DE112004001760T5

DE112004001760T5 - Behälter zum Verdampfen von Metall und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE112004001760T5
Application number: DE112004001760T
Authority: DE
Inventors: David Michael Parma Heights Rusinko Jun.; Ajit Medina Sane
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-12-28
Also published as: CN1856590A; US20050065015A1; JP2007506864A; WO2005031027A3; WO2005031027A2; US7319079B2

Abstract

Hitzebeständiger Behälter zum Verdampfen von Metallen, wobei der hitzebeständige Behälter im Wesentlichen besteht aus:
etwa 45 bis 65 Gew.-% Bornitrid,
etwa 35 bis 65 Gew.-% eines hitzebeständigen Borids
und etwa 0,10 bis 10 Gew.-% einer Seltenerdmetallverbindung, die aus einem Oxid, einem Carbid, einem Nitrid und Mischungen derselben ausgewählt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Behälter zur Vakuumverdampfung von Metall.
Hintergrund der Erfindung
Vakuumbedampfung ist ein gebräuchliches Verfahren zur Beschichtung von verschiedenen Substraten aus Metall, Glas und Plastik mit Metallen, wie z.B. Aluminium, Kupfer, Zink und Zinn. Das Metall wird typischerweise mittels einer elektrischen Widerstandsheizung in einem metallischen oder keramischen Behälter oder Gefäß verdampft, der in der Fachwelt im Allgemeinen als ein „Schiffchen" oder ein Metallisierungsschiffchen bezeichnet wird. Das Schiffchen ist mit einer Quelle elektrischer Energie innerhalb einer evakuierten Kammer verbunden und wird auf eine geregelte Betriebstemperatur erhitzt, die dazu ausreicht, eine in Kontakt mit dem Schiffchen angeordnete Metallmenge zu verdampfen.
Bei dem Vakuummetallisierungsprozess wird das in einem Metallisierungsschiffchen geschmolzene Metall auf eine sehr hohe Temperatur, in vielen Fällen auf eine Temperatur, die höher ist als die typischerweise bei Gießvorgängen erreichte von bis zu 1200° C und darüber erhitzt. Dies bedeutet, dass die Metallschmelze, d.h. die Aluminiumschmelze, sehr viel aggressiver sein und sich wie eine korrodierende Säure verhalten wird, wodurch die Lebensdauer der Metallisierungsschiffchen verringert wird.
Neben den Metallisierungsbedingungen ist die Benetzbarkeit der Schiffchenoberfläche ein Faktor für die Lebensdauer des Schiffchens. Wenn die Oberfläche des Schiffchens für geschmolzenes Metall nicht wesentlich benetzbar ist, werden infolge der kleineren Verdampfungsoberfläche höhere Schiffchentemperaturen erforderlich, um eine Einheit der Menge von Aluminium zu verdampfen. Höhere Betriebstemperaturen werden folglich zu einer höheren Korrosionsrate führen und dadurch die nutzbare Lebensdauer des Schiffchenes verringern.
Neben der Benetzbarkeit der Schiffchenoberfläche ist die Benetzbarkeit der in dem Hohlraum bzw. der Kammer des Schiffchens gebildeten Schlacke ein weiterer Faktor, der für eine längere nutzbare Schiffchenlebensdauer bedeutend ist. Nach einigen Stunden von Metallisierungsvorgängen beginnt sich um den Rand der Metallpfütze in dem Schiffchen herum Schlacke zu bilden. Die Schlacke ist das Nebenprodukt der Reaktion des geschmolzenen Metalls mit dem hitzebeständigen Schiffchen. Die Schlacke ist typischerweise für das metallisierende Metall nicht benetzend und behindert die Ausbreitung der Metallpfütze, erhöht dementsprechend die Betriebstemperatur und verringert weiterhin die nutzbare Lebensdauer des Schiffchens. Von einer verbesserten Benetzung der Schiffchen- und/oder Schlackenoberfläche wird angenommen, dass sie ein bedeutender Faktor zur Erhöhung der durchschnittlichen Lebensdauer von Metallisierungsschiffchen ist.
Es gibt noch eine weitere Eigenschaft bzw. einen weite ren Faktor, der für eine längere und nutzbare Schiffchenlebensdauer wichtig ist; das ist die Widerstandsfähigkeit gegen einen thermischen Zerfall des Schiffchens. Wenn die Betriebstemperatur des Schiffchens einen kritischen Wert überschreitet, z.B. auf über 1600° C, wird sich das Schiffchen thermisch zersetzen, was es dem geschmolzenen Metall ermöglicht, in das Schiffchen einzudringen und dadurch die nutzbare Lebensdauer des Schiffchens zu verkürzen. Dieses Phänomen ist typisch, wenn der Draht nicht gleichmäßig auf die Schiffchenoberfläche zugeführt wird, was die Ausbildung von örtlichen Überhitzungsstellen innerhalb des Schiffchens hervorruft.
Die durchschnittliche Lebensdauer von Metallisierungsschiffchen nach dem Stand der Technik liegt im Bereich von etwa zehn (10) Stunden, wodurch in Abhängigkeit von den Metallisierungsbedingungen von etwa 600.000 Fuß metallisiertes Substrat bis etwa 1.000.000 Fuß Substrat geschaffen werden. Es besteht ein ständiges Interesse an einer Erhöhung der nutzbaren Lebensdauer von Metallisierungsschiffchen mit unterschiedlichen hitzebeständigen Schiffchenzusammensetzungen. Das US-Patent Nr. 4,528,120 offenbart Schiffchen, die etwa 10–60 Gewichtsprozent (Gew.-%) Bornitrid („BN"), 0–60% von Aluminiumnitrid und/oder Siliziumnitrid und 30–70 Gew.-% von einem aus der Gruppe der Boride von Titan, Zirkonium, Aluminium, Chrom und der Carbide von Silizium, Titan und Chrom enthalten. Unter der japanischen Veröffentlichungsnummer 06-298566 ist eine Zusammensetzung offenbart, die 0,3–10 Gew.-% an Erdalkalimetalloxiden, Seltenerdoxiden oder Erdalkalimetallboraten, 15–50 Gew.-% BN und als den Rest Aluminiumnitrid und Titandiborid in einem Verhältnis von 1:1,5 bis 1:4 enthält.
In dem US-Patent Nr. 5,604,164 von Montgomery ist offenbart, dass das Hinzufügen eines elementaren Metalls, wie z.B. Molybdän; und eines Oxidzusatzes, wie z.B. Y₂O₃, zu einer Keramikverbundzusammensetzung aus Titandiborid und Bornitrid als eine wesentliche Verbesserung der Eigenschaften des Schiffchens, insbesondere seiner Benetzungseigenschaften, und als eine Verringerung der Korrosionsrate des Schiffchenhohlraums durch Aluminium erkannt worden ist. Montgomery offenbart eine hitzebeständiges Schiffchen, das im Wesentlichen aus Titandiborid, Bornitrid, wenigstens 3 Gew.-% (Gewichtsprozent) eines aus Mo, W, Ta und Nb ausgewählten Metalls und wenigstens 0,7 Gew.-% eines aus CaO und Y₂O₃ ausgewählten Oxids besteht.
Es besteht immer noch Bedarf an einer Steigerung der nutzbaren Lebensdauer von Metalliserungsschiffchen. Anwender haben überraschenderweise herausgefunden, dass eine hitzebeständige Schiffchenzusammensetzung mit verbesserten Eigenschaften, einschließlich einer verbesserten Widerstandsfähigkeit gegen thermischen Zerfall, Benetzbarkeit und Korrosionsbeständigkeit eine längere nutzbare Lebensdauer aufweist. Die überraschend verbesserte Zusammensetzung für hitzebeständige Schiffchen zeigt in einer Ausführungsform die Eigenschaften: a) weniger Korrosion der Schiffchenoberfläche, b) einen höheren Grad an Widerstandsfähigkeit gegen thermischen Zerfall, c) eine benetzbarere Schiffchenoberfläche und d) benetzbarere Schlacke ohne das Erfordernis einer Dotierung der Zusammensetzung mit wenigstens 3 Gew.-% des metallischen Elementes Mo, W, Ta und/oder Nb.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Ein hitzebeständiger Behälter zum Verdampfen von Metal len besteht im Wesentlichen aus einem hitzebeständigen Borid, Bornitrid und etwa 0,10–10 Gew.-% einer Seltenerdmetallverbindung, die aus einem Oxid, einem Carbid, einem Nitrid oder Mischungen derselben ausgewählt ist. In einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Seltenerdmetallverbindung im Wesentlichen aus Yttriumoxid.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines hitzebeständigen Behälters zum Verdampfen von Metallen, wobei das Verfahren die Schritte enthält: a) bilden einer homogenen Mischung aus Pulvern von einer Zusammensetzung, die im Wesentlichen aus einem hitzebeständigen Borid, Bornirid und etwa 0,10–10 Gew.-% einer Seltenerdmetallverbindung besteht, die aus einem Oxid, einem Nitrid, einem Carbid oder Mischungen derselben ausgewählt ist, b) bilden eines Grünkörpers, der eine Dichte von wenigstens 50% der theoretischen Dichte der Pulvermischung aufweist, d) Erhitzen des Grünkörpers auf eine ausreichend hohe Temperatur und einen ausreichend hohen Druck zur Bildung eines verdichteten Rohlings oder Knüppels von wenigstens etwa 85% der theoretischen Dichte und e) Kühlen und wieder Entnehmen des Rohlings.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Wenn hierin der Ausdruck „im Wesentlichen bestehen aus" verwendet wird, so lässt er zu, dass Substanzen enthalten sind, die die grundlegenden und neuen Eigenschaften der betrachteten hitzebeständigen Zusammensetzung nicht wesentlich beeinträchtigen.
Zusammensetzung des hitzebeständigen Schiffchens der Erfindung: In einer Ausführungsform der Erfindung besteht die hitzebeständige Zusammensetzung im Wesentlichen aus einem hitzebeständigen Borid, Bornitrid und etwa 0,10–10 Gew.-% einer Seltenerdmetallverbindung, die aus einem Oxid, einem Nitrid, einem Carbid oder Mischungen derselben ausgewählt worden ist.
Beispiele für Seltenerdmetalle umfassen Yttrium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium, sind aber nicht auf diese beschränkt. Beispiele für Seltenerdmetalloxide enthalten Yttriumoxid, Lanthanoxid, Ceroxid, Praseodymoxid, Neodymoxid, Samariumoxid, Europiumoxid, Gadoliniumoxid, Terbiumoxid, Dysprosiumoxid, Holmiumoxid, Erbiumoxid, Thuliumoxid, Ytterbiumoxid und Lutetiumoxid, sind aber nicht auf diese beschränkt.
In einer Ausführungsform der Erfindung besteht die hitzebeständige Zusammensetzung im Wesentlichen aus etwa 35 bis 65 Gew.-% eines hitzebeständigen Borids, 45 bis 65 Gew.-% Bornitrid und etwa 0,10–10 Gew.-% der Seltenerdmetallverbindung, die ein Seltenerdmetalloxid enthält. In einem Beispiel liegt die Menge der Seltenerdmetallverbindung, die ein Selten-Erd-Metalloxid enthält, in dem Bereich von 0,10 bis 7 Gew.-% der Zusammensetzung.
Beispiele für hitzebeständige Boride enthalten Boride von hitzebeständigen Hartmetallen wie Ta, Zr und Übergangsmetallen wie Ti, wie z.B. Titandiborid, Zirkoniumdiborid oder Mischungen derselben, sind aber nicht auf diese beschränkt.
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung enthält die Zusammensetzung weiterhin weniger als etwa 10 Gew.-% Aluminiumnitrid- oder Siliziumnitridpulver, die eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 15 Mikrometer oder weniger aufweisen. In einem Beispiel beträgt die Menge an Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid weniger als etwa 5%. In noch einem weiteren Beispiel beträgt sie weniger als 3%.
In einer dritten Ausführungsform der Erfindung enthält die Zusammensetzung weiterhin Kalziumoxid oder Aluminiumoxid oder Zusammensetzungen von diesen Oxiden und Seltenerdoxiden bei einer Gesamtkonzentration der Oxide von weniger als 10 Gewichtsprozent.
In einer vierten Ausführungsform der Erfindung enthält die Zusammensetzung weiterhin zwischen 0,2 und 5 Gew.-% an Elementen oder Verbindungen, die aus den aus Carbiden und Nitriden der Elemente Al, Si, Ti, Fe, Co, Ni und Mischungen derselben bestehenden Gruppen ausgewählt worden sind.
In einer fünften Ausführungsform der Erfindung ist anstelle eines Seltenerdmetalloxids oder zusätzlich zu einem Seltenerdmetalloxid ein Seltenerdmetallnitrid, z.B. Yttriumnitrid, in der Anfangszusammensetzung enthalten, so dass das Nitrid in dem Heißpressprozess für ein hitzebeständiges Schiffchen, das ein Seltenerdmetalloxid enthält, teilweise oder vollständig in ein Oxid umgewandelt wird.
In einer sechsten Ausführungsform der Erfindung ist anstelle eines Seltenerdmetalloxides oder zusätzlich zu einem Seltenerdmetalloxid in der Anfangszusammensetzung ein Seltenerdmetallcarbid, z.B. Lanthancarbid, zur teilweisen oder vollständigen Umwandlung in ein Seltenerdmetalloxid oder Oxidverbindungen in dem Heißpressprozess in der Anfangszusammensetzung enthalten.
In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Bornitridpulverkomponente eine spezifische Oberfläche von etwa 2 bis 40 m²/g (die nach dem in der Fachwelt bekannten BET-Verfahren gemessen wird) und eine Reinheit von wenigstens 96% des Gewichtes auf. Mit einer Reinheit von 96% ist gemeint, dass die Gesamtheit an Bor und Stickstoff, die durch Analyse gefunden wird, wenigstens 96% des Gewichtes beträgt, wobei Sauerstoff in Form der enthaltenen Boroxide und Boroxinitride mit einem Anteil von bis zu 3,8% des Gewichtes vorhanden sein kann und eine Gesamtmenge von bis zu etwa 0,1 Gew.-% an Kohlenstoff und 0,5 Gew.-% an Metallverunreinigungen in der Zusammensetzung vorhanden sein kann.
Die Titandiborid-Pulverkomponente in einer Ausführungsform ist im Wesentlichen frei von unerwünschten Metallverunreinigungen, d.h. die Pulver sind im Wesentlichen rein, wie durch emissionsspektrographische Analyse bestätigt wird. Metallverunreinigungen (wie elementares Metall) liegen, sofern vorhanden, normalerweise unter 5000 Millionsteln (Parts per Million, ppm) des Boridpulvers, d.h. weniger als 0,5 Gew.-% des Gesamtgewichts an TiB₂, und enthalten Aluminium, Barium, Kalzium, Chrom, Kobalt, Kupfer, Eisen, Kalium, Lithium, Magnesium, Mangan, Natrium, Nickel, Silizium, Vanadium, Wolfram und Zink, sind aber nicht auf diese beschränkt. Der Ursprung solcher Metallverunreinigungen in dem Boridpulverprodukt, falls vorhanden, sind normalerweise die zur Herstellung des Produktes verwendeten Ausgangsstoffe oder Gerätschaften. Unreinheiten bis zu 1% des Gewichts, die aus der aus den Oxiden, Carbiden und Nitriden der Elemente Titan und Bor bestehenden Gruppe ausgewählt sind, können auch vorhanden sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Seltenerdmetallverbindung Yttriumoxid oder Lanthanoxid. In dem Beispiel haben Anwender überraschenderweise herausgefunden, dass Yttriumverbindungen, die hauptsächlich aus Yttriumoxid Y₂O₃ bestehen, die Benetzungseigenschaften des hitzebeständigen Schiffchens und der darin gebildeten Schlacke für ein Metallisierungsschiffchen mit einer wesentlich verbesserten nutzbaren Lebensdauer verbessert.
In einer Ausführungsform bei der das Seltenerdmetalloxid Yttriumoxid ist, ist die Yttria- oder Yttriumoxidkomponente von einer Reinheit von wenigstens 95% und weist eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 15 Mikrometer oder weniger auf.
In noch einer weiteren Verbindung können optionale Oxide einschließlich CaO, MgO, Al₂O₃, TiO₂, Zusammensetzungen dieser Oxide und Seltenerdoxide in Kombination mit den Seltenerdmetalloxiden, z.B. Y₂O₃, in einer Menge von insgesamt etwa 0,10 bis 10 Gew.-% verwendet werden. Beispiele für Verbindungen der Seltenerdoxide enthalten YAG (Al₅Y₃O₁₂), YAP (AlYO₃) und YAM (Al₂Y₄O₇).
In einer Ausführungsform beträgt die Gesamtmenge der optionalen Metalloxide etwa 0,75 bis 5 Gew.-%. In einer anderen Ausführungsform liegt die Menge in einem Bereich von etwa 1 bis 3 Gew.-%.
Verfahren zur Herstellung des Metallisierungsschiffchens: In einer Ausführungsform wird eine Pulvermischung aus BN, TiB₂, einem Seltenerdmetalloxidpulver und wahlweise AIN und/oder CaO, Al₂O₃ und TiO₂ unter Verwendung eines Mischungsmittels zur Erzeugung einer homogenen Mischung hergestellt, z.b., durch Scherkraftmischen (High-Shear Blending), Kugelmahlen, Attritormahlen, Strahlmahlen, etc.. Das Mischen kann unter nassen oder trockenen Bedingungen, z.B. in Luft oder unter Inertgas, wie z.B. Argon oder Stickstoff, oder in Wasser oder organischen Lösungsmitteln, wie z.B. Aceton, Methanol oder Isopropanol, durchgeführt werden. Das Mischpulver wird dann geformt, um durch Formverfahren, wie z.B. durch Trockenpressformen, isostatisches Kaltpressen (CIP), Spritzguss etc. einen Presskörper zu erhalten.
Anschließend wird der Presskörper in einer nicht oxidierenden Atmosphäre, wie z.B. einem Vakuum oder einer Inertgasatmosphäre, z.B. Stickstoff und Argon, oder einer reduzierenden Gasatmosphäre, z.B. Wasserstoff, unter Verwendung eines Sinterverfahrens, wie z.B. Atmosphärendrucksintern, Vakuumsintern, Gasdrucksintern, Heißpresssintern oder isostatischem Heißpress (HIP)-Sintern, auf eine theoretische Dichte von wenigstens 85% gesintert. Die nicht oxidierende Atmosphäre dient zur Verhinderung einer Oxidation des nicht oxidischen Keramikpulvers. Die HIP-Sinterung enthält gewöhnlich die Schritte des Versiegelns des Presskörpers in einer Metall- oder Glaskapsel und danach des Haltens der Kapsel unter einem hohen isostatischen Druck. In einem Beispiel liegt die Verdichtungstemperatur in dem Bereich von 1300 bis 2100°C, und der aufgebrachte Druck liegt in dem Bereich von etwa 5 bis 300 MPa.
Durch den Sinterungsprozess wird ein verdichteter Rohling mit einer Dichte von wenigstens etwa 85 bis 98% der theoretischen Dichte (TD) des Materials erhalten. Die Dichte hängt von dem Druck der Temperatur und der Nachdruckzeit ab, die in dem Prozess verwendet werden. Das Verdampfungsschiffchen kann aus dem verdichteten Rohling in jeder gewünschten Richtung herausgearbeitet werden.
Beispiele: Beispiele werden hierin zur Darstellung der Erfindung geliefert, aber es ist nicht beabsichtigt, den Bereich der Erfindung zu beschränken.
Beispiele 1 bis 5: In den Beispielen 1–5 werden die Pulver, die die folgenden Zusammensetzungen aufweisen, als Ausgangsmaterialen mit Y₂O₃ als dem Seltenerdmetalloxid verwendet. Das Beispiel 5 enthält den Grad Mo-21P der Bezugsquelle nach Montgomery, demnach das „Montgomery"-Beispiel. Tabelle 1
In jedem Beispiel wird eine Pulvermischung, die die Komponenten enthält, in einem Scherkraftmischer trocken homogenisiert. Die Pulvermischung wird danach zur Bildung eines zylindrischen Grünkörpers, der einen Durchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) und eine Höhe von 50,8 bis 127 mm (2–5 Zoll) aufweist, kaltgepresst. Der Grünkörper wird in eine Heißpressvorrichtung eingefügt und bei 1450°C bis 2000°C in einer reduzierenden Atmosphäre unter einer Argongasspülung bzw. -entrauchung verdichtet.
Verdampfungsschiffchen von etwa 100 mm mal 20 mm mal 6 mm werden von dem Block abgeschnitten und mit einer Vertiefung oder einem Hohlraum versehen, die bzw. der etwa 60 mm mal 15 mm mal 2 mm misst. Unabhängig von ihrer Position in dem Block weisen die Verdampfungsschiffchen, die aus den Zusammensetzungen der Beispiele 1–51 hergestellt worden sind, eine Dichte von 84% bis 90% der theoretischen Dichte (TD) mit einem spezifischen Widerstand von 400 bis 1200 μohm × cm auf.
Tests an den Verdampfungsschiffchen 1–5: Die anhand der Beispiele 1–5 hergestellten Verdampfungsschiffchen werden unter den folgenden Bedingungen für die Vakuumverdampfung von Aluminium getestet. Die Schiffchen werden durch die direkte Leitung von Strom in einer Vakuumkammer erhitzt. Das Aluminium wird über eine Aluminiumdrahtzuführung nahe dem einen Ende des Hohlraums kontinuierlich zugeführt, und eine Hitzestelle (Hot Spot) wird an dem entfernten Ende des Schiffchens erzeugt. Die Maximaltemperatur der Hitzestelle liegt in dem Bereich von etwa 1715 bis 1781°C.
Wenn der Test fortschreitet, wird erkannt, dass das Aluminium vollständig durch das Schiffchen aus dem Beispiel 5 (das „Montgomery"-Schiffchen) hindurchdringt und einen Riss unter dem Zentrum des Schiffchens bildet. Die Beispiele 1–4 weisen eine signifikant geringere Aluminiumdurchdringung auf. Nach 30 Minuten wird beobachtet, dass das Montgomery-Schiffchen im Gegensatz zu den Schiffchen gemäß der vorliegenden Erfindung (ohne Metalldotierung), die immer noch nutzbar sind, bis zu dem Punkt thermisch zerfallen ist, wo Risse sichtbar sind.
Beispiele 6–10: Die Beispiele 1–5 werden wiederholt, abgesehen davon, dass stattdessen Lanthanoxidpulver mit einer Reinheit von etwa 95 bis 99% verwendet wird. Die Ergebnisse der Experimente sind den bei den Beispielen 1–5 erhaltenen Ergebnissen ähnlich, wobei die Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung verglichen mit dem Montgomery-Beispiel nach dem Stand der Technik eine minimale oder signifikant geringere Aluminiumdurchdringung aufweisen.
Beispiele 11–19: In den Beispielen werden Rohlinge gebildet, die die in der Tabelle 2 aufgezählten Zusammensetzungen aufweisen, danach auf die elektrische Leitfähigkeit hin ausgemessen sowie Benetzbarkeitstests unterzogen. Alle Komponenten in Tabelle 2 sind in Gewichtsprozent angegeben.
Die Rohlinge werden durch trockenes Homogenisieren einer Pulvermischung der Komponenten in einem Scherkraftmischer gebildet. Das gemischte Pulver wird danach zur Bildung eines zylindrischen Grünkörpers, der einen Durchmesser von 50,8 mm (2 Zoll) und eine Höhe von 102 bis 152 mm (4–6 Zoll) aufweist, kaltgepresst. Der Grünkörper wird in eine Heißpressvorrichtung eingefügt und in einer reduzierenden Atmosphäre unter einer Argongasentrauchung bei 1450 bis 2100°C unter Bildung von Rohlingen verdichtet. Im Hinblick auf Beispiel 15 wird ein vorgemischtes Pulver, das ZrO₂ enthält, nass kugelgemahlen und vor der Homogenisierung mit den anderen Komponenten getrocknet, um sicherzustellen, dass das ZrO₂ Pulver feiner als 0,7 μm ist.
Bei dem Benetzbarkeitstest wird die Benetzbarkeit der Rohlingproben für geschmolzenes Aluminium durch Anordnen eines Aluminiumblockes einer bekannten Masse auf der Oberfläche einer polierten Probe gemessen. Die Probe und das Aluminium werden danach unter einem Vakuum von weniger als 0,001 Millibar schnell erhitzt, bis das Aluminium schmilzt, sich ausbreitet und danach verdampft. Nach dem Verdampfen ist das Gebiet, auf dem sich das Aluminium verteilt hat, sichtbar und kann unter Verwendung der digitalen Bildanalyse ausgemessen werden. Benetzbarkeitswerte können durch Dividieren der Ausbreitungsfläche des Aluminiums durch die Masse des Aluminiumblockes in der Einheit mm²/Gramm erhalten werden. Tabelle 2
Die Ergebnisse der Tests an den Rohlingen zur Messung ihrer Benetzbarkeitseigenschaft, ihrer Dichte und ihres Widerstandes sind in Tabelle 3 dargestellt: Tabelle 3
Beispiele 20–22: In diesen Beispielen werden Metallisierungsschiffchen beim Bilden metallisierter Filme gebildet und getestet. Die Schiffchen, die die Zusammensetzung gemäß der Erfindung enthalten, werden mit kommerziell am Markt erhältlichen Metallschiffchen, d.h. „klassischen" Schiffchen von GE Advanced Ceramics aus Cleveland, Ohio, verglichen. Das Beispiel 20 verwendet die klassische Schiffchenzusammensetzung, die als ein „2-Komponenten-Schiffchen" bekannt ist, oder eine Zusammensetzung, die TiB₂ und BN als Hauptbestandteile enthält. Das Beispiel 21 stellt eine „3-Komponenten-Schiffchen"-Zusammensetzung dar, die von GE Advanced Ceramics als „AC-6000" kommerziell erhältlich ist. Eine 3-Komponenten-Zusammensetzung ist typischerweise als eine Zusammensetzung definiert, die TiB₂, BN und AIN als Hauptbestandteile enthält. Beispiel 22 ist ein Beispiel gemäß der Erfindung. Alle Komponenten sind in Gewichtsprozent angegeben. Tabelle 4
In einer Veröffentlichung, einem Paper mit dem Titel „Die Auswirkungen von Schiffchen- und Drahtparametern auf die Schiffchenlebensdauer und die Beschichtungsqualität bei der Vakuummetallisierung eines OPP-Bandes" („The Effects of Boat and Wire Parameters on Boat Life and Coating Quality in Vacuum Metallization of an OPP Web") von E. Josephson und anderen (1995 SVC Conference Proceedings), wurde die nutzbare Schiffchenlebensdauer eines Zweikomponentenschiffchens (BN/TiB₂ – des Schiffchentyps wie in dem Beispiel 20) mit der Lebensdauer eines Dreikomponentenschiffchens (BN/AIN/TiB₂ - dem Schiffchentyp wie in dem Beispiel 21) verglichen. Der Autor stellte in dem Ergebnisabschnitt fest: „Unter Verwendung zweier traditioneller Messwerte für die Schiffchenlebensdauer zeigte das Zweikomponentenschiffchen die längere Lebensdauer. Die Schiffchenzusammensetzung war mit 90% statistischer Sicherheit bei der Anzahl der Rollen und mit 75% bei der linearen Metallisierung in Fuß statistisch signifikant." („Using two traditional measures of boat life, a two phase boat exhibited longer life. Boat composition was statistically significant with 90% confidence in the number of rolls and at 75% for linear feet metallized." Weiterhin: „Visuelle Prüfungen der Schiffchen zeigten geringere Ablage rungen und eine bessere Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion bei Zweiphasenschiffchen." („Visual inspections of the boats showed less deposits and better corrosion resistance for two-phase boats."
Die Ergebnisse der Korrosions und Benetzbarkeitstests zeigen, dass die Beispiele 21 und 22 gegenüber dem klassischen Schiffchen aus dem Beispiel 20 signifikant verbesserte Eigenschaften zeigen. Das Beispiel 22 funktioniert jedoch signifikant besser als mit dem Schiffchen aus dem Beispiel 21 und zeigt Verbesserungen sowohl bei den Benetzbarkeits- als auch in den Korrosionsbeständigkeitseigenschaften. In der Fachwelt ist bekannt, dass zwischen den Benetzbarkeits- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften ein Zielkonflikt bzw. Trade-Off besteht. Dreikomponentenschiffchen sind typischerweise benetzbarer, wohingegen Zweikomponentenschiffchen korrosionsbeständiger sind. Das Beispiel 22 gemäß der Erfindung ergibt in überraschender Weise verbesserte und ausgewogene Eigenschaften an Schiffchen, die sowohl benetzbarer als auch korrosionsbeständiger sind.
Während die Erfindung mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, dass vielfältige Abwandlungen vorgenommen und Äquivalente für die Elemente der Erfindung eingesetzt werden können, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Es ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt ist, die als die beste Art zur Ausführung dieser Erfindung offenbart ist, sondern dass die Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die in den Bereich der beigefügten Ansprüche fallen.
In dieser Anmeldung sind alle Einheiten im metrischen System angegeben, und alle Mengen und Prozentangaben beziehen sich auf das Gewicht, soweit es nicht ausdrücklich anders angegeben ist. Auch werden alle Zitate, auf die hierin Bezug genommen wird, durch die Bezugnahme ausdrücklich hierin einbezogen.
Zusammenfassung:
Ein hitzebeständiger Behälter zum Verdampfen von Metallen, der signifikant verbesserte nutzbare Lebensdauer- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften aufweist, wobei der Behälter im Wesentlichen aus einem hitzebeständigen Borid, Bornitrid und etwa 0,10 bis 10 Gew.-% einer Seltenerdmetallverbindung besteht, die aus einem Oxid, einem Nitrid, einem Carbid oder Mischungen derselben ausgewählt ist.

Claims

Hitzebeständiger Behälter zum Verdampfen von Metallen, wobei der hitzebeständige Behälter im Wesentlichen besteht aus: etwa 45 bis 65 Gew.-% Bornitrid, etwa 35 bis 65 Gew.-% eines hitzebeständigen Borids und etwa 0,10 bis 10 Gew.-% einer Seltenerdmetallverbindung, die aus einem Oxid, einem Carbid, einem Nitrid und Mischungen derselben ausgewählt ist.
Hitzebeständiger Behälter nach Anspruch 1, bei dem die Seltenerdmetallverbindung aus der aus Yttriumoxid, Lanthanoxid und Mischungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Hitzebeständiger Behälter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Seltenerdmetallverbindung Yttriumoxid von einer Reinheit von wenigstens 95% mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 15 μm oder weniger ist.
Hitzebeständiger Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der weiterhin bis zu 10 Gew.-% Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid enthält, die eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 15 μm oder weniger aufweisen.
Hitzebeständiger Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der weiterhin Kalziumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und/oder Titandioxid enthält.
Hitzebeständiger Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, der weiterhin eine aus YAG (Al₅Y₃O₁₂), YAP (AlYO₃), YAM (Al₂Y₄O₇) und Kombinationen derselben ausgewählte Verbindung enthält.
Hitzebeständiger Behälter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, der weiterhin zwischen 0,2 und 5 Gew.-% der Elemente oder Verbindungen enthält, die aus den aus Carbiden und Nitriden der Elemente Al, Si, Ti, Fe, Co, Ni und Mischungen derselben bestehenden Gruppen ausgewählt sind.
Verfahren zur Verbesserung der nutzbaren Lebensdauer von hitzebeständigen Schiffchen zum Verdampfen von Metallen, wobei das Verfahren das Dotieren einer Zusammensetzung, die im Wesentlichen aus 45 bis 65 Gew.-% Bornitrid und 35 bis 65 Gew.-% eines hitzebeständigen Borids besteht, mit etwa 0,10 bis 10 Gew.-% einer Seltenerdmetallverbindung der Oxide, Nitride oder Carbide oder Mischungen derselben enthält.
Verfahren nach Anspruch 8, das weiterhin den Schritt des Dotierens der Zusammensetzung mit 0,2 bis 5 Gew.-% der Elemente oder Verbindungen enthält, die aus den aus Carbiden und Nitriden der Elemente Al, Si, Ti, Fe, Co, Ni und Mischungen derselben bestehenden Gruppen ausgewählt sind.
Verfahren zur Herstellung eines hitzebeständigen Schiffchens zum Verdampfen von Metallen, wobei das Verfahren den Schritt enthält: Bilden eines geformten Erzeugnisses, das eine homogene Mischung aus Pulvern enthält, die im Wesentlichen aus 45 bis 65 Gew.-% Bornitrid, etwa 35 bis 65 Gew.-% eines hitzebeständigen Borids und etwa 0,10 Gew.-% bis 10 Gew.-% einer Seltenerdmetallverbindung von Oxid, Nitrid, Carbid oder Mischungen derselben besteht, und Bilden eines hitzebeständigen Schiffchens aus dem geformten Körper.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Seltenerdmetallverbindung Yttriumoxid von einer Reinheit von wenigstens 95% mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von etwa 15 μm oder weniger ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem das geformte Erzeugnis weiterhin bis zu 10 Gew.-% Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid enthält, die eine durchschnittliche Partikelgröße von etwa 15 μm oder weniger aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem das geformte Erzeugnis weiterhin Kalziumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und/oder Titandioxid enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem das geformte Erzeugnis weiterhin eine Verbindung enthält, die aus YAG (Al₅Y₃O₁₂), YAP (AlYO₃), YAM (Al₂Y₄O₇) und Kombinationen derselben ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem das geformte Erzeugnis weiterhin zwischen 0,2 und 5 Gew.-% der Elemente oder Verbindungen enthält, die aus den aus Carbiden und Nitriden der Elemente Al, Si, Ti, Fe, Co, Ni und Mischungen derselben bestehenden Gruppen ausgewählt sind.