PT97863A - Processo de coloracao duma banda passante continua de material metalico por plasma de baixa temperatura - Google Patents

Description

- 3 - O presente invento diz respeito â coloração superficial duna banda passante de material metálico por exposição da superfície do referido material a um plasma de baixa temperatura. São já conhecidos processos de tratamento superficial de materiais metálicos atra vás da utilização dum plasma designado por ”plasma de baixa temperatura” ou "plasma frio”, por oposição aos plasmas de fusão termonucleares designados por "plasmas quentes”4 6 grau de ionização dum plasma de baixa temperatura ê —7 —3 fraco <entre 10 e 10 >. A energia eléctrica é transferida para os electrães que são muito pouco numerosos, mas muito energéticos <entre 1 e 10 eV>, Os electrdes vão portanto excitar o gás que se destina a ser aquecido, cuja temperatura pode apresentar um valor compreendido entre os 20 e os 700°C aproximadamente, e vão produzir espécies excitadas em grande número. Um dos métodos de produção dum plasma deste tipo consiste em estabelecer uma descarga electroluminescente entre dois eléctrodos (cátodo e ânodo) que se acham colocados um defronte do outro no seio duma atmosfera rarefeita, sob uma pressão inferior a 1.000 Fa. São Igualmente conhecidos outros métodos de produção de plasma, como por exemplo o da excitação da atmosfera rarefeita por meio de micro-ondas ou de radiofrequSncias, que podem ser aplicados ao tratamento superficial dos materiais metálicos.

Feio requerente do presente pedido de patente torsa já apresentados pedidos de patente francesa relativos a processos de tratamento superficial de materiais metálicos por plasmas frios. 0 pedido FF 8805091 diz respeito a um processo destinado a melhorar a resistência â corrosão por parte duma amostra. Fara esse efeito, a referida amostra é polarizada negatlvamente e, no interior dum recinto fechado onde reina uma pressão de valor compreendido entre 1 e 1.000 Fa, exposta a um plasma que inclui, pelo menos no estado de vestígios, um gás oxidante. Jfo caso dum exemplo de realização» a tensão entre o ânodo e o cátodo» sendo este último constituído pela própria amostra, é da ordem de 100 a 5.000 V e o tempo de tratamento varia entre 1 s e de 10 min aproximadamente. O processo que se acha descrito no pedido FE 0913870 destina-se melhorar a aderência sobre a superfície duma amostra por parte dum revestimento que irá ser ulteriormente aplicado sobre essa mesma superfície. Tal como acontecia no caso do processo anteriormente referido» a amostra que se destina a ser tratada deve ser polarizada negativamente.

Finalmente» o processo que se acha descrito no pedido FE 8908085 permite conferir uma coloração â superfície duma amostra tal como» por exemplo» uma placa de aço inoxidável. A referida amostra é colocada no seio duma atmosfera rarefeita que inolui um plasma oxidante. Contrarlamente àquilo que acontecia no caso dos dois outros processos anteriormente referidos» agora a amostra ê polarizada positivamente. Há átomos que vão ser arrancados pelo plasma a um eléctrodo-fonte (cátodo) que se acha colocado defronte da amostra. Bstes átomos são oxidados pelo plasma e os óxidos assim formados vão-se depositar sobre a amostra. Esta camada de Óxidos vai conferir uma coloração à superfície da amostra, sendo essa coloração provocada por fenómenos de interferências luminosas e sendo o tom dessa mesma coloração função da espessura da camada e por conseguinte das condlçóes de funcionamento e da duração da experiência»

Os exemplos já conhecidos de aplicação dos processos de tratamento superficial aos quais se acaba de fazer referência dizem todos respeito ao tratamento de peças unitárias de dlmen-sóes duma maneira geral relativamente reduzidas. O objectivo do invento consiste em tornar possível a aplicação desses processos ao tratamento de bandas metálicas de grandes comprimentos.

Para esse efeito o invento tem por objecto um processo de coloração dum material metálico por exposição do referido material a um plasma de baixa temperatura conduzindo à formação duma fina camada de óxidos sobre a superfície do material, caracterizado por se colocar o referido material ao qual se pretende conferir uma coloração, e que se apresenta sob a forma duma banda previamente acondicionada sob a forma duma bobina, num tambor de alimentação, se desenrolar a referida bobina ao mesmo tempo que se vai controlando a velocidade de passagem da banda, se fazer passar a referida banda sobre um suporte condutor defronte do qual se encontra colocado pelo menos um eléctrodo designado por eléctrodo-fonte definindo um espaço entre o referido eléctrodo e a superfície da banda, sendo o referido eléctrodo--fonte feito num material cujos óxidos se pretende depositar sobre a superfície da banda e sendo arrefecido de maneira a assegurar uma coloração uniforme da banda, sendo o referido suporte e o referido eléctrodo-fonte colocados no interior de um recinto fechado estanque no interior do qual vai ser também introduzida, sob uma pressão controlada de valor inferior a cerca de 1.000 Pa, uma atmosfera compreendendo pelo menos um gás cujas moléculas comportam átomos de oxigénio, se gerar um plasma de baixa temperatura na zona do referido espaço ao mesmo tempo que se mantém o suporte condutor a um potencial superior ao do eléctrodo-fonte, e se enrolar a banda, depois desta ter passado sobre o suporte condutor, em tomo dum tambor de enrolamento de maneira a que a banda vá ser novamente acondicionada sob a forma duma bobina. 2>e preferência deverá arrefecer-se também o suporte condutor da banda. 0 plasma pode ser gerado por meio dum processo de estabelecimento duma deecarga electroluminescente entre o elêctrodo-fonte e a parte da banda que se acha em contacto com o suporte condutor, sendo o elêctrodo-fonte colocado como cátodo e o suporte condutor como ânodo no circuito de produção da descarga electroluminescente.

Como d fácil de perceber, o objeetlvo do processo de acordo com o invento consiste en -tratar duma e6 vez, agora já não peças metálicas isoladas, nas bandas cujo comprimento e cuja largura náo são limitadas senão pelas dimensões físicas da instalação» Bstas bandas podem ser ulteriormente cortadas de maneira a darem origem à formação de chapas com um determinado comprimento. De acordo cora o número e a disposição dos conjuntos eléctrodo-suporte condutor que forem utilizados, será possível tratar apenas uma ou as duas faces da banda. O invento será melhor compreendido através da descrição que irá ser apresentada a seguir, fazendo referência aos desenhos anexos nos quais; a Figura 1 é uma vista esquemática de perfil duma instalação pr&pria para a realização do processo caracterlstico do invento, encontrando-se o recinto no interior do qual se acha encerrada a referida instalação representado em corte; e a Figura 2 é uma vista esquemática duma variante de realização dessa mesma instalação» A instalação â colocada no interior dum recinto fechado estanque <1> cuja parede <2> se acha dotada dum orifício <3> através do qual é possível introduzir no interior do recinto fechado o gás ou a mistura gasosa plaamogénica que se acha contido<a> no interior dum recipiente <21>. Este gás ou esta mistura gasosa deve conter, pelo menos no estado de vestígios, um - 7 - gés em cuja molécula se achem contidos átomos de oxigénio, como por exemplo o oxigénio propriamente dito, o ozono, o ar, oe óxidos de azoto β o vapor de égua. Existe um outro orifício <4> que permite estabelecer uma ligação entre o interior do recinto fechado e um dispositivo de aspiração <5> que permite fazer com que a pressão que reina no interior do recinto fechado se mantenha com um valor conhecido e controlado. Beta pressão deve ter um valor capaz de, em conjugação com os outros parâmetros de funcionamento da instalação, permitir a produção de plasma frio no interior do recinto fechado por meio dum processo de descarga electroluminescente, Em qualquer dos casos, na pr&tica, esse valor da pressão deve ser inferior a cerca de 1.000 Pa, achando--se normalaente compreendido entre 0,1 e 1.000 Pa. A banda <6>, uma das faces da qual se destina ser submetida a um processo de coloração, é introduzida no interior do recinto fechado sob a forma duma bobina <7) que é montada num tambor <8>, designado por tambor de alimentação, podendo rodar livremente ou de forma comandada em torno do seu eixo, de modo a permitir que a bobina se possa desenrolar. Ao mesmo tempo que se vai desenrolando, a banda vai-se enrolando em torno dum outro tambor (9), designado por tambor de enrolamento, cujo eixo é paralelo ao do tambor de alimentação <β>, de modo a formar uma outra bobina <10). Graças a um dispositivo de arrastamento constituído, por exemplo, por um par de rolos <22,22') que se acham animados de movimento de rotação que lhes é transmitido por meio de qualquer sistema adequado, a banda <6> pode passar a uma velocidade linear de valor conhecido que pode ser mantida constante. 0 dispositivo de arrastamento pode igualmente agir, não directamente sobre a banda, mas sobre o tambor de enrolamento <9>. STeste último caso, o dispositivo de arrastamento pode também ser ligado a um outro dispositivo que assegure o arrastamento do tambor de alimentação <8), indo estes dois dispositivos cooperar - β - de maneira a assegurar uma tensão sensivelmente constante da banda, inclusive por ocasião dos períodos durante os quais se faz variar a velocidade de passagem da banda <©). Esta velocidade é medida por meio dum dispositivo <23> que vai actuar por meio de contacto com a banda (6) ou de qualquer outra maneira. Ho decorrer do trajecto entre as duas bobinas (7) e <10>, a banda <6> vai passar sobre um tambor <11 > electricamente condutor que se acha equipado com meios de arrefecimento interno tais como, por exemplo, um sistema de circulação de água ou de qualquer outro fluido de arrefecimento compreendendo uma conduta de alimentação <12> e uma conduta de evacuação <12'), e que pode rodar em torno dum eixo paralelo aos eixos do tambor de alimentação <ô> e do tambor de enrolamento <9>, 0 movimento de rotação do tambor electricamente condutor <11 > acompanha o movimento de passagem da banda e pode ser livre ou ser comandado, por meio de sistemas de transmissão não representados, de maneira sincronizada com a velocidade de passagem da banda <ô>« Heste Ultimo caso ê possível evitar que a banda <6> patine sobre o tambor <11>, o que evita a deterioração da superfície da banda <6) que vai entrar em contacto com a superfíoie exterior do tambor <11>» e vai melhorar a regularidade do movimento de passagem da banda <6>« G tambor <11 > encontra-se ligado ao põlo <+> duma alimentação elõotrica <14> por meio dum contacto eléctrico <13> de qualquer tipo compatível com o movimento de rotação do tambor <11), como por exemplo uma escova.

â instalação compreende igualmente um eléctrodo-fonte <15> que se acha montado num suporte <16>, ligado ao p52o <-> da alimentação eléctrica <14>, e que portanto desempenha as funções de cátodo, enquanto que o tambor electricamente condutor <11> desempenha as funções de ânodo. Um dispositivo de regulação <24) permite controlar a diferença de potencial entre o suporte electricamente condutor <11> e o eléctrodo-fonte <15>. G 9 - eléctrodo <15> á arrefecido interiorraente, por exemplo por neto dum sistema de circulação de água ou de qualquer outro fluido de arrefecimento compreendendo uma conduta de alimentação ¢17) e uma conduta de evacuação (17*>. A superfície (18) do eléctrodo-fonte ¢15) que se acha voltada para a banda (8) õ geralaente paralela A parte da superfície (19) da banda (6) que fica situada defronte do referido eléctrodo-fonte (15). As superfícies (18) e (19) vão deste modo definir um espaço (20) de largura constante (I> < fi Justamente no interior deste espaço que vai ser criado por meio de descarga electroluminescente o plasma frio que vai assegurar o tratamento de coloração da face da banda (8) que fica situada defronte da superfície (18) do eléctrodo (15). Conforme se acha exposto no documento FR 8908085 Já referido* essa coloração S obtida graças  deposição sobre a superfície (19) da banda (8) o duma fina (algumas centenas de A) camada de Óxidos metálicos cujos átomos metálicos foram arrancados á superfície (18) do eléctrodo-fonte (15). A natureza destes óxidos depende da nature-za do material de que é constituído o eléctrodo-fonte. lha eléctrodo de aço inoxidável ferrítico permite formar um depósito ã base de Óxidos de ferro e de crómio. Um eléctrodo de aço inoxidável austenltico permite formar um depósito à base de óxidos de ferro» de crómio e de níquel» etc... Para se obter um depósito particularmente resistente à corrosão» pode-se utilizar um eléctrodo-fonte de metal nobre (titânio» crómio ou alumínio» por exemplo) no estado puro que permite a formação dum depósito onde não estão incluídos senão Óxidos desse metal. As outras condiçóes de funcionamento que são necessárias á execução dum tratamento desse tipo são as seguintes: - diferença de potencial entre o eléctrodo-fonte (15) e o conjunto formado pelo tambor condutor <11> e pela banda <8>t entre 200 e 5.000 V, aproxiraadamente; 10 - - densidade de corrente na banda (6): entre 1 e 100 nA/oia2} - período de tempo durante o qual uma determinada parte da banda <6> se encontra situada defronte do eléctrodo-fonte <15>; até 60 minutos; - distância <1) entre a banda <6) e o eléctrodo-fonte <15>; entre 1 mm e vários centímetros· de preferência entre 1 e 50 na,

Para determinadas condições experimentais· a coloração obtida depende do tempo de tratamento· e é fácil determinar experimentalmente a correspondência entre a cor β o tempo de tratamento· quer dizer» com o tempo durante o qual uma parte da superfície vai ficar colocada de fronte do eléctrodo-fonte» A espessura da camada de óxidos aumenta se aumentar o tempo de tratamento· se aumentar a densidade de corrente na banda <6>, se aumentar a diferença de potencial entre a banda <ô> e o eléctrodo-fonte <151 e se diminuir a largura <1> do espaço <20>,

Para se evitar que o plasma se vá formar a partir do conjunto da superfície do eléctrodo-fonte (15>, o que iria provocar o aparecimento de fenómenos parasitas capazes de prejudicar a regularidade de funcionamento do aparelho e provocar um desgaste exagerado do eléctrodo-fonte, pode-se proteger o eléctrodo-fonte <15> com uma bainha formada por um material isolante, e como por exemplo a Sirilite , não deixando descoberta senão a superfície activa <18> que vai ficar colocada defronte da superfície <19> da banda <6), Esta protecçâo com uma bainha <nâo representada na figura) pode ser substituída por um anel de resguardo, quer dizer, por um eléctrodo polarizado positivamente cuja forma se ajusta á das superfícies do eléctrodo-fonte <15), 11 com exclusão da superfície activa <1β>, que se acha colocado a una curta distância daquelas» da ordea dua valor compreendido entre 0,5 nm e alguns centímetros. Esta distância é determinada de maneira a fazer com que torne impossível a formação dum plasma entre as faces desses dois eléctrodo© que ficam situadas frente a frente tendo em conta as outras condiçdes experimentais. De qualquer modo a referida distância é menor do que a distância entre a superfície activa <lô> do eléctrodo-fonte e a superfície <19 > da banda <6>.

Tal como acaba de ser descrita, a instalação permite conferir uma coloração a uma só face da banda <ô). lfo caso de se desejar conferir uma coloração às suas duas faces serã preciso completar a instalação com um segundo conjunto tambor condu-tor/eléctrodo-fonte semelhante ao primeiro e expor a face da banda <6> que ainda não foi submetida a um processo de coloração a um plasma que se estabelece entre ela e o segundo eléctrodo-fonte , indo a face que já foi submetida a um processo de coloração ser posta em contacto com o segundo tambor condutor. 0 arrefecimento do eléctrodo-fonte <15> é indispensável para a obtenção duma coloração uniforme da superfície da banda <6>. O arrefecimento do tambor condutor <11> é igualmente útil para este efeito. 0 tambor condutor <11) pode ser substituído por um suporte condutor de qualquer outro tipo, podendo de preferência acompanhar a banda no seu movimento de passagem. Xas os tambores deste tipo são partlcularmente convenientes devido à facilidade de realização que apresentam e devido ã qualidade e constância do contacto que permitem estabelecer com a banda. 0 suporte <lô> do eléctrodo-fonte pode ser deslocado de rameira a fazer variar a largura <1> do espaço <20 >. Hb entanto, no caso de se pretender manter um valor idêntico para a largura (1) em todo o espaço ¢20), será preciso que a cada valor da largura do espaço <20) corresponda um modelo de eláctrodo-fonte <15> cuja face aotiva <18> apresente um raio de curvatura adequado para esse efeito. Se r for o valor do raio de curvatura do tambor condutor <11), a face aetlva <18> deve ter um raio de curvatura igual a r+1, e o seu centro de curvatura deve coincidir com o centro do tambor condutor <11>, Posto isto cabe apenas dizer que uma tal constância do valor da largura <1) n&o 6 propriamente indispens&vel ao bom funcionamento do aparelho, em particular â reprodutibilidade e â homogeneidade das colorações obtidas. Com efeito, se a configuração da zona na qual se estabelece o plasma se mantiver a mesma do principio ao fim da passagem da bobina que se efectua a velocidade constante, todas as partes da bobina terSo sido submetidas a um tratamento idêntico, bastando então saber por experiência, para uma determinada configuração da zona dos eléctrodos, quais são as outras condições de funcionamento que dão origem a uma determinada coloração para que essa mesma coloração possa ser reproduzida todas as vezes que se quiser.

Pode-se igualmente prever a existência de meios de tipo Já conhecido e não representados para se proceder â introdução duma folha de papel ou de plástico entre as espiras da bobina CIO), a fim de se evitar que as superfícies da banda se possam deteriorar devido ao roçar das espiras umas sobre as outras.

Coíbo variante de realização pode-se, conforme se acha representado esquematicamente na Figura 2, optar por colocar o tambor de alimentação <õ> e o tambor de enrolamento <9> do lado de fora do recinto fechado estanque <1). Depois de deixar o 13 - tambor de alimentação (3), a banda (6) vai penetrar no interior do recinto fechado <1> através duma abertura <25) que se acha equipada com meios capazes de assegurar um contacto estanque entre a parede <2> e a banda <6>, Uma abertura <2Ô> semelhante permite a saída da banda de dentro do recinto fechado Cl) em direcçâo ao tambor de enrolamento <9). Ho lado de fora do recinto fechado Cl), a banda <6) vai passar sobre os cabrestantes <27,28) que vão orientar a banda durante a sua passagem, de maneira a que a banda <6) vá entrar no e sair do recinto feohado segundo uma direcçâo constante, independente dos diâmetros das bobinas <7,10) que se vão formar em torno dos tambores <ô> e (9). Ho interior do recinto fechado encontram-se colocados outros cabrestantes <20,30) que completam o guiaraento da banda <6> e garantem desig-nadamente a existência dum arco de contacto constante da banda <6> sobre o tambor condutor <11). Ha Figura 2 encontra-se igualmente representado o eléctrodo-fonte <15> e o respectivo suporte <lô), a alimentação de gás <21) e a instalação <5) de regulação da pressão no interior do recinto fechado. Os outros Órgãos, comuns aos da instalação da Figura 1, não se acham representados.

Has configurações que se acabou de descrever, o material metálico é incluído como ânodo no circuito eléctrico que produz a descarga electroluminescente que está na origem da formação do plasma frio. Mas esta condição não é obrigatória para se poder obter a coloração da amostra. O essencial é que a instalação disponha de meios próprios para manter a amostra a um potencial positivo em relação ao do eléctrodo-fonte ao qual são arrancados os átomos cujos óxidos se encontram sobre a amostra. Da mesma maneira, o plasma não é forçosamente produzido por descarga electroluminescente entre o eléctrodo-fonte e a amostra, mas pode sé-lo por excitação da atmosfera por meio de micro-ondas ou de radiofrequância. 14 -

As dimensões das bobinas tratadas não são limitadas senão pelas dimensões da instalação. 0 tratamento de coloração superficial destina-se principalmente âs bobinas de aço inoxidável, uma vez que o metal não precisa de ser submetido a seguir a nenhum tratamento de superfície <por exemplo contra a corrosão) que iria ocultar os efeitos do tratamento de coloração. ITo entanto ê possível aplicar o referido tratamento de coloração a qualquer material que se ache acondicionado sob a forma duma bobina, quer o referido material se encontre nu ou se ache dotado dum revestimento metálico <por exemplo os aços revestidos com zinco por meio dum processo de electrodeposição ou de galvanização). Por material metálico entende-se tanto um material metálico maciço como um material compósito no qual os componentes metálicos e os componentes não metálicos se acham intimamente ligados, ou como uma camada metálica solidária com a superfície dum substrato não metálico, como é o caso das chapas designadas por ”chapas-sanduí-che”.

Evidentemente que, cem se sair do espírito do invento, os órgãos da instalação tal como eles aqui foram descritos poderão ser substituídos pelos seus equivalentes técnicos, podendo-lhes também ser introduzidos aperfeiçoamentos que não ponham em causa a arquitectura e o funcionamento da inctalação. Deste modo, é possível introduzir na instalação todos os meios cujo objectivo seja o de fazer aumentar o rendimento da ionização no seio do plasma. Bsses meios podem consistir, conforme ê já bem conhecido, em sistemas próprios para criar um campo magnético entre o eléctrodo e o suporte condutor, como por exemplo um Iman permanente ou um electroíman. O efeito do campo magnético consiste em fazer alongar o percurso percorrido pelos iões e pelos electrões, obtendo-se desse modo o desejado aumento do rendimento 15 - 15 - da íoníz&ç&o trabalhar com no solo do plasma. Também é igualmente possível pressões mais baixas do que 0,1 Pa.

Claims (3)

1. RBIYIgDICACÕBS
2. 13. - Processo de coloração dum material metálico por exposição do referido material a um plasma de baixa temperatura conduzindo à formação duma fina camada de Õxidoe sobre a superfície do material, caracterizado por se colocar o referido material ao qual se pretende conferir uma coloração, e que se apresenta sob a forma duma banda previamente acondicionada sob a forma duma bobina, num tambor de alimentação» se desenrolar a referida bobina ao mesmo tempo que se vai controlando a velocidade de passagem da banda, se fazer passar a referida banda sobre um suporte condutor defronte do qual se encontra colocado pelo menos um eléctrodo designado por eléctrodo-fonte definindo um espaço entre o referido eléctrodo e a superfície da banda, sendo o referido eléctrodo-fonte feito num material cujos Óxidos se pretende depositar sobre a superfície da banda e sendo arrefecido de maneira a assegurar uma coloração uniforme da banda, sendo o referido suporte e o referido eléctrodo-fonte colocados no interior de um recinto fechado estanque no interior do qual vai ser também introduzida, sob uma pressão controlada de valor inferior a cerca de 1.000 Fa, uma atmosfera compreendendo pelo menos um gás cujas moléculas comportam átomos de oxigénio, se gerar um plasma de baixa temperatura na zona do referido espaço ao mesmo tempo que se mantém o suporte condutor a um potencial superior ao do eléctrodo-fonte, e se enrolar a banda, depois desta ter passado sobre o suporte condutor, em torno dum tambor de enrolamento de maneira a que a banda vá ser novamente acondicionada sob a forma duma bobina.
3. 23. - Processo de acordo com a reivindicação 1, carac-terizado por se arrefecer também o suporte condutor da banda. 17 - 3δ, - Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterlzado por o plasma ser gerado por melo dum processo de estabelecimento duma descarga elsctroluminescente entre o elêc-trodo-fonte e a parte da banda que se acha em contacto com o suporte condutor, sendo o eléctrodo-fonte colocado como cátodo e o suporte condutor como ânodo no circuito de produção da descarga electroluminesoente, 4â. - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterlzado por se criar um campo magnético entre o eléctrodo-fonte e o suporte condutor. 5£, - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por o material metálico ao qual se pretende conferir uma coloraçáo ser uma banda de aço inoxidável. 6â. - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterlzado por o material metálico ao qual se pretende conferir uma coloração ser uma banda de aço revestida por uma camada metálica. Lisboa, 4 de Junho de 1991

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