Установка для вакуумного осаждения покрытий и способ нанесения покрытий на подложку

Изобретение относится к технологии непрерывного осаждения покрытий, сформированных из одного металла или металлического сплава. Способ непрерывного осаждения на перемещающуюся подложку S покрытий, сформированных по меньшей мере из одного металла внутри установки 1 для вакуумного осаждения, содержащей вакуумную камеру 2, включает этап, на котором в указанной вакуумной камере металлический пар выбрасывается через по меньшей мере два паровых эжектора 3, 3' в направлении к обеим сторонам перемещающейся подложки S, и слой по меньшей мере одного металла формируется на каждой стороне посредством конденсации выбрасываемых паров, причем по меньшей мере два паровых эжектора 3, 3', обращенных друг к другу, позиционируют соответственно под углами α и α', образованными между эжектором пара и осью А, перпендикулярной направлению перемещения подложки, ось которой находится в плоскости подложки S, причем оба угла α и α' удовлетворяют следующим уравнениям:

где D1 и D2 - расстояния между эжекторами 3, 3 и каждым краем подложки S вдоль оси A, Ws - ширина подложки, упомянутые эжекторы пара имеют прямоугольную форму или трапециевидную форму и содержат прорезь, определяемую шириной We прорези, упомянутые эжекторы пара имеют одинаковую ось вращения. Расположение эжекторов таково, что термический профиль вдоль ширины подложки является равномерным, профиль упругой деформации вдоль подложки после осаждения металла является симметричным, следовательно, покрытая подложка обладает высокой плоскостностью. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

 

Настоящее изобретение относится к способу непрерывного нанесения на подложку покрытий, сформированных из металла или металлических сплавов. Настоящее изобретение также относится к установке вакуумного осаждения, используемой в этом способе.

Известны различные процессы нанесения металлических покрытий, в некоторых случаях состоящих из сплавов, на подложку, такую как стальная полоса. Среди них можно упомянуть нанесение покрытий погружением в расплав, гальваническое осаждение, а также различные процессы вакуумного осаждения, такие как вакуумное испарение и магнетронное распыление.

Из документа WO 97/47782 известен способ непрерывного нанесения покрытия на стальную подложку, в котором струя паров металла, перемещающаяся со скоростью более 500 м/с, входит в контакт с подложкой. Способ осаждения называют «осаждение струей пара» (Jet Vapor Deposition).

Документ EP 2940191 раскрывает способ изготовления стального листа, покрытого способом осаждения цинко-магниевым сплавом Zn-Mg. Способ содержит: подготовку стального листа в качестве основания; и формирование цинко-магниевого слоя покрытия с помощью испарения источника Zn-Mg сплава для осаждения на поверхность основания из стального листа, при этом содержание магния в слое покрытия Zn-Mg сплава составляет 8 мас.%, или менее (но выше 0 мас. %), а температура основания из стального листа перед и после осаждения на него покрытия слоем Zn-Mg сплава составляет 60°С или ниже.

В этой заявке на патент упоминается, что для регулирования температуры основания из стального листа выполняется способ охлаждения основания из стального листа перед и после процесса осаждения посредством установки охлаждающих роликов. Когда лист подходит к охлаждающим устройствам, для того чтобы получить хорошую эффективность охлаждения в состоянии вакуума, может быть установлено множество охлаждающих роликов вместо единственного охлаждающего ролика, чтобы значительно увеличить границу раздела между роликами и листом. В частности, увеличение температуры стального листа может быть значительным после процесса покрытия вследствие энтальпии конденсации при покрытии. Таким образом, после процесса покрытия могут быть желательными увеличение эффективности охлаждения и управление температурой охлаждающих роликов, которая должны быть относительно низкой, с помощью увеличения количества и размера охлаждающих роликов.

Тем не менее, при использовании нескольких охлаждающих роликов существует риск, что температура основания из стального листа не будет достаточно однородной, приводя к проблемам с плоскостностью вследствие неоднородности охлаждения. Действительно, когда пары металлов конденсируются на подложке, тепловая энергия высвобождается, что приводит к упругой деформации подложки. Упругая деформация может приводить к проблемам с плоскостностью после охлаждающих роликов, поскольку контактное давление между покрытой металлической подложкой и охлаждающими роликами не является однородной. Следовательно, существует риск, что множество охлаждающих роликов, используемых в документе EP 2940191, деформируют сталь, поскольку граница раздела между покрываемым стальным листом и охлаждающими роликами значительно увеличивается.

В том случае, когда покрытие осаждается на обеих сторонах металлической подложки, также важно контролировать температуру металлической подложки. И действительно, когда плоскостность покрытой металлической подложки улучшается, качество покрытой металлической подложки увеличивается, включая, например, однородность механических свойств, которая является свойством поверхности покрытия.

Поэтому целью настоящего изобретения является обеспечение оптимизированного способа осаждения покрытий на обеих сторонах перемещаемой подложки, в результате чего плоскостность покрытой металлической подложки значительно улучшается.

Это достигается посредством обеспечения способа для осаждения покрытий на перемещаемой подложке по п. 1. Способ также может содержать любую характеристику по пунктам 2 -14.

Изобретение также включает в себя покрытую подложку по пп. 15 - 17.

Изобретение также включает в себя установку вакуумного осаждения по пп. 18 или 19.

Чтобы проиллюстрировать изобретение, будут описываться различные варианты осуществления изобретения и испытания неограничивающих примеров, в частности, со ссылками на следующие фигуры:

фиг. 1 иллюстрирует вид сверху подложки, покрытой с помощью двух эжекторов пара внутри установки вакуумного осаждения, в соответствии с настоящим изобретением,

фиг. 2 иллюстрирует вид сверху другого примера подложки, покрытой с помощью двух эжекторов пара внутри установки вакуумного осаждения, в соответствии с настоящим изобретением,

фиг. 3 иллюстрирует вид сбоку подложки, покрытой с помощью по меньшей мере одного металла внутри установки вакуумного осаждения, в соответствии с настоящим изобретением,

фиг. 4 иллюстрирует вид сбоку подложки, покрытой с помощью по меньшей мере одного металла внутри установки вакуумного осаждения, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения,

фиг. 5а и 5b иллюстрируют максимальную деформацию, как определено в настоящем изобретении,

фиг. 6а - 6с, иллюстрирует вид сверху подложки покрытой с помощью двух эжекторов пара, имеющих различные положения внутри установки вакуумного осаждения.

Другие характеристики и преимущества изобретения будут более понятными из последующего подробного описания изобретения.

Изобретение относится к способу непрерывного осаждения на перемещаемую подложку S покрытий, сформированных из по меньшей мере одного металла внутри установки вакуумного осаждения, содержащей вакуумную камеру, при этом способ содержит:

- этап, в котором в упомянутой вакуумной камере пары металла выбрасываются через по меньшей мере два эжектора в направлении обеих сторон перемещаемой подложки, при этом слой по меньшей мере одного металла формируются на каждой стороне с помощью конденсации выбрасываемых паров металла, по меньшей мере два эжектора обращены друг к другу и позиционируются соответственно под углом α и α' между паровым эжектором и осью A, перпендикулярной направлению перемещения подложки, причем ось находится в плоскости подложки, углы α и α' удовлетворяют следующему уравнению:

с 0° < α< 82° и

с 0° < α'< 82°,

D1 и D2 - это расстояния между эжекторами и каждым краем подложки вдоль оси (A), Ws - ширина подложки, упомянутые эжекторы пара имеют удлиненную форму и содержат прорезь, определяемую шириной We прорези, упомянутые эжекторы пара имеют одинаковую ось вращения.

Не желая ограничиваться какой-либо теорией, предполагается, что с помощью способа согласно настоящему изобретению возможно получить плоскую покрытую металлическую подложку. Действительно, изобретатели обнаружили, что два эжектора пара должны быть позиционированы под определенным углом, два эжектора обращены друг к другу таким образом, что во время процесса осаждения металла распределение температуры по ширине подложки является симметричным во время осаждения металла. Термический профиль вдоль ширины подложки является равномерным. Таким образом, профиль упругой деформации вдоль подложки после осаждения цинка является симметричным, что приводит к равномерному контактному давлению между подложкой и первым охлаждающим роликом. Следовательно, покрытая подложка остается плоской.

Со ссылкой на фиг. 1, установка 1, согласно изобретению, в первую очередь содержит вакуумную камеру 2 и средство для перемещения подложки через камеру. Вакуумная камера 2 представляет собой герметично закрываемую коробку, в которой предпочтительно поддерживается давление от 10^-8 до 10^-3 бар. Она имеет входную шлюзовую камеру и выходную шлюзовую камеру (они не показаны), между которыми подложка S, такая как, например, стальная полоса, может перемещаться по заданной траектории P в направлении перемещения.

По меньшей мере, два паровых эжектора 3, 3' выбрасывают металлические пары со скоростью звука с обеих сторон перемещающейся подложки. Оба эжектора пара позиционируются соответственно под углом α и α' между эжектором пара и осью A, перпендикулярной направлению перемещения подложки, причем ось находится в плоскости подложки, а оба угла α и α' удовлетворяют следующим уравнениям:

с 0° < α< 82° и

с 0° < α'< 82°,

Эжекторы пара могут иметь различные формы, например, прямоугольную или трапециевидную форму. Возможны различные значения расстояний D1 и D2, как показано на фиг. 1. Предпочтительно, D1 и D2 представляют наименьшее расстояние между краями эжектора и краями подложки вдоль оси A.

Предпочтительно, D1 и D2 могут быть меньше, равны или больше 0 мм. В том случае, когда D1 и D2 выше 0 мм, это означает, что края эжектора пара не выходят за края подложки. В том случае, когда D1 и D2 ниже 0 мм, края эжектора пара выходят за края подложки, как иллюстрируется на фиг. 2. В том случае, когда D1 и D2 равны 0 мм, края подложки находятся в той же плоскости, что и края эжектора. Предпочтительно, D1 и D2 выше или ниже 0 мм.

Предпочтительно, D1 и D2 независимы друг от друга и превышают 1 мм, предпочтительно от 5 до 100 мм и более предпочтительно - от 30 до 70 мм. В предпочтительном варианте осуществления изобретения значение D1 идентично D2.

Предпочтительно, ширина Ws подложки составляет максимум 2200 мм. Преимущественно, Ws составляет минимум 200 мм. Например, Ws составляет от 1000 до 2000 мм.

Предпочтительно, We составляет максимум 2400 мм. Преимущественно, We составляет минимум 400 мм.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения Ws меньше или равно We.

Предпочтительно, угол α' является таким, что α - α' < 10°, более предпочтительно α - α'< 5° и предпочтительно α - α' < 3° в абсолютном выражении. Например, α - α' равно 0°.

Предпочтительно угол α составляет от 0° до 60°, предпочтительно от 10° до 50° в абсолютном выражении и, например, от 20° до 35° в абсолютном выражении.

Вакуумная камера может содержать три или несколько эжекторов пара, позиционируемых с обеих сторон перемещающейся подложки. Например, вакуумная камера может содержать два эжектора пара, позиционируемых с каждой стороны металлической подложки.

Как проиллюстрировано на фиг. 3, подложку S можно заставить перемещаться с помощью любых подходящих средств, в зависимости от природы и формы указанной подложки. В частности, можно использовать вращающийся опорный ролик 4, на который может опираться стальная полоса.

Как проиллюстрировано на фиг. 4, вакуумная камера 2 может дополнительно содержать центральный кожух 6. Это коробка, окружающая траекторию P подложки на заданной длине в направлении перемещения, обычно длиной от 2 до 8 м в случае одного эжектора на каждую сторону. Его стенки отграничивают полость. Кожух содержит два отверстия, то есть вход 7 для подложки и выход 8 для подложки, расположенные на двух противоположных сторонах центрального кожуха. Предпочтительно, центральный кожух представляет собой параллелепипед, ширина которого немного превышает ширину покрываемых подложек.

Предпочтительно, внутренние стенки центрального кожуха подходят для нагрева до температуры, превышающей температуру конденсации паров металла или металлического сплава. Нагревание может осуществляться любыми подходящими средствами, такими как, например, индукционный нагреватель, нагревательные резисторы, электронный пучок. Нагревательные средства подходят для нагрева внутренних стенок центрального кожуха до температуры, достаточно высокой, чтобы избежать конденсации на них паров металла или металлических сплавов. Предпочтительно, стенки центрального кожуха подходят для нагревания выше температур конденсации металлических элементов, образующих осаждаемое покрытие, обычно выше 500°C, например, между 500°C и 700°C, чтобы избежать конденсации паров цинка или паров цинко-магниевого сплава. Благодаря этим средствам нагрева внутренние стенки центрального кожуха не забиваются, и нет необходимости часто останавливать установку для очистки. Кроме того, предотвращается конденсация паров металлов или металлических сплавов на внутренних стенках.

В частности, с помощью способа согласно настоящему изобретению можно получить металлическую подложку, покрытую по меньшей мере одним металлом с обеих сторон подложки, имеющую среднюю толщину, причем подложка выполнена таким образом, что максимальная продольная деформация составляет менее 2 мм, а максимальная поперечная деформация составляет менее 5 мм. Как проиллюстрировано на фиг. 5а, максимальная продольная деформация представляет разницу между высотой максимального пика и высотой минимального пика вдоль длины покрытой подложки. Как проиллюстрировано на фиг. 5b, максимальная поперечная деформация представляет разницу между высотой максимального пика и высотой минимального пика вдоль ширины покрытой подложки.

В настоящем изобретении по меньшей мере один металл предпочтительно выбирают из следующих металлов: цинк, хром, никель, титан, марганец, магний, кремний, алюминий, или из их смесей. Предпочтительно, металл представляет собой цинк, по необязательному выбору с магнием.

Предпочтительно, металлическая подложка представляет собой стальную подложку. Фактически, не желая быть связанными какой-либо теорией, предполагается, что плоскостность дополнительно улучшается при использовании стальной подложки.

Толщина покрытия предпочтительно составляет от 0,1 до 20 мкм. С одной стороны, ниже 0,1 мкм существует риск того, что защита подложки от коррозии будет недостаточной. С другой стороны, нет необходимости превышать 20 мкм, чтобы получить уровень коррозионной стойкости, который требуется, в частности, в автомобильной или строительной области. Обычно толщина может быть ограничена 10 мкм для применений в автомобильной отрасли.

И наконец, изобретение относится к установке вакуумного осаждения для способа согласно настоящему изобретению непрерывного осаждения на перемещающуюся подложку S покрытий, сформированных по меньшей мере из одного металла, причем установка 1 содержит вакуумную камеру 2, через которую подложка 3 может проходить вдоль заданной траектории, при этом вакуумная камера дополнительно содержит:

- по меньшей мере, два паровых эжектора, обращенных друг к другу, позиционируемых соответственно под углом α и α', находясь между эжектором пара и осью A, перпендикулярной направлению перемещения подложки, причем ось находится в плоскости подложки, а оба угла α и α' удовлетворяют следующему уравнению:

α =с 0° < α< 82°и

с 0° < α'< 82°,

D1 и D2 - это расстояние между эжекторами и каждым краем подложки вдоль оси (A), Ws - ширина подложки, упомянутые эжекторы пара имеют удлиненную форму и содержат прорезь, определяемую шириной We прорези, упомянутые эжекторы пара имеют одинаковую ось вращения.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере два эжектора пара установлены с возможностью вращения вокруг подающей трубы, связанной с источником пара, в результате чего регулируются углы α и α'.

Примеры

Были выполнены испытания установки вакуумного осаждения для оценки эффективности способа, содержащего два паровых эжектора, выбрасывающих пары цинка.

Для всех испытаний были протестированы различные положения углов α и α' для определения эффективности способа, согласно настоящему изобретению.

Для всех испытаний ширина Ws стальной подложки варьировалась от 1000 до 1719 мм в вакуумной камере, содержащей два эжектора пара, имеющих We = 1710 мм. D1 и D2 были идентичными и равны 0 мм. Давление вакуума составляло 10^-1 мБар.

Плоскостность была определена с помощью пика покрытой подложки, имеющей максимальную деформацию после первого охлаждающего ролика. Результаты представлены в следующей таблице 1:

Испытания согласно настоящему изобретению не имели или почти не имели деформации по сравнению со сравниваемым примером. Поэтому плоскостность является более высокой с использованием способа согласно настоящему изобретению.

1. Способ непрерывного осаждения на перемещающуюся подложку S покрытий, сформированных по меньшей мере из одного металла внутри установки (1) для вакуумного осаждения, содержащей вакуумную камеру (2), при этом способ содержит:

этап, на котором в указанной вакуумной камере металлический пар выбрасывается через по меньшей мере два паровых эжектора (3, 3') в направлении к обеим сторонам перемещающейся подложки, и слой по меньшей мере одного металла формируется на каждой стороне посредством конденсации выбрасываемых паров, причем по меньшей мере два паровых эжектора, обращенных друг к другу, позиционируют соответственно под углами α и α', образованными между эжектором пара и осью А, перпендикулярной направлению перемещения подложки, ось которой находится в плоскости подложки, причем оба угла α и α' удовлетворяют следующим уравнениям:

где D1 и D2 - это расстояния между эжекторами и каждым краем подложки вдоль оси A, Ws - ширина подложки, упомянутые эжекторы пара имеют прямоугольную форму или трапециевидную форму и содержат прорезь, определяемую шириной We прорези, упомянутые эжекторы пара имеют одинаковую ось вращения.

2. Способ по п. 1, в котором расстояния между эжектором и краями D1 и D2 подложки составляют больше 0 мм, т.е. края эжектора не выходят за пределы краев подложки.

3. Способ по п. 1, в котором D1 и D2 равны 0 мм, т.е. края подложки находятся в той же самой плоскости, что и края эжектора.

4. Способ по п. 1, в котором D1 и D2 составляют меньше 0 мм, т.е. края эжектора выходят за пределы краев подложки.

5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором ширина Ws подложки составляет максимум 2200 мм.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором Ws составляет минимум 200 мм.

7. Способ по любому из пп. 1-6, в котором угол α' является таким, что α - α'<10° в абсолютном выражении.

8. Способ по п. 7, в котором угол α составляет от 0° до 60° в абсолютном выражении.

9. Способ по п. 8, в котором угол α составляет от 10° до 50° в абсолютном выражении.

10. Способ по п. 9, в котором угол α составляет от 20° до 35° в абсолютном выражении.

11. Способ по любому из пп. 1-10, в котором значение D1 идентично D2.

12. Способ по любому из пп. 1-11, в котором вакуумная камера дополнительно содержит центральный кожух (6), окружающий подложку, упомянутый центральный кожух содержит вход (7) для подложки и выход (8) для подложки, расположенные на двух противоположных сторонах центрального кожуха, и по меньшей мере два эжектора для пара.

13. Способ по п. 12, в котором внутренние стенки центрального кожуха (6) подходят для нагрева до температуры, превышающей температуру конденсации паров металла или металлического сплава.

14. Металлическая подложка, полученная способом по любому из пп. 1-13, покрытая по меньшей мере одним металлом на обеих сторонах подложки, причем подложка выполнена таким образом, что максимальная продольная деформация составляет менее 2 мм, а максимальная поперечная деформация составляет менее 5 мм.

15. Металлическая подложка по п. 14, в которой металл выбран из следующих металлов: цинк, хром, никель, титан, марганец, магний, кремний, алюминий, или из их смесей.

16. Металлическая подложка по п. 14 или 15, при этом металлическая подложка представляет собой стальную подложку.

17. Установка вакуумного осаждения способом по любому из пп. 1-13 непрерывного осаждения на перемещающуюся подложку (S) покрытий, сформированных по меньшей мере из одного металла, причем установка (1) содержит вакуумную камеру (2), через которую подложка (3) может проходить вдоль заданной траектории, при этом вакуумная камера содержит:

по меньшей мере два паровых эжектора, обращенных друг к другу, позиционируемых соответственно под углами α и α', образованными между эжектором пара и осью А, перпендикулярной направлению перемещения подложки, причем указанная ось находится в плоскости подложки, а оба угла α и α' удовлетворяют следующим уравнениям:

где D1 и D2 - это расстояния между эжекторами и каждым краем подложки вдоль оси (A), Ws - ширина подложки, упомянутые эжекторы пара имеют прямоугольную форму или трапециевидную форму и содержат прорезь, определяемую шириной We прорези, причем упомянутые эжекторы пара имеют одинаковую ось вращения.

18. Установка по п. 17, в которой по меньшей мере два эжектора пара установлены с возможностью вращения вокруг подающей трубы, связанной с источником пара, для регулирования углов α и α'.