专利名称：在金属材料的表面加以着色的工艺和使用这种方法所获得的物品的制作方法
技术领域：
本发明关于形成氧化膜从而在金属材料的表面加以着色的工艺。对扁平物品，例如钢板，尤其是不锈钢板的着色尤为有用。
金属材料的着色，尤其是不锈钢板的表面着色，主要是应用在建筑领域。如此着色过的部件可用于建筑物的屋顶或护墙。经这样着色后也可用于内装饰件，旋塞、龙头和管接件用具，也可用于各种家庭用品等等。
众所周知，通过在金属表面上形成氧化膜并使光干扰现象建立起来可以获得这种着色的处理。在已知材料中看到的颜色是沉积膜厚度的一个函数。
传统上不锈钢着色采用的方法是将待着色的材料浸渍于氧化性溶液中通过化学反应产生这种氧化膜的方法，氧化性溶液是含有硝酸盐、铬酸盐或过锰酸盐离子的浴槽(USA专利4，692，191)。也可应用电化学方法以产生这种表面氧化。
然而，使用这样的氧化浴要求严格的保护措施以防止环境污染，进一步而言，这些氧化浴浸蚀金属而始终不可能保持材料的初始表面质量。
本发明的目的是提供一种快速、无污染的金属材料着色，尤其是不锈钢板的着色方法，另外，该方法还能使待着色的材料保持其原有的外观，例如光亮或缎子般外观。
为此，本发明的实质是一种在金属材料的表面上加以着色的工艺，即在所述材料的表面上产生一层受控厚度的氧化膜，其特征是金属材料利用低温等离子体，在含有至少一种气体-它的分子含氧原子-的气氛中承受表面处理，且气体与一种含有几种元素的源材料接触，这种元素的氧化物是用来沉积在待着色的材料上，所述的源材料相对于待着色材料而言是阴电性极化，而且是面向待着色材料的表面放置的。
在优选实施例中，等离子体系由阳极和阴极间的电致发光放电产生，阴极系源材料组成，而且对待着色材料组成的阳极而言是可能的。
气氛最好由20-80%体积的氧和氮混合物。
所谓源材料是指构成原子床的物品用于在氧化形式下，在待着色的材料上形成沉积。
依据本条件，本工艺系将材料放在含氧化性等离子区的封闭环境中。该等离子体使原子从源材料的表面上分离出来。这些原子与等离子体中的氧相结合并沉积在待着色材料的表面上。作为一种光干扰现象的结果，这种材料的表面被抹上了一层颜色，该颜色是那样形成的氧化膜厚度的函数，也就是处理持续时间的函数。
已知知道在一种由稀有气体-例如氩气-组成的气氛中，利用等离子体对金属材料表面加以表面处理的例子。在这种处理中，阴电性极化的材料表面遭到等离子体离子的轰击，这种轰击引起材料表面的原子被分离。
在以前的专利申请中(FR-qq/05，091)，以申请人名义披露了一种改进金属材料耐腐蚀的方法。在这种方法中，被处理的材料作为阴极放在由电致发光放电获得的等离子体中，而且处在低压(低于1000Pa)的气氛中。这样形成的等离子体通常被当作“冷”或“低温”型等离子体，与称之为“热”等离子体的热核裂变等离子体不同。低温等离子体的电离度较低(10-7至10-3)。传输给电子-其数量不多-的能量却很高(1至10ev)。这些能量使气体受到加热，它的温度范围可从20到约700℃，并产生大量的受激态物质。
发明者已经发现，在含氧化性气体的气氛情况下，即使其浓度很低，从起源于阴极的金属原子所形成的金属氧化膜被发现在阳极上。由于建立起光干扰效应，这层膜使金属材料的表面产生颜色，其结果与通常使金属材料生色的化学和电化学方法获得的结果类似。另外，此操作不会使材料的初始表面外观，象光亮或缎子般外观受到影响，这是与以前使材料受到表面浸蚀的各种方法是不同的。
为了以受控方式获得这种氧化物沉积，一个操作方法列举如下。将一块表面需着色的金属材料，例如不锈钢板放在一个封闭环境内。后者含带氧原子的气体，并能够在面对面放置的阴、阳极之间建立起来的电致发光放电所离子化。阳极由待着色材料本身所组成，而阴极则与工艺封闭环境中气体接触。
阴极是金属板，系由例如铁素体不锈钢或奥氏体不锈钢，铬不锈钢，钛、铝或类似材料所组成。作为一般规律，阴极材料的性质决定了沉积在待着色部件上的氧化物的性质。采用铁素体不锈钢时，沉积物由氧化铁和氧化铬组成。用奥氏体不锈钢时，沉积物还含有氧化镍。用铬钢时，沉积物基本上是铬氧化物。用纯钛或铝时，沉积物则为二氧化钛或氧化铝。对沉积在待着色部件上的氧化物的性质的选择则取决于沉积后观察到的一些特性，例如其粘附性或其耐腐蚀性而定。
工艺封闭环境中的气氛是一种稀薄气氛，其压力小于1000Pa。已经提到，它至少含有甚至仅呈痕量状态的一种显示出氧化能力和易于电离的气体。因此，作为实例可选用氧、臭氧、空气、二氧化碳、各种氮的氧化物和水蒸气。一个或几个这些气体和中性气体，例如氩气的混合物也可应用。实际上，应用重配的空气将是可以的，这是说，含有80%体积百分数的氮和20%体积百分数氧的混合气。自然空气的使用简化了封闭环境中产生低压的问题。
在阳极材料表面上显现的颜色是氧化物沉积的厚度的函数。这层厚度为几百埃数量级，其究竟多厚取决于-在经受放电的阳极和阴极间维持的电压，该电压的范围是200至5000伏。
-在阳极上的电流密度，其范围是1到100毫安/厘米2。
-沉积作用进行的时间，其范围是60分钟以内。
-阳极和阴极之间的距离，其范围从1毫米到几厘米，最好是从1毫米至50毫米。
很易用实验来获得已知工艺条件下产生什么颜色。颜色的均匀性取决于将予以着色的材料的表面质量、取决于其温度的均匀性以及取决于材料和阴极之间平行度调节是否良好。另一方面，颜色与沉积物的化学组成无关。
氧化膜的厚度随下述情况增加-工艺时间增加-阳极的电流密度增加-电极间的电压增加-电极间的距离减少举例来说，不锈钢板的表面大小为70×120毫米，在含80%氮和20%氧的气氛下，承受300毫安强度的电流(即其电流密度为3.6毫安/厘米2)，电极间的电压为1200伏，不锈钢板的阴极的距离为10毫米，估计其颜色如下一经2至4分钟的处理黄至粉红黄一经5至6分钟的处理紫红一经7至12分钟的处理深兰至淡兰一经18分钟处理黄一经22分钟处理粉红一经27分钟处理兰-绿一经30分钟处理绿一经60分钟处理粉红通过掩蔽法可在待着色材料上作出花纹，掩蔽使材料能够改变暴露在不同面积试样下的等离子体的时间，并因此改变复盖在材料上的氧化膜的厚度。通过将阴极与试样排成倾斜的角度可以获得浓淡不一的色调，连续地改变电极间的距离，因此也就相应改变了沉积在阳极上的膜的厚度。再说，欲在非平面的物品上获得均匀的着色效果，则需采用同一形状的阴极并使其与着色物品成平行排列。
很显然，发明并不仅限于上面说明的例子。例如，待着色的材料可以只是面向着阴极源材料放置，本身并不包括在产生电致发光放电的电路中。同样，所需的低温等离子体除了电致发光放电外可以由各种工艺方法所产生。作为实例，还提到了用微波或射频来激励气氛。但在所有的情况下，施加到源材料上的电压一定要低于待着色的材料的电压。
着色的物品通常显然不能连续地被用来进行表面处理，那会掩盖所获得的色调。这就是为什么发明主要应用于不锈钢板的缘故。在使用不锈钢情况下，这样的处理对处于平常的周围气氛下的物品的良好保护不是必要的。
权利要求
1.在金属材料的表面上，通过在所述材料的表面产生一层受控厚度的氧化膜而使其着色的工艺，其特征是金属材料在含至少一种气体的气氛中用低温等离子体加以表面处理，气体的分子中含氧原子，并与含某些元素的源材料接触，这些元素的氧化物是用来沉积在待着色的材料上的，所述的源材料对于待着色的材料而言是阴电性极化的。
2.按权利要求1所述的工艺，其特征是低温等离子体是由阳极和阴极间的电致发光放电而产生的，阴极由源材料构成。
3.按权利要求2所述的工艺，其特征是阳极由待着色的材料构成。
4.按权利要求1至3的工艺，其特征是所述的气体选自氧气、臭气、空气、氮的氧化物、水蒸气以及这些气体与一种中性气体的混合物。
5.按权利要求2或3的工艺，其特征是操作电压为200至5000伏。
6.按权利要求2、3或5中任一个的工艺，其特征是阳极电流密度应达到1至100毫安/厘米2。
7.按权利要求1至6中任一个的工艺，其特征是源材料和待着色材料之间维持1至50毫米的距离。
8.用氧化膜在表面着色的金属物品，其特征是所述的膜通过使待着色的材料在含有至少一种气体-它的分子中含氧原子的气氛中受到低温等离子体的作用而形成的，气体与含某些元素的源材料接触，这些元素的氧化物是用来沉积在待着色的材料上的，所述的源材料相对于待着色的材料而言是阴电性极化的。
9.按权利要求8的金属物品，其特征是它由一块板材或一片材所构成。
10.按权利要求8或9的金属物品，其特征是它由不锈钢组成。
全文摘要
本发明系通过形成氧化膜而在金属材料的表面上加以着色的工艺以及以这种方法获得的物品。待着色的材料利用低温等离子体，在含至少一种气体(它的分子含氧原子)的气氛中加以表面处理。本发明主要用于板材和片材，尤其是不锈钢的着色上。
文档编号C23C14/38GK1046566SQ9010229
公开日1990年10月31日 申请日期1990年4月18日 优先权日1989年4月18日
发明者皮埃尔·德·热里 申请人:萨西勒制造股份有限公司