JP2005534812A - 金属材料の表面を被覆する方法、その方法を実施するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、結晶構造を有する金属材料の表面を被覆する方法に関する。本発明の方法は、融点Ｔ_ｆおよび２．５μ以下の厚みを有する金属層または金属合金層により前記材料の第１被覆を製造すること、前記第１被覆層を、その層が０．８Ｔ_ｆ〜Ｔ_ｆの温度に加熱されるように急速加熱により加熱すること、１μｍ以下の厚みを有する第２の金属または金属合金層を製造することにある。前記方法を実施するための装置および上述したように被覆された金属材料もまた開示されている。

Description

本発明は、金属表面の被覆に関する。さらに詳しくは、本発明は、材料に三次元視覚効果を与えることを意図した、金属材料表面を被覆するための加工作業に関する。

この種の視覚効果は、高度にコントラストの付いた光の干渉を記録することができる感光性媒体に、２本のレーザビームにより画像を記録および再生することにより製造されるホログラムを使用して、達成することができる。この種の媒体は、例えば、熱可塑性フィルム、感光性ポリマー、感光性フィルムなどである。

金属表面に三次元視覚効果を生み出すために、接着剤または同時圧延（ｃｏｌａｍｉｎａｇｅ）により、上述した種類の感光性媒体を表面に貼り付けること以外の方法は知られていない。鉄鋼またはアルミニウムの金属パッケージの装飾では、この技法が好ましく使用されているが、感光性媒体を提供するのに外部供給業者の関与を必要とするという、金属企業にとって不利な点がある。さらに、接着剤または同時圧延の後でパッケージが受ける加工およびハンドリング作業の間に、媒体がパッケージから分離されたり、損傷を受けたりする危険がある。

本発明の目的は、表面に貼り付けられなければならない感光性媒体を使用することなく、金属材料の表面に三次元視覚効果を生じさせる方法を提供することである。

この目的のために、本発明の主題は、
結晶構造を有する金属材料の表面を被覆する方法であって、該材料はＴ_ｆに等しい融点および２．５μｍ以下の厚みを有する金属または金属合金の層で第一に被覆され、ここで、
第１被覆は、急速加熱手段を使用する熱処理に供して、第１被覆の表面を０．８Ｔ_ｆ〜Ｔ_ｆの間の温度にする、
第２被覆は、１μｍ以下の厚みを有する金属または金属合金からの蒸着である、
ことを特徴とする、方法である。

本方法の変形形態によれば、第１および第２被覆は７００℃以下の融点を有する。

第１および第２被覆は、同一材料から構成され得る。

本方法の変形形態によれば、次に、透明な鉱物フィルムが第２被覆上に蒸着される。

好ましくは、被覆される金属材料は、炭素鋼、ステンレス鋼、またはアルミニウムまたはそれらの合金の１種であり得る。

好ましくは、第１被覆は、電着または物理蒸着法によって製造され得る。

好ましくは、急速加熱手段は、赤外線加熱装置、誘導加熱装置、非反応性気体によるプラズマ放電装置または非反応性気体によるイオン衝撃装置であり得る。

好ましくは、第２被覆は、電着または物理蒸着法によって製造され得る。

透明な鉱物フィルムは、反応性プラズマ補助化学蒸着法によって蒸着され得る。

第１および第２被覆は、それぞれ錫および／またはアルミニウムによって構成され得る。

鉱物フィルムは、好ましくは、オーステナイト系ステンレス鋼、クロム、チタン、ケイ素、亜鉛、錫の酸化物から選択された金属酸化物または金属酸化物の混合物である。

金属材料は、移動ストリップの形状をとることができ、移動ストリップの経路上に連続的に配置された装置により、この方法のさまざまな工程が連続的に実行され得る。

本発明はまた、ストリップを移動させるための手段およびストリップの経路上に連続的に配置された、
Ｔ_ｆに等しい融点を有する金属または金属合金の層でストリップを被覆する第１手段、
前記層の表面を、０．８Ｔ_ｆ〜Ｔ_ｆの間の温度にすることができるストリップを急速加熱する手段、および
金属または金属合金の層でストリップを被覆する第２手段、
を備えていることを特徴とするストリップ形状の金属材料を被覆する装置に関する。

前記装置は、金属または金属合金の層で前記ストリップを被覆する第２手段の下方に、透明な鉱物フィルムで前記ストリップを被覆する手段を備えることができる。

本発明はまた、三次元視覚効果を有する金属被覆を、金属表面の少なくとも１つの面上に備え、前記被覆は前記金属材料の表面に直接形成され、特に前述の方法によって実施されることを特徴とする、金属材料に関する。

いずれ理解されるように、本発明は、金属材料自体の表面を加工する一連の作業を利用して所望の三次元視覚効果を作りだすことにある。このやり方で、金属材料から分離され得ない、かつ、基材を製造した金属企業によって製造され得る、多層被覆が製造される。この被覆には、その美的品質に加えて、いくつかの技術上の利点があり、金属材料生産業者が装飾工程を完全に支配することができる。

本発明は、本発明による方法の種々の変形形態により製造されたさまざまな被覆の外観を示す添付の図面１〜６に関して与えられた、以下の記述を読むことにより、よりよく理解されるはずである。

出発材料は、炭素鋼、ステンレス鋼、アルミニウムまたはそれらの合金の１種などの金属材料である。その材料は、例えば、プレートまたは巻いたストリップ形状である。この最後の場合は、ストリップを巻き戻して、加工作業の種々の工程が実施され得る装置を、ストリップの経路上に連続的に配置されている設備の中を連続的に移動させることによって、後で説明されるはずの加工作業を実施することが可能である。所望の美的効果を達成するために、基板として使用されている金属材料は結晶構造を有することが必要である。

蒸着を実施する前に、任意の表面汚染を除去するために、それ自体で知られているやり方で材料表面が調整される。

この方法の第１工程は、好ましくは、７００℃以下のオーダーの低い融点Ｔ_ｆを有する金属元素（例えば、錫またはアルミニウム）または金属合金によって構成される第１被覆を蒸着することである。この被覆は、２．５μｍ以下の厚みを有していなければならない。

有利にも、この被覆は電着法または物理蒸着法により製造される。使用され得る物理蒸着法には、真空蒸着、マグネトロンスパッタリング、イオンプレーティング、自己誘導イオンプレーティングを含む従来から知られている方法が含まれる。

この方法の第２工程は、赤外線ランプ、インダクタ、プラズマ放電作業、または不活性ガスなどの非反応性気体によるイオン衝撃などの急速加熱手段を使用して、第１被覆上で実施される熱加工作業である。この熱加工では、第１被覆の表面を０．８Ｔ_ｆ〜Ｔ_ｆの間の温度にしなければならない。１００ｍ／ｍｎのオーダの速度で移動するストリップ上で実施されるのに適合した速度で実施するために、Ｔ_ｆは７００℃以下が好ましい。

この方法の第３工程は、第１被覆の材料と同一であることもあり、ないこともある金属元素または合金から、第２被覆の蒸着をすることである。この被覆は、１μｍを超えない厚みを有しなければならない。これは、第１被覆と同じ方法を用いて製造され得る。

好ましくは（しかし、必ずしも必要ではない）、この方法は、第２金属被覆上に透明な鉱物フィルムを蒸着することからなる第４工程を含むことができる。オーステナイト系ステンレス鋼、クロム、チタン、ケイ素、亜鉛、錫（非制限的な一覧である）の酸化物およびそれらの混合物などの材料が、特に適切である。この透明な鉱物の蒸着は、この目的に適した、公知のどの手段によっても実施され得るものであり、反応性プラズマ補助化学蒸着法は特に適切である。このフィルムが１μｍ以下の厚みを有する場合は、鉱物フィルムの干渉効果により、着色被覆が製造され得る。蒸着された材料の屈折率に応じて、緑、黄、青、紫および赤の色がこのやり方で容易に得られる。一般に、この透明フィルムは、この方法の最初の３工程の後で製造される三次元の外観を有する模様に対して、さらに深みのある外観を与える。

上述のように、基板表面上に模様が現れるためには、基板が結晶構造を有することが必要である。金属蒸着物の凝固模様の核形成は、基板が結晶構造を有する場合にのみ存在する、基板表面の優先部位に基づいて引き起こされる。

生じる模様のサイズは、この方法の第２工程で使用されたエネルギーの量および被覆の厚みによって決まり、このエネルギーの量および／またはこの厚みが大きくなるにつれて、この模様は大きくなるはずである。この方法の第１工程において、低融点（７００℃以下）の金属または合金を被覆材料として使用することにより、第２工程において前記被覆の金属転移が非常に短時間で実施され得る。これまでに述べた加熱方法により、可能な限りの最短時間で、必要なエネルギーが供給され得る。

金属製品に貼り付けられた感光性媒体を使用して三次元視覚効果を作りだすことと比較して、本発明による方法はいくつかの利点を有する。上述のように、本発明によれば、金属製品生産業者が本方法を完全に支配することができる。この場合は、三次元視覚効果を作りだす被覆は媒体の不可欠な部分であるので、引き続き行われる加工および取り扱い作業の間に、被覆が分離する危険はない。さらに、最も特別には、この方法が４工程ですべて使用される場合は、このやり方で製造された被覆は、化粧品による腐食に対する基板の耐久性を高める。被覆はまた、紫外線放射および温度に対して、より高い耐久性を有する。この被覆は、指紋に対する鋭敏性がより低い。この被覆は、表面硬度が大きく、引っかき傷に対する鋭敏性がより低い。この被覆は洗浄しやすく、保守製品および他の機械的影響に対して効果的に耐える。最後に、使用された被覆金属が適切な場合は（例えば、錫）、この被覆を食料品分野で使用するのに適合したものにするのが可能である。

本発明による方法を実施するためのさまざまな実施例を、ここで述べることにする。実施例は、２００×２００ｍｍで０．７ｍｍ厚みの軟鋼シート上で実施される。これらのシートは、給湿手段（超音波で攪拌された溶媒）を使用した通常のやり方で予め脱脂される。これらのシートは、次いで、真空反応器におけるアルゴンプラズマから始まるイオンピクリング（ｉｏｎ ｐｉｃｋｌｉｎｇ）操作を受けるが、この反応器は本発明による方法を実施するためのさまざまな工程で、この後も使用される。

本発明による方法の第１工程においては、シートは、１０^−３ｍｂａｒ（０．１Ｐａ）の圧力のアルゴン雰囲気下でマグネトロンスパッタリングにより、０．８μｍの錫の層によって被覆される。目標電流は０．９Ａであり、目標電圧は４５０Ｖである。錫の蒸着速度は、０．２５μｍ／分である。

本発明による方法の第２工程においては、シートは、１０^−３ｍｂａｒ（０．１Ｐａ）の圧力下でアルゴンプラズマを使用して、熱的に加工される。アルゴンのイオンに付与されるエネルギーは４００ｅＶであり、シートにより受け止められるイオンの量は、４．７×１０^２２イオンＡｒ^＋／ｍ^２である。シートは、陰極として設置される。錫の表面は、２１０℃のオーダーの温度にさせられる。

第３工程においては、第１被覆と同じ実験条件下で、マグネトロンスパッタリングを用いて０．４μｍの錫の被覆が蒸着される。

第４工程においては、０．１μｍの厚みを有するケイ素の透明なフィルムが、プラズマＣＶＤにより蒸着される。蒸着は、１０^−３ｍｂａｒ（０．１Ｐａ）の圧力で、ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）と酸素の分圧の比率が１／１０である、ＨＭＤＳＯと酸素からなる雰囲気下で実施される。１００Ｗの電力で５０ｋＨｚの周波数を有する電流が使用される。蒸着速度は、１．０μｍ／分である。

この方法を用いて、外観が図１に示されている被覆が製造されるが、その被覆は耐腐食性および耐指紋性を有し、洗浄が用意であり、大きな表面硬度を有する。その被覆は、大きな機械的、化学的および熱的影響に耐えることができる。

最初の３工程は実施例１と同じ条件下で、鉄鋼シートが被覆される。第４工程の本質的な特徴は、チタンターゲットの反応性マグネトロンスパッタリングにより、酸化チタンの着色フィルムを製造することにある。フィルムの厚みは、０．０５μｍである。フィルムが製造される条件は、Ｐ_Ｏ２／Ｐ_Ａｒ＝０．４であるＯ_２／Ａｒ雰囲気、５．１０^−３ｍｂａｒ（１０．５Ｐａ）の全圧力および１．７ｋＷの電力である。このやり方で、図２に示されている被覆が製造されるが、その被覆は実施例１と同様の性質を有し、加えて二酸化チタンの屈折率（２．５）による青色の外観および二酸化チタンに特有の性質、すなわち、高温における高度の安定性、化学的影響に対する効果的な耐性、および紫外線の存在下で炭素および酸素を含む材料を分解するという、被覆の触媒効果による自己洗浄作用を有する。

軟鋼シートは、錫の第１被覆の厚みが１．２μｍに増大されること、およびこの方法の第２工程の間に錫の第１層によって受け止められるイオンの量が増大されることを除いて、実施例２と同じ条件下で被覆される。この場合、この量は９．４×１０^２２イオンＡｒ^＋／ｍ^２に達する。錫の表面は、２３５℃のオーダーの温度にさせられる。結果は、図３において見られる。

軟鋼シートは、実施例３の場合と同じように、第１層によって受け止められるイオンの量が９．４×１０^２２イオンＡｒ^＋／ｍ^２に増大されること、および二酸化チタンフィルムの厚みが０．０８μに増大されること以外は、実施例２と同じ条件下で被覆される。結果は、図４において見られる。

第２加工工程の間に使用されるエネルギーが増加すると、模様のサイズが有意に増大することに注目すべきである。

シートは、第２工程で２個の赤外線ランプを使用して基板とその基板の錫の第１層を加熱すること、および錫の第２層上に酸化物が蒸着されないことを除いて、実施例１と同じ条件下で被覆される。従って、この方法の最初の３工程のみが実施されるが、これらは所望の三次元視覚効果を作りだすのに必要なものである。錫層の加熱は静的であり、２００℃の温度に制御されたランプ形式の炉内で８分間続く。この結果は、図５においてみられる。

２００×２００ｍｍで厚みが０．２ｍｍの非常に薄い軟鋼シートが、食料品分野で従来から使用されている種類の「ブリキ板」のシートを製造するようなやり方で、錫の電着層によって被覆される。次いで、本発明による方法の第２および第３工程が、実施例２と同じ条件下で実施される。本発明による、場合によって実施されることもある第４加工工程は、実施されない。この結果は、図６において見られる。

本発明による方法の第１工程において、１０^−３ｍｂａｒ（０．１Ｐａ）の気圧のアルゴン雰囲気中でマグネトロンスパッタリングを用いて、０．６μｍのアルミニウム層により、シートが被覆される。目標電流は１．８Ａであり、目標電圧は３５５Ｖである。アルミニウムが蒸着される速度は、０．３３μｍ／分である。

本発明による方法の第２工程において、１０^−３ｍｂａｒ（０．１Ｐａ）の圧力のアルゴンプラズマにより、シートは熱的に処理される。アルゴンイオンに付与されるエネルギーは２８０ｅＶであり、イオンの量は１８．４×１０^２２イオンＡｒ^＋／ｍ^２である。シートは陰極として設置される。アルミニウムの中で被覆されたシートの表面は、加工作業の最後に６１５℃の温度にされる。

第３工程において、実施例１の第３工程で述べたものと同じ実験条件下で、マグネトロンスパッタリングを使用して、錫の被覆が蒸着される。

これらの製造条件下で、外観が図１の実施例の外観と同一である被覆が製造される。

最初の２工程は実施例３と同じ条件下で、軟鋼シートが錫によって被覆される。第３工程では、アルミニウムが０．４μｍの厚みで蒸着されることを除いて、実施例７の第１工程で記述したものと同じ条件下で、マグネトロンスパッタリングにより、アルミニウム被覆が蒸着される。

これらの製造条件下で、外観が図３の実施例のものと同じである被覆が製造される。

基板を形成する材料およびそれを被覆する種々の層の実施例、並びにそれらが形成される条件が、非制限的な様式で示された。当業者であれば、最終製品の所望の特性に一致する改変形態を思い描くことができるはずである。

三次元の外観が、金属材料のある表面またはその表面の一部分の上のみで所望される場合は、その表面が受けるさまざまな加工作業の間、被覆されないことになっている領域をマスクする１つ以上のカバーを使用して、その材料を保護することが可能である。

実施例１で製造された被覆の外観である。 実施例２で製造された被覆の外観である。 実施例３で製造された被覆の外観である。 実施例４で製造された被覆の外観である。 実施例５で製造された被覆の外観である。 実施例６で製造された被覆の外観である。

Claims (25)

1. 結晶構造を有する金属材料の表面を被覆する方法であって、該材料はＴ_ｆに等しい融点および２．５μｍ以下の厚みを有する金属または金属合金の層で第一に被覆され、ここで、
   第１被覆は、急速加熱手段を使用する熱処理に供して、第１被覆の表面を０．８Ｔ_ｆ〜Ｔ_ｆの間の温度にする、
   第２被覆は、１μｍ以下の厚みを有する金属または金属合金からの蒸着である、
   ことを特徴とする、方法。
2. 第１および第２被覆が、７００℃以下の融点を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 第１および第２被覆が、同一材料から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 次いで、第２被覆上に透明な鉱物フィルムを蒸着することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 被覆される金属材料が、炭素鋼であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 被覆される金属材料が、ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
7. 被覆される金属材料が、アルミニウムまたはその合金の１種であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
8. 第１被覆が、電着によって製造されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 第１被覆が、物理蒸着法によって製造されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
10. 急速加熱の手段が、赤外線加熱装置であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 急速加熱の手段が、誘導加熱装置であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
12. 急速加熱の手段が、非反応性気体によるプラズマ放電装置であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
13. 急速加熱の手段が、非反応性気体によるイオン衝撃装置であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
14. 第２被覆が、電着によって製造されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 第２被覆が、物理蒸着法によって製造されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法。
16. 透明な鉱物フィルムが、反応性プラズマ補助化学蒸着法によって蒸着されることを特徴とする請求項４から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 第１および／または第２被覆が、錫から構成されることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 第１および／または第２被覆が、アルミニウムから構成されることを特徴とする請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 鉱物フィルムが、金属酸化物または金属酸化物の混合物から構成されることを特徴とする請求項１から１８のいずれか一項に記載の方法。
20. 金属酸化物が、オーステナイト系ステンレス鋼、クロム、チタン、ケイ素、亜鉛、錫の酸化物から選択されることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 金属材料が移動ストリップの形状をしていること、および本方法の種々の工程が、移動ストリップの経路の上に連続的に配置された設備によって連続的に実施されることを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. ストリップを移動させるための手段およびストリップの経路上に連続的に配置された、
    Ｔ_ｆに等しい融点を有する金属または金属合金の層でストリップを被覆する第１手段、
    前記層の表面を、０．８Ｔ_ｆ〜Ｔ_ｆの間の温度にすることができるストリップを急速加熱する手段、および
    金属または金属合金の層でストリップを被覆する第２手段
    を備えていることを特徴とするストリップ形状の金属材料を被覆するための装置。
23. 金属または金属合金の層で前記ストリップを被覆する第２手段の下方に、透明な鉱物フィルムで前記ストリップを被覆する手段を備えていることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
24. 金属表面の少なくとも１つの面上に三次元視覚効果を有する金属被覆を備え、前記被覆が金属材料の表面に直接形成されることを特徴とする金属材料。
25. 請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法を使用して製造されることを特徴とする請求項２４に記載の金属材料。

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