專利名稱：金屬材料表面的涂布方法,用于實施該方法的設(shè)備以及如此獲得的產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬表面的涂布。更具體地，本發(fā)明涉及金屬材料表面的涂布處理，以賦予其三維視覺效果。
這種視覺效果可利用全息圖來獲得，該全息圖是通過利用兩束激光束在光敏載體上記錄和再現(xiàn)圖象而獲得的，所述光敏載體能夠記錄高對比的光干涉。這類載體例如是熱塑性薄膜、光敏聚合物、光敏性薄膜等。
為了在金屬表面上獲得三維視覺效果，目前只知道通過粘合或共層壓(colaminage)而將上述類型的光敏載體施用到所述表面上。鋼或鋁的金屬包裝的裝飾優(yōu)選使用這項技術(shù)，其缺點是，對于冶金企業(yè)來說，需要提供光敏載體的外部供應(yīng)商的介入。而且，在粘合或共層壓之后所述包裝進(jìn)行處理和操作的過程中，載體有可能與包裝分離或者被損壞。
本發(fā)明的目的是提供一種方法，該方法可在金屬材料表面上獲得三維視覺效果，而不必在所述表面上施用光敏載體。
為此，本發(fā)明的目的是提供用于涂布具有結(jié)晶組織的金屬材料的表面的方法，根據(jù)該方法，所述材料首先用熔點等于Tf且厚度小于或等于2.5μm的金屬或金屬合金層涂布，其特征在于-使用快速加熱裝置對所述第一涂層進(jìn)行熱處理，以使所述第一涂層的表面溫度達(dá)到0.8Tf-Tf；-并且沉積基于金屬或金屬合金的第二涂層，其厚度小于或等于1μm。
根據(jù)該方法的一個變化形式，所述第一和第二涂層具有小于或等于700℃的熔點。
所述第一和第二涂層可由相同的材料構(gòu)成。
根據(jù)該方法的一個變化形式，隨后在所述第二涂層上沉積透明無機(jī)薄膜。
待涂布的所述金屬材料可以是碳素鋼、不銹鋼、或鋁或其合金中的一種。
所述第一涂層可優(yōu)選地通過電沉積或者通過真空沉積法產(chǎn)生。
所述快速加熱裝置可優(yōu)選地是紅外線加熱設(shè)備、感應(yīng)加熱設(shè)備、利用非反應(yīng)性氣體的等離子體放電設(shè)備或者利用非反應(yīng)性氣體的離子轟擊設(shè)備。
所述第二涂層可優(yōu)選地通過電沉積或者通過真空沉積法產(chǎn)生。
可使用反應(yīng)性等離子體沉積法來沉積所述透明無機(jī)薄膜。
所述第一和第二涂層各自由錫和/或鋁構(gòu)成。
所述無機(jī)薄膜可由金屬氧化物或金屬氧化物的混合物構(gòu)成，優(yōu)選選自下述物質(zhì)的氧化物奧氏體不銹鋼、鉻、鈦、硅、鋅、錫。
金屬材料可以是傳送的帶狀形式，并且該方法的不同步驟可以通過在傳送帶的路徑上依次配置的裝置來連續(xù)進(jìn)行。
本發(fā)明的目的還在于用于涂布帶狀金屬材料的設(shè)備，其特征在于它包括用于傳送所述帶的裝置，和依次配置在所述帶的路徑上的下述裝置-第一裝置，用于對所述帶涂布熔點等于Tf的金屬或金屬合金層；-用于快速加熱所述帶的裝置，該裝置可使所述層的表面溫度達(dá)到0.8Tf-Tf；和-第二裝置，用于對所述帶涂布金屬或金屬合金層。
在用于對所述帶涂布金屬或金屬合金層的第二裝置的下游，該設(shè)備可包括用于對所述帶涂布透明無機(jī)薄膜的裝置。
本發(fā)明還涉及金屬材料，其特征在于在其表面的至少之一上，它包括具有三維視覺效果的金屬涂層，所述涂層直接在該材料的表面上形成，并且其尤其是通過上述方法來實施的。
可以理解，本發(fā)明在于通過使用用于處理金屬材料本身的表面的一系列操作來產(chǎn)生所希望的三維視覺效果。以此方式產(chǎn)生的多層涂層不會與所述金屬材料分離，并且可由制造這種基本材料的冶金企業(yè)來生產(chǎn)。所述涂層除了其美學(xué)性質(zhì)外還具有很多技術(shù)優(yōu)點，并且可以使金屬材料制造商保持對裝飾過程的完全控制。
通過參考附圖閱讀以下的描述可以更好地理解本發(fā)明，附

圖1-6示出了由本發(fā)明方法的不同變化形式所產(chǎn)生的各種涂層的外觀。
原始材料是金屬材料，如碳素鋼、不銹鋼、鋁或者其合金之一等。它例如是板或卷繞帶的形式。在后一種情況下，可通過退繞所述帶并將其在設(shè)備上連續(xù)傳送來執(zhí)行將要描述的處理操作，其中在該設(shè)備中，在所述帶的路徑上依次配置可執(zhí)行該處理操作的不同步驟的裝置。為了實現(xiàn)所希望的美學(xué)效果，用作基底的金屬材料需要具有結(jié)晶組織。
在進(jìn)行沉積之前，采用本身已知的方式對所述材料的表面進(jìn)行拋光，以除去任何表面污染。
該方法的第一步驟是沉積第一涂層，該涂層由優(yōu)選具有大約700℃或更低的低熔點Tf的金屬元素(例如錫或鋁)或金屬合金構(gòu)成。該涂層應(yīng)當(dāng)具有小于或等于2.5μm的厚度。
有利地，它通過電沉積法或者通過真空沉積法產(chǎn)生。在可使用的真空沉積法中，可以提到的有真空蒸發(fā)、磁控管濺射、離子鍍敷、自感應(yīng)離子鍍敷的已知常規(guī)方法。
該方法的第二步驟是熱處理操作，該處理操作通過快速加熱在第一涂層上進(jìn)行，例如通過紅外線燈、感應(yīng)器、等離子體放電操作或者利用非反應(yīng)性氣體(如惰性氣體)的離子轟擊。所述熱處理應(yīng)當(dāng)使第一涂層的表面溫度達(dá)到0.8Tf-Tf。為了使其實施的動力學(xué)能夠與其對以大約100m/mn的速度傳送的帶的操作相容，Tf優(yōu)選為小于或等于700℃。
該方法的第三步驟是沉積第二涂層，該第二涂層基于與第一涂層的材料相同或不同的金屬元素或合金。該涂層的厚度不應(yīng)超過1μm。它可使用與第一涂層相同的方法產(chǎn)生。
優(yōu)選地(但非必須地)，該方法可包括在第二金屬涂層上沉積透明無機(jī)薄膜的第四步驟。諸如奧氏體不銹鋼、鉻、鈦、硅、鋅、錫(并不限于此)的氧化物或者它們的混合物這樣的材料是特別合適的。這種透明無機(jī)沉積可通過已知用于此目的的任何方法來實施，使用反應(yīng)性等離子體沉積的方法是特別合適的。如果所述膜的厚度小于或等于1μm，則可通過該無機(jī)薄膜的干涉效應(yīng)產(chǎn)生有色涂層。根據(jù)沉積材料的折射指數(shù)，以此方式可以獲得綠、黃、藍(lán)、紫和紅色。通常，該透明薄膜為在該方法的前三個步驟之后獲得的三維外觀的圖案提供了額外深度的外觀。
如上所述，在基底表面上的圖案的外觀需要該基底具有結(jié)晶組織。實際上，金屬沉積的凝固圖案的成核作用是以基底表面的優(yōu)先位置為基準(zhǔn)而發(fā)生的，該優(yōu)先位置只在所述基底具有結(jié)晶組織時才存在。
所產(chǎn)生的圖案尺寸取決于在該方法第二步驟期間所用的能量和涂層的厚度該能量和/或該厚度越大，圖案也越大。在該方法第一步驟期間使用低熔點(700℃或更低)金屬或合金作為涂布材料可以使第二步驟期間涂層的冶金轉(zhuǎn)化在一個非常短的時間內(nèi)進(jìn)行。已經(jīng)提到的加熱方法可以在盡可能短的時間內(nèi)提供所需能量。
與使用施用到金屬產(chǎn)品上的光敏載體產(chǎn)生三維視覺效果的方法相比，本發(fā)明方法具有很多優(yōu)點。如上所述，它可以使金屬產(chǎn)品制造商保持對該方法的完全控制。由于產(chǎn)生三維視覺效果的涂層在這種情況下是載體整體中的一部分，因此其在隨后的處理和操作期間不可能脫落。而且，更特別地，如果該方法是使用全部四個步驟來實施的，則以此方式產(chǎn)生的涂層提高了基底的耐化妝品腐蝕性。該涂層還具有較高的耐紫外輻射性和耐溫度性。其對于指痕的敏感性較小。其具有高表面硬度，這使其對劃痕的敏感性較小。其易于清洗，并且對所含有的產(chǎn)品和其它機(jī)械荷載具有良好的承受力。最后，如果使用的涂布金屬合適的話(如錫)，則可以使該涂層與食品用途相容。
現(xiàn)在將描述用于實施本發(fā)明方法的各種實施例。它們是在200×200mm且厚度為0.7mm的軟鋼片上進(jìn)行的。這些鋼片預(yù)先按照常規(guī)方式濕法去除油漬(超聲波攪拌的溶劑)。隨后在真空反應(yīng)器中對其進(jìn)行基于氬等離子體的離子酸洗處理，該真空反應(yīng)器隨后被用于實施本發(fā)明方法的各個不同步驟中。
實施例1在本發(fā)明方法的第一步驟中，在10-3毫巴(0.1Pa)的壓力下在氬氣氛中通過磁控管濺射在鋼片上涂布0.8μm的錫層。靶電流為0.9A，且靶電壓為450V。錫的沉積速率為0.25μm/min。
在本發(fā)明方法的第二步驟中，在10-3毫巴(0.1Pa)的壓力下使用氬等離子體對鋼片進(jìn)行熱處理。給予氬離子的能量是400eV，且鋼片接受的離子量是4.7×1022Ar+離子/m2。所述片作為陰極放置。使錫表面的溫度達(dá)到大約210℃。
在第三步驟中，在與第一涂層相同的實驗條件下通過磁控管濺射沉積0.4μm的錫涂層。
在第四步驟中，通過等離子CVD沉積0.1μm厚的硅透明薄膜。所述沉積是在由六甲基二硅氧烷(HMDSO)和氧構(gòu)成的氣氛中在10-3毫巴(0.1Pa)的壓力下進(jìn)行的，其中HMDSO和O2的分壓比為1/10。所用電流的頻率為50kHz且功率為100W。沉積速率為1.0μm/min.
使用這種方法獲得了如圖1所示的外觀，該涂層具有耐腐蝕性和耐指痕性，它易于清潔并具有高表面硬度。它能夠抵抗明顯的機(jī)械、化學(xué)和熱影響。
實施例2在與實施例1的前三個步驟相同的條件下涂布鋼片。第四步驟在于通過鈦靶的反應(yīng)性磁控管濺射產(chǎn)生有色二氧化鈦膜。該膜厚度為0.05μm。產(chǎn)生該膜的條件是PO2/PAr＝0.4的O2/Ar氣氛，總壓力為5.10-3毫巴(10.5Pa)，功率為1.7kW。以此方式獲得的涂層在圖2中示出，其具有與實施例1的涂層類似的性質(zhì)，另外還具有藍(lán)色的外觀(這歸因于二氧化鈦的折射指數(shù)(2.5))和二氧化鈦特有的性質(zhì)，即顯著的化學(xué)惰性、在高溫下的高穩(wěn)定程度、有效的耐化學(xué)影響性、以及自清潔作用(這歸因于其在紫外光的存在下降解含碳和氧的材料的催化作用)。
實施例3
在與實施例2相同的條件下涂布軟鋼片，不同之處在于第一錫沉積層的厚度增加到1.2μm，并增加在該方法第二步驟期間由第一錫層接受的離子數(shù)量。在這種情況下，該數(shù)量達(dá)到9.4×1022Ar+離子/m2。使錫表面的溫度達(dá)到大約235℃。其結(jié)果可見圖3。
實施例4在與實施例2相同的條件下涂布軟鋼片，不同之處如實施例3一樣，將第一層接受的離子數(shù)量增加到9.4×1022Ar+離子/m2，并且二氧化鈦薄膜的厚度增加到0.08μm。其結(jié)果可見圖4。
需要指出，在第二處理步驟期間所用能量的增加導(dǎo)致圖案的尺寸明顯增加。
實施例5在與實施例1相同的條件下涂布該鋼片，不同之處在于，對于第二步驟來說，使用兩個紅外線燈加熱基底及其第一層，并且在第二錫層上沒有沉積氧化物。因而只進(jìn)行了該方法的前三個步驟，這些步驟是產(chǎn)生所希望的三維視覺效果必不可少的。錫層的加熱是在具有溫度調(diào)節(jié)為200℃的燈的爐中的靜態(tài)加熱，并且持續(xù)8分鐘。其結(jié)果在圖5中示出。
實施例6在200×200mm且厚度為0.2mm的非常薄的軟鋼片上涂布電沉積錫層，以產(chǎn)生通常用在食品領(lǐng)域中的“馬口鐵”片。隨后在與實施例2相同的條件下進(jìn)行本發(fā)明方法的第二和第三步驟。并未進(jìn)行本發(fā)明任選的第四處理步驟。其結(jié)果在圖6中示出。
實施例7在本發(fā)明方法的第一步驟中，在10-3毫巴(0.1Pa)的壓力下在氬氣氛中通過磁控管濺射在鋼片上涂布0.6μm的鋁層。靶電流為1.8A，且靶電壓為355V。鋁沉積速率為0.33μm/min。
在本發(fā)明方法的第二步驟中，在10-3毫巴(0.1Pa)的壓力下使用氬等離子體對鋼片進(jìn)行熱處理。給予氬離子的能量是280eV且離子量是18.4×1022Ar+離子/m2。所述片作為陰極放置。在該處理操作結(jié)束時，使鋁涂布的該片表面的溫度達(dá)到615℃。
在第三步驟中，在與實施例1的第三步驟相同的條件下通過磁控管濺射沉積錫涂層。
在這些制備條件下，所產(chǎn)生的涂層的外觀與圖1相同。
實施例8在與實施例3的前兩個步驟相同的條件下在軟鋼片上涂布錫。在第三步驟中，通過磁控管濺射沉積鋁涂層，其條件與實施例7的第一步驟所述條件相同，不同之處在于鋁沉積的厚度為0.4μm。
在這些制備條件下，所產(chǎn)生的涂層的外觀與圖3的實施例的外觀相同。
已經(jīng)以一種非限制性地方式給出了形成基底和涂布其的各種層的材料的例子，以及形成它們的條件。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)最終產(chǎn)品所希望的性能可以設(shè)想各種變化形式。
如果只希望在金屬材料表面的一面或一些部分上出現(xiàn)三維視覺效果，則可以使用一個或多個遮擋物來保護(hù)材料，該遮擋物用來掩蔽在它們所經(jīng)歷的各種處理操作期間不涂布的區(qū)域。
權(quán)利要求
1.用于涂布具有結(jié)晶組織的金屬材料的表面的方法，根據(jù)該方法，所述材料首先用熔點等于Tf且厚度小于或等于2.5μm的金屬或金屬合金層涂布，其特征在于-使用快速加熱裝置對所述第一涂層進(jìn)行熱處理，以使所述第一涂層的表面溫度達(dá)到0.8Tf-Tf；-并且沉積基于金屬或金屬合金的第二涂層，其厚度小于或等于1μm。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于所述第一和第二涂層具有小于或等于700℃的熔點。
3.權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于所述第一和第二涂層由相同的材料構(gòu)成。
4.權(quán)利要求1-3之一的方法，其特征在于隨后在所述第二涂層上沉積透明無機(jī)薄膜。
5.權(quán)利要求1-4之一的方法，其特征在于所述待涂布的金屬材料是碳素鋼。
6.權(quán)利要求1-4之一的方法，其特征在于所述待涂布的金屬材料是不銹鋼。
7.權(quán)利要求1-4之一的方法，其特征在于所述待涂布的金屬材料是鋁或其合金中的一種。
8.權(quán)利要求1-7之一的方法，其特征在于所述第一涂層通過電沉積產(chǎn)生。
9.權(quán)利要求1-7之一的方法，其特征在于所述第一涂層通過真空沉積法產(chǎn)生。
10.權(quán)利要求1-9之一的方法，其特征在于所述快速加熱裝置是紅外線加熱設(shè)備。
11.權(quán)利要求1-9之一的方法，其特征在于所述快速加熱裝置是感應(yīng)加熱設(shè)備。
12.權(quán)利要求1-9之一的方法，其特征在于所述快速加熱裝置是利用非反應(yīng)性氣體的等離子體放電設(shè)備。
13.權(quán)利要求1-9之一的方法，其特征在于所述快速加熱裝置是利用非反應(yīng)性氣體的離子轟擊設(shè)備。
14.權(quán)利要求1-13之一的方法，其特征在于所述第二涂層通過電沉積產(chǎn)生。
15.權(quán)利要求1-13之一的方法，其特征在于所述第二涂層通過真空沉積法產(chǎn)生。
16.權(quán)利要求4-15之一的方法，其特征在于使用反應(yīng)性等離子體沉積方法來沉積所述透明無機(jī)薄膜。
17.權(quán)利要求1-16之一的方法，其特征在于所述第一和/或第二涂層由錫構(gòu)成。
18.權(quán)利要求1-17之一的方法，其特征在于所述第一和/或第二涂層由鋁構(gòu)成。
19.權(quán)利要求1-18之一的方法，其特征在于所述無機(jī)薄膜由金屬氧化物或金屬氧化物的混合物構(gòu)成。
20.權(quán)利要求19的方法，其特征在于所述一種或多種金屬氧化物選自奧氏體不銹鋼、鉻、鈦、硅、鋅、錫的氧化物。
21.權(quán)利要求1-20之一的方法，其特征在于金屬材料是傳送的帶狀形式，并且該方法的不同步驟通過在傳送帶的路徑上依次配置的裝置來連續(xù)進(jìn)行。
22.用于涂布帶狀金屬材料的設(shè)備，其特征在于它包括用于傳送所述帶的裝置，和依次配置在所述帶的路徑上的下述裝置-第一裝置，用于對所述帶涂布熔點等于Tf的金屬或金屬合金層；-用于快速加熱所述帶的裝置，該裝置可使所述層的表面溫度達(dá)到0.8Tf-Tf；和-第二裝置，用于對所述帶涂布金屬或金屬合金層。
23.權(quán)利要求22的設(shè)備，其特征在于在用于對所述帶涂布金屬或金屬合金層的第二裝置的下游，該設(shè)備可包括用于對所述帶涂布透明無機(jī)薄膜的裝置。
24.金屬材料，其特征在于在其表面的至少之一上，它包括具有三維視覺效果的金屬涂層，所述涂層直接在所述材料的表面上形成。
25.權(quán)利要求24的金屬材料，其特征在于它通過權(quán)利要求1-21之一的方法制備。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于涂布具有結(jié)晶組織的金屬材料的表面的方法，根據(jù)該方法，所述材料首先用熔點等于T
文檔編號C23C28/02GK1681966SQ03821783
公開日2005年10月12日 申請日期2003年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月5日
發(fā)明者P·喬奎特, D·查雷克斯 申請人:于西納公司