DE3706818A1 - Verfahren zur herstellung eines dekorativen materials - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines dekorativen materialsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dekorativen
Materials (Schmuck- bzw. Verzierungsmaterial) mit
einem Mehrschichtenaufbau, das für Brillengestelle (Augenglasrahmen),
Uhrarmbänder und Bracelets verwendet werden kann.
Zur Verbesserung des Korrosionsschutzes der vorstehend beschriebenen
dekorativen Materialien (Schmuck- bzw. Verzierungsmaterialien)
war es bisher üblich, allgemein eine Schutzüberzugsschicht
aus beispielsweise Kunststoff auf ein Metallsubstrat
aufzubringen. Eine solche Kunststoff-Schutzüberzugsschicht
weist jedoch eine ziemlich geringe mechanische Festigkeit
auf und der als Folge davon auftretende leichte Abrieb
und/oder die leichte Ablösung verkürzen sehr stark die Lebensdauer
der Schutzüberzugsschicht.
Es ist auch bereits bekannt, eine Schutzüberzugsschicht aus
TiC und TiN auf einem Metallsubstrat unter Anwendung eines
chemischen Vakuumabscheidungsverfahrens (CVD-Verfahrens) zu erzeugen.
Eine solche Schutzüberzugsschicht weist eine hohe Härte
mit guten Antiabriebseigenschaften auf. Ein TiN-Schutzüberzugsschicht
weist einen schönen goldenen Farbton auf und eine TiC-
Schutzüberzugsschicht weist eine schöne schwarze Tönung
auf, so daß beide das Ornament-Design des dekorativen
Materials bereichern. Trotz dieser Vorteile tritt
jedoch der Nachteil auf, daß das Metallsubstrat auf eine hohe
Temperatur in dem Bereich von 800 bis 1000°C erhitzt werden
muß und daß durch das Glühen bzw. Tempern, hervorgerufen
durch das Erhitzen auf diese hohe Temperatur, die Gefahr besteht,
daß die mechanischen Eigenschaften des Metallsubstrats
beeinträchtigt werden. Wenn ein solches dekoratives Material
mit schlechten mechanischen Eigenschaften beispielsweise für
Brillengestelle (Augenglasrahmen) verwendet wird, wird die
geringe Elastizität des Metallsubstrats in das Produkt mit
eingeführt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein dekoratives
Material mit guten Antikorrosionseigenschaften, guten Antiabriebseigenschaften
und einer guten Beständigkeit gegen Zerkratzen
herzustellen, ohne die mechanischen Eigenschaften des Metallsubstrats
zu verschlechtern.
Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine
Diamant-Schutzüberzugsschicht auf einem Metallsubstrat erzeugt
wird.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher erläutert, die den Querschnittsaufbau
des erfindungsgemäß hergestellten dekorativen Materials zeigt.
Wie in der beiliegenden Zeichnung dargestellt, besteht das dekorative
Material (Schmuck- bzw. Verzierungsmaterial) aus einem
Metallsubstrat 1 und einer auf eine Oberfläche des Metallsubstrats 1
aufgebrachten Diamant-Schutzüberzugsschicht 2.
Das Metallsubstrat 1 kann bestehen aus einem metallischen Material,
wie z. B. Legierungen auf Ni-Basis, die jeweils eines
oder mehrere der Elemente Cu, Cr, Mo, Nb, Ti, C, W, Mg, Si,
Al, Co und Fe enthalten; Legierungen auf Cu-Basis, die jeweils
eines oder mehrere der Elemente Ni, Be, Mn, Si, Zn, P,
Sn, Al, Mg, Co, C und Fe enthalten; Co; Legierungen auf Co-Basis,
die jeweils eines oder mehrere der Elemente Cr, Mo, W, Al, Ti,
Fe, Nb, Be, C, Mg, Si, Mn und C enthalten; Ti; Legierungen auf
Ti-Basis, die jeweils eines oder mehrere der Elemente Al, V,
Mo, Cr, Cu, Ni, Mg, Si, C, Sn, Be, Fe, Mn und Co enthalten;
Legierungen auf Al-Basis; Plattierungsmaterialien (Plattierauflagen)
aus Ni oder einer Legierung auf Ni-Basis mit Ti oder
einer Legierung auf Ti-Basis; und Plattierungsmaterialien (Plattierauflagen)
aus Co oder einer Legierung auf Co-Basis mit Ti
oder einer Legierung auf Ti-Basis.
Das Metallsubstrat hat eine Grundkonfiguration, die für seine
Endverwendung, wie z. B. als Brillengestell (Augenglasrahmen)
und Uhrenarmbänder, geeignet ist.
Die Bildung der Diamant-Schutzüberzugsschicht 2 auf dem
Metallsubstrat 1 erfolgt am meisten bevorzugt unter Anwendung
eines CVD-Verfahrens, bei dem ein angeregter Kohlenwasserstoff
und atomarer Wasserstoff gebildet werden durch Einleiten
eines Gasgemisches aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoff, wie
z. B. Methan, in eine elektrodenfreie Mikrowellen-Entladungsvorrichtung
oder indem man das Gasgemisch der Emanation von
thermischen Elektronen mittels eines Wolframfilaments aussetzt.
Der gebildete Kohlenwasserstoff und atomare Wasserstoff
werden dann auf die Oberfläche eines Metallsubstrats 1,
das auf bis zu 300 bis 500°C erhitzt worden ist, aufgebracht
zur Abscheidung einer Diamantschicht über die thermische
Zersetzung des Kohlenwasserstoffs. Das Volumenmischungsverhältnis
von Kohlenwasserstoff zu Wasserstoff liegt vorzugsweise
in dem Bereich von 0,1 bis 10. Der Druck in der Reaktionskammer
sollte vorzugsweise in dem Bereich von 13 bis
52000 Pa gehalten werden.
Die Schutzüberzugsschicht 2 braucht nicht aus reinem Diamant
zu bestehen. Das heißt, sie kann bis zu einem gewissen Ausmaß
Graphit enthalten. Zur Bestätigung des tolerierbaren Gehaltes
an Graphit wird die Diamant-Schutzüberzugsschicht 2
einer Spektralanalyse durch Laser-Raman-Spektroskopie unterworfen.
Dabei wird ein Peakintensitätsverhältnis zwischen der
Peakintensität bei einer Wellenzahl von 1332 cm-1, entsprechend
der Diamantstruktur, und der Peakintensität bei einer
Wellenzahl von 1550 cm-1, entsprechend der Graphitstruktur,
erhalten. Das so erhaltene Peakintensitätsverhältnis sollte
vorzugsweise den Wert 1 oder größer, insbesondere den Wert 3
oder größer, haben. Wenn das Peakintensitätsverhältnis unter 1
fällt, beeinträchtigt ein zu hoher Graphitgehalt die Transparenz
und die Farbtönung der Schutzüberzugsschicht bei gleichzeitiger
Verschlechterung ihrer mechanischen Festigkeit.
Die Dicke der Diamant-Schutzüberzugsschicht sollte vorzugsweise
in dem Bereich von 0,1 bis 10 µm liegen. Durch eine Dicke unter
0,1 µm kann eine zufriedenstellende Antireibung und Haltbarkeit
gegen Kratzerbildung nicht sichergestellt werden. Wenn die
Dicke 10 µm übersteigt, kann die Schutzüberzugsschicht 2 aufgrund
ihrer geringen Elastizität der plastischen Verformung
des Metallsubstrats 1 ohne die Erzeugung von Rissen nicht
folgen.
Die Diamant-Schutzüberzugsschicht 2 kann lokal auf der Oberfläche
des Metallsubstrats 1 gebildet werden. Wenn sie beispielsweise
für ein Uhrarmband verwendet wird, kann die Diamant-
Schutzüberzugsschicht nur auf der äußeren Oberfläche des
Substrats 1 erzeugt werden, die häufig mit fremden Gegenständen
in Kontakt kommt. Für eine solche lokale Beschichtung kann
eine oder mehrere geeignete Masken während des CVD-Verfahrens
auf das Metallsubstrat 1 aufgebracht werden.
Erfindungsgemäß kann die Diamantschicht auf dem bei einer
verhältnismäßig niedrigen Temperatur (500°C oder weniger) gehaltenen
Metallsubstrat abgeschieden werden, so daß als Folge
davon kein Glühen (Tempern) des Metallsubstrats auftritt,
wodurch die diesem eigenen mechanischen Eigenschaften des Metalls,
welches das Substrat aufbaut, aufrecht erhalten werden.
Insbesondere dann, wenn es für Brillengestelle (Augenglasrahmen)
verwendet wird, ist es sehr vorteilhaft, daß durch das
Erhitzen des Substrats auf eine derart niedrige Temperatur
die eigene Elastizität des Metalls, welches das Substrat aufbaut,
nicht beeinträchtigt wird. Die vorliegende Erfindung
ist somit gut anwendbar auf die Herstellung von dekorativen
Materialien, die sowohl ein ausgezeichnetes ornamentales Design
als auch eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen müssen.
Die Diamant-Schutzüberzugsschicht 2 weist eine hohe Härte, gute
Antiabriebseigenschaften und eine gute Beständigkeit gegen
Kratzerbildung auf und sie ist sehr fest an das Metallsubstrat 1
gebunden. Da die Diamant-Schutzüberzugsschicht transparent oder
mindestens durchscheinend (opak) ist, können die Farbe und das Muster
des Metallsubstrats auf der Oberfläche des Produkts erscheinen,
wodurch die ornamentale Natur des Metallsubstrats gut entwickelt
wird.
Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel näher erläutert,
ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Ein Cr-Ni-Legierungs-Substrat (10 Gew.-% Cr) einer Dicke von
0,7 mm wurde innerhalb einer CVD-Reaktionskammer auf einen
Halter gelegt und in die Kammer wurde in einer Strömungsrate
von 40 ml/min ein Methan-Wasserstoff-Gemisch in einer Konzentration
von 1 Vol-% eingeleitet. Der Druck innerhalb der
Kammer betrug 5,3 kPa, das Substrat wurde auf bis zu 480°C
erhitzt und es wurde eine Spannung von 145 V an das System
angelegt, um 0,1 bis 12 µm dicke Diamant-Schutzüberzugsschichten
auf dem Substrat zu bilden.
Anhand von Proben wurden die Oberflächenhärte, die Beständigkeit
gegen Kratzerbildung und die Biegeeigenschaften gemessen.
Die Oberflächendicke wurde gemessen und ausgedrückt durch die
Mikro-Vickers-Härte. Zur Bestimmung der Beständigkeit gegen
Kratzerbildung wurden Al2O3-Teilchen (60″) bei einem pneumatischen
Blasdruck von 0,4 MPa gegen die Diamant-Schutzüberzugsschicht
geblasen und es wurde die Beschädigung auf der Oberfläche
betrachtet. Zur Messung der Biegeeigenschaften wurde
jede Probe in einem Biegeradius von 5 mm bis zu einem Biegewinkel
von 120° gebogen, wobei die Diamant-Schutzüberzugsschicht
auf der Außenseite und der Grad der Entstehung von
Rissen betrachtet wurden.
Zum Vergleich wurde eine TiN-Überzugsschicht auf einem Substrat
aus einem ähnlichen Metall unter Anwendung des CVD-Verfahrens
gebildet. Es wurde eine TiCl4-N2-H2-Mischung in die
Reaktionskammer eingeführt, in der das Substrat bei 900°C gehalten
wurde. Die Probe wurde ähnlichen Funktionstests unterworfen.
Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle angegeben.
Der Grad der Biegeelastizität des Substrats wurde vor und nach
der Bildung der Schutzüberzugsschicht gemessen. Es wurde bestätigt,
daß keine wesentliche Änderung der Biegeelastizität im
Falle des Diamant-Überzugs auftrat und daß die Biegeelastizität
durch das Glühen im Falle des TiN-Überzugs nahezu verloren
ging.
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung eines dekorativen Materials mit
einem Mehrschichtenaufbau, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Diamant-Schutzüberzugsschicht mindestens
lokal auf einem Metallsubstrat gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Substrat aus einem metallischen Material besteht, das ausgewählt
wird aus einer Gruppe, die besteht aus Legierungen auf
Ni-Basis, die jeweils eines oder mehrere der Elemente Cu, Cr,
Mo, Nb, Ti, C, W, Mg, Si, Al, Co und Fe enthalten; Legierungen
auf Cu-Basis, die jeweils eines oder mehrere der Elemente Ni,
Be, Mn, Si, Zn, P, Sn, Al, Mg, Co und Fe enthalten; Co; Legierungen
auf Co-Basis, die jeweils eines oder mehrere der Elemente
Cr, Mo, W, Al, Ti, Fe, Nb, Be, C, Mg, Si, Mn und C enthalten;
Ti; Legierungen auf Ti-Basis, die jeweils eines oder
mehrere der Elemente Al, V, Mo, Cr, Cu, Ni, Mg, Si, C, Sn, Be,
Fe, Mn und Co enthalten; Legierungen auf Al-Basis; Plattierungsmaterialien
aus Ni oder einer Legierung auf Ni-Basis mit Ti oder
einer Legierung auf Ti-Basis; und Plattierungsmaterialien aus
Co oder einer Legierung auf Co-Basis; und Plattierungsmaterialien
aus Co oder einer Legierung auf Co-Basis mit Ti oder einer
Legierung auf Ti-Basis.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis des tolerierbaren Graphitgehaltes in der Diamant-
Schutzüberzugsschicht 1 oder größer ist, ausgedrückt durch das
Peakintensitätsverhältnis, das bei der Spektralanalyse das Verhältnis
zwischen der Peakintensität bei einer Wellenzahl von
1332 cm-1, entsprechend der Diamantstruktur, und der Peakintensität
bei einer Wellenzahl von 1550 cm-1, entsprechend der
Graphitstruktur, ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
das Verhältnis des tolerierbaren Graphitgehaltes 3 oder größer
ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der Diamant-Schutzüberzugsschicht
in dem Bereich von 0,1 bis 10 µm liegt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Bildung der Diamant-Schutzüberzugsschicht
unter Anwendung eines CVD-Verfahrens durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Temperatur des Substrats während der Bildung der Diamant-
Schutzüberzugsschicht in dem Bereich von 300 bis 500°C gehalten
wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das
CVD-Verfahren in einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Kohlenwasserstoff
durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
das Volumenmischungsverhältnis von Kohlenwasserstoff zu Wasserstoff
in dem Bereich von 0,1 bis 10 liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das CVD-Verfahren unter einem Druck im Bereich von 13 bis
52000 Pa durchgeführt wird.
11. Dekoratives Material mit Mehrschichtenaufbau, hergestellt
nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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