DE1089239B - Verfahren zum Vakuumbedampfen mit Aluminium - Google Patents

Description

Erfindungsgemäß wird nun ein solches carbidbilden-

des Metall in metallischer Form ständig in der Aluminiumschmelze in Lösung gehalten, wobei die Er- 30 2 hitzung des Tiegels auf die Verdampfungstemperatur

des Aluminiums induktiv derart erfolgt, daß die schwimmen sie auf der Oberfläche des geschmolzenen Schmelze durch die induzierten Wirbelströme in Be- Aluminiums in Form von Schaum. Dieser Schaum wegung gehalten wird. vermindert die wirksame Oberfläche, von der das

Die Induktionsheizung des Verdampfungstiegels 35 Aluminium verdampfen kann, wodurch die Verdampbeim Vakuumbedampfen mit Metallen ist als solche fungsgeschwindigkeit herabgesetzt wird. Ferner tritt aus der französischen Patentschrift 713 027 bekannt. durch die Zufuhr von festem Aluminium zum Bad Die Anwesenheit eines carbidbildenden Metalls, wie eine Abkühlung der Oberfläche ein, wodurch die GeTitan, Zirkon, Hafnium, Niob oder Tantal, in der schwindigkeit der Schaumbildung noch erhöht wird. Aluminiumschmelze bietet verschiedene Vorteile. Ar- 40 Da das kühle Metall schwerer als das heiße ist, sinkt beitet man mit einem Verdampfungstiegel auf amor- es rasch zu Boden, wo es mit weiterem Kohlenstoff phem Kohlenstoff, Graphit oder Gemischen von unter Bildung von Aluminiumcarbid reagiert. Daher beamorphem Kohlenstoff und Graphit, so greift das ge- wirkt die Zufuhr von Aluminium zur geschmolzenen schmolzene Aluminium den Werkstoff des Tiegels Aluminiummasse zuerst die Abscheidung von Aluunter Bildung von Aluminiumcarbid rasch an. Dieses 45 miniumcarbid in Form von Schaum und zusätzlich Aluminiumcarbid ist in geschmolzenem Aluminium die Bildung von weiterem Aluminiumcarbid, das sich löslich, seine Konzentration nähert sich jedoch rasch in der Schmelze löst. Die Schmelze bleibt ständig mit dem Sättigungspunkt. Da die Oberfläche des geschmol- Aluminiumcarbid gesättigt, und es bildet sich immer zenen Aluminiums·, an der die Verdampfung statt- mehr Schaum, je mehr festes Aluminium der Schmelze findet, kühler als die Masse des geschmolzenen Alu- 50 zugeführt wird.

miniums ist, hat das Aluminiumcarbid das Bestreben, Die carbidbildenden Metalle verhindern nun die

sich an der Oberfläche aus der Lösung unter Bildung Schaumbildung auf verschiedene Weise. Wenn als von kleinen Aluminiumcarbidkristallen auszuscheiden. Metall z. B. Zirkon verwendet wird, bildet sich aus Da diese Kristalle leichter als Aluminium sind, dem Aluminiumcarbid der Schmelze Zirkoncarbid. Da

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das Zirkoncarbid im geschmolzenen Aluminium verhältnismäßig unlöslich ist, fällt es aus der Lösung aus. Dieses Zirkoncarbid sinkt, da es schwerer als Aluminium ist, an den Boden der Schmelze und bildet keinen Schaum. Außerdem bildet Zirkon an der Grenzfläche zwischen dem geschmolzenen Aluminium und den aus elementarem Kohlenstoff bestehenden Tiegelwandungen einen Film von Zirkoncarbid. Wenn dieser Film etwa 0,5 mm dick ist, ist er für geschmolzenes Aluminium praktisch undurchlässig und verhindert daher einen weiteren Angriff des Aluminiums auf die Schmelztiegelwand.

Gegenüber der bekannten Verwendung einer zuvor erzeugten Carbidzwischenschicht bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß die Reaktion mit dem Kohlenstoff des Tiegelmaterials an der Grenzfläche einer flüssigen Phase erfolgt. Dadurch wird Carbid gleichmäßig an allen Stellen gebildet, an denen eine Berührung zwischen dem flüssigen Aluminium und dem Kohlenstoff erfolgt. Infolgedessen entsteht hier ein viel gleichmäßigerer Schutz, als wenn man das Carbid durch Reaktion zwischen festem Kohlenstoff und dem festen Dissoziationsprodukt eines Hydrides des carbidbildenden Metalls zuvor erzeugt. Außerdem wird es hierdurch ermöglicht, daß sich der Carbidfilm immer wieder von selbst bildet, wenn er Sprünge oder Risse bekommen hat oder im Verlauf des Verfahrens durch Erosion beschädigt wird. Daher wird jede Undichtigkeit der Carbidschicht ohne besondere Überwachung von selbst wieder beseitigt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung, welches ebenfalls zur Vermeidung der Schaumbildung beiträgt, ist die Rührbewegung der Schmelze durch induzierte Wirbelströme. Diese Rührbewegung hat zur Folge, daß die Temperatur in der ganzen Schmelze gleichmäßiger ist und Schaum, der sich auf der Oberfläche des Aluminiums zu bilden beginnt, aufgebrochen wird, wodurch die Aluminiumcarbidkristalle nach unten in den heißeren Teil der Schmelze gebracht werden, wo sie sich teilweise wieder auflösen. Diese Rührbewegung hält daher die Aluminiumschmelze an dem bereits gebildeten Aluminiumcarbid gesättigt, statt an neugebildetem Aluminiumcarbid, das durch den Zusatz von frischem Aluminiummetall entsteht. Die Rührbewegung wird durch Induzieren von Wirbelströmen in der Aluminiumschmelze bewirkt, welche durch die gleiche Induktionsspule erzeugt werden, die auch zum Erhitzen des Schmelztiegels und der Schmelze dient. Da die für den Schmelztiegel verwendeten kohlenstoffhaltigen Materialien als elektromagnetischer Schirm für die Schmelze wirken, muß die Dicke der Schmelztiegelwand unter der Hautdicke des induzierten Stromes liegen. Auf diese Weise fließt ein Teil des induzierten Stromes innerhalb des Aluminiums selbst. Dieser Stromfluß ruft eine Flüssigkeitsbewegung des Aluminiums hervor, durch welche die Rührbewegung des geschmolzenen Aluminiums aufrechterhalten wird.

Vorteilhaft wird bereits zu Anfang eines der carbidbildenden Metalle auf die Oberfläche des Verdampfungstiegels aufgebracht, bevor die erste Aluminiumcharge geschmolzen wird.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das carbidbildende Metall, z. B. Zirkon, Titan oder Tantal, der Schmelze fortlaufend zusammen mit frischem Aluminium zugeführt, um eine örtliche Erosion durch das frisch zugeführte Aluminium an der Zuführungsstelle zu verhindern. Das carbidbildende Metall kann z. B. als gesonderter Draht zusammen mit Aluminiumdraht oder auch zusammen mit dem Aluminium in Form einer Aluminiumlegierung zugeführt werden.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine zur Durchführung der Erfindung geeignete Vorrichtung und

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil von Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 besitzt ein vakuumdichtes Gehäuse 10, welches die Vakuumkammer 12 bildet. Diese Kammer wird durch eine schematisch dargestellte Vakuumpumpe 14 auf einem im Mikronbereich liegenden Druck gehalten. Innerhalb der Vakuumkammer sind die Vorrichtungen zum Haltern der zu überziehenden Unterlage durch eine erste Spule 16 und eine zweite Spule 18 dargestellt, die zwischen sich die Unterlage 20 tragen.

Für das Verdampfen des Metalls ist ein Schmelztiegel 22 vorgesehen, der einen Hauptkörper 24 besitzt, in welchem das Aluminium 26 in geschmolzenem Zustand gehalten wird. Der obere Rand des Hauptkörpers 24 ist als Flansch 28 ausgebildet, der vorzugsweise aus einem Stück mit dem Hauptkörper 24 besteht. Für die Zufuhr von Wärme zum Aluminium 26 und zu dem Schmelztiegel 22 ist eine schematisch dargestellte, mit 32 bezeichnete Heizeinrichtung vorgesehen. Diese Heizeinrichtung besteht aus einer Induktionsspule mit einem Teil 34 für das Erhitzen des Hauptkörpers des Schmelztiegels und des in diesem enthaltenen Aluminiums und einem Teil 36 für das Erhitzen des Tiegelflansches 28. Ferner ist eine Stromquelle 38 zur Speisung der Induktionsspule 34, 36 mit einem Hochfrequenzstrom vorgesehen. Die Induktionsspule 34, 36 hat vorzugsweise eine Wasserkühlung, die beispielsweise durch ein Kupferrohr gebildet wird, in welchem Wasser zirkulieren kann. Wie in Fig. 1 ersichtlich, ist der dem Flansch 28 benachbarte Teil 36 der Spule enger gewickelt als der dem Hauptkörper 24 näher gelegene Teil 34 der Spule.

Um einen Verlust an Strahlungswärme aus dem Schmelztiegel 22 zu verhindern, ist ein äußerer Tiegel 40, der vorzugsweise aus einem feuerfesten, elektrisch nichtleitenden Material besteht, und eine feuerfeste Packung 42 zwischen dem Schmelztiegel 22 und dem feuerfesten Außentiegel 40 vorgesehen.

Der Schmelztiegel 22 besteht aus elementarem Kohlenstoff, wie amorphem Kohlenstoff, Graphit oder einem Gemisch von Graphit und amorphem Kohlenstoff. Der Außentiegel 40 besteht aus einem feuerfesten Werkstoff wie Kieselsäure, die feuerfeste Packung 42 vorzugsweise aus Zirkonerde oder Berylliumoxyd. Die Induktionsspule wird vorzugsweise mit hochfrequentem Strom von etwa 9000 bis 150000 Hertz gespeist. Im Falle eines Tiegels aus einem Gemisch von Graphit und amorphem Kohlenstoff beträgt bei einer Frequenz von etwa 100000 Hertz die Haupttiefe des induzierten Stromes etwa 5,08 mm. Die Wand des Tiegels muß daher etwas dünner als 5,08 mm sein, damit ein wesentlicher Teil des induzierten Stromes in dem geschmolzenen Aluminium fließt. Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, wird hierdurch eine ausreichende Rührbewegung bewirkt, so daß eine Erhöhung in der Mitte der Schmelze gebildet wird.

Wie in Fig. 2 gezeigt, hat das geschmolzene Aluminium im Tiegel das Bestreben, an dessen Wänden hoch- und über die Oberseite des Flansches 28 zu kriechen. Dies beruht auf der Bildung einer Schicht aus Zirkoncarbid 25 an der Innenwand des Kohletiegels 24. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wie sie in den Zeichnungen dargestellt

ist, wird durch den Teil 36 der Heizspule 32 der Flansch 28 stärker erhitzt als der Rest des Tiegels, so daß das Aluminium, das das Bestreben hat, aus dem Tiegel herauszukriechen, verdampft, bevor es über die Kante des Flansches 28 hinauskriechen kann. Der Flansch 28 dient daher als Docht, der auf einer höheren Temperatur als die Masse des geschmolzenen Aluminiums im Tiegel gehalten wird. Dies hat den Vorteil, daß die wirksame Verdampfungsfläche für das geschmolzene Aluminium vergrößert wird. Die wirksame Verdampfungsfläche ist daher wesentlich größer als die Fläche der geschmolzenen Aluminiummasse im Schmelztiegel. Diese wirksame Verdampfungsfläche ist ferner größer als die Gesamtfläche der anderen nicht verdampfenden Flächen von hoher Temperatur, von denen aus Wärme auf die Unterlageschicht ausgestrahlt werden kann. Die Bedeutung dieser Anordnung wird im nachstehenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 näher beschrieben.

Der Schmelztiegel kann auch in an sich bekannter Weise in Form eines Stabes ausgebildet sein, der an der Oberseite eine Vertiefung oder Rinne für das geschmolzene Aluminium aufweist.

Die Wärme, die auf die zu überziehende Schicht beim Aufdampfen des Aluminiums übertragen wird, erreicht diese in drei verschiedenen Anteilen. Diese Komponenten sind: die bei der Kondensation des Dampfes in den festen Zustand frei werdende Wärme, die beim Abkühlen des Aluminiums auf die Temperatur der zu überziehenden Schicht frei werdende Wärme und die Strahlungswärme aus der Quelle der Aluminiumdämpfe.

Es wurde festgestellt, daß die Kondensationswärme innerhalb gewisser Grenzen im wesentlichen konstant bleibt, wenn die Temperatur der Unterlage annähernd auf einem bestimmten Wert gehalten wird. Die beim Abkühlen des Dampfes frei werdende Wärme hat im Vergleich zur Kondensationswärme einen kleinen Betrag. Außerdem kann die Änderung dieser Wärmemenge mit einer Änderung der Temperatur der Dämpfe vernachlässigt werden. Die strahlende Wärme ist jedoch nicht konstant, sondern eine Funktion der Temperatur der Wärmequelle.

Es wurde festgestellt, daß die gesamte Wärmemenge, welche die Flächeneinheit der Unterlage erreicht, bei einer gegebenen Stärke des Überzuges mit steigender Temperatur des Aluminiums, aus dem die Dämpfe entwickelt werden, abnimmt. Dies beruht darauf, daß die Verdampfungsgeschwindigkeit des Aluminiums mit zunehmender Temperatur der Wärmequelle schneller ansteigt als die Geschwindigkeit, mit welcher die Strahlungswärme übertragen wird. Wenn die Summe der Kondensationswärme und derjenigen Wärme, die durch das Abkühlen der Dämpfe frei wird, größer als die strahlende Wärme ist, die die Unterlage infolge der erhöhten Temperatur der Quelle erreicht, vermindert sich die der Unterlage zugeführte Gesamtwärme bis auf einen solchen Wert, daß eine Zersetzung der Unterlage unter Gasentwicklung in den meisten Fällen von geringerer Bedeutung ist. Bei der Durchführung der Erfindung wird daher die Temperatur des Aluminiums über der Temperatur gehalten, bei welcher die auf die Unterlage durch die Dämpfe übertragene Wärme gleich der Strahlungswärme ist.

Da die die Unterlage aus allen Quellen erreichende Strahlungswärme zunimmt, wenn die Temperatur dieser Quellen zunimmt, ist es zumindest bei Temperaturen unter etwa 1400° C wesentlich, die wirksame Fläche dieser Quellen der Strahlungswärme mit Ausnähme derjenigen des geschmolzenen Aluminiums so klein wie möglich zu halten. Es wurde in der Praxis festgestellt, daß diese Bedingung erfüllt wird, wenn die wirksame Fläche, aus der das Aluminium verdampft, mindestens ebenso· groß ist wie die Gesamtheit der anderen wirksamen Flächen, von denen Wärme auf die Unterlage ausgestrahlt wird, jedoch kein Aluminium verdampft wird.

Obwohl sich beim Aufdampfen im Vakuum bei hohen Temperaturen der Dampf quelle (d. h. bei etwa 1200 bis 1600, insbesondere 1300 bis 1500'° C) wesentlich bessere Ergebnisse erzielen lassen, wurde festgestellt, daß in manchen Fällen auch diese Verbesserungen nicht völlig ausreichen, um eine Gasentwicklung bei besonders wärmeempfindlichen Stoffen, wie Zellglas u. dgl., zu verhindern. Dies gilt insbesondere, wenn verhältnismäßig dichte Überzüge auf die wärmeempfindliche Unterlage aufgebracht werden sollen.

Gemäß der Erfindung wird die Zersetzung dieser außerordentlich wärmeempfindlichen Unterlagen dadurch verhindert, daß die durch die Dämpfe der Unterschicht zugeführten Wärmemengen auf verhältnismäßig kleine Beträge beschränkt werden, während die Ableitung dieser Wärmemengen in einer ausreichenden Geschwindigkeit erfolgt, um zu verhindern, das die Unterlage eine Temperatur erreicht, bei der eine nennenswerte Zersetzung erfolgt. Da die der Unterlage durch die Dämpfe zugeführte Wärme im wesentlichen eine Funktion des Gewichts des auf die Unterlage aufgedampften Aluminiums ist, wird die Wirkung der der Unterlage zugeführten Wärme dadurch vermindert, daß die zuerst aufgebrachte Schicht nur einen verhältnismäßig kleinen Teil der endgültigen Stärke des Überzuges ausmacht. Dieser erste Überzug beträgt vorteilhaft etwa ein Drittel oder weniger der endgültigen Stärke, wobei der erste Überzug bei einer ausreichend hohen Temperatur der Dampfquelle aufgebracht wird, so daß die Strahlungswärme nur einen kleinen Teil der gesamten, die Unterlage erreichenden Wärme ausmacht.

Vorzugsweise wird die Unterlage vor der ersten Aufbringung eines Überzuges nahezu bis auf diejenige Temperatur abgekühlt, bei der die Unterlage spröde wird. Die Unterlage kann daher bei der ersten Aufbringung eines Überzuges eine beträchtliche Wärmemenge absorbieren, ohne daß sie dabei auf die Zersetzungs- oder Erweichungstemperatur erhitzt wird. Diese Wärmemenge wird dann während und nach dem ersten Aufbringen eines Überzuges, und bevor die nachfolgenden Überzüge aufgebracht werden, abgeführt. Die Wärme dieser nachfolgenden Aufbringungen wird periodisch abgeführt, um die Unterschicht praktisch ständig unter ihrer Zersetzungs- oder Erweichungstemperatur zu halten. Die Anfangskühlung und das nachfolgende Abführen von Wärme geschieht dadurch, daß man die Unterlage bei ihrer Bewegung durch die Kammer mit gekühlten Flächen in Kontakt bringt. Diese gekühlten Flächen werden vorzugsweise durch Kühlwalzen gebildet und vorzugsweise auf eine Temperatur von unter etwa 0° C abgekühlt. Die Fläche der Walzen, die mit der Unterlage in Kontakt gebracht wird, ist vorzugsweise so bemessen, daß praktisch die gesamte durch die Kondensation der Dämpfe auf die Unterschicht aufgebrachte Wärme abgeleitet wird, wobei Temperatur und Kontaktfläche der Walzen sowie Kontaktzeit der Unterlage mit den Walzen jedoch nicht ausreichen dürfen, die Unterlage so stark abzukühlen, daß sie spröde wird.

Aus der französischen Patentschrift 775 783 ist es bekannt, bei der Vakuumbedampfung diejenige Stelle

der Unterlage, auf die das Metall aufgedampft wird, von der Rückseite her stark zu kühlen. Die erfindungsgemäße Kühlung der Unterlage unterscheidet sich hiervon dadurch, daß sie bereits vor Beginn des Aufdampfens sowie auch bei der Bewegung der Unterlage zwischen mehreren Aufdampfstellen doppelseitig durchgeführt wird.

Bei der vorstehend beschriebenen Durchführung der Erfindung werden die nachfolgenden Überzugsvorgänge vorzugsweise bei einer hohen Temperatur der Verdampfungsquelle innerhalb des bevorzugten Bereiches von 1200 bis 1600° C ausgeführt. Wenn mehr als zwei Überzüge vorgesehen sind und die ersten Überzüge ausreichen, um eine die Strahlungswärme stark reflektierende Fläche zu erzeugen (d. h. mit einem Reflexionsvermögen von über etwa 70% bei glatten Unterlagen), können die späteren Überzüge bei niedrigeren Temperaturen der Verdampfungsquelle ausgeführt werden, da der überwiegende Teil der Strahlungswärme von der vorher aufgebrachten Unterschicht reflektiert wird. Beste Ergebnisse werden jedoch mit hohen Temperaturen der Verdampfungsquelle erzielt, selbst wenn die Unterlage einen stark reflektierenden Überzug erhalten hat.

In Fig. 3 sind mehrere Kurven gezeigt, welche die verschiedenen Bedingungen darstellen, unter denen die Erfindung durchgeführt wird. Die Kurven A, A₁ und A_% zeigen das Verhältnis zwischen der einer Fläche von 2,8 m² der Unterlage zugeführten Gesamtwärme und der Temperatur der aus der Dampfquelle austretenden Aluminiumdämpfe. Die Kurve A ist über der geschmolzenen Aluminiumfläche, welche die einzige Quelle der Strahlungswärme bildet, aufgetragen, während die Kurve A₁ über der geschmolzenen Aluminiumfläche aufgetragen ist, wenn diese die Hälfte der strahlenden Fläche darstellt, und die andere Hälfte der strahlenden Fläche von der Kohle des Schmelztiegels bei gleicher Temperatur wie der des Aluminiums gebildet wird. Die Kurve x4₂ entspricht der Kurve A₁ mit der Ausnahme, daß das geschmolzene Aluminium nur ein Siebentel der Gesamtwärme-Strahlungsfläche darstellt. Diese Kurven sind unter der Annahme berechnet, daß 0,7 g Aluminium auf je 2,8 m² der Unterlage bei einem Wirkungsgrad der Aufdampfung von 70% aufgetragen werden und ferner nur 39% der Strahlungswärme, welche die Unterlage erreicht, von dieser absorbiert werden, während die übrige Strahlungswärme von dem auf der Unterlage gebildeten Aluminiumfilm reflektiert wird. Die Überzugsdicke hängt von dem Verwendungszweck der überzogenen Unterlage ab. Wenn die Unterlage im wesentlichen glatt ist und der Überzugsfilm ein starkes Reflexionsvermögen haben soll (d. h. über 90% des sichtbaren Lichtes), ist es vorzuziehen, etwa 0,7 g (Reflexionsvermögen 94%) Aluminium auf je 2,8 m² der Unterlage zu kondensieren. Bei der Berechnung der Werte, aus denen sich diese Kurven ergeben, wurden das Emissionsvermögen des Aluminiums mit 0,2 + (T° C — 1000) · 10-* angenommen und die Emissionsfähigkeit von Kohlenstoff mit 0,526.

Bei 1100° C ist die der Unterlage durch die Dämpfe zugeführte Wärme mit 1,88 kcal/2,8 m² angegeben, von denen 1,75 kcal· auf die Kondensationswärme und der Rest auf die Kühlungswärme der Dämpfe entfallen. Bei höheren Temperaturen nimmt die Kühlungswärme der Dämpfe etwas zu, und die der Unterlage durch die Dämpfe zugeführte Wärme steigt auf 1,96 kcal, wobei die Kondensationswärme jedoch die gleiche bleibt.

Die weiteren Kurven stellen die Wirkung beim stufenweisen Aufbringen des Überzuges dar. Kurve B beruht auf der Voraussetzung, daß die Unterlage vor dem Aufbringen des Überzuges im wesentlichen kein Reflexionsvermögen für Strahlungswärme hat. Kurve B entspricht Kurve ^1, jedoch werden in diesem Falle nur 0,35 g Aluminium auf die Unterlage aufgebracht. Kurve C entspricht Kurve B, wobei jedoch auf die Unterlage zuerst O',35 g Aluminium aufgebracht

ίο werden, um zunächst ein Reflexionsvermögen von etwa 68% zu erzielen. Die Kurven!) und E entsprechen den Kurven A und B₁ beziehen sich jedoch auf einen Überzug von O',233 bzw. 0,195 g Aluminium je 2,8 m² Unterlage. Für die Zwecke der Darstellung wurde der Berechnung der Kurvenwerte in Fig. 3 die Annahme zugrunde gelegt, daß die Quelle der Aluminiumdämpfe die einzige Quelle der Strahlungswärme ist. Es wurde weiter angenommen, daß die Unterlage während des Überziehens ein Gesamtreflexionsvermögen von etwa 61% für Kurvet, von 39% für Kurve B, von 78,5 % für Kurve C und von 26 bzw. 20% für die Kurven D und E hat.

Aus den verschiedenen Kurven in Fig. 3 ergibt sich, daß die Gesamtwärme, welche die Unterlage je Überzugsvorgang erreicht, eine Funktion der Dampftemperatur und der auf die Unterlage aufgetragenen Aluminiummenge ist. Beim Verfahren nach Kurvet wird die Mindestwärme erzielt, wenn die Temperatur der Dämpfe hoch ist (über 1400^iO C). Das gleiche gilt für die Kurven B, C, D und E. Die Gesamtwärme, die bei der Arbeitsweise gemäß Kurvet die Unterlage erreicht, ist jedoch etwa doppelt so groß wie die Wärmemenge, die die Unterlage gemäß den Kurven B und C erreicht, dreimal so groß wie die Wärmemenge, die der Unterlage gemäß Kurve D und viermal so groß wie die Wärmemenge, die der Unterlage gemäß Kurve £ zugeführt wird. Dies ist dadurch bedingt, daß die durch die Dämpfe der Unterlage zugeführte Wärme nur gemäß Kurvet zwischen 1,88 und 1,96 kcal/2,8 m² (je nach der Temperatur) liegt, wäl· rend die der Unterlage lediglich durch die Dämpfe zugeführte Wärme bei den Kurven B und C nur zwischen 0,943 und 0,982 kcal/2,8 m² beträgt. Die gemäß den Kurven D und E nur durch die Dämpfe der Unterlage zugeführte Wärmemenge beträgt ein Drittel bzw. ein Viertel derjenigen, welche die Dämpfe der Unterlage nach Kurve A zuführen.

In Fig. 4 ist eine Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung abgebildet. In der an die Vakuumpumpe 54 angeschlossenen Kammer 50 sind zwei Spulen 56 und 58 vorgesehen, zwischen denen die Unterlage 60 geführt wird. Die Metalldämpfe werden .durch eine Vielzahl von Metallverdampfungsquellen in Form von beheizten Schmelztiegeln 62, 62 a und 62 b geliefert. Diese Verdampfungsquellen bilden drei Aufbringungsstationen 61, 61 α und 61 b. Die Metalldämpfe werden in den einzelnen Aufbringungsstationen durch Schilder 68 begrenzt, die unerwünschte Wege der Überzugsdämpfe verhindern und die strahlende Wärme des Tiegels von der Unterlage abschirmen. Zur Führung der Unterlage durch die Vakuumkammer 50 dient eine Vielzahl von Walzen 70, die vorzugsweise auf 0° C oder darunter gekühlt sind.

Aus der österreichischen Patentschrift 155 465 ist eine Vorrichtung zum Vakuumbedampf en mit Metallen bekannt, bei der eine Mehrzahl von Verdampfungsvorrichtungen an einem Rahmen angebracht ist, der sich über die Unterlage bewegen kann, so daß die Verdampfungspunkte allen Stellen der Oberfläche der Unterlage genähert werden. Bei der hier beschriebe-

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nen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, für 2000° C erhitzt. Diese Anordnung bewirkt eine in-

die nur in Kombination mit der Maßnahme Schutz direkte Beheizung des äußeren Kohlestabes, so daß

beansprucht wird, daß in der Aluminiumschmelze dieser auf einer hohen Temperatur von 1200· bis

eines der obengenannten carbidbildenden Metalle in 1500° C bleibt.

Lösung gehalten wird, sind die Verdampfungsstellen 5 In Fig. 5 und 5 a, die einen Teil der Fig. 5 in verortsfest angeordnet, während die Unterlage sich fort- größertem Maßstab darstellt, und in Fig. 6, welche laufend an den Verdampfungsstellen vorbeibewegt. einen Schnitt nach der Linie 6-6 der Fig. 5 in ver-

Die überzogene Unterlage wird vor der Aufwick- größertem Maßstab zeigt, ist ein vakuumdichtes Ge-

lung auf die Spule 58 über zwei Rollen 80 geleitet, die häuse 110 dargestellt, welches auf einen hohen Untermit einem Widerstandsmeßkreis 82 verbunden sind, to druck von unter 1 μ Hg abs. mittels einer schematisch

Dieser Widerstandsmeßkreis ist mit einem Meß- bei 114 dargestellten Vakuumpumpe ausgepumpt ist.

instrument, einer Geschwindigkeitsregelvorrichtung In dieser Kammer wird die Unterlage 116 von einer

oder einer Vorrichtung zur Lenkung der Tiegel- Zuführwalze 117 über eine Reihe von gekühlten Füh-

temperatur verbunden. rungswalzen 118 zu einer Aufnahmespule 119 ge-

Bei der Vorrichtung nach Fig. 4 ist die zu über- 15 führt. Während des Durchgangs von der Zuführwalze ziehende Unterlage auf die Spule 56 aufgewickelt und 117 zur Aufnahmewalze 119 wird die Unterlage 116 wird von dieser über die verschiedenen Führungs- in einer Reihe von Windungen in der Nähe einer walzen 70 zur Aufwickelspule 58 geführt. Die Aluminiumdampfquelle 120 vorbeigeführt. Wie in Vakuumkammer 50 wird ausgepumpt und das Alu- Fig. 5 a gezeigt, besteht diese Quelle 120 aus einem minium in den Tiegeln 62., 62 α und 62 b erhitzt. Wie 20 länglichen hohlen dichten Kohlestab 122 und aus in Fig. 3 angegeben ist, liegt die Erhitzungstempe- einem etwas längeren Graphitheizstab 123, der sich ratur vorzugsweise bei etwa 1300° C oder höher. Die durch das Innere des hohlen Kohlestabes 122 erstreckt. Walzen werden durch in ihnen zirkulierende Kühl- Auf der Oberseite des Außenstabes 122 ist eine flache mittel, vorzugsweise unter 0° C, gekühlt, und die Un- längliche Rinne 124 zur Aufnahme von geschinolzeterlage wird mit einer solchen Geschwindigkeit durch 25 nem Aluminium von hoher Temperatur vorgesehen, die Anlage gefördert, daß ein Überzug von 0,233 g die mit festem Aluminium in Form eines Drahtes 126 Aluminium je 2,8 m^s Unterlagefläche je Überzugs- beschickt wird. Wie in Fig. 6 gezeigt, wird Alustation aufgebracht wird. Die Unterlage kommt auf minium an beiden Enden der Stange 122 zugeführt, ihrem Weg von der Zuführungswalze 56 mit drei ge- Dieses ist in der Zeichnung durch die Drähte 126 darkühlten Walzen 70 in Berührung, bevor bei 61 der 30 gestellt. Der Rinne 124 wird ferner ein zweites Drähteerste Überzug" aufgebracht wird. Auf diese Weise paar 127 zugeführt, wobei diese zweiten Drähte, die kann man die Temperatur der Unterlage auf Ö° C aus Titan bestehen können, den Aluminiumdrähten 126 oder etwas tiefer senken, sofern die Unterlage bei unmittelbar benachbart zugeführt werden. Temperaturen unter 0° C nicht zu spröde wird. Wenn Der innere' Graphitstab 123 wird von zwei wasserdie Unterlage die Station 61 passiert, kondensieren 35 gekühlten Greifern 128 getragen, in denen Kühlsich die Metalldämpfe,auf ihr, wodurch ihre Tempe- schlangen 130 eingebettet sind. Zwischen den wasserratur beträchtlich steigt. Da die Anfangstemperatur gekühlten Greifern 128 und dem Stab 123 sind Kohlesehr niedrig war, erhöht sie sich nicht sofort über den abstandsstücke 131 vorgesehen. Die Greifer 128 wer-Punkt, bei welchem Zersetzung oder Erweichen be- den durch die wassergekühlten Rohrleitungen 132 geginnen. Dies ist auch durch den Umstand bedingt, 40- tragen, die bei einer bevorzugten Ausführungsform daß die Rückseite der Unterlage während dieses auch als elektrische Leitungen für die Speisung des Überzugsvorganges gekühlt wird und daß der auf der Heizstabes 123 durch einen niedriggespannten Strom Unterlage kondensierte Metallüberzug fast unmittel- hoher Stromstärke; dienen.;:Eine: ähnliche Anordnung bar in Kontakt mit einer anderen Kühlwalze gebracht von wassergekühlten Greifern 134., Kühlmittelleitunwird, um seine Wärme abzuführen. Dieses sofortige 45 gen 136 und Tragrohren 138 ist für die Lagerung des Kühlen hat den Vorteil, daß der Metallüberzug, auch äußeren Kohlehohlstabes 122 vorgesehen. Die beiden wenn die Temperatur so hoch ist, daß sie eine Zer- Stäbe sind, wie gezeigt, so gelagert, daß sie sich in Setzung oder ein Erweichen der Unterlage verursacht, ihrer ganzen Länge nicht berühren und somit voneinschnell genug gekühlt werden kann,, so daß keine ander elektrisch isoliert sind. Infolgedessen bleibt der wesentliche Erwärmung der Unterlagen stattfindet. 50 äußere Hohlstab 122 elektrisch neutral, während der

Die Unterlage wird dann, bevor sie zur zweiten innere Graphitstab 123 den gesamten Heizstrom auf-Überzugsstation 61 α gelangt sowie bei ihrem Durch- nimmt. Die Leitungen 129 verbinden den Graphitheizgang durch diese, wiederum gekühlt. Der in der zwei- stab 123 vorzugsweise mit einer Quelle hochten Überzugsstation 61 α aufgedampfte Metallüber- amperigen, niedriggespannten Stroms, die schematisch zug wird nach dem Verlassen derselben, vorzugsweise 55 als Transformator 140 dargestellt ist, welcher auch ebenfalls unmittelbar darauf, in Kontakt mit einer außerhalb der Vakuumanlage angeordnet sein kann, weiteren Kühlwalze gebracht. Der gleiche Vorgang Das Aluminium 126 wird von zwei Aluminium=- findet in der dritten Überzugsstation 61 b statt. drahtspulen 142 zugeführt, während das . zweite

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfrn- Drähtepaar 127 (z. B. aus Titan) von den Spulen 144 dung ist der Verdampfungstiegel in Form eines läng- 60 zugeführt wird. Für die Zufuhr der beiden Drähtelichen, hohlen Stabes aus Kohle oder Graphit ausge- paare sind an den Enden des Troges 124 zwei Paare bildet, der auf seiner Oberseite eine flache, längliche von Drahtzuführungseinrichtungen 146 vorgesehen. Rinne aufweist, die geschmolzenes Aluminium von · Diese Drahtzuführungseinrichtungen sind mit Drahthoher Temperatur enthält. Innerhalb des länglichen zuführungsrohren 147 ausgerüstet und so angeordnet, hohlen Graphitstabes befindet sich ein Heizelement, 65 daß der Aluminiumdraht 126 mit einer viel größeren das auf eine hohe Temperatur erhitzt werden kann, Geschwindigkeit, bezogen auf das Gewicht, als der um Wärme auf das äußere Kohleelement zu über- Titandraht 127 zugeführt wird.

tragen. Dieser innere Stab ist von dem äußeren Stab Beim Betrieb der Vorrichtung wird die Vakuumisoliert und wird durch seinen eigenen Widerstand auf kammer 112 ausgepumpt und der innere Stab 123 auf eine Temperatur in der Größenordnung von etwa 70 eine hohe Temperatur (von etwa 2000° C) erhitzt, in-

dem man einen Strom hindurchschickt. Durch die von dem inneren Stab 123 auf den äußeren Hohlstab 122 übertragene Strahlungswärme wird dieser schnell so stark erhitzt, daß das Aluminium in Trog 124 schmilzt. Dabei wird das feste Titan aufgelöst und eine Titancarbidschicht auf dem äußeren Stab 122 gebildet. Diese Titancarbidschicht erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte Außenfläche des Kohlestabes 122., wodurch eine große durch geschmolzenes Aluminium benetzbare Fläche entsteht. Die Benetzung ίο mit geschmolzenem Aluminium ist am besten in Fig. 5 a ersichtlich. Infolge der hohen Temperatur des inneren Graphitheizstabes 123 werden der äußere Kohlestab 122 und das auf diesem befindliche Aluminium rasch auf eine Temperatur von etwa 1300° C erhitzt, so daß das Aluminium von diesem mit hoher Geschwindigkeit verdampft. Da das Aluminium rasch verdampft, werden zusätzliches Aluminium und zusätzliches Titan dem Trog in Form der Drähte 126 und 127 durch die Zuführungseinrichtungen 146 zugeführt, damit die Rinne 124 im wesentlichen mit geschmolzenem Aluminium gefüllt bleibt. Infolgedessen ist ständig genügend geschmolzenes Aluminium vorhanden, damit im wesentlichen alle Flächen des äußeren Stkbes 122, welche Wärme auf die Unterschicht ausstrahlen könnten, benetzt sind.

Wenn das Aluminium auf der Oberfläche des äußeren Stabes 122 auf eine Temperatur von etwa 1300° C erhitzt ist, wird die Unterlage über den Stab hinwegbewegt, so daß diese durch die vom Stab aufsteigenden Aluminiumdämpfe überzogen wird. Hierbei ist es zweckmäßig, die Unterlage den vom Stab aufsteigenden Dämpfen erst dann auszusetzen, wenn die Dämpfe eine verhältnismäßig hohe Temperatur erreicht haben, um eine zu starke Übertragung von Strahlungswärme auf die Unterlage zu verhindern. Um dies zu erreichen, kann über der Aluminiumquelle während der ersten Aufheizperiode eine nicht gezeigte Schutzwand angeordnet sein, die nach Erreichen der richtigen Temperatur, beispielsweise durch Drehung, entfernt werden kann.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Vakuumbedampfen mit Aluminium, wobei ein unmittelbar elektrisch beheizter Verdampfungstiegel verwendet wird, auf dessen mit der Aluminiumschmelze in Berührung stehender Oberfläche durch Reaktion bei etwa 1200° C mit dem Kohlenstoff des Tiegels ein Überzug eines Carbides des Titans, Zirkons, Hafniums, Niobs oder Tantals gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das carbidbildende Metall ständig in der Aluminiumschmelze in Lösung gehalten wird, wobei die Erhitzung des Tiegels auf die Verdampfungstemperatur des Aluminiums induktiv derart erfolgt, daß die Schmelze durch die induzierten Wirbelströme in Bewegung gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das carbidbildende Metall der Schmelze fortlaufend zusammen mit frischem Aluminium zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das carbidbildende Metall der Schmelze fortlaufend in Form einer Legierung mit Aluminium zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Rand des Verdampfungstiegels auf eine höhere Temperatur erhitzt wird als der übrige Teil desselben.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das geschmolzene Aluminium einer langgestreckten, mit einer Rinne versehenen Oberfläche eines hohlen Kohlekörpers zugeführt wird, wobei die Oberfläche durch eine im Inneren des Kohlekörpers befindliche, den Kohlekörper jedoch nicht berührende Wärmequelle auf über 1300° C erhitzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bedampfende Unterlage in Form einer fortlaufenden Bahn an einer Mehrzahl von Aluminiumdampfquellen vorbeigeführt wird, wobei die Temperatur des Aluminiumdampfes, solange die Unterlage noch ein geringeres Reflexionsvermögen als 70'% hat, auf über 1300° C gehalten wird und die Unterlage auf ihrem Weg durch Kontakt mit Kühlflächen beiderseits gekühlt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bedampfende Unterlage mehrmals nacheinander durch einen Raum mit Aluminiumdämpfen von hoher Temperatur geführt und der auf der Unterlage erzeugte Metallfilm jedesmal unmittelbar nach dem Verlassen des Raumes durch eine große Kühlfläche gekühlt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Belgische Patentschrift Nr. 505 699:

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

©: 009 607/213 9.