ES2961568T3

ES2961568T3 - Plancha de impresión calcográfica recubierta

Info

Publication number: ES2961568T3
Application number: ES20161874T
Authority: ES
Inventors: Romain Waidelich; Martin Andritschky
Original assignee: Emea Inor Eood
Current assignee: Emea Inor Eood
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2024-03-12
Anticipated expiration: 2040-03-09
Also published as: PL3878659T3; EP3878659A1; EP3878659C0; EP3878659B1

Abstract

La presente invención se refiere a una plancha de impresión calcográfica, que comprende un sustrato metálico y un revestimiento protector depositado sobre el sustrato mediante deposición física de vapor. El revestimiento protector consiste en un material funcionalmente clasificado que comprende una fase cerámica y una fase metálica, en el que la fase cerámica es más dura que la fase metálica, y en el que el porcentaje de la fase metálica dentro del material funcionalmente clasificado aumenta en una dirección hacia el sustrato. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Plancha de impresión calcográfica recubierta

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a una plancha de impresión calcográfica, que comprende un sustrato metálico y un recubrimiento protector depositado sobre el sustrato por deposición física de vapor.

En numerosas operaciones de impresión, entre ellas la impresión de billetes y documentos de seguridad, el procedimiento de impresión se basa en la transferencia directa de la tinta desde una plancha de impresión. En la calcografía, la imagen se incide en la plancha de impresión. El grabado, el grabado químico, el grabado láser o técnicas similares pueden realizar las incisiones. La plancha de impresión metálica suele ser de cobre, zinc, níquel, latón o acero.

Durante el procedimiento de impresión, las incisiones se llenan de tinta. A continuación, la plancha de impresión se presiona contra el papel en el que se va a imprimir. Durante el contacto, la plancha de impresión está sometida a tensiones mecánicas y al desgaste de algunos de los componentes de la tinta y del papel. Normalmente, una capa de cromo, depositada mediante técnicas galvánicas, protege la plancha de impresión. La capa de cromo, a base de Cr hexavalente por ser perjudicial para el medio ambiente y, por tanto, indeseable, es de dureza y resistencia a la abrasión moderadas. Una de las principales limitaciones de la vida útil de la plancha de impresión es la degradación de la capa protectora de cromo.

TÉCNICA ANTECEDENTE

La plancha de impresión calcográfica metálica se recubre bien como una plancha plana, como se sugiere en la patente EP 3 103 650 B1, o bien, desde hace varias décadas, ya en su forma final, siendo una sección de un cilindro. Una configuración muy específica de esta última se revela en la solicitud de patente EP 2832555 A1. Para impresión de seguridad, la plancha de impresión está hecha de un material relativamente blando, como níquel, latón o similar. Tradicionalmente, el recubrimiento protector consiste en una capa de cromo galvánico de 5 a 10 pm de espesor. Esta capa de Cr electrochapado muestra una dosis de dureza Vickers de hasta 1060 HV.

Para proteger una superficie contra el desgaste y la corrosión, se utilizan recubrimientos de PVD metálicos y, con mayor frecuencia, cerámicos duros para las superficies de las herramientas en numerosas aplicaciones. La mayoría de las herramientas, como las herramientas de corte, los punzones y las matrices, están fabricadas con sustratos duros (la dureza superficial suele rondar los 620 HV). Para aumentar la vida útil del recubrimiento, los modernos recubrimientos de herramientas pueden consistir en estructuras multicapa o, con menor frecuencia, en mezclas de materiales blandos y duros (véase M.-S. Leu et al: "Microestructura y propiedades físicas de película delgada de TiAIN/Cu recubierta con iones de arco”Surface and Coatings Technology201 (2006) 3982-3986).

En el caso de las planchas de impresión calcográfica, y a diferencia de las aplicaciones de utillaje mencionadas, el sustrato es relativamente blando (normalmente de 200 a 500 HV), y los recubrimientos duros tienden a fallar durante las aplicaciones de impresión por agrietamiento. Durante la aplicación, las planchas de impresión recubiertas se someten a una elevada presión de contacto lineal del orden de 100 MPa en combinación con la acción abrasiva de algunos componentes de la tinta y el papel sobre el que se va a imprimir.

No obstante, como se revela en las solicitudes de patente EP 0446 762 A2 y EP 2236 649 Al, se han utilizado recubrimientos duros para aumentar la vida útil de las planchas de impresión. EP 0 446 762 A2 describe el recubrimiento de una plancha de impresión calcográfica con un recubrimiento duro de cerámica a granel. EP 2236 649 Al describe el recubrimiento de una plancha de impresión con un recubrimiento duro con la introducción de nanopartículas prefabricadas, con material no definido, de una fuente separada. Al igual que en el documento EP 0 446762 A2, la composición del recubrimiento es homogénea en todo el espesor.

Varios trabajos científicos demuestran que el mejor comportamiento frente al desgaste, que suele estar relacionado con una dureza elevada, no es la mejor solución a la fatiga por contacto de rodadura en relación con un sustrato dúctil (véase Diego A. Colombo et al.:"Comportamiento mecánico y tribológico de la fundición dúctil austemperada recubierta con Ti/TiN y TiAI/TiAIN",Thin Solid Films647 (2018) 19-25).

La deposición física de vapor (PVD) es un procedimiento de recubrimiento preferido porque permite recubrir superficies complejas de forma homogénea, siguiendo exactamente el relieve superficial existente. Independientemente del procedimiento de incisión mencionado, los recubrimientos PVD pueden utilizarse como recubrimiento protector. No obstante, la combinación de alta presión de contacto y material de sustrato blando y recubrimiento duro requiere un control estricto de la tensión mecánica en el recubrimiento y el desarrollo de un recubrimiento resistente. Especialmente en los bordes de las ranuras de la plancha de impresión calcográfica, existen tensiones tridimensionales. El control de la tensión, evitando la tensión intrínseca, la tensión térmica y la tensión mecánica de flexión en el recubrimiento es de suma importancia en los recubrimientos PVD (véase V. Teixeira et al.: " Integridad mecánica en recubrimientos PVD debido a la presencia de tensiones residuales",Thin Solid Films392 (2001) 276-281).

El documento EP 2 514 594 A1 divulga una plancha de impresión calcográfica para la producción de billetes de banco y valores impresos similares, cuya plancha de impresión calcográfica comprende una capa de polímero grabada y en la que una superficie de la capa de polímero grabada está cubierta por uno o más recubrimientos que incluyen un recubrimiento exterior hecho de un material resistente al desgaste.

El documento WO 2013/190293 A1 divulga planchas para su uso en procedimientos de impresión y describe el recubrimiento de al menos una de las superficies de las mismas para reducir el desgaste y mejorar la nitidez de la imagen grabada en dicha superficie y mejorar así la impresión obtenida.

M. Viticolli et al. enAIFM-Galvanotecnica3-2011, página 147, describen la deposición de recubrimientos PVD sobre placas de níquel electroformadas para su uso en la impresión calcográfica de billetes de banco.

Es un objeto de la presente invención superar los inconvenientes antes mencionados de la técnica anterior, y proporcionar una plancha de impresión calcográfica que tenga una mayor vida útil y que permita una mejor calidad de impresión.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Este objeto se consigue con la plancha de impresión calcográfica según la reivindicación 1. Las realizaciones preferentes se describen en las reivindicaciones dependientes.

La esencia de la presente invención es la sustitución de una capa de cromo electrodepositado por un material funcionalmente graduado (FGM), inocuo para el medio ambiente y depositado mediante tecnologías de vacío, más concretamente mediante PVD.

Además de las cuestiones medioambientales obvias relacionadas con el Cr electrochapado, la principal ventaja de la invención sobre la técnica anterior es que aumenta significativamente la vida útil de la plancha de impresión calcográfica. La aplicación de la invención se encuentra preferentemente en áreas definidas por un alto volumen de impresión de precisión, como durante la producción de billetes de banco.

Se ha comprobado que las exigentes condiciones de aplicación de las planchas de impresión requieren una distribución no homogénea de las propiedades mecánicas en el recubrimiento. En la interfaz sustrato/recubrimiento, la dureza del recubrimiento debe ser similar a la del sustrato para evitar picos de tensión locales. La superficie del recubrimiento, al estar en contacto con el ambiente, debe ser dura y muy resistente al desgaste. Estas condiciones pueden cumplirse, según la invención, mediante la creación de un FGM, como por ejemplo se muestra en la patente US 6,087,022 para materiales a granel.

Es conocido por una persona experta en la técnica de la tecnología PVD graduar transiciones de un material a granel a otro material a granel diferente, por ejemplo, un recubrimiento consistente en un sustrato metálico con una capa de adherencia Cr y una capa superior cerámica. En tal caso, la transición de la capa de adherencia metálica a la capa cerámica de nitruro se gradúa aumentando gradualmente el contenido de nitrógeno en la transición (véase E. Uribe et al.: "Evolución de los recubrimientos PVD de óxido de Al en atmósferas de carburación a alta temperatura",Surface and Coatings Technology284 (2015) 2- 8; y G.W. Critchlow et al: "Adhesión de recubrimientos duros resistentes al desgaste en sustratos de acero",Tribology International30 (1997) 499-506).

También es conocido en la técnica adaptar las propiedades materiales de un material depositado al vacío introduciendo una estructura multicapa de dos materiales diferentes (véase X. Xu et al.: "Propiedades tribológicas del recubrimiento multicapa TiAIN/W2N nanoestructurado producido por PVD",Wear430-431 (2019) 67-75; y M. Andritschky et al: "Recubrimiento decorativo multicapa a-C:H/CrC sobre acero inoxidable",Surface and Coatings Technology203 (2009) 952-956). La mezcla adecuada de un recubrimiento cerámico duro con una fase metálica en forma de inclusión de nanopartículas o en forma de nanocapas crea un material resistente, como se muestra en la solicitud de patente US 2010/0101368 A1 para un carburo de wolframio cementado (WC-Co) a granel funcionalmente graduado.

La presente invención adapta las propiedades del material del recubrimiento PVD cambiando adecuadamente la velocidad de mezcla en todo el espesor del recubrimiento. De este modo, se consigue una menor dureza en la interfaz y una mayor dureza en la superficie. Las propiedades del material son similares a las del sustrato en la interfaz sustrato/recubrimiento (es decir, en el lado del recubrimiento del sustrato), evitando así los picos de tensión mecánica bajo carga. Las propiedades materiales del recubrimiento que corresponden a una alta resistencia al desgaste y al desgarro en la superficie del recubrimiento (es decir, en el lado opuesto del recubrimiento) funcionalizan adecuadamente el recubrimiento. Entre estos dos extremos, las propiedades mecánicas del recubrimiento cambian gradualmente.

Uno de los principales modos de fallo de los recubrimientos cerámicos es el fallo debido a la propagación de grietas a través del espesor del recubrimiento y la reflexión de la grieta en la interfaz metálica hacia la superficie (picaduras del recubrimiento). En los FGM, el componente blando y dúctil del material detiene la propagación de la grieta y es responsable de la tenacidad del recubrimiento.

En resumen, el FGM proporciona una fase dura que detiene las grietas en la interfaz sustrato/recubrimiento, y un recubrimiento duro y resistente a la abrasión en la superficie del recubrimiento (que está en contacto con el papel). Además, el FGM permite un control riguroso de la tensión intrínseca del recubrimiento, que es primordial para una buena adherencia y resistencia contra las tensiones mecánicas externas.

En la plancha de impresión calcográfica inventiva, la fase cerámica del FGM se selecciona preferentemente entre uno o más nitruros metálicos y/o carburos metálicos de los elementos Al, Si, Y, La, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo y Co. La dureza Vickers de la fase cerámica se sitúa preferentemente entre 2200 HV 0,005 y 3200 HV 0,005.

La fase metálica se selecciona preferentemente entre uno o más de los elementos metálicos Co, Ni, Cu, Ag, Au y Zn. La dureza Vickers de la fase metálica se sitúa preferentemente entre 300 HV 0,005 y 600 HV 0,005.

Preferiblemente, el porcentaje de la fase metálica se sitúa entre el 15 y el 70% en el lado del sustrato del recubrimiento y entre el 0 y el 15% en el lado opuesto del recubrimiento. El porcentaje medio de la fase metálica dentro del material funcionalmente graduado se sitúa preferentemente entre el 5 y el 50%.

La variación del porcentaje de la fase metálica entre las dos caras del recubrimiento puede ser lineal, parabólica, exponencial, logarítmica o una combinación de ellas.

En la primera realización alternativa de la plancha de impresión calcográfica inventiva, la fase cerámica constituye una fase matriz del material funcionalmente graduado y la fase metálica constituye nanopartículas distribuidas en ella, siendo la variación del porcentaje de la fase metálica el resultado de una concentración variable de las nanopartículas.

En la segunda realización alternativa de la invención, tanto la fase cerámica como la fase metálica constituyen capas alternas del material funcionalmente graduado, resultando la variación del porcentaje de la fase metálica de la variación del grosor de las capas. El grosor de cada capa oscila entre 1 y 20 nm.

El grosor total del recubrimiento de la plancha de impresión inventiva es preferiblemente de entre 1,5 y 5 pm.

Según la invención, el recubrimiento se deposita directamente sobre el sustrato o sobre una capa de adherencia intermedia, preferiblemente una capa de adherencia metálica. El espesor de esta capa de adherencia se sitúa preferentemente entre 50 y 200 nm.

La presente invención también se refiere al uso de la plancha de impresión calcográfica inventiva en un procedimiento de impresión calcográfica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La invención se explica además por medio de las siguientes realizaciones ejemplares con referencia a los dibujos, en los que

La FIG. 1 muestra una representación esquemática de una realización de la invención con un FGM basado en nanopartículas; y

La FIG. 2 muestra una representación esquemática de una realización de la invención con un FGM basado en nanocapas.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Las realizaciones de la invención descritas a continuación se basan en (1) un sustrato, (2) una fase de recubrimiento duro y (3) una fase de recubrimiento blando. Una persona experta en el campo de los recubrimientos reconocerá inmediatamente que son posibles otras combinaciones de estos ingredientes. Por lo tanto, la invención no se limita a las tres combinaciones descritas a continuación, sino que incluye todas las combinaciones posibles que pueden obtenerse a partir de las reivindicaciones.

El cromo depositado mediante tecnología PVD es generalmente inocuo para el medio ambiente y, por tanto, pertenece a los materiales de las realizaciones preferentes. En cualquiera de las realizaciones que se describen a continuación, el material cerámico duro y el material metálico blando se depositan simultáneamente a partir de fuentes separadas, formando una matriz con inclusiones o una estructura multicapa, tal como se representa en las figuras 1 y 2, respectivamente:

La figura 1 muestra esquemáticamente una plancha de impresión calcográfica inventiva con un recubrimiento 2 sobre un sustrato metálico 1. El recubrimiento 2 consiste en un FGM que comprende una fase de matriz cerámica 2a y una fase metálica 2b en forma de nanopartículas. El porcentaje de nanopartículas en el volumen del recubrimiento disminuye desde la interfaz sustrato/recubrimiento hacia la superficie del recubrimiento.

La figura 2 muestra esquemáticamente una plancha de impresión calcográfica inventiva en la que el recubrimiento FGM está formado por capas cerámicas 4a de espesor similar como fase cerámica, y por nanocapas metálicas 4b como fase metálica. El espesor de las capas metálicas disminuye hacia la superficie del recubrimiento.

Cualquier experto en la materia reconocerá que un movimiento adecuado del sustrato puede lograr la distinción entre estas dos formas de incorporación del material blando durante el procedimiento de deposición. La graduación del recubrimiento en todo el espesor se consigue mediante una variación gradual de la velocidad de deposición de la fase blanda o de la velocidad de deposición de la fase dura a lo largo del procedimiento de recubrimiento.

Un experto en la materia reconocerá también que el estado de la técnica consiste en limpiar con plasma y activar la superficie del sustrato antes de depositar el recubrimiento. Además, puede depositarse una capa metálica pura fina (por ejemplo, de 50 a 200 nm) como la denominada capa de adherencia 3, como en la mayoría de las aplicaciones de recubrimientos duros y resistentes al desgaste, para mejorar la adherencia del recubrimiento 2 sobre el sustrato 1.

Una primera realización ejemplar de la invención se basa en un sustrato de níquel, recubierto mientras se curva en su geometría final. El recubrimiento consiste en una combinación de un recubrimiento de nitruro duro que sirve de matriz dura, y una fase metálica de níquel más blanda. El recubrimiento de nitruro se basa en un elemento metálico del grupo Al, Si, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo y Co depositado por tecnología PVD en modo reactivo, siendo el nitrógeno el elemento reactivo fuera de la fase gaseosa. La matriz de nitruro se deposita preferentemente con una dureza de 2200 HV 0,005 a 2500 HV 0,005, y las inclusiones de Níquel (nanopartículas) con una dureza de aproximadamente 300 HV 0,005 a 600 HV 0,005. Una ventaja adicional de este recubrimiento FGM es su muy buena adherencia sobre el sustrato, debido a la afinidad química del níquel presente en el recubrimiento con el sustrato de níquel.

En la segunda realización ejemplar, se recubre un sustrato de cobre, ya curvado hasta su curvatura final con un radio de unos 300 mm. El recubrimiento del sustrato doblado permite reducir la tensión de tracción en el recubrimiento, a diferencia de doblar el sustrato plano después del recubrimiento hasta su forma cilíndrica, necesaria para la aplicación de impresión. El recubrimiento tiene un grosor de 2 a 4 pm y consiste en una matriz de nitruro mixto, que puede depositarse mediante tecnología PVD con una dureza de entre 2800 HV 0,005 y 3200 HV 0,005. El nitruro mixto se basa en dos o más elementos del grupo Al, Si, Y, La, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo y Co. La fase blanda se compone de cobre con un porcentaje del 40 al 70% en la interfaz y un porcentaje inferior al 20% en la superficie. El recubrimiento se deposita mediante un procedimiento de PVD reactivo en el que el nitrógeno es el elemento reactivo en fase gaseosa. La presión del nitrógeno durante la deposición es baja, lo que reduce la formación de compuestos Cu-N. Las velocidades de deposición se eligen para evitar un calentamiento excesivo del sustrato, manteniendo la temperatura del sustrato por debajo de 150 °C, evitando así tensiones térmicas en el recubrimiento. De nuevo, una ventaja adicional del recubrimiento FGM es su muy buena adherencia al sustrato, debido a la afinidad química del latón con el Cu.

Una tercera realización ejemplar se basa en un sustrato de acero inoxidable, de nuevo recubierto mientras se curva en su geometría final. El recubrimiento consiste en una combinación de una matriz de carburo metálico duro y una fase metálica de níquel más blanda. Uno o dos elementos metálicos del carburo se eligen del grupo Al, Si, Y, La, Ti, Zr, V, Nb, Cr, Mo y Co. El carburo se deposita, preferentemente, con una dureza de aproximadamente 2500 HV 0,005 a 3200 HV 0,005, y el níquel con una dureza de aproximadamente 300 HV 0,005 a 600 HV 0,005. En general, los carburos presentan un coeficiente de fricción inferior al de la mayoría de los demás materiales para papel y, por tanto, incluso con una dureza inferior, un índice de abrasión bajo. De nuevo, una ventaja adicional del recubrimiento FGM es su muy buena adherencia sobre el sustrato, debido a la afinidad química del níquel presente en el recubrimiento con el sustrato que contiene níquel.

Claims

REIVINDICACIONES

i.Una plancha de impresión calcográfica, que comprende un sustrato metálico y un recubrimiento protector depositado sobre el sustrato mediante deposición física de vapor, en el que el recubrimiento protector consiste en un material funcionalmente graduado que comprende una fase cerámica y una fase metálica, en el que la fase cerámica es más dura que la fase metálica, Caracterizado porque el porcentaje de la fase metálica dentro del material funcionalmente graduado aumenta en una dirección hacia el sustrato, y (i) en el que la fase cerámica constituye una fase matriz del material funcionalmente graduado y la fase metálica constituye nanopartículas distribuidas en ella, siendo la variación del porcentaje de la fase metálica el resultado de una concentración variable de las nanopartículas; o bien

(ii) en el que tanto la fase cerámica como la fase metálica constituyen una pluralidad de capas alternas del material funcionalmente graduado, siendo la variación del porcentaje de la fase metálica el resultado de la variación del espesor de las capas, en el que el espesor de las capas individuales está comprendido entre 1 y 20 nm.
2. La plancha de impresión calcográfica de la reivindicación 1, en la que la fase cerámica se selecciona de uno o más nitruros metálicos y/o carburos metálicos de los elementos Al, Si, Y, La, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo y Co.
3. La plancha de impresión calcográfica de la reivindicación 1 o 2, en la que la dureza Vickers de la fase cerámica está comprendida entre 2200 HV 0,005 y 3200 HV 0,005.
4. La plancha de impresión calcográfica de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la fase metálica se selecciona entre uno o más de los elementos metálicos Co, Ni, Cu, Ag, Au y Zn.
5. La plancha de impresión calcográfica de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la dureza Vickers de la fase metálica está comprendida entre 300 HV 0,005 y 600 HV 0,005.
6. La plancha de impresión calcográfica de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el porcentaje de la fase metálica está comprendido entre el 15 y el 70% en el lado del sustrato del recubrimiento y entre el 0 y el 15% en el lado opuesto del recubrimiento.
7. La plancha de impresión calcográfica de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el porcentaje medio de la fase metálica dentro del material funcionalmente graduado está comprendido entre el 5 y el 50%.
8. La plancha de impresión calcográfica de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la variación del porcentaje de la fase metálica entre las dos caras del recubrimiento es lineal, parabólica, exponencial, logarítmica o una combinación de las mismas.
9. La plancha de impresión calcográfica de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el espesor total del recubrimiento está comprendido entre 1,5 y 5 pm.
10. La plancha de impresión calcográfica de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el recubrimiento se deposita directamente sobre el sustrato, o sobre una capa de adherencia intermedia, preferiblemente una capa de adherencia metálica.
11. Uso de la plancha de impresión calcográfica de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores en un procedimiento de impresión calcográfica.