CN103031515A

CN103031515A - 一种制造色彩涂覆衬底的方法及色彩涂覆衬底

Info

Publication number: CN103031515A
Application number: CN201210379525.1A
Authority: CN
Inventors: B·R·安顿; J·S·赖斯
Original assignee: Vapor Technologies Inc
Current assignee: Vapor Technologies Inc
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2013-04-10
Also published as: RU2012141594A; EP2574686A1; CA2790503A1; BR102012024485A2; AR088049A1; US20130084465A1; JP2013076165A; CL2012002732A1

Abstract

一种制造色彩涂覆衬底的方法及色彩涂覆衬底，所述制造色彩涂覆衬底的方法包括将基层沉积在衬底上以形成第一涂覆衬底。然后，将氮化铬层沉积在所述第一涂覆衬底上以形成第二涂覆衬底。所述氮化铬的氮原子百分数小于约45原子百分数。

Description

一种制造色彩涂覆衬底的方法及色彩涂覆衬底

技术领域

在至少一个方面，本发明涉及具有银或不锈钢外表的涂覆衬底。

背景技术

为了装饰用途而使金属部分金属化通常使用多种湿化学技术来实现。这些应用的实例包括浴室应用（例如，水龙头）、汽车应用等。对于这些应用而言，一种尤其有用的涂覆工艺涉及将铬涂敷到衬底表面。

现有技术镀铬工艺首先要对衬底进行清洗和漂洗。在典型工艺中，会先将衬底沉浸在镀铬槽中，随后施用电流来开始涂覆工艺。就此，已知的是同时使用三价铬和六价铬的工艺。三价铬和六价铬电镀方法并不理想，因为此类工艺难以处理、成本较高并且管制严格。

因此，涂覆金属衬底而不使用三价或六价铬的改进方法是必要的。

发明内容

在至少一个实施例中，本发明通过提供一种制造色彩涂覆衬底的方法解决了现有技术中的一个或多个问题。所述方法包括提供待涂覆的衬底的步骤。然后，将基层沉积在所述衬底上以形成第一涂覆衬底。接着，将氮化铬层沉积在所述第一涂覆衬底上以形成所述色彩涂覆衬底。所述方法的特征在于，所述氮化铬层的氮原子百分数小于约45原子百分数。

在另一个实施例中，提供一种在阴极电弧沉积系统中制造色彩涂覆衬底的方法。所述方法的特征在于，所述阴极电弧沉积系统包括置于沉积室中的含铬金属靶，以及置于所述沉积室中的至少一个衬底。所述方法包括将惰性气体引入所述沉积室，随后在所述沉积室中引发电弧，以将铬从所述含铬金属靶中去除。将该金属沉积在所述衬底上，从而在所述衬底上形成铬基层。将氮气引入所述沉积室，以将氮化铬沉积在所述基层上，从而形成所述色彩涂覆衬底。所述氮化铬的氮原子百分数小于约45原子百分数。

本发明的另一个实施例提供了一种色彩涂覆衬底，包括：衬底；设置在所述衬底上方的铬基层；以及设置在所述基层上方的氮化铬层，所述氮化铬层的氮原子百分数小于约45原子百分数。

附图说明

图1是示出了一种制造色彩涂覆衬底的方法的示意流程图；以及

图2是用于涂覆衬底的阴极电弧涂覆设备的示意图。

具体实施方式

现将详细参考本发明目前优选的组合、实施例和方法，所述组合、实施例和方法构成发明人目前已知的实践本发明的最佳模式。附图不必按比例绘制。但应理解，所披露的实施例只是本发明的示例性实施例，其可以通过多种形式和替代形式实施。因此，本文中所披露的具体细节并非解释为限定性的，而只是表示本发明任一方面和/或用于教示所属领域的技术人员以多种方式使用本发明。

除非在实例中或另外明确指明，否则本说明书中表示材料的量或者反应和/或使用条件的所有数量都应理解为在描述本发明的最大范围时使用字词“约”进行修饰。通常优选的是，在所述数值限制范围内进行实践。此外，除非明确说明情况相反，否则：百分数、“……的部分”以及比值均按重量计算；如果将一组或一类材料描述成适用于或优选用于本发明的指定目的，则表示该组或该类材料中任何两种或更多材料的混合物是同样适用的或优选的；使用化学术语描述的成分是指，添加到说明书中指定的任何组合时的成分，而不必排除混合之后混合物的成分之间发生的化学反应；缩略词或其他缩写词的第一次定义适用于随后在本文中使用的所有相同缩写词，并且根据初次定义的缩写词的正常语法变化进行修正；以及，除非明确说明情况相反，否则，对性质的测量由此前或此后所提到的用于这种性质的同种技术来确定。

还应理解，本发明并不限于下文描述的具体实施例和方法，因为具体部件和/或条件显然可以是不同的。此外，本文中使用的术语只用于描述本发明的特定实施例，而并不旨在限制本发明。

必须注意，除非本文中另外指明，否则说明书和所附权利要求书中使用的单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数形式。例如，提及采用单数形式的部件旨在包括多个部件。

在本发明的多种实施例中，使用物理蒸汽沉积（PVD）在衬底上形成不锈钢色或银色。这种色彩涂覆衬底用于装饰应用和耐蚀应用两者，其中实例包括，但不限于，管道部件（例如，水龙头、用于水龙头的圆形把手等）、汽车部件、消费性电子器件（例如，手机）以及消费性产品（例如，手表）。不锈钢色通过以下方式获得：将受控量的氮添加到铬中以制成氮化铬。银色通过以下方式获得：在PVD沉积期间，将极少量的氮添加到铬中以制成氮化铬，从而模拟这种银色。优选的是，将这些涂层涂敷到电镀镍，而非通常使用的六价铬。

参考图1，提供描绘一种制造涂覆衬底的方法的示意流程图。在步骤a）中，基层10沉积到衬底12上以形成第一涂覆衬底14。合适的基层的实例包括，但不限于，铬、镍、不锈钢、铝和阳极化铝。最后，在步骤b）中，将氮化铬16沉积在第一涂覆衬底14上以形成涂覆衬底20。所述方法特征在于，氮化铬层16的氮原子百分数小于45原子百分数。

在本实施例的变体中，基层和氮化铬通过物理蒸汽沉积进行沉积。可用沉积工艺的实例包括，但不限于，阴极电弧沉积、蒸发、喷镀等。发明人发现，阴极电弧沉积对于实施本实施例的方法尤其有用。

图2是用于沉积本发明的色彩涂覆衬底的电弧沉积系统的示意图。在电弧沉积系统20的运行期间，电弧被引发，从而致使气体（例如，氩、氦等）和阴极原子显著离子化，由此形成等离子。将离子化阴极金属离子从阴极区域引向涂覆有上述金属层或氮化物层的衬底。电弧沉积系统20包括阴极靶22，阴极靶置于真空室26内。铬靶用于本发明的多种实施例中。电弧沉积系统20包括至少一个阳极。在改进方案中，真空室26的壁28是阳极。所述系统的特征在于，阴极靶22是细长设计（例如，圆柱形或杆形）。还应了解，靶22的截面实际上可以是任何形状，例如包括，但不限于，圆形、三角形、正方形、五角形、六角形、椭圆形或不规则形状。通过合适的真空系统，如所述领域中已知的那样，通过端口30，在涂覆衬底期间，电弧沉积系统20维持在一定降压下。通常，运行压力在0.5和50mT之间。根据本发明的实施例，铬基层首先通过将惰性气体（例如，氩）引入真空室26而从阴极靶22形成。然后，将氮气引入，以便从阴极靶22形成氮化铬层。

衬底32置于衬底区34内，该衬底与阴极靶22之间的距离为d₁。在改进方案中，系统20包括螺旋电磁线圈38，该线圈同轴安装在阴极靶22周围。螺旋电磁线圈38由单独的线圈电源40提供动力。电磁线圈38可以进行电隔离，或者可以连接到真空室26。

控制系统42用于改变输入到阴极靶22每端的电流，同时使总电弧电流大体维持恒定，这样，到阴极靶22两端的电流可以在供应的总电弧电流的0%和100%之间变化。电弧电流直接关系到沉积率，并且可以被控制在50A和，例如，2000A之间，其中上限由靶的冷却效率确定。这可以通过以下方式实现：使用连接在阴极靶22每端的单独的电弧电源44、46以及控制器48以向单独的电弧电源44、46提供补偿定点信号。在一个替代变体中，可以采用具有两个补偿电流输出端的单个电弧电源。电弧引发器50用于引发电弧。

仍参考图2，电弧倾向于被吸引到阴极靶22正在接收总电流输入的较大部分的那端，因为阴极靶中存在电弧电流的自磁场。电弧沿阴极靶22在一个方向上移动的速度部分地取决于流入阴极靶22两端的电流之间的失衡程度。因此，可以通过以振荡方式改变阴极靶22两端之间的电流分配而沿着阴极靶22来回扫描电弧点。这样，就可以均匀地腐蚀阴极靶22，并且电弧可以持续地维持在阴极表面上，而非如同现有技术教示的那样，重复地再引发。传感器可以适当地置于阴极靶22的蒸发表面的每个端上，以在电弧点到达阴极靶22的蒸发表面的一端时提供信号，这时，电流分配可以逆向，以便沿阴极靶22的整个表面对电弧点进行自动扫描。

电磁线圈38可以与电弧电源44、46串联连接，以使电弧电流流经电磁线圈38，从而产生轴向磁场。由于线圈连接在电弧电源44、46的正输出端与阳极之间，并且由于总电弧电流是恒定的，因此输入到电磁线圈38的电流不受阴极靶22两端的电流变化影响。这种布置无需用于为电磁线圈38提供电力的单独电源，但所应用的磁场的强度不再具有单独可调性，除非通过选择电磁线圈38的节距。

在本实施例的一个变体中，色彩涂覆衬底的特征在于具有Lab色彩空间坐标为L*=85.3(±2.0)、a*=-0.10(±0.50)以及b*=0.20(±1.0)的银色。通常，氮化铬层中的氮原子百分数为约3%到8%。在改进方案中，氮化铬层中的氮原子百分数为约2%到7%。此外，氮化铬层的厚度通常为约0.05到0.15微米。

在另一个变体中，色彩涂覆衬底具有Lab色彩空间坐标为L*=75.0(±3.0)、a*=0.50(±0.50)以及b*=1.80(±1.0)的不锈钢色。在此变体中，氮原子百分数为约30%到45%。在此变体中，氮原子百分数为约32%到43%。在此变体的另一个改进方案中，氮化铬层的厚度为约0.05到0.15微米。

在又一个变体中，基层包括铬或镍。在此变体的一个改进方案中，基层的厚度为约0.05到0.5微米。

以下实例说明本发明的多种实施例。所属领域的技术人员将认识到在本发明的精神和权利要求书的范围内的许多变体。

实例I

不锈钢表壳通过喷砂处理工艺被磨光、纹理化成无光饰面，并且通过已知方法进行清洗。将纹理化表壳置于阴极电弧蒸镀容器中。该容器通常是圆柱形包封物，其容纳适于通过泵进行抽真空的真空室。氩气和氮气的源通过可调节阀连接到所述室，其中可调节阀用于改变氩和氮进入所述室的流率。

圆柱形阴极安装在所述室的中间并且连接到可变D.C.电源的负输出端。该电源的正侧连接到室壁。阴极材料包括铬。

所述壳安装在心轴上，心轴安装在围绕阴极外部的环上。整个环围绕阴极旋转，同时每个心轴也围绕其自身的轴线旋转，这样就产生所谓的行星运动，这种行星运动使得安装在每个心轴周围的多个部分均匀接触阴极。所述环通常以若干rpm进行旋转，而每个心轴在每次环旋转时进行若干次旋转。心轴与所述室电隔离并且设有可旋转接触件，以便在涂覆期间可以向衬底施加偏置电压。真空室被抽真空至约10^-5到10^-7托的压力，并且被加热至约150°C。

随后，表壳进行高偏置电弧等离子清洗，其中在各个部分上施加约-600伏的（负）偏置电压，同时在阴极上引发并保持约500安培的电弧。清洗时长为约5分钟。

以一定速率引入氩气，该速率足以维持约1到5毫托的压力。在三分钟时期内，将平均厚度为约0.10m的铬层沉积在表壳上。阴极电弧沉积工艺包括：将D.C.电源应用于阴极以获得约500安培的电流；将氩气引入容器以使容器中的压力维持在约1到5毫托，维持衬底偏置为-50伏；以及以上述行星方式旋转各个部分。

沉积铬层之后，将氮化铬基层沉积在铬层上。将氮流引入真空室中，同时以约500安培以及-50伏的衬底偏置继续进行电弧放电。为了改变涂层硬度，氮量应是总气流的50%到75%。该基层的厚度在0.20和0.50m之间。随后，氮流显著降低至总气流的2%到3%，以便沉积CrNx的最终色彩层，其中x=0.5到0.15。此最终层的厚度在0.05和0.15m之间。熄灭电弧，开放真空室，并且移除涂覆制品。涂层所得到的色彩是：L*=85.3(±2.0)、a*=-0.10(±0.50)以及b*=0.20(±1.0)（CIELAB，D65，10°观察角度），这样，该涂层就具有银或铝的白色金属外表。

实例II

将铜水龙头置于常规的浸渍除油剂槽中，该槽包含标准且为人熟知的肥皂、去垢剂、反絮凝剂等，其维持在约8.9到9.2的PH以及180°F到200°F的温度下约10分钟。随后，将铜水龙头置于常规的碱性超声波除油剂槽中。碱性超声波除油剂槽具有8.9到9.2的Ph，维持在约160°F到180°F的温度下，并且包含常规且为人熟知的肥皂、去垢剂、反絮凝剂等。进行超声波清洗之后，漂洗水龙头并且将其置于常规的碱性电解除油剂槽中。

电解除油剂槽维持在约140°F到180°F的温度、约10.5到11.5的pH下，并且包含常规的标准去垢剂。然后，将水龙头漂洗两次，并且置于常规的酸性激活剂槽中。酸性激活剂槽具有约2.0到3.0的pH，处于环境温度下，并且包含氟化钠基酸盐。随后，将水龙头漂洗两次，并且置于光亮镀镍槽中约12分钟。光亮镍槽通常是常规的槽，其维持在约130°F到150°F的温度、约4.0的pH下，包含NiSO₄、NiCl₂、硼酸以及光亮剂。平均厚度为约10m的光亮镍层沉积在水龙头表面上。随后，镀镍的水龙头使用研磨抛光轮进行纹理化，以在所有表面上形成定向擦刷纹理。真空室被抽真空至约10^-5到10^-7托的压力，并且被加热至约150°C。

然后，电镀的水龙头进行高偏置电弧等离子清洗，其中在各个部分上施加约-600伏的（负）偏置电压，同时在阴极上引发并保持约500安培的电弧。清洗时长为约5分钟。

以一定速率引入氩气，该速率足以维持约1到5毫托的压力。在三分钟时期内，将平均厚度为约0.20m的铬层沉积在镀镍的水龙头上。阴极电弧沉积工艺包括：将D.C.电源应用于阴极以获得约500安培的电流；将氩气引入容器以使容器中的压力维持在约1到5毫托，维持衬底偏置为-50伏；以及以上述行星方式旋转水龙头。

沉积铬层之后，将氮化铬色彩层沉积在铬层上。将氮流引入真空室中，同时以约500安培以及-50伏的衬底偏置继续进行电弧放电。为了改变涂层色彩，氮量应是总气流的50%到75%。此色彩层的厚度在0.10和0.25m之间。熄灭电弧，开放真空室，并且移除涂覆制品。涂层所得到的色彩是：L*=75.0(±3.0)、a*=0.50(±0.50)以及b*=1.80(±1.0)（CIELAB，D65，10°观察角度），这样，该涂层就具有不锈钢的外表。

尽管已说明和描述本发明的各个实施例，但这些实施例并不旨在说明和描述本发明的所有可能形式。相反，本说明书中使用的字词是说明性而非限制性的字词，并且应理解，可以在不违背本发明的精神和范围的情况下做出多种改变。

Claims

1.一种涂覆衬底以形成色彩涂覆衬底的方法，其特征在于，所述方法包括：

a）将基层沉积在所述衬底上以形成第一涂覆衬底；以及

b）将氮化铬层沉积在所述第一涂覆衬底上以形成色彩涂覆衬底，所述氮化铬层中氮的原子百分数小于约45原子百分数，其中所述基层和所述氮化铬层通过物理蒸汽沉积进行沉积。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述色彩涂覆衬底是银色，其Lab色彩空间坐标为L*=85.3(±2.0)、a*=-0.10(±0.50)以及b*=0.20(±1.0)。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氮化铬层中的所述氮原子百分数为约3%到8%。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氮化铬层中的所述氮原子百分数为约2%到7%。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氮化铬层的厚度为约0.05到0.15微米。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述色彩涂覆衬底是不锈钢色，其Lab色彩空间坐标为L*=75.0(±3.0)、a*=0.50(±0.50)以及b*=1.80(±1.0)。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氮化铬层中的所述氮原子百分数为约30%到45%。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氮化铬层中的所述氮原子百分数为约32%到43%。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氮化铬层的厚度为约0.10到0.25微米。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基层包括铬、镍、不锈钢、铝或阳极化铝。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基层的厚度为约0.05到0.5微米。

12.一种在阴极电弧沉积系统中制造色彩涂覆衬底的方法，所述阴极电弧沉积系统包括置于沉积室中的含铬金属靶，以及置于所述沉积室中的至少一个衬底，其特征在于，所述方法包括：

a）将惰性气体引入所述沉积室；

b）在所述沉积室中引发电弧，以将铬从所述含铬金属靶中去除并且沉积在所述衬底上，从而在所述衬底上形成铬基层；以及

c）将氮气引入所述沉积室，以将氮化铬层沉积在所述基层上，从而形成所述色彩涂覆衬底，所述氮化铬层的氮原子百分数小于约45原子百分数。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述色彩涂覆衬底是银色，其Lab色彩空间坐标为L*=85.3(±2.0)、a*=-0.10(±0.50)以及b*=0.20(±1.0)。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述氮化铬层中的所述氮原子百分数为约3%到8%。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述氮化铬层的厚度为约0.05到0.15微米。

16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述色彩涂覆衬底具有Lab色彩空间坐标为L*=75.0(±3.0)、a*=0.50(±0.50)以及b*=1.80(±1.0)的不锈钢色。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述氮化铬层中的所述氮原子百分数为约30%到45%。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述氮化铬层的厚度为约0.1到0.25微米。

19.一种色彩涂覆衬底，其特征在于，所述的色彩涂覆衬底包括：

衬底；

设置在所述衬底上方的铬基层；以及

设置在所述基层上方的氮化铬层，所述氮化铬层的氮原子百分数小于约45原子百分数。

20.根据权利要求19所述的色彩涂覆衬底，其特征在于，所述色彩涂覆衬底具有Lab色彩空间坐标为L*=85.3(±2.0)、a*=-0.10(±0.50)以及b*=0.20(±1.0)的银色。

21.根据权利要求20所述的色彩涂覆衬底，其特征在于，所述氮化铬层中的所述氮原子百分数为约3%到8%。

22.根据权利要求21所述的色彩涂覆衬底，其特征在于，所述氮化铬层的厚度为约0.05到0.15微米。

23.根据权利要求19所述的色彩涂覆衬底，其特征在于，所述色彩涂覆衬底具有Lab色彩空间坐标为L*=75.0(±3.0)、a*=0.50(±0.50)以及b*=1.80(±1.0)的不锈钢色。

24.根据权利要求23所述的色彩涂覆衬底，其特征在于，所述氮化铬层中的所述氮原子百分数为约30%到45%。

25.根据权利要求23所述的色彩涂覆衬底，其特征在于，所述氮化铬层的厚度为约0.1到0.25微米。