BRPI0918113B1 - Instalação de depósito a vácuo de um revestimento de liga metálica sobre um substrato e método para depositar um revestimento de liga metálica sobre um substrato - Google Patents

Abstract

instalação de depósito a vácuo de um revestimento de liga metálica sobre um substrato e método para depositar um revestimento de liga metálica sobre um substrato a presente invenção refere-se a uma instalação do depósito a vácuo de um revestimento de liga metálica sobre um substrato (7), equipado com um gerador de vapor/misturador constituído por uma câmara de vácuo (6), sob a forma de um compartimento, munido de meios para assegurar um estado de depressão em relação ao ambiente externo, e munido de meios que permitam a entrada e saída do substrato (7), sendo essencialmente fechado ao ambiente externo, incluindo o referido compartimento um topo de depósito de vapor, denominado ejector (3), configurado para criar um jacto de vapor de liga metálica à velocidade do som e em direcção a e perpendicular à superfície do substrato (7), estando o referido ejector (3) em comunicação de forma estanque com um dispositivo misturador distinto (14), ele próprio ligado a montante, respectivamente, a pelo menos, dois cadinhos (11, 12) e contendo diferentes metais m1 e m2, sob a forma líquida, sendo cada cadinho (11, 12) ligado por um tubo adequado (4, 4') ao misturador (14).

Description

INSTALAÇÃO DE DEPÓSITO A VÁCUO DE UM REVESTIMENTO DE LIGA

METÁLICA SOBRE UM SUBSTRATO E MÉTODO PARA DEPOSITAR UM

REVESTIMENTO DE LIGA METÁLICA SOBRE UM SUBSTRATO

Objecto da invenção [0001] A presente invenção relaciona-se com um gerador de vapor industrial para revestimento a vácuo e em movimento contínuo de um substrato, particularmente uma tira de metal, através de vapores metálicos, para formar uma camada de liga metálica na sua superfície, com vista a garantir a sua excelente resistência à corrosão, mantendo as boas características de embutição e soldabilidade.

Estado da arte [0002] Sabe-se desde final dos anos 1980 que a depósito de algumas ligas, como ZnMg, na superfície de uma tira de aço, desempenha um papel protector do aço.

A excelente resistência à corrosão da liga ZnMg é atribuída à natureza dos produtos de corrosão formados na superfície da tira segundo uma camada muito densa que age como uma película barreira.

Um tal depósito de uma liga não é normalmente de técnicas habituais, tais como a galvanoplastia, o revestimento por electroescória, etc., senão em certos limites de composição. Assim, à pressão atmosférica, pode haver contaminação do banho de metal fundido por oxigénio, que forma mates óxidos à superfície do banho.

espessuras problema é

Se a pessoa deseja obter e composição prolongados, muitas vezes a evaporação a intervalos de único eventual vácuo de metal na forma líquida, puro ou em liga (técnica PVD, Pressure Vapor

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 6/42

2/22

Deposition).

[0005]

Segundo esta técnica, coloca-se o substrato numa câmara de vácuo mantida a baixa temperatura e com um cadinho de metal derretido. O depósito é feito então em todas as superfícies cuja temperatura seja inferior à temperatura do vapor de metal.

Para aumentar o rendimento de depósito sobre o substrato e evitar o desperdício, portanto, é vantajoso aquecer as paredes do compartimento.

No documento WO-A-97/47782 descreve-se um método para revestir continuamente um substrato em movimento, em que o vapor do metal é gerado aquecendo por indução um cadinho que contém um revestimento na câmara através de um tubo que banho constituído por um metal de de vácuo. O vapor sai do cadinho o leva a um orifício de saída, de preferência calibrado, de modo a formar um jacto direccionado para a superfície do substrato a ser revestido. O uso de um orifício em forma de uma ranhura longitudinal de secção estreita permite a regulação do débito de massa de vapor, a uma velocidade do som constante ao longo da ranhura (orifício), que oferece a vantagem de obter um depósito uniforme. Referir-nos-emos posteriormente a essa usando a sigla JVD (para Jet

Vapor Deposition)

Esta tecnologia apresenta, no entanto, várias deficiências, incluindo:

o fornecimento constante de metal líquido implica a previsão do retorno ao tanque deste em um ou mais pontos;

o metal líquido contém impurezas, ocorre a concentração dessas impurezas na superfície do banho devido evaporação, o que reduz o débito. A uniformidade do banho para obter um depósito uniforme. Trata-se de necessária conduzir o

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 7/42

3/22 líquido frio para um lugar, enquanto se remove o líquido usado noutro local. Uma solução seria retirar a camada da superfície ou uma reciclagem da carga, mas qualquer operação mecânica se torna complicada no vácuo;

- a dificuldade de ajustar a ranhura de evaporação numa largura de banda variável, o que implica ter meios de separação de ambos os lados da ranhura e, tendo início a realização da estanqueidade do vapor a vácuo e a 700°C, tal não é fácil de conseguir ;

- a dificuldade de ocultar a ranhura quando o movimento da fita pára, o que implicaria a presença de uma vedação da válvula linear num comprimento típico de 2 metros ou mais;

- a grande inércia térmica do sistema (pelo menos diversos minutos);

- o aquecimento, produzido por indução a vácuo, necessita de passar toda a potência eléctrica de aquecimento por meio de conectores eléctricos através da parede vedada a vácuo, o que não facilita a acessibilidade e a manutenção da instalação.

[0008] Além disso, o estado da arte não oferece uma solução satisfatória para a necessidade de realizar o codepósito de dois metais diferentes, envolvendo a mistura de dois jactos na saída do evaporador. A utilização de caixas de mistura intermediárias deflectoras não trouxe qualquer resultado suficientemente convincente.

[0009] Um primeiro procedimento para depositar uma camada de liga numa tira é efectuar em primeiro lugar o depósito de um primeiro metal, como o zinco, por exemplo, pelo revestimento de electroescória, eletrólise ou pulverização magnetrão a vácuo, seguido do depósito de uma camada de um segundo metal como alumínio, por exemplo sob

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 8/42

4/22

vácuo e,	finalmente,	realizar	um tratamento térmico	de
difusão,	por exemplo,		fazendo o recozimento a baixa
temperatura, o que cria	a	liga.
[0010]	A vantagem	deste	método é simples na	sua
concepção,	permitindo o	controlo	passo a passo.

[0011] Um primeiro inconveniente, no entanto, é multiplicar as etapas do processo e, consequentemente, o seu custo. Em particular, o tratamento térmico de difusão consome uma quantidade significativa de energia. Por exemplo, se a espessura relativa do revestimento é de 1%, devemos fornecer a energia necessária para toda a espessura do produto final, ou seja, 100%, o que corresponde a vários megawatts para uma linha industrial.

[0012] Assim, no documento WO-A-02/14573, descreve-se a elaboração de um revestimento a partir de um revestimento galvanizado base obtido por um procedimento convencional de galvanização por imersão a quente ou electrozingados, ele próprio revestido de seguida de magnésio a vácuo. Um aquecimento rápido por indução permite colocar nalguns segundos o depósito em fusão e obter após o arrefecimento, uma repartição microestrutural favorável da fase de liga ZnMg em toda a espessura da camada.

[0013] No documento FR 2843130 descreve-se um processo para o revestimento de uma superfície de um material metálico, segundo o qual:

- realiza-se um primeiro revestimento do material referido por uma camada de metal ou liga metálica,

- realiza-se um tratamento térmico na primeira camada por meio de aquecimento rápido, de modo a elevar a superfície do referido primeiro revestimento a uma temperatura inferior à

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 9/42

5/22 temperatura de fusão do material metálico e

- realiza-se um depósito de um segundo revestimento a partir de um metal ou liga metálica.

[0014] O requerente propôs também um produto industrial bicamada electrozingado/liga ZnMg obtido através de PVD (EP-A-0756022) tal como um método aperfeiçoado com sistema de aquecimento de infravermelho para efectuar a liga do magnésio com zinco, com vista a minimizar a formação da fase intermetálica frágil FeZn.

[0015] A segunda desvantagem prende-se com o facto de todos os tipos de aço não aceitarem este tratamento térmico.

Por exemplo, os aços BH (bake hardening) são aços maleáveis,

flexíveis,	resistentes à corrosão que se destinam ao
automóvel,	os quais apresentam instabilidades que são
deslocados	durante a cozedura da pintura, o que provoca o

endurecimento da folha. Este produto apresenta, portanto, uma dificuldade associada a um endurecimento que resulta do seu aquecimento. Um depósito directo da liga permitiria, por isso, superar esses inconvenientes.

[0016] Outra abordagem é, portanto, produzir ligas metálicas de revestimento através de um depósito directo de liga sem tratamento térmico, pelo rigoroso controlo da concentração de ambos os metais no cadinho. Por exemplo, se se colocar 50% de Zn e 50% Mg no cadinho, produz-se uma liga de 85% Zn/ 15% Mg, dadas as diferentes taxas de evaporação. Contudo essa verificação implica grandes dificuldades na gestão do sistema, devido às variações contínuas das concentrações no cadinho. Em particular, é difícil assegurar a homogeneidade no cadinho, especialmente se este não for de secção circular. Por exemplo, a Posco (publicação: « Next

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 10/42

Generation Automotive Steels at POSCO », Jan. 2008), oferece um revestimento obtido por PVD a uma velocidade muito alta, elevado rendimento de vapor e energético, especialmente na forma de codepósito da liga a partir de uma fonte única de evaporação.

6/22

[0017]	Um	outra abordagem de	acordo	com o estado	da
arte consiste	na	utilização de dois	cadinhos,	gerando cada	um
deles um tipo	de	vapor, e ambos os	vapores	resultantes	são
direccionados	at	ravés de um tubo	para um	dispositivo	de

mistura, a partir do qual a liga é depositada na tira.

[0018] A patente 1010720 BE A3 descreve um método para revestir continuamente um substrato em movimento através de uma liga metálica em fase de vapor, na qual se procede à evaporação dos diferentes componentes constituintes da liga nos elementos distintos adequados, sendo os diferentes vapores metálicos obtidos canalizados para onde o depósito é realizado. Um dos vapores libertado dos banhos metálicos contendo componentes da liga metálica desempenha um papel de elemento de propulsão face a outros vapores metálicos presentes.

[0019] No documento WO-A-02/06558, é obtido revestimento de ZnMg a vácuo por evaporação a partir de dois cadinhos, um contendo zinco e um de magnésio. Antes da projecção sobre a tira, os vapores são misturados num dispositivo de estrangulamento sob a forma de placas com buracos ou ranhuras, o que permite obter uma velocidade do som e um débito de vapor máximo. No entanto, a alta velocidade dos vapores antes de a mistura tornar muito difícil a obtenção de uma mistura homogénea por difusão molecular.

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 11/42

7/22 [0020] Em L. Baptiste et al., Electromagnetic levitation : A new technology for high rate physical vapour deposition of coatings onto metallic strip, Surface & Coatings Technology 202 (2007) 1189-1193, é proposto um método baseado na tecnologia de levitação dos materiais condutores em campos eletromagnéticos de alta frequência. Através de uma concepção adequada das bobinas indutoras, pode-se obter altas densidades de energia e pode-se facilmente evaporar metais com pressões de vapor baixas, como o níquel, o alumínio, o níquel ou o cobre, bem como das respectivas ligas. O vapor produzido é orientado para o substrato por um sistema de distribuição de vapor especialmente concebido, que permite atingir uma boa uniformidade de cobertura e uma excelente utilização do vapor.

O documento US-A-5, 002,837 descreve a depósito por evaporação de um revestimento de camada dupla Zn/ZnMg com uma fase totalmente em liga Zn2Mg ou Zn2Mg/Zn11Mg2.

[0021] O pedido EP-A-2048261, pertencente à requerente, revela um gerador de vapor para o depósito de um revestimento metálico sobre uma tira de aço, constituído por um compartimento de vácuo sob forma de câmara, dotado de meios para garantir um estado de depressão em relação ao ambiente exterior e dotado de meios que permitam a entrada e saída da tira, sendo essencialmente vedado do ambiente exterior. Esta câmara inclui uma cabeça de depósito de vapor, chamado de ejector, moldado para criar um jacto de vapor metálico à velocidade do som e em direcção à e perpendicular à superfície da tira. O ejector encontra-se em comunicação de forma vedada através de uma linha de alimentação com pelo

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 12/42

8/22 menos um cadinho contendo um metal de revestimento sob a forma líquida fora da câmara de vácuo.

O gerador de vapor inclui meios para regular o débito, a pressão e/ou a velocidade do vapor metálico no ejector. O documento EP-A2048261 pertence ao estado da arte, nos termos do artigo (3) EPC.

O pedido anterior EP-A-1972699, pertencente requerente, divulga um método e uma instalação de revestimento de um substrato, de acordo com os quais continuamente depositada sobre referido substrato uma camada de liga de metal que compreende pelo menos dois elementos metálicos, através da instalação da vácuo compreendendo um revestimento por jacto de depósito a vapor, que permite projectar sobre o substrato um vapor que contém os elementos metálicos numa proporção relativa pré-determinada e constante, sendo o vapor conduzido previamente à velocidade do som. O método é mais particularmente adequado para depositar revestimentos de ZnMg.

Objectivos da invenção [0023] A presente invenção visa fornecer uma solução que permita superar as desvantagens do estado da técnica.

[0024] Em particular, a invenção visa atingir os seguintes objectivos:

- nenhuma fonte de líquido na câmara de vácuo para o depósito;

- simplicidade de realização;

- -redução bastante significativa do comprimento da mistura de dois ou mais vapores metálicos;

- possibilidade de regulação rapidamente diferenciada e ajustável dos teores em metais na liga individual;

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 13/42

9/22

- fácil acessibilidade e manutenção devido ou dos cadinhos ;

- excelente uniformidade de evaporação e mecanismo simples de adaptação em larguras de banda que podem exceder os 2 metros;

- débito de vapor maximizado;

- fácil regulação do débito de vapor, por controlo da potência eléctrica e/ou da temperatura da superfície de evaporação;

- concepção de uma instalação bastante suave para os depósitos de liga inteiramente a vácuo;

Principais elementos característicos da invenção [0025] Um primeiro objectivo da presente invenção refere-se a uma instalação de depósito a vácuo de um revestimento de liga metálica sobre um substrato, de preferência uma tira metálica em movimento contínuo, equipado com um gerador de vapor/misturador compreendendo uma câmara de vácuo sob a forma de uma câmara, dotado de meios para garantir um estado de depressão em relação ao ambiente externo, e dotado de meios que permitem a entrada e saída do substrato, sendo essencialmente fechado ao ambiente externo, englobando a referida câmara um topo de depósito de vapor, denominado ejector, configurada para criar um jacto de vapor de liga metálica com velocidade do som em direcção a e perpendicular à superfície do substrato, estando o referido ejector em comunicação de forma fechada com um dispositivo misturador separado, o próprio ligado a montante, respectivamente, a pelo menos dois cadinhos contendo metais diferentes M1 e M2, sob a forma líquida, e cada cadinho está ligado por um tubo próprio ao misturador.

[0026] De acordo com modalidades de execução preferidas da instalação da depósito a vácuo de um revestimento de liga

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 14/42

10/22 metálica sobre um substrato de acordo com a presente invenção, que inclui ainda uma ou mais das seguintes características em combinação com as características básicas da instalação:

- O misturador inclui uma caixa cilíndrica no interior da qual se encontram, ao longo do eixo da caixa, uma pluralidade de tubos, dispostos e conectados na entrada à linha de entrada de um vapor metálico em primeiro lugar, a conduta de entrada de um segundo vapor metálico a condução fornecimento de um vapor metálico encontrando-se ligado lateralmente relativamente à caixa cilíndrica, ao interstício entre os tubos.

[0027] Os tubos e o espaço intersticial apresentam orifícios de saída para um mesmo espaço onde todos possam receber a mistura de vapores;

[0028] O misturador compreende uma série de divisórias para separar pelo menos dois vapores de entrada, criando tais divisórias orifícios que possibilitam a libertação dos dois vapores com vista à sua mistura sob a forma de camadas alternadas de um e de outro vapor na direcção débito de saída

- cada um dos referidas tubos compreende uma válvula proporcional com opcionalmente um dispositivo a de perda de carga;

- a válvula proporcional é uma válvula tipo borboleta;

- o ejector inclui uma ranhura longitudinal de saída de vapor, desempenhando o papel de gargalo sonoro, que se estende por toda a largura do substrato e um meio filtrante ou um elemento de perda de carga sintetizado, de preferência fabricado em titânio ou sob a forma de tela de fibra metálica

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 15/42

11/22 de aço inoxidável sintetizado, de modo a normalizar e ajustar os vectores velocidade do vapor que saem do ejector;

- a instalação compreende meios para ajustar o comprimento da ranhura à largura do substrato;

- os referidos meios compreendem meios de rotação do ejector em torno da sua linha de fornecimento

- o ejector, o misturador, os tubos e cadinhos são isolados termicamente do meio exterior e aquecidos por um forno de radiação;

- a instalação opcional inclui meios opcionais para aquecimento da câmara de vácuo;

- uma primeira superfície porosa é disposta à saída dos tubos de saída do misturador e/ou uma segunda superfície porosa é disposta à saída do espaço intersticial do misturador, de forma a equilibrar as pressões dos dois vapores respectivos;

- um tubo adicional é montado a derivar do tubo de transporte do primeiro metal M1 para o misturador, com uma válvula de isolamento, que conduz a um ejector suplementar na câmara de vácuo, estando o referido ejector configurado para criar um jacto de vapor do primeiro metal M1 a uma velocidade do som e em direcção a e perpendicular à superfície do substrato, a parte do tubo de transporte do primeiro metal M1 conduzindo ao misturador estando provido de uma válvula adicional para isolar o primeiro cadinho do misturador.

[0029] Um segundo objectivo da presente invenção referese a um método para depositar uma camada de liga metálica sobre um substrato, de preferência uma tira de metal contínua, através do modo de instalação descrito acima, que se caracteriza por:

- regular a velocidade do débito de cada um dos vapores de

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 16/42

12/22 metais na entrada do misturador de forma a que a referida velocidade do débito dos vapores na entrada do misturador seja inferior a um factor de 10, de preferência um factor 50, a uma velocidade do som;

- ajustar-se de forma independente da concentração de cada metal durante a mistura dos vapores a depositar no substrato. [0030] De preferência, o método é implementado para que o débito seja inferior a 100 m/s, de preferência é de 5 a 50 m/s.

[0031] Ainda vantajosa, de acordo com o método da invenção para a execução da instalação acima da depósito a vácuo de um revestimento de liga metálica sobre um substrato, de preferência uma tira metálica em contínuo movimento, em que a válvula complementar referida está fechada e referida válvula de isolamento está aberta, é possível efectuar sobre substrato sucessivamente um depósito do primeiro metal M1 ao nível do ejector suplementar e um depósito do segundo metal M2 ao nível do ejector na câmara de vácuo.

[0032] Ainda vantajosa, de acordo com o processo para a execução da instalação acima da depósito a vácuo de um revestimento de liga metálica sobre um substrato, de preferência uma tira de metal em contínuo movimento, de em que a referida válvula adicional se encontra fechada, é possível efectuar sobre o substrato um depósito directo de liga M1 + M2 ao nível do ejector na câmara de vácuo. Ainda vantajosa, de acordo com o processo para a execução da instalação acima da depósito a vácuo de um revestimento de liga metálica sobre um substrato, de preferência uma tira metálica em movimento contínuo, encontrando-se tanto a referida válvula adicional como a referida válvula de

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 17/42

13/22 isolamento abertas, é possível efectuar sucessivamente sobre o substrato um depósito do primeiro metal M1 ao nível do ejector adicional e um depósito directo de liga M1 + M2 ao nível do ejector na câmara de vácuo.

[0033] Vantajosamente, de acordo com os métodos acima, ao ou aos depósitos de metal ou de liga segue-se um tratamento térmico.

Breve descrição das Figuras [0034] A Figura 1 mostra esquematicamente um gerador de vapor com um misturador segundo a invenção que permite a depósito de uma liga de dois metais puros no substrato;

[0035] As figuras 2A a 2C representam vistas detalhadas do misturador de vapores metálicos segundo uma modalidade de execução preferível pela presente invenção;

[0036] As figuras 3A e 3B representam esquematicamente, respectivamente, uma planta e uma vista de elevação de uma instalação bimodal completa segundo uma forma de execução preferível pela presente invenção, utilizada quer para o depósito de duas espécies metálicas distintas numa tira metálica, quer para o depósito directo de liga utilizando o misturador referido;

[0037] A figura 4 representa ainda vistas em perspectiva dos tubos de instalação segundo as figuras 3A e 3B;

[0038] A figura 5 mostra os resultados da análise de revestimento ZnMg por espectroscopia de descarga luminescente (GDOES)durante os ensaios de aplicação da invenção numa linha piloto, expresso em peso de zinco e magnésio (em% valores nominais especificados, I/A), obtidos em diversos pontos ao longo da largura da tira revestida;

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 18/42

14/22

A Figura 6 representa a composição de uma liga de tipo ZnMg assim que a evolução do peso do revestimento obtido a partir do momento em que as válvulas de instalação JVD são abertas (análise ICP ao longo da tira).

Descrição das modalidades preferidas da invenção [0039] A solução proposta de acordo com a presente invenção consiste na utilização de um cadinho de evaporação suspenso, ou seja, que seja dissociado de uma cabeça de evaporação JVD na ranhura longitudinal ou em orifícios calibrados para a saída do vapor, adiante designada por ejector. O princípio geral de um tal dispositivo com cadinho suspenso, no caso de uma única espécie de vapor a depositar, é descrito em detalhe em EP-A-2048261.

[0040] O presente pedido de patente baseia-se no depósito de um revestimento de liga e, portanto, necessita de pelo menos a utilização de duas fontes diferentes de vapor metálico.

No caso de se desejar misturar os vapores de dois metais de revestimentos diferentes, como mostrado na Figura 1, duas câmaras de fusão ou cadinhos 11, 12, contendo respectivamente dois metais puros (por exemplo, zinco e magnésio) são cada um deles ligados por um tubo 4, 4'munido com uma válvula 5, 5' uma câmara de mistura 14 acoplada ao ejector 3. A concentração de ambos os metais na mistura é ajustada por um lado através da energia fornecida e, por outro, através das respectivas válvulas proporcionais 5, 5', o que simplifica o problema de gestão. O tamanho deste sistema é vantajosamente reduzido (ver abaixo).

[0041] Este dispositivo permite através das válvulas presentes regular o débito de vapor de modo rápido e fino.

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 19/42

15/22

Neste sentido, a escolha de tubos cilíndricos permite obter uma boa estanqueidade ao vácuo a alta temperatura e a utilização de uma válvula proporcional 5, por exemplo, uma válvula de borboleta, como a que se encontra disponível comercialmente com eventualmente um dispositivo de perda de carga 5A, para controlar o débito de vapor. A espessura da camada depende do débito de vapor de metálico, sendo o próprio proporcional à potência útil fornecida. Quando a energia é alterada, é possível modificar simultaneamente a posição da válvula para regular a perda de pressão no novo ponto de funcionamento. Os débitos de massa também mudam instantaneamente, tornando a transição praticamente inexistente quando a válvula muda de posição. O ejector 3 é uma caixa de comprimento superior à largura da tira a revestir. Este dispositivo possui um meio de filtragem

ou criação	de uma perda	de	carga	(não representado)	para
assegurar a	uniformização	do	débito	do vapor	ao longo de	todo
o comprimento da caixa.	O	eject	or 3 é	aquecido a	uma
temperatura	superior à	do	vapor	metálico	e está isolado

externamente. Uma ranhura calibrada ou uma série de orifícios fornecem a projecção, a velocidade do som, do vapor metálico na tira 7. Dependendo da densidade do metal, obtêm-se geralmente velocidades que variam normalmente entre 500 e 800 m/s. O gargalo sonoro ao longo de todo o comprimento da ranhura completa de forma muito eficaz do meio filtrante para assegurar a uniformidade de depósito na tira. O tamanho da ranhura ou dos orifícios S impõe o volume de débito (k x vson x S, k~0,8). A velocidade do som, vson, é atingida no ejector na saída da ranhura ou dos orifícios. Graças à presença de um elemento de perda de carga no tubo (válvula 5), podemos

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 20/42

16/22 regular o débito de vapor e configurar uma baixa pressão inicial.

[0042] No estado da arte (ver WO-A-02/0 6558), os dois tubos de alimentação do ejector são munidos de restrições sob a forma de orifícios calibrados. É então nesse ponto que a velocidade do som é obtida (diversas centenas de m/s). Se é necessário um tempo de mistura t0 para obter a combinação perfeita, então, se os vapores têm uma velocidade v0 na saída destes orifícios calibrados, o elemento misturador deve ter um comprimento v0xt0. Por exemplo, se v0 = 500 m/s e T0 = 0,2 s, então v0 xt0=100 m! Daí resulta, portanto, que, com tal princípio, a mistura da camada nunca é realmente perfeita. Isto deve-se a problemas de homogeneidade do revestimento. Pelo contrário, o dispositivo segundo a invenção, representado na figura 1, permite misturar os vapores desta vez a baixa velocidade, graças aos elementos de perda de carga incorporados no sistema, tais como válvulas. A mistura ocorre entre o vapores com velocidades regulamentadas e tipicamente compreendidas entre 5 e 50 m/s na entrada do misturador (estas velocidades são, portanto, inferiores pelo menos um factor de 10, de preferência um factor de 50, velocidade do som), o que permite reduzir a distância de homogeneidade de um factor de a 100 (logo, normalmente alguns metros).

[0043] Por exemplo, testes efectuados na linha piloto JVD da requerente permitiram produzir revestimentos com teores de magnésio variando entre 0 wt% et 15,6 wt%. As pressões parciais de magnésio e zinco foram validados por esses testes a partir de análises químicas realizadas em produtos de revestimentos. As pressões obtidas no cadinho de

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 21/42

17/22 zinco variaram entre 1956 Pa e 8736 Pa, enquanto os obtidos no cadinho de magnésio variaram entre 241 Pa e 1467 Pa.

[0044] As pressões totais (Zn + Mg) no misturador obtidos durante esses mesmos testes variaram entre 241 Pa e 1440 Pa. As velocidades dos vapores metálicos no misturador calculados a partir dos dados experimentais estão compreendidos entre 9,81 s/m e 22,7 m/s, ou seja, entre 0,02 e 0,04 Mach (logo, bastante inferiores à velocidade do som).

[0045] Além disso, as análises químicas demonstraram que mesmo a mistura de vapores efectuada com uma instalação conforme a descrita na presente invenção, pôde efectuar depósitos cuja composição era uniforme em toda a largura da tira. A Figura 5 contém um exemplo do pesos de zinco e magnésio (expresso em percentagem dos valores nominais visados) obtidos pela análise em vários pontos ao longo da largura da faixa abrangida por este processo.

[0046] Finalmente, a Figura 6 mostra a composição de uma liga tipo tal como a evolução do peso da camada obtida a partir do momento em que as válvulas de instalação JVD se abrem. Na verdade, este exemplo extremo demonstra que o sistema implementado de acordo com esta invenção permite gerar transições numa linha industrial (paragem, mudança da velocidade, mudança de formato, etc.), pois o alvo é obtido a partir da abertura das válvulas e permanece estável durante toda a campanha de produção.

[0047] Além disso, sabemos que, no caso de misturadores, o princípio do aumento da difusão molecular se colocarmos em contacto alternadamente diversas camadas alternadas de dois gases A e B, em vez de uma camada e uma camada de B. O número de paredes de separação no difusor

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 22/42

18/22 permite ainda reduzir substancialmente o tempo de difusão e tempo de mistura. A aplicação deste princípio num misturador do tipo descrito acima pode reduzir o comprimento de mistura em alguns centímetros e, portanto, conceber um misturador de tamanho reduzido, o que é uma vantagem, dada a complexidade do sistema (ejector de vácuo, alta temperatura).

[0048]

A viabilidade dessa mistura num trabalho com

vapores metálicos a baixa velocidade e uma distribuição

alternativa

tem sido estudada por simulação numérica. O

resultado conduziu à concepção de uma forma de execução preferida do misturador segundo a invenção, representada nas Figuras 2A-2C.

[0049]

De acordo com esta forma de execução preferida,

o dispositivo de mistura 14 apresenta a forma de um

reservatório	cilíndrico 14C, cujo interior possui uma
pluralidade	de tubos de 14A, dispostos regularmente e
conectados à	tubulação 4' de transportar um primeiro vapor
metálico M1,	ao longo do eixo do referido cilindro. O tubo 4

de fornecimento de vapor metálico M2 está conectado

lateralmente	ao reservatório cilíndrico, ao espaço
intersticial	14B localizado no interior do referido
reservatório	cilíndrico 14C, entre os tubos 14A. Os tubos 14A
são mantidos	e fixados numa flange 16. Tanto os tubos 14A

como o espaço intersticial 14B que transportam tudo para a saída no espaço de mistura propriamente dito 15.

[0050]

A escolha de uma simetria cilíndrica para a

concepção do dispositivo de mistura está, naturalmente, ligada ao seu bom desempenho sob pressão.

[0051]

A utilização de um sistema suspenso em baixa

velocidade, através de válvulas de controlo exteriores, com

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 23/42

19/22 um misturador de vapores apresenta algumas vantagens sobre a co-evaporação conhecida no estado da arte.

muito mais fácil para ajustar o teor de vapor

Na verdade, é necessário para cada metal graças à acção combinada da potência e as respectivas válvulas individuais de cada vapor.

A potência permite ajustar as quantidades misturadas e as válvulas permitem fixar e modificar rapidamente o ponto de funcionamento. Pode-se de facto, com a perda da carga da válvula, fazer variar a pressão, sem alterar a temperatura atrás da válvula. Por outro lado, de acordo com o estado da arte, a modificação da pressão está sempre sujeita à variação da temperatura, logo o aquecimento e gera inércias e transições.

[0052]

A pressão necessária é diferente para os dois metais M1 e M2 (por ex.

Tévap(Zn)=600°C et Tévap(Mg)= 700°C), porque estes não têm nem a mesma densidade nem as mesmas características físicas.

[0053]

Nestas circunstâncias, é possível equilibrar as diferentes pressões dos dois gases respectivos acrescentando dois elementos ao circuito de perda adicionais sob a forma de superfícies porosas (não representado). A primeira superfície porosa encontra-se na saída dos tubos de

14A (metal M1) e uma segunda superfície porosa encontra-se na saída de gás intersticial (metal M2). Neste caso, o reequilíbrio das pressões ou das velocidades é feito por atrito, isto é, pela transferência de calor e, assim, evita-se assim a expansão do gás adiabático (sem transferência de calor) o que levaria a recondensação.

[0054] A vantagem da invenção é de ser poder lidar com os gases que têm diferentes temperaturas e pressões na

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 24/42

20/22 entrada, uma vez que se recorre às perdas com válvulas que permitem, em combinação com a fonte de energia, ajustar os teores de ambos os vapores metálicos.

[0055] Outro objectivo desta invenção é propor uma instalação para a depósito a vácuo bimodal, representada nas Figuras 3A, 3B e 4, que permite as modalidades de depósito seguintes:

- depósito do M1, depois M2, sendo os dois depósitos a vácuo,

- depósito de M1 + M2, na forma de uma mistura efectuada conforme descrito acima, sendo o depósito de liga a vácuo;

- depósito de M1 + (M1 + M2), sob a forma de uma mistura efectuada conforme descrito acima, sendo o depósito de liga complexa a vácuo.

[0056] Conforme é possível observar nas figuras, a parte da instalação que fornece o metal M2 a partir do cadinho 11 está munida com o misturador 14. A instalação pode operar de forma independente para o depósito de M1 na tira de metálica ao nível do ejector 3'na câmara de vácuo 6, se M1 não se misturar com M2, ou seja, se uma válvula 5B estiver fechada na parte do tubo 4' canalizando M1 no misturador (enquanto esta válvula 5B estiver aberta). Da mesma forma, no caso desta válvula 5B estar fechada, a parte da instalação que fornece M2 a partir do cadinho 11 pode funcionar de forma independente e permitir a depósito de M2 na câmara de vácuo 6, por exemplo, para além da camada já aplicada de M1 (para uma direcção da tira da esquerda para a direita na Fig.3A). Pelo contrário, se a válvula 5B estiver aberta, a mistura M1 + M2 será efectuada no misturador 14 e depositada na tira ao nível do ejector 3 na câmara de vácuo 6. São consideradas outras possibilidades de depósito de liga com esta instalação

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 25/42

21/22 como um depósito de M1 ano nível do ejector 3', seguido de um depósito posterior da mistura M1 + M2 ao nível do ejetor 3. Com efeito, pode ser vantajoso realizar um depósito de liga

de zinco e	magnésio	sobre uma	sub-camada	de	zinco,
relativamente	dúctil,	para evitar a	acumulação	de	pó	no
revestimento.
[0057]	Na FIG.3A	, as válvulas	proporcionais (	5,	5')
foram divididas por	válvulas (5C,	5C') na	saída	dos

respectivos cadinhos.

[0058] A presente invenção inscreve-se num contexto de evolução técnica no sentido do «full PVD» pelas seguintes razões:

- na galvanoplastia, o aumento da velocidade da tira meios implica o aumento das correntes necessárias (milhões de amperes) e, portanto, o consumo (MW), o que é proibitivo em termos de consumo de energia; além disso, esta tecnologia gera mais salpicos, o que limita a velocidade máxima da tira de 160 metros/minuto;

- revestimento por electroescória para depositar uma primeira camada de zinco é dificultada pelo limite físico relacionado com a rotação cuja eficiência diminui a alta velocidade, o limite admissível de velocidade da tira é aproximadamente de 180 metros/minuto;

- no caso de depósito a vácuo, este limite de 160-180 metros/minuto desaparece, porque não temos a presença de uma fase líquida penalizante. Os vapores metálicos têm a velocidade do som na câmara de depósito e, portanto, não existe limite químico, eléctrico ou físico. No futuro podemos esperar atingir 200-220 ou mesmo 300 metros/minuto, graças à tecnologia desta invenção.

Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 26/42

22/22

Vantagens da Invenção [0059] O sistema da invenção permite a obtenção de uma uniformidade de temperatura e da velocidade do vapor depositado muito boas, sendo fiável e acessível, com tempos de resposta muito baixos. Assim, a invenção responde muito bem às exigências de industrialização do processo. Por outro lado, o dispositivo suspenso da invenção é particularmente adequado para o depósito da liga pela mistura de vapores, pois permite ajustar a composição química aplicada sem ter de alterar a composição de uma liga líquida. A mistura de vapores ocorre assim num tubo a uma velocidade muito baixa contrariamente ao estado da arte. Outra vantagem importante é permitir, através do misturador do tipo descrito acima, obter um comprimento de mistura que pode atingir valores tão baixos quanto 300-600 mm, sendo esta vantagem particularmente determinante dada a redução do espaço necessário, sabendo que convém manter tal dispositivo a vácuo a uma temperatura de cerca de 750°C.

Claims (18)

1. REIVINDICAÇÕES

   1. Instalação de depósito a vácuo de um revestimento de liga metálica sobre um substrato, equipado com um gerador/misturador de vapor constituído por uma câmara de vácuo (6) sob a forma um compartimento, munido de meios para assegurar um estado de depressão em relação ao ambiente externo, e munido de meios que permitam a entrada e saída do substrato (7), sendo essencialmente fechado face ao ambiente exterior, englobando o referido compartimento um topo de depósito do vapor, denominado ejector (3), configurado para criar um jacto de vapor de liga metálica à velocidade do som numa direcção a e perpendicular à superfície do substrato (7), estando o referido ejector (3) em comunicação de forma estanque com um dispositivo de mistura distinto (14), ele próprio ligado a montante, respectivamente, a pelo menos dois cadinhos (11, 12) e contendo diferentes metais M1 e M2, sob a forma líquida, sendo cada cadinho (11, 12) ligado por um tubo adequado (4, 4') ao misturador (14), caracterizada pelo fato de o misturador (14) incluir uma série de divisórias para separar pelo menos dois vapores de entrada, criando tais divisórias aberturas para a liberação de dois vapores com vista à sua mistura sob a forma de camadas alternadas de um e outro vapor no sentido do débito de saída.
2. 2. Instalação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o misturador (14) incluir um reservatório cilíndrico (14C) no interior do qual se encontram, segundo o eixo do reservatório, uma diversidade de tubos (14A) dispostos regularmente e ligados à entrada do tubo de transporte (4) de um primeiro vapor metálico, estando o tubo de transporte (4') de um segundo vapor metálico ligado,

   Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 28/42

   2/5 lateralmente face ao reservatório cilíndrico, ao espaço intersticial (14B) entre os tubos (14A), apresentando os tubos (14A) e o espaço intersticial (14B) entre os tubos orifícios de saída que confluem num espaço (15) onde pode ser feita a mistura de vapores.
3. 3. Instalação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de cada um dos referidos tubos (4, 4') incluir uma válvula proporcional (5, 5') com, opcionalmente, um dispositivo de perda (5A).
4. 4. Instalação, de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de a válvula proporcional (5, 5') ser uma válvula de borboleta.
5. 5. Instalação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o ejector (3) incluir uma ranhura longitudinal de saída do vapor, desempenhando o papel de gargalo sonoro, que se estende a toda a largura do substrato e um meio filtrante ou um organismo perda (3A), em material sintetizado, de preferência fabricado em titânio ou sob a forma de uma malha metálica com fibras de aço inoxidável, de modo a uniformizar e ajustar os vectores de velocidade do vapor que saem do ejector (3).
6. 6. Instalação, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de possuir meios para ajustar o comprimento da ranhura à largura do substrato.
7. 7. Instalação, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada pelo fato de os referidos meios incluir meios para girar o ejector (3) em torno de seu tubo de alimentação (4).
8. 8. Instalação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o ejector (3), misturador (14), os tubos (4, 4') e os cadinhos (11, 12) serem isolados termicamente do meio

   Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 29/42

   3/5 exterior e aquecidos por um forno de radiação.
9. 9. Instalação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de compreender meios de aquecimento opcionais da câmara de vácuo (6).
10. 10. Instalação, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada pelo fato de uma primeira superfície porosa ser depositada á saída dos tubos de saída (14A) e/ou uma segunda superfície porosa ser depositada à saída do espaço intersticial (14B), a fim de equilibrar as pressões dos respectivos vapores.
11. 11. Instalação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de o substrato (7) ser uma tira metálica em contínuo movimento.
12. 12. Instalação, de acordo com a reivindicação 1, que permite depositar directamente no substrato (7), por um jacto de vapor à velocidade do som, uma liga do primeiro metal M1 e M2 e do segundo metal M2, caracterizada pelo fato de um tubo adicional (4'') ser montado em derivação sobre o tubo (4') de transporte do primeiro metal M1 para o misturador (14), apresentando uma válvula de isolamento (5') e desembocando num ejector adicional (3') na câmara de vácuo (6), estando o referido ejector adicional (3') configurado para criar um jacto de vapor do primeiro metal M1 à velocidade do som em direcção a e perpendicular à superfície do substrato (7), a parte do tubo de transporte (4') do primeiro metal M1 desembocando no misturador (14) que possui uma válvula (5B) suplementar destinada a isolar o primeiro cadinho (12) do misturador (14).
13. 13. Método para depositar um revestimento de liga metálica sobre um substrato, de preferência uma tira metálica em

    Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 30/42

    4/5 movimento continuo, através da instalação conforme definida em qualquer uma das reivindicações de 1 a 12, caracterizado pelo fato de compreender:

    - regular o débito de cada um dos vapores metálicos na entrada do misturador (14) de modo a que o referido débito dos vapores na entrada do misturador seja inferior por um factor de 10, de preferência por um factor de 50, à velocidade do som;

    - ajustar de forma independente a concentração de cada metal durante a mistura de vapores a depositar sobre o substrato (7) .
14. 14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de ser inferior a lOOm/s, de preferência ser de 5 a 50m/s .
15. 15. Método, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, para a execução da instalação de depósito a vácuo de um revestimento de liga metálica sobre um substrato (7), de preferência uma tira metálica em movimento continuo segundo a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de encontrando-se a referida válvula adicional (5B) fechada e a válvula de isolamento (5') aberta, ser realizado sobre o substrato (7), sucessivamente um depósito do primeiro metal Ml no ejector adicional (3') e um depósito do segundo metal M2 no ejector (3) na câmara de vácuo (6).
16. 16. Método, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, para a execução da instalação de depósito a vácuo de um revestimento de liga metálica sobre um substrato (7), de preferência uma tira metálica em continuo movimento, segundo a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de encontrando-se a referida válvula adicional (5B) aberta e a válvula de isolamento (5')

    Petição 870180165724, de 20/12/2018, pág. 31/42

    5/5 fechada, ser realizado sobre o substrato (7) um depósito directo de liga M1+M2 no ejector (3) na câmara de vácuo (6).
17. 17. Método, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, para a execução da instalação de depósito a vácuo de um revestimento de liga metálica sobre um substrato (7), de preferência uma tira metálica em contínuo movimento segundo a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de estando tanto a referida válvula adicional (5B) como a referida válvula de isolamento (5') aberta, ser realizado sobre o substrato (7), sucessivamente, um depósito do primeiro metal M1 ao nível do ejector adicional (3') e um depósito directo de liga M1+M2 no ejector (3) na câmara de vácuo(6).
18. 18. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 13 a 17, caracterizado pelo fato de os depósitos de metal ou de liga serem seguidos de um tratamento térmico.