DD293843A5

DD293843A5 - Verfahren zur faerbung der oberflaechen metallischer materialien und metallischer gegenstand

Info

Publication number: DD293843A5
Application number: DD33981690A
Authority: DD
Inventors: Gelis Pierre De
Original assignee: Usinor Sacilor Soc. An.,Fr
Priority date: 1989-04-18
Filing date: 1990-04-18
Publication date: 1991-09-12
Also published as: TW203104B; ZA902863B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Faerbung der Oberflaeche metallischer Materialien durch Ausbildung einer Oxidschicht; das zu faerbende Material wird einer Oberflaechenbehandlung mittels Plasma mit niedriger Temperatur in einer Atmosphaere unterworfen, welche wenigstens ein Gas enthaelt, dessen Molekuele Sauerstoffatome aufweisen. Die Erfindung eignet sich hauptsaechlich zur Faerbung von Platten und Blechen, insbesondere aus rostfreiem Stahl.{Metalloberflaeche; Faerben; Stahlbleche; Metallgegenstaende; Oxidschicht; Plasma; Gasatmosphaere; Gasmolekuele; Sauerstoffatome}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Färbung der Oberflächen metallischer Materialien durch Bildung einer Oxidschicht und insbesondere der Färbung ebener Gegenstände, wie Stahlbleche vorzugsweise aus rostfreiem Stahl und einen nach dem Verfahren hergestellten metallischen Gegenstand.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die Oberflächenfärbung metallischer Materialien, wie rostfreie Stahlbleche oder Stahlplatten, ist insbesondere für die Verwendung im Bauwesen erwünscht. Derartige gefärbte Gegenstände können als Dacheindeckungen oder Wandbedeckungen von Gebäuden verwendet werden. Auch können derartige gefärbte Gegenstände für die Innendekoration verwendet werden sowie für Armaturen und verschiedene Haushaltsgegenstände usw.

Eine derartige Färbung kann erhalten werden durch Ausbildung einer Oxidschicht auf der Oberfläche des Materials und mit Hilfe von Interferenzerscheinungen des Lichts. Die für ein bestimmtes Material erhaltene Färbung ist dabei eine Funktion der Dicke der aufgebrachten Schicht.

Die bekannten Färbeverfahren für rostfreien Stahl bestehen darin, diese Oxidschichten mittels chemischer Reaktionen aufzubringen, indem das zu färbende Material in eine oxidierende Lösung eingetaucht wird, welche z. B. Nitrat-Ionen, ChromatlonenoderPermanganat-lonenenthält(sieheUS-PS 4692191). Auch elektrojhemischeVerfahren können verwendet werden, um eine derartige Oberflächenoxidation zu erzielen.

Die Verwendung derartiger oxidierender Bäder erfordert jedoch sorgfältige Sicherheitsvorkehrungen im Hinblick sowohl auf das Personal als auch auf die Umwelt. Ferner greifet, derartige Bäder das Metall an, so daß nicht immer die ursprüngliche Oberflächenbeschaffenheit des Materials unbeschädigt bleibt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die produktions- und sicherheitstechnischen Aufwendungen zum Färben metallischer Materialien bei gleichzeitiger Steigerung der Qualitätsparameter zu reduzieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein schnelles und ungiftiges Verfahren zum Färben metallischer Materialien zu

schaffen, insbesondere für Bleche aus rostfreiem Stahl, bei der das zu färbende Material sein ursprüngliches Aussehen beibehält,z.B. ein glänzendes oder mattes Aussehen.

Ausgehend von einem Verfahren zur Färbung der Oberfläche eines metallischen Materials mittels Bildung einer Oxidschicht

gesteuerter Dicke auf dieser Oberfläche, wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß das metallische Material einer

Oberflächenbehandlung mittels eines Plasmas mit niedriger Temperatur unterworfen wird, in einer Atmosphäre, deren Druck

zwischen 0,1 und 1000Pa liegt und die wenigstens ein Gas enthält, dessen Moleküle Sauerstoffatome aufweisen und zwar im

Kontakt mit einer Materialquelle, die Elemente enthält, deren Oxide auf das zu färbende Material aufgebracht werden sollen,

wobei die Materialquelle negativ bezüglich des zu färbenden Materials gepolt wird und gegenüber der Oberfläche des zufärbenden Materials angeordnet wird.

Bei einem bevorzugten Ausführungsboispiel wird das Plasma mittels einer Elektrolumineszenzentladung zwischen einer Anode

und einer Kathode erzeugt, wobei die Kathode aus der Materialquelle besteht und die Anode aus dem zu färbenden Materialbestehen kann.

Vorteilhafterweise besteht die Atmosphäre aus einer Sauerstoff-Stickstoff-Mischung von 20-80Vol.-%. Mit dem Begriff Materialquelle wird in der vorliegenden Erfindung ein Bauteil verstanden, das eine Atomanhäufung bildet,

welche dazu dienen, in Form einer Oxidschicht auf dem zu färbenden Material abgeschieden zu werden.

Wie man sieht, besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, das Material in eine Kammer einzubringen, in der das

oxidierende Plasma enthalten ist. Das Plasma reizt Atome aus der Oberfläche der Materialquelle heraus, die sich mit dem

Sauerstoff des Plasma verbinden und auf der Oberfläche des zu färbenden Materials abgeschieden werden. Infolge von Lichtinterferenzerscheinungen zeigt die Materialüberfläche eine Färbung, die eine Funktion der Dicke der abgeschiedenen Oxidschicht ist und damit der Behandlungsdauer. Es ist bekannt, die Oberfläche von metallischen Materialien einer Plasmaoberflächenbehandlung in einer Atmosphäre zu

unterwerfen, welche aus einem Edelgas besteht, wie z.B. Argon. Bei einer derartigen Behandlung wird die negativ gepolte

Oberfläche des Materials mit Plasma-Ionen bombardiert, wodurch Oberflächenatome aus dem Material herausgeschlagen

werden.

In einer früheren Patentanmeldung der Anmelderin (FR 88 05 091) ist ein Verfahren beschrieben zur Verbesserung des Korrosionswiderstandes metallischer Materialien, wobei das zur behandelnde Material als Kathode einem Plasma ausgesetzt

wird, das durch Elektrolumineszenzentladung erhalten wird, d. h. in einer Atmosphäre mitgeringem Druck (von 0,1 bis 1000Pa).

Ein derartiges Plasma wird im allgemeinen als kaltes Plasma oder Plasma mit niedriger Temperatur bezeichnet, im Gegensatz

zu Plasmen für die Kernverschmelzung, die als heiße Plasmen bezeichnet werden.

Demzufolge ist auch ihr lonisationsgrad sehr gering (10~⁷ bis 10~³). Die elektrische Energie wird den in nur geringer Anzahl

vorliegenden Elektronen übertragen, welche jedoch sehr energiereich sind (1 bis 1OeV). Diese regen demzufolge dasaufzuheizende Gas an, dessen Temperatur von ungefähr 2C bis 700°C) reichen kann, wodurch zahlreiche angeregte Teilchenentstehen.

Es wurde nun gefunden, daß in dem Fall, in dem die Atmosphäre ein oxidierendes Gas enthält, selbst in nur geringem Maße, auf

der Anode eine Metalloxidschicht abgeschieden v/ird, die von Metallatomen aus der Kathode stammt. Diese Schicht färbt die

Materialoberfläche aufgrund von Lichtinterferenzerscheinungen, wobei dieses Ergebnis ähnlich demjenigen ist, das man mit

den chemischen und elektrochemischen Methoden erhält, wie sie bisher zur Färbung von metallischen Materialien üblich waren.

Ferner verändert das erfindungsgemäße Verfahren das ursprüngliche Aussehen der Materialoberfläche nicht, z. B. ein

glänzendes oder mattes Aussehen, im Gegensatz zu den eingangs erwähnten Verfahren, die die Oberfläche des Materialsangreifen.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel für eine kontrollierte Oxidabscheidung wird im folgenden gegeben. Das metallische Material, z. B. eine Platte aus rostfreiem Stahl, deren Oberfläche gefärbt werden soll, wird in eine Kammer eingegeben. Diese enthält ein Gas mit Sauerstoffatomen, das durch eine Elektrolumineszenzentladung (Glimmentladung) ionisiert werden kann, wobei letztere zwischen einer Kathode und einer ihr gegenüberliegenden Anode ausgebildet wird. Die Anode besteht aus dem zu färbenden Material und die Kathode ist im Kontakt mit der gasförmigen Atmosphäre der Behandlungskammer.

Die Kathode besteht aus einer Metallplatte aus einem Material, wie z. B. einem rostfreien ferritischen oder austenitischen Stahl, aus verchromten rostfreien Stahl, aus Titan, aus Aluminium usw. Allgemein läßt sich sagen, daß die Art des Kathodenmaterials die Zusammensetzung der Oxide bestimmt, die auf dem zu färbenden Stück abgeschieden werden. Mit einem rostfreien ferritischen Stahl besteht die Schicht aus Oxiden des Eisens und des Chroms. Mit einem rostceien austenitischen Stahl enthält die Schicht zusätzlich Nickeloxid. Mit einem verchromten Stahl besteht die abgeschiedene Schicht im wesentlichen aus Chromoxid. Mit Titan oder reinem Aluminium besteht die Schicht aus Titanoxid oder Aluminiumoxid. Die Auswahl der Art der abgeschiedenen Oxide auf dem zu färbenden Teil hängt von den gewünschten Eigenschaften für die Schicht ab, wie z. B. ihre Haftung oder ihre Korrosionsbeständigkeit.

Die Atmosphäre in der Behandlungskammer ist eine verdünnte Atmosphäre, d. h. mit einem Druck von 0,1 bis 1000 Pa. Sie enthält, wie bereits erwähnt, wenigstens spurenweise ein Gas mit einem Oxidationsvormögen, das leicht ionisierbar ist undz. B. ausgewählt ist aus Sauerstoff, Stickstoff, Luft, Kohlendioxid, Stickstoffoxide und Wasserdampf. Mischungen zwischen einem oder mehreren dieser Gase und einem Edelgas, wiez. B. Argon, sind ebenfalls einsetzbar. In der Praxis kann man künstliche Luft verwenden, d.h. eine Mischung mit 80Vol.-% Stickstoff und 20Vol.-% Sauerstoff. Die Verwendung natürlicher Luft vereinfacht die Probleme der Erzeugung eines niedrigen Drucks in der Kammer.

Die auf der Oberfläche des als Anode dienenden Materials erscheinende Farbe ist eine Funktion der Dicke der Oxidschicht. Diese Dicke liegt in der Größenordnung von einigen 100 Angström und hängt wiederum ab von:

- der Spannung zwischen der Anode und der Kathode, um die Entladung aufrechtzuerhalten, die von 200 bis 5000V reichen kann,

- der Stromdichte in der Anode, die von 1 bis lOOmA/cm² reichen kann,

- der Zeit, während der die Abscheidung erfolgt und die bis zu 60 Minuten reichen kann sowie

- dem Abstand zwischen Anode und Kathode, der von 1 mm bis mehreren Zentimetern reichen kann und vorzugsweise von 1 bis 50 mm reicht.

Für vorgegebene Behandlungsbedingungen läßt sich leicht experimentell feststellen, welche Farbe erhalten wird. Eine gleichmäßige Färbung hängt in erster Linie vom Zustand der Oberfläche des zu färbenden Materials ab, von der Gleichförmigkeit seiner Temperatur und von einer guten Ausrichtung der Parallelstellung zwischen dem Material und der Kathode. Hingegen hängt die Farbe nicht von der chemischen Zusammensetzung der Schicht ab. Die Dicke der Oxidschicht steigt wenn:

- die Behandlungszeit zunimmt,

- die Stromdichte der Anode zunimmt,

- die Spannung an den Elektroden zunimmt und

- der Abstand zwischen den Elektroden abnimmt.

Als Beispiel werden im folgenden die Färbungen der Oberfläche einer rostfreien Stahlplatte mit den Abmessungen 70mm χ 120 mm angegeben, welche in einer Atmosphäre mit 80 Vol.-% Stickstoff und 20 Vol.-% Sauerstoff beschichtet wurden bei einer Stromdichte von 30OmA (entsprechend einer Stromdichte von 3,6mA/cm²) bei einer Spannung zwischen den Elektroden von 1200V und einem Abstand von 10mm zur Kathode:

- Bei 2 bis 4 Minuten Behandlungsdauer: gelb bis gelb-rosa

- bei 5 bis 6 Minuten Behandlungsdauer: rot-violett

- bei 7 bis 12 Minuten Behandlungsdauer: dunkelblau bis hellblau

- bei 18 Minuten Behandlungsdauer: gelb

- bei 22 Minuten Behandlungsdauer: rosa

- bei 27 Minuten Behandlungsdauer: blau-grün

- bei 30 Minuten Behandlungsdauer: grün

- bei 60 Minuten Behandlungsdauer: rosa

Es ist auch möglich, bestimmte Muster auf die zu färbende Oberfläche aufzubringen mit Hilfe von Masken, mit denen i\e Zeiten verändert werden, mit denen die einzelnen Stellen der zu beschichtenden Oberfläche dem Plasma ausgesetzt werden und demzufolge durch Beeinflussung der Dicke dersie bedeckenden Oxidschichten. Geringe Nuancen lassen sich dadurch erzielen, daß die Kathode schräg zur zu färbenden Oberfläche gestellt wird, so daß der Abstand zwischen den Elektroden kontinuierlich variiert und dementsprechend auch die Dicke der auf der Anode abgeschiedenen Schicht. Wünscht man hingegen eine gleichförmige Färbung eines nicht ebenen Teils, so ist es erforderlich, eine Kathode derselben Ausgestaltung zu verwenden, die parallel zu dem zu färbenden Teil aufgestellt wird.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt; das zu färbende Material kann auch einfach gegenüber der als Kathode geschalteten Materialquelle aufgestellt werden, ohne selbst elektrisch in den Schaltkreis zur Elektrolumineszenzentladung eingeschaltet zu sein. Es ist auch möglich, das erforderliche Plasma niedriger Temperatur mit anderen Verfahren als mit der Elektrolumineszenzentladung zu erzeugen. Nur beispielsweise seien die Anregung der Atmosphäre mittels Mikrowellen oder Radiowellen genannt. In jedem Fall ist es jedoch erforderlich, daß die Materialquelle ein Potential aufweist, das kleiner als dasjenige des zu färbenden Materials ist.

Üblicherweise ist das derart gefärbte Material nicht dazu bestimmt, einer weiteren Oberflächenbehandlung unterworfen zu werden, durch welche die erhaltene Färbung abgedeckt würde. Aus diesem Grund eignet sich die Erfindung insbesondere für rostfreie Stähle, da hier eine weitere Behandlung bezüglich der Oberflächenbeibehaltung bei den üblichen Umgebungsbedingungen entfallen kann.

Claims

1. Verfahren zur Färbung der Oberfläche eines metallischen Materials mittels Bildung einer Oxidschichtgesteuerter Dickeauf dieserOberfläche,dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Material einer Oberflächenbehandlung mittels eines Plasmas mit niedriger Temperatur unterworfen wird in einer Atmosphäre, deren Druck zwischen 0,1 und 1 000 Pa liegt und die wenigstens ein Gas enthält, dessen Moleküle Sauerstoffatome aufweisen und zwar im Kontakt mit einer Materialquelle, die Elemente enthält, deren Oxide auf das zu färbende Material aufgebracht werden sollen, wobei die Materialquelle negativ bezüglich des zu färbenden Materials gepolt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma mit niedriger Temperatur erzeugt wird durch Elektrolumineszenzentladung zwischen einer Anode und einer Kathode, wobei die Kathode durch die Materialquelle gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode durch das zu färbende Material gebildet wird.

4. Verfahrennach Ansprüche 1 bis3,dadurch gekennzeichnet, daßdasG^isausgewähltwird aus Sauerstoff, Stickstoff, Luft, Stickstoffoxiden, Wasserdampf und deren Mischungen mit einem Edelgas.

5. Verfahren nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Spannung von 200 bis 5000V gearbeitet wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 2,3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Stromdichte an der Anode von 1 bis 100 mA/cm² gearbeitet wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 Ms 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Materialquelle und dem zu färbenden Material ein Abstand von 1 bis 50 mm eingehalten wird.

8. Metallischer Gegenstand, dessen Oberfläche gefärbt ist mittels einer Oxidschicht, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schicht dadurch erhalten ist, daß das zu färbende Material einem Plasma mit niedrigerTemperatur in einer Atmosphäre, deren Druck zwischen 0,1 und 1000Pa liegt, ausgesetzt wird, welche wenigstens ein Gas enthält, dessen Moleküle Sauerstoffatome aufweisen, und zwar in Kontakt mit einer Materialquelle, die Elemente enthält, deren Oxide auf das zu färbende Material aufgebracht werden sollen, wobei die Materialquelle negativ bezüglich des zu färbenden Materials gepolt ist.

9. Metallischer Gegenstand nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer Platte oder einem Blech besteht.

10. Metallischer Gegenstand nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß er aus rostfreiem Stahl besteht.