Установка для вакуумного осаждения и способ нанесения покрытия на подложку
Изобретение относится к технологии непрерывного нанесения покрытий из металла или металлического сплава. Способ непрерывного нанесения на движущуюся 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 упомянутой вакуумной камере 2 металлический пар выбрасывают через по меньшей мере один эжектор 3 пара на одну сторону движущейся подложки S1 и на упомянутой стороне формируют слой по меньшей мере из одного металла путем конденсации выброшенного пара, при этом по меньшей мере один эжектор 3 пара расположен под углом α между эжектором 3 пара и осью А, перпендикулярной направлению движения подложки S1, причем ось А находится в плоскости подложки S1, а угол α удовлетворяет следующему уравнению:
где α по абсолютному значению больше 0°, D1 и D2 - это наименьшее расстояние между эжектором и каждым краем подложки вдоль оси A, Ws - ширина подложки, D1 и D2 имеют значение более 0 мм, т.е. края эжектора не выходят за края подложки, упомянутый эжектор пара имеет прямоугольную форму или трапециевидную форму, содержит прорезь и определяется длиной Le прорези и шириной We прорези. Расположение эжектора пара таково, что при необходимости осаждения паров металла только с одной стороны подложки накопление металла на ее противоположной стороне значительно снижено. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 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 для вакуумного осаждения, используемой в этом способе.
Известны различные способы нанесения металлических покрытий, в конечном итоге состоящих из сплавов, на подложку, такую как стальная полоса. Среди них можно упомянуть нанесение покрытия горячим погружением, электроосаждение, а также различные процессы вакуумного осаждения, такие как вакуумное напыление и магнетронное распыление.
Из документа WO 97/47782 известен способ непрерывного нанесения покрытия на стальную подложку, в котором струя металлического пара, движущегося со скоростью более 500 м/с, входит в контакт с подложкой. Этот способ осаждения называют струйным осаждением из паровой фазы.
В документе EP 2048261 раскрыт парогенератор для нанесения покрытия на металлическую подложку, который содержит вакуумную камеру в виде корпуса, оснащенного блоком, обеспечивающим состояние разрежения по отношению к внешней среде, и блоком, позволяющим вводить и выводить подложку. Корпус содержит головку для осаждения из паровой фазы и эжектор для создания струи пара металла со скоростью звука в направлении поверхности подложки и перпендикулярно ей. Эжектор соединен с тиглем подающей трубкой. Тигель, содержащий смесь металлов в жидкой форме, расположен вне вакуумной камеры, и в него путем закачки или барометрического воздействия подают расплав, полученный из плавильной печи, находящейся при атмосферном давлении. Установлено устройство для регулирования потока, давления и/или скорости пара металла в эжекторе. Блок регулирования содержит пропорциональный клапан с дроссельной заслонкой и/или устройство для сброса давления, расположенное в трубе. Эжектор содержит продольную щель в качестве акустической манжеты для выхода пара, проходящую по всей ширине подложки, и спеченную фильтрующую среду или корпус снижения давления для стандартизации и корректировки скорости пара, выходящего из эжектора.
В документе EP 2048261 генератор, предпочтительно, содержит средство для регулировки длины продольной щели эжектора в зависимости от ширины подложки. В частности, раскрыта простая система для регулировки щели паровой струи по ширине полосы путем вращения эжектора вокруг своей оси. Таким образом, края паровой струи и края подложки находятся в одинаковых плоскостях, то есть расстояния между краями паровой струи и краями подложки равны 0 мм.
Тем не менее, если пары металла необходимо осаждать только с одной стороны полосы, было замечено, что эти пары также имеют тенденцию осаждаться и, следовательно, загрязнять противоположную сторону полосы, вызывая значительное уменьшение выхода осаждения и внешнего вида противоположной стороны полосы.
Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ нанесения покрытий на движущуюся подложку, в котором, если пары металла необходимо осаждать только на одной стороне полосы, то накопление металла на противоположной обнаженной стороне полосы существенно ниже.
Это достигается за счет предложенного способа нанесения покрытий на движущуюся подложку по п. 1 формулы изобретения. Способ также может содержать любую характеристику пунктов 2-10 формулы изобретения.
Изобретение также относится к подложке с покрытием по пп. 11-13.
Изобретение также относится к вакуумной установке по п. 14 или 15 формулы изобретения.
Чтобы проиллюстрировать изобретение, будут описаны различные варианты осуществления и испытания неограничивающих примеров, в частности, со ссылкой на следующие чертежи:
На фиг. 1 показан вид сверху подложки, покрытой по меньшей мере одним эжектором пара внутри установки для вакуумного осаждения в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 2 показан вид сверху подложки, покрытой по меньшей мере одним эжектором пара внутри установки для вакуумного осаждения в соответствии с существующим уровнем техники.
На фиг. 3 показан вид сбоку подложки, покрытой по меньшей мере одним металлом внутри установки для вакуумного осаждения в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг. 4 показан пример парового эжектора, выбрасывающего металлический пар, в соответствии с настоящим изобретением.
Другие характеристики и преимущества изобретения станут очевидными из последующего подробного описания изобретения.
Изобретение относится к способу непрерывного нанесения на движущуюся подложку покрытий, сформированных по меньшей мере из одного металла, внутри установки для вакуумного осаждения, при этом способ содержит следующее:
- Этап, на котором металлический пар выбрасывают через по меньшей мере один эжектор пара на одну сторону движущейся подложки S1, и на упомянутой стороне формируют слой по меньшей мере из одного металла путем конденсации выброшенного пара, при этом по меньшей мере один эжектор пара расположен под углом α между эжектором пара и осью A, перпендикулярной направлению движения подложки, причем ось находится в плоскости подложки, а угол α удовлетворяет следующему уравнению:
где α по абсолютной величине больше 0°,
D1 и D2 - это расстояние между эжектором и каждым краем подложки вдоль оси A, Ws - ширина подложки, D1 и D2 имеют значение более 0 мм и
- упомянутый эжектор пара имеет удлиненную форму и содержит прорезь и определяется длиной Le прорези и шириной We прорези.
Не желая ограничиваться какой-либо теорией, можно полагать, что с помощью способа в соответствии с настоящим изобретением можно избежать загрязнения парами металла противоположной стороны металлической подложки S2. Действительно, изобретатели обнаружили, что эжектор пара следует располагать под определенным углом α, чтобы пары металла выбрасывались почти без потерь. Если α удовлетворяет уравнению, то выход пара металла, осажденного на одной стороне движущейся подложки, значительно увеличивается, поскольку траекторию пара металла контролируют. Таким образом, накопление паров металла на противоположной стороне подложки существенно ниже.
Как показано на фиг. 1, установка 1 в соответствии с изобретением, во-первых, содержит вакуумную камеру 2 и средство для перемещения подложки через камеру. Эта вакуумная камера 2 представляет собой герметично закрываемую коробку, в которой предпочтительно поддерживают давление от 10-8 до 10-3 бар. Она имеет входной фиксатор и выходной фиксатор (они не показаны), между которыми подложка S, такая как, например, стальная полоса, может проходить по заданному пути P в направлении движения.
По меньшей мере, один эжектор 3 пара выбрасывает металлический пар со скоростью звука на одну сторону движущейся подложки S1. По меньшей мере, один эжектор пара расположен под углом α между эжектором пара и осью A, перпендикулярной направлению движения подложки, причем ось находится в плоскости подложки, а угол α удовлетворяет следующему уравнению:
Эжектор может иметь различные формы, например прямоугольную или трапециевидную. Возможны различные значения расстояний D1 и D2, как показано на фиг. 1. Предпочтительно, D1 и D2 представляют собой наименьшее расстояние между краями эжектора и краями подложки вдоль оси A.
В соответствии с изобретением, значения D1 и D2 больше 0 мм, то есть края эжектора не выходят за края подложки. Не желая ограничиваться какой-либо теорией, полагают, что если D1 и D2 равны или меньше 0 мм, то существует риск того, что траектория металлического пара, выбрасываемого хотя бы одним паровым эжектором, не будет управляемой, что приведет к существенному загрязнению противоположной стороны подложки S2. Если D1 и D2 меньше нуля, это означает, что края эжектора пара выходят за края подложки, как показано на фиг. 2.
Предпочтительно, D1 и D2 независимо друг от друга составляют более 1 мм, преимущественно от 5 до 100 мм и более предпочтительно от 30 до 70 мм.
В предпочтительном варианте осуществления D1 равно D2.
Предпочтительно, длина Le прорези эжектора составляет от 5 до 50 мм.
Предпочтительно ширина подложки Ws составляет максимум 2200 мм. Преимущественно Ws составляет минимум 200 мм. Например, Ws составляет от 1000 до 1500 мм.
Предпочтительно We составляет максимум 2400 мм. Преимущественно We составляет минимум 400 мм.
В предпочтительном варианте осуществления Ws меньше или равно We.
Предпочтительно абсолютное значение угла α больше 0°, более предпочтительно от 5 до 80°, преимущественно от 20 до 60° в абсолютном выражении и, например, от 35 до 55° в абсолютном выражении.
Вакуумная камера может содержать два или несколько эжекторов пара, расположенных с одной стороны движущейся подложки S1.
Как показано на фиг. 3, подложку S можно заставить перемещаться с помощью любого подходящего средства в зависимости от природы и формы упомянутой подложки. В частности, можно использовать вращающийся опорный ролик 4, на который может опираться стальная полоса.
Как показано на фиг. 4, по меньшей мере эжектор 3 пара в соответствии с настоящим изобретением выбрасывает струю 5 металлического пара на движущуюся подложку (не показана). По меньшей мере эжектор пара имеет удлиненную форму и содержит прорезь и определяется длиной Le прорези и шириной We прорези.
В частности, с помощью способа в соответствии с настоящим изобретением можно получить металлическую подложку, покрытую по меньшей мере одним металлом с пап одной стороны подложки S1, при этом на другой стороне S2 подложки максимальное накопление упомянутого металла составляет 2,0 мкм на краях. Предпочтительно максимальное накопление составляет 1 мкм, и предпочтительно, чтобы металл не накапливался на противоположной стороне подложки.
В настоящем изобретении по меньшей мере один металл предпочтительно выбирают из следующих: цинк, хром, никель, титан, марганец, магний, кремний, алюминий или их смеси. Предпочтительно металл представляет собой цинк, как вариант, с магнием.
Предпочтительно металлическая подложка представляет собой стальную подложку. Действительно, не желая быть связанными какой-либо теорией, полагают, что равномерность дополнительно улучшается при использовании стальной основы.
Толщина покрытия предпочтительно составляет от 0,1 до 20 мкм. С одной стороны, при значении 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 автомобильных применений.
Наконец, изобретение относится к установке для вакуумного осаждения для способа в соответствии с настоящим изобретением для непрерывного нанесения на движущуюся подложку покрытий, сформированных по меньшей мере из одного металла, причем установка содержит вакуумную камеру, через которую подложка может проходить по заданному пути, причем вакуумная камера дополнительно содержит:
- по меньшей мере, один эжектор пара, расположенный под углом α между эжектором пара и осью A, перпендикулярной направлению движения подложки, причем ось находится в плоскости подложки, а угол α удовлетворяет следующему уравнению:
где α по абсолютной величине больше 0°,
D1 и D2 - это наименьшее расстояние между эжектором и каждым краем подложки вдоль оси (A), Ws - ширина подложки, D1 и D2 имеют значение более 0 мм и
- упомянутый по меньшей мере один эжектор пара имеет удлиненную форму и содержит прорезь, так что эжектор пара определяется длиной Le прорези и шириной We прорези.
В предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере одно устройство для нанесения покрытий паровой струей установлено с возможностью вращения вокруг подающей трубы, связанной с источником пара, так что угол α можно регулировать.
Примеры
На установке для вакуумного осаждения были проведены испытания для оценки эффективности способа, содержащего одно устройство для нанесения покрытий паровой струей, выбрасывающее пары цинка.
Пары цинка осаждали на одной стороне стальной подложки S1, имеющей ширину Ws 1200 мм, в вакуумной камере, содержащей по меньшей мере один эжектор, имеющий Le = 24 мм, We = 1750 мм. Для испытаний D1 и D2 были идентичными и были зафиксированы в диапазоне от -10 мм до +20 мм. -10 мм означает, что края эжектора пара выходят на 10 мм за края подложки. Угол α рассчитывали для каждого испытания с помощью уравнения в соответствии с настоящим изобретением. Давление вакуума составляло 10-1 мбар. Накопление металла на противоположной стороне стальной подложки S2 измеряли с помощью рентгеновской флуоресцентной спектрометрии. Результаты представлены в следующей таблице 1:
| Испытания | D1 = D2 (мм) | D1 и D2 > 0 мм | α (градусы) | α удовлетворяет уравнению | Накопление металлического цинка на противоположной стороне стальной подложки S2 (мкм) |
| 1 | -10 | нет | 46,6 | да | 4,8 |
| 2 | 0 | нет | 47,5 | да | 2,4 |
| 3* | +10 | да | 48,4 | да | 1,4 |
| 4* | +20 | да | 49,3 | да | 0,4 |
*: в соответствии с настоящим изобретением
Накопление металла на противоположной стороне стальной подложки S2 было высоким для испытаний 1 и 2. Напротив, как показано для испытаний 3 и 4, если D1 и D2 больше 0 мм, и если α удовлетворяет уравнению в соответствии с настоящим изобретением, то накопление металла существенно ниже.
1. Способ непрерывного нанесения на движущуюся подложку (S) покрытий, сформированных по меньшей мере из одного металла, внутри установки (1) для вакуумного осаждения, содержащей вакуумную камеру (2), при этом способ содержит следующее:
этап, на котором в упомянутой вакуумной камере металлический пар выбрасывают через по меньшей мере один эжектор (3) пара на одну сторону движущейся подложки (S1), и на упомянутой стороне формируют слой по меньшей мере из одного металла путем конденсации выброшенного пара, при этом по меньшей мере один эжектор пара расположен под углом α между эжектором пара и осью (А), перпендикулярной направлению движения подложки, причем ось находится в плоскости подложки, а угол α удовлетворяет следующему уравнению:
где α по абсолютному значению больше 0°,
D1 и D2 - это наименьшее расстояние между эжектором и каждым краем подложки вдоль оси (A),
Ws - ширина подложки,
D1 и D2 имеют значение более 0 мм, т.е. края эжектора не выходят за края подложки, упомянутый эжектор пара имеет прямоугольную форму или трапециевидную форму, содержит прорезь и определяется длиной Le прорези и шириной We прорези.
2. Способ по п. 1, в котором D1 и D2 независимы друг от друга и имеют значение больше 1 мм.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором ширина Ws подложки составляет максимум 2200 мм.
4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором Ws составляет минимум 200 мм.
5. Способ по п. 4, в котором угол α имеет значение от 5 до 80° по абсолютному значению.
6. Способ по п. 5, в котором угол α имеет значение от 20 до 60° по абсолютному значению.
7. Способ по п. 6, в котором угол α имеет значение от 35 до 55° по абсолютному значению.
8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором длина Le щели эжектора составляет от 5 до 50 мм.
9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором D1 равно D2.
10. Металлическая подложка, полученная способом по любому из пп. 1-9, покрытая по меньшей мере одним металлом с одной стороны подложки (S1), при этом на другой стороне (S2) подложки максимальное накопление упомянутого металла составляет 2,0 мкм на краях.
11. Металлическая подложка по п. 10, в которой металл выбран из следующих: цинк, хром, никель, титан, марганец, магний, кремний, алюминий или их смесь.
12. Металлическая подложка по п. 10 или 11, в которой металлическая подложка представляет собой стальную подложку.
13. Установка для вакуумного осаждения способом по любому из пп. 1-9 для непрерывного нанесения на движущуюся подложку (S) покрытий, сформированных по меньшей мере из одного металла, причем установка (1) содержит вакуумную камеру (2), через которую подложка может проходить по заданному пути, причем вакуумная камера дополнительно содержит:
по меньшей мере один эжектор (3) пара, расположенный под углом α между эжектором пара и осью (А), перпендикулярной направлению движения подложки, причем ось находится в плоскости подложки, а угол α удовлетворяет следующему уравнению:
где α по абсолютному значению больше 0°,
D1 и D2 - это наименьшее расстояние между эжектором и каждым краем подложки вдоль оси (A),
Ws - ширина подложки,
D1 и D2 имеют значение более 0 мм, т.е. края эжектора не выходят за края подложки, и
по меньшей мере один эжектор пара имеет прямоугольную форму или трапециевидную форму и содержит прорезь, так что эжектор пара определяется длиной Le прорези и шириной We прорези.
14. Установка по п. 13, в которой по меньшей мере один эжектор пара установлен с возможностью вращения вокруг подающей трубы, связанной с источником пара, так что угол α можно регулировать.
