DE102004034767A1

DE102004034767A1 - Verfahren zur Metallisierung und Färbung nicht metallischer Substrate, dessen Verwendung sowie eingefärbte metallisierte Substrate

Info

Publication number: DE102004034767A1
Application number: DE200410034767
Authority: DE
Inventors: Marcel Dipl.-Ing. Bastiaanse; Martin Dipl.-Ing. Metzner; Nils Dipl.-Phys. Bonhoff
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-07-19
Filing date: 2004-07-19
Publication date: 2006-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Metallisierung und Färbung nicht-metallischer Substrate, welche eine farbige oder eingefärbte metallische oder metalloxidische Beschichtung erhalten. Das Verfahren beruht auf der Erzeugung einer haftfesten metallischen Schicht auf dem elektrisch nicht leitfähigen Untergrund. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die aufgebrachte metallische Schicht eingefärbt. Anwendungsgebiete für das erfindungsgemäße Verfahren sind die Verbesserung der dekorativen Eigenschaften verschiedenartiger Substrate sowie die Funktionalisierung der Oberflächen der Substrate. So werden beispielsweise in der Unterhaltungselektronik vermehrt Blenden und Gehäuse aus Gestaltungs- und Kostengründen aus Kunststoff hergestellt, mit dem Wunsch, eine hohe Wertanmutung durch ein metallisches Aussehen bei gleichzeitiger freier Farbauswahl zu erzielen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Metallisierung und Färbung nicht-metallischer Substrate, welche eine farbige oder eingefärbte metallische oder metalloxidische Beschichtung erhalten. Das verfahren beruht auf der Erzeugung einer haftfesten metallischen Schicht, auf dem elektrisch nicht leitfähigen Untergrund. In einem weiteren Verfahrensschritt wird die aufgebrachte metallische Schicht eingefärbt. Anwendungsgebiete für das erfindungsgemäße verfahren sind die Verbesserung der dekorativen Eigenschaften verschiedenartiger Substrate sowie die Funktionalisierung der Oberflächen der Substrate. So werden beispielsweise in der Unterhaltungselektonik vermehrt Blenden und Gehäuse aus Gestaltungs- und Kostengründen aus Kunststoff hergestellt, mit dem Wunsch, eine hohe Wertanmutung durch ein metallisches Aussehen bei gleichzeitiger freier Farbauswahl zu erzielen.

Das Metallisieren nicht metallischer Oberflächen findet unter Verwendung verschiedener Verfahren bereits seine Anwendung in der Elektronik-, der Kosmetik-, und der Schmuckindustrie sowie im Automobilbau. Insbesondere beim Metallisieren von Kunststoffen sind zwei grundlegend verschiedene Technologien großserientechnisch von Interesse.

Das Galvanisieren, d.h. die Metallabscheidung aus wässrigen oder aprotischen Medien sowie aus Salzschmelzen, ermöglicht abhängig von den verwendeten Materialien eine hohe Abscheiderate der Metalle. Bei der dekorativen galvanischen Beschichtung werden verschiedene Metalle als einzelne Schichten nacheinander auf dem Substrat abgeschieden. Dabei erfüllt jede der einzelnen Schichten eine spezielle Funktion des Schichtsystems als solche oder ermöglicht erst die Abscheidung einer nachfolgenden Schicht bis zum erreichen der gewünschten Deckschicht. Die Farbgebung der dekorativen Deckschicht kann über Edelmetalle oder Edelmetalllegierungen erfolgen.

Nachteilig an diesem Verfahren ist es, dass in der Praxis nicht alle Farben darstellbar sind, da mit diesem Verfahren nicht alle Farben prozesssicher realisierbar sind.

Ein weiteres Verfahren zum Metallisieren von nichtmetallischen Oberflächen stellt die PVD-Technologie (engl. Physical Vaper Deposition) dar. Das Beschichtungsverfahren ist ein plasmagestützter Prozess, welcher im Vakuum stattfindet. Das Beschichtungsmaterial wird dabei mittels Energiezufuhr aus dem Festkörperzustand in die Gasphase überführt. Dem Plasma können zusätzlich stickstoff-, kohlenstoff- oder sauerstoffhaltige Reaktivgase zugeführt werden, die sich als Nitride, Carbide und Oxide auf der zu beschichtenden Oberfläche niederschlagen. Hier können dekorative Beschichtungen durch den gezielten Einsatz der verdampfenden Medien sowie deren Reaktion mit den Prozessgasen entstehen.

Mit der PVD-Technologie lassen sich dennoch derzeit nicht alle gewünschten Farben auf komplex gestalteten Bauteilen darstellen.

Die Beschichtung von nicht metallischen Werkstoffen, welche eine metallische Oberfläche erlangen sollen, ist somit über die hier beschriebenen Verfahren möglich. Allerdings kann der Wunsch, alle Farben hinsichtlich dieser metallischen Beschichtung darstellen zu wollen, von keinem der genannten Metallisierungsverfahren zufriedenstellend erfüllt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zu entwickeln, das eine metallische Beschichtung auf einem nicht metallischen Werkstoff mit beliebiger Farbgebung realisiert.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das eingefärbte metallisierte Substrat mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In den Ansprüchen 17 und 18 werden vorteilhafte Verwendungen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Metallisierung und Färbung nicht metallischer Substrate bereitgestellt, das auf folgenden Verfahrensschritten basiert:

a) Abscheidung einer Leichtmetallbeschichtung auf dem nicht-metallischen Substrat mittels PVD-Verfahren,
b) Anodisierung der metallischen Schicht und
c) Einfärbung der anodisierten Oberfläche des nicht-metallischen Substrates.

Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Beschichtungen ermöglicht werden, die gegenüber den am Markt erhältlichen Schichtsystemen zum ersten Mal vakuumtaugliche Werkstoffe aus Polymeren, Gläsern oder Keramiken mit einer metallischen Schicht überziehen und diese dann anschließend so modifizieren, dass beliebige Farben realisierbar sind. Zudem können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Schichteigenschaften für technische Anwendungen den Vorteil der elektrischen Abschirmung bei gleichzeitiger hoher Abrieb- und Temperaturbeständigkeit bieten. Ein weiterer Vorteil beruht darauf, dass die erfindungsgemäß abgeschiedenen Schichten verschleiss- und korrosionsbeständig sind. Gleichzeitig kann eine Nachbearbeitung der Schichten, z.B., mit einem Laser erfolgen.

Weiterhin bringt das Verfahren deutliche Vorteile hinsichtlich der auftretenden Kosten mit sich, da im Vergleich zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auf die Beschichtung mit Edelmetallen zur Farbgebung verzichtet werden kann.

Insbesondere wird hervorgehoben, dass es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um die erste Möglichkeit handelt, auf Substraten Beschichtungen auf metallischer oder metalloxidischer Basis abzuscheiden, die beliebige Farben der Farbskala aufweisen können.

Die Farbgebung der metallisierten Schicht erfolgt durch Farbanodisieren oder durch Anodisierung mit nachträglichem Einfärben. Beim Anodisieren fungiert das mit der Leichtmetallbeschichtung versehene Substrat als Anode und wird in ein saures Anodisierungsbad getaucht. Als Kathode wird vorzugsweise eine Elektrode aus rostfreiem Stahl oder Blei eingesetzt. Wird nun an die Elektroden eine elektrische Spannung angelegt, so entwickelt sich an der Kathode Wasserstoffgas und an der Anode, also am Substrat, Sauerstoffgas. Dieser Sauerstoff reagiert mit dem Leichtmetall zu Leichtmetalloxid, welches auf der Oberfläche des Werkstücks eine künstliche Oxidhaut bildet bzw. die natürlich vorliegende Oxidhaut verstärkt. Diese Oxidhaut besteht aus zwei Schichten, der Grund- oder Sperrschicht und der Deckschicht. Die Grund- oder Sperrschicht, so genannt wegen der Porenfreiheit, löst sich an der Aussenseite im Säurebad zum Teil in einer Weise auf, dass sich eine Deckschicht mit feinen Poren ausformt, wobei die Poren senkrecht zur Oberfläche stehen.

Die Einfärbung kann nun auf unterschiedliche Weise erfolgen. So besteht die Möglichkeit einer elektrolytischen Einfärbung mittels Wechselstrom in Bädern, die Metallsalze enthalten. Als Metallsalze werden dabei beispielsweise Kupfersulfat, Kobaltacetat, Zinnsulfat, Silbernitrat, Bleiacetat, Cadmiumacetat, Eisenammoniumoxalat, Eisenammoniumsulfat, Selendioxid, Wismutammoniumnitrat und/oder Kaliumpermanganat eingesetzt.

Eine andere Variante der Einfärbung beruht auf einem stromlosen Verfahren, bei dem organische Farbstoffe in die durch die Anodisierung erzeugten Poren der Leichtmetallbeschichtung eingelagert werden.

Vorzugsweise werden als Substrate Polymere, Gläser und/oder Keramiken eingesetzt.

Die Beständigkeit der beschriebenen Oxidhaut kann in allen diesen Fällen durch Verdichten erhöht werden, wobei sich aus dem Leichtmetalloxid der Deckschicht unter Porenverschluss ein Monohydrat des Leichtmetalles bildet.

Erfindungsgemäß wird ebenso ein eingefärbtes metallisiertes Substrat aus einem nicht-metallischen Substrat mit einer ein- oder mehrfarbig eingefärbten Leichtmetallbeschichtung bereitgestellt, wobei die Einfärbung aus einer beliebigen Strahl-Farbe besteht.

Das Substrat besteht dabei vorzugsweise aus einem Polymer, einem Glas und/oder einer Keramik. Die Leichtmetallbeschichtung besteht vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.

Eine bevorzugte Ausführungsvariante des Eingefärbten metallisierten Substrates sieht vor, dass in den durch die Anodisierung erzeugten Poren der Leichtmetallbeschichtung ein organischer Farbstoff eingelagert ist.

Das erfindungsgemäße eingefärbte metallisierte Substrat wird dabei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt.

Claims

Verfahren zur Metallisierung und Färbung nicht-metallischer Substrate durch a) Abscheidung einer Leichtmetallbeschichtung auf dem nicht-metallischen Substrat mittels PVD-Verfahren, b) Anodisierung der metallisierten Schicht und c) Einfärbung der anodisierten Oberfläche des nicht-metallischen Substrates.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodiserung und die Einfärbung mittels Farbanodisierverfahrens in einem einzigen Verfahrensschritt erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodiserung und die Einfärbung mittels Anodisierverfahren und anschließende Einfärbung in zwei separaten Verfahrensschritten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Leichtmetall Aluminium, Magnesium, Titan oder Legierungen dieser Metalle eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anodisierung der mit der Leichtmetallbeschichtung versehene Gegenstand als Anode und eine Stahl- oder Blei-Elektrode als Kathode in einem sauren Anodisierungsbad eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfärbung in einem metallsalzhaltigen Bad unter Anlegen von Wechselstrom erfolgt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Metallsalz Kupfersulfat, Kobaltacetat, Zinnsulfat, Silbernitrat, Bleiacetat, Cadmiumacetat, Eisenammoniumoxalat, Eisenammoniumsulfat, Selendioxid, Wismutammoniumnitrat und/oder Kaliumpermanganat eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfärbung durch Einlagerung mindestens eines organischen Farbstoffs in die durch die Anodisierung erzeugten Poren der Leichtmetallbeschichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein organischer Farbstoff eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat Polymere, Gläser und/oder Keramiken eingesetzt werden.
Eingefärbtes metallisiertes Substrat aus einem nicht-metallischen Substrat mit einer ein- oder mehrfarbig eingefärbten Leichtmetallbeschichtung, wobei die Einfärbung aus einer beliebigen RAL-Farbe besteht.
Eingefärbtes metallisiertes Substrat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem Polymer, einem Glas und/oder einer Keramik besteht.
Eingefärbtes metallisiertes Substrat nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetallbeschichtung aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
Eingefärbtes metallisiertes Substrat nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in den durch die Anodisierung erzeugten Poren der Leichtmetallbeschichtung ein organischer Farbstoff eingelagert ist.
Eingefärbtes metallisiertes Substrat nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfärbung aus einem Metalloxid oder einer anderen Metallverbindung besteht.
Eingefärbtes metallisiertes Substrat nach einem der Ansprüche 11 bis 15 herstellbar nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Herstellung von Blenden und Gehäusen in der Unterhaltungselektronik.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in der Elektronik-, Kosmetik- und Schmuckindustrie sowie im Automobilbau.