IT201800010641A1 - Metodo di trattamento della superficie di un manufatto in alluminio. - Google Patents

Description

Descrizione del Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo: "METODO DI TRATTAMENTO DELLA SUPERFICIE DI UN MANU-FATTO IN ALLUMINIO"

DESCRIZIONE

Il presente trovato ha come oggetto un metodo di trattamento della superficie di un manufatto in alluminio.

La presente invenzione riguarda un innovativo processo di finitura dell’alluminio, comprendente i relativi prodotti e processi chimici/fisici, ed in grado di conferire all’alluminio ed alle sue leghe una buona resistenza meccanica e chimica (corrosione, alcali, acidi, ecc.) che permetta, tra l’altro, di poter superare test tipicamente impiegati nell’industria dell’automobile e di potere utilizzare i prodotti trattati in ambienti specifici, aereonautico, navale, arredobagno, edile, arredamento ed in generale per l’utilizzo esterno, conferendo nel contempo al prodotto una buona resa estetica ed assicurando una lunga durata.

Un materiale rifinito che supera detto test facilita di molto le applicazioni di serramenti di alluminio anodizzato nell’edilizia in quanto tali materiali sono assolutamente meno sensibili alle polveri (alcaline) dei cantieri edili o ai trattamenti acidi a cui sono soggetti, ad esempio certe pavimentazioni sia da interno che da esterno, specialmente al momento della loro posa.

I sistemi noti per il trattamento delle superfici di manufatti in alluminio sono: ossidazione anodica, verniciatura, galvanica con cromo o altri metalli, PVD sputtering.

Un tipico trattamento comprende l’ossidazione anodica della parte in alluminio e la successiva finitura con un prodotto verniciante denominato SOL GEL.

Un altro trattamento di tipo noto dell’alluminio è il PVD sputtering, comprendente l’applicazione, tramite verniciatura, di una preparazione preferibilmente liquida, eventualmente anche UV.

Compito del presente trovato è quello di realizzare un nuovo metodo di trattamento della superficie di un manufatto in alluminio, che sia notevolmente più ecologico e più performante rispetto ai trattamenti noti finora, ed inoltre agisce sulla struttura nel suo complesso, fronte e retro.

Nell’ambito di questo compito, uno scopo del trovato è quello di realizzare un metodo che non necessiti dell’uso di vernici e quindi di solventi inquinanti.

Un altro scopo del trovato è quello di realizzare un metodo che permetta di ottenere un prodotto esteticamente superiore rispetto ai prodotti ottenuti con i sistemi noti finora.

Un ulteriore scopo del presente trovato è di fornire un prodotto che risponda in pieno ai requisiti dei nuovi standard industriali, ad esempio particolare nel settore automobilistico.

Questo ed altri scopi, che meglio appariranno evidenziati in seguito, sono raggiunti da un metodo di trattamento della superficie di un manufatto in alluminio caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di anodizzazione ed una successiva fase di deposizione chimica da vapore al plasma, PECVD.

Il metodo secondo l’invenzione può comprendere inoltre una fase intermedia di deposizione fisica da vapore, PVD, detta fase intermedia essendo successiva a detta fase di anodizzazione ed antecedente detta fase di deposizione chimica da vapore al plasma, PECVD.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'oggetto del presente trovato risulteranno maggiormente evidenziati attraverso un esame della descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, del trovato.

Il metodo di trattamento della superficie di un manufatto in alluminio, secondo la presente invenzione, comprende la combinazione di almeno due fasi: una fase di anodizzazione ed una fase di deposizione chimica da vapore al plasma, PECVD (plasma-enhanced Chemical vapor deposition).

Il metodo può inoltre comprendere una fase intermedia di deposizione fisica da vapore (PVD).

L’anodizzazione, detta anche ossidazione anodica, è un processo elettrochimico non spontaneo mediante il quale uno strato protettivo di ossido si forma sulla superficie del metallo trattato e lo protegge dalla corrosione.

Il processo di anodizzazione è comunemente usato per l'alluminio. Nel materiale avviene una vera e propria trasformazione superficiale: il metallo nudo reagisce con l'ossigeno che si sviluppa durante il processo di elettrodeposizione e forma ossido di alluminio o allumina.

Procedimenti simili sono disponibili e utilizzati anche per titanio, zinco, magnesio, niobio, zirconio, afnio e tantalio.

Quando una corrente elettrica fornita da un circuito elettrico esterno (catodo) viene fatta circolare attraverso una cella elettrolitica nella quale l'alluminio immerso in una soluzione acquosa funge da anodo (polo positivo), gli ioni negativi (anioni) formatisi dalla dissociazione soprattutto dell'ossigeno, migrano, per attrazione tra le cariche opposte, verso l'anodo positivo, l'alluminio, al quale cedono le cariche elettriche che trasportano. Lo strato depositato sulla superficie risulta essere uno strato di ossido di alluminio formatosi tramite processo elettrolitico.

Lo strato di materiale formato è variabile (normalmente 10 pm), ed esistono due tipi di ossidazione anodica: quella sottile e quella dura. L'anodizzazione sottile forma uno strato compreso tra 5 e 20 micron mentre quella semi-dura forma uno strato tra 20 e 30 micron.

Per la buona riuscita del processo si preferisce produrre un ossido anodico di qualità operando a temperature basse, anche inferiori ai 18°C, intorno ai 15°C, e con spessori di ossido anodico meglio se superiori ai 5 micron.

Il processo di ossidazione anodica può essere schematizzato come segue.

Viene eseguita una eventuale fase di pulitura / lucidatura meccanica, se necessaria a fini estetici. Solitamente i particolari in alluminio in vista nel settore deH’automobile sono lucidi.

Successivamente viene eseguita una eventuale brillantatura chimica, se necessaria a fini estetici.

Quindi si eseguono un lavaggio in acqua corrente, depatinatura acida ed un ulteriore lavaggio.

L’operazione di anodizzazione è preferibilmente eseguita con una soluzione di acido solforico 200 ± 10 g/l a temperatura preferibilmente di 15°C, anche se temperature di 18-20° C, se gestite con accuratezza, possono essere ancora accettabili.

La densità di corrente è di 1.5-2.0 A/dm<2>

Lo spessore dello strato di ossido anodico minimo è di 5 micron, preferibilmente 20 micron. Questi spessori corrispondono a tempi di trattamento di 40-50 minuti.

Si esegue un ulteriore lavaggio e, se richiesta, una colorazione.

Trattandosi solitamente di particolari estetici, la colorazione organica per assorbimento risulta preferibile, anche se è altrettanto idonea la colorazione elettrolitica, detta anche elettrocolore.

Si esegue un ulteriore lavaggio in acqua deionizzata e successivamente il fissaggio dei pori.

Il metodo di chiusura dei pori dello strato di ossido anodico, convenzionalmente detto fissaggio, può essere scelto tra quelli indicati nella direttiva Qualanod (QUALANOD è un marchio di qualità che ha lo scopo di mantenere e promuovere la qualità dell'alluminio anodizzato e delle sue leghe).

Preferibilmente, se si è proceduto ad una colorazione organica, la scelta di un metodo di fissaggio a sali di nichel diventa importante per la stabilizzazione del colore all’interno dei pori dello strato, così come suggerito dai maggiori produttori di coloranti.

Il fissaggio può essere totale, parziale, o assente.

Si esegue un lavaggio in acqua deionizzata ed un’asciugatura ad aria (consigliata).

L’anodizzazione può essere effettuata come previsto dalle vigenti specifiche Qualanod, ottenendo un alluminio con uno strato anodico considerato di qualità buona ed idoneo per tutte le applicazioni convenzionali, ma non sufficiente da solo per alcuni impieghi più esigenti, tra cui quello utilizzato nel settore automobilistico.

Il materiale come sopra trattato deve presentarsi esteticamente bello e passare tutti i test di qualità come indicato dalle specifiche Qualanod.

Se corretto come qualità e come estetica, il materiale così prodotto è pronto per i passaggi successivi che lo rendano idoneo a superare, ad esempio, il test previsto dalle case automobilistiche, come sopra citato.

Il metodo oggetto della presente invenzione prevede una seconda fase, opzionale, di deposizione fisica da vapore (PVD).

La procedura PVD è una deposizione di metallo che conferisce un colore metallico ed un aumento prestazionale in caso di utilizzo di metalli inossidabili quali titanio, cromo, acciaio inox.

La fase PVD è opzionale in quanto, dopo il processo di anodizzazione, si può passare direttamente alla fase successiva di deposizione chimica da vapore al plasma, PECVD, se l’estetica del profilo ricercata è già sufficiente con quella data dall’ossidazione, color alluminio argenteo.

Dopo il trattamento di anodizzazione, i profili vengono trasportati per il successivo passaggio in una macchina diversa e sottoposti a rivestimento PVD sputtering in vuoto.

Il rivestimento a sputtering è uno dei metodi più flessibili per depositare fisicamente il vapore PVD (Physical Vapour Deposition).

Il materiale di rivestimento viene inserito nella camera a vuoto come catodo sotto forma di piastra metallica. Vengono inseriti i portapezzi dove erano stati caricati i profili di alluminio durante il processo di anodizzazione. Dopo che la camera è stata svuotata, viene introdotto il gas di processo (si usa normalmente argon per il suo elevato peso atomico) e quindi viene generato un plasma.

Il plasma formato da ioni positivi di argon subisce un processo di accelerazione sul catodo negativo che espelle atomi della piastra metallica (materiale evaporante).

L’impatto degli ioni sul materiale evaporante produce lo sputtering come risultato dell’accelerazione data dalla subentrante particella. Quindi i profili presenti nella camera vengono rivestiti dal conseguente sputtering del materiale evaporante.

Se, oltre al gas di processo, si introduce nella camera un gas reattivo, come ad esempio azoto o acetilene, il nitruro reattivo al carburo si sviluppa sui substrati. È possibile modificare la combinazione dei singoli strati variando la combinazione dei gas reattivi.

Diversi catodi costituiti da materiali differenti possono essere inseriti in un sistema di rivestimento a vuoto e in tal modo si possono produrre sistemi multistrato.

Per ottenere rivestimenti sputtering con effetto metallico, aventi alta resistenza all'abrasione ed alta resistenza chimica, vengono prodotte soprattutto deposizioni sputtering di cromo e acciaio inox, oppure carburi e nitruri di metalli di transizione, ad esempio titanio e zirconio.

Lo sputtering permette di ottenere colori innovativi per motivi decorativi da applicare sulla superficie del profilo di alta qualità con elevate caratteristiche di durezza e resistenza all'abrasione.

Il metodo secondo l'invenzione comprende inoltre una fase di deposizione chimica da vapore al plasma, PECVD (plasmaenhanced Chemical vapor deposition) la quale segue direttamente la prima fase di anodizzazione oppure la fase intermedia di deposizione fisica da vapore (PVD).

La fase di deposizione chimica da vapore al plasma prevede un coating a base di SiOx ottenuto in vuoto attraverso la tecnica plasma PECVD.

Il plasma è un gas parzialmente o totalmente ionizzato, ovvero quel particolare stato del gas in cui sono contemporaneamente presenti molecole neutre, ioni positivi ed elettroni liberi.

In stato di plasma qualsiasi gas, anche i più inerti, acquistano una reattività formidabile e sono in grado di modificare le caratteristiche chimico-fisiche di una superficie.

Il PECVD è un rivestimento invisibile ad effetto barriera ottenuto a temperatura ambiente, sempre in vuoto, e permette la crescita di un film sottile sulla superficie del profilo svolta attraverso reazioni chimiche in fase vapore (Chemical Vapour Deposition, CVD) di composti contenenti l’elemento da depositare ed il plasma.

Nella fattispecie si utilizza il precursore HMDSO (esametidisiloxano) per ottenere il SiOx, ma possono essere utilizzati altri reagenti o gas silossani.

L’HMDSO si combina con il plasma e si divide in vapore acqueo ed anidride carbonica che vengono portati in atmosfera dalle pompe di vuoto del reattore, e sulle superfici da trattare si deposita SiOx.

Il plasma PECVD ed il suo deposito SiOx permettono di modificare le caratteristiche chimico/fisiche superficiali della superfice anodizzata, aumentando le prestazioni del prodotto solo anodizzato.

Il rivestimento ottenuto con PECVD presenta svariate caratteristiche: è flessibile, chimicamente inerte, idoneo al contatto alimentare diretto, antiadesivo ed antiaderente, anticalcare e presenta inoltre forte adesione con il substrato, resistenza agli impatti, idrorepellenza, trasparenza; il rivestimento offre inoltre protezione dalla corrosione, è una barriera ai gas, è anti-graffio ed anti-usura.

Vantaggiosamente, i due processi PVD e PECVD possono essere eseguiti in un unico impianto reattore in vuoto.

Si è in pratica constatato come il trovato raggiunga il compito e gli scopi prefissati.

Si è infatti realizzato un metodo di trattamento della superficie di un manufatto in alluminio comprendente una nuova e vantaggiosa combinazione di almeno due fasi: una fase di anodizzazione ed una fase di deposizione chimica da vapore al plasma, PECVD (plasmaenhanced Chemical vapor deposition), eventualmente con l’integrazione della fase intermedia di deposizione fisica da vapore (PVD).

La suddetta combinazione è nuova e vantaggiosa in quanto permette di realizzare un prodotto altamente ecologico, esteticamente migliorato e che risponde in pieno ai requisiti dei nuovi standard industriali, ad esempio automobilistici.

A differenza delle tecniche tradizionali, nelle quali l'ossidazione anodica, per poter soddisfare i requisiti, ad esempio nel settore automobilistico, viene finita con l’applicazione di un prodotto finale verniciale denominato SOL GEL, secondo la presente invenzione viene applicato il PECVD.

Sempre secondo la tecnica nota, il PVD Sputtering è preceduto, su alluminio, dall’applicazione di una preparazione tramite verniciatura, preferibilmente liquida (anche UV), mentre secondo il presente trovato è prevista una preparazione con ossidazione anodica.

Secondo la presente invenzione sono pertanto evitate le vernici e quindi i solventi, e si utilizza l’ossidazione anodica come primer con PVD e PECVD, invece della vernice, completando il trattamento con la finitura con PECVD.

Naturalmente i materiali impiegati, nonché le dimensioni, potranno essere qualsiasi secondo le esigenze.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo di trattamento della superficie di un manufatto in alluminio caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di anodizzazione ed una successiva fase di deposizione chimica da vapore al plasma, PECVD.
2. 2. Metodo, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase intermedia di deposizione fisica da vapore, PVD, detta fase intermedia essendo successiva a detta fase di anodizzazione ed antecedente detta fase di deposizione chimica da vapore al plasma, PECVD.
3. 3. Metodo, secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detta fase di anodizzazione comprende la deposizione di uno strato di ossido di alluminio tramite una soluzione di acido solforico 200 ± 10 g/l a temperatura di circa 15°C, con densità di corrente di 1.5-2.0 A/dm<2>, formando uno strato di ossido anodico di almeno 5 micron fino a circa 20 micron, con tempi di trattamento di 40-50 minuti.
4. 4. Metodo, secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta fase di anodizzazione comprende un’operazione di modifica della struttura dei pori.
5. 5. Metodo, secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che detta fase di anodizzazione può comprendere un’operazione di fissaggio dei pori tramite sali di nichel o altro.
6. 6. Metodo, secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detta fase di deposizione fisica da vapore, PVD, comprende il rivestimento PVD sputtering in vuoto.
7. 7. Metodo, secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta fase di deposizione fisica da vapore, PVD, comprende l'inserimento del materiale di rivestimento in una camera a vuoto come catodo sotto forma di piastra metallica; l'inserimento di detto manufatto ed il successivo svuotamento della camera, l’introduzione di gas di processo, quale argon, e quindi la generazione di plasma.
8. 8. Metodo, secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto di comprendere l'inserimento di un gas reattivo, quale azoto o acetilene, in modo che il nitruro reattivo al carburo si sviluppi sui substrati, modificando la combinazione dei singoli strati variando la combinazione dei gas reattivi oppure gas inerte.
9. 9. Metodo, secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detta fase di deposizione chimica da vapore al plasma, PECVD, comprende un coating a base di SiOx utilizzando come precursore HMDSO, esametidisiloxano.
10. 10. Metodo, secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che dette fasi PVD e PECVD sono eseguite nello stesso impianto reattore in vuoto.