SI23538A - Trde zaščitne prevleke z možnostjo spreminjanja njihove barve - Google Patents

Abstract

Predmet izuma so trde zaščitne prevleke z možnostjo spreminjanja njihove barve Na delovno površino osnovnega materiala ki je praviloma orodno jeklo ali karbidna trdina se nanese nekaj mikrometrov debelo trdo prevleko Prevleke po izumu sestavljajo naslednje plasti spodnja zaščitna plast trde prevleke ki ščiti podlago pred obrabo in korozijo vmesna odbojna plast ki dobro odbija svetlobo v vidnem delu spektra in ščiti podlago predobrabo ter korozijo in vrhnja polprepustna plastki ščiti podlago pred obrabo in korozijo ter skupaj z vmesno plastjo določa barvo podlage Vrhnja plast je iz materiala ki delno prepušča vidnosvetlobo in je izdelana iz nitridov karbidov karbonitridov oksidov ali boridov

Description

Trde zaščitne prevleke z možnostjo spreminjanja njihove barve

Predmet izuma so trde zaščitne prevleke z možnostjo spreminjanja njihove barve. Na delovno površino osnovnega materiala, kije praviloma orodno jeklo ali karbidna trdina, se nanese nekaj mikrometrov debelo trdo prevleko.

Prikaz problema

Za obdelavo najrazličnejših materialov se v industrijski proizvodnji uporabljajo orodja, ki delujejo pod ekstremnimi tribološkimi obremenitvami. Orodja morajo biti zato čim bolj obstojna proti obrabi, koroziji, oksidaciji in sprijemanju obdelovanca. Obrabno obstojnost orodja praviloma povečamo tako, da na delovno površino osnovnega materiala, ki je praviloma orodno jeklo ali karbidna trdina, nanesemo nekaj mikrometrov debelo trdo prevleko. Takšne prevleke morajo biti zelo trde in žilave ter termično, korozijsko in oksidacijsko stabilne.

Poleg fizikalnih in mehanskih lastnosti trdih prevlek je pomembna tudi njihova barva. Na orodjih, zaščitenih s prevleko, ki imajo izrazito barvo, lahko operater lažje opazi obrabo orodja, preden pride do hujše poškodbe na njegovi površini. Značilna barva prevleke omogoča tudi lažje ločevanje orodij po namembnosti in olajša njihovo identifikacijo. Barva orodja pripomore tudi pri prepoznavnosti proizvajalca orodij. V proizvodnji se uporablja že več kot 60 različnih komercialno dosegljivih PVD-prevlek, ki so namenjene za specifične primere uporabe, zato lahko značilna barva orodja izboljša kontrolo inventarja.

Dekorativna prevleka je tanka plast materiala, ki ga nanesemo na površino nekega izdelka z namenom, da spremenimo njegov zunanji videz. Dekorativne prevleke morajo imeti izrazito barvo in sijaj, ter biti odporne proti razenju in koroziji. Naštete lastnosti v veliki meri združujejo keramične trde prevleke. Najpogosteje se za pripravo trdih dekorativnih prevlek uporablja nitride, karbide, karbonitride in oksinitride prehodnih kovin ter prevleke na osnovi ogljika. Barva prevlek je odvisna od sestave oz. stehiometrije. Stehiometrični CrN ima kovinsko barvo, TiC temno sivo, TiN, ZrN in HfN pa zlato barvo. S spreminjanjem stehiometrije lahko dosežemo različne barve: npr. pri TiN lahko dobimo zlato ali rjavo barvo odvisno od razmerja med titanom in dušikom. Z delno substitucijo kovinskih in nekovinskih atomov lahko barvo spreminjamo v zelo širokem delu spektra. Značilen primer je (Ti,Al)N, kjer se barva spreminja od srebrne, zlate do temno vijolične, za različna razmerja med aluminijem in

-2dušikom. Ti(C,N) ima za različne stehiometrije rdeče-zlato ali vijolično barvo. Značilna debelina dekorativnih prevlek je 0,5-1 pm.

Barva nekega predmeta je posledica interakcije svetlobe s snovjo. Poznamo več fizikalnih mehanizmov, ki povzročajo nastanek barve. Barva lahko nastane z disperzijo (npr. razklon svetlobe na prizmi), interferenco (npr. filtri), uklonom (npr. na mrežici), sipanjem (npr. na granulah) ali absorpcijo (npr. absorpcija na atomih, molekulah ali kristalih). Snov lahko tudi sama oddaja svetlobo (npr. neonska svetilka). Barva nepresojnih snovi, kakršne so keramične prevleke, pa je posledica absorpcije. Barva je določena z interakcijo vpadne svetlobe z vezanimi in prostimi elektroni. Vidna svetloba ima energijo, primerljivo z vezavno energijo valenčnih elektronov (1,5 do 3 eV), zato lahko vzbudi valenčne elektrone v višja energijska stanja. Če je barva snovi določena z elektronsko strukturo snovi, govorimo o intrinzični barvi snovi. Elektronska struktura valenčnega pasu TiN, ZrN in HfN je zelo podobna elektronski strukturi zlata, zato imajo te prevleke značilno zlato barvo. S spreminjanjem sestave plasti, spreminjamo strukturo elektronskih stanj in s tem tudi njihovo barvo.

Pri večini dekorativnih trdih prevlek izkoriščamo intrinzične barve določenega materiala. Tako se na primer zelo pogosto uporablja TiN-prevleka, ki ima intrinzično zlato barvo in dobre mehanske lastnosti. Barvo takšnih prevlek se v določenem obsegu lahko spreminja s sestavo materiala, vendar po navadi lahko dosežemo le dve ah tri barve. Pri našem izumu pa je barva posledica interference svetlobe z dveh mejnih ploskev. Barva nastane zaradi ojačanja oz. oslabljenja določenih valovnih dolžin vidne svetlobe na meji zrak/plast in plast/podlaga. Svetloba se ojača, kadar je fazni zamik svetlobe, odbite z meje plast/podlaga, 360° glede na odbito svetlobo z meje zrak/plast. Do oslabljenja svetlobnega valovanja pa pride, kadar je fazni zamik 180°. Fazni zamik svetlobe je odvisen od debeline plasti in lomnega količnika plasti; produkt teh dveh količin imenujemo optična debelina. Interferenca ojača svetlobo nekaterih valovnih dolžin vidnega spektra, drugih pa oslabi in na ta način določi barvo predmeta.

Interferenca nastane, kadar je vrhnja plast presojna za vidno svetlobo. Če plast ni presojna, potem opazimo intrinzično barvo vrhnje plasti. Izrazite interferenčne barve dobimo le takrat, kadar podlaga močno odbija vidno svetlobo. Če je podlaga prosojna za svetlobo, kot je to npr. pri steklu, potem interferenčna barva ni izrazita oz. je sploh ne opazimo. Interferenčni pojav na prosojnih podlagah se uporablja za antirefleksijske namene npr. na očalih ali lečah fotografskih objektivov. Namen antirefleksnih plasti je zmanjševanje odbite svetlobe in ne nastanek interferenčnih barv. Intenzivne interferenčne barve opazimo na podlagah, ki imajo veliko odbojnost v vidnem delu spektra (npr. na ogledalih). Veliko odbojnost imajo kovine (npr.

-3srebro, aluminij, zlato), kovinske zlitine (mednina), polprevodniki (silicij) in nekatere spojine (npr. nitridi, karbidi).

Intenzivne interferenčne barve dosežemo s presojno plastjo in odbojno podlago. Materiali, ki so prosojni za celoten spekter vidne svetlobe in se lahko nanašajo v obliki tankih plasti, so po navadi oksidi, fluoridi ali sulfidi. Problem interferenčnih barv, ki jih dosežemo s prosojnimi plastmi je v tem, da je barva odvisna od kota opazovanja površine. S kotom se spreminja interferenčni pogoj (optična pot), zato vidimo interferenčne oz. mavrične barve. Kotni odvisnosti se lahko izognemo tako, da se oksidnim prevlekam dodaja barvila (npr. pri anodizaciji). Vendar v takem primeru barva površine ni več posledica interference ampak intrinzične barve barvila.

Stanje tehnike

Dekorativno prevleko nanesemo z namenom, da spremenimo barvo in sijaj površine nekega predmeta. Poleg estetske funkcije je pomembno, da dekorativne prevleke ščitijo osnovni material pred obrabo in korozijo. Dekorativne prevleke nanašamo na različne izdelke, kot so: kirurški instrumenti, igralne naprave, gospodinjski izdelki (podstavki, noži, škarje), kopalniški izdelki (pipe, cevi), izdelki za uporabo v domu (kljuke, ročaji, tečaji), avtomobilski deli (izpušne cevi, platišča), izdelki za rekreacijo, osebni predmeti (okvirji očal, ročne ure, nakit, deli pisal), različni dekorativni izdelki itd. Dekorativne prevleke se nanaša na podlage iz različnih materialov: plastika, kovine, kovinske zlitine, keramike in druge. Pogosto je na površino izdelka predhodno nanešena elektrokemijska prevleka, ki izravna površino in jo zaščiti pred korozijo.

Dekorativne prevleke nanašamo z različnimi postopki. V industrijski proizvodnji so uveljavljeni naslednji postopki: lakiranje, barvanje, elektrokemijski postopki (anodizacija, galvanizacija) in netokovni postopki. Z lakiranjem in barvanjem se na izdelke nanaša polimerne dekorativne prevleke. Prednost lakiranja je v preprostem nanosu različnih prevlek na površine kompleksnih oblik. Polimerne dekorativne prevleke nudijo dovolj dobro zaščito za izdelke, ki se uporabljajo v manj invazivnem okolju, medtem ko slabše ščitijo v bolj invazivnem okolju, npr. izpostavljenosti UV-svetlobi.

Boljšo zaščito pred zunanjimi vplivi nudijo dekorativne prevleke, narejene z elektrokemijskimi postopki. Primer elektrokemijskega postopka je anodizacija površine. Pri

-4tem postopku na površini nastane oksidna plast, ko med katodo in anodo (površino izdelka) steče električni tok; pri tem mora biti izdelek potopljen v ustrezen elektrolit. Anodizacija se večinoma uporablja za zaščito in dekoracijo površin iz aluminija in aluminijevih zlitin, pa tudi za magnezijeve, cinkove in titanove zlitine. Pri anodizaciji aluminijeve površine nastane nekaj mikrometrov debela oksidna plast s trdoto okoli 180 HV, ki je dobro odporna proti abraziji in koroziji. Plast je presojna in zelo porozna, zato se pore lahko zapolni s pigmenti; na ta način lahko dosežemo različne barve. Slabost anodizacije je, da s tem postopkom ne moremo prekriti podlag iz jekla. Z elektrokemijskim postopkom nanašamo tudi trde kromove plasti, ki imajo značilno kovinsko barvo in močan lesk. Kromiranje poleg dekorativne funkcije nudi tudi dobro zaščito pred obrabo in korozijo. Materiali, kijih lahko pripravimo z elektrokemijskimi postopki so torej čiste kovine in njihove zlitine ter oksidi. Te prevleke so precej trše od polimernih prevlek, zato nudijo boljšo abrazijsko zaščito. Omejitev elektrokemijskih postopkov je nanašanje plasti le na podlage, ki so električno prevodne.

Poleg klasičnih postopkov nanašanja dekorativnih prevlek so se na tržišču uveljavili tudi fizikalni (vakuumski) postopki nanašanja iz parne faze (PVD). Pri PVD-postopkih se material tarče upari (pri naparevanju s segrevanjem, pri naprševanju pa s pomočjo plazme) in prenese na podlago. Pri tem se uvaja reaktivni plin, ki skupaj z razpršenim materialom tvori na podlagah spojino z veliko trdoto.

Pri nanašanju dekorativnih trdih prevlek lahko z izbiro različnih materialov in različno sestavo ali strukturo plasti dobimo celoten spekter barv. Najpogosteje se za dekorativne namene uporablja PVD-prevleke z zlato barvo. Tako se že dalj časa uporablja TiN, ki ima značilno zlato barvo in je mehansko zelo odporen na razenje in korozijo. Zlato barvo imata tudi ZrN in HfN. Kot dekorativne prevleke se uporabljajo tudi večkomponentne prevleke, npr. (Ti,Al)N ali (Ti,Ca)N, (Ti,Mg)N. S spreminjanjem koncentracije elementov lahko dosežemo različne barve, npr. pri (Ti,Al)N lahko dosežemo barve od srebrne do zlate in temno vijolične.

S patentom US6245435 je podjetje Moen Inc. zaščitilo PVD-postopek za nanos trdih dekorativnih prevlek na površine različnih predmetov. Prevleko sestavljata dve plasti. Spodnja plast je korozijsko in abrazijsko odporna (Ti, Zr, SiO₂, SiO_xC_yH_z, A1₂O₃₎ A10_xC_yH_z, Zr₃N₄, Zr_xN_yC_z, Hf₃N₄, Hf_xC_yN_z,) vrhnja plast pa je nitrid (ZrN, ZrCN, HfN, HfCN), ki ima barvo različno od zlate. Prednost nitridov cirkonija in hafnija pred TiN je v tem, da v stiku z zrakom ali vodo tvorijo posebne faze (npr. Zr₃N₄), ki dobro preprečujejo korozijo.

V patentu US7179546 je zaščiten izdelek z dekorativno trdo prevleko, ki ima barvo medenine, niklja ali nerjavnega jekla. Prevleka nadomešča uporabo organskih zaščitnih prevlek.

Organske prevleke se večinoma uporabljajo za zaščito medeninastih izdelkov, kot so svečniki, kljuke, ročaji, podstavki, vendar niso zelo obstojne ob izpostavljenosti UV-svetlobi. Za zaščito pred UV-svetlobo so patentirali prevleko, narejeno s PVD-postopkom, ki jo sestavlja več plasti. Plasti na površini izdelka si sledijo v naslednjem zaporedju: nikljeva ali polimerna plast, kromova plast, kovinska plast, tanka plast kovinskega oksida, zaporedje plasti kovine in podstehiometričnega nitrida, barvna plast nitrida prehodnih kovin in zelo tanka plast kovinskega oksida, ki dodatno ščiti pred korozijo.

V prijavi patenta GB 2455991 nizozemskega podjetja Hauzer Techno-Coatings je opisan način, kako obarvamo površino kovinskih izdelkov s štirimi različnimi pristopi. Bistvo vseh postopkov je sočasen ali izmeničen nanos trde presojne plasti (SiO_x, SiN, SiON, AI2O3, TiO₂, Cr₂O3, ZrO_x) in kovinske faze v obliki nanodelcev (npr. zlato, srebro, platina, baker). Barva je odvisna od gostote kovinskih nanodelcev v plasti in od debeline presojne plasti. Svetloba z izbrano valovno dolžino se na kovinskih nanodelcih absorbira zaradi vzbujanja plazmonskih nihanj. Interferenci svetlobe, ki se odbije na površini presojne plasti, in tiste, ki se odbije od površine podlage, se izognejo bodisi tako, da je debelina presojne plasti večja od koherentne dolžine uporabljene svetlobe (koherentna dolžina za svetlobo, ki izvira iz žareče volframove nitke v žarnici je nekaj pm). Drug pristop je v povečani gostoti kovinskih nanodelcev. Ker pa se pri tem zmanjša sijaj, so avtorji predlagali kombinacijo vrhnje plasti, v kateri so kovinski nanodelci in debelejše spodnje presojne plasti. Na barvo odbite svetlobe lahko dodatno vplivamo z izbiro odbojne plasti na površini izdelka. Za nanos vseh naštetih prevlek so uporabili naprševalnik s štirimi izviri za nanašanje. Podlage so nameščene na nosilec, ki zagotavlja večkratno vrtenje. Dve tarči sta npr. iz aluminija, iz katerih z reaktivnim naprševanjem nanesejo aluminijev oksid. V naslednji fazi se podlage premaknejo pred tarčo žlahtne kovine (zlato, srebro, platina, baker). Kljub kisikovi atmosferi se na podlage nanaša čista kovina, ki nukleira v obliki majhnih otočkov. Njihova velikost je odvisna od električne moči na tarči. V naslednji fazi nanašanja se ponovno nanaša oksidna plast.

Opis izuma

Izum po opisan s pomočjo slik, ki prikazujejo:

Slika 1: Shema naprave za magnetronsko naprševanje trdih dekorativnih trdih prevlek > ·

-6Slika 2: Shema plastne strukture dekorativne trde prevleke z določeno barvo. 1 - podlaga, 2 vmesna odbojna plast, 3 - vrhnja polprepustna plast

Slika 3: Fotografija vzorcev s plastjo (Ti,Al)N različnih debelin (20-70 nm) na plasti TiN debeline -400 nm.

Slika 4: Spektri odbojnosti plasti (Ti,Al)N debelin 20-70 nm na plasti TiN. Vzorci so prikazani na sliki 3.

Slika 5: CIELABa*,b* barvne vrednosti v plasti (Ti,Al)N debelin 20-70 nm na plasti TiN Slika 6: Shema plastne strukture dekorativne trde prevleke. 1 - podlaga, 2 - zaščitna trda prevleka, 3 - vmesna odbojna plast, 4 - vrhnja za vidno svetlobo polprepustna plast Slika 7: Fotografija frezal z dekorativno trdo prevleko modre barve. Plastna struktura je prikazana na sliki 6.

V izumu je opisan nov način priprave barvnih večplastnih trdih PVD prevlek. Novo pri tem izumu je, da so namesto oksidnih plasti uporabljeni za vidno svetlobo polprepustni materiali, ki absorbirajo del valovnih dolžin svetlobe, vendar prepuščajo dovolj svetlobe, da nastanejo intenzivne interferenčne barve. Pri postopku po izumu so interferenčne barve dosežene z nanosom večplastne strukture na podlago določenega izdelka, npr. orodja. Večplastna struktura je sestavljena iz treh plasti: 1.) zaščitne trde plasti, ki ščiti podlago pred obrabo in korozijo, 2.) tanke odbojne plast, ki dobro odbija del vidnega spektra in 3.) interferenčne plasti, ki je deloma prosojna za vidno svetlobo in skupaj z odbojno plastjo določa barvo izdelka. S takšno večplastno strukturo so lahko kombinirane zaščitne in dekorativne lastnosti.

Za doseganje intenzivnih interferenčnih barv kovinskega sijaja je potrebno uporabiti primerne materiale. Zaščitna plast je lahko enoplastna, večplastna ali nanostruktuma. Narejena je iz nitridov npr. TiN, CrN, (Ti,Al)N, karbidov npr. TiC, CrC, karbonitridov npr. Ti(C,N), oksidov npr. AI2O3 ali boridov npr. T1B2. Vmesna odbojna plast iz točke mora biti iz materiala, ki ima veliko odbojnost v vidnem delu elektromagnetnega spektra; to so lahko kovine, boridi, nitridi, karbidi ali karbonitridi. Vrhnja plast pa mora biti iz materiala, ki delno prepušča vidno svetlobo. Primerni materiali za vrhnjo za vidno svetlobo polprepustno plast so nitridi, karbidi, boridi prehodnih kovin ali pa plast na osnovi ogljika. Bistvena zahteva je, da ima velik lomni količnik in daje dovolj tanka, da prepušča del vidne svetlobe in povzroča interferenčne barve. Za prej omenjene materiale, ki so primerni za vrhnjo plast, velja da je ustrezna debelina med približno 1 nm in 300 nm. Prednost polprepustnih materialov je v tem, da se barva le minimalno

-7spreminja s kotom gledanja in ima površina izrazito kovinski sijaj. Kot polprepustne prevleke so lahko uporabljene nitridne trde prevleke, kot so npr. A1N, (Al,Ti)N, (Ti,Al)N. Prednost teh plasti je, da so zelo odporne na obrabo in korozijo.

Predmeti na katere se lahko nanesejo barvne prevleke so lahko osno simetrična orodja ali kak drug predmet, ki je namenjen uporabniku: npr. kuhinjski pribor, posode, deli kopalniške opreme kot npr. ročaj, vodovodna pipa, deli športnih pripomočkov, pripomočki za osebno uporabo, npr. očala, ure, zadrge, gumbi, avtomobilski deli npr. izpušna cev. Material podlage je lahko orodno jeklo ali karbidna trdina, druge kovine in njihove zlitine, plastika, keramika, nitrirana ali kakorkoli drugače obdelana površina. Pomembno je, da je barva izdelka enakomerna. Enakomerno barvo predmeta s komplicirano geometrijo dosežemo tako, da nanesemo čim bolj enakomerno debelo vrhnjo plast. Pri izdelkih s komplicirano geometrijo, kot so orodja, je težko zagotoviti nanos enakomerno debelih plasti. Če interferenčna plast ni enakomerno debela po celotnem izdelku, potem ima izdelek različne barve. Z računalniško simulacijo procesa nanašanja večplastnih struktur se lahko zagotovi enakomerno barvo po celotni površini orodja. V principu je dosežena enakomerna barva le primeru, če je predmet osno simetričen.

Večplastne trde prevleke, ki so osnova barvnih prevlek pripravimo z naprševanjem v napravi, ki ima štiri magnetronske izvire, kot je prikazano na sliki 1. Izbor tarč za posamezne izvire je odvisen od vrste večplastne strukture, ki jo želimo pripraviti. Tehnološki postopek za nanos večplastnih trdih prevlek na podlage oz. orodja sestavlja več zaporednih korakov. Pred nanosom prevleke je potrebno podlage primemo očistiti, zato da zagotovimo dobro oprijemljivost prevleke na podlago. Postopek čiščenja poteka v štirih fazah: 1.) mehansko čiščenje npr. peskanje, poliranje, 2.) kemijsko čiščenje v ultrazvočni kopeli z različnimi detergenti, izpiranje v deionizirani vodi in sušenje v vročem čistem zraku; 3.) seegrevanje podlag v vakuumu - razplinjevanje, 4.) jedkanje z ioni v vakuumski komori. Zadnji dve fazi se opravita v napravi za nanašanje plasti.

Po čiščenju podlag, se v vakuumski komori po sliki 1 nanaša tanke plasti. Vakuumsko komoro je treba izčrpati do visokega vakuuma (~ 10'³ Pa). Sledi segrevanje podlag na temperaturo okrog 450 °C. Pregrevanju sledi ionsko jedkanje podlag z Ar in Kr ioni pri delovnem tlaku okrog 0.1 Pa. V tej fazi so orodja na negativnem električnem potencialu. Sledi nanos večplastne prevleke z naprševanjem iz štirih magnetronskih izvirov za naprševanje. Napetost na tarčah je okrog -500V, značilna moč na tarčah pa okrog 10 kW. Poleg inertnih plinov kot sta Ar, Kr se uvaja v vakuumsko komoro tudi dušik. Del ionov inertnega in ·« ·

-8reaktivnega plina se pospeši tudi do podlag, ki so na negativni napetosti med 80 in 100V. Ti visokoenergijski delci izboljšajo adhezijo in vplivajo na mikrostrukturo prevleke. Za nanašanje večplastnih struktur je treba uporabiti PVD-sistem s tarčami različnih materialov. Večplastna struktura se nanese z rotacijo podlag od ene do druge tarče. V industrijskih napravah za nanašanje prevlek je to izvedeno tako, da miza na kateri so podlage, npr. orodja, kroži med prostorsko ločenimi tarčami. Podlage ponavadi krožijo okrog treh osi zato, da se zagotovi čim bolj enakomerno debelino plasti na orodju kompleksne oblike.

Trde zaščitne prevleke z možnostjo spreminjanja njihove barve po izumu se nanašajo na podlage ki so lahko orodje ali kak drug funkcijski izdelek kot je kuhinjski pribor, deli kopalniške opreme, športnih pripomočkov, pripomočki za osebno uporabo in je podlaga orodno jeklo, karbidna trdina, kovina, kovinska zlitina, keramika, nitrirana ali kakorkoli drugače obdelana površina. Zaščitne prevleke po izumu so značilne po tem, da jih sestavljajo naslednje plasti:

a) spodnja zaščitna plast trde prevleke, ki ščiti podlago pred obrabo in korozijo,

b) vmesna odbojna plast, ki dobro odbija svetlobo v vidnem delu spektra in ščiti podlago pred obrabo ter korozijo, vrhnja za vidno svetlobo delno prepustna plast, ki ščiti podlago pred obrabo in korozijo ter skupaj z vmesno plastjo določa barvo podlage.

Izvedbeni primeri

Sledi opis dveh izvedbenih primerov dekorativnih trdih prevlek. Prvi izvedbeni primer prikazuje vzorce različnih barv plasti (Ti,Al)N na plasti TiN. V drugem izvedbenem primeru pa je prikazano frezalo z modro dekorativno trdo prevleko.

Izvedbeni primer 1

Na sliki 1 je prikazana shema naprava za magnetronsko naprševanje trdih prevlek. V vakuumski komori 1 so štirje magnetronski izviri 2-5, miza za nosilce podlag 6 ter šest satelitov 7 na katerih so vpenjala za orodja 8. Miza 6, ki se vrti okrog svojega centra 9, je z

-9zobniki povezana s sateliti, ki se vrtijo okrog svojega centra 10. Vrtenje okrog tretje osi je nezvezno in je določeno z vzmetjo 11, ki zavrti podlago 12 za določen kot pri enem obratu okrog druge osi 10. V vakuumsko komoro 1 so vgrajeni še sistem za dotok reaktivnega in delovnega plina 13, grelniki 14 in vakuumske črpalke 15.

Postopek nanosa plasti je sestavljen iz treh delov: segrevanja, ionskega jedkanja in nanosa posameznih plasti. V prvi fazi se tlak v vakuumski komori 1 z vakuumskimi črpalkami 15 zniža do ~4mPa. Nato se vklopijo grelniki 14, ki segrejejo vakuumsko komoro do temperature -450 °C, kar omogoča degazacijo in segrevanje podlag na delovno temperaturo. V drugi fazi plazma očisti podlage 8. Plazmo se vžge s pomočjo delovnega plina argona in napetosti na tarčah 1^4. Ioni iz plazme jedkajo podlage od 10 do 30 min. Med jedkanjem se miza 1 z orodji 8 vri okrog treh osi 10-12. Ionsko jedkanje poteka v dveh režimih: enosmerni in pulzni. V tretji fazi se na podlage 8 nanese posamezne plasti. To se doseže s priklopom visoke napetosti na tarče 2-5, kar ustvari plazmo v bližini tarč. Ioni iz plazme se pospešijo proti tarči 2-5 in iz nje izbijajo atome, ki se razpršujejo po celotnem prostoru vakuumske komore 1. Hkrati se v komoro dovaja delovni plin, npr. dušik 13, ki skupaj z razpršenimi atomi tvori plast npr. nitrid. Tlak plina med naprševanjem je -1 Pa.

Slika 2 prikazuje shemo dvoplastne strukture dekorativne trde prevleke 2-3 na podlagi izdelka 1. Vrhnja plast 3 je polprepustna, medtem ko vmesna plast 2 dobro odbija svetlobo v vidnem delu spektra. Realizacija te sheme je prikazana na sliki 3, kjer je vrhnja plast polprepusten (Ti,Al)N, vmesna odbojna plast TiN, podlaga pa nerjavno jeklo. Plasti sta bili narejeni z magnetronskim naprševanjem po zgoraj opisanem postopku. Najprej se je nanašala samo plast TiN debeline -400 nm, nato pa plast (Ti,Al)N različnih debelin, od približno 20 do 70 nm. Na sliki 3 se jasno vidi, da se barva vzorcev spreminja z debelino (Ti,Al)N plasti od rumene, vijolične, temno vijolične do modre.

Slika 4 prikazuje spektre odbojnosti vzorcev iz slike 3. Iz spektrov odbojnosti se vidi, da dvoplastna struktura TiN/(Ti,Al)N močno absorbira svetlobo nekaterih valovnih dolžin. Absorpcijski minimum je odvisen od debeline vrhnje plasti. Z večanjem debeline vrhnje plasti se absorpcijski minimum premika k daljšim valovnim dolžinam in tako spreminja barvo dvoplastne strukture. Slika 5 prikazuje CIELABa*,b* barvne vrednosti, ki se v širokem obsegu spreminjajo z debelino plasti (Ti,Al)N.

-10Izvedbeni primer 2

Drugi primer opisuje triplastno dekorativno trdo prevleko. Slika 6 prikazuje shemo triplastne strukture 2-4 na podlagi izdelka 1. Triplastna struktura 2-A je sestavljena iz spodnje zaščitne plasti 2, vmesne odbojne plasti 3 in vrhnje polprepustne plasti 4. Vse tri plasti 2-4 so narejene iz materialov trdih prevlek npr. TiN, CrN, TiC, ZrN, (Ti,Al)N. Za nastanek interferenčnih barv je bistveno, daje vrhnja plast 4 deloma prepustna za svetlobo in da vmesna plast 3 dobro odbija vidni del svetlobnega spektra. Funkcija spodnje plasti je, da ščiti površino izdelka pred obrabo in korozijo.

Primer modre triplastne strukture (Ti,Al)N/TiN/(Ti,Al)N na frezalih je prikazan na sliki 7. Triplastna prevleka je bila narejena na enak način kot je opisano v izvedbenem primeru 1. Takšna dekorativna trda prevleka omogoča dobro zaščito frezal pred obrabo in korozijo ter jim daje prepoznavno modro barvo. Barva izdelka s komplicirano površino kot je frezalo se lahko precej spreminja zaradi neenakomernega nanosa vrhnje plasti. Ta problem je bil rešen z računalniško simulacijo, s katero je mogoče izračunati debelino posameznih plasti na podlagah s komplicirano površino. S poznavanjem začetnih pozicij in geometrije vakuumskega sistema ter procesa naprševanja se lahko izračuna trajektorijo, ki zagotavlja enakomeren nanos plasti in s tem enakomerno barvo.

Claims (5)

1. Patentni zahtevki

   1. Trde zaščitne prevleke z možnostjo spreminjanja njihove barve, kjer je podlaga lahko orodje ali kak drug funkcijski izdelek kot je kuhinjski pribor, deli kopalniške opreme, športnih pripomočkov, pripomočki za osebno uporabo in je podlaga orodno jeklo, karbidna trdina, kovina, kovinska zlitina, keramika, nitrirana ali kakorkoli drugače obdelana površina, označene s tem, da jih sestavljajo naslednje plasti:

   c) spodnja zaščitna plast trde prevleke, ki ščiti podlago pred obrabo in korozijo,

   d) vmesna odbojna plast, ki dobro odbija svetlobo v vidnem delu spektra in ščiti podlago pred obrabo ter korozijo,

   e) vrhnja za vidno svetlobo delno prepustna plast, ki ščiti podlago pred obrabo in korozijo ter skupaj z vmesno plastjo določa barvo podlage.
2. 2. Prevleke po zahtevku 1, označene s tem, da je spodnja zaščitna plast iz materialov kot so nitridi, karbidi, karbonitridni, oksidi in boridi.
3. 3. Prevleke po zahtevku 1, označene s tem, daje vmesna odbojna plast iz materiala, ki ima veliko odbojnost v vidnem delu elektromagnetnega spektra in je iz materialov kot so nitridi, karbidi, karbonitridi, boridi, kovine ali zlitine.
4. 4. Prevleke po zahtevku 1, označene s tem, daje vrhnja plast debeline med 1 nm in 300 nm, ki prepušča del vidne svetlobe in je iz materialov kot so nitridi, karbidi, karbonitridni, oksidi in boridi.
5. 5. Prevleke po zahtevku 0, označene s tem, da so plasti narejene s fizikalnimi postopki nanašanja iz parne faze kot sta naparevanje ali naprševanje.