DE68902165T2

DE68902165T2 - Gefaess auf der basis von bornitrid mit einer oberflaechenbeschichtung aus titan-eisen-silicium.

Info

Publication number: DE68902165T2
Application number: DE8989106412T
Authority: DE
Inventors: Gregory Wayne Shaffer
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1988-04-12
Filing date: 1989-04-11
Publication date: 1992-12-17
Anticipated expiration: 2009-04-12
Also published as: JPH0673933B2; EP0337391A3; US4884788A; DE68902165D1; EP0337391A2; EP0337391B1; JPH01316258A

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Bornitrid enthaltenden Verdampfungsbehälter mit einer auf seiner Verdampfungsfläche angeordneten Beschichtung auf Titan-Eisen-Silizium-Basis, die von geschmolzenen Metallen, wie Aluminium, Kupfer, Silber, Zinn oder ähnlichem gut benetzbar ist. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf Titan-Eisen- Silizium-Basis auf die Oberfläche eines Bornitrid enthaltenden Verdampfungsbehälters.

Technologischer Hintergrund der Erfindung

Es ist gängige Praxis, verschiedenste Gegenstände aus so unterschiedlichen Materialien wie Stahl, Gummi, Kunststoffen oder dergleichen durch das Aufdampfen von Aluminium zu metallisieren oder zu beschichten.
In der Praxis wird das Beschichten oder Metallisieren eines Gegenstandes in einer Vakuumkammer vorgenommen, die sowohl das zu verdampfende Metall als auch räumlich beabstandet dazu den zu beschichtenden oder zu metallisierenden Gegenstand oder ein zu beschichtendes oder zu metallisierendes Gewebe enthält.
Im allgemeinen wird das zu verdampfende Metall in einer gesteuerten Menge in den feuerfesten Behälter oder Schmelztiegel eingebracht, der sich auf einer genügend hohen Temperatur befindet, um das Metall zu schmelzen und dessen Verdampfung einzuleiten.
In dem vorstehenden allgemeinen Prozeß ist es wesentlich, das ein Behälter oder Schmelztiegel verwendet wird, der selbst nicht wesentlich mit dem geschmolzenen Material, wie Aluminium, reagiert. Dieser Anforderung wird außergewöhnlich gut dadurch Rechnung getragen, daß ein solcher Behälter oder Schmelztiegel aus hitzebeständigem Material wie Bornitrid oder einer Bornitrid basierten Legierung hergestellt ist. Eine Schwierigkeit, die beim Gebrauch eines derartigen Materials festgestellt werden kann, besteht in einer verzögerten oder begrenzten Benetzung des Bornitrid-basierten Verdampfungsgefäßes durch das geschmolzene Metall, wie Aluminium, in der Startphase einer solchen Metallisierungseinrichtung. Diese verzögerte Benetzung reduziert den Gesamtwirkungsgrad des Metallisierungsprozesses und muß, sofern möglich, vermieden werden.
Die US-PS 3,724,996 offenbart einen Bornitrid enthaltenden Verdampfungsbehälter mit einer Oberflächenbeschichtung aus einer Zirkon- Silizium-Legierung, die durch Reaktion eines Teils der Zirkon- Silizium-Legierung in Kontakt mit dem Bornitrid enthaltenden Verdampfungsbehälter bei erhöhten Temperaturen aufgebracht wird.
Die US-PS 3,730,507 offenbart einen Bornitrid enthaltenden Verdampfungsbehälter mit einer Oberflächenbeschichtung aus einer Titan- Silizium-Legierung, die durch Reaktion eines Teils der Titan- Silizium-Legierung in Kontakt mit einem Teil des Bornitrid enthaltenden Verdampfungsbehälters bei erhöhten Temperaturen erzeugt wird.
Beim Gebrauch eines Bornitrid enthaltenden Behälters zur Verdampfung von Aluminium fungiert jeder Behälter als Widerstandsheizung, als Gefäß für das geschmolzene Aluminium und als Oberfläche, von der das Aluminium verdampft. Obwohl die bekannten Behälter gut arbeiten, ist mit der neuen Beschichtung gemäß der Erfindung eine Benetzung durch Aluminium bei niedrigeren Temperaturen, eine erhöhte Behälter- Lebensdauer, sofortige Stabilisierung einer neuen Pfanne bei gleichmäßiger Verdampfungsrate, gleichmäßige Abnutzung des Behälters sowie eine gleichmäßige Metallablagerung auf dem Gewebe erreichbar. Die Verzögerung in der Benetzung des Behälters verringert den Gesamtwirkungsgrad des Metallisierungsprozesses. Um so schnell als möglich eine Benetzung zu erhalten, könnte ein Betreiber in manchen Fällen den Behälter überhitzen, was beim weiteren Betrieb bei diesen höheren Temperaturen zu einer verkürzten Lebensdauer des Verdampfungsbehälter führen kann.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Bornitrid enthaltenden Behälter mit einer neuen Beschichtung bereitzustellen, die einen Gebrauch des Behälters mit geschmolzenen Metallen, wie Aluminium, bei verschiedenen Verdampfungsprozessen ermöglicht.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Bornitrid enthaltenden Verdampfungsbehälter mit einer Beschichtung auf Titan- Eisen- Silizium- Basis bereitzustellen, der von geschmolzenen Metallen, wie Aluminium, gut benetzt wird.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Bornitrid enthaltenden Verdampfungsbehälter mit einer Beschichtung auf Titan- Eisen- Silizium- Basis bereitzustellen, der eine wirkungsvolle Verwendung des Behälters zur Verdampfung von Aluminium zu Verpackungszwecken, für Kondensatorfilme und Solar/Mikrowellen-Filme ermöglicht.
Die vorstehend genannten und weitere Zwecke der Erfindung werden besser durch die nachfolgende Beschreibung und Offenbarung verständlich.

Zusammenfassung der Erfindung

Allgemein festgestellt bezieht sich die Erfindung auf einen Bornitrid enthaltenden Behälter, vorzugsweise mit einem passenden hitzebeständigen Material, wobei wenigstens ein Teil der Oberfläche des Behälters mit einer Beschichtung aus Titan- Eisen- Silizium versehen ist.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Beschichtung eines Bornitrid enthaltenden Verdampfungsbehälters mit einer Schicht aus Titan- Eisen- Silizium, das folgende Schritte umfaßt:
(a) Zusammenmischen von Titan-, Eisen- und Siliziumpulver zu einer trockenen Mischung,
(b) Vermischen der trockenen Mischung aus Schritt (a) mit einem flüssigen Medium, Dispersions- und Bindemittel zur Bildung einer Aufschlämmung, in der die festen Bestandteile des Pulvers vorzugsweise zwischen 65 und 80 Gewichtsprozent ausmachen,
(c) Beschichten der Behälteroberfläche mit dem Schlamm aus Schritt (b) und
(d) Erhitzen der beschichteten Oberfläche des Behälters zur Entfernung des flüssigen Teils des Schlammes und zur Aushärtung des Bindemittels vorzugsweise bei einer erhöhten Temperatur von ungefähr 100º C für etwa 2 Stunden. Ein vorzugsweiser Bereich für diesen Erhitzungsschritt liegt bei 95ºC - 105ºC und bei 1 - 2,5 Stunden. Temperaturen von über 105ºC verschlechtern bestimmte Arten von Bindemitteln.
Die Flüssigkeit ist das Medium, in dem die pulverförmigen Partikel in Schwebe gehalten werden. Geeignete Flüssigkeiten sind Methyläthylketon, Alkohol, Wasser oder anorganische Flüssigkeiten, die das Bindemittel lösen können. Das Dispersionsmittel trägt zur gleichmäßigen Verteilung des Pulvers in der Aufschlämmung bei und dient als Mittel zur Verhinderung von deren Absetzen. Geeignete Dispersionsmittel sind Butanolgel, Hydroxyäthylcellulose, Siloxane, Polyätheralkohol und ähnliches.
Der Verdampfungsbehälter kann Bornitrid und ein hitzebeständiges Material als Auswahl aus der Gruppe von Titandiborid, Aluminiumnitrid, Titannitrid, Kalziumfluorid, Kalziumoxid oder einer Mischung daraus umfassen.
Der Verdampfungsbehälter kann vorzugsweise entweder aus handelsüblichem reinem Bornitrid hergestellt sein oder aus einer Bornitrid in wesentlichem Anteil aufweisenden Legierung. In der Praxis wird die Verwendung einer Legierung bevorzugt, die wenigstens 20 Gewichtsprozent Bornitrid enthält. Gute Ergebnisse wurden bei Verwendung eines Behälters erreicht, der vollständig aus Bornitrid bestand oder der zwischen etwa 20 und 80 Gewichtsprozent Bornitrid aufwies und im übrigen aus einem passenden hitzebeständigen Material, wie Titandiborid, bestand. Das Titandiborid wird dem Bornitrid-Grundmaterial hinzugefügt, um dem daraus entstehenden Erzeugnis elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, falls dies gewünscht wird. Es sollte jedoch festgestellt werden, daß in der Praxis bei der vorliegenden Erfindung, wie schon weiter oben diskutiert, auch andere hitzebeständige Materialien als Titandiborid verwendet werden können.
Die Titan- Eisen- Silizium- Trockenmischung, wie sie zur Vorbereitung der Beschichtung des Verdampfungsbehälters verwendet wird, kann eine Mischung aus 45 bis 75 Gewichtsprozent Titanpulver, 18 bis 35 Gewichtsprozent Eisenpulver und 7 bis 20 Gewichtsprozent Siliziumpulver umfassen. Die bevorzugte Trockenmischung umfaßt etwa 59 Gewichtsprozent Titan, etwa 28 Gewichtsprozent Eisen und etwa 13 Gewichtsprozent Silizium.
Die Teilchengröße des Titan, Eisen und Silizium muß hinreichend klein sein, um eine homogene Mischung zu ergeben und sie kann etwa 0, 149 mm (Tyler-Sieb 100) oder weniger betragen. Vorteilhafterweise sollte die Teilchengröße des Pulvers etwa 0,044 mm (Tyler-Sieb 325) betragen.
Das Trockengemisch sollte mit einerm flüssigen Träger, Dispersions- und Bindemittel zu einer Aufschlämmung vermischt werden, die auf die Oberfläche des Verdampfungsbehälters auftragbar ist. Vorzugsweise sollte der Anteil der Festpartikel oder des Pulvers an der Aufschlämmung wenigstens 65 Gewichtsprozent betragen, um eine geringstmögliche Porosität der Deckschicht zu erreichen; besonders bevorzugt sind etwa 75 Gewichtsprozent Festbestandteile.
Die Trägerflüssigkeit, das Dispersions- und Bindemittel, wie sie zur Herstellung der Aufschlämmung verwendet werden, kann zwei oder mehrere Stoffe umfassen. Geeignete Flüssigkeiten zur Bildung der Aufschlämmung können Methyläthylketon (MEK) als Trägerflüssigkeit und Polyvinylacetat (PVA) als Dispersions- und Bindemittel sein. Butanolgel kann zur Verbesserung der Dispersionswirkung und der Lagerfähigkeit zugegeben werden.
Die Aufschlämmung kann auf die Oberfläche des Verdampfungsbehälters durch Aufstreichen oder Aufspritzen aufgebracht werden. Eine Pulverlegierung kann durch Flammspritzen, Plasmaspritzen oder andere geeignete Techniken aufgebracht werden. Falls der Auftrag in flüssigem Zustand erfolgt, beispielsweise durch Aufstreichen oder Aufsprühen, so wird der beschichtete Behälter dann zum Trocknen oder zum Entfernen des flüssigen Anteils der Aufschlämmung und zum Aushärten des Bindemittels erhitzt, wobei die Titan- Eisen- Silizium-Schicht auf der Oberfläche des Behälters zurückbleibt. Die Erwärmung des Behälters kann bei einer auf etwa 100ºC erhöhten Temperatur erfolgen, vorzugsweise über 95ºC, für eine Zeitspanne, die ausreichend für eine vollständige Austreibung der flüssigen Bestandteile der Aufschlämmung und das Aushärten des Bindemittels ist.
Es sollte noch angemerkt werden, daß ein Vorteil der eben beschriebenen Aufschlämmungstechnik darin liegt, daß sie eine leichtere Beschichtung ungleichmäßig geformter Behälter ermöglicht.

Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur in der hiermit dargelegten Zeichnung zeigt eine isometrische Darstellung eines rechteckigen Behälters oder Schmelztiegels, wie er gemeinhin in einem üblichen Vakuum- Metallisierungsgerät verwendet wird.
Unter Bezugnahme auf Details der Zeichnung ist eine isometrische Darstellung eines Behälters 1 gezeigt, der einen mit 2 bezeichneten Hohlraum aufweist. Der Boden des Hohlraums 2 bildet die Verdampfungsoberfläche des Behälters 1 und er ist beschichtet mit einer Titan- Eisen- Silizium basierten Legierung, die mechanisch damit verbunden ist. Der Verdampfungsbehälter 1 ist aus hitzebeständigem Material 3 auf Bornitrid- Basis hergestellt.

Ausführungsbeispiel

Ein rechteckiger Behälter von der in der Zeichnung gezeigten Art mit einer Länge von 16,2 cm (6,5 inches), einer Breite von 3,8 cm (1,5 inches) und einer Höhe von 1,27 cm (0,5 inches) mit einem Hohlraum von etwa 49,2 cm³ (3 Kubikinches) wurde aus einem hitzebeständigen Verbundmaterial gefertigt, das 50 Gewichtsprozent Bornitrid und im übrigen im wesentlichen aus Titandiborid bestand.
Ein Trockengemisch aus 59,1 Gewichtsprozent Titanpulver, 27,6 Gewichtsprozent Eisenpulver und 13,3 Gewichtsprozent Siliziumpulver, alle in einer Korngröße für den Durchgang durch ein 325er Tyler-Sieb, wurden mit einer Kugelmühle naß für vier Stunden in Methyläthylketon mit einem Zusatz von Polyvinylacetat als Dispersions/Bindemittel gemahlen, um dadurch eine Aufschlämmung herzustellen. Das Polyvinylacetat wurde mit dem Methyläthylketon in einem Farbenshaker vor Zugabe der Trockenmischung vorgemischt. Das Polyvinylacetat machte 3,1 Gewichtsprozent des flüssigen Anteils der Aufschlämmung aus.
Die erhaltene Aufschlämmung mit einem Anteil der Partikel oder des Pulvers von etwa 75 Gewichtsprozent wurde dann auf die vorher mittels Sandstrahlens gereinigte Oberfläche des Behälterhohlraumes aufgetragen. Das Sandstrahlen rauht die Oberfläche auf und führt dadurch zu einer besseren Verbindung der Beschichtung. Die Beschichtung bedeckte vollständig die Oberfläche des Hohlraumes, so daß diese nicht mehr zu sehen war.
Der beschichtete Behälter wurde dann bei 100ºC für 2 Stunden getrocknet. Nach dem Trocknen wurde der Behälter in das Metallisierungsgerät gestellt und dieses betrieben. Beim Verdampfen von Aluminium ist ein Einlegen von Aluminiumdrähten in den Hohlraum vor dem Start zweckmäßig. Dies ermöglicht dem Betreiber das Auffinden der niedrigstmöglichen Benetzungstemperatur, sodaß die Temperatur auf die minimal erforderlichen Betriebsbedingungen für die zu verdampfende Aluminiummenge (Gramm/Minute) erhöht werden kann.
Der derart vorbereitete Behälter konnte dann als Aluminium- Verdampfungsbehälter in einem herkömmlichen Verdampfungsgerät verwendet werden. Es konnte festgestellt werden, daß das Aluminium den Behälter schon zwischen 900 und 1000ºC benetzte, verglichen mit 1350 bis 1500ºC bei einem unbeschichteten Behälter. Es wurde auch beobachtet, daß die Benetzung des beschichteten Behälters sanft erfolgte, wohingegen die Benetzung des unbeschichteten Behälters gewaltsam vor sich ging.
Bei einem anderen Beispiel wurde eine Aufschlämmung ähnlich der vorstehend beschriebenen Zusammensetzung vorbereitet, wobei jedoch der Gehalt an Polyvinylacetat 6,2 Gewichtsprozent des flüssigen Anteils der Aufschlämmung betrug. Es wurde auch noch Butannolgel als ein Anti- Absetzmittel in einem Anteil von 2 Gewichtsprozent der gesamten Aufschlämmung hinzugefügt. Die Gebrauchseigenschaften eines damit beschichteten Behälters waren gleich den oben beschriebenen.
Es wurde auch beobachtet, daß die vorliegende Beschichtung bis zu 1700ºC nicht wesentlich verdampfte. Die Beschichtung mit einer Titan- Silizium- Legierung gemäß dem Stand der Technik verdampft bei etwa 1500ºC.
Der Begriff Verdampfung, wie er hier und in den beigefügten Patentansprüchen verwendet wird, soll sich auf die Oberfläche des Verdampfungsbehälters beziehen, die von dem zu verdampfenden Metall benetzt wird. Dem Fachmann ist klar, daß diese Oberfläche generell vom Boden des im Verdampfungsbehälter vorgesehenen Hohlraumes gebildet wird. Es soll jedoch angemerkt werden, daß diese Oberfläche auch die Seitenwände des Verdampfungsbehälters umfassen kann. Zusätzlich soll noch bemerkt werden, daß es nicht notwendig ist, die gesamte Verdampfungs- Oberfläche mit einem Titan- Eisen- Silizium- Gemisch zu beschichten, um die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erreichen. Entsprechend soll die vorliegende Erfindung Verdampfungsbehälter auf Bornitridbasis sowohl mit einer vollständigen als auch mit einer teilweisen Beschichtung von dessen Verdampfungsoberfläche mit einer Titan- Eisen- Silizium- Beschichtung umfassen.
Aus dem Vorstehenden wird der Fachmann leicht erkennen können, daß gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Behälter sich nicht nur ideal für eine Verwendung als Verdampfungsbehälter für Aluminium in einem herkömmlichen Metallisierungsgerät eignen, sondern daß sie auch als Behälter für geschmolzenes Aluminium oder andere Metalle in anderen metallverarbeitenden Prozessen verwendbar sind.
Daher soll das hier vorgestellte Ausführungsbeispiel nur zum Zweck der Erläuterung dienen und ist keineswegs als unnötige Einschränkung eines vernünftigen Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung aufzufassen.

Claims

1. Verdampfungsgefäß, das Bornitrid aufweist und bei dem mindestens ein Teil der Oberfläche des Gefäßes mit einer Titan-Eisen-Silizium-Schicht beschichtet ist.

2. Verdampfungsgefäß nach Anspruch 1, bei dem die Titan-Eisen-Silizium-Schicht 45 bis 75 Gewichtsprozent Titan, 18 bis 35 Gewichtsprozent Eisen und 7 bis 20 Gewichtsprozent Silizium aufweist.

3. Verdampfungsgefäß nach Anspruch 1, bei dem die Titan-Eisen-Silizium-Schicht etwa 59 Gewichtsprozent Titan, etwa 28 Gewichtsprozent Eisen und etwa 13 Gewichtsprozent Silizium aufweist.

4. Verdampfungsgefäß nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Verdampfungsgefäß ferner einen feuerfesten Werkstoff aufweist, der aus der aus Titandiborid, Aluminiumnitrid, Titannitrid, Calciumfluorid, Calciumoxid und Gemischen dieser Werkstoffe bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

5. Verdampfungsgefäß nach Anspruch 1, wobei das Verdampfungsgefäß 20 bis 80 Gewichtsprozent Bornitrid aufweist und der Rest im wesentlichen aus Titandiborid besteht.

6. Verdampfungsgefäß nach Anspruch 5, wobei das Verdampfungsgefäß 50 Gewichtsprozent Bornitrid aufweist und der Rest im wesentlichen aus Titandiborid besteht.

7. Verdampfungsgefäß nach Anspruch 5, bei dem die Titan-Eisen-Silizium-Schicht etwa 59 Gewichtsprozent Titan, etwa 28 Gewichtsprozent Eisen und etwa 13 Gewichtsprozent Silizium aufweist.

8. Verdampfungsgefäß nach Anspruch 1, 5 oder 7, wobei das Gefäß von rechteckiger Form ist und ein Hohlraum an einem Teil der Längs- und Querfläche des Gefäßes vorgesehen ist, der sich über einen Teil der Tiefe des Gefäßes in das Gefäß hinein erstreckt.

9. Verfahren zum Beschichten eines Bornitrid enthaltenden Verdampfungsgefäßes mit einem Titan-Eisen-Silizium-Überzug, bei dem:

(a) Titanpulver, Eisenpulver und Siliziumpulver unter Bildung eines Trockengemisches miteinander vermischt werden;

(b) das Trockengemisch des Verfahrensschrittes (a) unter Bildung einer Aufschlämmung mit einem flüssigen Träger, Dispersionsmittel und Bindemittel gemischt wird;

(c) eine Oberfläche des Gefäßes mit der Aufschlämmung des Verfahrensschrittes (b) beschichtet wird; und

(d) die beschichtete Oberfläche des Gefäßes erhitzt wird, um den flüssigen Teil der Aufschlämmung im wesentlichen zu beseitigen und das Bindemittel zu härten, wodurch auf der Oberfläche des Gefäßes eine Titan-Eisen-Silizium- Schicht zurückbleibt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem in dem Verfahrensschritt (a) das Trockengemisch 45 bis 75 Gewichtsprozent Titan, 18 bis 35 Gewichtsprozent Eisen und 7 bis 20 Gewichtsprozent Silizium aufweist und bei dem die Pulver eine Teilchengröße von 0,149 mm (Tyler-Sieb100) oder weniger haben.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei im Verfahrensschritt (b) als flüssiger Träger Methyläthylketon und als Dispersions- und Bindemittel Polyvinylacetat verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei im Verfahrensschritt (b) die Aufschlämmung Butanolgel enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, wobei im Verfahrensschritt (b) die Aufschlämmung zu mehr als 65 Gewichtsprozent aus festen Pulvern besteht.

14. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, wobei im Verfahrensschritt (a) die Pulver des Trockengemischs eine Teilchengröße von 0,044 mm (Tyler-Sieb 325) oder weniger haben; und wobei im Verfahrensschritt (b) die Aufschlämmung zu 65 bis 80 Gewichtsprozent aus festen Pulvern besteht.

15. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, wobei im Verfahrensschritt (d) die beschichtete Oberfläche des Gefäßes auf eine Temperatur zwischen 95ºC und 105ºC von 1 bis 2,5 Stunden erhitzt wird, um den flüssigen Teil der Aufschlämmung im wesentlichen zu beseitigen und das Bindemittel zu härten, wodurch eine Titan-Eisen-Silizium-Schicht zurückbleibt.