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Diese
Erfindung bezieht sich grundsätzlich
auf ein Verfahren zum Bereitstellen eines Chromfinishs auf Substraten.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Prozess zum Vakuummetallisieren
von Chrom auf Metallsubstraten. Speziell bezieht sich diese Erfindung
auf einen zweistufigen Vakuummetallisierungsprozess zum Verchromen
von Aluminium- und Stahlsubstraten für Automotive-Teile, zum Beispiel
zum Bereitstellen einer Chromschicht auf Automotive-Teilen wie Fahrzeugrädern, Radkappen,
Stoßfängern und
der Gleichen.
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Der
Metallisierungsprozess der vorliegenden Erfindung hat spezifische
und aufeinanderfolgende Schritte, um verchromte Aluminium- und Stahl-Automotive-Teile
herzustellen, die ausgezeichnete Chromadhäsionseigenschaften haben, um
Delaminierungen zu verhindern, und die chemisch und gegenüber Belastung der
Straße
resistente Eigenschaften haben. Obwohl die hiesige Offenbarung das
Verfahren eines Metallisierens von Chrom bei der Herstellung von
Fahrzeugrädern
erläutert,
liegen andere Verchromungsverfahren sowie das Verchromen andere
Metallsubstrate innerhalb des Bereiches dieser Erfindung.
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In
der Vergangenheit wurden üblicherweise
zum Beispiel Fahrzeugräder
aus Aluminium und Stahl galvanisiert, um Chromräder herzustellen. Dieses Verfahren
nach dem Stand der Technik macht es erforderlich, dass die Felge
poliert wird, um eine sehr glatte Oberfläche bereitzustellen, damit
die Chrombeschichtung effektiv ist. Ferner werden die Räder in gefährlichen
Chemikalien vorbehandelt, um eine saubere und homogene Oberfläche für die Anhaftung
der Chrombeschichtung vorzusehen. Die Räder werden dann mit bis zu
drei verschiedenen Metallbeschichtungen beschichtet, wobei es jeder
Schritt erforderlich macht, dass das Rad in gefährlichen Lösungen untergetaucht wird.
Die Fehlerrate dieser Prozesse nach dem Stand der Technik ist grundsätzlich hoch.
Sollte zusätzlich
die chrombeschichtete Oberfläche beschädigt werden,
beginnen Korrosion oder Rost üblicherweise
schnell, was dazu führt,
dass die Chrombeschichtung von der Radoberfläche delaminiert.
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Ein
anderes alternatives Verfahren nach dem Stand der Technik wurde
entwickelt, dass die Chrombeschichtung durch Vakuummetallisierung
aufbringt, wodurch die Applikation der dekorativen Beschichtung
unter Verwendung gefährlicher
Lösungen
eliminiert wird. Dieses Verfahren nach dem Stand der Technik hat
das Aufbringen von ein oder zwei Primerschichtzusammensetzungen
zur Folge, um eine ebene Oberfläche
bereitzustellen und eine geeignete Adhäsion für das aufzubringende Cr vorzusehen.
Das Rad wird dann in einer Vakuummetallisierungskammer platziert,
wo eine dekorative Beschichtung aufgebracht wird. Nachfolgend wird eine
Beschichtung aufgebracht, um die metallisierte Schicht vor umweltbedingten
Elementen zu schützen.
Das Verfahren erzeugt chromartige Finishs auf Rädern, jedoch nicht gleich der
Qualität
des Galvanisierungsverfahrens und wurde als solches durch die Radhersteller
in den Vereinigten Staaten nicht akzeptiert.
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US Patent 5,656,335 offenbart
ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit einem Metall,
das einen polierten Effekt ergibt, wobei das Substrat aus einem
Material ist, das bei Temperaturen bis zu wenigstens 120°C dimensional
stabil ist. Das Verfahren umfasst die Schritte eines Reinigens des
Substrats oder Bildens einer oberen Beschichtung auf dem Substrat
durch Einbrennen eines pulverisierten Lacks, Beschichten des gereinigten
oder beschichteten Substrats mit einem Metall, das einen polierten
Effekt durch Plasmaabscheidung innerhalb einer Vakuumkammer ergibt,
und Aufbringen einer oberen Beschichtung durch Aufbrennen eines
pulverisierten Lacks.
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die Schwierigkeiten und Schwächen
des Standes der Technik. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine echtes Chromfinish auf Rädern und der Gleichen bereitzustellen,
das gegenüber
rauen klimatischen Bedingungen resistent ist. Eine weitere Aufgabe
ist es, gefährliche
Materialien zu eliminieren, die während des Aufbringungsprozess
verwendet werden, und weitgehend das Potenzial für eine Delamination zu verringern,
falls die Beschichtung beschädigt,
beeinträchtigt,
angeschlagen oder verkratzt wird, wie es ein Problem nach dem Stand
der Technik war. Dieses Verfahren ist auch auf irgendein Substrat
anwendbar, bei dem ein dauerhaftes, dekoratives Chromfinish auf
Automotive-Teilen erwünscht
ist, zum Beispiel auf Fahrzeugrädern,
Stoßfängern, Radkappen
und der Gleichen. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung,
einen Vakuummetallisierungsprozess für ein Verchromen von Metallsubstraten wie
Aluminium- und Stahlsubstrate bereitzustellen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verchromen
von Aluminium- und Stahlsubstraten. Das Verfahren nach der Erfindung
verwendet einen Vakuummetallisierungsprozess, der vorzugsweise vier
Stufen aufweist: eine Reinigungs- oder Vorbereitungsstufe, die eine
Anzahl von Schritten verwendet, eine Stufe zur Aufbringung einer
Basisschicht, eine Stufe zur physikalischen Beschichtung aus der
Dampfphase (Physical Vapor Deposition (PVD)) in zwei Schritten und
eine Stufe zur Aufbringung einer oberen Schicht. Jede Stufe verwendet
spezifische Verfahrensschritte und gebraucht besondere Formulierungen
unter spezifischen Prozessschrittparametern.
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Ein
Aluminium- oder Stahlsubstrat oder ein Objekt, zum Beispiel eine
Fahrzeugrad, das eine dekorative Chromschicht erhalten soll, wird
zuerst gereinigt, um eine Kontamination zu eliminieren. Die Reinigungsstufe
beginnt durch ein Glätten
oder Schlichten des Rads, um eine gleichmäßige Oberflächenrauhigkeit bereitzustellen.
Als nächstes
wird eine Reihe von Waschgängen
am Rad durchgeführt;
wenn das Rad Aluminium in Zusammensetzung ist, ein Waschgang mit
einer alkalischen/deionisierten Wasserlösung, gefolgt von einer deionisierten
(DI) Wasserspülung,
gefolgt von einer nicht-chromatierten/DI Wasserlösungsbeschichtung und beendet
mit noch einer DI Wasserspülung.
Wenn das Rad aus einer Stahlzusammensetzung ist, wird die nicht-chromatierte/ID
Wasserlösungsbeschichtung
durch eine Eisenphosphat/Stadtwasserlösung-Umwandlungsbeschichtung
ersetzt, gefolgt von einer Stadtwasserspülung. Im Reinigungsschritt
sowohl für
die Aluminium- als auch die Stahlzusammensetzung wird das Rad mit
einer letzten DI Wasserspülung
gespült.
Das Rad wird dann unter Verwendung von gefilterter Hochdruckluft
getrocknet und wird anschließend
in einem Ofen platziert, um auszugasen. Zuletzt Lässt man
das Rad abkühlen.
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Die
Basisbeschichtung, die in der Stufe der Aufbringung der Basisbeschichtung
aufgebracht wird, ist vorzugsweise ein organisches, wärmehärtendes
Pulver oder der Gleichen und sorgt für eine ebene Oberfläche für eine Nickel/Chromadhäsion, es
kann jedoch eine anorganische Verbindung verwendet werden. Alternativ kann
die Basisbeschichtung aus einer galvanischen Beschichtung oder einem
E-Coating (Elektrobeschichtung, Elektrolackierung oder der Gleichen)
bestehen. Das Rad und die Basisbeschichtung werden aufgeheizt, um
es der Beschichtung zu gestatten, zu schmelzen und gleichmäßig über die
Oberflächen
des Rads zu fließen.
Die Temperatur wird dann erhöht,
so dass das organische Pulver sich vernetzt und verfestigt. Die
Radtemperatur wird dann in Vorbereitung auf den zweistufigen PVD-Schritt
verringert.
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Um
den zweistufigen PVD-Schritt zu beginnen, wird das Rad in einer
PVD-Kammer platziert, um die Chrombeschichtungsschicht zu erhalten.
Die PVD-Stufe besteht aus zwei Schritten. Beide Schritte finden
unter Vakuumbedingungen und zum Beispiel durch ein Sputtering oder
einen ähnlichen
Prozess statt. Der erste Schritt weist ein Sputtering einer Basismetallschicht
aus 80% Nickel (Ni) und 20% Chrom (Cr) auf die Basisbeschichtung
am Rad auf. Der zweite Schritt weist ein Sputtering einer etwa 99,9%
reinen Chromschicht auf die Metallbasisschicht auf. Wie im Stand
der Technik bekannt, sind verschiedene PVD- und CVD-Prozesse bekannt,
die metallische Targets unter Vakuumbedingungen verwenden. Irgendein
derart bekannter Prozess kann verwendet werden, um die Nickel-Chrom-
und Chrom-Schichten nach der Lehre der Erfindung abzuscheiden.
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Die
obere Schutzschicht, die in der Aufbringungsstufe der oberen Schicht
aufgebracht wird, ist vorzugsweise ein klares, organisches, wärmehärtendes
Pulver, obwohl auch eine anorganische Verbindung und Mittel verwendet
werden können,
um ein farbiges Finish herzustellen. Alternativ kann die obere Schicht
aus einer galvanischen Beschichtung oder einem E-Coating bestehen.
Die obere Schicht wird auf dem Rad aufgebracht, um die Chromschicht
abzudecken, und wird nachfolgend er wärmt, um ein Vernetzen und eine
Verfestigung zu bewirken. Dann lässt
man das Rad abkühlen.
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Der
Vakuummetallisierungsprozess nach der vorliegenden Erfindung erlaubt
es, eine dekorative Chrombeschichtung auf einem Metallgegenstand
aufzubringen, zum Beispiel einem Aluminium- oder Stahlrad, in einer
umweltkompatiblen Weise ohne Verwendung von gefährlichen Chemikalien, welche
Chrombeschichtung gegenüber
rauen klimatischen Bedingungen und Delamination resistent ist. Diese
und weitere Vorteile dieser Erfindung werden auf der folgenden Beschreibung
unter Bezug auf die Zeichnungen deutlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte der Verfahrens der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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2 ist
eine Querschnittansicht eines Substrats, das die darauf in folge
des Prozess der vorliegenden Erfindung gebildete Schicht zeigt.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verchromen
von Aluminium- und Stahlsubstraten und insbesondere auf eine Vakuummetallisierung
von Chrom auf Aluminium- oder Stahlsubstraten. Das erfindungsgemäße Verfahren
sorgt für
ein dekoratives und dauerhaftes Chromfinish für Aluminium- oder Stahlobjekte,
zum Beispiel Fahrzeugräder,
Radkappen, Stoßfänger oder
der gleichen, das in einer umweltverträglichen Weise durchgeführt wird.
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Obwohl
es innerhalb des Bereichs der Erfindung liegt, einen Vakuummetallisierungsprozess
zum Verchromen von Aluminium- und Stahlsubstraten bereitzustellen,
um Artikel herzustellen, die starke Adhäsionseigenschaften des metallisierten
Chroms vorweisen, und nützlich
für eine
Vielzahl von Artikeln ist, wird das Verchromen eines Aluminium oder
Stahlrads für
den Gebrauch im Automotivbereich hier verwendet, um die Verfahrensstufen
und -schritte der Erfindung zu beschreiben.
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Unter
Bezug auf 1 werden die vier Schritte aufgeführt, die
das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung aufweist. Die vier
grundsätzlichen
Schritte des Verfahrens sind wie folgt: 1) Reinigungs- oder Vorbereitungsstufe,
2) Stufe zur Aufbringung der Basisbeschichtung, 3) zweistufige PVD-Stufe
und 4) Stufe zur Aufbringung der oberen Schicht.
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REINIGUNGS- UND VORBEREITUNGSSTUFE
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Die
Reinigungs- und Vorbereitungsstufe 1, wie sie im Prozessflussdiagramm
der 1 gezeigt ist, umfasst Prozessschritte 1a bis
1l. Die Oberfläche
des Substrats wird anfänglich
durch irgendeinen in der Industrie akzeptierten Prozess (1a) auf
eine Rauhigkeit geglättet,
die nicht größer als
ungefähr
1,5 mils ist. Mit anderen Worten überschreitet die Rauhigkeit
der Substratoberfläche
vorzugsweise etwa 1,5 mils nicht, gemessen von den Tälern bis
zu den Spitzen der Substratoberfläche. Das Substrat, zum Beispiel
ein Rad, wird dann in einem Hochdruckstrahlschrank platziert, in
dem die Oberfläche
mit einem polierartigen Strahlmedium mit einer Körnigkeit nicht größer als
etwa einer Körnung
120 (1b) aufgeraut wird. Dieser Verfahrensschritt sorgt für eine Substratoberfläche, die
für die
Adhäsion
der Aufbringung der Basisschicht passend ist.
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Das
Substrat oder Rad wird als nächstes
durch einen mehrstufigen, sprühwaschartigen
Vorbehandlungsprozess durchsetzt, abhängig davon, ob das Substrat
Aluminium oder Stahl ist, um zu gewährleisten, dass jegliche Kornterminierung
von dem Substrat entfernt ist, und um für eine geeignete Adhäsion der
Basisschicht (1c–1i)
zu sorgen. Während
des Vorbehandlungsprozesses wird das Rad in der vertikalen Stellung
gehalten, um eine vollständige
Abdeckung zu gewährleisten
und ein Einschlämmen
in irgendwelchen ausgesparten Bereichen zu verhindern. Der erste
Schritt (1c) der Vorbehandlung ist ein ungefähr 60 Sekunden dauernder Waschzyklus
einer 3% bis 6% Lösung,
alkalisches und deionisiertes Wasser, das bei einer Temperatur von
ungefähr
140°F angewendet
wird. Dieser Reinigungsschritt soll jede Kontamination entfernen,
die auf der Substratoberfläche
vorhanden sein kann. Der nächste
Schritt (1d) ist ein ungefähr
30 Sekunden dauernder Zyklus einer deionisier ten Wasserspülung, die
bei Umgebungstemperatur angewandt wird. Wenn das Rad aus Aluminium
hergestellt ist, ist der nächste
Schritte (1e) ein 60 Sekunden dauernder Zyklus einer etwa 1% bis
3% Lösung,
eine nicht-chromatische Konversion- und deionisierte Wasserbeschichtung,
die bei etwa 140°F
angewandt wird, um eine geeignete Adhäsion der Basisschicht zu gewährleisten.
Wenn das Rad aus Stahl hergestellt ist, ist der nächste Schritt
(1f) ein etwa 180 Sekunden dauernder Waschzyklus einer etwa 3% bis
7% Lösung,
einer Eisenphosphat und Stadtwasserumwandlungsbeschichtung, die
bei etwa 140Grad F angewandt wird, um eine geeignete Adhäsion der
Basisschicht zu gewährleisten,
gefolgt von einem etwa 60 Sekunden dauernden Stadtwasserspülungsschritt
(1g), der bei Umgebungstemperatur angewandt wird. Der nächste Schritt
(1h) ist ein etwa 30 Sekunden dauernder Zyklus einer deionisierten
Wasserspülung,
die bei Umgebungstemperatur angewandt wird, und der folgende Schritt
(1i) ist eine letzte ungefähr
30 Sekunden dauernde, gesonderte deionisierte Wasserspülung. Das
deionisierte Wasser, das bei den Spülungs-/Waschschritten verwendet wird, hat
vorzugsweise einen Mineralgehalt von nicht mehr als ungefähr 25 ppm,
um zu gewährleisten, dass
keine Kontamination in irgendeiner der Lösungen oder Spülungen vorhanden
ist.
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Überschüssiges Wasser
wird als nächstes
durch gefilterte Luft ausgeblasen vor dem Einbringen in einen Trockenofens
(1j). Das Rad wird in dem Trockenofen auf eine Temperatur von etwa
275°F bis
350°F aufgeheizt
(1k). Der letzte Schritt dient zwei Zwecken: er verdampft jede Feuchtigkeit,
die auf dem Rad vom Vorbehandlungsprozess zurückgeblieben ist, und er verursacht,
dass die Poren im Aluminium oder Stahl jede Kontamination und/oder
gefangenen Dämpfe
ausgasen. Dieser Schritt gewährleistet,
dass die Kontamination und/oder gefangenen Dämpfe nicht während der
Heizschritte freigesetzt werden, die bei den Stufen zur Aufbringung
der Basisschicht und der oberen Schicht erforderlich sind. Das Rad
gelangt dann in eine Abkühlkammer,
in der gefilterte Luft die Räder
bis auf einen ungefähren
Temperaturbereich von etwa 150°F
bis 250°F
(1l) abkühlt,
in Vorbereitung für
die Aufbringung der Basisschichten.
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Das
Rad verlässt
vorzugsweise die Abkühlkammer
unmittelbar in einen unter Druck stehenden Reinraum, in dem die
Atmosphäre
aus Partikeln besteht, die nicht größer als ungefähr 10.000
ppm sind. Personal, das in dem Reinraum arbeitet, sollte vorzugsweise
aufgefordert werden, einen Reinraumanzug und Staubmasken zu tragen,
um eine Einbringung von über
die Luft übertragener
Kontamination von Ihren Kleidern, Körperhaaren und der Gleichen
zu verhindern. Die verbleibenden Schritte werden auch in dieser
Reinraumumgebung und unter diesen Bedingungen durchgeführt, um
vor einer über
die Luft übertragenen
Kontamination zu schützen.
Die oben ausgeführten
Schritte der Reinigungs- und Vorbereitungsstufe sind beispielhaft,
um eine geeignete Metalloberfläche
für die
verbleibenden Stufen des Prozesses der Erfindung bereitzustellen.
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STUFE ZUR AUFBRINGUNG DER
BASISSCHICHT
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Die
Stufe 2 zur Aufbringung der Basisschicht ist in 1 aus
den Schritten 2a bis 2d bestehend gezeigt. Die Basisschicht besteht
vorzugsweise aus einer Beschichtung aus einem wärmehärtenden Hybridharzpulver oder
der Gleichen. Die Basisschicht, die in diesem Schritt verwendet
wird, kann jedoch aus einer organischen oder anorganischen chemischen
Verbindung bestehen. Die Basisschicht kann auch aus eine galvanischen
Beschichtung oder einer E-Coating bestehen. E-Coatings werden im
Allgemeinen in flüssiger
Form mittels eines galvanischen Verfahren aufgebracht, wodurch das
Substrat entweder in einem Tauchtank unter spezifizierten elektrisch
geladenen Bedingungen untergetaucht wird oder mit dem flüssigen Coatingmaterial
besprüht
und dann für
den Aushärteprozess
aufgeheizt wird.
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Unter
Bezug auf 1 wird das Rad in einer horizontal
mit der Sichtseite nach oben angeordneten Stellung beschichtet,
um eine Ebene und glatte Bedeckung zu gewährleisten (2a). Durch Aufbringen
des Pulvers bei der erhöhten
Temperatur von 150°F
bis 250°F
beginnt das Pulver nach Aufbringung auf dem Rad zu schmelzen. Dieser
Verfahrensschritt bewerkstelligt mehrere Vorteile: er gewährleistet,
dass alle Bereiche beschichtet werden und dass die Poren des Aluminiums
oder Stahl noch in einer ausgegasten Stufe sind, er ermöglicht eine
dünnere,
aufzubringende Schicht und er verringert die Zeit, um das Metall
im nächsten
Schritt aufzuheizen. Die gewünschte
Dicke der Basisschicht ist ungefähr
1,5 bis 5,0 mils. Das Rad wird als nächstes auf einen ungefähren Temperaturbereich
von 285°f
bis 310°F
vorgeheizt, wonach es in jenem Temperaturbereich für einen
Zeitraum von ungefähr
8 bis 12 Minuten verbleibt (2b). Während dieses Phasenschritts
schmilzt das Pulver weiter und fließt weiter gleichmäßig über alle
Radoberflächen.
Temperaturfluktuationen über
dem gewünschten
Bereich sorgen dafür,
dass der Ausfließprozess
stoppt, während
Fluktuationen darunter einen thermischen Schock verursachen und
die Glätte
der Oberfläche
beeinflussen können. Änderungen
in der Zeit außerhalb
der Parameter resultieren üblicherweise
in einem unebenen, wellenförmigen
oder orangenhautartigen Finish.
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Das
Rad wird als nächstes
auf einen Temperaturbereich von etwa 445°F bis 475°F vorgeheizt, wonach es bei
jener Temperatur für
einen Zeitraums von 13 bis 20 Minuten verbleibt (2c). Während dieses
Schritts vernetzt und verfestigt sich das Pulver. Wenn die Temperatur
oder Zeit verringert wird, was üblicherweise
durch eine helles, transparentes bräunliches Erscheinungsbild nachgewiesen
wird, erfährt
die Oberfläche
etwas Bewegung während
des Aushärtens
der Stufe der oberen Schicht und verursacht dadurch eine Brechen
oder Reißen
in der Cr-Beschichtung. Wenn die Temperatur oder Zeit die Parameter überschreitet,
was üblicherweise durch
ein schwarzes, nicht transparentes Erscheinungsbild nachgewiesen
wird, wird die Oberfläche
zu spröde und
kann sich vom Rad während
der Stufe für
die obere Schicht abtrennen und/oder seine Fähigkeit verringern, Schläge zu absorbieren,
was ein vorzeitiges Versagen der Beschichtung verursacht. Eine geeignet
ausgehärtete
Basisschicht hat ein dunkles, transparentes braunes Erscheinungsbild,
nach Vervollständigung
des Aushärtens
der Basisschicht. Das Rad wird als nächstes auf einen Temperaturbereich
von ungefähr
100°F bis 250°F gekühlt in Vorbereitung
für den
Metallisierungsprozess (2d). Indem das Rad auf einem erhöhtem Temperaturbereich
gehalten wird, haften die Metallisierungsschichten zum Beispiel
besser auf der organischen Basisschicht und es sorgt für eine hellere
(klarere) Farbe für
die Chrombeschichtung.
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PVD-STUFE MIT ZWEI SCHRITTEN
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Das
Rad wir als nächstes
in einer Kammer zur physikalischen Beschichtung aus der Dampfphase (PVD)
für die
Metallisierung platziert. Die Kammer ist mit Ni/Cr-Targets und Cr-Targets
ausgestattet. Ausreichende Targets sind so angeordnet, dass eines
von jeder Targetart 100% des Rads abdeckt, wenn das Rad auf seiner
Achse in der Kammer rotiert wird, um eine vollständige Abdeckung zu gewährleisten.
Der Druck in der Kammer wird dann auf etwa 0,2 bis 0,75 mTorr verringert,
um jede Feuchtigkeit zu evakuieren, die Kammerwände und die Radbasisschicht
auszugasen und eine Vakuumumgebung zu erzeugen. Argon mit einer Reinheit
von etwa 99,99% wird dann in die Kammer injiziert, um den Druck
auf etwas 2,5 bis 3,5 mTorr zu bringen, um eine Plasmaumgebung zu
erzeugen. Bei diesem Schritt (3a) wird eine Basismetallschicht,
bestehend aus etwa 50% bis 80% Ni und etwa 50% bis 20% Cr durch
Sputtern für
etwa 10 bis 20 Sekunden bei ungefähr 700 Volt, 17 Ampere und
12 Kilowatt aufgebracht. Diese Prozessschrittparameter sind beispielhaft
und variieren in Abhängigkeit
vom Typ der PVD-Maschine und Energieversorgung, die in der PVD-Maschine verwendet wird.
Zum Beispiel würden Änderungen
in der Leistungsversorgung die erforderliche Zeit und Spannung ändern. Ein
geringerer Gehalt an Nickel und ein höherer Gehalt an Chrom in einem
Target erzeugt eine hellere Farbe bei der zweiten (Cr) Metallisierungsschicht.
Die Basismetallbeschichtung dieses Erfindungsschritts sorgt für eine stabile
Basis für
das Cr, das darüber
aufgebracht wird. Muster ohne die Ni/Cr-Basis entwickeln Risse im
letzten Schritt des Heizens des Rads, um die obere Schicht auszuhärten.
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Der
Druck in der Kammer wird dann auf einen Druck von 1,5 bis 3,5 mTorr
verringert in Vorbereitung für
die Aufbringung der Cr-Metallbeschichtung. Cr mit einer Reinheit
von etwa 99,99% wird dann durch Sputtern für ungefähr 5 bis 10 Sekunden bei etwa
620 Volt, 19 Ampere und 12 Kilowatt aufgebracht (Schritt 3b). Diese
Verfahrensschritte sind beispielsweise abhängig vom PVD-Maschinentyp,
Leistungsversorgung, Größe der Targets
und Kammerdruck, etc. Während
der Ni/Cr-Anwendung wird das Cr-Target in einem Bereich von etwa
0,25 Kilowatt bis 0,3 Kilowatt geladen und während der Cr-Anwendung wird
das Ni/Cr-Target in einem Bereich von etwa 00,4 Kilowatt bis 0,05
Kilowatt geladen, um eine Kontamination voneinander zu verhindern. Die
gewünschte
Dicke der kombinierten zwei Metallschichten ist etwa 350 Å bis 600 Å. Nach
Vervollständigung der
Basisschicht und oberen Schicht wird die Kammer zurück auf atmosphärischen
Druck belüftet
unter Verwendung von Druckluft, die aufgeheizt, getrocknet und gefiltert
ist. Ein Verwenden der verarbeiteten Luft, um die Kammer zu lüften, verhindert
eine Kontamination des Kammerinnerns. Das Rad wird dann aus der
Vakuumkammer zur Anbringung der zum Beispiel schützenden, klaren organischen
oberen Schicht entfernt. Die PVD-Stufe mit zwei Schritten wie hier
ausgeführt
ist beispielhaft und die Ni/Cr und Cr-Schichten können auf der
vorbereiteten Substratoberfläche
auf irgendeine bekannte Weise einschließlich zum Beispiel durch Lichtbogen-CVD-
oder ähnliche
Methoden der Vakuummetallisierung abgeschieden werden. Der wichtige
Aspekt der Stufe ist der Gebrauch der aufeinanderfolgenden Ni/Cr-
und Cr-Schichten auf der vorbereitenden Substratoberfläche.
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Wie
im Stand der Technik bekannt, sind verschiedene PVD- und CVD-Prozesse
bekannt, die metallische Targets unter Vakuumbedingungen verwenden
und Magnetrons einsetzen, um magnetische Felder zur Konzentrierung
der Abscheidung der Metallionen auf dem Objekt zu erzeugen. Eine
planare Magnetronkonfiguration hat sich zum Beispiel in dem zweistufigen
PVD-Prozess der vorliegenden Erfindung als geeignet erwiesen. Somit
hat sich eine ebene Magnetronsputterquelle oder eine mit einem flachen
oder eben geformten Target gemäß dem Prozess
dieser Erfindung als geeignet erwiesen. Andere Vakuummetallisierungsprozesse können jedoch
bei dem Verchromungsprozess der Erfindung von Aluminium- und Stahlsubstraten
verwendet werden.
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STUFE ZUR AUFBRINGUNG DER
OBEREN SCHICHT
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Die
Stufe 4 zur Aufbringung der oberen Schicht weist die Schritte 4a
bis 4c auf, wie in 1 gezeigt. Die Anbringung der
klaren organischen oberen Schicht besteht vorzugsweise aus einer
akrylischen wärmehärtenden
Pulverbeschichtung oder der gleichen. Der Zweck der oberen Schicht
ist es, einen Schutz der Metallbeschichtungen, Verschleißfestigkeit
und UV-Schutz bereitzustellen. Die obere Schicht kann eine organische oder
anorganische chemische Verbindung sein. Die obere Beschichtung kann
auch aus einer galvanischen Beschichtung oder E-Coating bestehen.
Das E-Coating sorgt für
eine kratzfeste obere Schicht für
die Chromschicht, die in dem zweistufigen PVD-Prozess der Erfindung
aufgebracht wurde. E-Coatings werden im Allgemeinen in flüssiger Form
durch einen galvanischen Prozess aufgebracht, durch den das verchromte
Substrat entweder in einem Tauchtank unter spezifischen elekt risch
geladenen Bedingungen untergetaucht oder mit flüssigem E-Coating-Material besprüht und dann
für Aushärtezwecke
erwärmt
wird.
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Das
Substrat wird in der horizontalen Stellung mit der Sichtseite noch
oben beschichtet, um eine ebene und gleichmäßige Abdeckung zu gewährleisten
(4a). Die gewünschte
Stärke
der Beschichtung liegt in einem Bereich von etwa 2,0 bis 3,0 mils.
Die klare obere Schicht wird bei einem Temperaturbereich zwischen etwa
80°F bis
200°F aufgebracht.
Temperaturen, die diese Parameter überschreiten, führen dazu,
dass sich die Cr-Schicht verdunkelt. Nach Ausbringung der klaren
oberen Schicht, wird das Rad auf einen ungefähren Temperaturbereich von
320°F bis
360°F vorgeheizt,
wonach es bei jener Temperatur für
einen Zeitraum von etwa 15 bis 20 Minuten verbleibt (4b). Während dieses
Verfahrensschritts vernetzt sich das Pulver und verfestigt sich.
Das Rad gelangt dann in eine Abkühlkammer,
in der gefilterte Luft das Rad auf Umgebungstemperatur abkühlt (4c).
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2 zeigt
einen Querschnitt der Schichten, die auf dem verchromten Substrat 10 als
ein Ergebnis der Verfahrensschritte nach der vorliegenden Erfindung
gebildet werden. Das Rad oder Substrat 11 ist mit einer
Basisschichtbeschichtung 12, einer Ni/Cr-Metall 13,
einer Cr-Schicht 14 und einer Beschichtung der oberen Schicht 15 gezeigt.
Die Basisschicht 12 ist vorzugsweise ein wärmehärtendes
Hybridharzpulver oder der Gleichen. Die Ni/Cr-Schicht 13 und
die Cr-Schicht 14 werden in dem zweistufigen PVD-Prozess
gebildet und haben zusammen vorzugsweise ungefähr eine Stärke von 350 Å bis 600 Å. Die obere
Schicht ist vorzugsweise eine akrylische, wärmehärtende Pulverbeschichtung oder
der gleichen, es können
jedoch auch organische oder anorganische Zusammensetzung der oberen
Schicht wie zuvor erläutert
verwendet werden.
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Die
obige Diskussion betreffend die Stufe zur Aufbringung der Basisschicht
und die Stufe zur Aufbringung der oberen Schicht, insbesondere hinsichtlich 1,
bezieht sich jeweils auf die Anbringung einer wärmehärtenden Hybridharzpulverbeschichtung
für die
Basisschicht und die Aufbringung einer akrylischen wärmehärtenden
Pulverbeschichtung für
die obere Schicht. Die Aufbringung dieser Formulierung für die Basisschicht
und obere Schicht erfordert spezifische Prozessparameter, das heißt Temperaturen,
Zeiten, etc., wie in 1 ausgeführt. Wie hier auch diskutiert,
können
auch andere Formulierungen zur Basisschicht und oberen Schicht im
Metallisierungsprozess der Erfindung verwendet werden. Die Anwendungsparameter
dieser Formulierungen für
Basisschicht und obere Schicht wären
verschieden von jenen, die hinsichtlich 1 erläutert wurden
und werden im Allgemeinen durch die Hersteller der Beschichtungsformulierungen
bestimmt.
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Obwohl
eine klare obere Schicht in dem Prozess der Erfindung diskutiert
wurde, können
auch verschiedene Farbtöne
auf der in dieser Erfindung hergestellten verchromten Schicht verwendet
werden. Zum Beispiel kann die obere Schicht mit einer Farbe eingefärbt werden
oder eine Farbe kann auf dem Gegenstand selbst während des PVD-Prozesses vorgesehen
werden. Zum Beispiel erzeugt die Einführung eines Gases wie Argon,
Stickstoff oder der Gleichen im PVD-Prozess eine spezifische Farbe
auf dem Objekt, wie im Stand der Technik bekannt.
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Ein
Rad, das unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt
wurde, lieferte die folgenden Testresultate:
| 1)
Salzsprühtest | (ASTM
B-117) 480+ Stunden |
| 2)
Adhäsion | (ASTM
D-3359) 100% |
| 3)
Pencil-Hardness Test | (ASTM
D3363) H-2H |
| 4)
Thermischer Zyklus | (GM
264M) Bestanden |
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Zusammengefasst
sieht das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung eine Vorbereitungsstufe
1, eine Stufe 2 zur Aufbringung einer Basisschicht, eine zweistufige
PVD-Stufe 3, und eine Stufe 4 zur Aufbringung einer oberen Schicht
vor. Der Prozess erzeugt eine Chrombeschichtung auf einer Oberfläche, vorzugsweise
Aluminium oder Stahl, eines Objekts wie Fahrzeugräder, Radkappen,
Stoßfänger und
der Gleichen, auf denen es erwünscht
ist, ein dekoratives Chromfinish zu haben. Das Verfahren der vorliegenden
Erfindung wird ohne Gebrauch von gefährlichen Chemikalien durchgeführt, was
es umweltfreundlich macht, und produziert ein Chromfinish, das gegenüber den
Elementen resistent ist und ein verringertes Potenzial für Delaminierung hat.