BR112020025040A2

BR112020025040A2 - instalação de deposição a vácuo

Info

Publication number: BR112020025040A2
Application number: BR112020025040-6A
Authority: BR
Inventors: Sergio PACE; Bruno Schmitz; Didier Marneffe; Eric Silberberg
Original assignee: Arcelormittal
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2021-03-23
Also published as: ZA202007502B; JP7165755B2; WO2019239314A1; UA128066C2; CA3103386A1; WO2019239192A1; KR20210008095A; CA3103386C; MX2020013600A; KR102538729B1; MA52974A; EP3810822A1; CN112400034A; US20210238734A1; JP2021526592A

Abstract

A invenção se refere a uma instalação de deposição a vácuo (1) para depositar continuamente, em um substrato fluente (S), revestimentos formados a partir de metal ou liga metálica, a instalação compreendendo um cadinho de evaporação (4) adequado para fornecer vapor de metal ou liga metálica e compreendendo um tubo de evaporação (7), uma câmara de deposição (2) adequada para ter o substrato (S) passando rapidamente ao longo de uma trajetória determinada (P) e um revestidor de jato de vapor (3) ligando o tubo de evaporação à câmara de deposição, em que o revestidor de jato de vapor compreende ainda uma câmara de repartição (31) compreendendo pelo menos um meio de reaquecimento (33) posicionado dentro da câmara de repartição e um orifício de saída de vapor (32) compreendendo uma abertura de base ligando o orifício de saída de vapor à câmara de repartição, uma abertura superior através da qual o vapor pode sair na câmara de deposição e dois lados convergindo um para o outro na direção da abertura superior.

Description

“INSTALAÇÃO DE DEPOSIÇÃO A VÁCUO” CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a uma instalação de deposição a vácuo para depositar, em um substrato, revestimentos formados a partir de metal ou ligas metálicas, como por exemplo ligas de zinco e zinco- magnésio, sendo a referida instalação mais particularmente destinada ao revestimento de tiras de aço, sem se limitar a elas. A presente invenção também se refere ao método para revestir um substrato do mesmo.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] São conhecidos vários processos para depositar revestimentos metálicos, eventualmente compostos por ligas, em um substrato, tal como uma tira de aço. Entre estes, podem ser mencionados o revestimento por imersão a quente, a eletrodeposição e, também, os vários processos de deposição a vácuo, tais como evaporação a vácuo e pulverização catódica (magnetron sputtering).

[003] É conhecido a partir dos documentos WO 97/47782 e WO 2009/047333 um método para o revestimento contínuo de um substrato de aço no qual um pulverizador de vapor metálico, impulsionado a uma velocidade superior a 500 m/s, entra em contato com o substrato. No entanto, foi observado que vapores de zinco tendem a condensar, o que leva a defeitos semelhantes a microgotículas no e sobre o revestimento metálico.

[004] O objetivo da presente invenção é, portanto, remediar os inconvenientes das instalações e processos do estado da técnica, fornecendo uma instalação de deposição a vácuo que evita a condensação de vapores de metal ou de ligas metálicas.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[005] Para este propósito, um primeiro objeto da presente invenção é uma instalação de deposição a vácuo para depositar continuamente, em um substrato fluente, revestimentos formados a partir de metal ou liga metálica, a instalação compreendendo um cadinho de evaporação adequado para fornecer vapor de metal ou liga metálica e compreendendo um tubo de evaporação, uma câmara de deposição adequada para ter o substrato passando rapidamente ao longo de uma trajetória determinada e um revestidor de jato de vapor ligando o tubo de evaporação à câmara de deposição, em que o revestidor de jato de vapor compreende ainda: - uma câmara de repartição se estendendo transversalmente a partir do tubo de evaporação e através da largura da trajetória determinada e compreendendo pelo menos um meio de reaquecimento posicionado dentro da câmara de repartição; e - um orifício de saída de vapor compreendendo uma abertura de base ligando o orifício de saída de vapor à câmara de repartição, uma abertura superior através da qual o vapor pode sair na câmara de deposição e dois lados ligando a abertura de base à abertura superior em que os lados do orifício de saída de vapor convergem um em direção ao outro na direção da abertura superior.

[006] A instalação de acordo com a invenção também pode ter as características opcionais listadas abaixo, consideradas individualmente ou em combinação: - O orifício de saída de vapor é um trapézio em seção transversal ao longo de um plano perpendicular ao seu comprimento; - O orifício de saída de vapor é um trapézio isósceles em seção transversal ao longo de um plano perpendicular ao seu comprimento; - O ângulo de base do trapézio isósceles tem um valor acima de 60°; - Os lados do orifício de saída de vapor estão convergindo exponencialmente um em direção ao outro na direção da abertura superior;

- O ângulo entre a abertura de base e cada lado tem um valor acima de 60° na saída do orifício de saída de vapor; - A razão entre a largura da abertura de base e a largura da abertura superior do orifício de saída de vapor está compreendida entre 1,6 e 2,4; - A razão entre o comprimento lateral e a largura da abertura de base está compreendida entre 4 e 8.

[007] Outras características e vantagens da invenção serão descritas em mais detalhes na descrição a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[008] A invenção será melhor compreendida pela leitura da descrição a seguir, a qual é fornecida apenas para fins de explicação e não é de forma alguma restritiva, com referência a: - Figura 1, que é uma seção transversal de uma forma de realização de uma instalação de acordo com a invenção; - Figura 2, que é uma seção transversal de uma forma de realização de um revestidor de jato de vapor de acordo com a invenção; - Figura 3, que são os resultados da modelagem numérica comparando a invenção com o estado da técnica.

DESCRIÇÃO DAS REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[009] Deve-se notar que os termos “inferior”, “abaixo”, “interno”, “para interno”, “externo”, “para fora”, “a montante”, “a jusante”... conforme utilizados neste pedido referem-se às posições e orientações dos diferentes elementos constituintes da instalação quando esta estiver instalada em uma linha de deposição a vácuo.

[010] O objetivo da presente invenção é depositar, sobre um substrato, revestimentos formados a partir de metal ou ligas metálicas. O objetivo é, em particular, obter revestimentos de zinco ou zinco-magnésio. No entanto, o processo não se limita a esses revestimentos, mas preferencialmente abrange qualquer revestimento à base de um único metal ou de uma liga metálica cujos elementos tenham pressões de vapor na temperatura do banho que não diferem mais de 10%, pois o controle de seu respectivo conteúdo relativo é então facilitado.

[011] Para dar uma indicação, pode-se então mencionar os revestimentos feitos de zinco, como elemento principal, e elemento(s) adicional(is), tais como cromo, níquel, titânio, manganês, magnésio, silício e alumínio, considerados individualmente ou em combinação.

[012] A espessura do revestimento será preferencialmente entre 0,1 e 20 µm. Por um lado, abaixo de 0,1 µm, haveria o risco de a proteção contra a corrosão do substrato ser insuficiente. Por outro lado, não é necessário ir além de 20 µm para obter o nível de resistência à corrosão necessário, em particular no campo automotivo ou de construção. Em geral, a espessura pode ser limitada a 10 µm para aplicações automotivas.

[013] Com referência à Figura 1, a instalação (1) de acordo com a invenção compreende primeiro uma câmara de deposição (2) e um meio para passar o substrato através da câmara.

[014] Esta câmara de deposição (2) é uma caixa hermeticamente vedável, de preferência mantida a uma pressão entre 0,001 Pa e 100 Pa (10-8 e 10-3 bar). Possui uma trava de entrada e uma trava de saída (estas não são mostradas) entre as quais um substrato (S), tal como por exemplo uma tira de aço, pode passar ao longo de uma trajetória determinada (P) em uma direção de corrida.

[015] O substrato (S) pode ser feito para passar por qualquer meio adequado, dependendo da natureza e da forma do referido substrato. Um rolo de suporte rotativo (3) no qual uma tira de aço pode suportar pode, em particular, ser utilizado.

[016] Na câmara de deposição (2), ao lado da face do substrato (S) que deve ser revestido, há um revestidor de jato de vapor (3). Este revestidor é adequado para pulverizar sobre o substrato fluente (S) um vapor de liga metálica proveniente de um cadinho de evaporação (4).

[017] O revestidor de jato de vapor (3) é montado, diretamente ou não, no cadinho de evaporação (4). Este último é adequado para conter o banho de metal ou liga metálica gerando o vapor a ser depositado no substrato (S) e adequado para alimentar o revestidor de jato de vapor com o vapor metálico. O cadinho de evaporação (4) está preferencialmente localizado na câmara de deposição (2).

[018] O cadinho de evaporação (4) consiste principalmente em um pote (5), uma tampa (6) e um tubo de evaporação (7) conectado de um lado na tampa e do outro lado no revestidor de jato de vapor (3). De preferência, uma válvula colocada entre o evaporador e o ejetor controla o fluxo de vapor metálico. Estas diferentes partes podem, por exemplo, ser feitas de grafite.

[019] O cadinho de evaporação (4) é fornecido com meios de aquecimento (8) permitindo que o vapor metálico se forme e alimente o revestidor de jato de vapor (3). O cadinho de evaporação (4) é vantajosamente fornecido com um aquecedor de indução que tem a vantagem de fazer a agitação e a homogeneização da composição do banho de liga metálica mais fácil.

[020] O revestidor de jato de vapor (3) é, de preferência, um revestidor de jato de vapor sônico, isto é, um revestidor capaz de gerar um jato de vapor de velocidade sônica. Esse tipo de revestidor também é geralmente chamado de dispositivo JVD (Jet Vapor Deposition). O leitor pode consultar os pedidos de patente WO 97/47782 e WO 2009/047333 para uma descrição mais completa dos detalhes deste tipo de dispositivo.

[021] O revestidor de jato de vapor (3) compreende vantajosamente uma câmara de repartição (31) provida com um orifício de saída de vapor estreito (32), cujo comprimento é próximo à largura do substrato a ser revestido. A câmara de repartição permite que o vapor metálico seja homogeneamente distribuído ao longo da largura do substrato. Falando de modo prático, ela se estende transversalmente a partir do tubo de evaporação (7) e através da largura da trajetória (P), ou seja, através da largura do substrato quando a instalação está em funcionamento. Estende-se preferencialmente em paralelo à trajetória (P) de modo que todos os pontos do substrato estejam à mesma distância do revestidor de jato de vapor, o que favorece ainda mais a homogeneidade da deposição do revestimento. Tem de preferência a forma de um tubo que se estende longitudinalmente através da trajetória (P). Esta câmara pode, por exemplo, ser feita de grafite.

[022] A câmara de repartição compreende ainda pelo menos um meio de reaquecimento (33) posicionado dentro da câmara de repartição, isto é, na cavidade delimitada pelos lados da câmara de repartição (31). Permite reaquecer o vapor proveniente do tubo de evaporação depois de se expandir ao entrar na câmara de repartição. Portanto, evita a condensação na câmara de repartição. O meio de reaquecimento estende-se ao longo do comprimento da câmara de repartição, de preferência ao longo de todo o comprimento. Está de preferência na forma de um cartucho de aquecimento. O número e a posição dos meios de reaquecimento podem ser ajustados para otimizar o reaquecimento do vapor.

[023] O orifício de saída de vapor (32) é basicamente uma fenda que pode ser ajustada de preferência no comprimento e na largura. A possibilidade de adaptar sua largura permite que o jato de vapor seja mantido dentro de uma ampla faixa de temperaturas de superfície de metal evaporado e, portanto, em uma ampla faixa de taxas de evaporação. Além disso, a possibilidade de adaptar o seu comprimento à largura do substrato a ser revestido permite minimizar a perda de metal evaporado.

[024] Com referência à Figura 2, em seção transversal ao longo de um plano perpendicular ao seu comprimento, o orifício de saída de vapor compreende uma abertura de base (9) cortada na parede da câmara de repartição (31) de modo a ligar o orifício de saída de vapor à câmara de repartição, uma abertura superior (10) através da qual o vapor pode sair na câmara de deposição e dois lados (11, 12) ligando a abertura de base à abertura superior. A abertura superior (10) está preferencialmente localizada em um plano paralelo à trajetória (P) de modo que os vapores de metal ou de ligas metálicas sejam depositados de forma mais homogênea no substrato.

[025] Foi surpreendentemente verificado pelos inventores que o risco de condensação de vapores de metal ou de ligas metálicas no revestidor de jato de vapor (3) e no tubo de evaporação (7) seria eficientemente evitado se os lados (11, 12) do orifício de saída de vapor (32) convergissem um para o outro na direção da abertura superior. Sem estar limitado por qualquer teoria científica, é o entendimento dos inventores que esta restrição de largura na saída do orifício de saída de vapor (32) tem o efeito de localizar o choque sônico na saída do orifício de saída de vapor (32) que evita a condensação antes desse ponto.

[026] Por “convergir um para o outro”, significa que a largura da abertura superior do orifício de saída de vapor é menor do que a largura da abertura de base. Isso não limita de forma alguma a forma dos lados. Os lados podem ser, por exemplo, linhas retas, linhas curvas ou combinações de ambas.

[027] De acordo com uma primeira realização da invenção, a forma do orifício de saída de vapor (32), em seção transversal, é um trapézio.

Nesse caso, considerando a forma geral do orifício, isso significa que a base pequena do trapézio está localizada na saída do orifício de saída de vapor (32).

Este encurtamento linear do orifício ajuda a acelerar o jato de vapor de forma homogênea e progressiva. Do ponto de vista industrial, essa forma também é um bom compromisso entre eficiência e facilidade de fabricação.

[028] Mais preferencialmente, a forma do orifício de saída de vapor (32), em seção transversal, é um trapézio isósceles, isto é, um trapézio onde os lados (11, 12) têm o mesmo comprimento e os ângulos de base têm a mesma medida. Graças à simetria de reflexão, o jato de vapor que sai do orifício de saída de vapor é mais homogêneo.

[029] De preferência, o ângulo de base tem um valor acima de 60°, e mais preferencialmente acima de 80°. Isso ajuda a focar o jato de vapor no substrato.

[030] De preferência, a razão entre a abertura de base (9) e a abertura superior (10) do orifício de saída de vapor está compreendida entre 1,6 e 2,4. Verificou-se que isso localizava de forma eficiente o choque sônico na saída do orifício de saída de vapor, enquanto minimizava a perda de pressão resultante do formato do orifício.

[031] De preferência, a razão entre o comprimento lateral e a largura da abertura de base está compreendida entre 4 e 8. Graças a esta razão, as linhas de fluxo do jato de vapor têm tempo para se estabilizarem após serem rompidas na junção entre a câmara de repartição (31) e o orifício de saída de vapor (32).

[032] De acordo com uma segunda realização da invenção, os lados (11, 12) do orifício de saída de vapor (32) estão convergindo exponencialmente um em direção ao outro na direção da abertura superior (10). Por “convergindo exponencialmente”, significa que cada lado tem, em seção transversal, uma forma exponencial. Esta forma favorece a transição entre a câmara de repartição e o orifício de saída de vapor. As linhas de fluxo do jato de vapor são, portanto, menos interrompidas na junção entre a câmara de repartição e o orifício de saída de vapor.

[033] De preferência, os dois lados (11, 12) têm a mesma forma exponencial. Graças à simetria de reflexão, o jato de vapor que sai do orifício de saída de vapor é mais homogêneo.

[034] De preferência, o ângulo entre a abertura de base (10) e o lado tem um valor acima de 60° na saída do orifício de saída de vapor, e mais preferencialmente acima de 80°. Isso ajuda a focar o jato de vapor no substrato.

[035] De preferência, a razão entre a largura da abertura de base (9) e a largura da abertura superior (10) do orifício de saída de vapor está compreendida entre 1,6 e 2,4. Verificou-se que isso localizava de forma eficiente o choque sônico na saída do orifício de saída de vapor, enquanto minimizava a perda de pressão resultante do formato do orifício.

[036] De preferência, a razão entre o comprimento lateral e a largura da abertura de base está compreendida entre 4 e 8. Graças a esta razão, as linhas de fluxo do jato de vapor têm tempo para se estabilizarem após serem rompidas na junção entre a câmara de repartição e o orifício de saída de vapor.

[037] Em ambas as realizações, a largura da abertura superior (10) é ajustada dependendo da taxa de fluxo necessária na instalação de deposição a vácuo industrial. O técnico no assunto saberá como ajustar esta largura dependendo dos outros parâmetros que controlam a taxa de fluxo, particularmente com base em modelagem numérica.

[038] Em ambas as realizações, a largura da abertura de base (9) e a largura da abertura superior (10) são, de preferência, constantes ao longo do comprimento do orifício de saída de vapor (32) de modo a favorecer uma deposição homogênea dos vapores de metal ou ligas metálicas no substrato.

[039] De preferência, os dois lados (11, 12) do orifício de saída de vapor são aquecidos de modo a limitar o risco de condensação de vapores de metal ou de ligas metálicas sobre eles.

[040] A modelagem numérica foi realizada para avaliar a eficiência de uma instalação que compreende o orifício de saída de vapor de acordo com a invenção.

[041] O modelo foi aplicado a uma instalação que compreende um tubo de evaporação (7) conectado a um revestidor de jato de vapor (3) compreendendo uma câmara de extração (31) fornecida com um orifício de saída de vapor estreito (32). Em particular, o modelo foi aplicado com base nos seguintes valores: - Metal a ser evaporado: zinco, - Pressão na entrada do tubo de evaporação: 5869 Pa, - Temperatura na entrada do tubo de evaporação: 953K - Temperatura das laterais: 1042K - Taxa de fluxo de zinco: 170 g/s - Válvula de vapor totalmente aberta

[042] A Figura 3 a) mostra os resultados obtidos com um orifício de saída de vapor (32) de seção transversal retangular, sendo a abertura de base e a abertura superior ambas de 24 mm, o orifício tendo um comprimento de 1750 mm.

[043] A Figura 3 b) mostra os resultados obtidos com um orifício de saída de vapor (32) que, em seção transversal, é um trapézio isósceles, sendo a abertura de base de 48 mm, a abertura superior de 24 mm e os lados de 100 mm.

[044] Para ambas as figuras, o nível de cinza indica o risco de condensação. Quanto mais escuro, maior o risco de condensação.

[045] Como fica evidente ao comparar a Figura 3 a) e a Figura 3 b), o zinco condensa-se no orifício de saída retangular, enquanto não se condensa no orifício de saída trapezoidal.

[046] A instalação de acordo com a invenção aplica-se mais particularmente, mas não exclusivamente, ao tratamento de tiras de metal, pré- revestidas ou sem revestimento. Naturalmente, o processo de acordo com a invenção pode ser empregado para qualquer substrato revestido ou não revestido, como, por exemplo, tira de alumínio, tira de zinco, tira de cobre, tira de vidro ou tira de cerâmica.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. INSTALAÇÃO DE DEPOSIÇÃO A VÁCUO (1) para depositar continuamente, em um substrato fluente (S), revestimentos formados a partir de metal ou liga metálica, caracterizada pela instalação compreender: - um cadinho de evaporação (4) adequado para fornecer vapor de metal ou liga metálica e compreendendo um tubo de evaporação (7); - uma câmara de deposição (2) adequada para ter o substrato (S) passando rapidamente ao longo de uma trajetória determinada (P); e - um revestidor de jato de vapor (3) ligando o tubo de evaporação à câmara de deposição; em que o revestidor de jato de vapor compreende ainda: - uma câmara de repartição (31) se estendendo transversalmente a partir do tubo de evaporação e através da largura da trajetória determinada e compreendendo pelo menos um meio de reaquecimento (33) posicionado dentro da câmara de repartição; e - um orifício de saída de vapor (32) compreendendo uma abertura de base (9) ligando o orifício de saída de vapor à câmara de repartição, uma abertura superior (10) através da qual o vapor pode sair na câmara de deposição e dois lados (11, 12) ligando a abertura de base à abertura superior em que os lados do orifício de saída de vapor convergem um em direção ao outro na direção da abertura superior.

2. INSTALAÇÃO DE DEPOSIÇÃO A VÁCUO (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo orifício de saída de vapor (32) ser um trapézio em seção transversal ao longo de um plano perpendicular ao seu comprimento.

3. INSTALAÇÃO DE DEPOSIÇÃO A VÁCUO (1), de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo orifício de saída de vapor (32) ser um trapézio isósceles em seção transversal ao longo de um plano perpendicular ao seu comprimento.

4. INSTALAÇÃO DE DEPOSIÇÃO A VÁCUO (1), de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo ângulo de base do trapézio isósceles possuir um valor acima de 60°.

5. INSTALAÇÃO DE DEPOSIÇÃO A VÁCUO (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelos lados (11, 12) do orifício de saída de vapor (32) estarem convergindo exponencialmente um em direção ao outro na direção da abertura superior (10).

6. INSTALAÇÃO DE DEPOSIÇÃO A VÁCUO (1), de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo ângulo entre a abertura de base (10) e cada lado (11, 12) possuir um valor acima de 60° na saída do orifício de saída de vapor (32).

7. INSTALAÇÃO DE DEPOSIÇÃO A VÁCUO (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pela razão entre a largura da abertura de base (9) e a largura da abertura superior (10) do orifício de saída de vapor (32) estar compreendida entre 1,6 e 2,4.

8. INSTALAÇÃO DE DEPOSIÇÃO A VÁCUO (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pela razão entre o comprimento lateral e a largura da abertura de base estar compreendida entre 4 e 8.