CH706408A2 - Composant comportant un revêtement décoratif. - Google Patents

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CH706408A2
CH706408A2 CH00874/13A CH8742013A CH706408A2 CH 706408 A2 CH706408 A2 CH 706408A2 CH 00874/13 A CH00874/13 A CH 00874/13A CH 8742013 A CH8742013 A CH 8742013A CH 706408 A2 CH706408 A2 CH 706408A2
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Dr Jean-Claude Puippe
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Steiger Galvanotechnique Sa
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Abstract

L’invention concerne un composant (1) comportant un substrat métallique (2), un revêtement (3) comprenant un métal valve revêtant tout ou partie du substrat (2), et une couche d’oxyde (4) obtenu par anodisation du revêtement (3), de telle sorte à générer une coloration du revêtement (3) par interférence. Le composant est destiné à des applications dans l’horlogerie, la joaillerie, la lunetterie, et médicale. Le composant selon l’invention présente une très bonne résistance à l’usure, a de bonnes propriétés tribologiques et est biocompatible. L’invention concerne également un procédé de fabrication du composant décrit ci-dessus. Ce procédé inclut une étape de formation du revêtement (3) par un procédé PVD, CVD pulvérisation cathodique, projection thermique, projection plasma ou un procédé d’éléctrodéposition et une étape de formation de la couche d’oxyde (4) d’une épaisseur contrôlée.

Description

Domaine technique
[0001] L’invention concerne un composant à base d’un métal valve pouvant être coloré, notamment un article décoratif tel qu’une pièce d’habillage pour l’horlogerie, la joaillerie ou la lunetterie. L’invention concerne également le même article pour des applications biomédicales.
Etat de la technique
[0002] La coloration d’une pièce en titane ou alliage de titane peut trouver application dans divers domaines. Ainsi, dans le domaine médical on utilise souvent des vis de titane, destinées à être vissées à l’intérieur du corps humain. De telles vis peuvent, à titre d’exemple, être utilisées pour la fixation d’une broche à un os. Ces vis peuvent être de formes et tailles différentes, les différences entre les vis pouvant être de très faibles dimensions pour une grande précision dans le choix des vis. Du fait de cette précision, les différences entre les vis ne sont pas forcément aisément visibles à l’œil nu. C’est pourquoi il est connu de proposer des vis en titane a utilisation chirurgicale de couleurs différentes en fonction de leur forme et de leurs dimensions, autrement dit de leurs côtes; la couleur permet de différentier les vis entre elles. De telles vis colorées peuvent être obtenues par un procède de coloration.
[0003] Les pièces d’habillage pour l’horlogerie en titane ou alliage de titane, telles que les boites, les carrures, les maillons de bracelet, les cadrans de montre ou analogues, peuvent également être colorées pour des raisons esthétiques.
[0004] La coloration d’une pièce en titane ou alliage de titane peut être obtenue par un procède d’oxydation anodique. Dans un tel procède, la pièce à colorer forme l’anode d’un dispositif d’électrolyse. Un potentiel est applique entre cette anode et une cathode et du courant est amené à passer entre les deux. S’ensuit une réaction d’oxydation a l’anode, qui a pour conséquence la formation d’une mince couche d’oxyde (du métal de la pièce) à la surface de la pièce. Une telle couche d’oxyde présente la propriété de se colorer à la lumière, par diffraction; la nature de la diffraction dépend en particulier de l’épaisseur de la couche d’oxyde, laquelle dépend de la différence de potentiel appliquée aux électrodes et de la durée pendant laquelle cette différence de potentiel est appliquée. Ainsi, en fonction de la différence de potentiel et de sa durée d’application, on peut former des pièces de colorations différentes lorsqu’elles sont exposées à la lumière visible.
[0005] Les couches d’oxyde ainsi formées sont cependant fragiles et peuvent s’enlever au moins partiellement de la pièce traitée, avec une perte de la coloration de la pièce. Afin de pallier à ce désavantage, les couches d’oxyde colorées peuvent être revêtues d’un film protecteur comprenant, par exemple, des oxydes tels que SiOx, AlO et MnO.
[0006] Dans JP 62 284 097, une portion d’une pièce d’habillage horloger est revêtue de titane qui est par la suite anodisé afin d’obtenir un film d’oxyde coloré à la surface de la portion revêtue en titane. Un film transparent est ensuite revêtu sur la pièce colorée afin protéger le film d’oxyde coloré. De tels films protecteurs peuvent cependant altérer la couleur de la couche d’oxyde. Des irrégularités dans la couleur sont également possibles dans le cas où le film protecteur n’est pas d’épaisseur uniforme.
Bref résumé de l’invention
[0007] Un but de la présente invention est de proposer un composant coloré exempt des limitations connues de l’état de la technique.
[0008] Un autre but de l’invention est de proposer composant coloré ayant une bonne résistance à l’usure et de bonnes propriétés tribologiques.
[0009] Selon l’invention, ces buts sont atteints notamment au moyen de l’objet des revendications dans les catégories correspondantes.
[0010] Ces buts sont également atteints notamment au moyen d’un composant comportant un substrat métallique, une couche comprenant un métal valve revêtant tout ou partie du substrat, et un film d’oxyde obtenu par anodisation de la couche, de telle sorte à générer une coloration de la couche par interférence.
[0011] Dans un mode de réalisation, le métal valve peut comprendre l’un des métaux: Ta, Ti, Al, Hf, Mg, Zr, Nb et W ou un alliage d’un ou d’une combinaison de ces métaux. De façon préférée, le métal valve comprend le Ta ou un alliage de Ta.
[0012] Dans un autre mode de réalisation, le substrat peut comprendre un métal valve qui peut comprendre l’un des métaux: Ta, Ti, Al, Hf, Mg, Zr, Nb et W, ou un alliage d’un ou d’une combinaison de ces métaux. Le revêtement peut avoir une épaisseur comprise entre 0.05 µm et 10 µm, mais préférablement entre 0.1 µm et 5 µm, ou entre 0.1 µm et 1 µm.
[0013] Encore dans un autre mode de réalisation, le substrat comprend un acier inoxydable, du laiton ou de l’aluminium ou un alliage d’aluminium, un plastique ou une céramique. Le revêtement peut avoir une épaisseur comprise supérieure à 1 µm.
[0014] La présente invention concerne également un procédé de fabrication du composant, comprenant: former le revêtement sur le substrat par un procédé PVD, CVD, pulvérisation cathodique, projection thermique, projection plasma, ou un procédé d’électrodéposition; et former une couche d’oxyde de sorte à ce que l’épaisseur de la couche d’oxyde soit contrôlée.
[0015] Le composant selon l’invention présente une très bonne résistance à l’usure, a de bonnes propriétés tribologiques et est biocompatible. Le revêtement coloré conservera son aspect initial et sa couleur originale même dans des conditions d’utilisation où le composant est sollicité en frottement et est soumis à des environnements corrosifs.
Brève description des figures
[0016] Des exemples de mise en œuvre de l’invention sont indiqués dans la description illustrée par la figure annexée illustrant schématiquement une coupe de l’article selon un mode de réalisation.
Exemple(s) de mode de réalisation de l’invention
[0017] Dans un mode de réalisation, un composant 1 est formé d’un substrat métallique 2 et un revêtement coloré 3 revêtant tout ou partie du substrat 2. Le revêtement coloré 3 comprend un métal valve dont au moins une portion comporte une couche d’oxyde 4. L’épaisseur de la couche d’oxyde 4 est ajustée de façon à obtenir une coloration interférentielle du revêtement 3. Le revêtement 3 peut comprendre un métal valve tel que le tantale (Ta), le zirconium (Zr), le niobium (Nb), le titane (Ti), l’aluminium (Al), le hafnium (Hf), le magnésium (Mg) et le tungstène (W). Le métal valve peut également comprendre un alliage d’un ou d’une combinaison d’au moins un des métaux ci-dessus. Le substrat 2 comprend également un métal valve tel que l’un des métaux ci-dessus, ou encore un alliage d’un ou d’une combinaison des métaux ci-dessus. Il va de soi que la composition du substrat n’est pas limitée aux métaux et alliages mentionnés ci-dessus mais peut également comprendre d’autres métaux, un plastique ou encore une céramique. De façon préférée, le revêtement 3 comprend le Ta ou un alliage de Ta. Encore de façon préférée, le revêtement 3 comprenant le Ta ou un alliage de Ta est formé sur le substrat 2 en titane ou un alliage de ce métal.
[0018] Le revêtement 3 peut être formé sur le substrat 2 à l’aide d’un procédé de déposition approprié, tel qu’un procédé de dépôt physique en phase vapeur (PVD), dépôt chimique en phase vapeur (CVD), CVD assisté par plasma, par pulvérisation cathodique, par projection thermique, par projection plasma, ou encore par un procédé d’électrodéposition dans un milieu liquide ionique ou la déposition par voie sol-gel.
[0019] La couche d’oxyde 4 peut être obtenue par un procédé d’anodisation, ou d’oxydation thermique, du revêtement 3, de telle sorte à ce que l’épaisseur de la couche 4 puisse être contrôlée de façon suffisamment précise pour pouvoir obtenir des couleurs d’interférence prédéfinies.
[0020] A titre d’exemple, le procédé d’anodisation peut comprendre une étape de préparer un électrolyte contenant un solvant polaire (tel que de l’eau ou un solvant organique) et un soluté (sel, acide ou base). La pièce à colorer (substrat 2 et revêtement 3) forme l’anode d’un dispositif d’électrolyse et un potentiel est appliqué entre cette anode et une cathode. Une réaction d’oxydation à l’anode a pour conséquence la formation d’une mince couche d’oxyde 4 (du métal valve du revêtement 3) à la surface du revêtement 3. Une telle couche d’oxyde 4 présente la propriété de se colorer à la lumière, par diffraction. La nature de la diffraction dépend en particulier de l’épaisseur de la couche d’oxyde 4, laquelle dépend de la différence de potentiel appliquée aux électrodes et de la durée pendant laquelle cette différence de potentiel est appliquée. Ainsi, en fonction de la différence de potentiel et de sa durée d’application, on peut former des pièces de colorations différentes lorsqu’elles sont exposées à la lumière visible. La tension d’anodisation peut donc être contrôlée de sorte à contrôler l’épaisseur de la couche d’oxyde 4.
[0021] La couche d’oxyde 4 procure au revêtement 3 une coloration, par diffraction de la lumière incidente dans cette couche d’oxyde 4. La coloration est fonction de la tension appliquée lors de l’étape d’oxydation anodique. Par exemple, dans le cas d’un électrolyte contenant de l’acide sulfurique 5%, une tension de 22V permet d’obtenir une couleur bleue, une tension de 30V permet d’obtenir une couleur bleue claire, etc.; c’est-à-dire permet de produire une couche d’oxyde d’épaisseur d’environ 2.5 nm par volt.
[0022] L’étape d’anodisation (réaction d’oxydation) peut être précédée d’une étape de dégraissage pour enlever les impuretés à la surface du revêtement 3 et une étape de rinçage. Le procédé d’anodisation peut également comprendre une étape de décapage pour enlever une couche d’oxyde préexistante à la surface du revêtement 3, possiblement suivie d’une étape de rinçage pour éliminer d’éventuels résidus du bain de décapage. L’étape d’anodisation peut être suivie d’une étape de rinçage pour éliminer d’éventuels résidus du bain d’oxydation.
[0023] Alternativement, la couche d’oxyde 4 peut être obtenue par un procédé d’oxydation thermique du substrat 2 avec le revêtement 3. Dans ce cas, la couleur du revêtement oxydé dépendra de la composition du gaz dans l’enceinte, de la température du traitement thermique et de la durée de ce traitement.
[0024] Lorsque le substrat 2 comprend un métal valve tel que le titane, le revêtement 3 peut avoir une épaisseur qui est comprise entre 0.05 µm et 10 µm. De façon préféré sur un tel substrat, le revêtement 3 a une épaisseur comprise entre 0.1 µm et 5 µm, ou encore entre 0.1 µm et 1 µm. Par exemple, le revêtement 3 peut avoir une épaisseur de 3.5 µm.
[0025] Le revêtement 3 en Ta ou en alliage de Ta avec la couche d’oxyde colorée 4 présente une très bonne résistance à l’usure. Le composant comprenant le revêtement en Ta ou en alliage de Ta avec la couche d’oxyde colorée 4, conservera son aspect initial et sa couleur originale même dans des conditions d’utilisation où le revêtement 3 est sollicité en frottement et/ou même soumis à des environnements corrosifs. Le revêtement 3 de l’invention se prête donc bien à des applications dans l’horlogerie, tel que l’habillage, ainsi que pour la joaillerie et la lunetterie. Le revêtement 3 en Ta ou en alliage de Ta a non seulement de bonnes propriétés tribologiques, mais il est aussi biocompatible. Le composant 1 revêtu d’un tel revêtement 3 sera donc adapté aux applications biomédicales. Par exemple, dans le cas d’une vis en titane comprenant le revêtement 3 de tantale avec la couche d’oxyde 4, le frottement entre la vis et une plaque de l’implant sera facilité.
[0026] Dans un autre mode de réalisation, le substrat 2 comprend un acier inoxydable, du laiton, de l’aluminium ou un alliage d’aluminium, ou encore un plastique ou une céramique. Dans ce cas, le revêtement 3 a préférablement une épaisseur supérieure à 1 µm. Sur un tel substrat, une épaisseur du revêtement 3 supérieure à 1 µm est nécessaire afin d’obtenir une bonne étanchéité du revêtement vis-à-vis du substrat 2, et rendre le revêtement 3 suffisamment conducteur de sorte à amener le courant d’anodisation sur toute la surface du substrat. Dans le cas de l’acier inoxydable, du laiton, de l’aluminium ou de l’alliage d’aluminium, une telle épaisseur du revêtement 3 est également nécessaire afin de minimiser la corrosion du substrat.
[0027] Dans un autre mode de réalisation, le revêtement 3 comprend une succession de couches du métal valve 3 en alternance avec la couche d’oxyde 4.
[0028] Encore dans un autre mode de réalisation, le revêtement peut comprendre plusieurs couches d’oxyde 4 de différentes épaisseurs de sorte à ce que le revêtement comprenne plusieurs couleurs. Par exemple, le procédé d’anodisation peut comprendre au moins deux étapes d’anodisation dont la première s’effectue sous une tension relativement élevée de manière à former une première couche d’oxyde relativement épaisse, et les étapes subséquentes sous une tension inférieure, après qu’au moins une portion de la couche d’oxyde précédente a été masquée. Dans les portions non masquées se forment donc des couches d’oxydes plus minces qui les font apparaître de couleurs différentes.

Claims (12)

1. Composant (1) comportant un substrat métallique (2), un revêtement 3 comprenant un métal valve revêtant tout ou partie du substrat (2), et une couche d’oxyde (4) obtenu par anodisation du revêtement (3), de telle sorte à générer une coloration du revêtement (3) par interférence.
2. Le composant (1) selon la revendication 1, dans lequel le métal valve comprend l’un des métaux: Ta, Ti, Al, Hf, Mg, Zr, Nb et W, ou un alliage d’un ou d’une combinaison de ces métaux.
3. Le composant (1) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le métal valve comprend le Ta ou un alliage de Ta.
4. Le composant (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le substrat (2) comprend un métal valve.
5. Le composant selon la revendication 4, dans lequel le substrat (2) comprend l’un des métaux: Ta, Ti, Al, Hf, Mg, Zr, Nb et W, ou un alliage d’un ou d’une combinaison de ces métaux.
6. Le composant (1) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le revêtement (3) a une épaisseur comprise entre 0.05 µm et 10 µm, mais préférablement entre 0.1 µm et 5 µm, ou entre 0.1 µm et 1 µm.
7. Le composant (1) selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel le substrat (2) comprend un acier inoxydable, du laiton ou de l’aluminium, un alliage d’aluminium, un plastique ou une céramique.
8. Le composant (1) selon la revendication 7, dans lequel le revêtement (3) a une épaisseur supérieure à 1 µm.
9. Le composant (1) selon l’une des revendications 1 à 8, destiné à des applications dans l’horlogerie, la joaillerie, la lunetterie, et médicale.
10. Procédé de fabrication d’un composant (1) selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant: former le revêtement (3) sur le substrat (2) par un procédé PVD, CVD, pulvérisation cathodique, projection thermique, projection plasma, ou un procédé d’électrodéposition; et former une couche d’oxyde (4) de sorte à ce que l’épaisseur de la couche d’oxyde soit contrôlée.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel former une couche d’oxyde (4) comprend anodiser le revêtement (3); la tension d’anodisation étant contrôlée de sorte à contrôler l’épaisseur de la couche d’oxyde.
12. Procédé selon la revendication 10, dans lequel former une couche d’oxyde (4) comprend un procédé d’oxydation thermique.
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