способ окрашивания поверхности металлического материала

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОКРАШИВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА, основанный на формировании оксидной пленки требуемой толщины на поверхности материала, отличающийся тем, что, с целью повышения качества окрашенной поверхности, формирование оксидной пленки осуществляют поверхностной обработкой металлического материала низкотемпературной плазмой при давлении в камере 0,1 - 10³ Па в атмосфере, содержащей по крайней мере один газ, молекула которого содержит атомы кислорода, причем в качестве катода используют распыляемый материал, образующий с атомами кислорода металлические окислы.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что низкотемпературную плазму воздают между анодом и катодом электролюминесцентным разрядом.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве анода используют окрашиваемый материал.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в качестве газа используют кислород, озон, воздух, окислы азота, водяной пар или их смеси с нейтральными газами.

5. Способ по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что электролюминесцентный разряд поддерживают при напряжении 200 - 5000 В.

6. Способ по пп.2, 3 и 5, отличающийся тем, что плотность тока на аноде выбирают в пределах 1 - 100 мА/см².

7. Способ по пп.1 - 6, отличающийся тем, что расстояние между окрашиваемым материалом и катодом поддерживают от 1 до 50 мм.

8. Способ по пп.1 - 7, отличающийся тем, что оксидную пленку наносят на пластину или листовой материал.

9. Способ по пп.1 - 8, отличающийся тем, что оксидную пленку наносят на нержавеющую сталь.

Приоритет по пунктам:

15.06.89 - по пп.1, 2 и 5;

18.04.89 - по пп.3, 4, 6, 7, 8 и 9.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу окрашивания поверхности металлических материалов путем образования окисной пленки. Оно целесообразно к применению для окраски плоских изделий, таких как стальной лист, в частности, из нержавеющей стали.

Поверхностная окраска металлических материалов, в частности листов или пластин из нержавеющей стали, находит применение в строительстве. Окрашенные таким образом детали используются для кровельных покрытий или для облицовки стен зданий. Такая окраска также применяется для элементов внутреннего украшения для узлов арматуры, для различных изделий для домашнего хозяйства и т.д.

Известно, что это окрашивание может быть получено благодаря образованию окисной пленки на поверхности материала и созданию явлений световых интерференций. Для данного материала наблюдаемый цвет является функцией толщины нанесенной пленки.

Обычно применяемые способы окрашивания нержавеющих сталей заключаются в создании окисной пленки путем химической реакции погружением окрашиваемого материала в окислительный раствор, такой как ванна, содержащая ионы нитратов, хроматов или перманганата (патент США N 4692191). Могут быть также использованы электрохимические способы для выполнения поверхностного окисления.

Использование таких окислительных ванн требует мер предосторожности для гарантирования безопасности операторов и во избежание загрязнения окружающей среды. С другой стороны, эти ванны агрессивны по отношению к металлу и не всегда позволяют сохранить начальное состояние поверхности материала.

Целью изобретения является быстрый и не загрязняющий среду способ окрашивания металлических материалов, в частности листа из нержавеющей стали, который позволяет, кроме того, окрашиваемому материалу сохранить его первоначальный внешний вид.

С этой целью металлический материал подвергают поверхностной обработке плазмой при низкой температуре в атмосфере, содержащей по крайней мере один газ, молекула которого содержит атомы кислорода, и в контакте с материалом-источником, содержащим элементы, которые наносят в виде окислов на окрашиваемый материал, причем указанный материал-источник отрицательно поляризован по отношению к окрашиваемому материалу и располагается напротив поверхности окрашиваемого материала.

В предпочтительном варианте осуществления плазма производится с помощью электролюминесцентного разряда между анодом и катодом, при этом катод образован материалом-источником, а анод может быть образован окрашиваемым материалом.

Предпочтительно атмосфера состоит из смеси кислорода и азота в соотношении 20-80 об.%.

Под выражением "материал-источник" понимают деталь, представляющую собой источник атомов, предназначенных для образования в окисленном виде слоя на окрашиваемом материале.

Способ заключается в помещении данного материала в емкость, содержащую окислительную плазму. Плазма вырывает атомы с поверхности материала-источника. В результате явлений световых интерференций поверхность этого материала приобретает окраску, которая зависит от толщины образованной оксидной пленки, следовательно, и от продолжительности обработки.

Известна поверхностная обработка поверхности металлических материалов плазмой в атмосфере, состоящей из редкого газа, такого как аргон. При такой обработке поверхность отрицательно поляризованного материала подвергается бомбардировке ионами плазмы, что вызывает вырывание поверхностных атомов материала.

В заявке на патент (Франции 88.05091), принадлежащей заявителю, описан метод улучшения коррозионной стойкости металлических материалов, при котором обрабатываемый материал помещают в виде катода в плазму, полученную путем электролюминесцентного разряда, следовательно, в атмосферу малого давления (менее 1000 Па). Образованная таким образом плазма относится к типу, обычно называемому "холодной" или "низкотемпературной", вопреки плазмам термоядерного синтеза, называемым "горячими" плазмами. Степень ее ионизации невелика (от 10^-7 до 10^-3). Электрическая энергия передается электронам, которые достаточно малочисленны, но очень энергоемки (от 1 до 10 эВ). Они возбуждают таким образом нагреваемый газ, температура которого может быть от 20 до примерно 700^оС, и создает возбужденные формы в большом количестве.

В случае, когда атмосфера содержит окислительный газ даже с малым содержанием, на аноде находят пленку из металлических окислов, образованных из атомов металла, поступающих с катода. Эта пленка окрашивает поверхность материала благодаря созданию световых интерференций, причем этот результат подобен тому, который получают с помощью химических и электрохимических методов, обычно применяемых для окрашивания металлических материалов. Кроме того, эта операция не нарушает начального внешнего вида поверхности материала (блестящего или атласного).

Для получения слоя окислов металлический материал, например пластину из нержавеющей стали, которую требуется окрасить, помещают в камеру. Последняя содержит газ, имеющий атомы кислорода и способный подвергаться ионизации от электролюминесцентного разряда, создаваемого между катодом и анодом, находящимися напротив друг друга. Анод образован самим окрашиваемым материалом, а катод находится в контакте с газовой атмосферой рабочей камеры.

Катод представляет собой металлическую пластину из такого материала, как ферритная или аустенитная нержавеющая сталь, хромированная нержавеющая сталь, титан, алюминий и т.д. В общем случае от природы материала катода зависит природа окислов, которые складываются на окрашиваемой детали. При ферритной нержавеющей стали слой состоит из окислов железа и хрома. При аустенитной нержавеющей стали слой образован главным образом окислами никеля. При хромированной стали слой состоит главным образом из окислов хрома. При чистых титане или алюминии нанесенный слой состоит из окислов титана или алюминия. Выбор природы окислов, нанесенных на окрашиваемую деталь, зависит от требуемых характеристик для наносимого слоя, таких как его сцепление или коррозионная стойкость.

Атмосфера в рабочей камере представляет собой разреженную атмосферу с давлением ниже 1000 Па. Она включает в виде следов газ, обладающий окислительной способностью и легко ионизируемый, следовательно, выбранный, например, среди кислорода, озона, воздуха, углекислого газа, окислов азота, водяного пара. Смеси между одним или несколькими из этих газов и нейтральным газом, таким как аргон, также могут использоваться. На практике можно использовать восстановленный воздух, то есть смесь, содержащую 80 об. % азота и 20 об.% кислорода. Применение природного воздуха упрощает проблему создания в камере пониженного давления.

Цвет, который появляется на поверхности материала, представляющего собой анод, зависит от толщины наносимого слоя окислов. Эта толщина составляет порядка нескольких сот ангстрем и зависит от напряжения, поддерживаемого между анодом и катодом для поддержания разряда, которое составляет 200-5000 В; от плотности тока в аноде, которая может составлять 1-100 мА/см²; от времени, в течение которого осуществляется осаждение, которое может доходить до 60 мин; от расстояния между анодом и катодом, которое может составлять от 1 мм до нескольких сантиметров, предпочтительно 1-50 мм.

Для данных условий обработки легко определить экспериментально получаемый цвет. Однородность цвета зависит от состояния поверхности окрашиваемого материала, равномерности его температуры и от правильного регулирования параллельности между материалом и катодом. Цвет не зависит от химического состава наносимого слоя.

Толщина окислов увеличивается, если увеличивается время обработки, плотность тока на аноде, напряжение на электродах, уменьшается расстояние между электродами.

П р и м е р. Поверхность пластины из нержавеющей стали размером 70 х 120 мм, подвергнутая в атмосфере 80% по объему азота и 20% кислорода воздействию тока в 300 мА (то есть плотность тока 3,6 мА/см²), при напряжении между электродами в 1200 В и расстоянии до катода в 10 мм, приобретает следующие цвета: для 2-4 мин обработки: от желтого до розовато-желтого; для 5-6 мин: красно-фиолетовый; для 7-12 мин: от темно-синего до бледно-синего; для 18 мин: желтый; для 22 мин: розовый; для 27 мин: сине-зеленый; для 30 мин: зеленый; для 60 мин: розовый.

Можно нарисовать узоры на окрашиваемом материале благодаря маскам, позволяющим модулировать время экспонирования воздействия плазмы различных участков образца, и в результате этого - толщину покрывающих их окислов. Можно получить разложенные цвета, располагая катод наклонно по отношению к образцу с тем, чтобы непрерывно изменять расстояние между электродами и соответственно толщину нанесенного слоя на аноде. С другой стороны, если требуется получить однородную окраску неплоской детали, требуется использовать катод такой же формы, который был бы расположен параллельно окрашиваемой детали.

Окрашиваемый материал может быть помещен напротив материала-источника, представляющего собой катод, без включения его самого в цепь получения электролюминесцентного разряда. Низкотемпературная плазма, требуемая для этого, может быть получена иначе, чем электролюминесцентный разряд. Можно возбудить атмосферу микроволнами или радиочастотой. Однако во всех случаях требуется подавать на материал-источник потенциал, меньший потенциала окрашиваемого материала.

Окрашенная деталь обычно не предназначена для последующей поверхностной обработки, которая закрыла бы полученную окраску. Именно поэтому данное изобретение применяется главным образом для нержавеющих сталей, для которых также виды обработки не являются обязательными для хорошего сохранения детали в окружающей атмосфере.