專利名稱：涂有多層涂層的物件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及裝飾性和保護(hù)性的涂層。
目前，對于各種黃銅物件如燈具，三角架，水龍頭，門鈕，門把手，門飾框等，首先磨光，并且把物件表面拋光達(dá)到高的光潔度，然后將一層有機(jī)保護(hù)層，如由丙烯酸，聚氨酯橡膠，環(huán)氧樹脂等，施加到拋光的表面上。此系統(tǒng)存在缺點，需要磨光和拋光操作，特別是如果物件的形狀復(fù)雜，則勞動強(qiáng)度大。而且，已知的有機(jī)涂層的耐久和耐磨達(dá)不到所需的要求。
這些缺陷通過下述方法得到改善，該涂層包括一層鎳底層和一層不貴重的高熔點金屬化合物，如氮化鋯，氮化鈦和鋯鈦合金氮化物頂層。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈦存在于涂層中時，例如氮化鈦和鋯鈦合金氮化物，在腐蝕的環(huán)境中，涂層會受到電化腐蝕。電蝕使涂層失效。業(yè)已驚奇地發(fā)現(xiàn)，由鋯化合物組成的層，如氮化鋯和鋯合金化合物，出現(xiàn)在包含有鈦化合物或者鈦合金化合物的層上面時，可以顯著減少或者消除電蝕。
本發(fā)明涉及一種用于基體，特別是金屬基體的裝飾性和保護(hù)性的涂層。特別是，本發(fā)明涉及一種基體，特別是一種金屬基體，如黃銅，其表面的至少一部分具有涂層，該涂層由多個特定種類的金屬或者金屬化合物的疊置層組成，其中至少一層包含鈦或者鈦合金。涂層具有裝飾性，并且可防止腐蝕，抗磨損和化學(xué)腐蝕。在一個實施例中，涂層提供具有金黃色調(diào)的拋光的黃銅的外觀，即具有金黃的黃銅色調(diào)。因此，具有涂層的物件表面使拋光的黃銅具有金黃色調(diào)。
直接鍍在基體表面上的第一層由鎳組成。第一層可以是整體的，即單獨的鎳層，或者可以包括兩種不同的鎳層，如半亮鎳層直接鍍在基體表面上，亮的鎳層疊置在半亮的鎳層的上面。在鎳層上面是一層包括鉻的層。在鉻層上面是撞擊層，由鈦或者鈦合金組成。在鈦或者鈦合金層上面是含鈦化合物或者鈦合金化合物層。
在鈦化合物或者鈦合金化合物層上面是包括鋯化合物或者鋯合金化合物薄層。此層的作用是減少或者消除電蝕。


圖1是基體上涂有多層涂層的截面剖視圖，未按比例。
最佳實施例基體12可以是任何塑料、金屬或者金屬合金。金屬或者金屬的合金的基體的例證，是銅，鋼，黃銅，鎢，鎳合金等。在一個實施例中基體是黃銅。
采用傳統(tǒng)的公知的電鍍工藝將鎳層13鍍在基體12的表面上。這些方法包括采用傳統(tǒng)的電鍍液，例如，瓦茨液作為電鍍液。具體是，這些電鍍液包括硫酸鎳，氯化鎳，和溶于水中的硼酸。所有的氯化物，氨基磺酸鹽和氟硼酸鹽鍍液也可以采用。這些鍍液可以選取包括幾個公知的一般采用的化合物，如均化劑，光亮劑等。為了產(chǎn)生有金屬光澤的光亮的鎳層，將至少一個I級光亮劑和至少一個II級光亮劑加入到鍍液中。I級光亮劑是包含硫的有機(jī)化合物，II級光亮劑是不包含硫的有機(jī)化合物。II級光亮劑也能產(chǎn)生均化作用，并且當(dāng)加入到鍍液中而無含硫的I級光亮劑時，則導(dǎo)致半光亮的鎳的涂鍍。這些I級光亮劑包括烷基萘和苯磺酸。苯和萘雙三磺酸，苯和萘磺酰氨和磺酰氨，如鄰磺酰苯甲酰亞氨，乙烯和烯丙基磺酰氨和磺酸。II級光亮劑通常是不飽和有機(jī)材料，如炔醇和烯醇，乙氧基和丙氧基炔醇，香豆素和醛。這些I級和II級光亮劑是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的并且有市售。在美國專利US 4,421,611中對此有描述，在這里引入僅作為參考。
鎳層13可包括單一的鎳層，如光亮鎳，或者可以包括兩種不同的鎳層，如半光亮鎳層和光亮的鎳層。在圖中，層14由半光亮的鎳組成，而層16由光亮的鎳組成。這樣的雙層鎳鍍層對下面的基體可改善腐蝕保護(hù)。半光亮的無硫鍍層14由傳統(tǒng)的電鍍方法直接鍍在基體12的表面。然后，也是通過傳統(tǒng)的電鍍方法，包含半光亮鎳層14的基體12在光亮的鎳的鍍液中，半光亮鎳層14鍍上光亮的鎳層16。
鎳層13的厚度通常在大約百萬分之100(0.0001)英寸，最好是在約百萬分之150(0.00015)英寸到約百萬分之3500(0.0035)英寸。
在一個實施例中，采用雙層的鎳層，半光亮鎳層和光亮鎳層的厚度可以有效地提供改善的抗腐蝕保護(hù)。通常，半光亮鎳層14的厚度是至少約百萬分之50(0.00005)英寸，較好是至少大約百萬分之100(0.0001)英寸，并且最好是至少大約百萬分之150(0.00015)英寸。厚度的上限通常不嚴(yán)格，并且通過考慮如成本和外觀來掌握。但是，通常厚度不應(yīng)超過約百萬分之1500(0.0015)英寸，較好是不超過大約百萬分之1000(0.001)英寸，最好是不超過大約百萬分之750(0.0075)英寸。光亮鎳層16的厚度通常是至少約百萬分之50(0.00005)英寸，較好是至少大約百萬分之125(0.000125)英寸，并且最好是至少大約百萬分之250(0.00025)英寸。厚度的上限通常不嚴(yán)格，并且通過考慮如成本來掌握。但是，通常厚度不應(yīng)超過約百萬分之2500(0.0025)英寸，較好是不超過大約百萬分之2000(0.002)英寸，最好是不超過大約百萬分之1500(0.0015)英寸。光亮鎳層16還有均化層的作用，覆蓋或者充填基體的缺陷。
在鎳層13上，特別是在光亮鎳層上鍍有一層由鉻組成的層22。鉻層22可以由一般的公知的鍍鉻工藝鍍在層13上。這些工藝和各種鍍鉻液公開在1998年6月的金屬拋光第105～108頁的Brassard的“裝飾性電鍍--轉(zhuǎn)換的方法”；最好是PF指南第146～160頁的Zakir的“鍍鉻”；及美國專利US 4,460,438，4,234,396和4,093,522，這些在此引入僅作為參考。
鍍鉻液是公知的并且有市售。一種典型的鍍鉻液包含鉻酸或者鉻酸鹽，及催化劑離子，如硫酸鹽或者氟化物。催化劑離子可以由硫酸或者硫酸鹽和氟硅酸來提供。鍍液的操作溫度可以是約112°～116°F。鍍鉻時在采用約5～9伏特時，電流密度通常是約每平方英尺150安培。
鉻層22用于提供蒸汽鍍層的結(jié)構(gòu)完整性，或者降低或消除鍍層的塑性變形。鎳層13比鈦化合物或者鈦合金化合物層30軟。因此，一個物體撞擊或者壓在層30上不會陷入此相對較硬的層，這個力傳遞到下面的較軟的鎳層13，使其發(fā)生塑性變形。鉻層22比鎳層硬，抵抗鎳層13承受的塑性變形。
鉻層22具有一個厚度，至少有效地提供結(jié)構(gòu)完整性，或者降低鍍層的塑性變形。這個厚度是至少約百萬分之2(0.000002)英寸，較好是至少大約百萬分之5(0.000005)英寸，并且最好是至少大約百萬分之8(0.000008)英寸。厚度的上限通常不嚴(yán)格，并且通過考慮如成本來掌握。但是，鉻層的厚度通常不應(yīng)超過約百萬分之60(0.00006)英寸，較好是不超過大約百萬分之50(0.00005)英寸，最好是不超過大約百萬分之40(0.00004)英寸。
鉻層22的上面是撞擊層28，由鈦或者鈦合金組成，撞擊層28的作用首先是改善鈦化合物或者鈦合金化合物層30與鉻層22的粘結(jié)。通常，這個厚度是至少約百萬分之0.25(0.00000025)英寸，較好是至少大約百萬分之0.5(0.0000005)英寸，并且最好是至少大約百萬分之一(0.000001)英寸。厚度的上限通常不嚴(yán)格，并且通過考慮如成本和外觀來掌握。但是，層28的厚度通常不應(yīng)超過約百萬分之50(0.00005)英寸，較好是不超過大約百萬分之15(0.000015)英寸，最好是不超過大約百萬分之10(0.00001)英寸。
撞擊層28上面是層30，由鈦化合物或者鈦合金化合物組成。層30的作用是抗磨損，并且提供所需要的顏色和外觀，如具有金黃色調(diào)的黃銅。層30具有的厚度能夠抗磨損，并且提供所需要的顏色和外觀。顏色由層30的組成決定。因此鈦鋯氮化物提供金黃色調(diào)的黃銅。
通常，層30具有的厚度是至少約百萬分之2(0.000002)英寸，較好是至少大約百萬分之4(0.000004)英寸，并且最好是至少大約百萬分之6(0.000006)英寸。厚度的上限通常不嚴(yán)格，并且通過考慮如成本來掌握。厚度通常不應(yīng)超過約百萬分之100(0.0001)英寸，較好是不超過大約百萬分之50(0.00005)英寸，最好是不超過大約百萬分之30(0.00003)英寸。
與鈦合金形成鈦合金或者鈦合金化合物的金屬是不貴重的高熔點金屬。這些包括鋯，鉿，鉭和鎢。鈦合金通常包括約10～90重量百分比的鈦和90～10重量百分比的其它不貴重的高熔點金屬，最好是包括約20～80重量百分比的鈦和80～20重量百分比的其它不貴重的高熔點金屬。鈦化合物或者鈦合金化合物包括氧化物，氮化物和碳氮化物。
在一個實施例中，層30由鈦鋯合金氮化物組成，層28由鈦鋯合金組成。在此實施例中，鈦鋯合金氮化物層具有金黃色調(diào)的黃銅的顏色。
形成層28和30的方法是，采用公知的一般的蒸鍍工藝，如物理蒸鍍或者化學(xué)蒸鍍。物理蒸鍍方法包括噴射和陰極電弧蒸發(fā)。在本發(fā)明的一個方法中，噴射或者陰極電弧蒸發(fā)用于鈦合金或者鈦層28鍍層，然后采用活性的噴射或者活性的陰極電弧蒸發(fā)鍍成鈦合金化合物如鈦鋯氮化物或者鈦化合物如氮化鈦的層30。
為了形成層30，其中鈦化合物或者鈦合金化合物是氮化物，在蒸鍍過程中，如活性噴射和活性陰極電弧蒸發(fā)，以所需的值或者流速引入氮氣，以形成氮化鈦或者鈦合金氮化物。
層30上面是層34。層34由一鋯化合物或者一鋯合金化合物組成。鋯化合物或者鋯合金化合物是氧化物，氮化物，碳化物和碳氮化物。與鋯合金形成鋯合金化合物的金屬是不貴重的高熔點金屬化合物，不包括鈦。鋯合金包括約30～90重量百分比的鋯，其余是不包括鈦的其它不貴重的高熔點金屬，較好是包括約40～90重量百分比的鋯，其余是不包括鈦的其它不貴重的高熔點金屬。最好是包括約50～90重量百分比的鋯，其余是不包括鈦的其它不貴重的高熔點金屬。
當(dāng)層30是鋯鈦合金氮化物時，層34可以是，例如，氮化鋯。
層34很薄，薄得足以使得其是透光的，半透明的或者透明的，以便可以看到層30的顏色。但是，其厚度應(yīng)足以顯著地減少和消除電化腐蝕。通常層34具有的厚度是約百萬分之0.07～百萬分之0.7英寸，較好是大約百萬分之0.2～百萬分之0.3英寸。
層34可以由公知的一般的蒸鍍工藝鍍成，包括物理蒸鍍和化學(xué)蒸鍍，如活性噴射和活性陰極電弧蒸發(fā)。
噴射工藝和設(shè)備在先公開在1991年的學(xué)院出版社的J.Vossen和W.Kern的“薄膜工藝II(Thin Film Processes II)”；1995年Noyes出版社的R.Boxman等人的“真空電弧科技”；以及美國專利US4,162,954和US 4,591,418，這些文件在此引用僅作為參考。
簡言之，在噴射鍍過程中，一種高熔點金屬(如鈦或者鋯)靶作陰極，基體被置于真空腔中。腔室中的空氣被抽空，從而在腔室中產(chǎn)生負(fù)壓條件。一種隋性氣體，如氬氣被通入到腔室中。氣體粒子被離子化，并且向著靶加速，撞出鈦或者鋯原子。撞擊的靶材料然后鍍在基體上形成鍍膜。
在陰極電弧蒸發(fā)中，通常用幾百安培的電弧轟擊金屬陰極，如鋯或者鈦的表面。電弧使陰極材料蒸發(fā)，然后凝結(jié)在基體上形成鍍層。
活性陰極電弧蒸發(fā)和活性噴射通常與普通的噴射和陰極電弧蒸發(fā)類似，只是將活性氣體通入到腔室中，與撞出的靶材料發(fā)生反應(yīng)。這樣，當(dāng)層32是氮化鋯時，陰極由鋯組成，氮氣是通入到腔室中的活性氣體。通過控制與鋯發(fā)生反應(yīng)的氮氣的量來調(diào)整氮化鋯的顏色使之與不同的色調(diào)的黃銅的顏色類似。
為了使本發(fā)明能夠被理解得更好，提供下面的例子。該例子只是說明性的，并不是對本發(fā)明的限定。
例1將黃銅水龍頭置于通常的浸泡清洗液中，該清洗液包含標(biāo)準(zhǔn)的和公知的肥皂，清洗劑，懸浮劑等，其保持在pH值8.9～9.2，溫度為145～200°F達(dá)10分鐘。然后將黃銅水龍頭置于通常的超聲堿性清洗液中。超聲清洗液的pH值為8.9～9.2，溫度保持在160～180°F，并且該清洗液包含通常的公知的肥皂，清洗劑，懸浮劑等。超聲清洗以后，將水龍頭漂洗，并置于通常的堿電清洗液中約50秒。電清洗液保持溫度約140～180°F，pH值約為10.5～11.5，包含標(biāo)準(zhǔn)的通常的清洗劑。然后將水龍頭漂洗，并置于通常的酸反應(yīng)液中約20秒。酸反應(yīng)液的pH值約為2.0～3.0，在環(huán)境溫度中，并且包含氟化鈉基酸鹽。
然后將水龍頭置于通常的標(biāo)準(zhǔn)的光亮鎳鍍液中約12分鐘。光亮鎳鍍液通常是通常的鍍液，溫度保持在130～150°F，pH值約為4.0～4.8，包含NiSO4，NiCl2，硼酸，和光亮劑。平均厚度約為百萬分之400(0.0004)英寸的光亮鎳層鍍在水龍頭上。鍍有光亮鎳的水龍頭被漂洗三遍，然后置于一般市售的六價鉻鍍液中達(dá)7分鐘，采用一般的鍍鉻裝置。六價鉻鍍液是通常的公知的，其包含約32盎司/加侖鉻酸。鍍液還包含通常公知的鍍鉻添加劑。鍍液的溫度保持在112～116°F，并且采用混合的硫酸鹽/氟化物催化劑。鉻酸與硫酸鹽的比值是約200∶1。約百萬分之10英寸的鉻層鍍在光亮鎳層的表面。水龍頭在去離子水中徹底漂洗，然后干燥。將鍍鉻的水龍頭置于陰極電弧蒸發(fā)電鍍槽中。電鍍槽通常是圓柱形外殼，包括有負(fù)壓腔，采用泵抽取。氬氣源與腔室相連，由調(diào)節(jié)閥改變氣體的流速。
一個圓柱形的鋯鈦合金陰極安裝在腔室的中心，與可調(diào)的直流電源的負(fù)極輸出端相連。電源的正極與腔室壁相連。陰極材料包括鋯和鈦。
電鍍的水龍頭安裝在心軸上，16個水龍頭安裝在環(huán)繞陰極外側(cè)的環(huán)上。整個環(huán)繞陰極旋轉(zhuǎn)，各心軸還繞其自身的軸旋轉(zhuǎn)，形成所謂的行星運(yùn)動，使繞心軸安裝的多個水龍頭均勻地暴露于陰極。環(huán)通常以每分鐘幾圈的速度轉(zhuǎn)動，而環(huán)轉(zhuǎn)動每一圈時各心軸轉(zhuǎn)動數(shù)圈。心軸與腔室是電絕緣的，并提供可轉(zhuǎn)動的接觸，使得在電鍍過程中可以給基體施加偏壓。
負(fù)壓腔抽取到約5×10-3毫巴的壓力，加熱到約150℃。
然后電鍍水龍頭進(jìn)行高偏壓電弧等離子清洗，將(負(fù))偏壓約500伏特加在電鍍水龍頭上，而大約500安培的電弧持續(xù)撞擊在陰極上。清洗的時間約為5分鐘。通入氬氣，通入的速度足以保持約3×10-2毫巴的壓力。在3分鐘時間內(nèi)，一層平均厚度約為百萬分之4英寸的鋯鈦合金就鍍在鍍有鉻的水龍頭上。陰極電弧鍍法包括將直流電源加在陰極上，達(dá)到約500安培的電流，在電鍍槽中通入氬氣，保持槽中壓力為1×10-2毫巴，如上所述以行星方式轉(zhuǎn)動水龍頭。
當(dāng)鋯鈦合金層被鍍成以后，一層更厚的鋯鈦氮化物的化合物“顏色層”鍍在鋯鈦合金層上。氮氣流通入到負(fù)壓腔，電弧在大約500安培下持續(xù)放電。氮氣流速設(shè)置得足夠高，以使到達(dá)基體的鋯鈦合金原子充分反應(yīng)，形成鋯鈦氮化物的化合物。電鍍的總時間約30分鐘。在電鍍過程結(jié)束時，電弧熄滅，負(fù)壓腔通風(fēng)，取出已鍍成的基體。
鋯鈦氮化物的化合物層被鍍成以后，最后的薄的非視力密度的閃光層氮化鋯層被鍍成，以增強(qiáng)抗腐蝕能力，達(dá)到所需的最后的顏色。被鍍成的基體部件被置于另一個安裝有主要由鋯金屬組成的圓柱形陰極目標(biāo)的腔中。腔被抽取到前面所描述的壓力，如前所述，部件由高偏壓電弧等離子再次清洗。清洗過程完成以后，陰極電弧電鍍過程重復(fù)進(jìn)行，將氮氣和氬氣流設(shè)置得足夠高，以充分或者接近充分地進(jìn)行由鋯金屬到氮化鋯化合物的反應(yīng)。此閃光過程進(jìn)行1～3分鐘。最后，電弧熄滅，負(fù)壓腔通風(fēng)，取出已鍍成的基體。
本發(fā)明的一些實施例為了說明已進(jìn)行描述，應(yīng)該明白，在本發(fā)明的一般范圍內(nèi)可以有各種實施例和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種至少在其表面的一部分上有一涂層的物件，包括至少一層由鎳組成的層；由鉻組成的層；由鈦或者鈦合金組成的層；由鈦化合物或者鈦合金化合物組成的層；和由鋯化合物或者鋯合金化合物組成的層。
2.如權(quán)利要求1的物件，其特征在于，所述鈦化合物是氮化鈦，以及所述鈦合金化合物是鈦鋯合金氮化物。
3.如權(quán)利要求2的物件，其特征在于，所述鈦合金是鈦鋯合金。
4.如權(quán)利要求3的物件，其特征在于，所述鋯化合物是氮化鋯。
5.如權(quán)利要求3的物件，其特征在于，所述鋯合金化合物是鋯合金氮化物。
6.如權(quán)利要求1的物件，其特征在于，所述由鎳組成的至少一層是由光亮鎳組成。
7.一種至少在其表面的一部分上有一涂層的物件，包括由半光亮鎳組成的層；由光亮鎳組成的層；由鉻組成的層；由鈦或者鈦合金組成的層；由鈦化合物或者鈦合金化合物組成的層；和由鋯化合物或者鋯合金化合物組成的層。
8.如權(quán)利要求7的物件，其特征在于，所述鈦化合物是氮化鈦。
9.如權(quán)利要求8的物件，其特征在于，所述鈦合金化合物是鈦鋯合金化合物。
10.如權(quán)利要求9的物件，其特征在于，所述鈦鋯合金化合物是鈦鋯合金氮化物。
11.如權(quán)利要求10的物件，其特征在于，所述鋯化合物是氮化鋯。
12.如權(quán)利要求10的物件，其特征在于，所述鋯合金化合物是鋯合金氮化物。
13.如權(quán)利要求7的物件，其特征在于，所述鋯化合物是氮化鋯。
14.如權(quán)利要求7的物件，其特征在于，所述鋯合金化合物是鋯合金氮化物。
全文摘要
一種有涂層物件,包括至少一層鎳層;一鉻層;一層由鈦或者鈦合金組成的層;一層由鈦化合物或者鈦合金化合物組成的層;和一鋯化合物或者鋯合金化合物層。
文檔編號C23C28/00GK1259589SQ9912098
公開日2000年7月12日 申請日期1999年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月1日
發(fā)明者帕特里克·B·約特, 威廉·K·格蘭特 申請人:印地安納馬斯科公司