DE3728836A1 - Goldfarbene beschichtung fuer artikel - Google Patents
Goldfarbene beschichtung fuer artikelInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Beschichtung, die dazu dient,
Artikeln verschiedenster Art eine goldene Farbe zu geben.
Die Erfindung betrifft ferner die mit dieser Beschichtung
versehenen Artikel. Bei den Artikeln handelt es sich insbe
sondere um Außenflächen verschiedenster Teile, um Brillen
gestelle, um Schreibwaren, um persönliche Ornamente und
verschiedene Arten von Accessoires.
Es ist bekannt, daß Nitride wie Titannitrid oder Tantalni
trid unter bestimmten Voraussetzungen eine goldene Farbe
aufweisen. Sie wurden deshalb als Ersatz des teueren Gold
plattierens für verschiedenste Arten von Accessoires und
Außengehäusen verwendet. Zu diesem Zweck hat man eine Be
schichtung aus einem Nitrid wie Titan- oder Tantalnitrid
auf den zu beschichtenden Artikel durch Zerstäubungstech
nik, Dampfabscheidung oder Ionenplattieren von metallischem
Titan oder Tantal in einer Stickstoffatmosphäre aufge
bracht.
Bei diesem Stand der Technik hängt der Farbton des erhalte
nen Nitrids stark vom Druck des Stickstoffgases in der Re
aktionsatmosphäre bei der Ausbildung des Nitrids aus Titan
oder Tantal ab. Insbesondere ist der Druckbereich für das
Stickstoffgas, der zu einer Goldfarbe führt, sehr begrenzt.
Es war daher erforderlich, den Stickstoffpartialdruck mit
hoher Genauigkeit einzustellen, wenn man einen Farbton
erreichen wollte, der mit guter Reproduzierbarkeit das von
Gold ausgehende Gefühl von Schönheit und hoher Qualität
vermittelt. Dies ist bei industrieller Massenfertigung
außerordentlich schwierig. Angesichts dieses Sachverhalts
ist inder japanischen Patentveröffentlichung 26 664/1984
zur Erzielung einer schönen Goldfarbe mit guter
Reproduzierbarkeit vorgeschlagen worden, daß eine harte,
goldfarbene, aus Titannitrid oder Tantalnitrid bestehende
Verbindung als Unterlage hergestellt und auf deren Oberflä
che eine goldfarbene Deckschicht aus Gold oder einer Gold
legierung ausgebildet wird. Die mit dieser Technik erziel
bare herrliche Goldfarbe beruht jedoch auf der Leuchtkraft
der Gold-Oberflächendeckschicht. Aus Kostengründen wird
diese Deckschicht extrem dünn ausgeführt. Dementsprechend
scheuert sie sich leicht ab. Da jedoch die aus der harten
Verbindung selbst bestehende Unterlage ebenfalls in gewis
sem Maß goldfarben ist, fällt das Abscheuern der goldenen
Deckschicht nicht besonders auf. Die beschriebene Technik
ist in der Herstellung aufwendig und wegen des erforderli
chen Goldes immer noch mit relativ hohen Kosten verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine goldfarbene Be
schichtung für Artikel verschiedenster Art als Ersatz für
das teure Gold zu schaffen, die mit geringen Kosten her
stellbar ist. Dabei soll die Beschichtung auf dem Artikel
eine Goldfarbe gut reproduzierbaren Farbtons ergeben, ohne
daß eine kritische Prozeßsteuerung erforderlich wäre.
Diese Aufgabe wird durch eine Beschichtung mit den Merkma
len des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un
teransprüchen gekennzeichnet.
Die Beschichtung umfaßt einen dünnen, auf der Oberfläche
des zu beschichtenden Artikels ausgebildeten Verbundfilm,
der sich aus einem Nitrid wenigstens eines Elements der
Gruppe IVa und einem Nitrid wenigstens eines Elements der
Gruppen Va oder VIa des Periodensystems zusammensetzt.
Elemente der Gruppe Va wie Vanadium, Niob oder Tantal, wir
ken, wenn sie zusammen mit Elementen der Gruppe IVa wie Ti
tan, Zirkon oder Hafnium, bei reaktiver Zerstäubung (Sput
tern) eingesetzt werden, als Puffer für das Reaktions
system, in dem die Elemente der Gruppe IVa mit Stickstoff
reagieren. Deshalb kann bei Ausbildung eines Nitrids eines
Elements der Gruppe IVa, das tatsächlich eine goldene Farbe
erbringt, der Einfluß von Schwankungen des Stickstoffpar
tialdruckes auf den Farbton gemäßigt werden.
In ähnlicher Weise mäßigen die Elemente der Gruppe VIa wie
Chrom, Molybden oder Wolfram den Einfluß von Schwankungen
des Stickstoffpartialdruckes auf den Farbton. Sie verwa
schen darüber hinaus den Farbton, wodurch dieser blasser er
scheint.
Mit der Erfindung lassen sich Artikel mit einer goldenen
Beschichtung oder Haut in stabiler Weise und mit bei den
einzelnen Artikeln gleichbleibender Farbe herstellen, wobei
kein ins Gewicht fallender Einfluß von Schwankungen des
Stickstoffpartialdruckes in der Reaktionsatmosphäre vorhan
den ist. Diese Beschichtung eignet sich daher ausgezeichnet
für eine industrielle Massenfertigung bei geringen Kosten.
Der bei den jeweiligen Artikeln übereinstimmende goldene
Farbton kann abhängig vom Anteilsverhältnis des Elements
der Gruppe Va oder des Elements der Gruppe VIa zu dem der
Gruppe IVa festgelegt werden, wobei dieses Anteilsverhält
nis sehr leicht einstellbar ist. Es ist deshalb möglich,
den Ton der goldenen Farbe wahlweise innerhalb eines weiten
Bereiches auszuwählen.
Beispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine graphische Darstellung des Unterschieds des
Farbtons zwischen der Verbundbeschichtung gemäß
der Erfindung, einer aufgesprühten reinen Goldbe
schichtung und einer herkömmlichen, aufgesprühten
Titannitridbeschichtung,
Fig. 2 in einer graphischen Darstellung den Zusammenhang
zwischen dem Tantalanteil der Verbundbeschichtung
und der Sättigung C*,
Fig. 3 in einer graphischen Darstellung den Unterschied
des Farbtons zwischen einer anderen Verbundbe
schichtung gemäß der Erfindung, einer aufgesprüh
ten, reinen Goldbeschichtung und einer herkömm
lichen, aufgesprühten Zirkonnitridbeschichtung,
und
Fig. 4 in einer graphischen Darstellung den Zusammenhang
zwischen dem Tantalanteil in der Verbundbeschich
tung nach Fig. 3 und der Sättigung C*.
Dieses Beispiel betrifft eine Verbundbeschichtung umfassend
Titannitrid und Tantalnitrid.
Ein Rohteil (Artikel) aus ABS-Harz wurde in eine Zerstäu
bungsvorrichtung (Sputtervorrichtung) gebracht und der
Druck in dieser dann auf ein Vakuum von etwa 10-3 bis
2 × 10-3 Pa verringert. Dann wurde Stickstoffgas bis zu
einem Druck von 3 × 10-3 Pa eingeleitet und ferner zur Er
höhung des Drucks der Gasmischung auf 6 × 10-1 Pa Argongas
zugeführt. Verschlüsse wurden sowohl auf dem Titanmetall
target als auch dem Tantalmetalltarget angeordnet und das
reaktive Zerstäuben sieben Minuten ausgeführt, wobei der
Verschluß auf dem Titanmetall voll geöffnet und derjenige
auf dem Tantalmetall zu etwa ¹/₃ geöffnet war. Die Zerstäu
bung erfolgte bei Hochfrequenz mit etwa 8 W/cm2. Als Ergeb
nis wurde auf dem ABS-Harz-Rohteil eine 0,15 µm dicke Be
schichtung oder Haut gebildet, die sich aus Titannitrid und
Tantalnitrid mit einem Tantalanteil von 45 Gew.-% zusammen
setzte. Da in diesem Fall die Beschichtung durch Zerstäuben
aufgebracht wurde, konnte die Temperatur bei der Ausbildung
der Beschichtung auf unter 70°C gehalten werden, so daß
keine Verformung oder dergleichen des Rohteils auftrat.
Die in vorstehender Weise gebildete Verbundbeschichtung
hatte ein metallisches Aussehen einer glänzenden und deko
rativen goldenen Farbe. Die Verbundbeschichtung besaß die
gleiche Härte und das gleiche Haftvermögen wie Titannitrid
allein und erwies sich als besser korrosionsbeständig als
Titannitrid allein, da sie eine dichtere Struktur als Ti
tannitrid besaß.
Der Farbton dieser goldenen, harten Beschichtung wird vom
Anteilsverhältnis des Tantals, der Temperatur und dem
Stickstoffpartialdruck während der Zerstäubung bestimmt. Da
Tantal in der Reaktion zwischen Stickstoff und Titan als
Puffer wirkt und auch zur Reaktion mit Stickstoff beiträgt,
ergibt sich ein verringerter Einfluß von Schwankungen des
Partialdruckes des Stickstoffgases bei der Ausbildung des
Titannitrids, das für die goldene Farbe verantwortlich ist.
Als Folge davon ist der Einfluß dieses Partialdrucks auf
den Farbton entsprechend gering.
Der Partialdruck des Stickstoffgases, bei dem das Titan
nitrid selbst eine goldene Farbe besitzt, liegt allerdings
bei 2,5 × 10-2 Pa. Wenn der Partialdruck 4 × 10-2 Pa über
steigt, wird die Beschichtung äußerst brüchig, was zu Pro
blemen hinsichtlich der Bruchbeständigkeit führt. Ein ge
eigneter Bereich für den Partialdruck des Stickstoffgases
ist deshalb 2,5 × 10-2 bis 4,0 × 10-2 Pa.
Die graphische Darstellung in Fig. 1 zeigt den Unterschied
des Farbtons zwischen der Verbundbeschichtung gemäß der Er
findung (Titannitrid plus Tantalnitrid) (C), einer
aufgesprühten reinen Goldbeschichtung (A) und einer her
kömmlichen aufgesprühten Titannitridbeschichtung (B). Zur
Kennzeichnung des Tons wurden für die einzelnen Beschich
tungen Farbmaßzahlen L*, a*, b* unter Verwendung einer
Lichtquelle C mit einem Farbartmesser aufgrund der L*, a*,
b* Farbtafel gemessen und die Helligkeit L*, die Sättigung
C* = [(a*)2 + (b*)2]½ und der Farbton H0 = tan-1 (b*/a*)
aufgetragen. Aus der graphischen Darstellung ist ersicht
lich, daß der Ton der erfindungsgemäßen Verbundbeschichtung
verglichen mit dem herkömmlichen aufgesprühten Titannitrid
sowohl in bezug auf Helligkeit als auch in bezug auf Sätti
gung ausgezeichnet ist und bezüglich des Farbtons annähernd
der aufgesprühten reinen Goldbeschichtung entspricht.
Die graphische Darstellung in Fig. 2 zeigt die Sättigung C*
über dem Tantalanteil (Gewichtsprozent) mit der Zerstäu
bungs- oder Aufsprühtemperatur als Parameter, wobei der
Tantalanteil und die Temperatur bestimmende Faktoren für
den Ton sind. Wenn in dieser Darstellung die Töne unter den
einzelnen Bedingungen auf der Basis der Sättigung C* klas
sifiziert werden, kann man sie in Zonen I bis IV einteilen.
Bei den Bereichen der Zonen II und III handelt es sich um
günstige Bereiche zur Erzielung dekorativer, goldener, har
ter Beschichtungen, wobei der Tantalanteil 5 bis 75 Gew.-%
beträgt und die Aufsprühtemperatur im Bereich von 50°C bis
300°C liegt.
Bei dem oben beschriebenen Zerstäubungsvorgang reagiert das
Tantalmetall stärker mit Sauerstoff als das Titanmetall,
besitzt einen Getterungseffekt gegenüber Sauerstoff als
Verunreinigungsgas in der Vakuumatmosphäre und verhindert
einen unerwünschten Einfluß des Sauerstoffs auf den Farb
ton.
Dieses Beispiel betrifft eine Verbundbeschichtung aus einem
Titannitrid und einem Chromnitrid.
Unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 wurde un
ter voller Öffnung des Verschlusses auf dem Titanmetall und
¹/₃-Öffnung des Verschlusses auf dem Chrommetall eine reak
tive Zerstäubung während sieben Minuten bei Hochfrequenz
von 8 W/cm2 durchgeführt. Es ergab sich auf dem Rohteil aus
ABS-Harz eine 0,15 µm dicke Verbundbeschichtung aus Titan
nitrid und Chromnitrid mit einem Chromanteil von 28 Gew.-%.
Diese Beschichtung hatte ein metallisches Aussehen und eine
glänzende, blaßgoldene Farbe.
Dieses Beispiel betrifft eine Verbundbeschichtung aus Zir
konnitrid und Tantalnitrid.
Ein Rohteil aus ABS-Harz wurde in eine Sputtervorrichtung
gesetzt und dann der Druck auf ein Vakuum von etwa
1,0 × 10-3 bis 2,0 × 10-3 Pa verringert. Dann wurde Stick
stoffgas bis zu einem Druck 3,5 × 10-2 Pa eingeleitet und
ferner Argongas zur Erhöhung des Druckes der Gasmischung
auf 6,0 × 10-1 Pa eingeleitet. Auf den Targets aus Zirkon
metall und Tantalmetall wurden je Verschlüsse angeordnet
und dann die reaktive Zerstäubung während sieben Minuten
bei Hochfrequenz von 6,3 W/cm2 unter voller Öffnung des
Verschlusses auf dem Zirkonmetall und mit 8 W/cm2 bei zu
einem Drittel geöffnetem Verschluß auf dem Tantalmetall
ausgeführt. Es ergab sich auf dem Rohteil aus ABS-Harz eine
Verbundbeschichtung aus Zirkonnitrid und Tantalnitrid mit
einem Tantalanteil von 36 Gew.-%. Die Dicke der Beschichtung
betrug
0,15 µm. Da die Beschichtung durch Zerstäubung aufgebracht
wurde, konnte die Temperatur bei der Ausbildung der Be
schichtung oder Haut auf unter 70°C gehalten werden, so daß
keine Verformung etc. des Rohteils auftrat.
Die so gebildete Verbundbeschichtung hatte ein metallisches
Aussehen und zeigte eine glänzende, dekorative goldene
Farbe. Die Beschichtung hatte das gleiche Ausmaß an Härte
und Haftfähigkeit wie eine Beschichtung aus Zirkonnitrid
allein, wies aber eine bessere Korrosionsbeständigkeit als
Zirkonnitrid allein auf, da sie eine dichtere Struktur als
Zirkonnitrid allein besaß.
Obwohl der Ton der harten, goldenen Beschichtung vom An
teilsverhältnis des Tantals, der Zerstäubungstemperatur und
dem Partialdruck des Stickstoffgases abhängt, ergibt sich,
weil Tantal als Puffer für die Reaktion zwischen Stickstoff
und Zirkon wirkt und auch zur Reaktion mit Stickstoff bei
trägt, ein verringerter Einfluß der Schwankungen des Par
tialdrucks des Stickstoffgases bei der Ausbildung des Zir
konnitrids, welches für die goldene Farbe verantwortlich
ist. Der Einfluß auf den Ton wird damit auch geringer.
Der Partialdruck des Stickstoffgases, unter dem Zirkon
nitrid selbst eine goldene Farbe annimmt, beträgt weni
stens 3,0 × 10-2 Pa. Übersteigt der Druck 4,5 × 10-2 Pa,
wird die Beschichtung selbst sehr brüchig, was zu Problemen
hinsichtlich der Bruchbeständigkeit führt. Ein geeigneter
Bereich für den Partialdruck des Stickstoffgases ist des
halb 3,5 × 10-2 bis 4,0 × 10-2 Pa.
Die graphische Darstellung in Fig. 3 zeigt in entsprechen
der Weise wie Fig. 1 den Unterschied des Farbtons zwischen
der Verbundbeschichtung gemäß der Erfindung (Zirkonnitrid
plus Tantalnitrid) (C), einer aufgesprühten reinen Goldbe
schichtung (A) und einer herkömmlichen aufgesprühten
Zirkonnitridbeschichtung (B). Aus dieser graphischen Dar
stellung ist ersichtlich, daß der Ton der erfindungsgemäßen
Verbundbeschichtung verglichen mit dem herkömmlichen aufge
sprühten Zirkonnitrid sowohl in bezug auf Helligkeit als
auch in bezug auf Sättigung ausgezeichnet ist und bezüglich
des Farbtons annähernd der aufgesprühten reinen Goldbe
schichtung entspricht.
Die graphische Darstellung in Fig. 4 zeigt die Sättigung C*
über dem Tantalanteil (Gewichtsprozent) mit der Zerstäu
bungs- oder Aufsprühtemperatur als Parameter, wobei der
Tantalanteil und die Temperatur bestimmende Faktoren für
den Ton sind. Wenn in dieser Darstellung die Töne unter den
einzelnen Bedingungen auf der Basis der Sättigung C* klas
sifiziert werden, kann man sie in Zonen I bis IV einteilen.
Bei den Bereichen zur Erzielung dekorativer, goldener, har
ter Beschichtungen, wobei der Tantalanteil 3 bis 68 Gew.-%
beträgt und die Aufsprühtemperatur im Bereich von 50°C bis
300°C liegt.
Bei dem oben beschriebenen Zerstäubungsvorgang reagiert das
Tantalmetall stärker mit Sauerstoff als das Zirkonmetall,
besitzt einen Getterungseffekt gegenüber Sauerstoff als
Verunreinigungsgas in der Vakuumatmosphäre und verhindert
einen unerwünschten Einfluß des Sauerstoffs auf den Farb
ton.
Dieses Beispiel betrifft eine Verbundbeschichtung aus einem
Zirkonnitrid und einem Chromnitrid.
Unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 wurde un
ter voller Öffnung des Verschlusses auf dem Zirkonmetall
bei Hochfrequenz von 6,3 W/cm2 und ¹/₃-Öffnung des Ver
schlusses auf dem Chrommetall mit 8 W/cm2 eine reaktive
Zerstäubung während sieben Minuten durchgeführt. Es ergab
sich auf dem Rohteil aus ABS-Harz eine 0,15 µm dicke Ver
bundbeschichtung aus Zirkonnitrid und Chromnitrid mit einem
Chromanteil von 20 Gew.-%. Diese Beschichtung hatte ein me
tallisches Aussehen und eine glänzende, blaßgoldene Farbe.
Anstelle des Aufbringens der Beschichtung durch Zerstäu
bung, wie in den obigen Beispielen, kann auch die Technik
der Dampfabscheidung oder des Ionenplattierens zum Erhalt
einer ähnlichen harten, goldenen Beschichtung verwendet
werden.
Bei Verwendung eines Elektronenstrahls als Verdampfungs
quelle sowohl bei der Dampfabscheidung als auch beim Ionen
plattieren werden jeweils zwei Elektronenkanonen und
Schmelztiegel in einer Vorrichtung angeordnet und die
Dampfabscheidung oder das Ionenplattieren für das Element
der Gruppe IVa und das der Gruppe Va und VIa unabhängig un
ter geeigneten Bedingungen für die Verdampfungsgeschwindig
keit in einer Stickstoffatmosphäre zur Ausbildung der Be
schichtung ausgeführt. Bei Verwendung einer Elektronenka
none und eines Schmelztiegels kann ein vorher auf ein ge
eignetes Verhältnis eingestelltes Verbundmaterial verwendet
und die Verdampfung gleichzeitig ausgeführt werden.
Das Material, auf dem die erfindungsgemäße Beschichtung
aufgebracht werden kann, umfaßt Kunstharz, Metall, Keramik,
etc. ohne besondere Beschränkung. Es ist möglich, auf dem
Material vorher eine Grundschicht etwa aus Nickel oder
Chrom durch Plattieren oder Ähnliches aufzubringen und da
rauf dann die Verbundbeschichtung auszubilden. Eine Alter
native besteht darin, das Material zunächst durch Zerstäu
ben, Dampfabscheiden oder Ionenplattieren mit Metall wie
Chrom, Nickelchrom oder Nickel zu beschichten und nach
folgend die Verbundbeschichtung aufzubringen. Zur Verbesse
rung des Haftvermögens und insbesondere in Fällen, wo das
zu beschichtende Material korrosionsanfällig ist, kann eine
solche Grundschicht auch zur Erhöhung der Korrosionsbestän
digkeit vorgesehen werden.
Claims (5)
1. Goldfarbene Verbundbeschichtung für Artikel umfas
send ein Nitrid wenigstens eines der Elemente der Gruppe
IVa und ein Nitrid wenigstens eines der Elemente der Gruppe
Va oder VIa des Periodensystems.
2. Verbundbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie sich aus Titannitrid und
Tantalnitrid mit einem Bestandteilverhältnis des Tantals
von 5 bis 75 Gew.-% zusammensetzt.
3. Verbundbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß sie sich aus Zirkonnitrid
und Tantalnitrid mit einem Bestandteilverhältnis des Tan
tals von 3 bis 68 Gew.-% zusammensetzt.
4. Verfahren zur Herstellung einer Verbundbeschich
tung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Verbundbeschichtung
durch Dampfabscheidung, Zerstäuben oder Ionenplattieren
aufgebracht wird.
5. Artikel mit einer Verbundbeschichtung nach einem
der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß er aus Kunstharz, Metall oder Keramik besteht und unter
der Verbundbeschichtung eine durch Plattieren oder andere
Beschichtungstechnik aufgebrachte Grundschicht aus Nickel
oder Chrom aufweist.
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