглотителей и светостабилизаторов (железа и кальция, ниобия и кислорода) в заявленных интервалах, по-видимому, способствует значительному снижению деструкции разноцветной анодной окисной пленки на материале и повышению ее долговечности под воздействием светового облучения. Кроме того, это приводит одновременно к повышению густоты цвета покрытия.

Заявленный материал отличается от известного материала на основе циркония меньшей стоимостью, т.к. его получают путем переплава в вакууме по схеме ЕМО-ДКВ (электронно-лучевой и дуговой переплавы) более дешевого оборотного и подшихтовочного циркония определенного химического состава с известным содержанием в нем железа, кальция, кислорода и ниобия (например, кузнечных оборотов или стружки от сверления заготовок сплава Э110 и других оборотов). Известный же циркониевый материал получают с использованием дорогостоящих компонентов реакторной чистоты (электролитического порошка циркония и прутков йодидного циркония).

Для проверки заявляемого технического решения была проведена следующая работа. По прототипу получали материал из прессованного порошка металлического циркония с содержанием в нем кислорода 0,05 мас.%. По заявляемому решению получали материал путем переплава в вакууме оборотного циркония, например, [60% обороты V класса (шамотные вырубки йодидного циркония + 40% оборотов VI класса (кузнечные обороты сплава Э125)]. Выплавку слитков осуществляли по схеме ЕМО-ДКВ с получением слитков разного химического состава:
кислород - 0,0005; 0,001; 0,04; 0,08; 0,1 мас.%;
железо - 0,001; 0,003; 0,009; 0,015; 0,02 мас.%;
кальций - 0,0005; 0,001; 0,01; 0,02; 0,025 мас.%;
ниобий - 0;1; 2,5; 2,7; 3 мас.%;
сопутствующие примеси - 0,005; 0,01; 0,15; 0,35; 0,4 мас.%;
цирконий - остальное.

При этом соотношение

в материале составляло:
0; 2,86; 3,57; 4,35; 4,76; 6,25; 9,71; 11; 11,25; 13,75; 33,33; 33,75;
77,14; 88,89; 197,08; 198,57; 240; 250; 285,71; 500; 600; 675; 750.

Из материала по прототипу и по заявленному техническому решению изготавливали образцы с геометрическими размерами 100•150•3 мм. Для сравнения изготавливали аналогичные образцы из сплава Э110 и Э125.

По каждому варианту изготавливали по 3 образца. На все образцы наносили разноцветное анодное окисное покрытие по штатной технологии. На образцах определили густоту цвета покрытия до и после проведения климатических испытаний путем визуального цветового сравнения по стандартной методике.

На образцах определяли долговечность покрытия путем ускоренных климатических испытаний по стандартной методике ASTM E42-57 с влиянием ультрафиолетового излучения, влажности и температуры. Кроме этого, определяли относительную стоимость 1 кг материала по известным методикам
Результаты испытаний приведены в таблице.

Анализ данных, представленных а таблице, показывает, что заявляемый материал изделий культурно-бытового назначения с разноцветной анодной окисной пленкой отличается от прототипа и аналогов большей густотой цвета до и после ускоренных климатических испытаний (насыщенные тона - у заявляемого решения, средние тона - у прототипа и средние и разбавленные тона - у аналогов).

Кроме того, заявляемый материал отличается большей долговечностью покрытия (1,48-1,62 - у заявляемого материала, 1 - у прототипа, 0,78-0,85 - у аналогов) и меньшей стоимостью (0,72-0,78 - у заявляемого решения, 1 - у прототипа, 1,3-1,38 - у аналогов). Оптимальный химический состав заявляемого материала следующий, мас.%:
Кислород - 0,001-0,08
Железо - 0,003-0,015
Кальций - 0,001-0,020
Ниобий - 0-2,7
Сопутствующие примеси - 0,01-0,35
Цирконий - Остальное
Оптимальное соотношение ультрафиолетовых поглотителей и светостабилизаторов в заявляемом материале следующее:
.

Уменьшение содержания в заявляемом материале кислорода менее 0,001 мас.% (опыт 11) приводит к значительному повышению себестоимости материала, вызванного дополнительными затратами, необходимыми на очистку материала от кислорода.

Увеличение содержания в заявляемом материале кислорода более 0,08 мас.% (опыт 15) приводит к значительному снижению долговечности покрытия, вызванному деструкцией анодного покрытия.

Уменьшение содержания в заявляемом материале железа менее 0,003 мас.% (опыт 16) приводит к значительному повышению себестоимости материала, вызванного дополнительными затратами, необходимыми на очистку материала от железа.

Увеличение содержания в заявляемом материале железа более 0,015 мас.% (опыт 20) приводит к значительному снижению долговечности покрытия, вызванной деструкцией анодного покрытия. При этом глубина цвета окисного покрытия дополнительно не увеличивается.

Уменьшение содержания в заявляемом материале кальция менее 0,001 мас.% (опыт 21) приводит к значительному повышению себестоимости материала, вызванного дополнительными затратами, необходимыми на очистку материала от кальция.

Увеличение содержания в заявляемом материале кальция более 0,020 мас.% (опыт 25) приводит к значительному снижению долговечности покрытия, вызванной деструкцией анодного покрытия.

Увеличение содержания в заявляемом материале ниобия более 2,7 мас.% (опыт 10) приводит к значительному снижению долговечности окисного покрытия вследствие его деструкции.

Уменьшение содержания в заявляемом материале сопутствующих примесей менее 0,01 мас. % (опыт 26) приводит к значительному увеличению себестоимости материала, вызванной дополнительными затратами, необходимыми для очистки материала от примесей.

Увеличение содержания в заявляемом материале сопутствующих примесей более 0,35 мас.% (опыт 30) приводит к значительному снижению долговечности покрытия вследствие его деструкции.

Увеличение соотношения

более 11 (опыт 32) приводит к значительному снижению густоты цвета и долговечности покрытия.

Уменьшение соотношения

менее 198,53 (опыт 33) приводит к значительному снижению густоты цвета и долговечности покрытия.

В производственных условиях ОАО "ЧМЗ" выплавлен опытный слиток заявляемого материала с использованием оборотного циркония [60% обороты V класса (шамотные вырубки иодидного циркония) +40% оборотов VI класса (кузнечные отходы сплава Э125)] массой 1 т.

Из данного слитка были изготовлены по штатной технологии изделия культурно-бытового назначения всех видов штатной номенклатуры с положительным результатом и отправлены заказчикам.

Формула изобретения

Материал изделий культурно-бытового назначения, содержащий цирконий и кислород, отличающийся тем, что в качестве ультрафиолетовых поглотителей и светостабилизаторов он дополнительно содержит железо, кальций, при необходимости - ниобий в соотношении

при следующем содержании элементов, мас. %:
Кислород - 0,001-0,08
Железо - 0,003-0,015
Кальций - 0,001-0,020
Ниобий - 0-2,7
Сопутствующие примеси - 0,01-0,35
Цирконий - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2