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I. Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Werkstoff oder ein Bauteil mit einer Metallbeschichtung
und dessen Verwendung für
Maschinenkomponenten und -zubehör,
Kraftfahrzeuge, Telekommunikationsgeräte, Haushaltsgeräte, Badarmaturen
und -zubehör,
Küchenarmaturen
und -zubehör,
medizinische Geräte,
Schmuck- und Gebrauchsgegenstände.
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II. Technischer Hintergrund
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Die
Oberfläche
eines Werkstoffes oder Bauteils bestimmt maßgeblich dessen mechanische,
thermische, chemische und optische Eigenschaften. Heutzutage werden
Verfahren zur Behandlung von Oberflächen unter anderem dazu eingesetzt,
um dem rohen Werkstoff oder Bauteil ein ansprechendes Erscheinungsbild
zu verleihen, eine angenehme Haptik zu vermitteln und diesen/dieses
wertvoller erscheinen zu lassen. In letzter Zeit geht der Trend
insbesondere in Richtung metallischer Oberflächen mit verschiedenen optischen
Effekten. Durch eine metallische Beschichtung von Werkstoffen oder
Bauteilen lassen sich die Vorteile derselben (Kosten, Gewicht, Formgebung)
mit den Eigenschaftsprofilen von metallischen Schichten kombinieren
und die Eigenschaften des Werkstoffs oder Bauteils an ein gewünschtes
Anforderungsprofil anpassen. Typische und industriell wichtige Anwendungen
umfassen metallisierte Polymerwerkstoffe, wie leitfähige Schichten
(z.B. Leiterplatten, Kondensatoren), Abschirmungen gegen elektromagnetische
Strahlung (z.B. Computergehäuse, Mobiltelefone),
dekorative Schichten (z.B. Badarmaturen), reflexierende Schichten
(z.B. Scheinwerterreflektoren), verschleißbeständige Schichten (z.B. mechanische Übertragungsglieder),
usw. Diese metallischen Oberflächen,
welche beispielsweise eine hochglänzende Chromoptik oder das
Aussehen von Aluminium aufweisen, werden herkömmlicherweise durch ein Galvanisierungs-
oder PVD (physical vapor deposition)-Verfahren erzeugt.
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Beim
Galvanisieren wird üblicherweise
eine nasschemische Bekeimung einer Oberfläche eines Werkstoffs oder Bauteils,
beispielsweise aus einem Kunststoff, durchgeführt. Danach erfolgt eine stromlose
chemische Grundmetallisierung. Die so erhaltende Schichtdicke beträgt etwa
40 bis 80 nm und wird im letzten Schritt galvanisch auf die jeweils
benötigte
Schichtdicke verstärkt.
Durch Galvanisieren können
hohe Schichtdicken mit einem sehr guten Korrosionsschutz erreicht
werden. Die Nachteile des Galvanisierens sind jedoch die hohe Anzahl
von Prozessschritten, die damit verbundene aufwändige Prozessstoffentsorgung
sowie die Entstehung von Fehlstellen in der Form von Blasen auf
den metallisierten Werkstoffen oder Bauteilen und die Versprödung der
Oberfläche
bzw. des Gesamtbauteils im Falle von dünnwandigen Bauteilen.
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Die
PVD-Verfahren werden als Konkurrenzverfahren zum Galvanisieren bei
Werkstoffen oder Bauteilen eingesetzt, die keine feste Metallschicht
als Oberflächenfinish
benötigen
(z.B. Leuchtenreflektoren, verchromte Folien, etc.). Die PVD-Verfahren
werden im Allgemeinen für
die Erzeugung von optischen und dekorativen Schichten eingesetzt,
da hier Schichtdicken von < 5 μm notwendig
sind. Die Vorteile der PVD-Verfahren gegenüber dem Galvanisierungsverfahren
liegen zum einen darin, dass für
die Metallisierung nur ein Prozessschritt notwendig ist. Zum anderen
Entfallen die Kosten für
die Entsorgung der Chemikalien. Überdies
erhält man
metallisierte Werkstoffe oder Bauteile mit sehr homogenen Schichten.
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Bei
den PVD-Verfahren unterscheidet man grundsätzlich zwischen zwei verschiedenen
Verfahren. Einerseits gibt es die kostengünstigere Variante des Bedampfens,
bei der durch die Zufuhr thermischer Energie bei Niedrigtemperatur
schmelzende Metalle verdampft und so auf die Oberflächen des
Werkstoffs oder des Bauteils aufgebracht werden. Dieses Verfahren
wird beispielsweise bei der Bedampfung von Aluminium oder Kupfer
verwendet. Dabei werden jedoch nur Aluminium- bzw. Kupferschichten
mit einer ungenügenden
Haftfestigkeit und einer geringen chemischen Beständigkeit
erhalten. Dies kann dazu führen,
dass die Metallbeschichtung abblättert
und/oder sich Feuchtigkeit einlagert. Zudem können damit keine unterschiedlichen
Farbtöne
erzeugt werden. Andererseits wird das Sputtern von Substratmaterial,
wie beispielsweise Edelstahl, mit Hilfe eines ionisierten Prozessgases
eingesetzt. Dabei wird ein Prozessgas (meist Argon) ionisiert und
mittels Magnetfeldunterstützung
auf das abzuscheidende Material (Target) beschleunigt (Magnetronsputtern).
Durch Impulsübertragung
der ionisierten Gasatome werden im Vakuum Atome und Atomcluster
aus dem Target herausgeschlagen und lagern sich auf den Substraten
ab. Das Sputtern von Edelstahl alleine weist ebenfalls den Nachteil
auf, dass die Haftfestigkeit der Edelstahlschicht ungenügend ist
und die Erzeugung von Farbtönen nicht
möglich
ist.
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Mit
Hilfe der oben beschriebenen Verfahren lassen sich jedoch nicht
alle Materialien metallisieren. Häufig müssen die Oberflächen der
Werkstoffe oder Bauteile vor der Metallisierung vorbehandelt werden,
da sie sonst nicht lackiert, verklebt, beschäumt, metallisiert oder auf
eine andere Art und Weise beschichtet werden können. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
die Werkstoffe oder Bauteile, insbesondere solche aus Polymeren,
meist hydrophob sind, d.h. niedrige Oberflächenenergien aufweisen. Deshalb
werden einige Werkstoffe oder Bauteile zunächst mittels spezieller Verfahren
zur Behandlung von Oberflächen,
wie beispielsweise nasschemische Oberflächenvorbehandlungsverfahren,
wie Beizen, und physikalische Oberflächenvorbehandlungsverfahren,
wie Beflammung (Pyrolyse), Fluorierung, Coronabehandlung und Plasmaverfahren,
vorbehandelt bzw. aktiviert. Durch den Vorgang der Aktivierung wird
die Polarität
bzw. die Oberflächenenergie
des Werkstoffes oder Bauteils erhöht, wodurch ein verbessertes
Haftvermögen
bzw. eine verbesserte Benetzbarkeit erzielt wird.
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Bei
der Aktivierung von Werkstoffen oder Bauteilen spielt die Plasmaaktivierung
eine immer größere Rolle,
da dadurch ein sehr gutes Haftvermögen erreicht werden kann und
auch solche Polymere aktiviert werden können, die beispielsweise nasschemisch
nicht oder nicht wirtschaftlich zugänglich sind. Bei der Plasmaaktivierung
wird ein Gas oder ein Gasgemisch (z.B. Argon, Sauerstoff, Stickstoff,
Ammoniak etc.) einer elektrischen Gasentladung im Vakuum unterzogen.
Dabei werden Elektronen, Ionen, Radikale und Neutralteilchen erzeugt,
die auf die Oberfläche
des Werkstoffs oder Bauteils prallen. Dadurch können Kontaminationen entfernt
und die Oberfläche
aufgeraut und chemisch modifiziert werden. Die erhaltenen Modifikationen
sind dabei abhängig
vom verwendeten Gas. Verwendet man beispielsweise Sauerstoff, ist
es möglich,
Werkstoffe oder Bauteile so zu modifizieren, dass Hydroxyl-, Carboxyl-
oder Peroxidgruppen an der Oberfläche entstehen. Verwendet man
dagegen Stickstoff oder Ammoniak, so führt das zu Amin- oder Imin-Gruppen,
welche für
bestimmte Anwendungen ebenfalls interessant sein können. Durch
die Erzeugung von polaren hydrophilen Gruppen erhöht sich
die Energie und somit die Benetzbarkeit der Oberfläche des
behandelten Werkstoffs oder Bauteils.
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Die
Metallisierung von Werkstoffen oder Bauteilen aus Kunststoffen,
wie Silikon oder TPU, gestaltet sich jedoch häufig schwierig, da diese teilweise
gar nicht oder nur aufwendig vorbehandelt bzw. aktiviert werden
können.
Im Stand der Technik sind insbesondere keine Verfahren zur Direktmetallisierung
von Werkstoffen oder Bauteilen aus bestimmten Materialien, insbesondere
aus Polymeren, wie beispielsweise Silikon oder TPU, welche aufgrund
ihrer Eigenschaften vielseitig anwendbar sind, bekannt. Vielmehr
erfordert das Metallisieren die Verwendung eines Haftvermittlers,
wie beispielsweise eines Lacksystems. Des Weiteren ist die Reproduzierbarkeit
und Kontrollierbarkeit der Plasmaaktivierung durch die im Stand
der Technik bekannten Verfahren unbefriedigend und die plasmaaktivierte
Oberfläche
bleibt nur für
eine begrenzte und sehr kurze Zeitdauer aktiv. Um die Dauer der
Aktivierung zu verlängern,
muss der Werkstoff oder das Bauteil beispielsweise in Wasser getaucht
und anschließend
wieder getrocknet werden, wodurch sich sowohl unerwünschte Effekte bei
der Lackierung ergeben als auch zusätzliche Kosten verursacht werden.
Ferner ist die Erzeugung von gezielten optischen Effekten, wie beispielsweise
verschiedenen Farbtönen
oder Mattheit/Glanz, durch die im Stand der Technik bekannten Metallisierungsverfahren
schwierig. Häufig
weisen die vorbekannten Metallbeschichtungen der so beschichteten
Werkstoffe oder Bauteile zudem lediglich eine geringe Haftfestigkeit
sowie eine geringe chemische Beständigkeit auf. Die Aufbringung
von Metallbeschichtungen aus mehreren aufeinander liegenden gleichen
oder unterschiedlichen Metallschichten ist bislang ebenfalls nicht
beschrieben.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff oder
ein Bauteil mit einer Metallbeschichtung aus ein oder mehreren aufeinander
liegenden gleichen oder unterschiedlichen Metallschichten zur Erzielung
von optischen Effekten bereitzustellen, bei dem die Metallbeschichtung
direkt, d.h. ohne Verwendung eines Haftvermittlers, auf die Oberfläche aufgebracht
ist und welche eine ausgezeichnete Haftfestigkeit sowie eine ausgezeichnete
chemische Beständigkeit
aufweist.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale der Patentansprüche
1, 26 und 39 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Der
erfindungsgemäße Werkstoff
oder das erfindungsgemäße Bauteil
mit einer Metallbeschichtung zeichnet sich insbesondere dadurch
aus, dass die Metallbeschichtung durch eine Direktmetallisierung
auf die Oberfläche
des Werkstoffs oder Bauteils aufgebracht ist und weist gegenüber den
im Stand der Technik bekannten metallisierten Werkstoffen oder Bauteile
verbesserte Eigenschaften bezüglich
der Haftfestigkeit und der chemischen Beständigkeit auf, wodurch ein breites
Anwendungsgebiet eröffnet
wird.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen, metallbeschichteten Werkstoffe
oder Bauteile ist, dass diese in Abhängigkeit von der chemischen
Zusammensetzung und dem spezifischen Aufbau der Metallbeschichtung,
wie beispielsweise eine oder mehrere aufeinander liegende gleiche
oder unterschiedliche Metallschichten, unterschiedliche Erscheinungsbilder
aufweisen können.
So kann die Metalloberfläche
des erfindungsgemäßen Werkstoffes
oder Bauteils glänzend
oder matt sein sowie verschiedene Farbtöne aufweisen. Ferner kann eine
gewünschte
Optik, wie beispielsweise Oberflächenglanz
bzw. -struktur, zusätzlich
durch Nachlackieren mit einem Klar- oder Strukturlack eingestellt
werden. Des Weiteren kann eine gewünschte farbige Metalloptik,
welche allein durch Metallbeschichtung nicht erzielt werden kann,
auch durch Nachlackieren mit einem gefärbten Klar- oder Strukturlack
erzeugt werden.
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Der
erfindungsgemässe
Werkstoff oder das erfindungsgemässe
Bauteil mit einer Metallbeschichtung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Metallbeschichtung durch eine Direktmetallisierung auf
die Oberfläche des
Werkstoffes oder Bauteils aufgebracht ist und die Metallbeschichtung
aus einer oder mehreren aufeinander liegenden gleichen oder unterschiedlichen
Metallschichten besteht.
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Der
erfindungsgemäße Werkstoff
oder das erfindungsgemässe
Bauteil ist hinsichtlich seiner chemischen und physikalischen Eigenschaften
auf keine Art und Weise eingeschränkt und besteht beispielsweise aus
einem Material ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus metallischen Materialien, Glas, Keramik,
Polymeren, Holz und Gummi. Vorzugsweise ist der Werkstoff oder das
Bauteil aus einem Polymer, wobei das Polymer gegebenenfalls mit
einem Füllstoff,
wie Glasfasern und/oder Mineralstoffen, wie beispielsweise Korund und
Aluminiumoxid und/oder Glaskugeln gefüllt sein kann. Bevorzugte Polymere
sind Kunststoffe, wie Polycarbonat (PC), Acrylnitril-Butadien-Styrol
(ABS), (PC+ABS)-Blends, Acrylnitril-Styrol (ASA, AES, ACS), Polyamid
(PA), Polyarylamid (PAA), Polyethylen (PE), Polystyrol (PS), thermoplastisches
Polyurethan (TPU), thermoplastische Elastomere (TPE, TPE-E, TEEE),
Polyaryletherketone (PAEK, PEK, PEEK), Polybutylenterephthalat (PBT),
Polyethylenterephthalat (PET), Styrol-Acrylnitril (SAN), Liquid-Crystal-Polymere
(LCP), Polyimide (PI, PMI, PEI, PAI), Celluloseester (CA, CP, CAB),
Polyvinylchlorid (PVC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyoxymethylen
(POM), Polypropylen (PP), Polyphenylenether (PPE), Polyarylsulfone
(PSU, PES), Polyphenylensulfid (PPS), Polyphtalamid (PPA), Duroplaste
(PF, MF, MP, UF, UP), Epoxidharze (EP), Silikone (NTV, LSR) und
Sonderharze aus Silikon, Diallylphthalat, Vinylester oder Polyurethanen
(PUR). Besonders bevorzugt sind Silikon oder thermoplastisches Polyurethan
(TPU). Besonders bevorzugte thermoplastische Polyurethane sind flexible
thermoplastische Polyurethane. Besonders bevorzugte Silikone sind
flexible Silikone, d.h. Feststoffsilikon (NTV) bzw. Flüssigsilikon
(LSR), wie z.B. Dimethylsiloxan.
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Der
erfindungsgemässe
Werkstoff oder das erfindungsgemässe
Bauteil umfasst eine Metallbeschichtung aus einer oder mehreren
aufeinander liegenden gleichen oder unterschiedlichen Metallschichten.
Das Aufbringen von einzelnen Metallschichten mit einer definierten
chemischen Zusammensetzung der aus einer oder mehreren aufeinander
liegenden gleichen oder unterschiedlichen Metallschichten bestehenden
Metallbeschichtung mittels Direktmetallisierung eröffnet die
Möglichkeit,
ein Schichtgefüge
zu erzeugen, das ganz bestimmte Eigenschaften aufweist. So können physikalische
Eigenschaften, wie Zähigkeit,
Abriebbeständigkeit, Spannung
etc. sowie optische Eigenschaften, wie der Farbton oder das Maß des Glänzens beziehungsweise der
Mattheit, je nach Erfordernis eingestellt werden. Die Oberfläche eines
Werkstoffs oder Bauteils aus Silikon oder TPU kann beispielsweise
zunächst
verchromt werden, wodurch eine hohe Haftfestigkeit erreicht wird,
gefolgt von einer Schicht aus ZrN, wodurch eine sehr harte messing-gelbe
Schicht erzeugt wird.
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Die
Metallbeschichtung des erfindungsgemäßen Werkstoffs oder Bauteils
weist in Abhängigkeit
von der Lichtdurchlässigkeit
eine unterschiedliche Gesamtschichtdicke auf. Im Falle einer teillichtdurchlässigen Metallbeschichtung
beträgt
die Gesamtschichtdicke der Metallbeschichtung 20 bis 200 nm, vorzugsweise
40 bis 120 nm. Die Anzahl der aufeinander liegenden Metallschichten
der teillichtdurchlässigen
Metallbeschichtung liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 50, besonders
bevorzugt im Bereich von 3 bis 25. Im Falle einer nicht lichtdurchlässigen Metallbeschichtung
beträgt
die Gesamtschichtdicke der Metallbeschichtung 100 bis 5000 nm, vorzugsweise
200 bis 2000 nm. Die Anzahl der aufeinander liegenden Metallschichten
der lichtdurchlässigen
Metallbeschichtung liegt vorzugsweise im Bereich von 1 bis 500,
besonders bevorzugt im Bereich von 8 bis 180. Vorzugsweise beträgt die Dicke
einer einzelnen teillichtdurchlässigen
oder nicht lichtdurchlässigen
Metallschicht der Metallbeschichtung 3 bis 120 nm. Die teillichtdurchlässigen Metallbeschichtungen des
erfindungsgemäßen Werkstoffs
oder Bauteils weisen eine Transmission von sichtbarem Licht im Bereich von
0,5% bis 60%, vorzugsweise im Bereich von 3% bis 30%, auf.
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Die
einzelnen gleichen oder unterschiedlichen Metallschichten der Metallbeschichtung
bestehen aus wenigstens einem Metall ausgewählt aus den Elementen der Gruppen
4 bis 14 des Periodensystems, Legierungen davon und/oder Edelstahl.
Vorzugsweise bestehen die Metallschichten aus wenigstens einem Metall ausgewählt aus
den Elementen der Gruppen 4 bis 6 des Periodensystems, Al, Rh, und
Si, Legierungen davon und/oder Edelstahl. Besonders bevorzugt sind
Ti, Zr, Cr, Mo, Rh, Al, Si, Legierungen davon/oder Edelstahl. Bevorzugte
Legierungen sind beispielsweise CrAl, RhAl, MoAl und CrZr.
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Gegebenenfalls
können
eine oder mehrere der aufeinander liegenden gleichen oder unterschiedlichen Metallschichten
der Metallbeschichtung des erfindungsgemässen Werkstoffs oder Bauteils
metallkeramische Schichten, wie ZrN oder TiCrCN, sein. Diese verleihen
der Metallbeschichtung spezielle Eigenschaften, wie Härte, Farbe
und Zähigkeit.
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Die
Direktmetallisierung des erfindungsgemässen Werkstoffs oder Bauteils
erfolgt schrittweise, d.h. jede einzelne Metallschicht der aus einer
oder mehreren aufeinander liegenden gleichen oder unterschiedlichen
Metallschichten bestehenden Metallbeschichtung wird nacheinander
schichtweise abgeschieden. Dabei wird jeweils ein Metall, eine Metalllegierung
oder eine metallkeramische Zusammensetzung von definierter Zusammensetzung
schichtartig nacheinander abgeschieden. Der Gehalt eines bestimmten
Elementes innerhalb einer einzelnen Metallschicht der Metallbeschichtung
kann dabei von der auf der Oberfläche des Werkstoffs oder des
Bauteils aufliegenden ersten Metallschicht bis zur letzten Metallschicht
variieren, d.h. insbesondere auch kontinuierlich zu- oder abnehmen.
Ferner kann auch die Dicke der einzelnen Metallschichten der Metallbeschichtung
von der auf der Oberfläche
des Werkstoffs oder des Bauteils aufliegenden ersten Metallschicht bis
zur letzten Metallschicht variieren, d.h. insbesondere auch kontinuierlich
zu- oder abnehmen. Die Abfolge der einzelnen Metallschichten sowie
deren chemischen Zusammensetzungen richten sich nach dem jeweiligen
Verwendungszweck des erfindungsgemässen Werkstoffs oder Bauteils.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird, da reine Metallbeschichtungen aus Aluminium häufig nicht
korrosionsbeständig
sind und zum Abblättern
und/oder Anlagern von Feuchtigkeit neigen und deshalb vor der Metallisierung
beispielsweise mit einem haftvermittelnden Lack überzogen werden müssen, bei
einem erfindungsgemäßen Schichtaufbau
zunächst
eine korrosionsbeständige
Metallschicht (Haftschicht) aufgebracht. Diese Haftschicht besteht
aus einem korrosionsbeständigen
Werkstoff wie beispielsweise Mo, Cr oder Edelstahl oder eine Al-Legierung
wie MoAl mit einem Al-Gehalt von nicht mehr als 40 bis 60% Al.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besteht die Metallbeschichtung des erfindungsgemässen Werkstoffs oder Bauteils
aus einer oder mehreren aufeinander liegenden unterschiedlichen
Metallschichten, die abwechslungsweise aus Aluminium (Al) bzw. einer
Legierung davon und Molybdän
(Mo) oder einer Legierungen davon bestehen. In einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
besteht die Metallbeschichtung aus einer oder mehreren aufeinander
liegenden unterschiedlichen Metallschichten, die abwechslungsweise
aus Aluminium (Al) bzw. einer Legierung davon und Chrom (Cr) bzw.
einer Legierung davon bestehen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besteht die Metallbeschichtung aus einer oder mehreren aufeinander
liegenden unterschiedlichen Metallschichten, die abwechslungsweise
aus Aluminium (Al) bzw. einer Legierung davon und Rhodium (Rh) bzw.
einer Legierung davon bestehen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besteht die Metallbeschichtung aus einer oder mehreren aufeinander
liegenden unterschiedlichen Metallschichten, die abwechslungsweise
aus Aluminium (Al) bzw. einer Legierung davon und Silizium (Si)
bzw. einer Legierung davon bestehen. In einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
besteht die Metallbeschichtung aus einer oder mehreren aufeinander
liegenden unterschiedlichen Metallschichten, die abwechslungsweise
aus Aluminium (Al) bzw. einer Legierung davon und einer rostfreien
Edelstahllegierung bestehen. Besonders bevorzugte Ausführungsformen
der obigen Ausführungsformen
umfassen Metallbeschichtungen aus einer oder mehreren aufeinander
liegenden unterschiedlichen Metallschichten, die abwechslungsweise
aus Al und Mo, Al und Cr, Al und Rh, Al und Si, und Al und rostfreiem
Edelstahl bestehen.
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Eine
bevorzugte Metallbeschichtung des erfindungsgemässen Bauteils oder Werkstoffs
ist wie folgt aufgebaut:
| Anzahl
der einzelnen Metallschichten: | ca.
25 |
| Metalle
für die
Metallbeschichtung: | Chrom
und Aluminium |
| Haftschicht: | Chrom,
ca. 60 nm |
| Metallbeschichtungsaufbau
(abwechselnd): | Aluminium
3 bis 15 nm (zunehmend) |
| | Chrom
20 bis 5 nm (abnehmend) |
| Deckschicht: | Chrom,
ca. 20 nm |
| Gesamtschichtdicke: | ca.
330 nm |
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Mit
Hilfe des oben beschriebenen Schichtaufbaus der Metallbeschichtung
des erfindungsgemässen Bauteil
oder Werkstoffs können
neben der ausgezeichneten Haftfestigkeit und chemischen Beständigkeit
in Abhängigkeit
von der chemischen Zusammensetzung und der Art und Abfolge der einzelnen
Metallschichten insbesondere verschiedene optische Effekte erreicht
werden. Beispielsweise kann durch Chrom ein Blaustich, mit Molybdän ein Gelb-
bis Rotstich und mit Aluminium ein Weißstich erzielt werden. Durch
Kombination dieser Elemente untereinander oder mit einem anderen
Element einer Metallschicht der Metallbeschichtung des erfindungsgemäßen Bauteils
oder Werkstoffs können
andere Farbtöne
und/oder Mischfarbtöne
erzeugt werden. Des Weiteren eröffnet
die aus einzelnen Metallschichten bestehende Metallbeschichtung
des erfindungsgemäßen Bauteils
oder Werkstoffs aufgrund ihrer spezifischen chemischen Zusammensetzung
die Möglichkeit zur
selektiven, wellenlängenabhängigen Transmission,
wodurch unterschiedliche Farbeffekte erzeugt werden können.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Metallbeschichtung durch ein
PVD-Verfahren direkt auf die Oberfläche des Werkstoffs oder Bauteils
aufgebracht. Dabei ist die aus einer oder mehreren aufeinander liegenden
gleichen oder unterschiedlichen Metallschichten bestehende Metallbeschichtung
vorzugsweise durch Bedampfen, Sputtern und Arc-Verdampfen aufgebracht. Besonders bevorzugt
ist die Metallbeschichtung durch Sputtern aufgebracht.
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Beim
Sputtern wird ein Prozessgas, wie ein Edelgas, vorzugsweise Argon
(Ar), ionisiert und mittels Magnetfeldunterstützung auf das abzuscheidende
Target beschleunigt. Im vorliegenden Fall kann beispielsweise eine
wie in der Deutschen Patentanmeldung
DE 36 13 018 A1 offenbarte Magnetron-Zerstäubungskathode
verwendet werden, die mit einer spezifischen Leistung von 1 bis
30 W/cm
2, vorzugsweise 5 bis 20 W/cm
2 und einer Spannung von 200 bis 1000 V,
vorzugsweise 300 bis 500 V, betrieben wird. Der Druck in der Prozesskammer
beträgt
10
–4 bis
10
–1 mbar,
vorzugsweise 10
–3 bis 10
–2 mbar.
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Als
Target-Materialien können
je nach dem geforderten metallischen oder metallkeramischen Erscheinungsbild
des erfindungsgemässen
Werkstoffs oder Bauteils alle dafür geeigneten Metalle und Legierungen verwendet
werden. Geeignete Target-Materialien umfassen Elemente der Gruppen
4 bis 14 des Periodensystems, Legierungen davon und/oder Edelstahl.
Vorzugsweise umfassen die Target-Materialien Elemente der Gruppen
4 bis 6 des Periodensystems, Al, Rh, und Si, Legierungen davon und/oder
Edelstahl. Besonders bevorzugt sind die Target-Materialien Ti, Zr,
Cr, Mo, Rh, Al, Si, Legierungen davon/oder Edelstahl. Bevorzugte Legierungen
sind beispielsweise CrAl, RhAl, MoAl, CrZr, CrRh, CrMo, MoRh und
MoZr.
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An
den erfindungsgemässen
Werkstoff oder das erfindungsgemässe
Bauteile wird üblicherweise
eine negative Spannung von –10
bis –250
V, vorzugsweise –25
bis –80
V angelegt. Die Oberfläche
des Werkstoffes oder des Bauteils wird bei einer Temperatur von
20°C bis
100°C, insbesondere
30°C bis
60°C, bestäubt. Die Beschichtungsdauer
beträgt
für die
Erzeugung einer teillichtdurchlässigen
Metallbeschichtung 30 Sek. bis 300 Sek., vorzugsweise 60 bis 180
Sek., und für
die Erzeugung einer nicht lichtdurchlässigen Metallbeschichtung 30
Sek. bis 60 Min., vorzugsweise 3 bis 20 Min.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann die Metallbeschichtung eine oder mehrere metallkeramische Schichten
umfassen. Dies ist insbesondere möglich, wenn das Sputtern in
Gegenwart eines Reaktivgases, umfassend ein Stickstoff, Kohlenstoff,
Silicium, Bor und/oder Sauerstoff enthaltendes Gas, vorzugsweise
N2, CO2, C2H2, C2H4, C2H6,
durchgeführt
wird. Die metallkeramischen Beschichtungen, wie beispielsweise ZrN
oder TiCrCN, verleihen der Metallbeschichtung spezielle Eigenschaften,
wie Härte,
Abriebbeständigkeit,
Farbe und Zähigkeit.
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Die
mittels eines PVD-Verfahrens beschichteten Werkstoffe oder Bauteile,
beispielsweise aus einem Polymer, können mit einem hochtransparenten
Lack ohne merkliche Farbänderung
der Metallbeschichtung nachlackiert oder mit einem Plasmapolymer
mittels eines PECVD-Verfahrens (PECVD, plasma enhanced chemical
vapor deposition) überzogen
werden. Diese Deckschichten übernehmen
eine Schutzfunktion und sind beispielsweise kratzresistent, antikorrosiv,
antihaftend und schmutzabweisend. Es ist jedoch auch möglich diese
Werkstoffe oder Bauteile mit einem gefärbten oder nicht gefärbten Strukturlack
zur Einstellung einer gewünschten
Optik nachzulackieren. Dadurch können
Effekte wie beispielsweise Mattiertheit, Milchigkeit, Metallic-Effekt,
Aussehen von eloxiertem Aluminium etc. und gegebenenfalls bestimmte
Farbtöne
erzielt werden. Ein weiterer Effekt entsteht bei der Verwendung
von gefärbten
oder nicht gefärbten
Klarlacks für
die Nachbeschichtung. Die Metallbeschichtungen des erfindungsgemäßen Bauteils
oder Werkstoffs aus abwechselnd angeordneten Metallschichten aus
beispielsweise Cr und Ag, Mo und Al sowie Rh und Al weisen nämlich eine sehr
hohe Lichtreflexion und dementsprechend hochglänzende Oberflächen auf.
Dieser Hochglanz-Effekt der Oberfläche der Metallbeschichtung,
z.T. auch von hierfür
speziell geeigneten Strukturoberflächen (z.B. Schliffbild), kann
durch Nachlackieren mit einem Hochglanz-Klarlack noch verstärkt werden.
Soll eine gewünschte farbige
Metalloptik erreicht werden, die alleine aufgrund der Metallbeschichtung
nicht erzielt werden kann, wie beispielsweise ein „Smaragd-" bzw. „Rubin"-Effekt, wird dem
Klarlack eine entsprechende Einfärbung
in grün bzw.
rot beigegeben. In ähnlicher
Weise kann auch ein „Palladium-" bzw. „Ruthenium"-Effekt erzielt werden, wobei
dem Lack in diesen Fällen
eine Einfärbung
in weiss-gelb bzw. grau-weiss zugegeben wird.
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Gewisse
Bauteile oder Werkstoffe, wie beispielsweise mittels Spritzgießen hergestellte
Bauteile, sind hinsichtlich ihrer Oberflächengüte unbefriedigend. Solche Bauteile
oder Werkstoffe werden deshalb vor der Metallisierung mit einem
geeigneten Hochglanz- oder Strukturlack vorlackiert. Man beachte,
dass diese Lackierung nicht dazu dient, die Haftfestigkeit zu erhöhen, wie
dies bei den als Haftvermittlern eingesetzten Lacken der Fall ist,
sondern vielmehr dazu dient, die Oberflächengüte zu verbessern.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Oberfläche
des Werkstoffs oder Bauteils, beispielsweise aus bestimmten Polymeren,
wie Silikon oder thermoplastischem Polyurethan (TPU), vor der Direktmetallisierung
mittels eines Plasmaverfahrens gegebenenfalls aktiviert worden,
wodurch die Haftfestigkeit erhöht
wird. Die beiden Prozessschritte Aktivierung und Direktmetallisierung
können
dabei in einer einzigen Anlage hintereinander durchgeführt werden.
Eine solche Aktivierung ist insbesondere bei Polymeren, wie beispielsweise
Silikon, TPU (thermoplastisches Polyurethan), PMMA (Polymethylmethacrylat), POM
(Polyoxymethylen), PP (Polypropylen), PE (Polyethylen), TPE (thermoplastisches
Elastomer), PA (Polyamid) und Polybutylenterephthalat (PBT) bevorzugt.
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Das
Plasmaverfahren zur Aktivierung der Oberfläche des Werkstoffs oder Bauteils
umfasst die Schritte des Einbringens des Werkstoffs oder Bauteils
in eine Prozesskammer, des Ausgasens desselben, des kontinuierlichen
Abpumpens der Ausgasungen mittels Vakuumpumpen und des Aktivierens
der Oberfläche
des Werkstoffs oder Bauteils mit einem durch eine elektrische Gasentladung
im Vakuum erzeugten Plasma, wobei die Energie und die Einwirkdauer
des Plasmas auf die Oberfläche
des Werkstoffes oder Bauteils so gewählt ist, dass die oberflächennahen
Moleküle
signifikant modifiziert werden und der Werkstoff oder das Bauteil
direkt mit einem PVD-Verfahren metallisiert werden kann.
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Das
Ausgasen erfolgt für
3 bis 60 Min., vorzugsweise 10 bis 30 Min., bei einer Temperatur
von 20°C bis
100°C, vorzugsweise
30°C bis
60°C, und
einem Druck von 10–5 bis 10–1 mbar,
vorzugsweise 10–4 bis 10–2 mbar,
wobei die Ausgasungen mittels Vakuumpumpen kontinuierlich aus der
Prozesskammer abgepumpt werden.
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Die
Oberfläche
des Werkstoffs oder Bauteils wird dann zur Aktivierung durch Ionen
und/oder Elektronen, die durch eine elektrische Gasentladung im
Vakuum erzeugt werden, beschossen. Der Druck in der Prozesskammer
liegt im Bereich zwischen 10–4 und 10–1 mbar,
vorzugsweise im Bereich zwischen 10–3 und
10–2 mbar.
Bei diesen Drücken
ist die mit der mittleren freien Weglänge korrelierte Energie der
Plasmateilchen ausreichend groß,
um an der Oberfläche
des Werkstoffs oder des Bauteils zu chemischen Reaktionen zu führen, die
bei niedrigen Temperaturen und Atmosphärendruck nicht möglich oder
sehr unwahrscheinlich sind. Die Plasmaaktivierung wird üblicherweise
bei einer Temperatur von 20°C
bis 100°C,
insbesondere 30°C
bis 60°C, für eine Zeitdauer
von 1 bis 30 Min., insbesondere 3 bis 10 Min., durchgeführt.
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Vorzugsweise
ist die Gasentladung eine DC-(Gleichstrom), AC-(Wechselstrom), HF-, RF- oder Mikrowellen-Gasentladung,
wobei eine DC-Gasentladung
besonders bevorzugt ist. Die DC-Leistung beträgt 500 bis 3000 W je Plasmaquelle,
vorzugsweise 1500 bis 2500 W.
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Als
Gase für
die Gasentladung werden Edelgase und gegebenenfalls Reaktivgase
verwendet. Das Edelgas kann Ar, Ne, Kr und Xe sein, wobei Ar bevorzugt
verwendet ist. Geeignete Reaktivgase umfassen Stickstoff, Kohlenstoff
und/oder Sauerstoff enthaltende Gase, vorzugsweise Stickstoff (N2), Kohlendioxid (CO2),
Ethan (C2H6), Ethylen
(C2H4), Acetylen
(C2H2) und O2, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Vorzugsweise
ist das Gas lediglich Ar.
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Die
Erzeugung des Plasmas kann in einer wie im Deutschen Patent
DE 36 15 361 C2 beschriebenen Plasmaquelle
außerhalb
der Prozesskammer erfolgen. Dabei wird das Edelgas kontinuierlich
in die Plasmaquelle eingeleitet, wo ein Plasma mittels einer Gasentladung
erzeugt wird und dieses dann durch eine Öffnung in die Prozesskammer
gelangt und auf die zu behandelnde Oberfläche des Werkstoffes oder Bauteils
trifft. Das Reaktivgas, falls vorhanden, kann kontinuierlich in
die Prozesskammer oder in die Plasmaquelle eingeleitet werden, wodurch
das Reaktivgas ionisiert wird und das Edelgas/Reaktivgas-Plasma
auf die Oberfläche
des Werkstoffs oder Bauteils auftrifft.
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Die
Prozessparameter, wie die kinetische Energie der Teilchen, die verwendeten
Gase, die Art der Gasentladung, die Einwirkdauer des Plasmas auf
die Substratoberfläche
und der Druck in der Prozesskammer werden genau kontrolliert, wodurch
eine spezifisch modifizierte Oberfläche des erfindungsgemässen Werkstoffes
oder Bauteils mit charakteristischen Eigenschaften erhalten wird.
Ein auf diese Art und Weise hergestellter Werkstoff oder hergestelltes
Bauteil weist beispielsweise eine signifikant höhere Oberflächenenergie, d.h. größer als
35 mN/m bis über
55 mN/m, insbesondere größer als
40 mN/m, auf. Die Oberflächenenergie kann
durch bekannte Verfahren, wie beispielsweise Messen des Kontaktwinkels,
Verlaufen von Testtinten etc., bestimmt werden.
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Das
beschriebene Plasmaverfahren ist im Gegensatz zu Verfahren, die
auf Plasmaeinkopplungen beruhen, gut reproduzierbar und kontrollierbar,
da die Oberfläche
der Werkstoffe oder Bauteile gleichmäßig mit Plasma aus der Plasmaquelle
bestrahlt wird. Die mittels des Plasmaverfahrens der aktivierten
Oberflächen bleiben
für einige
Stunden bis über
5 Tage aktiv, bevor sie der nachfolgenden Direktmetallisierung unterzogen werden.
Durch die oben beschriebenen Prozessparameter der Vorbehandlung
und die Prozessparameter der Metallisierung, wie beispielsweise
die kinetische Energie der Teilchen, das verwendete Prozessgas,
die Dauer der Bestäubung,
der Druck in der Prozesskammer etc., ist es möglich einen Werkstoff oder
ein Bauteil, beispielsweise aus Polymer, wie Silikon oder TPU, direkt
zu metallisieren, wodurch die heutzutage häufig als Haftvermittler eingesetzten
Lacksysteme entfallen und Kosten eingespart werden. Die Aktivierung
der Oberfläche und
die nachfolgende Direktmetallisierung können überdies in derselben Vakuumanlage
durchgeführt
werden, wodurch das Verfahren vereinfacht und kostengünstiger
wird.
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Die
erfindungsgemäßen Werkstoffe
oder Bauteile können
für einer
Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, da sie die gewünschten
Oberflächeneigenschaften,
wie z.B. metallischer Glanz, mit einer angenehmen Haptik, insbesondere
im Falle sogenannter Softoberflächen,
vereinen. Beispiele für
die Anwendungsgebiete solcher Werkstoffe oder Bauteile sind Maschinenkomponenten
und -zubehör,
Kraftfahrzeuge, wie Tasten von Kfz-Lenkrädern, Telekommunikationsgeräte, wie
Mobiltelefon- und Computertastaturen, Haushaltsgeräte, Badarmaturen
und -zubehör,
Küchenarmaturen
und -zubehör
und Schmuck- und andere Gebrauchsgegenstände. Ein weiteres Einsatzgebiet
stellt die Medizintechnik dar, wo beispielsweise metallisierte Bauteile
aus flexiblem Silikon als leitfähige
und dennoch flexible Sonden eingesetzt werden können.