Procédé pour donner un effet décoratif à la surface d'un objet métallique
La présente invention a pour objet un procédé pour donner un effet décoratif à la surface d'un objet métallique, qui est caractérisé en ce qu'on soumet l'objet à un traitement pour faire grossir les grains ou apparaître la structure du métal, puis en ce qu'on oxyde l'objet de manière à obtenir des couches minces d'oxyde qui, par effet d'interférence, font apparaître sur la surface de l'objet des zones colorées.
On va décrire ci-après, à titre d'exemple, quelques façons de mettre en oeuvre ce procédé.
Les métaux pouvant être utilisés sont notamment
Ta, Ti, Nb, W, V, Zr, Hf et Al, ou leurs alliages.
On commence par soumettre l'objet à un traitement pour faire grossir les grains du métal, en vue d'utiliser les dessins formés par les grains dans le but d'obtenir un effet décoratif. Ce traitement peut être, par exemple, un traitement thermique ayant pour effet de rendre les cristaux visibles à l'oeil nu. Au lieu de procéder à une attaque thermique, on peut avoir recours à une déformation mécanique. On peut aussi soumettre l'objet alternativement à une suite de traitements thermiques et de déformations mécaniques (par exemple des laminages), en vue de donner aux grains certaines directions préférentielles. En outre, par une attaque chimique d'un métal ou alliage homogène ou non, on peut faire apparaître un dessin sur la surface de l'objet.
On procède ensuite à une oxydation de l'objet pour obtenir des couches minces d'oxyde, cette oxydation pouvant se faire anodiquement ou thermiquement. On donne ainsi au métal une couleur ou plusieurs couleurs différentes. Les grains sont orientés de différentes façons, soit au hasard, soit suivant une certaine texture. Suivant leur orientation, les grains peuvent avoir une couche d'oxyde plus ou moins épaisse et apparaître ainsi avec des couleurs différentes. Des couleurs différentes peuvent aussi être obtenues par l'oxydation d'un alliage hétérogène.
Dans le cas du Ti et du Ta, la couche d'oxyde est en soi incolore. Par oxydation anodique dans un bain adéquat, on peut faire varier l'épaisseur de la couche d'oxyde en fonction de la tension appliquée.
Si un rayon de lumière frappe cette couche d'oxyde, une partie est réfléchie sur la surface extérieure de la couche d'oxyde, tandis que l'autre partie pénètre dans la couche d'oxyde et y est réfractée. Il y a interférence entre les rayons réfléchis sur la surface extérieure de la couche d'oxyde et les rayons réfléchis sur la surface méc tallique sous-jacente qui ont été réfractés dans la. couche d'oxyde.
Considérons un rayon de lumière visible (incolore ou blanche ) comme composé d'un faisceau de rayons de couleurs différentes correspondant à des longueurs d'onde différentes. Ce rayon de lumière se divise donc en deux rayons qui sont perçus ensemble par l'oeil. L'un de ces rayons effectue un chemin plus long que l'autre.
Dès lors, les ondes du premier rayon vont se superposer à celles du second rayon avec un certain retard.
Si ce retard est égal à une demi-longueur d'onde (ou à un nombre impair de demi-longueurs d'onde) d'un des rayons composants, par exemple le vert, la superposition de l'onde du rayon vert du premier rayon et de l'onde du rayon vert du second rayon va provoquer l'annulation du rayon vert. La lumière perçue par l'oeil sera donc composée d'un faisceau de rayons de toutes les couleurs, moins le vert; la résultante ne sera donc plus incolore, mais aura la couleur donnée par la superposition de toutes les couleurs moins le vert, soit la couleur pourpre en l'occurrence.
En faisant varier la différence de chemins entre les deux rayons sortants, on peut la rendre égale à la demilongueur d'onde de l'un ou de l'autre des rayons composants de la lumière et annuler par conséquent la couleur correspondante. La lumière résultante apparaîtra chaque fois à l'oeil avec une couleur différente.
On peut modifier la différence de chemins et par conséquent la couleur:
a) soit en faisant varier l'épaisseur de la couche d'oxyde (en pratique: en faisant varier la tension lors de l'oxydation anodique, on obtient des couleurs diffé rentes)
b) soit en faisant varier l'angle d'incidence de la lumière sur la surface (en pratique: en observant une pièce en Ti ou Ta oxydé sous différents angles, la couleur parait changeante).
L'oxydation anodique du métal constituant l'objet se fait de préférence dans un bain composé d'un ou plusieurs oxyacides organiques, tels que l'acide lactique,
I'acide tartrique, I'acide ascorbique, etc., solubles dans l'eau.
Deux mélanges ont donné des résultats particulièrement bons, en particulier pour le Ti et le Ta:
- 10 /o d'acide tartrique,
- 10o/, d'acide lactique,
- 800/o d'eau, et
- 10o/, d'acide ascorbique,
- 10 o/, d'acide lactique,
- 8O0/o d'eau.
Pour effectuer l'oxydation anodique de l'objet, on procède avantageusement comme suit:
On dégraisse l'objet dans du trichloréthylène et le suspend comme anode dans le bain avec un fil métallique, par exemple en Ta. La cathode est, par exemple, en Ta. On agite ou non le bain, à la température ambiante. On applique la tension correspondant à la couleur désirée après avoir établi au préalable une gamme d'échantillons des couleurs correspondant aux tensions comprises, par exemple, entre 2 et 115 V pour le Ti. On rince à l'eau et essuie.
Par le procédé de l'épargne ou par effacement mécanique ou chimique partiel, on peut obtenir toute combinaison de couleurs désirée. La surface peut en outre subir un traitement mécanique ou une attaque chimique avant ou après oxydation.
Puisqu'il s'agit de couches minces d'oxyde, la résistance mécanique est liée à celle du métal. Des essais concluants ont été réalisés avec l'alliage dur: Ti, 6 Al, 4 V. En ce qui concerne la résistance chimique, on a constaté que ces oxydes sont très stables. Ils sont en particulier insensibles à l'eau, aux acides organiques, à la plupart des acides inorganiques, aux alcalis, aux gaz atmosphériques et à la lumière.
Pour obtenir un objet polychrome, par exemple en
Ti, on procède avantageusement comme suit:
On recuit le métal à haute température sous vide après déformation mécanique, ce qui provoque un très fort grossissement des grains. Ceux-ci deviennent visibles et forment un dessin géométrique irrégulier en relief sur la surface du métal. Ces grains sont orientés de façon désordonnée par rapport à la surface du métal; comme, de plus, ils sont anisotropiques, ils n'auront pas une réaction identique au cours de l'oxydation anodique. Il semble que pour certaines orientations l'oxydation soit plus rapide que pour d'autres, c'est-à-dire que, après un temps donné, l'épaisseur de la couche d'oxyde ne soit pas la même pour tous les grains, de sorte que ceux-ci apparaîtront avec des couleurs différentes, comme expliqué plus haut.
L'opération de recuit susmentionnée peut se faire, par exemple, comme suit: Vide de 10-4 Torr, température de 1300 à 15000 C suivant la grosseur de grain désirée, durée de traitement de 15 à 30 minutes suivant la grosseur de grain désirée.
L'oxydation anodique peut se faire comme expliqué plus haut. Au début de l'oxydation, la couche mince d'oxyde donne à la pièce une couleur uniforme. A partir d'une certaine épaisseur de la couche d'oxyde, les cristaux changent de couleur, les uns après les autres en désordre. Si l'on interrompt le passage du courant, le processus s'arrête et les cristaux gardent chacun la couleur qu'ils avaient au moment de la coupure du courant.
La décoration de la surface de l'objet peut être monochrome ou polychrome. Dans le premier cas, les couleurs sont reproductibles, car elles sont liées chacune à une tension déterminée. Dans le second cas, les dessins sont tous différents, mais les couleurs sont reproductibles, et l'opérateur peut réaliser une infinité de décors différents en faisant varier les paramètres sui vants: - température et durée du recuit: grosseur des grains, - tension finale: couleur, - vitesse de croissance de la tension: couleur.
Une couche de protection transparente peut être appliquée sur la surface de l'objet, en vue d'augmenter sa résistance à l'usure par frottement.
Les décors exclusifs obtenus sur la surface de l'objet sont originaux et sont du plus heureux effet au point de vue esthétique.
REVENDICATION I
Procédé pour donner un effet décoratif à la surface d'un objet métallique, caractérisé en ce qu'on soumet l'objet à un traitement pour faire grossir les grains ou apparaître la structure du métal, puis en ce qu'on oxyde l'objet de manière à obtenir des couches minces d'oxyde qui, par effet d'interférence, font apparaître sur la surface de l'objet des zones colorées.
SOUS-REVENDICATIONS
1. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que ledit traitement est un traitement thermique.
2. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que ledit traitement consiste en une déformation mécanique.
3. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que ledit traitement est constitué par une suite de traitements thermiques et de déformations mécaniques.
4. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'on fait apparaître un dessin par une attaque chimique d'un métal ou d'un alliage homogène ou non.
5. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que l'oxydation de l'objet se fait anodiquement.
6. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que l'oxydation de l'objet se fait thermiquement.
7. Procédé selon la sous-revendication 5, caractérisé en ce qu'on fait varier l'épaisseur de la couche d'oxyde et, par suite, la couleur, en modifiant la tension appliquée.
8. Procédé selon la sous-revendication 5, caractérisé en ce qu'on utilise un bain composé d'au moins un oxyacide organique soluble dans l'eau.
9. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'on applique une couche de protection transpa
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
Process for giving a decorative effect to the surface of a metal object
The present invention relates to a method for giving a decorative effect to the surface of a metal object, which is characterized in that the object is subjected to a treatment to make the grains grow or to show the structure of the metal, then in that the object is oxidized so as to obtain thin oxide layers which, by interference effect, cause colored zones to appear on the surface of the object.
A few ways of implementing this method will be described below by way of example.
The metals which can be used are in particular
Ta, Ti, Nb, W, V, Zr, Hf and Al, or their alloys.
The object is first subjected to a treatment to make the grains of the metal larger, with a view to using the patterns formed by the grains in order to obtain a decorative effect. This treatment can be, for example, a heat treatment having the effect of making the crystals visible to the naked eye. Instead of carrying out a thermal attack, one can resort to a mechanical deformation. The object can also be subjected alternately to a series of heat treatments and mechanical deformations (for example lamination), with a view to giving the grains certain preferred directions. In addition, by chemical attack of a homogeneous or non-homogeneous metal or alloy, a pattern can appear on the object surface.
The object is then oxidized to obtain thin oxide layers, this oxidation being able to be carried out anodically or thermally. This gives the metal a color or several different colors. The grains are oriented in different ways, either randomly or according to a certain texture. Depending on their orientation, the grains may have a more or less thick oxide layer and thus appear with different colors. Different colors can also be obtained by the oxidation of a heterogeneous alloy.
In the case of Ti and Ta, the oxide layer is per se colorless. By anodic oxidation in a suitable bath, the thickness of the oxide layer can be varied as a function of the applied voltage.
If a ray of light hits this oxide layer, one part is reflected off the outer surface of the oxide layer, while the other part penetrates and is refracted into the oxide layer. There is interference between the rays reflected on the outer surface of the oxide layer and the rays reflected on the underlying metal surface which have been refracted in the. oxide layer.
Consider a ray of visible light (colorless or white) as composed of a bundle of rays of different colors corresponding to different wavelengths. This ray of light is therefore divided into two rays which are perceived together by the eye. One of these rays travels a longer path than the other.
Therefore, the waves of the first ray will be superimposed on those of the second ray with a certain delay.
If this delay is equal to a half wavelength (or an odd number of half wavelengths) of one of the component rays, for example green, the superposition of the wave of the green ray of the first ray and wave of the green ray of the second ray will cause the cancellation of the green ray. The light perceived by the eye will therefore be composed of a beam of rays of all the colors, minus the green; the result will therefore no longer be colorless, but will have the color given by the superposition of all the colors minus the green, ie the color purple in this case.
By varying the difference in paths between the two outgoing rays, it can be made equal to the half wavelength of one or the other of the component rays of light and consequently cancel out the corresponding color. The resulting light will appear each time to the eye with a different color.
You can modify the path difference and therefore the color:
a) or by varying the thickness of the oxide layer (in practice: by varying the voltage during anodic oxidation, different colors are obtained)
b) or by varying the angle of incidence of light on the surface (in practice: by observing an oxidized Ti or Ta part from different angles, the color appears to change).
The anodic oxidation of the metal constituting the object is preferably carried out in a bath composed of one or more organic oxyacids, such as lactic acid,
Tartaric acid, ascorbic acid, etc., soluble in water.
Two mixtures gave particularly good results, in particular for Ti and Ta:
- 10 / o tartaric acid,
- 10o /, lactic acid,
- 800 / o water, and
- 10o /, ascorbic acid,
- 10 o /, lactic acid,
- 8O0 / o of water.
To carry out the anodic oxidation of the object, one proceeds advantageously as follows:
The object is degreased in trichlorethylene and suspended as an anode in the bath with a metal wire, for example Ta. The cathode is, for example, in Ta. The bath may or may not be stirred at room temperature. The voltage corresponding to the desired color is applied after having previously established a range of samples of the colors corresponding to the voltages included, for example, between 2 and 115 V for the Ti. Rinse with water and dry.
By the process of sparing or by partial mechanical or chemical erasure, any desired color combination can be obtained. The surface can also undergo mechanical treatment or chemical attack before or after oxidation.
Since these are thin oxide films, the mechanical strength is related to that of the metal. Conclusive tests have been carried out with the hard alloy: Ti, 6 Al, 4 V. With regard to chemical resistance, it has been found that these oxides are very stable. They are in particular insensitive to water, organic acids, most inorganic acids, alkalis, atmospheric gases and light.
To obtain a polychrome object, for example by
Ti, the procedure is advantageously as follows:
The metal is annealed at high temperature under vacuum after mechanical deformation, which causes very high grain growth. These become visible and form an irregular geometric design in relief on the surface of the metal. These grains are oriented in a disorderly manner relative to the surface of the metal; as, moreover, they are anisotropic, they will not have an identical reaction during anodic oxidation. It seems that for some orientations the oxidation is faster than for others, that is to say that, after a given time, the thickness of the oxide layer is not the same for all the grains , so that these will appear with different colors, as explained above.
The aforementioned annealing operation can be done, for example, as follows: Vacuum of 10-4 Torr, temperature of 1300 to 15000 C depending on the desired grain size, processing time of 15 to 30 minutes depending on the desired grain size .
The anodic oxidation can be carried out as explained above. At the start of oxidation, the thin oxide layer gives the part a uniform color. From a certain thickness of the oxide layer, the crystals change color, one after the other in disorder. If the current is interrupted, the process stops and the crystals each keep the color they had when the power was cut.
The decoration of the surface of the object can be monochrome or polychrome. In the first case, the colors are reproducible, because they are each linked to a determined voltage. In the second case, the designs are all different, but the colors are reproducible, and the operator can create an infinite number of different decorations by varying the following parameters: - temperature and duration of annealing: grain size, - final tension : color, - voltage growth rate: color.
A transparent protective layer can be applied to the surface of the object, in order to increase its resistance to frictional wear.
The exclusive decorations obtained on the surface of the object are original and are the happiest effect from an aesthetic point of view.
CLAIM I
Process for giving a decorative effect to the surface of a metallic object, characterized in that the object is subjected to a treatment to increase the grains or to show the structure of the metal, then in that the object is oxidized so as to obtain thin oxide layers which, by interference effect, cause colored zones to appear on the surface of the object.
SUB-CLAIMS
1. Method according to claim I, characterized in that said treatment is a heat treatment.
2. Method according to claim I, characterized in that said treatment consists of mechanical deformation.
3. Method according to claim I, characterized in that said treatment consists of a series of heat treatments and mechanical deformations.
4. Method according to claim I, characterized in that a pattern is shown by chemical attack on a metal or an alloy which is homogeneous or not.
5. Method according to claim I, characterized in that the oxidation of the object takes place anodically.
6. Method according to claim I, characterized in that the oxidation of the object takes place thermally.
7. Method according to sub-claim 5, characterized in that one varies the thickness of the oxide layer and, consequently, the color, by modifying the applied voltage.
8. Method according to sub-claim 5, characterized in that a bath composed of at least one organic oxyacid soluble in water.
9. Method according to claim I, characterized in that a transparent protective layer is applied.
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.