EP2424683B2 - Metal substrates having a scratch-proof and extensible corrosion protection layer and method for the production thereof - Google Patents

Metal substrates having a scratch-proof and extensible corrosion protection layer and method for the production thereof Download PDF

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EP2424683B2
EP2424683B2 EP10718958.1A EP10718958A EP2424683B2 EP 2424683 B2 EP2424683 B2 EP 2424683B2 EP 10718958 A EP10718958 A EP 10718958A EP 2424683 B2 EP2424683 B2 EP 2424683B2
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EP
European Patent Office
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coating
plasma
metal substrate
range
substrate
Prior art date
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EP10718958.1A
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EP2424683A1 (en
EP2424683B1 (en
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Dirk Salz
Klaus-Dieter Vissing
Matthias Ott
Uwe Bultmann
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Aalberts Surface Technologies GmbH Landsberg am Lech
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Aalberts Surface Technologies GmbH Landsberg am Lech
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Publication date
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    • B05D7/00Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials
    • B05D7/14Processes, other than flocking, specially adapted for applying liquids or other fluent materials to particular surfaces or for applying particular liquids or other fluent materials to metal, e.g. car bodies

Definitions

  • the invention relates to a method as defined in the claims for coating the surface of a metal substrate that is not a light metal substrate.
  • the metal substrate can in particular be non-ferrous metals such as brass, nickel silver, bronzes or precious metals such as silver or gold alloys, but also steel material such as stainless steel or tool steel.
  • the layer to be applied is characterized by an advantageous combination of scratch and abrasion resistance, elasticity, transparency and, if necessary, corrosion protection. Further layer properties are very good specific electrical insulation properties, chemical and thermal stability, as well as barrier properties.
  • the invention also relates to coated metal substrates as defined in the claims
  • Untreated surfaces of objects for example semi-finished products, sanitary articles, metal strips, especially made of steel and brass and copper, instruments, especially percussion instruments or basins, objects for food processing such as pans or baking molds, (stainless steel) containers for example for the chemical industry, jewelry, Fittings) made of non-light metals, in particular made of brass, copper, steel are particularly susceptible to corrosion in certain media, such as alkalis or acids, in an aqueous environment, or in contact with finger sweat. In addition, their scratch resistance is comparatively low. Therefore z. B. brass surfaces are often refined with powder paints or PVD coatings.
  • PVD coatings Corresponding improvements in surface properties are often produced by PVD coatings.
  • a disadvantage of PVD coatings is their low extensibility. Typical is a crack-onset-strain of max. 1 to 1.5%, which is therefore worse than with the metal substrate. This means a severe restriction in the processing of corresponding semi-finished products and components made of non-light metals, for example in the case of metal strips, plate-shaped products or extruded profiles. Cracks or hairline cracks are also observed when heated to over approx. 100 ° C, as they regularly occur during welding or hot bending, for example. In addition, the internal stresses in the boundary layer area between the layer and the substrate are increased. The liability is charged. At the points where cracks or hairline cracks run, the corrosion protection effect of the PVD coating fails in particular.
  • the mechanical wear behavior of the surface is improved, for example by ceramic spray coatings.
  • this creates thermal insulation that can be used for forms of plastics processing.
  • their grainy surface is disadvantageous, so that no high-quality components can be produced.
  • EP 0 752 483 A1 discloses a method for coating objects made of metal, metal alloys, plastics or with corresponding surfaces with a protective layer after prior cleaning by means of a plasma-assisted CVD process by electrical plasma excitation at reduced gas pressure with the introduction of a gas mixture with reactive, layer-forming gases and control of the Working pressure, with the vapor of an easily vaporizable organosilicon compound containing the element silicon in organic compound or a silicon-containing gas being introduced as the reactive gases in addition to oxygen, characterized in that the reactive gases are introduced in such a mixture, that the proportion of reactive oxygen is not sufficient for the quantitative conversion to silicon dioxide, and that the deposition parameters of the electrical gas discharge are controlled in such a way that a quartz-like This layer forms which, in addition to silicon and oxygen, also contains organic, plasma-polymerized components in a homogeneous distribution.
  • DE 195 23 442 A1 discloses a method for coating objects made of metal or metal alloys or with corresponding surfaces with a protective layer after prior cleaning by means of a plasma-assisted CVD process by means of an electrical high-frequency discharge at reduced gas pressure with the introduction of a gas mixture with reactive, layer-forming gases and control of the working pressure, characterized in that for the formation of a quartz-like layer as the reactive gases, in addition to oxygen, the vapor of an easily vaporizable organosilicon compound containing the element silicon in an organic compound or a silicon-containing gas can be introduced in such a mixture that the proportion of reactive oxygen is not sufficient for the quantitative conversion to silicon dioxide, and that the self-bias voltage of the electrical gas discharge is controlled so that a layer with a mixed structure of quartz with embedded organic Forms structural components.
  • the object of the present invention was to provide a method with which a protective layer can be produced on a metal substrate that is not a light metal, which does not have some or all of the disadvantages of the prior art described above, or at least only to a reduced extent.
  • a protective layer should have improved elongation at break and low internal stresses, so that cold or hot deformation is better possible.
  • improved chemical stability with respect to alkaline media and, in general, a good anti-corrosion effect are desirable.
  • Such a layer should preferably have a high resistance to abrasion and scratching, so that it can also be applied with layer thicknesses of over 20 ⁇ m.
  • metal is a metallic material with a density of> 4.5 g / cm 3 at 20 ° C., titanium being excluded. These include in particular iron, nickel, copper, zinc, nickel, lead, chromium and precious metals and their alloys such as steel, brass and bronze. Preferred metal substrates are brass and copper substrates and especially steel substrates.
  • a light metal is a metallic material within the meaning of the present invention with a maximum density of 4.5 g / cm 3 at 20 ° C. For metal substrates, the density of the area on which the coating rests is decisive for classification as a light metal.
  • the metal substrate is preferably a semi-finished product which is subsequently further deformed in further preferred methods according to the invention.
  • a coating produced according to the method according to the invention is characterized by a previously unknown advantageous combination of properties that were previously considered incompatible, namely good scratch and corrosion resistance with high elasticity (elongation at break preferably greater than or equal to 2%, in particular greater than or equal to) 2.5%).
  • the method according to the invention can also achieve good substrate adhesion, good optical transparency in the visible range and / or high layer thickness homogeneity.
  • the coating preferably has a thermal conductivity of 5 W / m ° K and preferably an electrical breakdown strength according to DIN 53841 of 10-100 kV / mm.
  • Coatings with a yellow index of 2.5 or below generally have no yellow discoloration that can be detected by the human eye. In the case of coatings that are intended as transparent protective layers, however, a minimal yellow coloration, such as with a yellow index in the range of over 2.5 to 3, can also be tolerated.
  • the yellowness index is also essentially determined by the proportion of Si-H bonds in the coating produced by the method according to the invention, which, as explained below, is decisive for achieving favorable areas of hardness and elasticity and thus for achieving the advantageous combination of properties. If you want to increase the hardness of the coating and / or if a slightly yellowish color, which can ultimately lead to an intense gold tone, is allowed, then restrictions in the elongation up to micro-cracks must be accepted.
  • the yellow index can be set up to 4 without losing the anti-corrosion effect. To do this, you can increase the self-bias by increasing performance.
  • Another important parameter is the carbon content in the coating produced with the method according to the invention, which is influenced by the content of organic groups. This in turn is just as important for the hardness and elasticity of the coating, which is also desirable for achieving the advantageous combination of properties. Due to the high elasticity of the coating, it can be stretched together with the coated object, for example, without cracking. If the coating is very elastic, the substrate can even be plastically deformed without the coating being damaged. This enables forming processes of the coated material to a certain extent.
  • the scratch resistance of the layers is in many cases comparable to that of glass surfaces. It turned out, surprisingly, that it is possible by using the (dry chemical) method according to the invention, for. B. to completely dispense with the (wet chemical) chrome plating (decorative chrome plating). This is advantageous because chrome plating is an expensive process due to the high energy consumption and is problematic from an environmental point of view. In addition, dirt-repellent (low-energy) surface properties can be set on the coating surface.
  • the layer property function that can be achieved is not only of interest as a substitute for chromating, but also for the general coating of non-light metals.
  • Domingues, et al. (2002) Electrochimica Acta 47, 2253-2258 discloses an aluminum alloy with a plasma polymer coating which effects a certain protection against corrosion (verified by electrochemical impedance spectroscopy).
  • the coating disclosed lacks in particular the good scratch resistance and the high extensibility which are inherent in the coating produced according to the invention. It is also characterized by high water absorption, comparable to that of organic coatings.
  • Domingues, et al. does not contain any information regarding yellow coloration or regarding the carbon content. Due to the way the process is carried out (ratio of the gas flows of oxygen to the organosilicon precursor approx. 23: 1; for more information on the influence of these parameters see below), the method described in Domingues et al.
  • the coating disclosed has a lower carbon content than the coating produced by the method according to the invention.
  • Thick-film processes e.g. the application of paints or sol-gel coatings, can achieve the necessary corrosion resistance, but they change the visual appearance. This effect is reinforced in the case of irregularities such as mechanical damage or poor adhesion of the thick layers.
  • the method according to the invention is able to meet the need for an inexpensive method for producing a thin layer which does not change the surface color of the metal (no intrinsic color and thus has a sufficiently high transmission in the visible range), which the surface structure (e.g. polishes, sanded, matt), so that no "lacquer gloss" arises, which, in addition to high corrosion stability, has high mechanical resistance (scratch resistance, elasticity) and which has a high level of layer thickness uniformity even with complex geometries.
  • the surface structure e.g. polishes, sanded, matt
  • the layer properties can be set within wide limits as described below.
  • the hardness and the thickness of the coatings that can be produced by the method according to the invention, it is possible for the person skilled in the art to achieve an optimum with regard to the scratch resistance of the coating: If the hardness is too low, the deposited plasma polymer layer is not sufficiently scratch-resistant. If the hardness is too great, the scratch resistance also decreases, since the layer then becomes too brittle. This can be seen, for example, in the microscopic assessment of the defect image. In general, the scratch resistance of the layer is determined by the appropriate selection of layer thickness and composition.
  • a method according to the invention is preferred which is carried out in such a way that the coating produced by the method has a pencil hardness of 4H or higher, determined in accordance with ASTM D 3362.
  • the composition of the gas mixture from which the plasma is generated must also be taken into account.
  • a lower self-bias should generally be selected than with a low one. The easier it is to ionize a precursor, the lower the plasma power has to be in order to achieve a certain self-bias. With a high electrical conductivity of the plasma, a low plasma power is required in order to achieve a given self-bias.
  • a method according to the invention is preferred, with regulation taking place during step B so that the self-bias is in the range from 100 to 400 V, preferably in the range from 100 to 300 V.
  • the self-bias can be reduced, for example, with the plasma power remaining the same, by increasing the plasma excitation frequency.
  • it can alternatively and / or preferably by applying an additional DC voltage the electrode can be adjusted or influenced so that it can be adjusted independently of other process parameters.
  • step B the metal substrate is arranged in the plasma polymerization reactor in such a way that it is connected as a cathode.
  • the metal substrate acts as a cathode when it is in direct electrically conductive contact with that part of the cathode which can be distinguished from the metal substrate. This makes it easier to achieve a high deposition rate of the positively charged ions of the plasma, which are attracted to the cathode.
  • the substrate itself acts as a cathode, the kinetic energy with which the positively charged ions collide with the surface is increased. This changes the structure of the layer in the direction of a lower proportion of organic groups (usually consisting predominantly of C and H) and a correspondingly higher proportion of Si and O. The same effect also occurs (possibly reduced) when the substrate although it does not act as a cathode, it is arranged in the acceleration path of the cations.
  • no separate ion source is used in the method according to the invention.
  • An increase in the self-bias in the resulting layer causes, on the one hand, the reduction of internal stresses and thus an effect that increases the elongation at break, and, on the other hand, an increase in hardness and the modulus of elasticity and thus an effect that reduces the elongation at break. Because two opposing effects partially cancel each other out, there is an optimum crack elongation depending on the self-bias, so that an excellent combination of relatively high hardness and high crack formation can be produced.
  • the layers that can be produced with the method according to the invention are organically modified SiO 2 frameworks.
  • the organic components can be detected in the IR spectrum by bands at approx. 2950 cm -1 and at approx. 1275 cm -1. They can also be detected by measuring the surface energy with test inks. The higher the proportion of organic groups, the lower the surface energy. Therefore, the higher the self-bias, the greater the surface energy.
  • the self-bias is preferably set on the substrate during step B.
  • the dependence of the deposition rate and the layer properties on the self-bias has already been explained. If the self-bias is set directly on the substrate and thus on the object to be coated, this makes it easier to achieve a layer with the desired, precisely defined properties.
  • regulation preferably takes place during step B so that the self-bias is constant.
  • the structure of the layer can be precisely controlled.
  • Advantages of a self-bias that is as constant as possible are a homogeneous layer structure and simple process transfer to different types of substrates or a plurality of substrates.
  • the self-bias is preferably regulated directly during step B. If the plasma power is regulated, the self-bias will usually not be completely constant, but will fluctuate around a certain value. In such a case, it is preferred if the total fluctuation range of the self-bias is a maximum of 5% of the mean value over time, preferably a maximum of 3%.
  • a method according to the invention is particularly preferred (in particular in combination with one or more features of another method described as preferred or particularly preferred), wherein during In step B, regulation takes place so that the self-bias on the substrate is in the range from 100 to 400 V, more preferably in the range from 100 to 300 V, in particular such that the self-bias is constant.
  • an alternating voltage is applied to the metallic substrate, so that a self-bias is formed on the metallic strip.
  • a microwave discharge can also burn in close proximity to the unwound strip and thus provide the necessary high number of ions.
  • a method according to the invention is also particularly preferred (in particular in combination with one or more features of another method described as preferred or particularly preferred), wherein the bias applied to the electrode is not determined solely by the plasma process parameters, but is increased or increased by an additional external DC voltage is humiliated. This is particularly important if the electrode area is selected to be large and an increase in DC voltage is necessary for this reason.
  • An increase in the inflow of the organosilicon precursor (s) for the plasma (in relation to possibly also inflowing O 2, in particular while keeping the total inflow constant) generally causes a decrease in hardness, an increase in absorption in the visible range (increase in yellow index), a Deterioration in the anti-corrosion effect and an improvement in the elongation at break.
  • Si-H bonds In the case of a high number of Si — H bonds in a layer produced according to the invention, an increased absorption of light in the ultraviolet and blue spectral range can be determined in the UV / Vis spectrum. This leads to an undesirable yellow coloration (increase in the yellow index). It is therefore desirable not to let the proportion of Si-H bonds become too large. A reduction in the self-bias prevents the formation of Si-H bonds in the coating.
  • the formation of Si-H bonds can also be inhibited by a suitable selection of the amount and / or type of precursor (s). This is usually achieved by reducing the inflow of organosilicon precursors, which in addition also reduces the proportion of organic groups in the coating.
  • the occurrence of Si-H bonds can also be detected in the IR spectrum (2150 to 2250 cm -1 ).
  • the formation of Si-H bonds in the coating is also reduced if a sufficient amount of oxygen is supplied to the plasma, which in addition also reduces the proportion of organic groups in the coating.
  • a method according to the invention is preferred, in which oxygen (in the form of O 2 ) is supplied to the plasma in step B and preferably all of the substances supplied to the plasma in step B are gaseous before entry into the plasma polymerization reactor. Conducting the process in such a way that the substances supplied to the plasma are not only gaseous under the conditions of the plasma, but also before they enter the reactor, facilitates the precise adjustment of the dosage of the substances.
  • An increase in the flow of oxygen leads to an increase in hardness, a reduction in absorption in the visible range (reduction in the yellow index), an improvement in the corrosion protection effect, a reduction in the proportion of organic groups in the coating and a reduction in elongation at break.
  • oxygen (O 2 ) is supplied to the plasma
  • all substances supplied to the plasma in step B are gaseous before entry into the plasma polymerization reactor and the ratio of the gas flows of oxygen and precursor (s) supplied to the plasma in step B is (in particular organosilicon precursors) in the range from 3: 1 to 5: 1.
  • organosilicon precursors in the range from 3: 1 to 5: 1.
  • the O 2 flow can be increased.
  • the inflow to the organosilicon precursor or precursors or the self-bias can be reduced. If the coating is too hard and therefore too brittle, the self-bias can be reduced or the inflow to the organosilicon precursor or precursors can be increased.
  • the thermal conductivity as well as the electrical conductivity is only slightly changed by changing the actual plasma parameters in the context of the claimed coating. Only the layer thickness is an essential parameter, so that it is possible to adapt the mechanical requirements of the coating as well as possible to the problem at hand.
  • a method according to the invention is preferred, in particular in one of the embodiments designated as preferred, with one or more siloxanes, optionally oxygen (O 2 ) and preferably no further compounds being used as precursor (s) for the plasma in step B.
  • Siloxanes in particular hexamethyldisiloxane (HMDSO)
  • HMDSO hexamethyldisiloxane
  • An increase in the inflow of HMDSO in relation to oxygen causes, among other things, a reduction in hardness, an increase in absorption in the visible range and a deterioration in the anti-corrosion effect.
  • a method according to the invention is particularly preferred in which oxygen is supplied to the plasma in step B, all substances supplied to the plasma in step B are gaseous before entering the plasma polymerization reactor, the ratio of the gas flows of oxygen and precursor (s) supplied to the plasma in step B is in the range from 1: 1 to 6: 1 and is used as precursor (s) for the plasma HMDSO, oxygen and, in particular, no further compound.
  • the plasma polymerization is preferably carried out at a temperature of less than 200 ° C., preferably less than 180 ° C. and / or a pressure of less than 1 mbar, preferably in the range from 10 -3 to 10 -1 mbar. If the pressure is too high during the deposition, undesirable powder formation of the deposited material can occur. If the pressure is less than 10 -3 mbar, the plasma can no longer be ignited.
  • step B is preferably carried out up to a thickness of the deposited coating of greater than or equal to 2 ⁇ m, preferably greater than or equal to 4 ⁇ m.
  • a thickness of the deposited coating of greater than or equal to 2 ⁇ m, preferably greater than or equal to 4 ⁇ m.
  • a method according to the invention is preferred, the deposition rate being set to a value greater than or equal to 0.2 ⁇ m / min, preferably greater than or equal to 0.3 ⁇ m / min, in step B.
  • a value of 0.5 ⁇ m / min can be selected.
  • high deposition rates increase the economic viability of the method according to the invention and also make it easier to set the desired layer properties.
  • the metal substrate is preferably a non-ferrous metal substrate selected from the group of substrates consisting of: brass, copper or bronze with a cleaned, uncoated surface.
  • the substrate surfaces are optionally mechanically and / or electrically polished and / or gloss-pickled or refined by a chemical, electrochemical or mechanical pretreatment, for example gloss-pickled, electropolished or polished.
  • step A the substrate surface to be coated is cleaned by means of a plasma.
  • a plasma cleaning improves the layer adhesion.
  • a gas or gas mixture is preferably added to the plasma in step A to carry out the plasma cleaning, the gas or gas mixture being selected from the group consisting of: argon, argon-hydrogen mixture, oxygen.
  • step B there are non-fragmented organosilicon compounds within the plasma polymerization reactor which react with reactive sites on the surface of the coating to form a hydrophobic surface.
  • This can be achieved in that the unfragmented organosilicon precursor or precursors are initially left in the reactor after the plasma source has been switched off and are thus given the opportunity to react with the surface radicals of the plasma polymer layer. This allows layers to be created that are particularly easy to clean.
  • the formation of a near-surface hydrophobic layer can be detected by means of XPS.
  • the signals C1s, Si2p and O1s are used to quantify the carbon, silicon and oxygen content.
  • a trimethylsiloxy-terminated polydimethylsiloxane (PDMS) with a kinematic viscosity of 350 mm 2 / s at 25 ° C and a density of 0.970 g / mL at 25 ° C is investigated.
  • An example of this is the product DMS-T23E from Gelest.
  • the relative atomic sensitivity factors are adjusted so that the determined atomic stoichiometric ratio between silicon and oxygen is 1.00 ⁇ 0.05 and the atomic stoichiometric ratio between silicon and carbon is 0.50 ⁇ 0.03.
  • Example 1 For a method preferred according to the invention for carrying out the XPS investigation, see Example 1 below.
  • a layer produced by the process according to the invention preferably contains in the upper 5 nm (facing away from the substrate) a carbon content of 40-55 atom%, a silicon content of 15-25 atom% and an oxygen content of 20-35 atom -%, based on the total number of Si, C and O atoms contained in the coating. It is clear to the person skilled in the art that this superficial area is only applied after the steps essential to the invention have been carried out.
  • the plasma is preferably not generated by means of direct voltage, but preferably by means of high frequency (HF) and, in particularly preferred cases (see above), with microwaves.
  • HF high frequency
  • microwaves With the same self-bias, high-frequency plasmas lead to higher deposition rates than lower-frequency plasmas.
  • High frequency should be understood to mean frequencies greater than or equal to 100 kHz.
  • the present invention also relates to a coated metal substrate as defined in the claims, which can be produced by the method according to the invention, preferably in one of the configurations described above as preferred.
  • Preferred coated metal substrates according to the invention comprising the substrates and / or coatings described above as being preferred.
  • the coating preferably has proportions of 5 to 30 atom%, preferably 10 to 25 atom%, and 30 to 70 atom%, preferably 40 to 60 atom, which can be determined by measurement using XPS -% oxygen, based on the total number of carbon, silicon and oxygen atoms contained in the coating.
  • the coating has a carbon content of 3 to 28 atom%, preferably 5 to 28 atom%, more preferably 7 to 28 atom%, based on the total number, which can be determined by measurement using XPS of the carbon, silicon and oxygen atoms contained in the coating.
  • an IR spectrum recorded by the coating has one or more, preferably all of the following bands (peaks) with a respective maximum in the following ranges: CH stretching vibration in the range from 2950 to 2970 cm -1 , Si-H vibration in the range from 2150 to 2250 cm -1 , Si-CH 2 -Si vibration in the range from 1350 to 1370 cm -1 , Si-CH 3 deformation vibration in the range from 1250 to 1280 cm -1 and Si -O oscillation at greater than or equal to 1150 cm -1 .
  • the position of the maximum of the Si-O-Si oscillation provides information about the degree of crosslinking of the layer.
  • Layers in which this maximum is greater than or equal to 1200 cm -1 , preferably greater than or equal to 1250 cm -1 have a high degree of crosslinking, while anti-stick layers with this maximum typically have a low degree of crosslinking at approximately 1100 cm -1.
  • a detectable Si-CH 2 -Si oscillation band indicates that, in addition to Si-O-Si links, there are Si-CH 2 -Si links in the coating.
  • Such a material regularly has increased flexibility and elasticity.
  • the ratio of the intensity of the Si-H band to the intensity of the Si-CH 3 band can be used to characterize the coating. Coatings in which this ratio is less than or equal to approx. 0.2 are colorless. If the ratio is greater than about 0.3, the coatings are yellowish.
  • a coated metal substrate according to the invention is preferred, the ratio of the intensity of the Si-H band to the intensity of the Si-CH 3 band being less than or equal to 0.3, preferably less than or equal to 0.2, in an IR spectrum recorded by the coating is.
  • a coated metal substrate according to the invention is preferred, the coating having an absorption constant k 300 nm of less than or equal to 0.05 and / or an absorption constant k 400 nm of less than or equal to 0.01.
  • the relationship between the number of Si-H bonds, which cause light absorption in the ultraviolet and blue range, with the self-bias, an oxygen supply to the plasma and the amount and type of precursor (s) has already been explained above.
  • the coating of a coated metal substrate according to the invention preferably has a surface energy in the range from 20 to 40 mN / m, preferably 25 to 35 mN / m. As explained above, the surface energy is determined by the proportions of organic groups and thus by the amount of self-bias.
  • the anti-corrosion properties of the coating can be achieved by z.
  • a coated metal substrate according to the invention preferably shows no traces of corrosion that are visible to the naked eye after a 15-minute corrosive attack by NaOH at pH 14 and 30 ° C.
  • the elongation at break is inter alia. determined by setting the self-bias.
  • the coating has an elongation up to a microcrack (tear elongation) of greater than or equal to 1.5%, preferably greater than or equal to 2.5%.
  • the self-bias influences the layer thickness homogeneity in the above-mentioned way.
  • the gas flows are also of great importance. This is to be understood as meaning, for example, those reactors in which the reactor chamber (recipient) is 2 m 3 or larger.
  • the homogeneity of the layer thickness is defined by the electrical fields generated on the substrate, ie a high field strength means a high deposition rate. Homogeneity can only be achieved if the electrical field strength on the substrate is largely the same everywhere. In general, the following applies:
  • the layer thickness homogeneity on any three-dimensional substrate obeys the Laplace equation, which gives the solution for the electrical field strength on the substrate.
  • the maximum layer thickness preferably differs from the minimum layer thickness by a factor of 1.1 or less.
  • the present invention also relates to the use of a coating that can be produced or produced by a method according to the invention (in particular in an embodiment characterized as preferred) as a protective or functional layer on metals as defined in claim 15.
  • XPS measurements were carried out with the KRATOS AXIS Ultra spectrometer from Kratos Analytical. The calibration of the measuring device was carried out in such a way that the aliphatic content of the C 1s peaks at 285.00 eV. Due to charging effects, it will usually be necessary to shift the energy axis to this fixed value without further modification.
  • the analysis chamber was equipped with an X-ray source for monochromatized Al K ⁇ radiation, an electron source as a neutralizer and a quadrupole mass spectrometer.
  • the system also had a magnetic lens that focused the photoelectrons into a hemisphere analyzer through an entry slot. During the measurement, the surface normal pointed to the entry slit of the hemispherical analyzer.
  • the passenger energy in the determination of the molar ratios was 160 eV in each case. When determining the peak parameters, the pass energy was 20 eV in each case.
  • the measurement conditions mentioned are preferred in order to enable extensive independence from the spectrometer type and in order to identify plasma polymer products produced according to the invention.
  • This trimethylsiloxy-terminated silicone oil has a kinematic viscosity of 350 mm 2 / s ( ⁇ 10%) and a density of 0.970 g / mL at 25 ° C and an average molecular weight of approx. 13,650 g / mol.
  • the selected material is characterized by an extremely low proportion of vaporizable components: after 24 hours at 125 ° C and 10 -5 Torr vacuum, less than 0.01% volatile components were detected (according to ASTM-E595-85 and NASA SP-R0022A ). It was applied to a silicon wafer as a 40 or 50 nm thick layer with the aid of a spin coating process; hexamethyldisiloxane was used as the solvent or diluent.
  • the nanoindentation hardness of a sample was determined with the aid of a Berkovich indenter (manufacturer: Hysitron Inc. Minneapolis, USA). The calibration and evaluation took place according to the established procedure of Oliver & Pharr (J. Mater. Res. 7, 1564 (1992 )). The machine stiffness and the area function of the indenter were calibrated before the measurement.
  • the "multiple partial unloading" method Schiffmann & Jardinr, Z. Metallischen 95, 311 (2004 ) is used to obtain depth-dependent hardness values and thus exclude the influence of the substrate.
  • Example 3 elongation to micro-cracks (elongation at cracks)
  • a 0.5 mm thin and 10 cm long sheet steel (ST 37) is coated in the same way and stretched until optical cracks are visible.
  • the elongation at break is equal to the quotient of the elongation to the original total length of the steel.
  • Example 4 IR spectroscopy and determination of the intensity ratio of two bands in the IR spectrum
  • the measurements were carried out with an IFS 66 / S IR spectrometer from Bruker.
  • the IRRAS technique was used as a method, with the help of which even the thinnest coatings can be measured.
  • the spectra were recorded in the wavenumber range from 700 to 4000 cm -1 .
  • Small platelets of very clean and particularly flat aluminum were used as the substrate material.
  • the angle of incidence of the IR light was 50 ° during the measurement.
  • the sample was in the IR spectrometer, the sample chamber was continuously flushed with dry air. The spectrum was recorded under such conditions that the water vapor content in the sample chamber was so small that no rotational bands of the water could be seen in the IR spectrum.
  • An uncoated aluminum plate was used as a reference.
  • the intensity ratio of two bands is determined as follows:
  • the baseline (baseline) in the area of a peak is defined by the two minima which include the maximum of the band and corresponds to the distance between them. It is assumed that the absorption bands are Gaussian.
  • the intensity of a band corresponds to the area between the baseline and the measurement curve, limited by the two minima which include the maximum, and can easily be determined by a person skilled in the art using known methods.
  • the intensity ratio of two bands is determined by forming the quotient of their intensities. The basic requirement for the comparison of two samples is that the coatings have the same thickness and that the angle of incidence is not is changed.
  • a zinc sheet is also provided with a transparent, stretchable, scratch-resistant and corrosion-resistant coating.
  • the substrate is attached to or in the immediate vicinity of the cathode operated with HF (13.56 MHz) (area approx. 15 x 15 cm) so that the substrate itself acts as a cathode.
  • HF 13.56 MHz
  • area approx. 15 x 15 cm area approx. 15 x 15 cm
  • oxygen is admitted into the reactor at a flow of 280 sccm.
  • a self-bias voltage of 250 V is set on the substrate with the aid of a high-frequency plasma discharge (13.56 MHz).
  • a sputter etching process takes place under these conditions, in which organic contaminants in particular are efficiently broken down.
  • This step as step A of the method according to the invention has a duration of 5 minutes.
  • the plasma coating is now deposited on the pre-cleaned substrate surface in step B of the method according to the invention.
  • HMDSO hexamethyldisiloxane
  • the self-bias voltage is regulated in such a way that a value of 100 V, 250 V, 300 V or 400 V is set. After a coating time of 20 minutes, an approx.
  • the coating proved to be more scratch-resistant than a compacted anodized coating with a layer thickness of approx. 8 ⁇ m, but a significantly higher elongation at break of 2.8% was observed.
  • the elongation at break for the anodized coating was only 0.5%.
  • An eccentric device (Starnberger) was used to determine the scratch resistance on the substrate.
  • an anodized surface approx. 8 ⁇ m thick (not according to the invention)
  • an approx. 500 nm thick plasma polymer coating produced according to a prior art method (not according to the invention, exemplarily manufactured according to TW Jelinek, surface treatment of aluminum, Eugen G. Leuze Verlag, Saulgau, 1996 ) and investigated a 4 ⁇ m thick plasma polymer coating produced according to the invention.
  • the anodized surface was scratched in a visually perceptible manner after approx. 300 double rubs and the plasma polymer coating not according to the invention after approx. 500 rubs. In the case of the plasma polymer coating produced according to the invention, no optically perceptible scratches could be found even after 10,000 strokes.
  • the good corrosion protection properties of the coating according to the invention produced by means of plasma polymerization apply in acidic (20% sulfuric acid, 45 min, 65 ° C.) as well as in basic (NaOH, pH 14, 5 min, 30 ° C.) media. After these corrosion tests, no visible damage or infiltration could be found on the coating edges.
  • the infrared spectrum from this coating shows Figure 1 .
  • the band ratio (according to Example 4) between Si-H and Si-CH 3 is approximately 1: 5.
  • the IR spectrum shows a small peak at 1360 cm-1. This band is correlated with a Si-CH 2 -Si vibration. In addition to the Si-O-Si network, there is thus a Si-CH 2 -Si network in the coating.
  • the hardness of the coating was determined according to Example 2. It is 3 GPa. The pencil hardness is 4H.
  • the coating is homogeneous in depth.
  • the proportions of carbon are approx. 10%, silicon approx. 10%, hydrogen approx. 30% and oxygen approx. 50%.
  • a scanning electron microscope examination of the break edge of the plasma polymer layer shows, on the one hand, a mussel-like break, as is known for brittle materials (glass), and, on the other hand, small, step-like breaks, which are more likely to be expected for crystalline materials.
  • the experiment is carried out as in exemplary embodiment 5, but to increase the deposition rate and thus to shorten the process time, a plasma generator that oscillates at a frequency of 27.12 MHz was used. With the same gas flows (HMDSO: 66 sccm, O 2 : 280 sccm) and self-BIAS voltage (250 V), the separation rate is increased by a factor of 1.5.
  • the coating properties change only insignificantly and are very similar to those of the coating from embodiment 5.
  • the dependence of the scratch and abrasion protection properties were determined as a function of the layer thickness. 600 ⁇ m thick stainless steel sheet (1.4544) was used as the substrate. The layer thickness was defined by the coating time. The scratch protection was checked by particle bombardment (50 ⁇ m corundum, speed 100 km / h, time 3 min, particle flow 33 g / min / cm 2 ). The coating parameters are shown in Table 3.
  • the method can also be used on multi-layered samples.
  • the thermal conductivity of an unknown layer can be determined if the thermophysical parameters ( ⁇ , Cp, p) of all other layers are known.
  • Table 5 Density (density balance based on the buoyancy principle, carrier medium: water, 24 ° C) 7.93 g / cm 3 Heat capacity (power-compensated DSC, 25 ° C) 0.47 J / gK Dimensions of the test specimen for the flash measurement (outside micrometer) 12.7 x 12.7 x 0.58mm 3 Thermal diffusivity 3.85 ⁇ 0.02 mm 2 / s (Netzsch Nanoflash LFA 447, 25 ° C) Thermal conductivity (25 ° C) 14.3 W / mK (approx. ⁇ 10%)
  • Table 6 The data in Table 6 were measured with a plasma polymer coating. In addition to the thermal conductivity, there is information on the thermal conductivity and thermal resistance. Table 6 Sample ID Thickness [ ⁇ m] Thermal diffusivity [mm 2 / s] Thermal conductivity [W / mK] average thermal conductivity [W / mK] thermal resistance [mm 2 K / W] 1st sample position 1 15th 0.124 0.20 0.18 83 1. Sample position 2 0.097 0.16 2nd sample position 1 15th 0.107 0.17 0.18 83 2nd sample position 2 0.110 0.18
  • the layers measured here are particularly suitable for coating injection molds.
  • a brass door handle was given a corrosion- and scratch-resistant coating.
  • the door handle was connected as a cathode, so that a constant self-bias voltage of -250 V prevailed during the deposition.
  • a coating time of 20 minutes and an HMDSO or O 2 flow of 66 sccm and 280 sccm After a coating time of 20 minutes and an HMDSO or O 2 flow of 66 sccm and 280 sccm, a transparent and interference-free layer of approx. 5 ⁇ m was created on the handle. The color impression of the handle was unchanged.
  • the resistance of the coating to perspiration was investigated by immersing it in artificial perspiration for 96 hours. The handle showed no visible change, and the layer adhesion was not reduced.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren wie in den Ansprüchen definiert zum Beschichten der Oberfläche eines Metallsubstrates, das kein Leichtmetallsubstrat ist. Das Metallsubstrat kann insbesondere Buntmetall wie z.B. Messing, Neusilber, Bronzen oder Edelmetall, wie Silber oder Goldlegierungen, aber auch Stahlwerkstoff, wie z.B. Edelstahl oder Werkzeugstahl sein. Die aufzubringende Schicht zeichnet sich durch eine vorteilhafte Kombination von Kratz- und Abrasionsfestigkeit, Dehnbarkeit, Transparenz und ggf. Korrosionsschutzwirkung aus. Weitere Schichteigenschaften sind sehr gute spezifische elektrische Isolationswirkung, chemische und thermische Stabilität, als auch Barriereeigenschaften. Die Erfindung betrifft ferner beschichtete Metallsubstrate, wie in den Ansprüchen definiertThe invention relates to a method as defined in the claims for coating the surface of a metal substrate that is not a light metal substrate. The metal substrate can in particular be non-ferrous metals such as brass, nickel silver, bronzes or precious metals such as silver or gold alloys, but also steel material such as stainless steel or tool steel. The layer to be applied is characterized by an advantageous combination of scratch and abrasion resistance, elasticity, transparency and, if necessary, corrosion protection. Further layer properties are very good specific electrical insulation properties, chemical and thermal stability, as well as barrier properties. The invention also relates to coated metal substrates as defined in the claims

Unbehandelte Oberflächen von Gegenständen (beispielsweise Halbzeuge, Sanitärartikel, Metallbänder, insbesondere aus Stahl und Messing und Kupfer, Instrumente, insbesondere Percussion-Instrumente oder Becken, Gegenstände zur Lebensmittelverarbeitung wie Pfannen oder Backformen, (Edelstahl-)Behälter beispielsweise für die chemische Industrie, Schmuck, Beschläge) aus Nicht-Leichtmetallen, insbesondere aus Messing, Kupfer, Stahl weisen besonders in bestimmten Medien, wie z.B. Laugen oder Säuren, in wässriger Umgebung, oder in Kontakt mit Fingerschweiß eine starke Korrosionsanfälligkeit auf. Zudem ist ihre Kratzbeständigkeit vergleichsweise gering. Daher werden z. B. Messingoberflächen häufig durch Pulverlacke oder PVD-Beschichtungen veredelt. Die Kratzfestigkeit und der Korrosionsschutz von PVD-Beschichtungen auf der Basis von Siliziumoxid ist ausreichend, jedoch kann das gerichtete Beschichtungsverfahren in der Praxis keine komplex geformten 3D-Bauteile wie Türklinken oder Wasserhähne mit einer Schutzschicht ausrüsten. Pulverlacke überwinden dieses Problem, jedoch wird bei diesem Verfahren eine nicht so hohe Kratzfestigkeit erreicht wie bei vakuumgestützen Beschichtungsprozessen. Weiterhin geht der hohe Glanz des metallischen Bauteils etwas verloren. Aufgrund der aufgeführten Nachteile werden zum Beispiel im Sanitärbereich metallische Schutzschichten auf die metallischen Bauteile galvanisch aufgetragen. In Werkzeugen der Kunststoffverarbeitung, insbesondere von Spritzgusswerkzeugen, können abrasionsfeste, thermisch isolierende Beschichtungen die Beweglichkeit der Polymerschmelze an der Werkzeugoberfläche verbessern, da die Schmelze aufgrund der geringeren Wärmeübertragung nicht so schnell erstarrt.Untreated surfaces of objects (for example semi-finished products, sanitary articles, metal strips, especially made of steel and brass and copper, instruments, especially percussion instruments or basins, objects for food processing such as pans or baking molds, (stainless steel) containers for example for the chemical industry, jewelry, Fittings) made of non-light metals, in particular made of brass, copper, steel are particularly susceptible to corrosion in certain media, such as alkalis or acids, in an aqueous environment, or in contact with finger sweat. In addition, their scratch resistance is comparatively low. Therefore z. B. brass surfaces are often refined with powder paints or PVD coatings. The scratch resistance and corrosion protection of PVD coatings based on silicon oxide is sufficient, but in practice the directional coating process cannot provide complex 3D components such as door handles or faucets with a protective layer. Powder coatings overcome this problem, but this process does not achieve as high a scratch resistance as vacuum-assisted coating processes. Furthermore, the high gloss of the metallic component is somewhat lost. Because of the disadvantages listed, metallic protective layers are applied to the metallic components by electroplating, for example in the sanitary sector. In tools used in plastics processing, in particular injection molding tools, abrasion-resistant, thermally insulating coatings can improve the mobility of the polymer melt on the tool surface, since the melt does not solidify as quickly due to the lower heat transfer.

Oft werden entsprechende Oberflächeneigenschaftsverbesserungen durch PVD-Beschichtungen erzeugt. Nachteilig an PVD-Beschichtungen ist jedoch ihre geringe Dehnbarkeit. Typisch ist eine Rissdehnung (crack-onset-strain, Dehnung bis Mikroriss) von max. 1 bis 1.5%, die somit schlechter ist als bei dem Metallsubstrat. Dies bedeutet bei der Verarbeitung von entsprechenden Halbzeugen und Bauteilen aus Nicht-Leichtmetallen beispielsweise im Fall von Metallbändern, plattenförmigen Produkten oder Strangprofilen eine starke Einschränkung. Risse oder Haarrisse beobachtet man auch bei einer Erwärmung auf über ca. 100°C, wie sie regelmäßig etwa beim Schweißen oder Warmbiegen auftreten. Zudem werden die Eigenspannungen im Grenzschichtbereich zwischen Schicht und Substrat erhöht. Die Haftung wird belastet. An den Stellen, an denen Risse bzw. Haarrisse verlaufen, versagt insbesondere die Korrosionsschutzwirkung der PVD-Beschichtung.Corresponding improvements in surface properties are often produced by PVD coatings. However, a disadvantage of PVD coatings is their low extensibility. Typical is a crack-onset-strain of max. 1 to 1.5%, which is therefore worse than with the metal substrate. This means a severe restriction in the processing of corresponding semi-finished products and components made of non-light metals, for example in the case of metal strips, plate-shaped products or extruded profiles. Cracks or hairline cracks are also observed when heated to over approx. 100 ° C, as they regularly occur during welding or hot bending, for example. In addition, the internal stresses in the boundary layer area between the layer and the substrate are increased. The liability is charged. At the points where cracks or hairline cracks run, the corrosion protection effect of the PVD coating fails in particular.

In anderen Fällen wird die Oberfläche beispielsweise durch keramische Spritzschichten im mechanischen Verschleißverhalten verbessert. Zusätzlich wird hierdurch eine Wärmeisolation erreicht, die für Formen der Kunststoffverarbeitung eingesetzt werden kann. Nachteilig ist jedoch ihre körnige Oberfläche, so dass keine hochwertigen Bauteile produziert werden können.In other cases, the mechanical wear behavior of the surface is improved, for example by ceramic spray coatings. In addition, this creates thermal insulation that can be used for forms of plastics processing. However, their grainy surface is disadvantageous, so that no high-quality components can be produced.

Für den Fall des Einsatzes einer Schicht aus Schutzlack kommt es bei einer Verletzung einer Oberflächenlackierung häufig zur Lackunterwanderung. Die Fehlstelle vergrößert sich rasch. Die Korrosionsschutzwirkung geht verloren. Außerdem entstehen starke optische Beeinträchtigungen.If a layer of protective lacquer is used, if a surface lacquer is damaged, there is often infiltration of the lacquer. The defect increases rapidly. The anti-corrosion effect is lost. In addition, there are strong visual impairments.

EP 0 752 483 A1 offenbart ein Verfahren zur Beschichtung von Gegenständen aus Metall, Metall-Legierungen, Kunststoffen oder mit entsprechenden Oberflächen mit einer Schutzschicht nach vorheriger Reinigung mittels eines plasmaunterstützten CVD-Verfahrens durch eine elektrische Plasmaanregung bei vermindertem Gasdruck unter Einleitung einer Gasmischung mit reaktionsfähigen, schichtbildenden Gasen und Steuerung des Arbeitsdrucks, wobei zur Bildung einer quarzartigen Schicht als die reaktionsfähigen Gase neben Sauerstoff der Dampf einer das Element Silizium in organischer Verbindung enthaltenden, leicht verdampfbaren siliziumorganischen Verbindung oder ein siliziumhaltiges Gas eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktionsfähigen Gase in einer solchen Mischung eingeleitet werden, dass der Anteil des reaktiven Sauerstoffs nicht zur quantitativen Umsetzung zu Siliziumdioxid ausreicht, und dass die Abscheideparameter der elektrischen Gasentladung so gesteuert werden, dass sich eine quarzähnliche Schicht bildet, die neben Silizium und Sauerstoff auch organische, plasmapolymerisierte Komponenten in homogener Verteilung enthält. EP 0 752 483 A1 discloses a method for coating objects made of metal, metal alloys, plastics or with corresponding surfaces with a protective layer after prior cleaning by means of a plasma-assisted CVD process by electrical plasma excitation at reduced gas pressure with the introduction of a gas mixture with reactive, layer-forming gases and control of the Working pressure, with the vapor of an easily vaporizable organosilicon compound containing the element silicon in organic compound or a silicon-containing gas being introduced as the reactive gases in addition to oxygen, characterized in that the reactive gases are introduced in such a mixture, that the proportion of reactive oxygen is not sufficient for the quantitative conversion to silicon dioxide, and that the deposition parameters of the electrical gas discharge are controlled in such a way that a quartz-like This layer forms which, in addition to silicon and oxygen, also contains organic, plasma-polymerized components in a homogeneous distribution.

DE 195 23 442 A1 offenbart ein Verfahren zur Beschichtung von Gegenständen aus Metall oder Metall-Legierungen oder mit entsprechenden Oberflächen mit einer Schutzschicht nach vorheriger Reinigung mittels eines plasmaunterstützten CVD-Verfahrens durch eine elektrische Hochfrequenzentladung bei vermindertem Gasdruck unter Einleitung einer Gasmischung mit reaktionsfähigen, schichtbildenden Gasen und Steuerung des Arbeitsdrucks, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer quarzartigen Schicht als die reaktionsfähigen Gase neben Sauerstoff der Dampf einer das Element Silizium in organischer Verbindung enthaltenden, leicht verdampfbaren siliziumorganischen Verbindung oder ein siliziumhaltiges Gas in einer solchen Mischung eingeleitet werden, dass der Anteil des reaktiven Sauerstoffs nicht zur quantitativen Umsetzung zu Siliziumdioxid ausreicht, und dass die Self-Biasspannung der elektrischen Gasentladung so gesteuert wird, dass sich eine Schicht mit einer Mischstruktur aus Quarz mit eingelagerten organischen Strukturkomponenten bildet. DE 195 23 442 A1 discloses a method for coating objects made of metal or metal alloys or with corresponding surfaces with a protective layer after prior cleaning by means of a plasma-assisted CVD process by means of an electrical high-frequency discharge at reduced gas pressure with the introduction of a gas mixture with reactive, layer-forming gases and control of the working pressure, characterized in that for the formation of a quartz-like layer as the reactive gases, in addition to oxygen, the vapor of an easily vaporizable organosilicon compound containing the element silicon in an organic compound or a silicon-containing gas can be introduced in such a mixture that the proportion of reactive oxygen is not sufficient for the quantitative conversion to silicon dioxide, and that the self-bias voltage of the electrical gas discharge is controlled so that a layer with a mixed structure of quartz with embedded organic Forms structural components.

DE 10 2004 049111 A1 offenbart ein Verfahren zur Hochglanzbeschichtung von Substraten, zumindest umfassend die Schritte

  • Bereitstellen eines Substrates mit einer glatten Oberfläche, insbesondere mit einer Oberflächenrauhigkeit Rqvon höchstens 10 nm,
  • Plasmavorbehandlung des Substrates im Vakuum,
  • Aufbringen einer Basisschicht aus einem zumindest Silizium, Sauerstoff und Kohlenstoff umfassenden Polymer mittels Plasmapolymerisation im Vakuum,
  • Aufbringen einer Glanzschicht aus einem Metall, einer Metalllegierung oder Metallverbindung mittels Sputtern im Vakuum und
  • Aufbringen einer zumindest teiltransparenten, verschleißfesten Lackdeckschicht.
DE 10 2004 049111 A1 discloses a method for high-gloss coating of substrates, at least comprising the steps
  • Providing a substrate with a smooth surface, in particular with a surface roughness Rq of at most 10 nm,
  • Plasma pretreatment of the substrate in a vacuum,
  • Application of a base layer made of a polymer comprising at least silicon, oxygen and carbon by means of plasma polymerisation in a vacuum,
  • Application of a glossy layer of a metal, a metal alloy or metal compound by means of sputtering in a vacuum and
  • Application of an at least partially transparent, wear-resistant top coat of paint.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf einem Metallsubstrat, das kein Leichtmetall ist, eine Schutzschicht erzeugt werden kann, die einige oder alle der oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht oder zumindest nur in verringertem Ausmaß aufweist. Insbesondere sollte eine solche Schicht eine verbesserte Rissdehnung und geringe Eigenspannungen aufweisen, so dass eine Kalt- oder Warmverformung besser möglich ist. Weiterhin ist eine verbesserte chemische Stabilität gegenüber alkalischen Medien sowie generell eine gute Korrosionsschutzwirkung erstrebenswert. Bevorzugt sollte eine solche Schicht eine hohe Abrasions- und Kratzfestigkeit besitzen, so dass sie auch mit Schichtdicken von über 20µm aufgetragen werden kann. Außerdem sollte das Beschichtungsverfahren wirtschaftlich, bevorzugt auch in kontinuierlichem Prozess durchführbar sein.The object of the present invention was to provide a method with which a protective layer can be produced on a metal substrate that is not a light metal, which does not have some or all of the disadvantages of the prior art described above, or at least only to a reduced extent. In particular, such a layer should have improved elongation at break and low internal stresses, so that cold or hot deformation is better possible. Furthermore, improved chemical stability with respect to alkaline media and, in general, a good anti-corrosion effect are desirable. Such a layer should preferably have a high resistance to abrasion and scratching, so that it can also be applied with layer thicknesses of over 20 μm. In addition, it should be possible to carry out the coating process economically, preferably also in a continuous process.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass diese Aufgabe gelöst wird durch ein Verfahren zum Beschichten der Oberfläche eines Metallsubstrates wie in Anspruch 1 definiert, mit folgenden Schritten:

  1. A. Bereitstellen des Metallsubstrates und gegebenenfalls Säubern der zu beschichtenden Substratoberfläche,
  2. B. Beschichten der gegebenenfalls in Schritt A gesäuberten Substratoberfläche in einem Plasmapolymerisationsreaktor mittels Plasmapolymerisation, wobei
    • in Schritt B für das Plasma (a) Precursoren bestehend aus einer oder mehreren siliciumorganischen Verbindungen oder (b) Precursor(en) bestehend aus einer oder mehreren siliciumorganischen Verbindungen und weiteren Verbindungen eingesetzt werden und
    • in Schritt B das Metallsubstrates im Plasmapolymerisationsreaktor so angeordnet wird, dass es als Kathode geschaltet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren so geführt wird, dass die durch das Verfahren hergestellte Beschichtung
    • eine Dehnung bis Mikroriss von ≥ 1,5 %, vorzugsweise ≥ 2,5 %
    • einen nach ASTM D 1925 bestimmten Gelbindex (Yellow Index) von ≤ 4, vorzugsweise ≤ 3, weiter bevorzugt ≤ 2,5 und
    • eine mittels Nanoindentation zu messende Härte im Bereich von 2,5 bis 10 GPa, vorzugsweise 3,1 bis 10 GPa, weiter bevorzugt 3,1 bis 6 GPa,
    • einen durch Messung mittels XPS bestimmbaren Anteil von Kohlenstoff von 3 bis 28 Atom-%, vorzugsweise 5 bis 28 Atom-%, weiter vorzugsweise 7 bis 28 Atom-%,
      bezogen auf die Gesamtzahl der in der Beschichtung enthaltenen Kohlenstoff-, Silicium- und Sauerstoffatome
    sowie bevorzugt
    • eine Wärmeleitfähigkeit ≤ 5 W / m°K, vorzugsweise ≤ 2,5 W / m°K und/oder
    • eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von 10 - 100 kV/mm, vorzugsweise von ≥ 40 kV/mm
    aufweist,
    mit der Maßgabe, dass das Metallsubstrat kein Leichtmetallsubstrat und kein Titan ist und mit der Maßgabe, dass für den Fall
    einer Dehnung bis Mikroriss der Beschichtung von ≤ 2,2 % die mittels Nanoidentation zu messende Härte ≥ 6 GPa beträgt,
    wobei
    • das Verhältnis der dem Plasma in Schritt B zugeführten Gasflüsse von Sauerstoff und den Precursor(en) im Bereich von 1:1 bis 6:1 liegt
      und
    • während Schritt B eine Regelung erfolgt, so dass der Self-Bias im Bereich von 50 bis 1000 V liegt.
Surprisingly, it has been shown that this object is achieved by a method for coating the surface of a metal substrate as defined in claim 1, with the following steps:
  1. A. Provision of the metal substrate and, if necessary, cleaning of the substrate surface to be coated,
  2. B. Coating of the optionally cleaned substrate surface in step A in a plasma polymerization reactor by means of plasma polymerization, wherein
    • in step B for the plasma (a) precursors consisting of one or more organosilicon compounds or (b) precursor (s) consisting of one or more organosilicon compounds and further compounds are used and
    • in step B the metal substrate is arranged in the plasma polymerization reactor in such a way that it is connected as a cathode,
    characterized in that the method is carried out in such a way that the coating produced by the method
    • an expansion to micro-cracks of ≥ 1.5%, preferably ≥ 2.5%
    • a yellow index determined according to ASTM D 1925 of 4, preferably 3, more preferably 2.5 and
    • a hardness to be measured by means of nanoindentation in the range from 2.5 to 10 GPa, preferably 3.1 to 10 GPa, more preferably 3.1 to 6 GPa,
    • a carbon content of 3 to 28 atom%, preferably 5 to 28 atom%, more preferably 7 to 28 atom%, which can be determined by measurement by means of XPS,
      based on the total number of carbon, silicon and oxygen atoms contained in the coating
    as well as preferred
    • a thermal conductivity 5 W / m ° K, preferably 2.5 W / m ° K and / or
    • an electrical breakdown strength of 10-100 kV / mm, preferably ≥ 40 kV / mm
    having,
    with the proviso that the metal substrate is not a light metal substrate and not titanium and with the proviso that for the case
    an elongation up to a micro-crack of the coating of ≤ 2.2% the hardness to be measured by means of nanoidentation is ≥ 6 GPa,
    whereby
    • the ratio of the gas flows of oxygen supplied to the plasma in step B and the precursor (s) is in the range from 1: 1 to 6: 1
      and
    • control takes place during step B so that the self-bias is in the range from 50 to 1000 V.

Metall im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein metallischer Werkstoff mit einer Dichte von > 4,5 g/cm3 bei 20°C wobei Titan ausgeschlossen ist. Dazu gehören insbesondere Eisen, Nickel, Kupfer, Zink, Nickel, Blei, Chrom und Edelmetalle sowie deren Legierungen wie beispielsweise Stahl, Messing und Bronze. Bevorzugte Metallsubstrate sind Messing und Kupfersubstrate und insbesondere Stahlsubstrate. Ein Leichtmetall ist ein metallischer Werkstoff im Sinne der vorliegenden Erfindung mit einer Dichte von maximal 4,5 g/cm3 bei 20°C. Für Metallsubstrate ist die Dichte des Bereiches für die Einordnung als Leichtmetall entscheidend, auf dem die Beschichtung aufliegt.For the purposes of the present invention, metal is a metallic material with a density of> 4.5 g / cm 3 at 20 ° C., titanium being excluded. These include in particular iron, nickel, copper, zinc, nickel, lead, chromium and precious metals and their alloys such as steel, brass and bronze. Preferred metal substrates are brass and copper substrates and especially steel substrates. A light metal is a metallic material within the meaning of the present invention with a maximum density of 4.5 g / cm 3 at 20 ° C. For metal substrates, the density of the area on which the coating rests is decisive for classification as a light metal.

Bevorzugt ist das Metallsubstrat ein Halbzeug, welches in weiter bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren nachfolgend noch verformt wird.The metal substrate is preferably a semi-finished product which is subsequently further deformed in further preferred methods according to the invention.

Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Beschichtung zeichnet sich durch eine bisher unbekannte vorteilhafte Kombination von Eigenschaften aus, die bislang als nicht miteinander vereinbar betrachtet wurden, nämlich gute Kratz- und Korrosionsfestigkeit bei hoher Dehnbarkeit (Rissdehnung vorzugsweise größer oder gleich 2 %, insbesondere größer oder gleich 2,5 %). Zudem können durch das erfindungsgemäße Verfahren auch eine gute Substrathaftung, gute optische Transparenz im sichtbaren Bereich und/oder eine hohe Schichtdickenhomogenität erreicht werden. Darüber hinaus weist die Beschichtung bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit von ≤ 5 W / m°K und bevorzugt eine elektrische Durchschlagfestigkeit nach DIN 53841 von 10 - 100 kV/mm auf.A coating produced according to the method according to the invention is characterized by a previously unknown advantageous combination of properties that were previously considered incompatible, namely good scratch and corrosion resistance with high elasticity (elongation at break preferably greater than or equal to 2%, in particular greater than or equal to) 2.5%). In addition, the method according to the invention can also achieve good substrate adhesion, good optical transparency in the visible range and / or high layer thickness homogeneity. In addition, the coating preferably has a thermal conductivity of 5 W / m ° K and preferably an electrical breakdown strength according to DIN 53841 of 10-100 kV / mm.

Beschichtungen mit einem Gelbindex von 2,5 oder darunter weisen in der Regel keine für das menschliche Auge feststellbare Gelbfärbung auf. Bei Beschichtungen, die als transparente Schutzschichten vorgesehen sind, ist jedoch auch eine minimale Gelbfärbung wie bei einem Gelbindex im Bereich von über 2,5 bis 3 tolerierbar. Der Gelbindex wird weiterhin wesentlich von dem Anteil an Si-H-Bindungen in der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Beschichtung bestimmt, der wie weiter unten ausgeführt für das Erzielen von günstigen Bereichen von Härte und Elastizität und damit für das Erreichen der vorteilhaften Eigenschaftskombination entscheidend ist. Möchte man die Härte der Beschichtung erhöhen und/oder ist eine leicht gelbliche Farbe, die letztendlich zu einem intensiven Goldton führen kann, erlaubt, so müssen Einschränkungen in der Dehnung bis Mikroriss hingenommen werden. Der Gelbindex kann bis 4 eingestellt werden ohne die Korrosionsschutzwirkung zu verlieren. Hierzu kann man die Self-Bias durch eine Leistungssteigerung erhöhen.Coatings with a yellow index of 2.5 or below generally have no yellow discoloration that can be detected by the human eye. In the case of coatings that are intended as transparent protective layers, however, a minimal yellow coloration, such as with a yellow index in the range of over 2.5 to 3, can also be tolerated. The yellowness index is also essentially determined by the proportion of Si-H bonds in the coating produced by the method according to the invention, which, as explained below, is decisive for achieving favorable areas of hardness and elasticity and thus for achieving the advantageous combination of properties. If you want to increase the hardness of the coating and / or if a slightly yellowish color, which can ultimately lead to an intense gold tone, is allowed, then restrictions in the elongation up to micro-cracks must be accepted. The yellow index can be set up to 4 without losing the anti-corrosion effect. To do this, you can increase the self-bias by increasing performance.

Eine weitere wichtige Kenngröße ist der Kohlenstoffanteil in der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Beschichtung, der durch den Anteil an organischen Gruppen beeinflusst wird. Dieser wiederum ist ebenso wichtig für die Härte und Elastizität der Beschichtung, die ebenfalls für das Erreichen der vorteilhaften Eigenschaftskombination erwünscht ist. Durch eine hohe Elastizität der Beschichtung kann diese z.B. zusammen mit dem beschichteten Gegenstand gedehnt werden, ohne dass es zu einer Rissbildung kommt. Bei sehr hoher Elastizität der Beschichtung kann das Substrat sogar plastisch verformt werden, ohne dass die Beschichtung geschädigt wird. Hierdurch werden Umformprozesse des beschichteten Materials in gewissem Rahmen möglich.Another important parameter is the carbon content in the coating produced with the method according to the invention, which is influenced by the content of organic groups. This in turn is just as important for the hardness and elasticity of the coating, which is also desirable for achieving the advantageous combination of properties. Due to the high elasticity of the coating, it can be stretched together with the coated object, for example, without cracking. If the coating is very elastic, the substrate can even be plastically deformed without the coating being damaged. This enables forming processes of the coated material to a certain extent.

Bei den durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbaren Beschichtungen ist die Kratzfestigkeit der Schichten ist in vielen Fällen vergleichbar mit der von Glasoberflächen. Es stellte sich erstaunlicherweise heraus, dass es durch Einsatz des erfindungsgemäßen (trockenchemischen) Verfahrens möglich ist, z. B. gänzlich auf das (nasschemische) Verchromen (Dekorverchromung) zu verzichten. Dies ist vorteilhaft, da das Verchromen wegen des hohen Energieeinsatzes ein teures und aus Umweltgesichtspunkten problematisches Verfahren ist. Zudem können an der Beschichtungsoberfläche schmutzabweisende (niederenergetische) Oberflächeneigenschaften eingestellt werden. Die erzielbare Schichteigenschaftsfunktion ist nicht nur als Chromatierungsersatz von Interesse, sondern auch für die generelle Beschichtung von Nicht-Leichtmetallen.In the case of the coatings that can be produced by the process according to the invention, the scratch resistance of the layers is in many cases comparable to that of glass surfaces. It turned out, surprisingly, that it is possible by using the (dry chemical) method according to the invention, for. B. to completely dispense with the (wet chemical) chrome plating (decorative chrome plating). This is advantageous because chrome plating is an expensive process due to the high energy consumption and is problematic from an environmental point of view. In addition, dirt-repellent (low-energy) surface properties can be set on the coating surface. The layer property function that can be achieved is not only of interest as a substitute for chromating, but also for the general coating of non-light metals.

Aus der DE 197 48 240 A1 ist ein Verfahren zur korrosionsfesten Beschichtung von Metallsubstraten, insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, mittels Plasmapolymerisation bekannt. Als Precursor(en) wird wenigstens eine kohlenwasserstoff- oder siliciumorganische Verbindung eingesetzt. In der DE 197 48 240 A1 finden sich keine Angaben zum Anteil der Kohlenstoffatome in den hergestellten plasmapolymeren Beschichtungen oder zu deren Gelbindex. Die dort offenbarten Schichten schützen die Oberfläche gut vor Korrosion, ohne sie optisch zu verändern. Eine Einschränkung ist jedoch ihre geringe Kratzfestigkeit. Das dort offenbarte Verfahren ist aufgrund der geringen Abscheideraten nicht geeignet, wirtschaftlich höhere Schichtdicken herzustellen, wie sie für Kratzschutz-Beschichtungen notwendig sind. Außerdem stellt es sehr hohe Anforderungen an die Oberflächenrauhigkeit des Substrates.From the DE 197 48 240 A1 a method for the corrosion-resistant coating of metal substrates, in particular made of aluminum or aluminum alloys, by means of plasma polymerisation is known. At least one hydrocarbon or organosilicon compound is used as precursor (s). In the DE 197 48 240 A1 there is no information on the proportion of carbon atoms in the plasma polymer coatings produced or on their yellow index. The layers disclosed there protect the surface well against corrosion without changing its appearance. One limitation, however, is their poor scratch resistance. Because of the low deposition rates, the method disclosed there is not suitable for economically producing higher layer thicknesses, as are necessary for scratch protection coatings. In addition, it places very high demands on the surface roughness of the substrate.

In der WO 03/002269 A2 sind Artikel, umfassend ein Substrat und eine flächig mit dem Substrat verbundene plasmapolymere, O, C und Si umfassende Beschichtung offenbart, in der die Stoffmengenverhältnisse von O zu Si und C zu Si jeweils in bestimmten Bereichen liegen und die sich leicht reinigen lässt. Die dort offenbarten Beschichtungen besitzen jedoch mit mindestens 25 Atom-% einen höheren Kohlenstoffanteil als die durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbaren Beschichtungen und weisen nicht die oben genannte Kombination von günstigen Eigenschaften auf. Auch ist nichts über den einzustellenden Gelbindex gesagt.In the WO 03/002269 A2 Articles are disclosed comprising a substrate and a plasma polymeric coating comprising O, C and Si, which is connected flatly to the substrate, in which the molar ratios of O to Si and C to Si are each in certain ranges and which can be easily cleaned. However, the coatings disclosed there have a higher carbon content of at least 25 atom% than the coatings which can be produced by the process according to the invention and do not have the abovementioned combination of favorable properties. Nothing is said about the yellow index to be set.

Domingues et al. (2002) Electrochimica Acta 47, 2253-2258 offenbart eine Aluminiumlegierung mit einer plasmapolymeren Beschichtung, die einen gewissen Korrosionsschutz bewirkt (nachgewiesen durch elektrochemische Impedanzspektroskopie). Der offenbarten Beschichtung fehlt jedoch insbesondere die gute Kratzfestigkeit und die hohe Dehnbarkeit, wie sie der erfindungsgemäß hergestellten Beschichtung zu Eigen sind. Weiterhin zeichnet sie sich durch eine hohe Wasseraufnahme aus, vergleichbar mit der von organischen Beschichtungen. Domingues et al. enthält keine Informationen hinsichtlich einer Gelbfärbung oder hinsichtlich des Kohlenstoffanteiles. Aufgrund der Verfahrensführung (Verhältnis der Gasflüsse von Sauerstoff zum siliciumorganischen Precursor etwa 23 : 1; Näheres zum Einfluss dieser Parameter s. unten) hat die in Domingues et al. offenbarte Beschichtung einen geringeren Kohlenstoffanteil als die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte Beschichtung. Domingues, et al. (2002) Electrochimica Acta 47, 2253-2258 discloses an aluminum alloy with a plasma polymer coating which effects a certain protection against corrosion (verified by electrochemical impedance spectroscopy). However, the coating disclosed lacks in particular the good scratch resistance and the high extensibility which are inherent in the coating produced according to the invention. It is also characterized by high water absorption, comparable to that of organic coatings. Domingues, et al. does not contain any information regarding yellow coloration or regarding the carbon content. Due to the way the process is carried out (ratio of the gas flows of oxygen to the organosilicon precursor approx. 23: 1; for more information on the influence of these parameters see below), the method described in Domingues et al. The coating disclosed has a lower carbon content than the coating produced by the method according to the invention.

In der EP 0 748 259 B1 sind Beschichtungen für weiche Substrate offenbart. Es ist nicht offenbart, dass die Beschichtungen geeignet sein könnten, um Metallsubstrate vor Korrosion zu schützen. Die in der EP 0 748 259 B1 offenbarten Beschichtungen, die einen Gelbindex von ≤ 3 aufweisen, haben jedoch eine Nanoindentations-Härte von unter 2,5 GPa.In the EP 0 748 259 B1 coatings for soft substrates are disclosed. It is not disclosed that the coatings could be suitable for protecting metal substrates from corrosion. The one in the EP 0 748 259 B1 disclosed coatings which have a yellow index of 3, however, have a nanoindentation hardness of less than 2.5 GPa.

Ferner wird keine Lehre gegeben den Überschuss an Silizium und damit die Bildung von Si-H zu verringern, um besonders harte (gut vernetzte), dehnfähige Schichten bei geringer Gelbfärbung zu erzeugen. Die erfinderisch optimierte Vernetzung sorgt für ein optimiertes Korrosionsschutzverhalten.Furthermore, no teaching is given to reduce the excess of silicon and thus the formation of Si-H in order to produce particularly hard (well cross-linked), stretchable layers with a low yellow color. The inventive optimized crosslinking ensures optimized corrosion protection behavior.

Dickschichtverfahren, z.B. der Auftrag von Lacken oder Sol-Gel-Beschichtungen, können zwar die notwendige Korrosionsbeständigkeit erzielen, jedoch verändern sie das optische Erscheinungsbild. Dieser Effekt wird im Fall von Unregelmäßigkeiten wie etwa bei mechanischer Beschädigung oder mangelnder Haftung der Dickschichten noch verstärkt.Thick-film processes, e.g. the application of paints or sol-gel coatings, can achieve the necessary corrosion resistance, but they change the visual appearance. This effect is reinforced in the case of irregularities such as mechanical damage or poor adhesion of the thick layers.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage, den Bedarf an einem preiswerten Verfahren zum Erzeugen einer Dünnschicht zu decken, welche die Oberflächenfarbe des Metalls nicht verändert (keine Eigenfarbe und somit im sichtbaren Bereich eine hinreichend hohe Transmission besitzt), welche die Oberflächenstruktur (z.B. poliert, geschliffen, mattiert) nachbildet, so dass kein "Lackglanz" entsteht, welche neben einer hohen Korrosionsstabilität eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit (Kratzfestigkeit, Dehnbarkeit) besitzt und welche auch bei komplexen Geometrien eine hohe Schichtdickengleichmäßigkeit aufweist.The method according to the invention is able to meet the need for an inexpensive method for producing a thin layer which does not change the surface color of the metal (no intrinsic color and thus has a sufficiently high transmission in the visible range), which the surface structure (e.g. polishes, sanded, matt), so that no "lacquer gloss" arises, which, in addition to high corrosion stability, has high mechanical resistance (scratch resistance, elasticity) and which has a high level of layer thickness uniformity even with complex geometries.

Durch Variation von Verfahrensparametern lassen sich die Schichteigenschaften in weiten Grenzen wie im Folgenden beschrieben einstellen.By varying process parameters, the layer properties can be set within wide limits as described below.

Eine Erhöhung des Self-Bias erhöht hierbei die Härte der Schicht, ihre optische Absorption im sichtbaren Bereich (und damit den Gelbindex) und ihre Korrosionsschutzwirkung.An increase in the self-bias increases the hardness of the layer, its optical absorption in the visible range (and thus the yellow index) and its anti-corrosion effect.

Durch Einstellung der Härte und der Dicke der durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbaren Beschichtungen ist es dem Fachmann möglich, hinsichtlich der Kratzfestigkeit der Beschichtung ein Optimum zu erzielen: Ist die Härte zu gering, so ist die abgeschiedene plasmapolymere Schicht nicht genügend kratzfest. Bei zu großer Härte nimmt die Kratzfestigkeit jedoch ebenfalls ab, da die Schicht dann zu spröde wird. Dies kann man beispielsweise in der mikroskopischen Beurteilung des Fehlerbildes erkennen. Allgemein wird die Kratzfestigkeit der Schicht durch die geeignete Auswahl von Schichtdicke und -zusammensetzung bestimmt.By adjusting the hardness and the thickness of the coatings that can be produced by the method according to the invention, it is possible for the person skilled in the art to achieve an optimum with regard to the scratch resistance of the coating: If the hardness is too low, the deposited plasma polymer layer is not sufficiently scratch-resistant. If the hardness is too great, the scratch resistance also decreases, since the layer then becomes too brittle. This can be seen, for example, in the microscopic assessment of the defect image. In general, the scratch resistance of the layer is determined by the appropriate selection of layer thickness and composition.

Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, das so geführt wird, dass die durch das Verfahren hergestellte Beschichtung eine Bleistifthärte von 4H oder höher aufweist, bestimmt nach ASTM D 3362. Die Messung der Härte mittels Nanoindentation ist im Beispiel 2 erläutert.A method according to the invention is preferred which is carried out in such a way that the coating produced by the method has a pencil hardness of 4H or higher, determined in accordance with ASTM D 3362.

Bei der Einstellung des Self-Bias ist auch die Zusammensetzung des Gasgemisches zu berücksichtigen, aus dem das Plasma erzeugt wird. So ist etwa bei einer hohen Molekülmasse eines Precursors im Allgemeinen ein niedrigerer Self-Bias zu wählen als bei einer geringen. Je leichter sich ein Precursor ionisieren lässt, desto geringer muss die Plasmaleistung sein, um einen bestimmten Self-Bias zu erreichen. Bei einer hohen elektrischen Leitfähigkeit des Plasmas wird eine geringe Plasmaleistung benötigt, um einen vorgegebenen Self-Bias zu erzielen.When setting the self-bias, the composition of the gas mixture from which the plasma is generated must also be taken into account. For example, with a high molecular weight of a precursor, a lower self-bias should generally be selected than with a low one. The easier it is to ionize a precursor, the lower the plasma power has to be in order to achieve a certain self-bias. With a high electrical conductivity of the plasma, a low plasma power is required in order to achieve a given self-bias.

Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei während Schritt B eine Regelung erfolgt, so dass der Self-Bias im Bereich von 100 bis 400 V, bevorzugt im Bereich von 100 bis 300 V, liegt.A method according to the invention is preferred, with regulation taking place during step B so that the self-bias is in the range from 100 to 400 V, preferably in the range from 100 to 300 V.

Der Self-Bias kann z.B. bei gleichbleibender Plasmaleistung verringert werden, indem die Plasmaanregungsfrequenz erhöht wird. Er kann aber alternativ und/oder bevorzugt durch Anlegen einer zusätzlichen Gleichspannung an der Elektrode eingestellt beziehungsweise beeinflusst werden, so dass er unabhängig von anderen Verfahrensparametern eingestellt werden kann.The self-bias can be reduced, for example, with the plasma power remaining the same, by increasing the plasma excitation frequency. However, it can alternatively and / or preferably by applying an additional DC voltage the electrode can be adjusted or influenced so that it can be adjusted independently of other process parameters.

Eine Erhöhung des Self-Bias bewirkt auch eine Verbesserung der Schichtdickenhomogenität. So konnte in eigenen Versuchen etwa festgestellt werden, dass sich auf einem runden Substrat mit einem Durchmesser von 10 cm die maximale Schichtdicke von der minimalen Schichtdicke bei 100 V Self-Bias um den Faktor 1,1 unterscheiden kann, während dieser Faktor bei 200 V Self-Bias 1,005 betragen kann.An increase in the self-bias also leads to an improvement in the homogeneity of the layer thickness. In our own experiments it was found that on a round substrate with a diameter of 10 cm the maximum layer thickness can differ from the minimum layer thickness at 100 V Self-Bias by a factor of 1.1, while this factor at 200 V Self -Bias can be 1.005.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird in Schritt B das Metallsubstrat im Plasmapolymerisationsreaktor so angeordnet, dass es als Kathode geschaltet ist. Als Kathode wirkt das Metallsubstrat dann, wenn es in direktem elektrisch leitenden Kontakt zu dem Teil der Kathode steht, der vom Metallsubstrat unterscheidbar ist. Hierdurch wird das Erzielen einer hohen Abscheiderate der positiv geladenen Ionen des Plasmas, die zur Kathode hingezogen werden, erleichtert. Wenn das Substrat selbst als Kathode wirkt, wird die kinetische Energie erhöht, mit der die positiv geladenen Ionen auf die Oberfläche prallen. Dadurch verändert sich der Aufbau der Schicht in Richtung eines geringeren Anteils an organischen (in der Regel vorwiegend aus C und H bestehenden) Gruppen und eines dementsprechend höheren Anteils an Si und O. Der gleiche Effekt tritt auch auf (gegebenenfalls verringert), wenn das Substrat zwar nicht als Kathode wirkt, aber in der Beschleunigungsbahn der Kationen angeordnet ist.In the method according to the invention, in step B the metal substrate is arranged in the plasma polymerization reactor in such a way that it is connected as a cathode. The metal substrate acts as a cathode when it is in direct electrically conductive contact with that part of the cathode which can be distinguished from the metal substrate. This makes it easier to achieve a high deposition rate of the positively charged ions of the plasma, which are attracted to the cathode. When the substrate itself acts as a cathode, the kinetic energy with which the positively charged ions collide with the surface is increased. This changes the structure of the layer in the direction of a lower proportion of organic groups (usually consisting predominantly of C and H) and a correspondingly higher proportion of Si and O. The same effect also occurs (possibly reduced) when the substrate although it does not act as a cathode, it is arranged in the acceleration path of the cations.

Erfindungsgemäß bevorzugt wird im erfindungsgemäßen Verfahren keine separate lonenquelle verwendet.Preferably, according to the invention, no separate ion source is used in the method according to the invention.

Ohne durch eine bestimmte Theorie festgelegt sein zu wollen, wird davon ausgegangen, dass eine erhöhte kinetische Energie der Ionen das Abschlagen von organischen Gruppen sowohl in den schichtbildenden Ionen als auch in der entstehenden Beschichtung erleichtert, wobei die abgespaltenen Gruppen eine geringe Wahrscheinlichkeit besitzen, in die Schicht eingebaut zu werden. Außerdem wird durch die hohe kinetische Energie der aufprallenden Ionen die innere Spannung (Eigenspannungen) der Schicht herabgesetzt, was die Dehnung bis Mikroriss der Schicht erhöht. Hierdurch ist es auch möglich geworden mit diesem Verfahren Schichtdickenbereiche von deutlich über 30 µm herzustellen. Zur Messung der Dehnung bis Mikroriss (Rissdehnung) vergleiche Beispiel 1.Without wishing to be bound by a specific theory, it is assumed that an increased kinetic energy of the ions facilitates the knocking off of organic groups both in the layer-forming ions and in the coating that is formed, with the cleaved groups having a low probability of being converted into Layer to be installed. In addition, the high kinetic energy of the impacting ions reduces the internal stress (residual stresses) of the layer, which increases the elongation up to micro-cracks in the layer. This also made it possible to use this method to produce layer thickness ranges of well over 30 µm. For the measurement of the elongation up to a micro-crack (elongation at break) see example 1.

Die gleichen Beobachtungen (höhere Abscheiderate, geringerer Anteil organischer Gruppen, geringere innere Spannung, höhere Rissdehnung) werden gemacht, wenn der Self-Bias erhöht wird. Aus diesem Grund können harte Beschichtungen eine höhere Rissdehnung als weiche aufweisen. Bei sehr niedrigem Self-Bias fehlt eine ausreichende Wucht (Impact), die die Beschichtung entspannt, was zu weichen (z.B. durch Nanoindentation zu messende Härte von 1 GPa) und gleichzeitig rissempfindlichen Beschichtungen führen kann.The same observations (higher separation rate, lower proportion of organic groups, lower internal stress, higher crack elongation) are made when the self-bias is increased. For this reason, hard coatings can have a higher elongation at break than soft ones. In the case of very low self-bias, there is insufficient impact (impact) to relax the coating, which can lead to coatings that are soft (e.g. hardness of 1 GPa measured by nanoindentation) and at the same time crack-sensitive coatings.

Wird allerdings der Self-Bias über einen vorteilhaften Bereich (siehe dazu auch oben) hinaus erhöht, so entstehen Beschichtungen, die einen zu geringen Anteil an organischen Gruppen und einen zu hohen Anteil von Si-H-Bindungen (siehe dazu auch unten) enthalten, wodurch sie zu hart und zu spröde werden und ihre Kratzfestigkeit abnimmt. Anzustreben ist somit ein Optimum im Hinblick auf die Härte und Elastizität der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Beschichtung bei einem akzeptablen Gelbindex (siehe dazu auch unten).However, if the self-bias is increased beyond an advantageous range (see also above), coatings are created that contain too low a proportion of organic groups and too high a proportion of Si-H bonds (see also below), whereby they become too hard and too brittle and their scratch resistance decreases. The aim is therefore to achieve an optimum with regard to the hardness and elasticity of the coating produced by the method according to the invention with an acceptable yellow index (see also below).

Eine Erhöhung des Self-Bias bewirkt in der entstehenden Schicht einerseits den Abbau von Eigenspannungen und damit einen die Rissdehnung erhöhenden Effekt, andererseits eine Erhöhung der Härte und des Elastizitätsmoduls und damit einen die Rissdehnung verringernden Effekt. Dadurch, dass sich zwei gegenläufige Effekte teilweise aufheben, gibt es ein Optimum der Rissdehnung in Abhängigkeit vom Self-Bias, so dass eine hervorragende Kombination von jeweils verhältnismäßig hoher Härte und hoher Rissbildung erzeugt werden kann.An increase in the self-bias in the resulting layer causes, on the one hand, the reduction of internal stresses and thus an effect that increases the elongation at break, and, on the other hand, an increase in hardness and the modulus of elasticity and thus an effect that reduces the elongation at break. Because two opposing effects partially cancel each other out, there is an optimum crack elongation depending on the self-bias, so that an excellent combination of relatively high hardness and high crack formation can be produced.

Zusätzlich führt eine Erhöhung des Self-Bias zu einer erhöhten Abscheiderate und einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit in der resultierenden Schicht.In addition, an increase in the self-bias leads to an increased deposition rate and improved corrosion resistance in the resulting layer.

Es handelt sich bei den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugbaren Schichten um organisch modifizierte SiO2-Gerüste. Die organischen Anteile lassen sich im IR-Spektrum durch Banden bei ca. 2950 cm-1 und bei ca. 1275 cm-1 nachweisen. Zudem können sie durch Messung der Oberflächenenergie mit Testtinten nachgewiesen werden. Je höher der Anteil organischer Gruppen, desto geringer ist die Oberflächenenergie. Daher ist die Oberflächenenergie umso größer, je höher der Self-Bias eingestellt wird.The layers that can be produced with the method according to the invention are organically modified SiO 2 frameworks. The organic components can be detected in the IR spectrum by bands at approx. 2950 cm -1 and at approx. 1275 cm -1. They can also be detected by measuring the surface energy with test inks. The higher the proportion of organic groups, the lower the surface energy. Therefore, the higher the self-bias, the greater the surface energy.

Vorzugsweise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren während Schritt B des Self-Bias auf dem Substrat eingestellt. Die Abhängigkeit der Abscheiderate und der Schichteigenschaften vom Self-Bias wurde bereits erläutert. Wird der Self-Bias direkt auf dem Substrat und somit auf dem zu beschichtenden Gegenstand eingestellt, so erleichtert dies das Erzielen einer Schicht mit den gewünschten genau definierten Eigenschaften.In a method according to the invention, the self-bias is preferably set on the substrate during step B. The dependence of the deposition rate and the layer properties on the self-bias has already been explained. If the self-bias is set directly on the substrate and thus on the object to be coated, this makes it easier to achieve a layer with the desired, precisely defined properties.

Vorzugsweise erfolgt in einem erfindungsgemäßen Verfahren während Schritt B eine Regelung, so dass der Self-Bias konstant ist. Hierdurch kann der Aufbau der Schicht genau kontrolliert werden. Vorteile eines möglichst konstanten Self-Bias sind ein homogener Schichtaufbau und eine einfache Prozessübertragung auf verschiedenartige Substrate oder eine Mehrzahl von Substraten. Vorzugsweise wird während Schritt B direkt der Self-Bias geregelt. Wird die Plasmaleistung geregelt, so wird in der Regel der Self-Bias nicht völlig konstant sein, sondern um einen bestimmten Wert fluktuieren. In einem solchen Fall ist es bevorzugt, wenn die Gesamtschwankungsbreite des Self-Bias maximal 5% des zeitlichen Mittelwertes ist, vorzugsweise maximal 3%.In a method according to the invention, regulation preferably takes place during step B so that the self-bias is constant. In this way, the structure of the layer can be precisely controlled. Advantages of a self-bias that is as constant as possible are a homogeneous layer structure and simple process transfer to different types of substrates or a plurality of substrates. The self-bias is preferably regulated directly during step B. If the plasma power is regulated, the self-bias will usually not be completely constant, but will fluctuate around a certain value. In such a case, it is preferred if the total fluctuation range of the self-bias is a maximum of 5% of the mean value over time, preferably a maximum of 3%.

Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren (insbesondere in Kombination mit einem oder mehreren Merkmalen eines anderen als bevorzugt oder besonders bevorzugt beschriebenen Verfahrens), wobei während Schritt B eine Regelung erfolgt, so dass der Self-Bias auf dem Substrat im Bereich von 100 bis 400 V, weiter bevorzugt im Bereich von 100 bis 300 V, liegt, insbesondere so, dass der Self-Bias konstant ist.A method according to the invention is particularly preferred (in particular in combination with one or more features of another method described as preferred or particularly preferred), wherein during In step B, regulation takes place so that the self-bias on the substrate is in the range from 100 to 400 V, more preferably in the range from 100 to 300 V, in particular such that the self-bias is constant.

Für ein Rolle zu Rolle Verfahren ist es bevorzugt, dass an das metallische Substrat eine Wechselspannung angelegt wird, so dass sich eine Self-Bias auf dem metallischen Band ausbildet. Dabei kann zusätzlich eine Mikrowellenentladung in räumlicher Nähe zum abgewickelten Band brennen und so die notwendige hohe Anzahl von Ionen bereit stellen.For a roll-to-roll method, it is preferred that an alternating voltage is applied to the metallic substrate, so that a self-bias is formed on the metallic strip. A microwave discharge can also burn in close proximity to the unwound strip and thus provide the necessary high number of ions.

Weiterhin besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren (insbesondere in Kombination mit einem oder mehreren Merkmalen eines anderen als bevorzugt oder besonders bevorzugt beschriebenen Verfahrens), wobei der an der Elektrode anliegende Bias nicht allein durch die Plasmaprozessparameter bestimmt wird, sondern durch eine zusätzliche externe Gleichspannung erhöht oder erniedrigt wird. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Elektrodenfläche groß gewählt wird und eine Gleichspannungserhöhung aus diesem Grunde notwendig wird.A method according to the invention is also particularly preferred (in particular in combination with one or more features of another method described as preferred or particularly preferred), wherein the bias applied to the electrode is not determined solely by the plasma process parameters, but is increased or increased by an additional external DC voltage is humiliated. This is particularly important if the electrode area is selected to be large and an increase in DC voltage is necessary for this reason.

Eine Erhöhung des Zuflusses des oder der siliciumorganischen Precursoren für das Plasma, (im Verhältnis zu gegebenenfalls ebenfalls zufließendem O2 insbesondere unter Konstanthalten des Gesamtzuflusses) bewirkt im Allgemeinen eine Erniedrigung der Härte, eine Erhöhung der Absorption im sichtbaren Bereich (Erhöhung des Gelbindex), eine Verschlechterung der Korrosionsschutzwirkung und eine Verbesserung der Rissdehnung.An increase in the inflow of the organosilicon precursor (s) for the plasma (in relation to possibly also inflowing O 2, in particular while keeping the total inflow constant) generally causes a decrease in hardness, an increase in absorption in the visible range (increase in yellow index), a Deterioration in the anti-corrosion effect and an improvement in the elongation at break.

Bei einer hohen Anzahl von Si-H-Bindungen in einer erfindungsgemäß hergestellten Schicht kann im UV/Vis-Spektrum eine erhöhte Absorption von Licht des ultravioletten und blauen Spektralbereichs festgestellt werden. Diese führt zu einer unerwünschten Gelbfärbung (Erhöhung des Gelbindex). Es ist daher wünschenswert, den Anteil an Si-H-Bindungen nicht zu groß werden zu lassen. Eine Verringerung des Self-Bias verhindert die Ausbildung von Si-H-Bindungen in der Beschichtung. Ebenfalls inhibieren lässt sich die Ausbildung von Si-H-Bindungen durch eine geeignete Auswahl der Menge und/oder Art an Precursor(en). Dies wird in der Regel durch eine Verringerung des Zuflusses an siliciumorganischen Precursoren erreicht, die darüber hinaus auch den Anteil an organischen Gruppen in der Beschichtung reduziert. Das Auftreten von Si-H-Bindungen lässt sich auch im IR-Spektrum (2150 bis 2250 cm-1) nachweisen.In the case of a high number of Si — H bonds in a layer produced according to the invention, an increased absorption of light in the ultraviolet and blue spectral range can be determined in the UV / Vis spectrum. This leads to an undesirable yellow coloration (increase in the yellow index). It is therefore desirable not to let the proportion of Si-H bonds become too large. A reduction in the self-bias prevents the formation of Si-H bonds in the coating. The formation of Si-H bonds can also be inhibited by a suitable selection of the amount and / or type of precursor (s). This is usually achieved by reducing the inflow of organosilicon precursors, which in addition also reduces the proportion of organic groups in the coating. The occurrence of Si-H bonds can also be detected in the IR spectrum (2150 to 2250 cm -1 ).

Die Ausbildung von Si-H-Bindungen in der Beschichtung wird ebenfalls verringert, wenn dem Plasma eine hinreichende Menge an Sauerstoff zugeführt wird, was darüber hinaus auch den Anteil an organischen Gruppen in der Beschichtung reduziert. Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei in Schritt B dem Plasma Sauerstoff (in Form von O2) zugeführt wird und vorzugsweise alle dem Plasma in Schritt B zugeführten Stoffen vor Eintritt in den Plasmapolymerisationsreaktor gasförmig sind. Eine Verfahrensführung in der Art, dass die dem Plasma zugeführten Stoffe nicht nur unter den Bedingungen des Plasmas, sondern bereits vor dem Eintritt in den Reaktor gasförmig sind, erleichtert die genaue Abstimmung der Dosierung der Stoffe.The formation of Si-H bonds in the coating is also reduced if a sufficient amount of oxygen is supplied to the plasma, which in addition also reduces the proportion of organic groups in the coating. A method according to the invention is preferred, in which oxygen (in the form of O 2 ) is supplied to the plasma in step B and preferably all of the substances supplied to the plasma in step B are gaseous before entry into the plasma polymerization reactor. Conducting the process in such a way that the substances supplied to the plasma are not only gaseous under the conditions of the plasma, but also before they enter the reactor, facilitates the precise adjustment of the dosage of the substances.

Eine Erhöhung des Sauerstoffzuflusses führt zu einer Erhöhung der Härte, einer Verringerung der Absorption im sichtbaren Bereich (Verringerung des Gelbindex), zu einer Verbesserung der Korrosionsschutzwirkung, zu einer Verringerung der Anteile von organischen Gruppen in der Beschichtung und zu einer Erniedrigung der Rissdehnung.An increase in the flow of oxygen leads to an increase in hardness, a reduction in absorption in the visible range (reduction in the yellow index), an improvement in the corrosion protection effect, a reduction in the proportion of organic groups in the coating and a reduction in elongation at break.

In einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren wird dem Plasma Sauerstoff (O2) zugeführt, sind alle dem Plasma in Schritt B zugeführten Stoffe vor Eintritt in den Plasmapolymerisationsreaktor gasförmig und liegt das Verhältnis der dem Plasma in Schritt B zugeführten Gasflüsse von Sauerstoff und Precursor(en) (insbesondere siliziumorganischer Precursoren) im Bereich von 3:1 bis 5:1. In diesem Bereich ist es erfindungsgemäß besonders einfach, den gewünschten Anteil von Kohlenstoff in der durch das Verfahren hergestellten Beschichtung einzustellen und die gewünschten Eigenschaften der Beschichtung zu erzielen.In a preferred method according to the invention, oxygen (O 2 ) is supplied to the plasma, all substances supplied to the plasma in step B are gaseous before entry into the plasma polymerization reactor and the ratio of the gas flows of oxygen and precursor (s) supplied to the plasma in step B is ( in particular organosilicon precursors) in the range from 3: 1 to 5: 1. In this range it is particularly easy according to the invention to set the desired proportion of carbon in the coating produced by the method and to achieve the desired properties of the coating.

Erhält man bei einem gegebenen Parametersatz eine gelbe Beschichtung, so kann der O2-Fluss erhöht werden. Alternativ kann der Zufluss an dem oder den siliciumorganischen Precursoren oder der Self-Bias verringert werden. Ist die Beschichtung zu hart und damit zu spröde, so kann die Self-Bias reduziert bzw. der Zufluss an dem oder den siliciumorganischen Precursoren erhöht werden.If a yellow coating is obtained for a given set of parameters, the O 2 flow can be increased. Alternatively, the inflow to the organosilicon precursor or precursors or the self-bias can be reduced. If the coating is too hard and therefore too brittle, the self-bias can be reduced or the inflow to the organosilicon precursor or precursors can be increased.

Die Wärmeleitfähigkeit, als auch die elektrische Leitfähigkeit wird durch die Veränderung der eigentlichen Plasmaparameter im Rahmen der beanspruchten Beschichtung nur geringfügig verändert. Lediglich die Schichtdicke ist ein wesentlicher Parameter, so dass die Möglichkeit besteht, die mechanischen Anforderungen der Beschichtung der Fragestellung möglichst gut anzupassen.The thermal conductivity as well as the electrical conductivity is only slightly changed by changing the actual plasma parameters in the context of the claimed coating. Only the layer thickness is an essential parameter, so that it is possible to adapt the mechanical requirements of the coating as well as possible to the problem at hand.

Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, insbesondere in einer der als bevorzugt bezeichneten Ausgestaltungen, wobei in Schritt B als Precursor(en) für das Plasma ein oder mehrere Siloxane, gegebenenfalls Sauerstoff (O2) sowie vorzugsweise keine weiteren Verbindungen eingesetzt werden. Siloxane, insbesondere Hexamethyldisiloxan (HMDSO), haben sich als besonders geeignete Precursoren erwiesen, um ein erfindungsgemäßes Verfahren zu führen, mit dem Beschichtungen mit der vorteilhaften Eigenschaftskombination hergestellt werden können. Vorzugsweise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren in Schritt B als Precursor(en) für das Plasma HMDSO, gegebenenfalls Sauerstoff sowie vorzugsweise keine weitere Verbindung eingesetzt. Eine Erhöhung des Zuflusses an HMDSO im Verhältnis zu Sauerstoff bewirkt u. a. eine Erniedrigung der Härte, eine Erhöhung der Absorption im sichtbaren Bereich und eine Verschlechterung der Korrosionsschutzwirkung.A method according to the invention is preferred, in particular in one of the embodiments designated as preferred, with one or more siloxanes, optionally oxygen (O 2 ) and preferably no further compounds being used as precursor (s) for the plasma in step B. Siloxanes, in particular hexamethyldisiloxane (HMDSO), have proven to be particularly suitable precursors for carrying out a method according to the invention with which coatings with the advantageous combination of properties can be produced. In a method according to the invention, HMDSO, optionally oxygen and preferably no further compound is used as precursor (s) for the plasma in step B. An increase in the inflow of HMDSO in relation to oxygen causes, among other things, a reduction in hardness, an increase in absorption in the visible range and a deterioration in the anti-corrosion effect.

Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, in dem in Schritt B dem Plasma Sauerstoff zugeführt wird, alle dem Plasma in Schritt B zugeführten Stoffe vor Eintritt in den Plasmapolymerisationsreaktor gasförmig sind, das Verhältnis der dem Plasma in Schritt B zugeführten Gasflüsse von Sauerstoff und Precursor(en) im Bereich von 1:1 bis 6:1 liegt und als Precursor(en) für das Plasma HMDSO, Sauerstoff sowie insbesondere keine weitere Verbindung eingesetzt wird.A method according to the invention is particularly preferred in which oxygen is supplied to the plasma in step B, all substances supplied to the plasma in step B are gaseous before entering the plasma polymerization reactor, the ratio of the gas flows of oxygen and precursor (s) supplied to the plasma in step B is in the range from 1: 1 to 6: 1 and is used as precursor (s) for the plasma HMDSO, oxygen and, in particular, no further compound.

Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Plasmapolymerisation bei einer Temperatur von weniger als 200°C, bevorzugt weniger als 180°C und/oder einem Druck von weniger als 1 mbar, bevorzugt im Bereich von 10-3 bis 10-1 mbar durchgeführt. Falls der Druck während der Abscheidung zu hoch ist, kann eine unerwünschte Pulverbildung des abgeschiedenen Materials auftreten. Bei einem Druck kleiner als 10-3 mbar kann das Plasma nicht mehr gezündet werden.In the process according to the invention, the plasma polymerization is preferably carried out at a temperature of less than 200 ° C., preferably less than 180 ° C. and / or a pressure of less than 1 mbar, preferably in the range from 10 -3 to 10 -1 mbar. If the pressure is too high during the deposition, undesirable powder formation of the deposited material can occur. If the pressure is less than 10 -3 mbar, the plasma can no longer be ignited.

Vorzugsweise wird in einem erfindungsgemäßen Verfahren Schritt B bis zu einer Dicke der abgeschiedenen Beschichtung von größer oder gleich 2 µm, bevorzugt größer oder gleich 4 µm durchgeführt. Für bestimmte Anwendung, wenn z.B. extreme Abrasionsfestigkeit, hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit oder auch eine gute thermische Isolation gewünscht ist, ist eine höhere Dicke von > 4 µm, bevorzugt > 50 µm bis ca. 100 µm aufgrund der geringen Eigenspannungen der Beschichtung möglich und auch bevorzugt.In a method according to the invention, step B is preferably carried out up to a thickness of the deposited coating of greater than or equal to 2 μm, preferably greater than or equal to 4 μm. For certain applications, e.g. if extreme abrasion resistance, high dielectric strength or good thermal insulation is required, a higher thickness of> 4 µm, preferably> 50 µm to approx. 100 µm, is possible and also preferred due to the low internal stresses of the coating.

Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, wobei in Schritt B die Abscheiderate auf einen Wert von größer oder gleich 0,2 µm/min, vorzugsweise größer oder gleich 0,3 µm/min, eingestellt wird. Es kann beispielsweise ein Wert von 0,5 µm/min gewählt werden. Hohe Abscheideraten erhöhen zum einen die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens und erleichtern zudem die Einstellung der gewünschten Schichteigenschaften.A method according to the invention is preferred, the deposition rate being set to a value greater than or equal to 0.2 μm / min, preferably greater than or equal to 0.3 μm / min, in step B. For example, a value of 0.5 µm / min can be selected. On the one hand, high deposition rates increase the economic viability of the method according to the invention and also make it easier to set the desired layer properties.

Vorzugsweise ist in einem erfindungsgemäßen Verfahren das Metallsubstrat ein Buntmetallsubstrat, ausgewählt aus der Gruppe von Substraten bestehend aus: Messing, Kupfer oder Bronze mit gereinigter, unbeschichteter Oberfläche. Die Substratoberflächen sind optional mechanisch und/oder elektrisch geglänzt und/oder glanzgebeizt bzw. durch eine chemische, elektrochemische oder mechanische Vorbehandlung veredelt, beispielsweise glanzgebeizt, elektropoliert oder poliert.In a method according to the invention, the metal substrate is preferably a non-ferrous metal substrate selected from the group of substrates consisting of: brass, copper or bronze with a cleaned, uncoated surface. The substrate surfaces are optionally mechanically and / or electrically polished and / or gloss-pickled or refined by a chemical, electrochemical or mechanical pretreatment, for example gloss-pickled, electropolished or polished.

Es ist vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren so zu führen, dass in Schritt A die zu beschichtende Substratoberfläche mittels eines Plasmas gereinigt wird. Eine solche Plasmareinigung verbessert die Schichthaftung. Vorzugsweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren in Schritt A dem Plasma zur Durchführung der Plasmareinigung ein Gas oder Gasgemisch zugesetzt, wobei das Gas oder Gasgemisch ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Argon, Argon-Wasserstoff-Gemisch, Sauerstoff.It is advantageous to carry out the method according to the invention in such a way that in step A the substrate surface to be coated is cleaned by means of a plasma. Such a plasma cleaning improves the layer adhesion. In the method according to the invention, a gas or gas mixture is preferably added to the plasma in step A to carry out the plasma cleaning, the gas or gas mixture being selected from the group consisting of: argon, argon-hydrogen mixture, oxygen.

In manchen Fällen ist es vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren so zu führen, dass im Anschluss an Schritt B innerhalb des Plasmapolymerisationsreaktors nicht fragmentierte siliciumorganische Verbindungen vorliegen, die sich mit reaktiven Stellen an der Oberfläche der Beschichtung unter Ausbildung einer hydrophoben Oberfläche umsetzen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der oder die unfragmentierten siliciumorganischen Precursoren nach dem Ausschalten der Plasmaquelle zunächst im Reaktor belassen werden und so die Gelegenheit bekommen, mit den Oberflächenradikalen der Plasmapolymerschicht zu reagieren. Hierdurch lassen sich Schichten erzeugen, die besonders einfach zu reinigen sind. Die Ausbildung einer oberflächennahen hydrophoben Schicht kann mittels XPS nachgewiesen werden.In some cases it is advantageous to carry out the process according to the invention in such a way that following step B there are non-fragmented organosilicon compounds within the plasma polymerization reactor which react with reactive sites on the surface of the coating to form a hydrophobic surface. This can be achieved in that the unfragmented organosilicon precursor or precursors are initially left in the reactor after the plasma source has been switched off and are thus given the opportunity to react with the surface radicals of the plasma polymer layer. This allows layers to be created that are particularly easy to clean. The formation of a near-surface hydrophobic layer can be detected by means of XPS.

Hierbei werden zur Quantifizierung des Kohlenstoff-, Silicium- und Sauerstoff-Anteil die Signale C1s, Si2p und O1s herangezogen. Zur Kalibrierung der Stöchiometrie-Messwerte wird ein trimethylsiloxy-terminiertes Polydimethylsiloxan (PDMS) mit einer kinematischen Viskosität von 350 mm2/s bei 25 °C und einer Dichte von 0,970 g/mL bei 25 °C untersucht. Ein Beispiel hierfür ist das Produkt DMS-T23E der Firma Gelest. Die relativen atomaren Empfindlichkeitsfaktoren werden so angepasst, dass das ermittelte atomare stöchiometrische Verhältnis zwischen Silicium und Sauerstoff 1,00±0,05 beträgt und das atomare stöchiometrische Verhältnis zwischen Silicium und Kohlenstoff 0,50±0,03 beträgt.The signals C1s, Si2p and O1s are used to quantify the carbon, silicon and oxygen content. To calibrate the stoichiometric measured values, a trimethylsiloxy-terminated polydimethylsiloxane (PDMS) with a kinematic viscosity of 350 mm 2 / s at 25 ° C and a density of 0.970 g / mL at 25 ° C is investigated. An example of this is the product DMS-T23E from Gelest. The relative atomic sensitivity factors are adjusted so that the determined atomic stoichiometric ratio between silicon and oxygen is 1.00 ± 0.05 and the atomic stoichiometric ratio between silicon and carbon is 0.50 ± 0.03.

Zu einer erfindungsgemäß bevorzugten Methode zur Durchführung der XPS-Untersuchung vergleiche Beispiel 1 weiter unten.For a method preferred according to the invention for carrying out the XPS investigation, see Example 1 below.

Bei der genannten Verfahrensführung enthält eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schicht vorzugsweise in den oberen (vom Substrat abgewandten) 5 nm einen Kohlenstoffanteil von 40-55 Atom-%, einen Siliciumanteil von 15-25 Atom-% und einen Sauerstoffanteil von 20-35 Atom-%, bezogen auf die Gesamtzahl der in der Beschichtung enthaltenen Si-, C- und O-Atome. Dem Fachmann ist dabei klar, dass dieser oberflächliche Bereich erst nach Durchführung der erfindungswesentlichen Schritte aufgebracht wird.In the process mentioned, a layer produced by the process according to the invention preferably contains in the upper 5 nm (facing away from the substrate) a carbon content of 40-55 atom%, a silicon content of 15-25 atom% and an oxygen content of 20-35 atom -%, based on the total number of Si, C and O atoms contained in the coating. It is clear to the person skilled in the art that this superficial area is only applied after the steps essential to the invention have been carried out.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird das Plasma bevorzugt nicht mittels Gleichspannung, sondern vorzugsweise mittels Hochfrequenz (HF) und in besonderen bevorzugten Fällen (s.v.) mit Mikrowellen erzeugt. Hochfrequenzplasmen führen bei gleicher Self-Bias zu höheren Abscheideraten, als niederfrequentere Plasmen.In the method according to the invention, the plasma is preferably not generated by means of direct voltage, but preferably by means of high frequency (HF) and, in particularly preferred cases (see above), with microwaves. With the same self-bias, high-frequency plasmas lead to higher deposition rates than lower-frequency plasmas.

Unter Hochfrequenz sollen Frequenzen größer/gleich 100 kHz verstanden werden.High frequency should be understood to mean frequencies greater than or equal to 100 kHz.

Für ein ganz besonders bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren gilt:

  • in Schritt B wird dem Plasma Sauerstoff zugeführt;
  • alle dem Plasma in Schritt B zugeführten Stoffe sind vor Eintritt in den Plasmapolymerisationsreaktor gasförmig;
  • das Verhältnis der dem Plasma in Schritt B zugeführten Gasflüsse von Sauerstoff und Precursor(en) im Bereich von 1:1 bis 6:1;
  • während Schritt B erfolgt eine Regelung, so dass der Self-Bias auf dem Substrat im Bereich von 100 bis 400 V liegt, vorzugsweise so, dass der Self-Bias konstant ist;
  • als Precursor(en) für das Plasma wird Hexamethyldisiloxan (HMDSO), Sauerstoff und vorzugsweise keine weitere Verbindung eingesetzt;
  • in Schritt B befindet sich das Metallsubstrat im Kontakt mit einem Teil der Kathode, der vom Metallsubstrat unterscheidbar ist;
  • die Plasmapolymerisation wird bei einer Temperatur von weniger als 200°C und einem Druck im Bereich von 10-3 bis 10-1 mbar durchgeführt;
  • in Schritt B wird die Abscheiderate auf einen Wert von größer oder gleich 0,2 mm/min eingestellt;
  • Schritt B wird bis zu einer Dicke der abgeschiedenen Beschichtung von größer oder gleich 2 mm durchgeführt;
  • das Metallsubstrat besteht aus Übergangsmetallen wobei Titan ausgeschlossen ist (bevorzugt Ordnungszahlen von 22 bis 30, 39 bis 42, 44 bis 48 und 57 bis 79), Gallium, Germanium, Indium, Zinn, Antimon, Bismut oder deren Legierungen; besonders bevorzugt besteht es aus Legierungen, die Titan, Eisen, Kupfer und/oder Zink enthalten
  • in Schritt A wird die zu beschichtende Substratoberfläche mittels eines Plasmas gereinigt, wobei dem Plasma zur Durchführung der Plasmareinigung ein Gas oder Gasgemisch zugesetzt wird, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Argon, Argon-Wasserstoff-Gemisch, Sauerstoff;
  • das Plasma wird mittels Hochfrequenz erzeugt.
The following applies to a particularly preferred method according to the invention:
  • in step B, oxygen is supplied to the plasma;
  • all substances fed to the plasma in step B are gaseous before entering the plasma polymerization reactor;
  • the ratio of the gas flows of oxygen and precursor (s) supplied to the plasma in step B in the range from 1: 1 to 6: 1;
  • control takes place during step B so that the self-bias on the substrate is in the range from 100 to 400 V, preferably such that the self-bias is constant;
  • hexamethyldisiloxane (HMDSO), oxygen and preferably no other compound are used as precursor (s) for the plasma;
  • in step B the metal substrate is in contact with a part of the cathode which is distinguishable from the metal substrate;
  • the plasma polymerization is carried out at a temperature of less than 200 ° C. and a pressure in the range from 10 -3 to 10 -1 mbar;
  • in step B the deposition rate is set to a value greater than or equal to 0.2 mm / min;
  • Step B is carried out up to a thickness of the deposited coating of greater than or equal to 2 mm;
  • the metal substrate consists of transition metals, titanium being excluded (preferably atomic numbers from 22 to 30, 39 to 42, 44 to 48 and 57 to 79), gallium, germanium, indium, tin, antimony, bismuth or their alloys; it is particularly preferably composed of alloys which contain titanium, iron, copper and / or zinc
  • In step A, the substrate surface to be coated is cleaned by means of a plasma, a gas or gas mixture selected from the group consisting of: argon, argon-hydrogen mixture, oxygen being added to the plasma to carry out the plasma cleaning;
  • the plasma is generated by means of high frequency.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung auch ein beschichtetes Metallsubstrat wie in den Ansprüchen definiert, herstellbar nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, vorzugsweise in einer der vorstehend als bevorzugt bezeichneten Ausgestaltungen.According to a further aspect, the present invention also relates to a coated metal substrate as defined in the claims, which can be produced by the method according to the invention, preferably in one of the configurations described above as preferred.

Ein erfindungsgemäß beschichtetes Metallsubstrat wie in Anspruch 11 definiert umfasst ein Metallsubstrat und darauf angeordnet eine plasmapolymere Beschichtung mit folgenden Merkmalen:

  • eine Rissdehnung von ≥ 1,5 %, bevorzugt ≥ 2,5 %
  • einen nach ASTM D 1925 bestimmten Gelbindex (Yellow Index) von ≤ 4 vorzugsweise ≤ 3, weiter bevorzugt ≤ 2,5 und
  • eine mittels Nanoindentation zu messende Härte im Bereich von 2,5 bis 10 GPa, vorzugsweise 3,1 bis 10 GPa, weiter bevorzugt 3,1 bis 6 GPa
  • einen durch Messung mittels XPS bestimmbaren Anteil von Kohlenstoff von 3 bis 28 Atom-% bezogen auf die Gesamtzahl der in der Beschichtung enthaltenen Kohlenstoff-, Silicium- und Sauerstoffatome
    sowie bevorzugt
  • eine Wärmeleitfähigkeit ≤ 5 W / m°K, vorzugsweise ≤ 2,5 W / m°K und/oder
  • eine elektrische Durchschlagsfestigkeit von 10 - 100 kV/mm, vorzugsweise von ≥ 40 kV/mm,
mit der Maßgabe, dass das Metallsubstrat kein Leichtmetallsubstrat und kein Titan ist und mit der Maßgabe, dass für den Fall einer Dehnung bis Mikroriss der Beschichtung von ≤ 2,2 % die mittels Nanoidentation zu messende Härte ≥ 6 GPa beträgt.A metal substrate coated according to the invention as defined in claim 11 comprises a metal substrate and, arranged thereon, a plasma polymer coating with the following features:
  • a tear elongation of ≥ 1.5%, preferably ≥ 2.5%
  • a yellow index determined in accordance with ASTM D 1925 of 4, preferably 3, more preferably 2.5 and
  • a hardness to be measured by means of nanoindentation in the range from 2.5 to 10 GPa, preferably 3.1 to 10 GPa, more preferably 3.1 to 6 GPa
  • a carbon content of 3 to 28 atomic%, which can be determined by measurement using XPS, based on the total number of carbon, silicon and oxygen atoms contained in the coating
    as well as preferred
  • a thermal conductivity 5 W / m ° K, preferably 2.5 W / m ° K and / or
  • a dielectric strength of 10 - 100 kV / mm, preferably ≥ 40 kV / mm,
with the proviso that the metal substrate is not a light metal substrate and not titanium and with the proviso that in the event that the coating is stretched to a micro-crack of ≤ 2.2%, the hardness to be measured by means of nanoidentation is ≥ 6 GPa.

Bevorzugte erfindungsgemäße beschichtete Metallsubstrate umfassend die weiter oben beschriebenen als bevorzugt charakterisierten Substrate und/oder Beschichtungen.Preferred coated metal substrates according to the invention comprising the substrates and / or coatings described above as being preferred.

So weist vorzugsweise bei einem erfindungsgemäßen beschichteten Metallsubstrat wie in den Ansprüchen definiert die Beschichtung durch Messung mittels XPS bestimmbare Anteile von 5 bis 30 Atom-%, bevorzugt 10 bis 25 Atom-% Silicium und 30 bis 70 Atom-%, bevorzugt 40 bis 60 Atom-% Sauerstoff auf, bezogen auf die Gesamtzahl der in der Beschichtung enthaltenen Kohlenstoff-, Silicium- und Sauerstoffatome. Unabhängig von den genannten Atom-%-werten für Silicium und Sauerstoff, bevorzugt aber in Kombination mit diesen Werten weist die Beschichtung einen durch Messung mittels XPS bestimmbaren Anteil von Kohlenstoff von 3 bis 28 Atom-%, vorzugsweise 5 bis 28 Atom-% weiter bevorzugt 7 bis 28 Atom% bezogen auf die Gesamtzahl der in der Beschichtung enthaltenen Kohlenstoff-, Silicium- und Sauerstoffatome. In diesen Atomprozent-Bereichen ist die Einstellung der gewünschten Eigenschaftskombination besonders gut möglich. Die Abhängigkeit der Anteile an Kohlenstoff, Silicium und Sauerstoff von der Anordnung des Substrats und vom Self-Bias wurde bereits oben erläutert. Zudem können diese Anteile durch Wahl geeigneter Precursoren beeinflusst werden.In the case of a coated metal substrate according to the invention as defined in the claims, the coating preferably has proportions of 5 to 30 atom%, preferably 10 to 25 atom%, and 30 to 70 atom%, preferably 40 to 60 atom, which can be determined by measurement using XPS -% oxygen, based on the total number of carbon, silicon and oxygen atoms contained in the coating. Regardless of the atom% values mentioned for silicon and oxygen, but preferably in combination with these values, the coating has a carbon content of 3 to 28 atom%, preferably 5 to 28 atom%, more preferably 7 to 28 atom%, based on the total number, which can be determined by measurement using XPS of the carbon, silicon and oxygen atoms contained in the coating. It is particularly easy to set the desired combination of properties in these atomic percent ranges. The dependence of the proportions of carbon, silicon and oxygen on the arrangement of the substrate and on the self-bias has already been explained above. In addition, these proportions can be influenced by choosing suitable precursors.

Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen beschichteten Metallsubstrat weist ein von der Beschichtung aufgenommenes IR-Spektrum eine oder mehrere, vorzugsweise alle der folgenden Banden (Peaks) mit einem jeweiligen Maximum in den folgenden Bereichen auf: C-H-Valenzschwingung im Bereich von 2950 bis 2970 cm-1, Si-H-Schwingung im Bereich von 2150 bis 2250 cm-1, Si-CH2-Si-Schwingung im Bereich von 1350 bis 1370 cm-1, Si-CH3-Deformationschwingung im Bereich von 1250 bis 1280 cm-1 und Si-O-Schwingung bei größer oder gleich 1150 cm-1.In a preferred coated metal substrate according to the invention, an IR spectrum recorded by the coating has one or more, preferably all of the following bands (peaks) with a respective maximum in the following ranges: CH stretching vibration in the range from 2950 to 2970 cm -1 , Si-H vibration in the range from 2150 to 2250 cm -1 , Si-CH 2 -Si vibration in the range from 1350 to 1370 cm -1 , Si-CH 3 deformation vibration in the range from 1250 to 1280 cm -1 and Si -O oscillation at greater than or equal to 1150 cm -1 .

Die Lage des Maximums der Si-O-Si-Schwingung gibt Aufschluss über den Vernetzungsgrad der Schicht. Je höher seine Wellenzahl, desto höher der Vernetzungsgrad. Schichten, bei denen dieses Maximum bei größer oder gleich 1200 cm-1, vorzugsweise größer oder gleich 1250 cm-1 liegt, haben einen hohen Vernetzungsgrad, während etwa Antihaftschichten mit diesem Maximum bei typischerweise ca. 1100 cm-1 einen geringen Vernetzungsgrad besitzen.The position of the maximum of the Si-O-Si oscillation provides information about the degree of crosslinking of the layer. The higher its wave number, the higher the degree of networking. Layers in which this maximum is greater than or equal to 1200 cm -1 , preferably greater than or equal to 1250 cm -1 , have a high degree of crosslinking, while anti-stick layers with this maximum typically have a low degree of crosslinking at approximately 1100 cm -1.

Eine nachweisbare Si-CH2-Si-Schwingungsbande zeigt an, dass zusätzlich zu Si-O-Si-Verknüpfungen, Si-CH2-Si-Verknüpfungen in der Beschichtung vorhanden sind. Ein solches Material weist regelmäßig eine erhöhte Flexibilität und Elastizität auf.A detectable Si-CH 2 -Si oscillation band indicates that, in addition to Si-O-Si links, there are Si-CH 2 -Si links in the coating. Such a material regularly has increased flexibility and elasticity.

Zur Charakterisierung der Beschichtung kann das Verhältnis der Intensität der Si-H-Bande zur Intensität der Si-CH3-Bande dienen. Beschichtungen, bei denen dieses Verhältnis kleiner oder gleich ca. 0,2 ist, sind farblos. Bei einem Verhältnis von größer als ca. 0,3 sind die Beschichtungen gelblich. Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Metallsubstrat, wobei in einem von der Beschichtung aufgenommenen IR-Spektrum das Verhältnis der Intensität der Si-H-Bande zur Intensität der Si-CH3-Bande kleiner oder gleich 0,3, vorzugsweise kleiner oder gleich 0,2 ist.The ratio of the intensity of the Si-H band to the intensity of the Si-CH 3 band can be used to characterize the coating. Coatings in which this ratio is less than or equal to approx. 0.2 are colorless. If the ratio is greater than about 0.3, the coatings are yellowish. A coated metal substrate according to the invention is preferred, the ratio of the intensity of the Si-H band to the intensity of the Si-CH 3 band being less than or equal to 0.3, preferably less than or equal to 0.2, in an IR spectrum recorded by the coating is.

Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Metallsubstrat, wobei die Beschichtung eine Absorptionskonstante k300 nm von kleiner oder gleich 0,05 und/oder eine Absorptionskonstante k400 nm von kleiner oder gleich 0,01 aufweist. Der Zusammenhang der Anzahl von Si-H-Bindungen, welche eine Lichtabsorption im ultravioletten und blauen Bereich hervorrufen, mit dem Self-Bias, einer Sauerstoffzufuhr zum Plasma und der Menge und Art an Precursor(en) wurde bereits oben erläutert. Vorzugsweise weist die Beschichtung eines erfindungsgemäßen beschichteten Metallsubstrats eine Oberflächenenergie im Bereich von 20 bis 40 mN/m, bevorzugt 25 bis 35 mN/m auf. Die Oberflächenenergie wird wie oben ausgeführt durch die Anteile an organischen Gruppen und somit durch den Betrag des Self-Bias bestimmt.A coated metal substrate according to the invention is preferred, the coating having an absorption constant k 300 nm of less than or equal to 0.05 and / or an absorption constant k 400 nm of less than or equal to 0.01. The relationship between the number of Si-H bonds, which cause light absorption in the ultraviolet and blue range, with the self-bias, an oxygen supply to the plasma and the amount and type of precursor (s) has already been explained above. The coating of a coated metal substrate according to the invention preferably has a surface energy in the range from 20 to 40 mN / m, preferably 25 to 35 mN / m. As explained above, the surface energy is determined by the proportions of organic groups and thus by the amount of self-bias.

Wie bereits ausgeführt, können die Korrosionsschutzeigenschaften der Beschichtung durch z. B. Einstellung des Self-Bias, der Zuflüsse an dem oder den siliciumorganischen Precursoren und an Sauerstoff eingestellt werden. Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäßes beschichtetes Metallsubstrat nach einem 15-minütigen korrosiven Angriff von NaOH bei pH 14 und 30°C keine mit bloßem Auge sichtbaren Korrosionsspuren auf.As already stated, the anti-corrosion properties of the coating can be achieved by z. B. Adjustment of the self-bias, the inflows to the organosilicon precursor or precursors and to oxygen. A coated metal substrate according to the invention preferably shows no traces of corrosion that are visible to the naked eye after a 15-minute corrosive attack by NaOH at pH 14 and 30 ° C.

Wie oben ausgeführt, wird die Rissdehnung u. a. durch die Einstellung des Self-Bias bestimmt. Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Metallsubstrat weist die Beschichtung eine Dehnung bis Mikroriss (Rissdehnung) von größer oder gleich 1,5%, vorzugsweise größer oder gleich 2,5% auf.As stated above, the elongation at break is inter alia. determined by setting the self-bias. In the case of a preferred metal substrate according to the invention, the coating has an elongation up to a microcrack (tear elongation) of greater than or equal to 1.5%, preferably greater than or equal to 2.5%.

Der Self-Bias beeinflusst die Schichtdickenhomogenität in der oben genannten Weise. Im Fall von größeren Reaktoren sind jedoch auch die Gasflüsse von großer Bedeutung. Hierunter sind beispielsweise solche Reaktoren zu verstehen, bei denen die Reaktorkammer (Rezipient) 2 m3 oder größer ist. Die Schichtdickenhomogenität u.a. wird durch die auf dem Substrat erzeugten elektrischen Felder definiert, d.h. eine hohe Feldstärke bedeutet eine hohe Abscheiderate. Homogenität ist nur dann zu erzielen, wenn die elektrische Feldstärke auf dem Substrat überall weitgehend gleich ist. Allgemein gilt: Die Schichtdickenhomogenität auf dem beliebigen dreidimensionalen Substrat gehorcht der Laplace-Gleichung, die die Lösung für die elektrische Feldstärke auf dem Substrat angibt. Vorzugsweise unterscheidet sich in einem erfindungsgemäßen beschichteten Metallsubstrat die maximale Schichtdicke von der minimalen Schichtdicke um den Faktor 1,1 oder geringer.The self-bias influences the layer thickness homogeneity in the above-mentioned way. In the case of larger reactors, however, the gas flows are also of great importance. This is to be understood as meaning, for example, those reactors in which the reactor chamber (recipient) is 2 m 3 or larger. The homogeneity of the layer thickness, among other things, is defined by the electrical fields generated on the substrate, ie a high field strength means a high deposition rate. Homogeneity can only be achieved if the electrical field strength on the substrate is largely the same everywhere. In general, the following applies: The layer thickness homogeneity on any three-dimensional substrate obeys the Laplace equation, which gives the solution for the electrical field strength on the substrate. In a coated metal substrate according to the invention, the maximum layer thickness preferably differs from the minimum layer thickness by a factor of 1.1 or less.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung einer durch ein erfindungsgemäßes Verfahren herstellbaren oder hergestellten Beschichtung (insbesondere in einer als bevorzugt gekennzeichneten Ausgestaltung) als Schutz- oder Funktionsschicht auf Metallen wie in Anspruch 15 definiert.According to a further aspect, the present invention also relates to the use of a coating that can be produced or produced by a method according to the invention (in particular in an embodiment characterized as preferred) as a protective or functional layer on metals as defined in claim 15.

Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung wie in den Ansprüchen definiert ergeben sich aus den nachfolgenden Beispielen, den Zeichnungen und den Ansprüchen.Further aspects of the present invention as defined in the claims emerge from the following examples, the drawings and the claims.

Beispiel 1: XPSExample 1: XPS

XPS-Messungen (ESCA-Messungen) wurden mit dem Spektrometer KRATOS AXIS Ultra der Firma Kratos Analytical durchgeführt. Die Kalibrierung des Messgerätes wurde so vorgenommen, dass der aliphatische Anteil des C 1s Peaks bei 285,00 eV liegt. Aufgrund von Aufladungseffekten wird es in der Regel notwendig sein, die Energieachse ohne weitere Modifikation auf diesen Fixwert zu verschieben. Die Analysekammer war mit einer Röntgenquelle für monochromatisierte Al Kα-Strahlung, einer Elektronenquelle als Neutralisator und einem Quadrupolmassenspektrometer ausgerüstet. Weiterhin verfügte die Anlage über eine magnetische Linse, welche die Photoelektronen über einen Eintrittsschlitz in einen Halbkugelanalysator fokussierte. Während der Messung zeigte die Oberflächennormale auf den Eintrittsschlitz des Halbkugelanalysators. Die Passenergie betrug bei der Bestimmung der Stoffmengenverhältnisse jeweils 160 eV. Bei der Bestimmung der Peak-Parameter betrug die Passenergie jeweils 20 eV.XPS measurements (ESCA measurements) were carried out with the KRATOS AXIS Ultra spectrometer from Kratos Analytical. The calibration of the measuring device was carried out in such a way that the aliphatic content of the C 1s peaks at 285.00 eV. Due to charging effects, it will usually be necessary to shift the energy axis to this fixed value without further modification. The analysis chamber was equipped with an X-ray source for monochromatized Al K α radiation, an electron source as a neutralizer and a quadrupole mass spectrometer. The system also had a magnetic lens that focused the photoelectrons into a hemisphere analyzer through an entry slot. During the measurement, the surface normal pointed to the entry slit of the hemispherical analyzer. The passenger energy in the determination of the molar ratios was 160 eV in each case. When determining the peak parameters, the pass energy was 20 eV in each case.

Die genannten Messbedingungen sind bevorzugt, um eine weitgehende Unabhängigkeit vom Spektrometertyp zu ermöglichen und um erfindungsgemäß hergestellte plasmapolymere Produkte zu identifizieren.The measurement conditions mentioned are preferred in order to enable extensive independence from the spectrometer type and in order to identify plasma polymer products produced according to the invention.

Als Referenzmaterial wurde das Polydimethylsiloxan Silikonöl DMS-T23E der Firma Gelest Inc. (Morrisville, USA) verwendet. Dieses trimethylsiloxy-terminierte Silikonöl besitzt eine kinematische Viskosität von 350 mm2/s (±10%) und eine Dichte von 0,970 g/mL bei 25 °C sowie ein mittleres Molekulargewicht von ca. 13 650 g/mol. Das ausgewählte Material zeichnet sich durch einen extrem geringen Anteil an verdampfbaren Bestandteilen aus: nach 24 Stunden bei 125 °C und 10-5 Torr Vakuum wurden weniger als 0,01% flüchtige Anteile nachgewiesen (nach ASTM-E595-85 und NASA SP-R0022A). Es wurde mit Hilfe eines Spin-Coating-Prozesses als 40 bzw. 50 nm dicke Schicht auf einen Siliziumwafer aufgetragen; dabei wurde als Löse- bzw. Verdünnungsmittel Hexamethyldisiloxan verwendet.The polydimethylsiloxane silicone oil DMS-T23E from Gelest Inc. (Morrisville, USA) was used as the reference material. This trimethylsiloxy-terminated silicone oil has a kinematic viscosity of 350 mm 2 / s (± 10%) and a density of 0.970 g / mL at 25 ° C and an average molecular weight of approx. 13,650 g / mol. The selected material is characterized by an extremely low proportion of vaporizable components: after 24 hours at 125 ° C and 10 -5 Torr vacuum, less than 0.01% volatile components were detected (according to ASTM-E595-85 and NASA SP-R0022A ). It was applied to a silicon wafer as a 40 or 50 nm thick layer with the aid of a spin coating process; hexamethyldisiloxane was used as the solvent or diluent.

Mit der oben beschriebenen Vorgehensweise ergibt sich für das Silkonöl DMS-T23E folgende atomare Zusammensetzung. Die Bindungsenergien der Elektronen sind ebenfalls aufgeführt. Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung und Bindungsenergie von Silikonöl DMS-T23E Element Si O C Konzentration [Atom-%] 24,76 25,40 49,84 Bindungsenergie [eV] 102,39 532,04 285,00 With the procedure described above, the following atomic composition results for the silicone oil DMS-T23E. The binding energies of the electrons are also listed. Table 1: Chemical composition and binding energy of silicone oil DMS-T23E element Si O C. Concentration [atom%] 24.76 25.40 49.84 Binding energy [eV] 102.39 532.04 285.00

Beispiel 2: Messung der Härte mittels NanoindentationExample 2: Measurement of hardness using nanoindentation

Die Nanoindentationshärte einer Probe wurde mit Hilfe eines Berkovich-Indenter (Hersteller: Hysitron Inc. Minneapolis, USA) bestimmt. Die Kalibrierung und Auswertung geschah nach dem etablierten Verfahren von Oliver & Pharr (J. Mater. Res. 7, 1564 (1992 )). Die Maschinensteifigkeit und die Flächenfunktion des Indenters wurden vor der Messung kalibriert. Bei der Indentation wurde das "multiple partial unloading"-Verfahren ( Schiffmann & Küster, Z. Metallkunde 95, 311 (2004 )) benutzt, um tiefenabhängige Härtewerte zu erhalten und so einen Substrateinfluss ausschließen zu können.The nanoindentation hardness of a sample was determined with the aid of a Berkovich indenter (manufacturer: Hysitron Inc. Minneapolis, USA). The calibration and evaluation took place according to the established procedure of Oliver & Pharr (J. Mater. Res. 7, 1564 (1992 )). The machine stiffness and the area function of the indenter were calibrated before the measurement. The "multiple partial unloading" method ( Schiffmann & Küster, Z. Metallkunde 95, 311 (2004 )) is used to obtain depth-dependent hardness values and thus exclude the influence of the substrate.

Beispiel 3: Dehnung bis Mikroriss (Rissdehnung)Example 3: elongation to micro-cracks (elongation at cracks)

Zur Bestimmung des Wertes der Dehnung des Mikroriss wird ein 0,5 mm dünnes und 10 cm langes Stahlblech (ST 37) analog beschichtet und solange gedehnt, bis optische Risse sichtbar werden. Die Rissdehnungsgrenze ist gleich dem Quotienten aus Längendehnung zur Ursprungsgesamtlänge des Stahls.To determine the value of the elongation of the microcrack, a 0.5 mm thin and 10 cm long sheet steel (ST 37) is coated in the same way and stretched until optical cracks are visible. The elongation at break is equal to the quotient of the elongation to the original total length of the steel.

Beispiel 4: IR-Spektroskopie und Bestimmung des Intensitätsverhältnisses zweier Banden im IR-SpektrumExample 4: IR spectroscopy and determination of the intensity ratio of two bands in the IR spectrum

Die Messungen wurden mit einem IFS 66/S IR-Spektrometer der Firma Bruker durchgeführt. Als Verfahren wurde die IRRAS-Technik eingesetzt, mit deren Hilfe auch dünnste Beschichtungen vermessen werden können. Die Spektren wurden im Wellenzahlbereich von 700 bis 4000 cm-1 aufgenommen. Als Substratmaterial wurden kleine Plättchen von sehr sauberem und besonders ebenem Aluminium verwendet. Der Einfallswinkel des IR-Lichts betrug bei der Messung 50°. Während sich die Probe im IR-Spektrometer befand, wurde die Probenkammer fortwährend mit trockener Luft gespült. Das Spektrum unter solchen Bedingungen aufgenommen, dass der Wasserdampfgehalt in der Probenkammer so klein war, dass im IR-Spektrum keine Rotationsbanden des Wassers zu erkennen waren. Als Referenz wurde ein unbeschichtetes Aluminiumplättchen verwendet.The measurements were carried out with an IFS 66 / S IR spectrometer from Bruker. The IRRAS technique was used as a method, with the help of which even the thinnest coatings can be measured. The spectra were recorded in the wavenumber range from 700 to 4000 cm -1 . Small platelets of very clean and particularly flat aluminum were used as the substrate material. The angle of incidence of the IR light was 50 ° during the measurement. While the sample was in the IR spectrometer, the sample chamber was continuously flushed with dry air. The spectrum was recorded under such conditions that the water vapor content in the sample chamber was so small that no rotational bands of the water could be seen in the IR spectrum. An uncoated aluminum plate was used as a reference.

Das Intensitätsverhältnis zweier Banden (Peaks) wird wie folgt bestimmt: Die Basislinie (Baseline) im Bereich eines Peaks wird durch die beiden Minima definiert, die das Maximum der Bande einschließen und entspricht der Strecke zwischen ihnen. Es wird vorausgesetzt, dass die Absorptionsbanden gaußförmig sind. Die Intensität einer Bande entspricht der Fläche zwischen Basislinie und Messkurve, begrenzt durch die beiden Minima, die das Maximum einschließen, und kann vom Fachmann nach bekannten Methoden einfach ermittelt werden. Die Bestimmung des Intensitätsverhältnisses zweier Banden erfolgt durch Bilden des Quotienten ihrer Intensitäten. Grundvoraussetzung für den Vergleich zweier Proben ist hierbei, dass die Beschichtungen die gleiche Dicke aufweisen und dass der Einfallswinkel nicht verändert wird.The intensity ratio of two bands (peaks) is determined as follows: The baseline (baseline) in the area of a peak is defined by the two minima which include the maximum of the band and corresponds to the distance between them. It is assumed that the absorption bands are Gaussian. The intensity of a band corresponds to the area between the baseline and the measurement curve, limited by the two minima which include the maximum, and can easily be determined by a person skilled in the art using known methods. The intensity ratio of two bands is determined by forming the quotient of their intensities. The basic requirement for the comparison of two samples is that the coatings have the same thickness and that the angle of incidence is not is changed.

Ausführungsbeispiele 1 bis 4Embodiments 1 to 4

Ein Zinkblech wird zusätzlich mit einer transparenten, dehnfähigen kratz- und korrosionsfesten Beschichtung versehen.A zinc sheet is also provided with a transparent, stretchable, scratch-resistant and corrosion-resistant coating.

Das Substrat wird auf oder in unmittelbarer Nähe der mit HF (13,56 MHz) betriebenen Kathode (Fläche ca. 15 x 15 cm) befestigt, so dass das Substrat selbst als Kathode wirkt. Nachdem der rechteckige Niederdruck-Reaktor mit einem Volumen von ca. 360 l und einer installierten Nennsaugleistung von 4500 m3/h auf einen Druck kleiner als 0.02 mbar evakuiert worden ist, wird Sauerstoff mit einem Fluss von 280 sccm in den Reaktor eingelassen. Mit Hilfe einer Hochfrequenzplasmaentladung (13.56 MHz) wird auf dem Substrat eine Self-Bias-Spannung von 250 V eingestellt. Unter diesen Bedingungen läuft ein Sputterätzprozess ab, bei dem insbesondere organische Verunreinigungen effizient abgebaut werden. Dieser Schritt als Schritts A des erfindungsgemäßen Verfahrens hat eine Dauer von 5 min. Auf die vorgereinigte Substratoberfläche wird nun in Schritt B des erfindungsgemäßen Verfahrens die Plasmabeschichtung abgeschieden. Hierzu wird Hexamethyldisiloxan (HMDSO) mit einem Fluss von 66 sccm und Sauerstoff mit einem Fluss von 280 sccm in den Reaktor eingelassen. Die Self-Bias Spannung wird so geregelt, dass sich ein Wert von 100 V, 250 V, 300 V bzw. 400 V einstellt. Nach einer Beschichtungszeit von 20 min hat sich eine ca. 4 µm dicke Schicht auf dem Substrat abgeschieden, die die Kratzfestigkeit und die Korrosionsschutzwirkung gegenüber alkalischen Medien stark verbessert: Ein korrosiver Angriff von NaOH (pH 14, 5 min, 30°C) ruft keine mit bloßem Auge sichtbaren Korrosionsspuren hervor. Insbesondere die Beschichtungen 1 bis 3 (siehe Tabelle 2) sind im sichtbaren und UVA-Bereich transparent. Dies spiegelt sich in der sehr geringen Absorptionskonstante k bei 300 bzw. 400 nm wider. Die Absorptionskonstanten wurden aus den ellipsometrischen Daten entsprechend dem Manual des WVASE32 Spektrometer der Firma J.A. Woolam Co, Inc. berechnet. Tabelle 2: Optische Konstanten der Beschichtung bei der Variation der BIAS-Spannung. Self-Bias n 250 nm n 300 nm n 400 nm k 250 nm k 300 nm k 400 nm 1 100 V 1,58 1,52 1,50 0,015 0,00 0 2 250 V 1,62 1,58 1,54 0,040 0,01 0 3 300 V 1,85 1,76 1,58 0,110 0,06 0.01 4 400 V 2,20 1,93 1,85 0,210 0,12 0.03 The substrate is attached to or in the immediate vicinity of the cathode operated with HF (13.56 MHz) (area approx. 15 x 15 cm) so that the substrate itself acts as a cathode. After the rectangular low-pressure reactor with a volume of approx. 360 l and an installed nominal suction capacity of 4500 m 3 / h has been evacuated to a pressure less than 0.02 mbar, oxygen is admitted into the reactor at a flow of 280 sccm. A self-bias voltage of 250 V is set on the substrate with the aid of a high-frequency plasma discharge (13.56 MHz). A sputter etching process takes place under these conditions, in which organic contaminants in particular are efficiently broken down. This step as step A of the method according to the invention has a duration of 5 minutes. The plasma coating is now deposited on the pre-cleaned substrate surface in step B of the method according to the invention. For this purpose, hexamethyldisiloxane (HMDSO) is let into the reactor with a flow of 66 sccm and oxygen with a flow of 280 sccm. The self-bias voltage is regulated in such a way that a value of 100 V, 250 V, 300 V or 400 V is set. After a coating time of 20 minutes, an approx. 4 µm thick layer has deposited on the substrate, which greatly improves the scratch resistance and corrosion protection against alkaline media: Corrosive attack by NaOH (pH 14, 5 minutes, 30 ° C) does not cause any traces of corrosion visible to the naked eye. Coatings 1 to 3 in particular (see Table 2) are transparent in the visible and UVA range. This is reflected in the very low absorption constant k at 300 or 400 nm. The absorption constants were calculated from the ellipsometric data in accordance with the manual for the WVASE32 spectrometer from JA Woolam Co, Inc. Table 2: Optical constants of the coating with the variation of the BIAS voltage. Self-bias n 250 nm n 300 nm n 400 nm k 250 nm k 300 nm k 400 nm 1 100 V 1.58 1.52 1.50 0.015 0.00 0 2 250 V 1.62 1.58 1.54 0.040 0.01 0 3 300 V 1.85 1.76 1.58 0.110 0.06 0.01 4th 400 V 2.20 1.93 1.85 0.210 0.12 0.03

Ausführungsbeispiel 5Embodiment 5

Ein Edelstahlblech (1.4544) wurde durch Plasmapolymerisation unter den in den Ausführungsbeispiel 2 (66 sccm HMDSO und 280 sccm O2, Self-Bias = 250 V) aufgeführten Verfahrensparametern behandelt. Die Beschichtung erwies sich kratzfester als eine verdichtete Eloxalbeschichtung mit ca. 8 µm Schichtdicke, jedoch wurde eine wesentlich höhere Rissdehnung von 2,8% beobachtet. Die Rissdehnung für die Eloxalbeschichtung wies dagegen nur einen Wert von 0,5% auf.A stainless steel sheet (1.4544) was treated by plasma polymerization under the process parameters listed in embodiment 2 (66 sccm HMDSO and 280 sccm O 2 , self-bias = 250 V). The coating proved to be more scratch-resistant than a compacted anodized coating with a layer thickness of approx. 8 µm, but a significantly higher elongation at break of 2.8% was observed. The elongation at break for the anodized coating, on the other hand, was only 0.5%.

Um die Kratzfestigkeit auf dem Substrat zu bestimmen, wurde ein Excentergerät (Fa. Starnberger) verwendet. Hierbei wurde mit einem Filzplättchen, das mit einem 1 kg schweren Gewicht belastet worden ist, eine ca. 8 µm dicke Eloxaloberfläche (nicht erfindungsgemäß), eine ca. 500 nm dicke, nach einem Verfahren des Stands der Technik hergestellte plasmapolymere Beschichtung (nicht erfindungsgemäß, exemplarisch hergestellt nach T.W. Jelinek, Oberflächenbehandlung von Aluminium, Eugen G. Leuze Verlag, Saulgau, 1996 ) und eine 4 µm dicke erfindungsgemäß hergestellte plasmapolymere Beschichtung untersucht. Die Eloxaloberfläche war bereits nach ca. 300 Doppelhüben und die nicht erfindungsgemäße plasmapolymere Beschichtung nach etwa 500 Hüben optisch wahrnehmbar zerkratzt. Bei der erfindungsgemäß hergestellten plasmapolymeren Beschichtung konnten auch nach 10.000 Hüben keine optisch wahrnehmbaren Kratzer festgestellt werden.An eccentric device (Starnberger) was used to determine the scratch resistance on the substrate. Here, an anodized surface approx. 8 µm thick (not according to the invention), an approx. 500 nm thick plasma polymer coating produced according to a prior art method (not according to the invention, exemplarily manufactured according to TW Jelinek, surface treatment of aluminum, Eugen G. Leuze Verlag, Saulgau, 1996 ) and investigated a 4 μm thick plasma polymer coating produced according to the invention. The anodized surface was scratched in a visually perceptible manner after approx. 300 double rubs and the plasma polymer coating not according to the invention after approx. 500 rubs. In the case of the plasma polymer coating produced according to the invention, no optically perceptible scratches could be found even after 10,000 strokes.

Die guten Korrosionsschutzeigenschaften der erfindungsgemäßen mittels Plasmapolymerisation erzeugten Beschichtung gelten in sauren (20% Schwefelsäure, 45 min, 65°C) wie in basischen (NaOH, pH 14, 5 min, 30°C) Medien. Nach diesen Korrosionstests konnten keine sichtbaren Schäden bzw. an Beschichtungskanten keine Unterwanderung festgestellt werden.The good corrosion protection properties of the coating according to the invention produced by means of plasma polymerization apply in acidic (20% sulfuric acid, 45 min, 65 ° C.) as well as in basic (NaOH, pH 14, 5 min, 30 ° C.) media. After these corrosion tests, no visible damage or infiltration could be found on the coating edges.

Das Infrarot-Spektrum von dieser Beschichtung zeigt Figur 1. Deutlich zu erkennen sind die CH-Valenzschwingungen bei 2966 cm-1, die Si-H-Schwingung bei 2238 cm-1, die Si-CH2-Si-Schwingung bei ca. 1360 cm-1, die Si-CH3 Deformationsschwingung bei 1273 cm-1, die Si-O-Schwingungen bei 1192 cm-1 bzw. 820 cm-1. Das Bandenverhältnis (gemäß Beispiel 4) zwischen Si-H und Si-CH3 beträgt ca. 1:5. Das IR-Spektrum zeigt einen kleinen Peak bei 1360 cm-1. Diese Bande ist mit einer Si-CH2-Si-Schwingung korreliert. Zusätzlich zum Si-O-Si-Netzwerk liegt somit ein Si-CH2-Si-Netzwerk in der Beschichtung vor.The infrared spectrum from this coating shows Figure 1 . The CH stretching vibrations at 2966 cm -1 , the Si-H vibration at 2238 cm -1 , the Si-CH 2 -Si vibration at approx. 1360 cm -1 , the Si-CH 3 deformation vibration at can clearly be seen 1273 cm -1 , the Si-O oscillations at 1192 cm -1 and 820 cm -1 . The band ratio (according to Example 4) between Si-H and Si-CH 3 is approximately 1: 5. The IR spectrum shows a small peak at 1360 cm-1. This band is correlated with a Si-CH 2 -Si vibration. In addition to the Si-O-Si network, there is thus a Si-CH 2 -Si network in the coating.

Die Härte der Beschichtung wurde gemäß Beispiel 2 bestimmt. Sie beträgt 3 GPa. Die Bleistifthärte beträgt 4H.The hardness of the coating was determined according to Example 2. It is 3 GPa. The pencil hardness is 4H.

Die Beschichtung ist in der Tiefe homogen. Die Anteile an Kohlenstoff betragen ca. 10%, an Silizium ca. 10%, an Wasserstoff ca. 30% und an Sauerstoff ca. 50%. Eine rasterelektronenmikroskopische Untersuchung der Bruchkante der Plasmapolymerschicht zeigt einerseits einen muschligen Bruch, wie er für spröde Materialien (Glas) bekannt ist und andererseits kleine treppenartige Brüche, wie sie eher für kristalline Materialien erwartet werden.The coating is homogeneous in depth. The proportions of carbon are approx. 10%, silicon approx. 10%, hydrogen approx. 30% and oxygen approx. 50%. A scanning electron microscope examination of the break edge of the plasma polymer layer shows, on the one hand, a mussel-like break, as is known for brittle materials (glass), and, on the other hand, small, step-like breaks, which are more likely to be expected for crystalline materials.

Ausführungsbeispiel 6Embodiment 6

Das Experiment wird wie in Ausführungsbeispiel 5 durchgeführt, jedoch wurde zur Steigerung der Abscheiderate und somit zur Verkürzung der Prozesszeit ein Plasmagenerator verwendet, der mit einer Frequenz von 27.12 MHz oszilliert. Bei gleichen Gasflüssen (HMDSO: 66 sccm, O2: 280 sccm) und Self-BIAS-Spannung (250 V) wird die Abscheiderate um Faktor 1,5 erhöht. Die Beschichtungseigenschaften verändern sich nur unwesentlich und sind denen der Beschichtung aus Ausführungsbeispiel 5 sehr ähnlich.The experiment is carried out as in exemplary embodiment 5, but to increase the deposition rate and thus to shorten the process time, a plasma generator that oscillates at a frequency of 27.12 MHz was used. With the same gas flows (HMDSO: 66 sccm, O 2 : 280 sccm) and self-BIAS voltage (250 V), the separation rate is increased by a factor of 1.5. The coating properties change only insignificantly and are very similar to those of the coating from embodiment 5.

Ausführungsbeispiel 7Embodiment 7

Die Abhängigkeit der Kratz-und Abrasionsschutzeigenschaften wurden in Abhängigkeit der Schichtdicke bestimmt. Als Substrat diente 600 µm dickes Edelstahlblech (1.4544). Die Schichtdicke wurde durch die Beschichtungszeit definiert. Der Kratzschutz wurde durch Partikelbeschuss (50 µm Korund, Geschwindigkeit 100 km/h, Zeit 3 min, Partikelfluss 33 g/min/cm2) überprüft. Die Beschichtungs-parameter sind in Tabelle 3 gezeigt.The dependence of the scratch and abrasion protection properties were determined as a function of the layer thickness. 600 µm thick stainless steel sheet (1.4544) was used as the substrate. The layer thickness was defined by the coating time. The scratch protection was checked by particle bombardment (50 μm corundum, speed 100 km / h, time 3 min, particle flow 33 g / min / cm 2 ). The coating parameters are shown in Table 3.

Die Beschichtungen, deren Schichtdicke kleiner 10 µm sind, werden komplett abgetragen, d.h. die Schichtdicke nach dem Kratzschutztest betrug 0 nm. Ab einer Schichtdicke von ca. 17 µm konnte kein nennenswerter Abtrag festgestellt werden, d.h. die Schichtdicke blieb unverändert. Tabelle 3: Beschichtungsparameter für Kratz- und Abrasionsschutzbeschichtungen Bias [V] HMDSO [sccm] O2 [sccm] Zeit [min] Dicke [µm] 200 60 60 5 0,7 200 60 60 10 1,6 200 60 60 20 3,4 200 60 60 40 7,7 200 60 60 80 17,5 200 60 60 160 36 The coatings, the layer thickness of which is less than 10 μm, are completely removed, ie the layer thickness after the scratch protection test was 0 nm. From a layer thickness of approx. 17 μm, no significant removal was found, ie the layer thickness remained unchanged. Table 3: Coating parameters for scratch and abrasion protection coatings Bias [V] HMDSO [sccm] O 2 [sccm] Time [min] Thickness [µm] 200 60 60 5 0.7 200 60 60 10 1.6 200 60 60 20th 3.4 200 60 60 40 7.7 200 60 60 80 17.5 200 60 60 160 36

Ausführungsbeispiel 8Embodiment 8

Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wurden Edelstahlbleche mit einer 15µm dicken Schicht versehen. Die Plasmaparameter sind in Tabelle 4 aufgelistet. Tabelle 4 Beschichtungsparameter für die Proben 1 und 2. Probe BIAS [V] HMDSO [sccm] O2 [sccm] Zeit [min] Dicke [µm] 1 300 60 60 80 15 2 300 60 180 80 15 To determine the thermal conductivity, stainless steel sheets were provided with a 15 µm thick layer. The plasma parameters are listed in Table 4. Table 4 Coating parameters for samples 1 and 2. sample BIAS [V] HMDSO [sccm] O 2 [sccm] Time [min] Thickness [µm] 1 300 60 60 80 15th 2 300 60 180 80 15th

Die wärmetechnischen Größen wurden durch die Flash-Methode ermittelt. Ihr Prinzip beruht darauf, die Vorderseite einer Probe durch einen kurzen Lichtpuls schlagartig zu erwärmen und danach zu messen, mit welcher Zeitverzögerung die Wärmefront die Probenrückseite erreicht. Flash-Methoden liefern als primäre Messgröße die Temperaturleitfähigkeit (α) der Probe, die bei Kenntnis von Dichte (p) und Wärmekapazität (Cp) in die Wärmeleitfähigkeit (λ) umgerechnet werden kann. Das Messprinzipbild ist in Fig. 2 dargestellt. λ W / mK = α mm 2 / s Cp J/gK ρ g / cm 3

Figure imgb0001
The thermal parameters were determined using the flash method. Its principle is based on suddenly heating the front of a sample with a short pulse of light and then measuring the time delay with which the heated front reaches the back of the sample. Flash methods provide the thermal diffusivity (α) of the sample as the primary measured variable, which can be converted into the thermal conductivity (λ) if the density (p) and heat capacity (Cp) are known. The principle of measurement is in Fig. 2 shown. λ W. / mK = α mm 2 / s Cp J / gK ρ G / cm 3
Figure imgb0001

Die Methode kann auch auf mehrschichtig aufgebaute Proben angewendet werden. Hier lässt sich die Wärmeleitfähigkeit einer unbekannten Schicht bestimmen, wenn die thermophysikalischen Parameter (α, Cp, p) aller anderen Schichten bekannt sind.The method can also be used on multi-layered samples. Here the thermal conductivity of an unknown layer can be determined if the thermophysical parameters (α, Cp, p) of all other layers are known.

Die Daten zur unbeschichteten Edelstahlprobe finden sich in Tabelle5: Tabelle 5 Dichte (Dichtewaage nach dem Auftriebsprinzip, Trägermedium: Wasser, 24 °C) 7,93 g/cm3 Wärmekapazität (leistungskompensierte DSC, 25 °C) 0,47 J/gK Abmessungen der Probekörper für die Flash-Messung (Bügelmessschraube) 12,7 x 12, 7 x 0,58 mm3 Temperaturleitfähigkeit 3,85 ± 0,02 mm2/s (Netzsch Nanoflash LFA 447, 25 °C) Wärmeleitfähigkeit (25°C) 14,3 W/mK (ca. ± 10%) The data for the uncoated stainless steel sample can be found in Table 5: Table 5 Density (density balance based on the buoyancy principle, carrier medium: water, 24 ° C) 7.93 g / cm 3 Heat capacity (power-compensated DSC, 25 ° C) 0.47 J / gK Dimensions of the test specimen for the flash measurement (outside micrometer) 12.7 x 12.7 x 0.58mm 3 Thermal diffusivity 3.85 ± 0.02 mm 2 / s (Netzsch Nanoflash LFA 447, 25 ° C) Thermal conductivity (25 ° C) 14.3 W / mK (approx. ± 10%)

Mit plasmapolymerer Beschichtung wurden die Daten der Tabelle 6 gemessen. Neben der Wärmeleitfähigkeit finden sich Angaben zur Temperaturleitfähigkeit und zum thermischen Widerstand. Tabelle 6 Proben ID Dicke [µm] Temperaturleitfähigkeit [mm2/s] Wärmeleitfähigkeit [W/mK] gemittelte Wärmeleitfähigkeit [W/mK] thermischer Widerstand [mm2 K/W] 1. Probe Stelle 1 15 0,124 0,20 0,18 83 1. Probe Stelle 2 0,097 0,16 2. Probe Stelle 1 15 0,107 0,17 0,18 83 2. Probe Stelle 2 0,110 0,18 The data in Table 6 were measured with a plasma polymer coating. In addition to the thermal conductivity, there is information on the thermal conductivity and thermal resistance. Table 6 Sample ID Thickness [µm] Thermal diffusivity [mm 2 / s] Thermal conductivity [W / mK] average thermal conductivity [W / mK] thermal resistance [mm 2 K / W] 1st sample position 1 15th 0.124 0.20 0.18 83 1. Sample position 2 0.097 0.16 2nd sample position 1 15th 0.107 0.17 0.18 83 2nd sample position 2 0.110 0.18

Die hier gemessenen Schichten eignen sich besonders für die Beschichtung von Spritzgussformen.The layers measured here are particularly suitable for coating injection molds.

Beispiel 9Example 9

Ein Türgriff aus Messing wurde mit einer korrosions- und kratzfesten Beschichtung ausgerüstet. Der Türgriff ist als Kathode geschaltet worden, so dass während der Abscheidung eine konstante Self-Bias-Spannung von -250 V herrschte. Nach einer Beschichtungszeit von 20 min und einem HMDSO- bzw. O2-Fluss von 66 sccm und 280 sccm entstand auf dem Griff eine transparente und interferenzfreie Schicht von ca. 5 µm. Der Farbeindruck des Griffes war unverändert. Die Beständigkeit der Beschichtung gegen Schweiß wurde durch 96- stündige Einlagerung in künstlichem Schweiß untersucht. Der Griff zeigte keinerlei sichtbare Veränderung, die Schichthaftung war nicht herabgesetzt. A brass door handle was given a corrosion- and scratch-resistant coating. The door handle was connected as a cathode, so that a constant self-bias voltage of -250 V prevailed during the deposition. After a coating time of 20 minutes and an HMDSO or O 2 flow of 66 sccm and 280 sccm, a transparent and interference-free layer of approx. 5 µm was created on the handle. The color impression of the handle was unchanged. The resistance of the coating to perspiration was investigated by immersing it in artificial perspiration for 96 hours. The handle showed no visible change, and the layer adhesion was not reduced.

Claims (15)

  1. Method for coating the surface of a metal substrate, comprising the following steps:
    A. providing the metal substrate,
    B. coating the substrate surface in a plasma polymerisation reactor by means of plasma polymerisation, wherein
    - in step B, (a) precursor(s) consisting of one or more organosilicon compounds or (b) precursor(s) consisting of one or more organosilicon compounds and further compounds are used for the plasma, and
    - in step B, the metal substrate is arranged in the plasma polymerisation reactor in such a way that the metal substrate is connected as a cathode,
    characterised in that the method is conducted in such a way that the coating produced by the method has
    - a strain to microcracking of ≥ 1.5%,
    - a yellow index determined according to ASTM D 1925 of ≤ 4 and
    - a hardness to be measured by means of nanoindentation in the range of 2.5 to 10 GPa,
    - a carbon content, determinable by measurement using XPS, of 3 to 28 atom%, based on the total number of carbon, silicon and oxygen atoms contained in the coating,
    with the proviso that the metal substrate is not a light metal substrate and not titanium
    and with the proviso that in the case of a strain to microcracking of the coating of ≤ 2.2%, the hardness to be measured by means of nanoindentation is ≥ 6 GPa,
    wherein
    - the ratio of the gas flows of oxygen and the precursor(s) supplied to the plasma in step B lies in the range of 1:1 to 6:1
    and
    - during step B, a control is performed, so that the self-bias lies in the range of 50 to 1000 V.
  2. Method according to claim 1, wherein the metal substrate is
    - a semi-finished product,
    and/or
    - selected from the group of substrates consisting of brass or brass alloys with cleaned, uncoated surface, copper, nickel silver, bronze, silver, gold or their alloys in each case if necessary with a superficial oxide layer.
  3. Method according to claim 1, wherein the method is conducted in such a way that the coating produced by the method has a pencil hardness of 4H or higher.
  4. Method according to one of the preceding claims, wherein in step B
    - one or more siloxanes are used as precursor(s) for the plasma.
  5. Method according to one of the preceding claims, wherein during step B
    - a control is performed, so that the self-bias lies in the range of 100 to 400 V
    and/or
    - the self-bias is adjusted to the substrate.
  6. Method according to one of the preceding claims, wherein the plasma polymerisation is carried out at a temperature of less than 200°C and/or a pressure of less than 1 mbar.
  7. Method according to one of the preceding claims, wherein in step B the deposition rate is set to a value of greater than or equal to 0.2 µm/min.
  8. Method according to one of the preceding claims, wherein step B is carried out up to a thickness of the deposited layer of greater than or equal to 2 µm.
  9. Method according to one of the preceding claims, wherein in step A the substrate surface to be coated is cleaned by means of a plasma.
  10. Method according to one of the preceding claims, wherein the plasma is produced by means of high frequency.
  11. Coated metal substrate, comprising a metal substrate and arranged thereon a plasma polymer coating, wherein the coating has
    - a strain to microcracking of ≥ 1.5%,
    - a yellow index determined according to ASTM D 1925 of ≤ 4 and
    - a hardness to be measured by means of nanoindentation in the range of 2.5 to 10 GPa,
    - a carbon content, determinable by measurement using XPS, of 3 to 28 atom%, based on the total number of carbon, silicon and oxygen atoms contained in the coating,
    with the proviso that the metal substrate is not a light metal substrate and not titanium
    and with the proviso that in the case of a strain to microcracking of the coating of ≤ 2.2%, the hardness to be measured by means of nanoindentation is ≥ 6 GPa.
  12. Coated metal substrate according to claim 11, wherein the coating has one, a plurality of or all the features from the group consisting of:
    - oxygen contents, determinable by measurement using XPS, of 5 to 30 atom%, based on the total number of carbon, silicon and oxygen atoms contained in the coating,
    - an absorption constant k300 nm of less than or equal to 0.05,
    - an absorption constant k400 nm of less than or equal to 0.01,
    - a surface energy in the range of 20 to 40 mN/m
    - a maximum layer thickness which differs from the minimum layer thickness by a factor of 1.1 or less.
  13. Coated metal substrate according to claim 11 or 12, wherein an IR spectrum taken of the coating has one or more of the following bands with a respective maximum in the following ranges: C-H stretching vibration in the range of 2950 to 2970 cm-1, Si-H vibration in the range of 2150 to 2250 cm-1, Si-CH2-Si vibration in the range of 1350 to 1370 cm-1, SiCH3 scissoring vibration in the range of 1250 to 1280 cm-1 and Si-O vibration at greater than or equal to 1150 cm-1.
  14. Coated metal substrate according to one of claims 11 to 13, which shows no signs of corrosion visible to the naked eye after a 15-minute corrosive attack of NaOH pH 13.5 and 30°C.
  15. Use of a plasma polymer coating producible or produced by a method according to one of claims 1 to 10 or of a plasma polymer coating as defined in one of claims 11 to 14
    - as a protective or functional layer on metals, with the proviso that the metals are not light metals and not titanium,
    and/or
    - wherein the substrate is an injection mould or a part thereof.
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