DE10012316A1 - Beschichtete Quarzglasbauteile und Verfahren zur Beschichtung - Google Patents

Beschichtete Quarzglasbauteile und Verfahren zur Beschichtung

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Chemie und betrifft beschichtete Quarzglasbauteile, die beispielsweise im direkten Kontakt mit Metallschmelzen stehen und ein Verfahren zur Beschichtung. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung von Quarzglasbauteilen, die mindestens im infraroten und sichtbaren Spektralbereich transparent sind. DOLLAR A Gelöst wird die Aufgabe durch beschichtete Quarzbauteile, die mit einer fest haftenden Schutzschicht aus Aluminiumoxid versehen sind, wobei diese Schutzschicht im sichtbaren und im infraroten Spektralbereich bis 2 mum Wellenlänge transparent oder mindestens zu 90% transparent ist. DOLLAR A Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Beschichtung von Quarzglasbauteilen, bei dem die Schutzschicht aus Aluminiumoxid entweder durch physikalische Abscheidung aus der Dampfphase oder durch chemische Abscheidung aus der Gasphase oder durch Aufbringen einer Aluminiumschicht und folgender Nachoxidation hergestellt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Chemie und der metallverarbeitenden Industrie und betrifft beschichtete Quarzglasbauteile, die beispielsweise im direkten Kontakt mit Metallschmelzen, insbesondere Aluminiumschmelzen, oder anderen aggressiven Medien stehen und ein Verfahren zur Beschichtung der Quarzglasbauteile.
Quarzglas ist wegen seines hohen Schmelzpunktes und der hohen Transparenz im infraroten und im sichtbaren Spektralbereich prinzipiell gut zur Einkopplung von Wärmestrahlung in heiße flüssige und gasförmige Medien sowie zur Beobachtung von Hochtemperaturprozessen geeignet.
Besonders günstig ist der Einsatz von Quarzglas für die Wandungen von Kokillen, Reaktionsgefäßen oder Rohrleitungen, wenn die darin befindlichen Medien mittels Infrarotstrahlung aufgeheizt werden sollen. Neben der Möglichkeit der Strahlungsheizung ist damit auch die gleichzeitige Beobachtbarkeit der Prozesse gegeben.
Es ist jedoch bekannt, dass Quarzglas teilweise sehr heftig mit aggressiven Medien, wie beispielsweise flüssiges Aluminium, reagiert. Dabei können die Bauteile aus Quarzglas innerhalb kurzer Zeit zerstört werden. Aus diesem Grund werden in solchen Fällen verschiedene Keramiken, wie z. B. Siliciumnitrid, in Form von Sinterbauteilen eingesetzt. Diese Materialien sind jedoch für den infraroten und sichtbaren Spektralbereich strahlungsundurchlässig. Dies hat insbesondere den Nachteil, dass die Wärmeeinkopplung beispielsweise in eine Schmelze stets über direkten Kontakt oder über Strahlungsheizung der dann stark erhitzten Wandungen erfolgen muss. In beiden Fällen ist eine visuelle Beobachtbarkeit der Prozessabläufe im Inneren der Gefäße nicht gegeben (DE 196 39 358 A1, DE 197 20 057 A1, DE 197 34 394 A1).
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung von Quarzglasbauteilen, die mindestens im infraroten und sichtbaren Spektralbereich transparent sind, eine gute Einkopplung von Wärmestrahlung ermöglichen und gut resistent gegen aggressive Medien, insbesondere gegen flüssiges Aluminium, sind.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, dass die Quarzglasbauteile mit einer für infrarotes und sichtbares Licht transparenten Schutzschicht beschichtet sind, welche ganz oder teilweise die Quarzglasbauteile bedeckt und auf deren Oberfläche fest haftet. Diese Schutzschicht schützt das Quarzglas gegen chemische Reaktionen mit dem Kontaktmedium und verhindert somit die Zerstörung des Quarzglases.
Die Schutzschicht besteht aus Aluminiumoxid, welches auf der Oberfläche der Quarzglasbauteile aufgebracht sein kann. Es ist aber erfindungsgemäß auch möglich, das vorteilhafterweise eine gradierte Zwischenschicht aus Siliciumoxid und Aluminiumoxid auf die Oberfläche aufgebracht ist und darauf dann eine Deckschicht aus Aluminiumoxid. Dabei kann auch ein allmählicher Übergang zwischen Quarzglas, Zwischenschicht und Deckschicht erfolgen.
Vorteilhafterweise hat die gesamte Schutzschicht eine Dicke von 20 nm bis 2 µm.
Die erfindungsgemäße Schutzschicht ist dabei im sichtbaren Spektralbereich und im infraroten Spektralbereich transparent. Zur erfindungsgemäßen Lösung gehören auch Schutzschichten, die im Spektralbereich bis 2 µm Wellenlänge mindestens zu 90% transparent sind. Derartige Schutzschichten bestehen zu mindestens 90 Atom- % aus Aluminiumoxid.
Die erfindungsgemäße Lösung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Beschichtung von Quarzglasbauteilen. Dabei wird die erfindungsgemäße Schutzschicht aus Aluminiumoxid durch physikalische Abscheidung aus der Dampfphase oder durch chemische Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht.
Vorteilhafterweise kann die Aluminiumoxidschicht hergestellt werden, indem Aluminiumoxid mittels Elektronenstrahlverdampfern aufgedampft wird oder indem eine dünne Aluminiumschicht durch Plasmabehandlung und/oder durch thermische Oxidation nachoxidiert wird.
Die Erfindung wird im weiteren an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Die Bodenplatte einer Kokillenanordnung zum Gießen von Aluminium ist als separate Quarzglasplatte mit den Abmessungen 180 × 80 × 5 mm3 ausgelegt. Diese Platte wird auf der schmelzseitigen Flachseite mit einer 1 µm dicken und haftfesten Schicht aus Aluminiumoxid beschichtet. Die Beschichtung erfolgt mittels Elektronenstrahlverdampfung aus einer Aluminiumoxid-Schmelze bei einem Restgasdruck von 10-2 Pa.
Diese derart beschichtete Quarzglasplatte wird als Bodenplatte mit der beschichteten Seite nach oben in die Kokille eingesetzt. Sowohl beim Eingießen von flüssigem Aluminium als auch beim Erschmelzen eines Aluminiumbleches mittels Infrarotheizung durch die beschichtete Bodenplatte hindurch, ist keine Reaktion mit dem flüssigen Aluminium feststellbar.
Nach dem Abkühlen lassen sich die erstarrten Aluminiumteile ohne Probleme von der beschichteten Quarzglasbodenplatte entfernen.
Beispiel 2
Eine aus Quarzglas bestehende obere Formhälfte einer Kokille zum Verschäumen von Aluminium ist mittels Elektronenstrahlverdampfung auf ihrer Innenseite beschichtet. Das Schichtmaterial wird hierbei aus einer Schmelze verdampft, welche zu 98 Masse-% aus Al2O3 und zu 2 Masse-% aus BN besteht. Die derartig aufgebrachte Schicht mit einer Schichtdicke von 1 µm ist im sichtbaren Spektralbereich zu mehr als 98% und im nahen Infrarotbereich bis zu 2 µm Wellenlänge zu mehr als 95% transparent.
Die beschichtete Formhälfte wird mit der beschichteten Seite nach unten auf die untere Formhälfte der Kokille aufgesetzt. Zum Aufschäumen eines zwischen den beiden Formhälften positionierten Aluminiumhalbzeuges wird Infrarotstrahlung mit einer mittleren Wellenlänge von 1 µm eingestrahlt. Chemische Reaktionen zwischen dem aufschäumenden Aluminium und dem Quarzglas der oberen Formhälfte der Kokille werden durch die Beschichtung wirksam unterbunden.
Beispiel 3
Ein aus Quarzglas bestehender oberer flacher Abschluß einer weiteren Kokille mit den Abmessungen der Quarzglasscheibe 200 × 100 × mm3 ist mittels Magnetronsputtern auf ihrer Flachseite mit einer 40 nm dicken Aluminiumschicht beschichtet. Nach der Beschichtung wird die Quarzglasscheibe unter Atmosphärenbedingungen 15 min bei 800°C getempert. Unter diesen Bedingungen erfolgt die Durchoxidation der Aluminiumschicht.
Die somit erzeugte Schutzschicht erweist sich ebenfalls als hinreichend stabil, um das Quarzglas, welches als Teil einer Kokille zum Aluminiumaufschäumen verwendet wird, gegen Reaktionen mit flüssigem Aluminiumschaum zu schützen.

Claims (9)

1. Beschichtete Quarzglasbauteile, die mit einer fest haftenden Schutzschicht aus Aluminiumoxid versehen sind, wobei diese Schutzschicht im sichtbaren und im infraroten Spektralbereich bis 2 µm Wellenlänge transparent oder mindestens zu 90% transparent ist, wobei bei einer mindestens 90%igen Transparenz die Schutzschicht zu mindestens 90 Atom-% aus Aluminiumoxid besteht.
2. Quarzglasbauteile nach Anspruch 1, bei denen die Schutzschicht nur teilweise auf die Quarzglasbauteile aufgebracht ist.
3. Quarzglasbauteile nach Anspruch 1, bei denen die Schutzschicht direkt auf der Oberfläche der Quarzglasbauteile aufgebracht ist.
4. Quarzglasbauteile nach Anspruch 1, bei denen die Schutzschicht auf einer Zwischenschicht aufgebracht ist, die direkt auf der Oberfläche der Quarzglasbauteile aufgebracht ist.
5. Quarzglasbauteile nach Anspruch 4, bei denen die Zwischenschicht eine gradierte Schicht aus Siliciumoxid und Aluminiumoxid ist.
6. Quarzglasbauteile nach Anspruch 5, bei denen die gradierte Zwischenschicht mit höheren Anteilen an Siliciumoxid auf der Quarzglasoberfläche aufgebracht ist.
7. Quarzglasbauteile nach Anspruch 1, bei denen die Schutzschicht eine Dicke von 20 nm bis 2 µm aufweist.
8. Verfahren zur Beschichtung von Quarzglasbauteilen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Schutzschicht aus Aluminiumoxid entweder durch physikalische Abscheidung aus der Dampfphase oder durch chemische Abscheidung aus der Gasphase oder durch Aufbringen einer Aluminiumschicht und folgender Nachoxidation hergestellt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Nachoxidation des Aluminiums durch eine Plasmabehandlung und/oder durch eine thermische Oxidation durchgeführt wird.
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