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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinuierlichen
Vakuumaufdampfen von Metallschichten auf Bandmaterial, wobei das aufzudampfende
Metall in Drahtform od. dgl. zum Schmelzen und Verdampfen gegen ein durch Widerstandsheizung
erhitztes Verdampferelement vorgeschoben wird. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
daß das Verdampferelement aus einem vertikal angeordneten Plattenkörper 20 mit senkrecht
verlaufenden Seitenflächen 21/22 besteht, gegen die das aufzudampfende Metall über
Führungen 48/49
kontinuierlich vorgeschoben und das Bandmaterial parallel
zu den Seitenflächen 21/22 in Abstand vorbeigeführt wird.
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In der österreichischen Patentschrift 155 465 wird ein Verfahren und
eine Vorrichtung zum Aufdampfen eines Metallüberzugs beschrieben. Diese bekannte
Vorrichtung besteht aus einer Zuführvorrichtung, die geeignet ist, allmählich einen
Draht aus dem zu verdampfenden Stoff mit einem Ende gegen die Oberfläche eines Erhitzers
zu führen, wobei die Zuführungsgeschwindigkeit einstellbar ist, so daß der Stoff
verdampft wird, sobald er den Erhitzer berührt.
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Demgegenüber besteht das wesentliche Merkmal der erfindungsgemäßen
Aufdampfungsvorrichtung darin, daß das aufzudampfende Metall in Drahtform od. dgl.
gegen einen vertikal angeordneten Plattenkörper mit senkrecht verlaufenden Seitenflächen
vorgeschoben wird. Auf diese Weise verdampft das aufzudampfende Metall von einem
relativ großflächigen Plattenkörper, so daß gleichmäßigere und dickere Metallüberzugsschichten
aufgedampft werden können.
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Die Erfindung wird .an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt in perspektivischer Ansicht die erfindungsgemäße Dampferzeugungsquelle;
F i g. 2 zeigt im Aufriß eine erfindungsgemäß vorgesehene Vorrichtung; F i g. 3
ist eine Seitenansicht der das Metall haltenden Einrichtung der Vorrichtung gemäß
F i g. 2 sowie der in F i g. 1 gezeigten Federstahlstreifen.
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Die F i g. 1 zeigt eirie'Ausführungsform der Erfindung zum Vakuumaufdampfen
von Aluminium auf ein Stahlband 10, das von einer nicht gezeigten Rolle fortlaufend
in die evakuierte Zone zu einer Rolle 11 geleitet wird, an welcher es eine Wendung
rechtwinklig nach oben ausführt und senkrecht weiter wandert (vgl. die Bezugszahl
10a). An der oben angeordneten weiteren Rolle 12 wird das Stahlband um 180° gedreht
und bewegt sich, wie durch die Bezugszahl 10 b dargestellt wird, nach unten
zu einer Rolle 13. Zwischen den senkrecht verlaufenden Teilen 10 a, 10 b des wandernden
Stahlbandes ist eine Metalldampfquelle 14 zum Aufdampfen von zwei aufeinanderfolgenden
Schichten aus Aluminium auf die der Metalldampfquelle zugewandte Seite des Stahlbandes
angeordnet. Soll auch die entgegengesetzte Seite des Stahlbandes einen Aluminiumüberzug
erhalten, so kann das Stahlband von der Rolle 13 aus nochmals eine Wendung ausführen
und wieder nach oben wandern, wie dies durch die Bezugszahl 10 c dargestellt wird.
Anschließend wird das Stahlband über eine Rolle 15 aus der evakuierten Zone heraus
einer Aufwickelrolle zugeführt. Die evakuierte Kammer, in welcher die Vorrichtung
angeordnet ist, ist in der F i g. 1 nicht gezeigt. In der F i g. 2 ist die Vakuumkammer
andeutungsweise durch die obere und untere Wandung 17 bzw. 18 dargestellt. Wie aus
den F i g. 2 und 3 hervorgeht, besteht die Metalldampfquelle aus einem Plattenkörper
20 aus einem Material, welches einen elektrischen Widerstand besitzt, beispielsweise
aus einem verdichteten i homogenen Gemisch aus Bornitrid und Titandiborid. Der Plattenkörper
20 besitzt senkrecht verlaufende Seitenflächen 21/22, die den Flächen
10 a bzw. 10 b
des wandernden Stahlbandes zugewandt sind.
Der Plattenkörper 20 ist am oberen und unteren Ende 3 mit Kontaktkörpern 23/24 für
den elektrischen Anschluß versehen.
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Diese Kontaktkörper, welche im Hinblick auf ihre elektrische Leitfähigkeit
sowie zur Erzielung einer ausreichenden Kühlung aus Kupfer bestehen, können verschieden
ausgebildet sein. Es muß jedoch, die Gewähr gegeben sein, daß mit dem Plattenkörper
20 ein guter elektrischer Kontakt über eine möglichst große Fläche hinweg erzielt
wird. Wie aus F i g. 3 hervorgeht, ist jeder Kontaktkörper 23/24 mit einer sich
zum Boden hin verjüngenden Vertiefung versehen, wie dies aus der Bezugszahl 26 an
dem Kontaktkörper 23 hervorgeht, in welche der entsprechend ausgebildete kegelstümpfförrriige
Teil des Plattenkörpers 20 hineinpaßt. Die Kontaktkörper 23/24 sind
gleich ausgebildet und stellen mit den Enden des Plattenkörpers 20 einen guten elektrischen
Kontakt her. Dieser kann jedoch auch noch auf andere Weise hergestellt werden. Jeder
dieser Kontaktkörper ist im Inneren ausgebohrt, wie dies durch die Bezugszahl 27
an dem Kontaktkörper 23 dargestellt ist, wobei durch die Bohrurig ein flüssiges
Kühlmittel in Umlauf gesetzt wird, das durch die Kupferrohre 28/29 dem Kontaktkörper
23 und durch die Kupferrohre 30/31 dem Kontaktkörper 24 zugeführt bzw. aus diesen
Kontaktkörpern abgeführt wird. Die Kupferrohre 28/29 und 30/31 werden beispielsweise
durch isolierende Abdichtungen (32/33 an den Wandungen 18/17 gemäß F i g. 2) aus
der Vakuumkammer herausgeführt. Diese Kupferrohre wirken gleichzeitig als elektrische
Leiter, wobei die Rohre 28/29 an den einen Pol und die Rohre 30I31 an den anderen
Pol einer einregulierbaren elektrischen Stromquelle 35 angeschlossen werden können.
Zum Abführen der Wärme aus den kupfernen Kontaktkörpern 23/24 wird durch die Rohrleitungen
Wasser oder ein anderes geeignetes Kühlmittel in Umlauf gesetzt.
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Um die aus dem Plattenkörper 20 und den Kontaktkörpern 23/24 bestehende
Anordnung zusammenzuhalten, sind Federstahlstreifen 36/37 (vgl. F i g. 3) vorgesehen,
die an einer nicht dargestellten Wand der Vakuumkammer, beispielsweise mittels der
Festhaltevorrichtungen 38/39 befestigt sind, wobei die Anordnung derart konstruiert
wird, daß die außenliegenden Enden 36a/37a der Federstahlstreifen über eine wesentlich
größere Strecke auseinanderfedern als die senkrechte Höhe der Metalldampfquelle
beträgt. Diese Enden 36 a/37 a werden durch Dazwischenlegen der Isolierkörper
40/41 zusammengeführt, wobei die Isolierkörper sich -an die Kontaktkörper
23/24 oben und unten anlegen und die Metallaufdampfungsvorrichtung fest zusammenhalten.
Das Zusammenführen der Federstahlstreifen erfolgt insbesondere mittels einer Gewindestange
42, welche durch die an den Federstreifen 36/37 vorgesehenen Löcher hindurchgeführt
ist und auf welche die Muttern 43I44 von außen her aufgeschraubt sind. Dadurch wird
die Metallaufdampfungsvorrichtung unter einen erheblichen Federdruck gesetzt. Die
Muttern 43/44 werden
derart fest angezogen, daß die Enden 36 a/37
a und damit die Isolierkörper 40/41 die Kontaktkörper 23/24 fest gegen die Enden
des Plattenkörpers 20 drücken. Diese Federhalterung hält nicht nur die Metallaufdampfungsvorrichtung
in einer senkrechten Lage fest und bewirkt einen guten Kontakt mit den Kontaktkörpern,
sondern läßt auch eine Ausdehnung der Vorrichtung während des Aufheizens zu. Das
Aluminium wird den Seiten 21/22 des Plattenkörpers 20 in fester Form zugeführt,
und zwar in Form eines Drahtes oder eines langgezogenen Stückes. Diese Aluminiumdrähte
46/47 werden durch geeignete Einrichtungen, wie sie durch die Bezugszahlen
48/49 gekennzeichnet werden, kontinuierlich der Länge nach vorwärts bewegt, so daß
das vordere Ende eines jeden Drahtes dauernd gegen die betreffende Seite des Plattenkörpers
20 stößt, abschmilzt und den gewünschten Überzug für die Aufdampfung bildet.
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Es hat sich herausgestellt, daß die beschriebene Vorrichtung einen
Aluminiumdampf zu erzeugen vermag, der von den Seiten 21/22 seitlich abdampft. Zu
Beginn wird der Plattenkörper 20 durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes
allmählich erhitzt, d. h., daß die Erhitzung durch Widerstandsheizung erfolgt. Nachdem
die Temperatur ausreichend hoch ist, so daß die Aufdampfung eingeleitet werden kann,
werden die Drähte 46/47 gegen die Seiten 21/22 vorgeschoben, so daß an diesen Stellen
das Metall sofort schmilzt und sich über die ganzen senkrecht verlaufenden Seitenflächen
ausbreitet und auf diesen Flächen einen Überzug bildet. Bei fortgesetzter Stromzufuhr
und Aufheizung beginnt das Aluminium zu vedampfen, wobei dieser Verdampfungsvorgang
beliebig lange aufrechterhalten werden kann. Dabei fließt der Heizstrom sowohl durch
den Plattenkörper 20 als auch durch: die Aluminiumschicht, wobei jedoch das Aufheizen
hauptsächlich von dem durch den Plattenkörper 20 fließenden Strom bewirkt wird,
da diese Platte einen wesentlich höheren elektrischen Widerstand aufweist als das
Aluminium.
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Das Aufdampfen läßt sich in verhältnismäßig einfacher Weise steuern,
und zwar hauptsächlich nur durch die Regulierung der Zuführungsgeschwindigkeit der
Metalldrähte 46/47 sowie durch die Stärke des Heizstromes. Bei zu rascher Zuführung
des Metalls wird der Widerstand niedrig, so daß nicht die für die Verdampfung des
Aluminiums ausreichende Wärme erzeugt wird. Wird also das aufzudampfende Metall
zu rasch oder in zu großer Menge zugeführt, dann wird die Schicht aus dem geschmolzenen
Aluminium zu dick, wodurch der elektrische Widerstand und damit die Heizwirkung
vermindert wird. Erfolgt andererseits die Zuführung des Metalls zu langsam, so wird
der Plattenkörper 20 zu heiß, so daß die Gefahr besteht, daß dieser Plattenkörper
Risse oder Sprünge erhält und auseinanderfällt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß
sich ohne Schwierigkeit ein Gleichgewicht aufrechterhalten läßt, so daß der Plattenkörper
20 trotz einer reichlichen Dampferzeugung nicht zu heiß wird. Erforderlichenfalls
kann die Vorschubgeschwindigkeit sowie die Stärke des Stromes von Zeit zu Zeit nachreguliert
werden.
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Es wurde festgestellt, daß unter Verwendung einer Platte mit einer
Größe von 203,2 . 50,8 . 25,4 mm, wobei die Abmessungen der Seitenflächen 22/21
203,2 mm lang und 50,8 mm breit sind, Aluminiumdampf in einer Menge erzeugt werden
kann, die zwischen einigen g pro Minute bis zu 30 oder 40 g pro Minute regulierbar
ist. Wird das Aluminium mit größerer Geschwindigkeit zugeführt, so verkürzt sich
die Lebensdauer des Plattenkörpers 20. Der günstigste Wert beträgt 20 g pro Minute
bei den vorstehend genannten Abmessungen des Plattenkörpers. Höhere Werte lassen
sich bei einem größeren Querschnitt des Plattenkörpers 20 ohne nachteilige
Verkürzung der Lebensdauer erzielen.
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Das zu bedampfende Material wird an beiden Seiten der Metalldampfquelle
in einem geeigneten Abstand herbeigeführt, wobei sich der Metalldampf auf dem Material
kondensiert. Der Metalldampf wandert von den Seiten der Dampfquelle aus im allgemeinen
geradlinig nach außen, und zwar entweder senkrecht oder schräg, wobei sich auf dem
wandernden, zu bedampfenden Material, beispielsweise dem Stahlband 10 a/10 b ein
Aluminiumbelag bildet.
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Der Arbeitsvorgang kann ohne Schwierigkeiten in der Weise gesteuert
werden, daß die zu überziehenden Oberflächen des Materialbandes sowie die Oberfläche
des Plattenkörpers 20 durch ein nicht gezeigtes Schauglas beobachtet werden.
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Ferner kann mittels eines nicht gezeigten Meßinstrumentes die Stromstärke
festgestellt werden. Im allgemeinen brauche nur die Vorschubgeschwindigkeit des
Aluminiumdrahtes einreguliert zu werden.
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Es hat sich gezeigt, daß bei Verwendung eines Plattenkörpers 20 mit
den vorstehend angegebenen Abmessungen sowie bei Einhaltung einer Vorschubgeschwindigkeit
des Aluminiumdrahtes, daß ungefähr 20 g pro Minute verdampft werden, ein Strom mit
einer Stärke von 3O@O0A Ampere bei einer an den Kontaktkörpern des Plattenkörpers
20 liegenden Spannung von 8,5 Volt zu befriedigenden Ergebnissen führt, sofern ein
Stahlband mit einer Breite von 154,4 mm bei einem Abstand der Flächen
10 a/10 b von den Seitenflächen 22/21 von 228,6 mm mit Aluminium beschichtet
wird.
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Wird der Plattenkörper 20 aus einem geeigneten Material hergestellt,
so kann er eine verhältnismäßig lange Lebensdauer besitzen, und zwar bis zu 40 Stunden
oder darüber. Die Kühlvorrichtung für die aus Kupfer bestehenden Kontaktkörper 23/24
verhindern eine Beschädigung dieser Körper, so daß von Zeit zu Zeit nur ein neuer
Plattenkörper 20 eingesetzt werden muß.
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Wie aus der F i g. 1 zu ersehen ist, werden auf das Stahlband 10 beim
Durchwandern der beiden Bandabschnitte 10a und 10b zwei Aluminiumschichten
aufgedampft. Soll auch die andere Seite des Stahlbandes mit einem Aluminiumüberzug
versehen werden, so wird zwischen den Bandbahnen 10 b und 10c eine weitere Metallaufdampfungsvorrichtung
50 senkrecht angeordnet. Diese Vorrichtung kann der Vorrichtung 14 ähnlich
sein.
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Als Material, aus welcher der Plattenkörper 20 hergestellt wird, wird
ein Material verwendet, das ein Gemisch aus Bornitrid und einem Borid, wie beispielsweise
Zirkon- oder Titanborid, darstellt. Die Bestandteile werden innig miteinander vermischt
und zu einem homogenen Körper verdichtet, der anschließend auf die gewünschten Abmessungen
gebracht wird. Ein derartiges, unter der Bezeichnung »Cermet« bekanntes Material
besitzt eine gute Widerstandsfähigkeit gegen geschmolzenes Aluminium sowie einen
günstigen elektrischen Widerstand, wobei die Widerstandsfähigkeit auf das Bornitrid
zurückzuführen
ist. Ein derartiges Material besitzt einen elektrischen
Widerstand von beispielsweise 500 bis 1000 Mikroohm/cm. Dieser elektrische Widerstand
vermag die für eine Verdampfung ausreichende Hitze zu erzeugen, ohne daß dabei der
Plattenkörper zerstört wird. Unter Verwendung von Plattenkörpern, die aus diesen
Materialien hergestellt werden, lassen sich Mengen von 45 bis 70 kg Aluminium oder
darüber relativ rasch verdampfen, ohne daß dabei der Plattenkörper ersetzt werden
muß.
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Natürlich können zur Herstellung des Plattenkörpers 20, insbesondere
an dessen Außenseite auch andere Materialien verwendet werden, welche sich von dem
geschmolzenen Aluminium ohne Schwierigkeit benetzen lassen. Erwähnt seien beispielsweise
die verschiedenen Nitride, Boride und Karbide sowie Mischungen aus derartigen Verbindungen.
Ferner kann man ein kohlenstoffhaltiges Material, wie beispielsweise Graphit oder
die härteren Kohlenstoffformen, verwenden. Der Plattenkörper 20 kann außerdem aus
mehreren Teilen bestehen und einen Kern aus einem ziemlich gut leitenden Material
besitzen, der von einer Schicht oder von einem Mantel aus einem Material umschlossen
wird, das gegen Korrosion oder Erosion besonders widerstandsfähig ist, jedoch einen
hohen elektrischen Widerstand besitzt.
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Bei der durch die Zeichnungen gezeigten Aufdampfungseinrichtung bestehen
die unter der Einwirkung der Federstahlstreifen 36/37 festgeklemmten Isolierkörper
40I41 aus einem geeigneten Isolierungsmaterial. Diese Körper können aus feuerfesten
Substanzen, beispielsweise aus keramischen Isolatoren bestehen. Ferner kann man
zur Herstellung dieser Isolierkörper Bakelit, Hartgummi oder verschiedene Kunstharze
verwenden.
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Bei der erstmaligen Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vakuumaufdampfungsvorrichtung
oder bei einer erneuten Inbetriebnahme einer derartigen Vorrichtung nach Ersatz
des Plattenkörpers 20 ist darauf zu achten, daß die Vorrichtung nicht zu schnell
erhitzt wird. Strömt das Kühlwasser durch die Kontaktkörper 23/24 und hält diese
kühl, dann wird die Vakuumkammer bis auf einen Dampfdruck von beispielsweise 0,5
w Quecksilbersäule evakuiert, worauf durch den Plattenkörper 20 ein Gleichstrom
geschickt wird. Durch allmähliche Erhöhung des Stromes wird ein langsames Aufheizen
erreicht, so daß das Material keinem übermäßigen Hitzeschock ausgesetzt ist. Hat
das Material die zum Verdampfen des Aluminiums ausreichende Temperatur von beispielsweise
1260° C erreicht, so werden kleine Aluminiummengen in Form eines Drahtes zugeführt,
bis die Flächen, und insbesondere die Seitenflächen 21 und 22, mit dem geschmolzenen
Metall vollständig benetzt sind. Der Vorschub des Drahtes wird dann erhöht und bei
einer geeigneten Stromstärke derartig eingestellt, daß die verdampfte Metallmenge
der zugeführten Metallmenge entspricht. Die Dicke des zugeführten Aluminiumdrahtes
ist nicht kritisch. Gute Ergebnisse erzielt man bei Verwendung von Drähten mit einem
Durchmesser von 1,57 bis 9,5 mm, beispielsweise 2,35 mm. Es können jedoch auch Drähte
mit größerer Dicke verwendet werden.
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Erfindungsgemäß können außer Aluminium auch andere Metalle im Vakuum
aufgedampft werden. Erwähnt seien beispielsweise Gold, Silber, Kadmium und Zinn.