BR102022014545A2 - METHOD OF METAL FILM DEPOSITION BY SPRAYING - Google Patents
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Abstract
método de deposição de filme metálico por pulverização catódica. a presente patente de invenção revela um método de deposição de um filme metálico obtido a partir de alvos de ligas de aços inoxidáveis austeníticos, martensíticos ou ferríticos (fe-cr-ni-mn) através da técnica de pulverização catódica, sendo que o dito filme é preferencialmente utilizado como uma intercamada para promover a adesão entre um substrato e um outro revestimento, tal como uma tinta ou uma camada de cromo ou níquel que pode ser obtida através de eletrodeposição, por exemplo. vantajosamente o método da presente invenção permite ajustar e melhorar as variáveis de processo, tais como densidade de potência, distância amostra alvo e tempo de deposição a fim de promover melhor adesão entre o substrato e o filme de fe-cr-ni-mn.metal film deposition method by sputtering. The present invention patent discloses a method of deposition of a metallic film obtained from austenitic, martensitic or ferritic (fe-cr-ni-mn) stainless steel alloy targets through the cathodic spraying technique, with said film it is preferably used as an interlayer to promote adhesion between a substrate and another coating, such as a paint or a layer of chromium or nickel that can be obtained through electrodeposition, for example. Advantageously, the method of the present invention allows adjusting and improving process variables, such as power density, target sample distance and deposition time in order to promote better adhesion between the substrate and the fe-cr-ni-mn film.
Description
[0001] A presente patente de invenção revela um método de deposição de um filme metálico obtido a partir de alvos de ligas de aços inoxidáveis austeníticos, martensíticos ou ferríticos (Fe-Cr-Ni-Mn) através da técnica de pulverização catódica, sendo que o dito filme é preferencialmente utilizado como uma intercamada para promover a adesão entre um substrato polimérico e um outro revestimento, tal como uma tinta ou uma camada de Cromo ou Níquel que pode ser obtida através de eletrodeposição, por exemplo.[0001] The present invention patent discloses a method of deposition of a metallic film obtained from targets of austenitic, martensitic or ferritic stainless steel alloys (Fe-Cr-Ni-Mn) through the cathodic spraying technique, whereby said film is preferably used as an interlayer to promote adhesion between a polymeric substrate and another coating, such as a paint or a layer of Chrome or Nickel that can be obtained through electrodeposition, for example.
[0002] Vantajosamente, o método da presente invenção permite ajustar e melhorar as variáveis de processo, tais como densidade de potência, distância amostra alvo e tempo de deposição a fim de promover melhor adesão entre o substrato e o filme de Fe-Cr-Ni-Mn.[0002] Advantageously, the method of the present invention allows adjusting and improving process variables, such as power density, target sample distance and deposition time in order to promote better adhesion between the substrate and the Fe-Cr-Ni film -Mn.
[0003] A vasta utilização dos materiais poliméricos na vida cotidiana reflete o aumento do desenvolvimento de pesquisas e tecnologias nesta área. Alguns fatores justificam o uso de polímeros ao invés de outros materiais como metais e ou cerâmicos. Por exemplo, a substituição de metais por polímeros como o ABS (terpolímero de acrilonitrila-butadieno-estireno) tem o benefício de redução da massa e energia associada a produção e transporte sendo favorável do ponto de vista econômico.[0003] The wide use of polymeric materials in everyday life reflects the increased development of research and technologies in this area. Some factors justify the use of polymers instead of other materials such as metals and/or ceramics. For example, replacing metals with polymers such as ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene terpolymer) has the benefit of reducing the mass and energy associated with production and transportation, being favorable from an economic point of view.
[0004] No entanto, em muitas aplicações onde materiais poliméricos são empregados limita-se a gama de cores disponíveis de acordo com as características do material plástico escolhido. O polímero acrilonitrila butadieno estireno, conhecido como ABS, por exemplo, é normalmente injetado na cor branca e para que seja possível alterar sua cor são necessários aditivos em sua composição durante a injeção. Contudo, existem limitações no espectro de cores, principalmente em relação as cores metalizadas, tendo em vista à baixa afinidade das caraterísticas físico- químicas das cadeias poliméricas como a composição utilizada em tintas.[0004] However, in many applications where polymeric materials are used, the range of colors available is limited according to the characteristics of the chosen plastic material. The polymer acrylonitrile butadiene styrene, known as ABS, for example, is normally injected white and in order to change its color, additives are needed in its composition during injection. However, there are limitations in the color spectrum, mainly in relation to metallic colors, given the low affinity of the physicochemical characteristics of polymer chains such as the composition used in paints.
[0005] Em suma, não é possível pintar diretamente o ABS e outros polímeros sem um tratamento prévio de sua superfície.[0005] In short, it is not possible to directly paint ABS and other polymers without previously treating their surface.
[0006] Assim, a busca por tratamentos de superfície como alternativa para melhorar propriedades físicas e características estéticas de polímeros vem se tornando cada vez maior, uma vez que tratamentos conferem ao polímero mais aplicações voltadas para revestimentos decorativos, tendo em vista que conferem uma superfície brilhante e agradável, e de revestimentos funcionais, proporcionando boa condutividade elétrica.[0006] Thus, the search for surface treatments as an alternative to improving physical properties and aesthetic characteristics of polymers has become increasingly greater, since treatments give the polymer more applications aimed at decorative coatings, given that they provide a surface bright and pleasant, and functional coatings, providing good electrical conductivity.
[0007] Em diversos setores da indústria, a metalização de materiais poliméricos é amplamente utilizada como um tratamento de superfície, uma vez que esta técnica promove a combinação das propriedades de ambos os materiais, metálico e polimérico.[0007] In several industry sectors, the metallization of polymeric materials is widely used as a surface treatment, since this technique promotes the combination of the properties of both metallic and polymeric materials.
[0008] Para atender a essa demanda algumas técnicas para metalização são empregadas, destacando-se os processos químicos CVD (chemical vapor deposition) e a galvanoplastia para a sintetização de filmes finos inorgânicos, os quais, desvantajosamente, produzem resíduos tóxicos prejudiciais à saúde humana e ao meio ambiente, tal como cromo hexavalente.[0008] To meet this demand, some metallization techniques are used, highlighting the chemical processes CVD (chemical vapor deposition) and electroplating for the synthesis of inorganic thin films, which, disadvantageously, produce toxic residues harmful to human health. and the environment, such as hexavalent chromium.
[0009] Este tipo de resíduo é bastante comum nas indústrias de metalização por via química e que está em processo de banimento do uso em muitos países. Além do cromo outros elementos nocivos como cádmio, zinco, níquel, sulfatos e cianetos também estão presentes na metalização e, por consequência, precisam de descarte especial e tratamento dos efluentes após o processo de galvanoplastia.[0009] This type of waste is quite common in chemical metallization industries and is in the process of being banned from use in many countries. In addition to chromium, other harmful elements such as cadmium, zinc, nickel, sulfates and cyanides are also present in metallization and, consequently, require special disposal and treatment of effluents after the electroplating process.
[0010] O processo de eletrodeposição ou galvanização é atualmente o mais utilizado no setor de materiais sanitários e automobilística. Apesar dos filmes obtidos por processos químicos apresentarem alta qualidade com controles estruturais precisos no nível atômico, esta é uma técnica considerada ultrapassada e que também gera demasiados resíduos, como gases tóxicos, corrosivos e inflamáveis, que causam danos ambientais e à saúde humana. Além do que, as técnicas de CVD geralmente não devem ser usadas em substratos poliméricos de baixa resistência a degradação térmica, devido a deposição ocorrer em alta temperatura.[0010] The electrodeposition or galvanization process is currently the most used in the sanitary materials and automobile sector. Although films obtained by chemical processes present high quality with precise structural controls at the atomic level, this is a technique considered outdated and which also generates too much waste, such as toxic, corrosive and flammable gases, which cause environmental damage and human health. Furthermore, CVD techniques should generally not be used on polymeric substrates with low resistance to thermal degradation, due to deposition occurring at high temperatures.
[0011] Outro tratamento de superfície do estado da técnica é o PVD (physical vapor deposition), técnica amplamente utilizada para a deposição de filmes metálicos finos sobre diversos tipos de substratos que supera alguns dos inconvenientes ocasionados pelos processos químicos, uma vez que tem como característica temperaturas mais baixas de processamento, sendo este método propício para deposição de filmes em substratos poliméricos com baixa resistência térmica.[0011] Another state-of-the-art surface treatment is PVD (physical vapor deposition), a technique widely used for the deposition of thin metallic films on different types of substrates that overcomes some of the inconveniences caused by chemical processes, since it has the lower processing temperatures are characteristic, this method being suitable for deposition of films on polymeric substrates with low thermal resistance.
[0012] O processo PVD ocorre dentro de uma câmara sob vácuo, onde o material a ser depositado é inicialmente vaporizado e ionizado formando um plasma. Por diferença de potencial, os íons, de forma pura ou combinados com átomos de nitrogênio e/ou carbono, são atraídos para a superfície das peças a serem revestidas.[0012] The PVD process takes place inside a vacuum chamber, where the material to be deposited is initially vaporized and ionized forming a plasma. Due to the potential difference, the ions, in pure form or combined with nitrogen and/or carbon atoms, are attracted to the surface of the parts to be coated.
[0013] Dentre os processos PVD, tem-se a técnica Sputtering que vem sendo estudado desde o século XIX, e tem por característica a aceleração pelo campo elétrico do íon presente no plasma em direção ao catodo, o qual é denominado alvo. Alguns fenômenos podem ocorrer durante o processo, a depender da energia do íon e da natureza do alvo, por exemplo: - O íon é refletido, e neutralizado no processo; - A ejeção de elétrons do alvo causado pelo impacto do íon, sendo chamados de elétrons secundários;- A implantação iônica, quando o íon penetra o alvo; - Rearranjo na estrutura do material causado pelo impacto do íon, podendo ser a mudança na posição dos átomos, criação de lacunas e defeitos de rede; - Ou o fenômeno de sputtering efetivamente, com a colisão em cadeia dos átomos do alvo e ejeção de alguns desses.[0013] Among the PVD processes, there is the Sputtering technique, which has been studied since the 19th century, and its characteristic is the acceleration by the electric field of the ion present in the plasma towards the cathode, which is called target. Some phenomena may occur during the process, depending on the energy of the ion and the nature of the target, for example: - The ion is reflected and neutralized in the process; - The ejection of electrons from the target caused by the impact of the ion, called secondary electrons; - Ionic implantation, when the ion penetrates the target; - Rearrangement in the structure of the material caused by the impact of the ion, which may be the change in the position of the atoms, creation of gaps and network defects; - Or the phenomenon of sputtering effectively, with the chain collision of target atoms and ejection of some of them.
[0014] Assim, a formação de um filme no substrato é dada pela condensação dos átomos que foram ejetados pelo alvo. A morfologia do filme formado é influenciada primeiramente pela temperatura do substrato, e em segundo pela pressão da câmara de deposição. Os parâmetros de deposição, como tensão, corrente, potência elétrica e pressão, influenciam diretamente nas propriedades do filme formado.[0014] Thus, the formation of a film on the substrate is caused by the condensation of the atoms that were ejected by the target. The morphology of the film formed is influenced firstly by the temperature of the substrate, and secondly by the pressure of the deposition chamber. Deposition parameters, such as voltage, current, electrical power and pressure, directly influence the properties of the film formed.
[0015] A energia dos átomos ejetados do alvo e que atingem o substrato é outro importante fator na determinação da microestrutura dos filmes, uma vez que defeitos cristalinos podem ser criados ou eliminados, a densidade do filme pode ser modificada, níveis de tensão residual podem crescer ou diminuir, e assim influenciar diretamente em propriedades como aderência, refletividade e condutividade do filme.[0015] The energy of the atoms ejected from the target and reaching the substrate is another important factor in determining the microstructure of the films, since crystalline defects can be created or eliminated, the density of the film can be modified, residual stress levels can be grow or shrink, and thus directly influence properties such as adhesion, reflectivity and conductivity of the film.
[0016] Quando se trabalha com deposição de filmes metálicos em substrato polimérico a energia dos átomos que se depositam deve ser controlada, sendo principalmente observada pela temperatura da amostra, devido a tendência de degradação do polímero quando esta é alta. A evaporação de voláteis de baixa massa molar e modificação química do substrato, devido ao aumento da temperatura, podem influenciar diretamente a morfologia do filme obtido.[0016] When working with the deposition of metallic films on a polymeric substrate, the energy of the atoms that are deposited must be controlled, being mainly observed by the temperature of the sample, due to the tendency of polymer degradation when this is high. The evaporation of low molar mass volatiles and chemical modification of the substrate, due to the increase in temperature, can directly influence the morphology of the film obtained.
[0017] Outro ponto de atenção é a diferença entre os coeficientes de dilatação térmica entre os materiais usados, que pode influenciar na morfologia do filme, tendo em vista que se houver aquecimento e/ou resfriamento dos materiais durante o processo, tensões superficiais podem surgir quando houver uma diferença muito grande entre o coeficiente de dilatação térmica do substrato e do filme e podem provocar defeitos na sua superfície, tal como trincas com espessuras da ordem de 100 nm, observado na figura 1.[0017] Another point of attention is the difference between the thermal expansion coefficients between the materials used, which can influence the morphology of the film, considering that if there is heating and/or cooling of the materials during the process, surface tensions may arise when there is a very large difference between the coefficient of thermal expansion of the substrate and the film and can cause defects on its surface, such as cracks with thicknesses of the order of 100 nm, seen in figure 1.
[0018] Na tabela 1 é possível observar a diferença entre o coeficiente de dilatação térmica do aço inoxidável, cobre e do ABS. Tabela 1 - Coeficiente de dilatação térmica [0018] In table 1 it is possible to observe the difference between the coefficient of thermal expansion of stainless steel, copper and ABS. Table 1 - Thermal expansion coefficient
[0019] A técnica de sputtering se estende em diversos outros processos, que são nomeados de acordo com a origem e orientação do processo. Podem ser empregadas diversas fontes de energia no processo e, dependendo da configuração de energia a pressão de trabalho da câmara de processos varia. Algumas dessas variantes são DC sputtering, sputtering por radiofrequência, sputtering reativo, magnetron sputtering, entre outros.[0019] The sputtering technique extends into several other processes, which are named according to the origin and orientation of the process. Various energy sources can be used in the process and, depending on the energy configuration, the working pressure of the process chamber varies. Some of these variants are DC sputtering, radiofrequency sputtering, reactive sputtering, magnetron sputtering, among others.
[0020] O magnetron sputtering, consiste em introduzir um campo magnético na descarga através de um conjunto de ímãs permanentes colocados internamente ao catodo de forma a gerar um campo magnético com forte componente paralela à superfície do substrato. As trajetórias dos elétrons são definidas pelo campo elétrico entre o catodo e o anodo, ou seja, os elétrons são acelerados com alta velocidade em direção ao anodo.[0020] Magnetron sputtering consists of introducing a magnetic field into the discharge through a set of permanent magnets placed internally to the cathode in order to generate a magnetic field with a strong component parallel to the surface of the substrate. The trajectories of the electrons are defined by the electric field between the cathode and the anode, that is, the electrons are accelerated with high speed towards the anode.
[0021] Atualmente, são encontrados no estado da técnica, tratamentos que utilizam a técnica de pulverização catódica (magnetron sputtering) para alterar as propriedades da superfície e melhorar a força de ligação entre um material de substrato polimérico e um filme metálico, como, por exemplo, o documento de patente KR1020140038771, depositado em 21/09/2012, intitulado de “Método para depositar filme fino metálico em um substrato”.[0021] Currently, treatments that use the magnetron sputtering technique to change surface properties and improve the bond strength between a polymeric substrate material and a metallic film are found in the state of the art, such as For example, patent document KR1020140038771, filed on 09/21/2012, entitled “Method for depositing metallic thin film on a substrate”.
[0022] O referido documento Coreano KR1020140038771 revela uma melhora na adesão entre um filme de cobre e um polímero devido as características da forma de onda do sinal da tensão elétrica, no entanto, desvantajosamente, o processo utiliza uma densidade de potência de 10W/cm2 a 10kW/cm2, o que exige elevado consumo de energia. Além disso, o documento revela uma espessura de revestimento de 400 nm, o que também aumenta o consumo de energia e, consequentemente, o tempo de deposição, bem como a quantidade de material.[0022] The aforementioned Korean document KR1020140038771 reveals an improvement in adhesion between a copper film and a polymer due to the waveform characteristics of the electrical voltage signal, however, disadvantageously, the process uses a power density of 10W/cm2 at 10kW/cm2, which requires high energy consumption. Furthermore, the document reveals a coating thickness of 400 nm, which also increases energy consumption and, consequently, the deposition time, as well as the amount of material.
[0023] Outro exemplo é o documento de patente CN104694878, depositado em 04/03/2015, que revela uma técnica de revestimento de decoração a vácuo de um material polimérico. O filme preparado pela técnica compreende principalmente uma camada de base de Cr por um processo de pulverização de magnetron de alta potência para melhorar a força de ligação filme-substrato, entretanto, o revestimento compreende uma espessura da camada de primer de Cr é de 0,5-2 μm, o que prejudica a adesão de uma camada de pintura posterior, bem como aumenta o tempo de produção e, consequentemente, os custos.[0023] Another example is patent document CN104694878, filed on 03/04/2015, which discloses a vacuum decoration coating technique for a polymeric material. The film prepared by the technique mainly comprises a Cr base layer by a high-power magnetron spraying process to improve the film-substrate bonding strength, however, the coating comprises a thickness of the Cr primer layer is 0. 5-2 μm, which impairs the adhesion of a subsequent paint layer, as well as increasing production time and, consequently, costs.
[0024] Assim, com o objetivo de sanar os problemas existentes no estado da técnica, a presente invenção revela o emprego de uma fina camada de Fe-Cr-Ni-Mn sobre a superfície de um polímero que é aderente ao substrato plástico, de modo a ampliar a possibilidade de modificação no espectro de cores da superfície do polímero através de aplicações de tintas e ou revestimentos obtidos por eletrodeposição sem comprometer a perda de adesão tinta/polímero.[0024] Thus, with the aim of solving the problems existing in the prior art, the present invention reveals the use of a thin layer of Fe-Cr-Ni-Mn on the surface of a polymer that is adherent to the plastic substrate, in in order to expand the possibility of modifying the color spectrum of the polymer surface through applications of paints and/or coatings obtained by electrodeposition without compromising the loss of paint/polymer adhesion.
[0025] É um objetivo da invenção fornecer um método de deposição de um filme metálico com parâmetros adequados capazes de reduzirem o tempo de deposição frente ao estado da técnica, ao mesmo tempo em que esses parâmetros promovem uma melhor adesão do filme ao substrato.[0025] It is an objective of the invention to provide a method of deposition of a metallic film with suitable parameters capable of reducing the deposition time compared to the state of the art, at the same time that these parameters promote better adhesion of the film to the substrate.
[0026] A redução no tempo de deposição, diminui o gasto energético do processo, bem como reduz a espessura do filme formado (aproximadamente 50 nm), o que, consequentemente, necessita menos matéria prima, ao mesmo tempo em que promove uma melhora da adesão de tintas e ou outros revestimentos que conferem cor ao polímero.[0026] The reduction in deposition time reduces the energy expenditure of the process, as well as reducing the thickness of the film formed (approximately 50 nm), which, consequently, requires less raw material, while at the same time promoting an improvement in the adhesion of paints and/or other coatings that give color to the polymer.
[0027] Além disso, a presente invenção contribui de forma significativa para uma melhora na resistência a corrosão e na degradação por luz ultravioleta ou infravermelho do polímero, pois o filme de Fe-Cr-Ni-Mn protege o polímero da radiação solar e/ou artificial.[0027] Furthermore, the present invention significantly contributes to an improvement in the corrosion resistance and degradation by ultraviolet or infrared light of the polymer, as the Fe-Cr-Ni-Mn film protects the polymer from solar radiation and/ or artificial.
[0028] Outro aspecto importante da invenção é que utiliza um processo ambientalmente limpo, uma vez que, diferente da galvanoplastia, não usa ácidos ou solventes para obter uma adesão da pintura melhorada na superfície de um substrato polimérico.[0028] Another important aspect of the invention is that it uses an environmentally clean process, since, unlike electroplating, it does not use acids or solvents to obtain improved paint adhesion on the surface of a polymeric substrate.
[0029] Assim, a presente invenção possibilita a modificação da cor das peças, produtos e ou utensílios conforme a aplicação e desejo da indústria utilizando tintas e ou revestimentos.[0029] Thus, the present invention makes it possible to modify the color of parts, products and/or utensils according to the application and desire of the industry using paints and/or coatings.
[0030] A figura 1 do estado da técnica ilustra uma trinca provocada devido a diferença do coeficiente de dilatação entre os materiais.[0030] Figure 1 of the prior art illustrates a crack caused due to the difference in the expansion coefficient between the materials.
[0031] A figura 2 do estado da técnica ilustra o equipamento utilizado para deposição do filme metálico por meio da técnica de pulverização catódica (magnetron sputtering).[0031] Figure 2 of the prior art illustrates the equipment used for deposition of the metallic film using the magnetron sputtering technique.
[0032] A figura 3 ilustra a análise de microscopia eletrônica para medir as espessuras dos filmes depositados em cinco pontos de cada amostra A01 a A04.[0032] Figure 3 illustrates the electron microscopy analysis to measure the thicknesses of the films deposited at five points of each sample A01 to A04.
[0033] A figura 4 ilustra a análise de microscopia eletrônica para medir as espessuras dos filmes depositados em cinco pontos de cada amostra A05 a A08.[0033] Figure 4 illustrates the electron microscopy analysis to measure the thicknesses of the films deposited at five points of each sample A05 to A08.
[0034] A figura 5 ilustra a propriedade refletiva após a deposição do filme, sendo possível observar o reflexo nítido da câmera na foto.[0034] Figure 5 illustrates the reflective property after deposition of the film, making it possible to observe the clear reflection of the camera in the photo.
[0035] A figura 6 ilustra o teste de determinação de aderência com corte em grade, para a amostra A10. A) Teste 1, b) Teste 2, c) Teste 3 e d) Ampliação por microscopia ótica evidenciando a adesão entre o filme de AISI 304 e o polímero.[0035] Figure 6 illustrates the adhesion determination test with grid cutting, for sample A10. A) Test 1, b) Test 2, c) Test 3 and d) Magnification by optical microscopy showing the adhesion between the AISI 304 film and the polymer.
[0036] A figura 7 ilustra o teste de determinação de aderência com corte em grade, para a amostra A11. A) Teste 1, b) Teste 2, c) Teste 3 e d) Ampliação por microscopia ótica evidenciando a adesão entre o filme de AISI 304 e o polímero.[0036] Figure 7 illustrates the adhesion determination test with grid cutting, for sample A11. A) Test 1, b) Test 2, c) Test 3 and d) Magnification by optical microscopy showing the adhesion between the AISI 304 film and the polymer.
[0037] A figura 8 ilustra a adesão entre o substrato e filme/tinta, usando o teste de determinação de aderência com corte em X, sendo a figura 8a relacionada a amostra com filme de AISI 304 entre a tinta e o ABS e a figura 8b sem o filme de AISI 304 entre a tinta e o ABS.[0037] Figure 8 illustrates the adhesion between the substrate and film/paint, using the X-cut adhesion determination test, with Figure 8a relating to the sample with AISI 304 film between the paint and ABS and Figure 8b without the AISI 304 film between the paint and the ABS.
[0038] A figura 9 ilustra o resultado alcançado com a utilização da intercamada metálica proposta pela presente invenção, sendo que a figura 9a refere-se a antes da corrosão e na figura 9b depois da corrosão.[0038] Figure 9 illustrates the result achieved with the use of the metallic interlayer proposed by the present invention, with figure 9a referring to before corrosion and figure 9b after corrosion.
[0039] A presente patente de invenção revela um método de deposição de um filme metálico através da técnica de pulverização catódica, sendo que o dito filme metálico é preferencialmente utilizado como uma intercamada para promover a adesão entre um substrato polimérico e um outro revestimento, tal como uma tinta ou uma camada de Cromo ou Níquel.[0039] The present invention patent discloses a method of deposition of a metallic film through the cathodic spraying technique, with said metallic film being preferably used as an interlayer to promote adhesion between a polymeric substrate and another coating, such as such as paint or a layer of Chrome or Nickel.
[0040] O método de deposição dos filmes utiliza um equipamento (E) configurado por uma câmara de descarga cilíndrica (1) de aço inoxidável com pelo menos duas janelas (2) para acoplamento de dispositivos e verificação dos processos. Um sistema de vácuo composto por uma bomba mecânica (3) e uma bomba turbomolecular (4), que ligadas em série permitem atingir pressão da ordem de 1,3 x 10-4 Pa (10-6Torr), além de um fluxo de argônio controlado por fluxímetros. O equipamento é ilustrado na Figura 2.[0040] The film deposition method uses equipment (E) configured by a cylindrical discharge chamber (1) made of stainless steel with at least two windows (2) for coupling devices and checking the processes. A vacuum system composed of a mechanical pump (3) and a turbomolecular pump (4), which, connected in series, allow a pressure of the order of 1.3 x 10-4 Pa (10-6Torr) to be achieved, in addition to an argon flow controlled by flow meters. The equipment is illustrated in Figure 2.
[0041] No interior do equipamento (E) é posicionado na parte superior o alvo, feito de aço inoxidável, com diâmetro de 100 mm, fixo ao magnetron (6) e na parte inferior da câmara fica posicionado o porta-amostras (7). A distância de separação entre a superfície do alvo e as amostras pode ser ajustada entre 5 à 30 cm.[0041] Inside the equipment (E), the target, made of stainless steel, with a diameter of 100 mm, is positioned in the upper part, fixed to the magnetron (6) and in the lower part of the chamber, the sample holder (7) is positioned. . The separation distance between the target surface and the samples can be adjusted between 5 and 30 cm.
[0042] O aço inoxidável é um material muito conhecido por possuir propriedades anticorrosivas e elevada resistência ao calor, sendo que o filme obtido a partir desse material mantém essas características. Assim, utilizando este material é possível obter filmes homogêneos de aço inoxidável com a composição química muito similar à do alvo, porém com menor tamanho de grãos na estrutura, o que retarda a formação e crescimento de processos corrosivos, principalmente corrosão por pitting (a mais comum em AISI 304), alterando a geometria e mecanismo de crescimento dos pits.[0042] Stainless steel is a material well known for having anti-corrosive properties and high heat resistance, and the film obtained from this material maintains these characteristics. Thus, using this material it is possible to obtain homogeneous stainless steel films with a chemical composition very similar to that of the target, but with a smaller grain size in the structure, which delays the formation and growth of corrosive processes, mainly pitting corrosion (the most common in AISI 304), changing the geometry and growth mechanism of the pits.
[0043] Durante o processo de deposição são utilizados parâmetros que configuram diferentes características para um mesmo revestimento metálico, tais como: tempo de deposição; potência; tensão; corrente elétrica; pressão; fluxo de gás e temperatura.[0043] During the deposition process, parameters are used that configure different characteristics for the same metallic coating, such as: deposition time; power; voltage; electric current; pressure; gas flow and temperature.
[0044] Assim, o método de deposição de um filme metálico por pulverização catódica da presente invenção compreende as seguintes etapas: a) Montar um substrato polimérico em um suporte de substrato localizado dentro de uma câmara de vácuo equipada com um alvo de aço inoxidável;b) Ajustar a distância de separação entre a superfície do substrato polimérico e a superfície do alvo de 5 à 30 cm; c) Remover os gases residuais do interior da câmara por meio de uma bomba de vácuo até atingir uma pressão de 1,0 à 3,0 x 10-4 Pa d) Introduzir um gás inerte na câmara de vácuo para manter a pressão interna constante de 0,5 a 10 mTorr; e) Ajustar uma fonte de alimentação para uma potência de 50 a 300 W, de modo a obter uma densidade de potência de 0,6 W/cm2 a 2,5 W/cm2 sobre o catodo magnetron sputtering; f) Aplicar a potência determinada na etapa e) por um período entre 5 a 35 minutos a temperatura ambiente.[0044] Thus, the method of deposition of a metal film by sputtering of the present invention comprises the following steps: a) Mounting a polymeric substrate on a substrate support located within a vacuum chamber equipped with a stainless steel target; b) Adjust the separation distance between the surface of the polymeric substrate and the surface of the target from 5 to 30 cm; c) Remove residual gases from the inside of the chamber using a vacuum pump until a pressure of 1.0 to 3.0 x 10-4 Pa is reached d) Introduce an inert gas into the vacuum chamber to maintain constant internal pressure from 0.5 to 10 mTorr; e) Adjust a power supply to a power of 50 to 300 W, in order to obtain a power density of 0.6 W/cm2 to 2.5 W/cm2 on the magnetron sputtering cathode; f) Apply the power determined in step e) for a period between 5 and 35 minutes at room temperature.
[0045] Em uma forma preferencial de realização da invenção, a bomba de vácuo é do tipo mecânica, turbo molecular ou difusora e a pressão interna na câmara de vácuo deve ser constante de 1 à 10 mTorr.[0045] In a preferred embodiment of the invention, the vacuum pump is of the mechanical, turbo molecular or diffuser type and the internal pressure in the vacuum chamber must be constant from 1 to 10 mTorr.
[0046] Em uma forma preferencial de realização da invenção, a densidade de potência aplicada à fonte de deposição via magnetron sputtering é de 0,6 W/cm2, já que com menores densidade de potência o consumo de energia é reduzido, diminuindo a quantidade de íons e a energia das espécies atômicas incidentes na superfície do cátodo, como consequência, ocorre uma diminuição na taxa de deposição devido a menor quantidade de átomos ejetados do alvo.[0046] In a preferred embodiment of the invention, the power density applied to the deposition source via magnetron sputtering is 0.6 W/cm2, since with lower power density energy consumption is reduced, reducing the amount of ions and the energy of the atomic species incident on the cathode surface, as a consequence, there is a decrease in the deposition rate due to the smaller number of atoms ejected from the target.
[0047] Dessa forma, a espessura do filme metálico depositado é de 50 a 400 nm, sendo preferencialmente 100 nm, tendo em vista que este valor reduzido de espessura resulta em uma adesão adequada entre um outro revestimento, tal como tinta, filme metálico e substrato. Além disso, menores espessuras resultam em menores tempos de deposição, o que, consequentemente, contribui para redução no consumo de energia do processo.[0047] In this way, the thickness of the deposited metallic film is 50 to 400 nm, preferably 100 nm, considering that this reduced thickness value results in adequate adhesion between another coating, such as paint, metallic film and substrate. Furthermore, smaller thicknesses result in shorter deposition times, which, consequently, contributes to a reduction in energy consumption in the process.
[0048] Em uma forma preferencial de realização da invenção, a distância de separação entre a superfície do substrato polimérico e a superfície do alvo é de 11 cm, sendo que esta distância, vantajosamente, proporciona melhora na adesão entre o filme metálico e o substrato polimérico, uma vez que a atenuação da energia dos átomos que estão sendo depositados é menor para distâncias menores.[0048] In a preferred embodiment of the invention, the separation distance between the surface of the polymeric substrate and the surface of the target is 11 cm, this distance advantageously providing improved adhesion between the metallic film and the substrate polymeric, since the attenuation of the energy of the atoms being deposited is smaller for shorter distances.
[0049] Ainda, no método de deposição da presente invenção é utilizado uma potência de 50 a 400 W, sendo preferencialmente 50, 100, 200 W ou 300 W, e um tempo de deposição de 5 a 35 minutos.[0049] Furthermore, in the deposition method of the present invention, a power of 50 to 400 W is used, preferably 50, 100, 200 W or 300 W, and a deposition time of 5 to 35 minutes.
[0050] A temperatura do processo é de 20 a 25°C, ou seja, o filme é depositado a temperatura ambiente, sem aquecimento auxiliar no substrato.[0050] The process temperature is 20 to 25°C, that is, the film is deposited at room temperature, without auxiliary heating on the substrate.
[0051] Na tabela 2 é possível observar a composição química do alvo de aço inoxidável, em porcentagem em peso atômico: Tabela 2 - Composição química do alvo em porcentagem em peso. [0051] In table 2 it is possible to observe the chemical composition of the stainless steel target, in percentage by atomic weight: Table 2 - Chemical composition of the target in percentage by weight.
[0052] Em outra forma de realização da invenção, pode-se utilizar um alvo com percentual em peso atômico de 100% Cobre, uma vez que este apresenta um resultado similar ao alvo de aço inoxidável, o que se torna vantajoso quando comparado a processos do estado da técnica que utilizam cobre por meio de rotas químicas, como, por exemplo, a galvanoplastia. Desse modo, na presente invenção, se faz o uso do Cobre via PVD magnetron sputtering, se tornando um processo mais limpo ambientalmente falando.[0052] In another embodiment of the invention, a target with an atomic weight percentage of 100% Copper can be used, since this presents a similar result to the stainless steel target, which becomes advantageous when compared to processes of the state of the art that use copper through chemical routes, such as, for example, electroplating. Therefore, in the present invention, Copper is used via PVD magnetron sputtering, becoming a cleaner process environmentally speaking.
[0053] Em uma forma de realização da invenção, o substrato é um material polimérico, tal como poli(estireno-co-acrilonitrila) - AES, Politereftalato de etileno - PET, Polibutileno Tereftalado - PBT, Poliamidas - PA6 e PA6.6, Policloreto de Vinila - PVC, Poliestireno de alto impacto - PSAI, Resinas acrílicas, polietileno - (PEAD e PEBD), Polipropileno-PP, resina poliéster e resina epóxi, sendo preferencialmente acrilonitrila-butadieno- estireno - ABS.[0053] In one embodiment of the invention, the substrate is a polymeric material, such as poly(styrene-co-acrylonitrile) - AES, Polyethylene terephthalate - PET, Polybutylene Terephthalate - PBT, Polyamides - PA6 and PA6.6, Polyvinyl chloride - PVC, High impact polystyrene - PSAI, Acrylic resins, polyethylene - (HDPE and LDPE), Polypropylene-PP, polyester resin and epoxy resin, preferably acrylonitrile-butadiene-styrene - ABS.
[0054] A descrição que se fez até aqui do objeto da presente invenção deve ser considerada apenas como uma possível ou possíveis concretizações, e quaisquer características particulares nelas introduzidas devem ser entendidas apenas como algo que foi escrito para facilitar a compreensão. Desta forma, não devem ser consideradas como limitantes da invenção, a qual está limitada ao escopo das reivindicações.[0054] The description that has been made so far of the object of the present invention should be considered only as a possible embodiment or embodiments, and any particular characteristics introduced therein should be understood only as something that was written to facilitate understanding. Therefore, they should not be considered as limiting the invention, which is limited to the scope of the claims.
[0055] Os exemplos que serão apresentados ilustram os alcances da invenção aqui proposta. Exemplo 1 - Caracterizações morfológicas do filme Através da técnica de microscopia eletrônica de varredura mediu-se as espessuras dos filmes depositados em cinco pontos de cada amostra, podendo ser observado na figura 2. O primeiro grupo de amostras foi trabalhado com tempo fixo e diferentes potências, como mostra a Tabela 3. Tabela 3- Condições de deposições para o primeiro grupo de amostrasAssim, com base nos valores apresentados na Tabela 4, é possível observar que a espessura do filme aumenta conforme a densidade de potência também é aumentada nas deposições, além de seguirem uma tendência de crescimento linear para as amostras 01 a 04. Tabela 4- Espessura média dos filmes para as amostras 01 a 04. Para o segundo grupo de amostras, mostradas na Tabela 5, foram obtidos filmes mais espessos, com aproximadamente 300 nm (figura 4), mantendo as mesmas potências usadas anteriormente. Tabela 5- Condições de deposições para o segundo grupo de amostras Através da tabela 6, observa-se que para o segundo grupo de amostras, foram obtidas maiores espessuras com as mesmas densidades de potência nas amostras 05 a 07, conforme era desejado. A amostra 08 apresentou espessura de filme menor, mas muito próxima a amostra 04, ambas depositadas com a maior densidade de potência usada, ou seja, 300W. Tabela 6- Espessura média dos filmes para as amostras 05 a 08.Exemplo 2 - Análise qualitativa dos filmes Os filmes produzidos não apresentaram defeitos macroscópicos visíveis, são espelhados (propriedade refletiva), sua cor é similar ao dos aços inoxidáveis polidos, que são características estéticas importantes para a aplicação em diversos produtos, conforme os requisitos de cada indústria. A propriedade refletiva pode ser observada na Figura 5, onde é possível observar o reflexo nítido da câmera na foto. Os aspectos de adesão dos filmes ao substrato foram analisados com o teste de determinação de aderência com corte em grade. O teste fornece um resultado qualitativo da adesão do revestimento ao polímero, e é muito utilizado por ser feito de maneira simples e resultado imediato. Foram usadas as amostras A10 e A11, condições de deposições na tabela 7, e o teste foi feito em triplicata para cada amostra, sendo o resultado observado nas figuras 6 e 7. Tabela 7- Condições de deposições para o terceiro grupo de amostras Conforme a referência da classificação do grau de adesão, mostrado na Tabela 8 a seguir, as amostras em geral são classificadas como Gr1, ou seja, apresentaram desplacamento do revestimento superior a 5% e inferior a 15% (NBR 11003:2009). Tabela 8 - Classificação do grau de adesão conforme NBR 11003:2009 Exemplo 3 - Análise de adesão entre o substrato e filme/tinta A análise de adesão entre o substrato e o filme/tinta foi realizada seguindo a NBR 11003:2009 que prescreve os métodos para determinação da aderência em tintas, pelo método A, corte em X, e pelo método B, corte grade. foram realizados testes de adesão entre um substrato polimérico de ABS e o filme metálico/tinta. O resultado é possível observar na figura 8, sendo a figura 8a relacionada a amostra com filme de AISI 304 entre a tinta e o ABS e a figura 8b sem o filme de AISI 304 entre a tinta e o ABS. Nota-se que na figura 8b houve um descolamento, uma vez que não foi depositado a intercamada metálica proposta pela presente invenção através da técnica de pulverização catódica. Exemplo 4 - Ensaio de névoa salina para análise de corrosão Para o ensaio de corrosão foi utilizado a norma NBR 8094 que prescreve o método para execução de ensaios de exposição à névoa salina, em materiais metálicos revestidos. Na figura 9 é possível observar o resultado alcançado com a utilização da intercamada metálica proposta pela presente invenção.Na figura 9a tem-se antes da corrosão e na figura 9b depois da corrosão, sendo possível notar que não houve degradação da superfície do filme metálico depositado após 240 horas de exposição a névoa salina.[0055] The examples that will be presented illustrate the scope of the invention proposed here. Example 1 - Morphological characterizations of the film Using the scanning electron microscopy technique, the thickness of the films deposited at five points of each sample was measured, which can be seen in figure 2. The first group of samples was worked with a fixed time and different powers , as shown in Table 3. Table 3- Deposition conditions for the first group of samples Thus, based on the values presented in Table 4, it is possible to observe that the film thickness increases as the power density is also increased in the depositions, in addition to following a linear growth trend for samples 01 to 04. Table 4- Thickness average of the films for samples 01 to 04. For the second group of samples, shown in Table 5, thicker films were obtained, with approximately 300 nm (figure 4), maintaining the same powers used previously. Table 5- Deposition conditions for the second group of samples Through table 6, it can be seen that for the second group of samples, greater thicknesses were obtained with the same power densities in samples 05 to 07, as desired. Sample 08 had a smaller film thickness, but very close to sample 04, both deposited with the highest power density used, that is, 300W. Table 6- Average film thickness for samples 05 to 08. Example 2 - Qualitative analysis of the films The films produced did not present visible macroscopic defects, they are mirror-like (reflective property), their color is similar to that of polished stainless steels, which are important aesthetic characteristics for application in various products, depending on the requirements of each industry. The reflective property can be seen in Figure 5, where it is possible to observe the clear reflection of the camera in the photo. The adhesion aspects of the films to the substrate were analyzed using the grid-cut adhesion determination test. The test provides a qualitative result of the adhesion of the coating to the polymer, and is widely used because it is simple to do and provides immediate results. Samples A10 and A11 were used, deposition conditions in table 7, and the test was carried out in triplicate for each sample, with the result observed in figures 6 and 7. Table 7- Deposition conditions for the third group of samples According to the reference for the degree of adhesion classification, shown in Table 8 below, the samples are generally classified as Gr1, that is, they showed coating peeling of more than 5% and less than 15% (NBR 11003:2009). Table 8 - Classification of the degree of adhesion according to NBR 11003:2009 Example 3 - Analysis of adhesion between the substrate and film/paint The analysis of adhesion between the substrate and the film/paint was carried out following NBR 11003:2009 which prescribes the methods for determining adhesion in paints, using method A, cut in X, and by method B, cut grid. adhesion tests were carried out between an ABS polymeric substrate and the metallic film/paint. The result can be seen in figure 8, with figure 8a relating to the sample with AISI 304 film between the paint and ABS and figure 8b without the AISI 304 film between the paint and ABS. It is noted that in figure 8b there was a detachment, since the metallic interlayer proposed by the present invention was not deposited using the cathodic spraying technique. Example 4 - Salt spray test for corrosion analysis For the corrosion test, the NBR 8094 standard was used, which prescribes the method for carrying out tests on exposure to salt spray on coated metallic materials. In figure 9 it is possible to observe the result achieved with the use of the metallic interlayer proposed by the present invention. In figure 9a it is shown before corrosion and in figure 9b after corrosion, it is possible to notice that there was no degradation of the surface of the deposited metallic film. after 240 hours of exposure to salt spray.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
BR102022014545-8A BR102022014545A2 (en) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | METHOD OF METAL FILM DEPOSITION BY SPRAYING |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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BR102022014545-8A BR102022014545A2 (en) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | METHOD OF METAL FILM DEPOSITION BY SPRAYING |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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BR102022014545A2 true BR102022014545A2 (en) | 2024-01-30 |
Family
ID=89985139
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
BR102022014545-8A BR102022014545A2 (en) | 2022-07-22 | 2022-07-22 | METHOD OF METAL FILM DEPOSITION BY SPRAYING |
Country Status (1)
Country | Link |
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BR (1) | BR102022014545A2 (en) |
-
2022
- 2022-07-22 BR BR102022014545-8A patent/BR102022014545A2/en unknown
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Legal Events
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---|---|---|---|
B03A | Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette] |