СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G03F7/00 B44B5/00 

Изобретение относится к технологии обработки металлов, а именно к способам получения на поверхности изделий из металлов микрорельефной структуры и может использоваться, например, для маркировки изделий из благородных металлов.

Известные способы обработки металлов, такие как штамповка, алмазная нарезка, электроискровая обработка и т.д. не обеспечивают получения микрорельефной структуры на поверхности металла с характерным размером порядка 1 мкм. Именно на такой структуре благодаря интерференции можно получить радужно-окрашенные изображения, если микрорельеф используется в качестве информационной метки.

Известен способ получения микрорельефной структуры, применяемый в технологии копирования голограмм [1] Согласно этому способу полученный в регистрирующей среде голографический микрорельеф покрывают в гальванической ванне слоем никеля толщиной около 50 мкм. При этом образуется матрица, используемая для высокоскоростного штампования полноцветных голограмм на подогретом прозрачном пластике.

Однако применение такой матрицы для получения микрорельефа на поверхности металла приводит к искажению заложенного в микрорельефе изображения, так как повышенное по сравнению со штамповкой материала пластика усилие прессования на металлической поверхности вызывает упругую деформацию микрорельефа матрицы. Удовлетворительный результат можно получить только на металлической поверхности с толщиной стенки, соизмеримой с толщиной матрицы, то есть на металлической фольге.

Известен способ получения микрорельефной структуры на изделиях из благородных металлов [2] В известном способе на поверхность металла, наносят слой фоторезиста, в среде которого регистрируют требуемое изображение, выполняя для этого амплитудную модуляцию падающей на фоторезист волны. После регистрации изображения фоторезист проявляют путем его химической обработки, в процессе которой удаляют растворимые участки фоторезиста, в результате чего слой фоторезиста приобретает вид микрорельефной структуры в виде гребней и борозд, на который наносят слой прозрачной защитной пленки.

Полученный таким способом требуемый микрорельеф удерживается на поверхности металла силами адгезии защитной пленки, что оказывается недостаточным для надежного сохранения микрорельефной структуры от разрушения.

Задачей изобретения является разработка способа (вариантов) получения микрорельефа на металлической поверхности в слое самого металла. Реализация такого способа позволяет осуществить не только прочную привязку микрорельефа к поверхности металла, но и получать копии микрорельефа на других металлических изделиях путем прессования.

Указанная задача решается тем, что в первом варианте способ получения микрорельефа на поверхности металла с помощью матрицы, прессующая поверхность которой выполнена в виде изготовленной из никеля фольги с копией микрорельефа, согласно изобретению изделие из металла предварительно нагревают и выдерживают при температуре выше температуры рекристаллизации металла, но ниже температуры плавления, после чего производят тиснение изделия, прикладывая к его поверхности посредством матрицы прессующее усилие ступенчатого характера, при котором ступень роста напряжения пластической деформации материала изделия чередуется со ступенью падения напряжения.

Оптимальным режимом при осуществлении способа являются такие значения его параметров, для которых температура,при которой выдерживается нагретое металлические изделие,составляет 70% от температуры плавления металла, время выдержки составляет 15 мин, а ступенчатый характер прессующего усилия соответствует последовательности 100-0-200-50-300% от напряжения пластической деформации материала изделия.

Указанная задача решается также и тем, что во втором варианте способа получения микрорельефа на поверхности металла, включающем операции нанесения на эту поверхность слоя фоторезиста, последующую его оптическую модуляцию, химическую обработку фоторезиста, в процессе которой удаляют его растворимые участки, после чего слой фоторезиста приобретает вид микрорельефной структуры в виде гребней и борозд, согласно изобретению после образования на металлической поверхности микрорельефной структуры из неудаленных участков фоторезиста производят ионно-лучевое травление в вакууме аргоном металлической поверхности на участках, с которых фоторезист удален.

Для ряда металлов, например стали, нанесение на металлическую поверхность слоя фоторезиста выполняют путем его центрифугирования до получения слоя толщиной 1-2 мкм, после чего толщину слоя равномерно уменьшают путем травления ионами аргона до толщины 0,5-1,0 мкм, а величину требуемого микрорельефа получают в диапазоне 0,1-0,8 мкм.

Оптическую модуляцию слоя фоторезиста можно осуществить в процессе фотолитографического переноса изображения или его голографической регистрации.

Первый вариант способа осуществляется следующим образом.

На микрорельеф поверхности, выполненный, например в виде отражательной голограммы на пластическом материале, наносят проводящее покрытие, например химически восстановленным из раствора серебром. Затем на проводящее покрытие гальваническим путем наносят слой никеля необходимой толщины, после чего полученную никелевую фольгу отделяют от микрорельефа поверхности и используют в качестве матрицы для прессования на металле. Для того, чтобы уменьшить влияние упругой деформации матрицы на качество переносимого на металл оттиска микрорельефа, изделие предварительно нагревают и выдерживают при температуре выше температуры рекристаллизации металла, но ниже температуры плавления, после чего производят тиснение изделия, прикладывая к его поверхности посредством матрицы прессующее усилие ступенчатого характера, при котором ступень роста напряжения пластической деформации материала изделия чередуется со ступенью падения напряжения.

Как показали экспериментальные исследования, минимальные искажения микрорельефа на поверхности металла имели место в том случае, когда температура, при которой выдерживается нагретое металлическое изделие, составляет 70% от температуры плавления металла, время выдержки составляет 15 мин, а ступенчатый характер прессующего усилия соответствует последовательности 100-0-200-50-300% изменения напряжения пластической деформации материала изделия.

При осуществлении второго варианта способа микрорельеф на металле формируется непосредственно без помощи матрицы с применением процесса фотолитографии или технологии, используемой для голографической записи изображения. В обоих случаях на поверхность металла наносят микрослой фоторезиста, в котором производят оптическую модуляцию регистрирующей среды. В том случае, когда используется процесс фотолитографии, такая модуляция выполняется по параметру амплитуды световой волны, распространяющейся от объекта, что можно осуществить экспонированием на фоторезист гибкого негатива. В случае использования процесса голографии осуществляют амплитудофазовую модуляцию регистрирующей среды в виде записи интерференционного поля опорной и объектной волн. При освещении фоторезиста светом в нем происходят химические изменения, приводящие к различной его растворимости для разных экспозиций. В зависимости от того, является ли обрабатываемый фоторезист негативным или позитивным проявитель с соответствующим растворителем способствует растворению либо неосвещенного, либо освещенного участка. Таким образом, слой фоторезиста приобретает вид микрорельефной структуры в виде гребней и борозд, где борозды соответствуют участком поверхности металла, с которых удален фоторезист. Далее производят ионно-лучевое травление стали, незащищенной резистом, ионами аргона в вакууме. Степень распыления маски из фоторезиста по отношению к данному виду металла регулируют температурой обрабатываемой поверхности.

Для получения микрорельефа на изделии, например, из стали нанесение на металлическую поверхность слоя фоторезиста выполняют путем его центрифугирования до получения слоя толщиной 1-2 мкм, после чего толщину слоя равномерно уменьшают путем травления ионами аргона до толщины 0,5-1,0 мкм, а величину требуемого микрорельефа получают в диапазоне 0,1-0,8 мкм. Этот частный случай получения микрорельефа на металле позволяет изготовить матрицы, например, в виде стальной пластины и далее использовать матрицу для нанесения оттиска микрорельефа на другие металлические изделия. По сравнению с матрицей в виде никелевой фольги, используемой в первом варианте способа, такая матрица не подвергается упругой деформации, а следовательно, при прессовании на металле формируется четкий оттиск микрорельефа. Кроме того, увеличивается его глубина, способствующая повышению яркости изображения, заложенного в микрорельефе.

Приведенное выше описание двух вариантов способа подтверждает возможность осуществления изобретения, так как при этом используются средства, известные на дату создания изобретения. Кроме того, показано, что совокупность признаков, характеризующих сущность изобретения, является достаточной для решения поставленной задачи.

Сущность изобретения: в первом варианте на поверхности металла получают оттиск метки с помощью матрицы, прессующая поверхность которой выполнена в виде изготовленной из никеля фольги с голографическим микрорельефом. Предварительно изделие нагревают и выдерживают при температуре выше температуры рекристаллизации металла, но ниже температуры плавления, после чего производят тиснение изделия, прикладывая к его поверхности матрицы прессующее усилие ступенчатого характера, при котором ступень роста напряжения пластической деформации материала изделия чередуется со ступенью падения напряжения. Во втором варианте на металлическую поверхность наносят слой фоторезиста, проводят его оптическую модуляцию и химическую обработку фоторезиста, в процессе которой удаляют его растворимые участки, после чего слой фоторезиста приобретает вид микрорельефной структуры в виде гребней и борозд. Затем из неудаленных участков фоторезиста производят ионнолучевое травление в вакууме аргоном металлической поверхности на участках, с которых фоторезист удален. 2 с. и 4 з.п.ф-лы.

1. Способ получения микрорельефа на поверхности металла, включающий получение на его поверхности оттиска метки с помощью матрицы, прессующая поверхность которой выполнена в виде изготовленной из никеля фольги с голографическим микрорельефом, отличающийся тем, что изделие предварительно нагревают и выдерживают при температуре выше температуры рекристаллизации металла, но ниже температуры плавления, после чего производят тиснение изделия, прикладывая к его поверхности посредством матрицы прессующее усилие ступенчатого характера, при котором ступень роста напряжения пластической деформации материала изделия чередуется со ступенью падения напряжения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температура, при которой выдерживается нагретое металлическое изделие, составляет 70% от температуры плавления металла, время выдержки составляет 15 мин, а ступенчатый характер прессующего усилия соответствует последовательности 100 0 200 50 300% от величины напряжения пластической деформации материала изделия. 3. Способ получения микрорельефа на металлической поверхности, включающий операции нанесения на эту поверхность слоя фоторезиста, последующую его оптическую модуляцию, химическую обработку фоторезиста, в процессе которой удаляют его растворимые участки, после чего слой фоторезиста приобретает вид микрорельефной структуры в виде гребней и борозд, отличающийся тем, что после образования на металлической поверхности микрорельефной структуры из неудаленных участков фоторезиста производят ионно-лучевое травление в вакууме аргоном металлической поверхности на участках, с которых фоторезист удален. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что нанесение на металлическую поверхность слоя фоторезиста выполняют путем его центрифугирования до получения слоя толщиной 1 2 мкм, после чего толщину слоя равномерно уменьшают путем травления ионами аргона до толщины 0,5 1,0 мкм, а величину требуемого микрорельефа получают в диапазоне 0,1 0,8 мкм. 5. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что оптическую модуляцию слоя фоторезиста выполняют процессом фотолитографического переноса изображения. 6. Способ по пп. 3 и 4, отличающийся тем, что оптическую модуляцию слоя фоторезиста выполняют процессом голографической регистрации изображения.