ES2896182T3 - Método y aparato para la limpieza y recubrimiento de flejes de metal - Google Patents
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Abstract
Un método para limpiar y recubrir un fleje de metal que comprende las etapas de: - limpiar el fleje (11) de metal antes de aplicar un recubrimiento, - generar un vapor de recubrimiento al calentar un material en una cámara de vapor, - aplicar el vapor de recubrimiento en una cámara (4) de depósito a través de una sección (12, 12') de distribución de vapor conectada a la cámara de vapor sobre el fleje (11) de metal, y - en el que el recubrimiento se aplica en un recinto calentado, - en el que el fleje (11) de metal se limpia en una cámara (2) de limpieza conectada a la cámara (4) de depósito y en la que la presión en la cámara (2) de limpieza se mantiene en el rango de 0.01 - 100 mbar y la presión en la cámara (4) de depósito en el rango de 0.01 - 10 mbar - en el que una corriente de gas se mantiene a través de la cámara de limpieza para eliminar los residuos que resultan de la limpieza del fleje (11) de metal antes de que el fleje (11) de metal entre en la cámara (4) de depósito, - en el que la corriente de gas se mantiene al suministrar gas (15) en la cámara (2) de limpieza mientras se elimina el gas suministrado con medios de bomba de vacío y al utilizar un bloqueo (7) de cojinete de gas entre la cámara (2) de limpieza y la cámara (4) de depósito.
Description
DESCRIPCIÓN
Método y aparato para la limpieza y recubrimiento de flejes de metal
Campo de la invención
La invención se refiere a un aparato para la limpieza y el recubrimiento de flejes de metal, en el que la limpieza se realiza mediante un proceso de tratamiento con plasma y el recubrimiento se aplica por medio de un proceso de depósito de vapor al vacío. La deposición de vapor al vacío incluye la Deposición Física de Vapor (PVD) y la Deposición Química de vapor (CVD) y, aunque el término PVD se utilizará en toda la descripción, se pretende que haga referencia tanto a PVD como a CVD, según corresponda.
Antecedentes de la invención
Los asuntos importantes de la aplicación de un recubrimiento sobre un sustrato de metal, tal como un fleje de acero, mediante PVD a escala industrial, son mantener el vacío requerido para el proceso de PVD y mantener la cámara de depósito en la que se aplica el recubrimiento al fleje libre de contaminaciones tanto como sea posible. La contaminación de la cámara de depósito puede ocurrir por medio de vapor de recubrimiento que en lugar de en el fleje de metal se deposita en las paredes de la cámara. Otra forma de la contaminación son los residuos resultantes de la limpieza del fleje de metal.
Se proporciona una instalación de recubrimiento continuo de PVD con secciones de entrada y salida provistas de esclusas de aire para cargar el fleje de metal dentro y fuera de la instalación. Para operar una instalación de recubrimiento de PVD de manera rentable, el proceso se debe operar en un proceso continuo tanto como sea posible. Un requisito previo para ello es mantener el nivel de la contaminación al mínimo absoluto y, por tanto, la frecuencia de las paradas de mantenimiento.
Las tecnologías de recubrimiento de PVD conocidas como la pulverización catódica por haz de electrones o magnetrón tienen un rendimiento de vapor entre 60 y 95%, en el que el rendimiento de vapor es la relación de vapor depositado sobre el fleje de metal dividida por el vapor total producido. Esto significa que con estas tecnologías entre el 5 y el 40% del vapor contaminará la cámara de depósito, lo que requiere una limpieza regular de la cámara de depósito interrumpiendo el proceso de recubrimiento con frecuencia y durante un tiempo considerable.
El documento EP0909342 divulga un método para producir tiras de acero recubiertas de zinc con un rendimiento de vapor de casi el 100%. Esto se logra al combinar una sección de distribución de vapor, que por sí sola ya es capaz de lograr un rendimiento de vapor de > 99%, con un canal calentado y utilizando una presión aumentada dentro de la cámara de depósito en comparación con la presión utilizada en los procesos de recubrimiento de PVD convencionales que es del orden de 10-4 mbar o menor. La temperatura de las paredes del canal calentado está relacionada con la presión de vapor del material y la presión en el canal. El uso de un canal calentado da como resultado que el material de recubrimiento no se deposite sobre la pared sino que se redirija al fleje y se le dé un segundo, tercer o cuarto cambio para depositarse sobre el fleje de metal.
Las secciones de distribución de vapor se divulgan en el documento EP1902152 y en “Jet vapor deposition a novel vacuum coating technique with superior properties”, B. Schmitz, Revue de Metallurgie, Vol. 97, Nr. 7/8, p. 971-978, 2000.
El uso de un canal calentado también permite operar el proceso de recubrimiento de PVD a una presión aumentada, que es de aproximadamente tres órdenes de magnitud más alta que la presión convencional. La ventaja de dicha presión más alta es que el número de secciones de esclusas de aire convencionales en la entrada y salida del fleje de metal se puede reducir en una serie de secciones. En el documento EP1627096 se divulga una esclusa de aire con múltiples secciones.
También es necesario limpiar y activar un fleje de metal antes del proceso de depósito del recubrimiento. Esta limpieza se realiza con mayor frecuencia con una tecnología de pulverización catódica de plasma, como por ejemplo con pulverización catódica con magnetrón. Otro método de limpieza que se podría aplicar implica el uso de un dispositivo de descarga de arco eléctrico como se divulga en el documento WO2008074312. En el documento WO2012091409 se divulga la limpieza y el recubrimiento de aceros avanzados de alta resistencia, en los que los óxidos presentes sobre la superficie del acero se eliminan mediante plasma, arco de plasma o limpieza con láser antes de aplicar un recubrimiento sobre dicho acero.
El documento US 2010/0272918 A1 divulga un método y un aparato para limpiar y recubrir un fleje de metal. El método comprende las etapas de limpiar el fleje de metal mediante grabado con magnetrón o plasma en una cámara de limpieza, seguido por la evaporación de un metal en la cámara de recubrimiento conectada y de la aplicación del vapor al sustrato a través de una cámara de confinamiento.
Sin embargo, todos estos métodos de limpieza adolecen del principal problema de que los residuos procedentes de la capa pulverizada contaminarán inevitablemente la cámara de depósito. La capa de óxido sobre el fleje de acero
puede tener un grosor de 1 a 50 nanómetros. En algunos casos y especialmente para aceros Avanzados y de Ultra Alta Resistencia, la capa de óxido puede ser de varias decenas a varios cientos de nanómetros.
Dichas cantidades de residuos dan como resultado una contaminación de la cámara de depósito que elimina completamente todas las ventajas obtenidas al utilizar una combinación de una caja de distribución de vapor y un canal calentado.
Objetivos de la invención
Es un objetivo de la presente invención proporcionar un método y un aparato para la limpieza y el recubrimiento del fleje de metal, en el que se evita la contaminación tanto como sea posible.
Es otro objetivo de la presente invención proporcionar un método y un aparato para la limpieza y el recubrimiento del fleje de metal, en el que se evita tanto como sea posible que los residuos del proceso de limpieza entren en la cámara de depósito y como tal influencian el depósito de recubrimiento o propiedades de recubrimiento.
Es otro objetivo de la presente invención proporcionar un método y un aparato para la limpieza y el recubrimiento del fleje de metal, en el que se eliminan los residuos del proceso de limpieza del aparato.
Es otro objetivo de la presente invención proporcionar un método y un aparato para la limpieza y el recubrimiento del fleje de metal, en el que la presión para la limpieza del fleje de metal es mayor que en el proceso de PVD convencional. Es otro objetivo de la presente invención proporcionar un método y un aparato para la limpieza y el recubrimiento del fleje de metal, en el que las presiones del proceso de limpieza y el proceso de recubrimiento son del mismo orden o no difieren en más de un orden de magnitud.
Es otro objetivo de la presente invención proporcionar un método y un aparato para la limpieza y el recubrimiento del fleje de metal que permite operar el proceso de recubrimiento de PVD de un fleje de metal a costes reducidos en comparación con el proceso de recubrimiento de PVD convencional.
Aún otro objetivo de la presente invención es proporcionar un producto de tira de acero recubierto a base de Zn con propiedades de unión adhesiva superiores en comparación con un producto de tira de acero recubirta a base de Zn, producido a la presión de la cámara de depósito convencional.
Todavía otro objetivo de la presente invención es proporcionar un producto de tira de acero recubierto con Zn-Mg con propiedades de unión adhesiva superiores en comparación con un producto de tira de acero recubierto a base de Zn-Mg, producido a la presión de la cámara de depósito convencional.
Descripción de la invención
De acuerdo con un primer aspecto de la invención se realizan uno o más de los objetivos de la invención al proporcionar un método para limpiar y recubrir un fleje de metal que comprende las etapas de:
- limpiar el fleje de metal antes de aplicar un recubrimiento,
- generar un vapor de recubrimiento al calentar un material en una cámara de vapor,
- aplicar el vapor de recubrimiento en una cámara de depósito a través de una sección de distribución de vapor conectada a la cámara de vapor sobre el fleje de metal, y
- en el que el recubrimiento se aplica en un recinto calentado,
- en el que el fleje de metal se limpia en una cámara de limpieza conectada a la cámara de depósito y en el que la presión en la cámara de limpieza se mantiene en el rango de 0.01 -100 mbar y la presión en la cámara de depósito en el rango de 0.01 -10 mbar,
- en el que una corriente de gas se mantiene a través de la cámara de limpieza para eliminar los residuos que resultan de la limpieza del fleje de metal antes de que el fleje de metal entre en la cámara de depósito,
- en el que la corriente de gas se mantiene al suministrar gas en la cámara de limpieza mientras se elimina el gas suministrado con medios de bomba de vacío y al utilizar un bloqueo de cojinete de gas entre la cámara de limpieza y la cámara de depósito.
El hecho de que la limpieza del fleje de metal y el recubrimiento del fleje de metal se lleven a cabo en cámaras separadas contribuye a mantener al mínimo la contaminación de la cámara de recubrimiento.
Una ventaja adicional del método se obtiene al utilizar vacío bajo a medio para la cámara de limpieza y la cámara de recubrimiento, que es más fácil de proporcionar y más fácil de mantener que el alto vacío del orden de 10'4 mbar, normalmente aplicado para recubrimiento metálico con PVD. Más aún, la presión en la cámara de limpieza y en la cámara de depósito puede ser del mismo orden, lo que tiene la ventaja de que no hay, o sólo se necesita una necesidad
limitada, de esclusas de aire para el paso desde la cámara de limpieza hasta la cámara de depósito. La corriente de gas se mantiene por debajo de un cierto límite de modo que no influya negativamente en la limpieza del plasma. Al utilizar un dispositivo de limpieza que opera en vacío medio a bajo, será fácil mantener el vacío y al mismo tiempo tener un cierto flujo de gas a través de la cámara de limpieza para eliminar los residuos resultantes de la operación de limpieza. Para este propósito, se proporciona la cámara de limpieza con una entrada de gas conectada a los medios de suministro de gas, mientras que los medios de bomba de vacío se encargan de la eliminación del gas suministrado. A este respecto, “gas” significa, por ejemplo, aire seco, nitrógeno o argón o cualquier otro gas adecuado que no afecte a la superficie del fleje de metal. La ventaja de proporcionar un bloqueo de cojinete de gas es que no hay contacto directo entre el bloqueo de cojinete de gas y el fleje. Adicionalmente, la presión requerida del bloqueo de cojinete de gas y su principio de funcionamiento generarán una corriente de gas que mejorará la eliminación de los residuos resultantes de la operación de limpieza. Los bloqueos con cojinetes de gas son conocidos en la técnica, véase, por ejemplo, el documento WO2007/016688. Dicho bloqueo de cojinete de gas proporciona adicionalmente, que si es necesario, se puede mantener fácilmente una diferencia de presión de vacío entre la cámara de limpieza y la cámara de depósito.
De acuerdo con otro aspecto del método, se prevé que el fleje de metal se limpie al utilizar una técnica de limpieza por plasma. Dicha limpieza con plasma se podría realizar, por ejemplo, por medio de un dispositivo de pulverización catódica de magnetrón, un dispositivo de descarga de arco eléctrico o un dispositivo de descarga de barrera dieléctrica. Preferiblemente, se utiliza uno de los dos últimos dispositivos en el método, ya que estos se pueden utilizar a presiones más altas que la pulverización catódica con magnetrón. La limpieza por medio de un dispositivo de descarga de arco eléctrico se divulga en el documento WO2008074312. Aunque estos dispositivos incluso se podrían utilizar a presiones atmosféricas, se prefiere utilizarlos en vacío para evitar las desventajas de productividad del vapor asociadas normalmente con la presión atmosférica.
De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, se proporciona una cámara intermedia entre la cámara de limpieza y la cámara de depósito con bloqueos de cojinete de gas que conectan la cámara intermedia a la cámara de limpieza y la cámara de depósito. Con el uso de una cámara intermedia con bloqueos de cojinete de gas a ambos lados se obtiene una cámara separada que se utiliza para eliminar los residuos provenientes de la operación de limpieza y que evita que cualquiera de estos residuos ingrese a la cámara de depósito. Más aún, la presión en la cámara intermedia se puede ajustar a cualquier diferencia de presión entre la cámara de limpieza y la cámara de recubrimiento. El tamaño de la cámara intermedia podría ser mucho menor que el tamaño de la cámara de limpieza y/o la cámara de depósito, permitiendo de esta manera mantener fácilmente una cierta presión en la cámara intermedia. Más aún, la eliminación de residuos se puede lograr más fácilmente con una cámara intermedia relativamente pequeña.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, el método comprende que el fleje de metal se limpie mecánicamente antes de entrar en la cámara de depósito. Con limpieza mecánica se entiende que la superficie del fleje de metal se trata con medios raspadores, medios de cepillo o cualquier otro medio mecánico similar. La limpieza mecánica se lleva a cabo después de la etapa de limpieza con plasma y tiene como objetivo eliminar los residuos que todavía están presentes sobre o adheridos a la superficie del fleje de metal.
De acuerdo con otro aspecto de la invención, el método comprende que los residuos que aún permanecen sobre el fleje de metal se eliminan al someter el fleje de metal a una corriente de gas presurizado dentro de la cámara intermedia. Dicha corriente de gas presurizado no solo es eficaz para eliminar los residuos que todavía están presentes sobre el fleje de metal, sino que también se puede utilizar para enfriar eficazmente el fleje de metal. Esto es especialmente necesario cuando se han eliminado capas gruesas de óxido del fleje como consecuencia de lo cual la temperatura del fleje ha aumentado considerablemente.
La limpieza mecánica se realiza en la cámara de limpieza o en la cámara intermedia. Preferiblemente, el fleje de metal se limpia mecánicamente dentro de la cámara intermedia, lo que permite una fácil eliminación de los residuos haciendo uso del sistema de bomba de vacío del bloqueo de cojinete de gas.
El método adicionalmente prevé que el fleje de metal se active antes de aplicar un recubrimiento. La activación del fleje de metal es de hecho una limpieza de baja intensidad del fleje de metal. Dicho tratamiento es necesario para proporcionar una superficie con suficientes propiedades de unión para algunos recubrimientos a base de Zn como los recubrimientos de Zn-Mg. La activación de la superficie del fleje de metal puede tener lugar en la cámara intermedia o en la cámara de depósito. Esto último está permitido porque la activación es una etapa de limpieza de baja intensidad con apenas residuos resultantes. Es importante que la activación se realice cerca del lugar donde se aplica el recubrimiento sobre el fleje de metal. Por tanto, dependerá de las dimensiones de la cámara intermedia y la cámara de depósito si la etapa de activación se lleva a cabo en la cámara intermedia o sobre la cámara de depósito.
La invención proporciona adicionalmente un aparato para limpiar y recubrir un fleje de metal proporcionado con:
- una cámara de depósito,
- esclusas de aire en las secciones de entrada y salida para el fleje de metal que entra y sale del aparato,
- una cámara de vapor para calentar un metal y generar un vapor de recubrimiento,
- una sección de distribución de vapor con uno o más orificios para dirigir el vapor de recubrimiento al fleje de metal,
- una cubierta que cierra al menos parcialmente un espacio que seconecta a la sección de distribución con un lado abierto dirigido al fleje de metal que se va a recubrir,
- medios de calentamiento para calentar la cubierta, y
- medios de conexión para conectar la cámara de vapor a la sección de distribución en la cámara de depósito,
- una cámara de limpieza proporcionada con un dispositivo de limpieza de plasma para limpiar el fleje de metal y en la que la cámara de limpieza se conecta a la cámara de depósito en la que el vapor de recubrimiento se aplica al fleje de metal,
- una entrada de gas para suministrar gas en la cámara de limpieza, y
- medios de bomba de vacío para eliminar el gas suministrado from la cámara de limpieza.
De acuerdo con un aspecto adicional de la invención la cámara de limpieza se proporciona con medios para proporcionar una corriente de gas a través de la cámara de limpieza y mantener una presión en el rango de 0.01 -100 mbar, preferiblemente en el rango de 0.1 - 50 mbar. Al limpiar dentro de este rango de presión, se puede mantener una corriente de gas a través de la cámara de limpieza para eliminar los residuos resultantes de la limpieza del fleje de metal antes de que el fleje de metal entre en la cámara de depósito. Al mismo tiempo, se puede mantener la presión deseada, especialmente dentro de la parte más alta del rango de presión, con bastante facilidad sin la necesidad de bombas diseñadas específicamente para propósitos de alto vacío. Con esta realización, la cámara de limpieza se podría conectar directamente a la cámara de depósito. Si ambas cámaras funcionan aproximadamente a la misma presión, la conexión podría ser una simple abertura en forma de hendidura. Con una diferencia de presión, se podría utilizar una esclusa de aire o un bloqueo de cojinete de gas para evitar cualquier compensación de presión entre las cámaras.
Otra realización de acuerdo con la invención prevé que la conexión entre la cámara de limpieza y la cámara de depósito incluya una cámara intermedia provista con esclusas de aire en lados opuestos. Con dicha cámara intermedia, cualquier diferencia de presión entre la cámara de limpieza y la cámara de depósito se puede mantener sin dificultad. Más aún, con el uso de dicha cámara intermedia se puede evitar que casi cualquier contaminación de la cámara de limpieza, tal como los residuos resultantes de la operación de limpieza, llegue a la cámara de depósito.
Una elaboración adicional de la invención prevé que al menos una de las esclusas de aire sea un bloqueo de gas con al menos una superficie de cojinete permeable al gas con medios de suministro de gas y una o más ranuras conectadas a medios de bombeo de gas. Las ranuras y los medios de bombeo permiten eliminar el gas procedente de las partes del cojinete y mantener una cierta presión.
En la configuración con una cámara intermedia, al menos el bloqueo de cojinete de gas en el lado de la cámara de limpieza se proporciona con una o más ranuras que preceden a una superficie permeable al gas. Con las ranuras que preceden a la parte del cojinete, al menos parte del residuo procedente de la operación de limpieza se puede eliminar antes de que pueda entrar en la cámara intermedia.
De acuerdo con otro aspecto, se prevé que las ranuras y las superficies de cojinete permeables a los gases se proporcionen en pares opuestos de ranuras y superficies de cojinete. Con el gas proveniente de las partes del cojinete opuestas de dicho bloqueo de cojinete de gas, el fleje de metal se mantiene a una distancia de la superficie de ambas partes de cojinete y el fleje de metal pasa a través del bloqueo de cojinete de gas sin que ninguno de los lados del fleje entre en contacto con el bloqueo de cojinete de gas.
En lugar de un cojinete de gas con pares opuestos de ranuras y superficies permeables al gas, también es posible utilizar una configuración con un rodillo en un lado del fleje y varias ranuras o una serie de ranuras y superficies permeables al gas en el otro lado del fleje. Dicha configuración podría ser apropiada entre la cámara intermedia y la cámara de depósito, en cuyo punto ya se ha eliminado del fleje cualquier posible residuo.
Se puede proporcionar un cepillo en la ubicación de uno o más pares de ranuras opuestas entre pares sucesivos de superficies opuestas permeables al gas para eliminar mecánicamente cualquier residuo todavía presente sobre o adherido al fleje de metal.
De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, se proporciona un suministro de gas presurizado y medios dentro de la cámara intermedia para guiar una corriente de gas presurizado en la superficie del fleje de metal. Dicha corriente de gas presurizado no solo es eficaz para eliminar los residuos que todavía están presentes sobre el fleje de metal, sino que también se puede utilizar para enfriar eficazmente el fleje de metal. Esto es especialmente necesario cuando se han eliminado capas gruesas de óxido del fleje como consecuencia de lo cual la temperatura del fleje ha aumentado considerablemente.
Junto a la corriente de suministro de gas presurizado, se proporciona al menos un canal de salida para la eliminación del gas presurizado suministrado o el gas presurizado suministrado junto con el residuo.
El bloqueo de cojinete de gas entre la cámara intermedia y la cámara de depósito es la transición de la presión dentro de la cámara intermedia y la cámara de depósito. Al mismo tiempo, si aún algún residuo de la operación de limpieza llega a esta etapa, se eliminará antes de ingresar a la cámara de depósito. En este punto también se podría utilizar una esclusa de aire estándar, más aún si solo hay una pequeña diferencia de presión entre la cámara intermedia y la cámara de depósito.
Ejemplo 1:
Este ejemplo describe las pruebas realizadas para investigar la influencia de los cojinetes de aire sobre un fleje activado y limpio. Con este fin, el fleje se limpió en primer lugar en una cámara de lotes de rollo a rollo a una presión de funcionamiento de 510 -4 mbar utilizando una unidad de pulverización catódica de magnetrón que opera a una densidad de potencia de 200 kJ/m2. La unidad de pulverización catódica de magnetrón se utilizó para limpiar/activar y calentar el fleje. Desde una perspectiva de limpieza y activación, una densidad de limpieza de >40 kJ/m2 es suficiente. Después de la limpieza, el fleje de acero se enrolla y la presión en la cámara se aumenta a una presión en el rango desde 0.1 hasta 5 mbar con argón, nitrógeno o aire seco. Esto se hace mientras el impulsor y la bomba de raíces aún están encendidos para maximizar el flujo de gas a través de la cámara de depósito. Luego, la bobina se desenrolla al viajar durante un cierto período en esta atmósfera aumentada, lo que hace que los átomos de gas reboten en el fleje, lo mismo sucederá cuando un fleje activado pase a través de un bloqueo con gas. Finalmente, en la misma atmósfera se depositan sobre el fleje recubrimientos de zinc y zinc-magnesio de 3 microens. La adhesión de estas muestras se prueba utilizando una prueba de adhesión en caso de choque (BMW AA-M223). Los resultados se comparan con las pruebas de adhesión de muestras producidas después de la pulverización catódica a 510 -4 mbar y recubrir directamente el fleje de acero limpia/activada a esta presión. Los resultados muestran que para el recubrimiento que contiene magnesio, la adhesión se deteriora y no se puede lograr una adhesión aceptable. Para el recubrimiento que contiene zinc, la adherencia está bien para todas las muestras de prueba y el contacto con los átomos de gas no cambia el comportamiento de adhesión del recubrimiento de zinc.
Tabla 1
Breve descripción de los dibujos
La invención se explica con más detalle en las figuras en las que:
La Fig. 2 muestra un diagrama de la contaminación de la cámara de depósito como función del grosor de la capa de óxido,
La Fig. 3a muestra esquemáticamente un diseño de una cámara de limpieza y una cámara de depósito,
La Fig. 3b muestra esquemáticamente un diseño de una cámara de limpieza, cámara intermedia y cámara de depósito con diferentes esclusas de aire en lados opuestos de la cámara intermedia,
La Fig. 3c muestra esquemáticamente un diseño de una cámara de limpieza, cámara intermedia y cámara de depósito con bloqueos de cojinete de gas en lados opuestos de la cámara intermedia,
La Fig. 4a muestra esquemáticamente una sección a través del bloqueo de cojinete de gas entre la cámara de limpieza y la cámara de depósito,
La Fig. 4b muestra esquemáticamente una sección a través de bloqueos de cojinete de gas opuestos de la cámara intermedia,
La Fig. 4c muestra esquemáticamente una sección a través de un bloqueo de cojinete de gas proporcionado con un cepillo en la cámara intermedia,
La Fig. 5 muestra esquemáticamente un diseño de una cámara de limpieza, cámara intermedia y cámara de depósito con medios para activar el fleje de metal en la cámara de depósito,
La Fig. 6 muestra esquemáticamente un diseño de una cámara de limpieza, cámara intermedia y cámara de depósito con bloqueos de cojinete de gas y sistema de doble recubrimiento, y
La Fig. 7 muestra esquemáticamente un diseño de una cámara de limpieza, cámara intermedia y cámara de depósito en la que los medios de calentamiento para calentar el espacio en el que el recubrimiento se aplica al fleje de metal se integran en la pared de la cámara de depósito.
Descripción detallada de los dibujos
En la fig. 1, la contaminación de la cámara de depósito se muestra como función del rendimiento de vapor y del grosor del recubrimiento. La contaminación del recubrimiento es proporcional al flujo de masa de vapor generado, la duración de la campaña y el rendimiento de vapor. La gráfica de contorno de la fig. 1 se calcula asumiendo un fleje de 1.0 m de ancho que corre a 120 m/min y que está recubierta en ambos lados con un recubrimiento de zinc que varía de 0 a 2.5 micrones. Además, se supone que el rendimiento de vapor se encuentra entre el 99 y el 100%. La contaminación de la cámara de depósito se expresa en litros/semana. El gráfico de contorno muestra claramente que el rendimiento de vapor debe ser muy alto para obtener un valor de contaminación bajo que haga que el equipo sea adecuado para un funcionamiento continuo o semicontinuo.
Una ventaja del método de acuerdo con la invención es la aplicación de la caja de distribución de vapor, con la que se podría conseguir un rendimiento de vapor de > 99% y que se ha mejorado adicionalmente con el uso de un canal de calor. Con un canal de este tipo, los átomos de recubrimiento de metal que rebotan inicialmente en el fleje tienen una segunda oportunidad de condensarse sobre el fleje de metal. En la descripción, el término “canal de calor” se utiliza indistintamente con los términos “cubierta”, “cubierta calefactada” y “caja de calor” y todos significarán una envoltura que forma un espacio que conecta la sección de distribución de vapor y el fleje de metal que debe estar recubierto. Con dicha envoltura, el flujo de vapor desde la sección de distribución de vapor se limita en gran medida a las direcciones de flujo directamente a la superficie del fleje. Cuando el fleje de metal está recubierto en ambos lados, es preferible que las “cubiertas” a cada lado del fleje de metal estén conectadas para formar una caja, en la que la caja se proporciona compuesto una hendidura de entrada y salida para el fleje de metal.
En la fig. 2 se muestra un diagrama de la contaminación de la cámara de depósito en función del grosor de la capa de óxido que necesita ser atacada para una adhesión adecuada del recubrimiento metálico. La capa de óxido sobre el fleje de metal puede tener un grosor en el rango de 1 a 50 nm para un acero de baja aleación. En el caso de Aceros Avanzados y de Ultra Alta Resistencia, esto puede ser de varias decenas a varios cientos de nanómetros. La contaminación de la cámara en la fig. 2 muestra que con una capa de óxido de 10 nm la contaminación debida a la limpieza con plasma ya es del orden de 20-30 litros/semana. A partir de esto, quedará claro que controlar la contaminación de la cámara de depósito mediante el uso de una caja de calor y una mayor presión de vacío sólo tiene un efecto limitado si el residuo resultante de la limpieza del fleje de metal no está suficientemente controlado.
En la fig. 3a se muestra esquemáticamente un diseño de un aparato 1, que comprende una cámara 2 de limpieza y una cámara 4 de depósito. En la entrada de la cámara 2 de limpieza y la salida de la cámara 4 de depósito se proporcionan esclusas 5, 6 de aire y entre la cámara 2 de limpieza y la cámara 4 de depósito un bloqueo 7 de cojinete de gas.
En la cámara 2 de limpieza se proporcionan medios 9, 10 de limpieza por plasma tales como medios de descarga de arco eléctrico o medios de descarga de barrera dieléctrica. La limpieza por pulverización catódica con magnetrón también es posible, pero las otras técnicas de limpieza se utilizan preferiblemente ya que estas pueden operar a presiones de vacío mucho más altas que la pulverización catódica con magnetrón. Estas técnicas se pueden utilizar a presiones en el rango de 0.01 - 100 mbar y a presiones incluso más altas.
La cámara 2 de limpieza se proporciona con una entrada 15 de gas para suministrar gas a la cámara 2 de limpieza y de medios de bombeo para eliminar el gas de la cámara 2 de limpieza, por medio de los cuales se realiza un flujo de gas suficiente a través de la cámara 2 de limpieza para eliminar los residuos resultantes de la operación de limpieza de la cámara 2 de limpieza. El suministro de gas está limitado de modo que se mantenga una cierta presión dentro de la cámara 2 de limpieza. El gas utilizado puede ser aire seco, nitrógeno o argón. En la configuración de la fig. 3a, los medios de bombeo para eliminar el gas con el residuo de limpieza son los medios de bombeo asociados con el bloqueo 7 del cojinete de gas.
En la cámara 4 de depósito a ambos lados del fleje 11 de metal, por ejemplo un fleje de acero, se proporciona una sección 12 de distribución de vapor. La sección 12 de distribución de vapor se proporciona con boquillas y/o hendiduras para cubrir la anchura total del fleje 11 de metal. Una cubierta 13 está conectada a la sección 12 de distribución de vapor y se proporcionan medios 14 de calentamiento para calentar la cubierta. Si el fleje 11 de metal se va a recubrir en ambos lados, las cubiertas 13 en ambos lados están preferiblemente conectadas entre sí para formar una caja, en la que la caja se proporciona con hendiduras de entrada y salida para el fleje de metal.
Una cámara de vapor (no mostrada en el dibujo) en la que se calienta un metal para generar un vapor de recubrimiento está conectada a la sección 12 de distribución de vapor. La sección 12 de distribución de vapor se opera de manera que el vapor abandone la sección 12 de distribución de vapor a través de las boquillas a velocidad sónica. La cubierta o caja de calor se calienta para reducir el depósito del vapor en la caja de calor. Para asegurar que no ocurra contaminación, la cubierta o caja de calor se calienta a una temperatura que es igual o mayor que la temperatura del vapor de saturación del material depositado que corresponde a la presión del vapor en la caja de calor o cubierta. Para
un recubrimiento de Zn, la cubierta o caja de calor se calienta en el intervalo de temperatura entre 330 y 580 °C, este es aproximadamente el rango de temperatura de Zn que coincide con una presión de vapor entre 0.01 y 10 mbar. La temperatura exacta de la caja de calor también estará determinada por la temperatura máxima permitida del fleje.
En la fig. 3b se muestra esquemáticamente un diseño de un aparato 1, que comprende una cámara 2 de limpieza, una cámara 3 intermedia y una cámara 4 de depósito. La entrada y salida de la cámara 3 intermedia se proporcionan respectivamente con un bloqueo 7 de cojinete de gas y una esclusa 8 de aire. Al proporcionar una cámara 3 intermedia, la eliminación de residuos provenientes de la operación de limpieza se puede mejorar limitando la posibilidad de que cualquier residuo ingrese a la cámara 4 de depósito. Dado que la mayoría, si no todos los residuos se retiran antes de que el fleje llegue a la salida de la cámara 3 intermedia, se puede utilizar una esclusa 8 de aire convencional en la salida.
Con una esclusa de aire convencional, el fleje 11 tiene que pasar una o más secciones con rodillos y si aún quedan residuos en el fleje o adheridos al fleje, el residuo se enrollará en el fleje lo que puede dar lugar a ciertos defectos de superficie en el producto final. Con la configuración de acuerdo con la fig. 3c, en la que se proporcionan bloqueos 7, 8 de cojinete de gas en la entrada y salida de la cámara 2 intermedia, esto se puede evitar.
La fig. 4a muestra una sección a través del bloqueo 7 de cojinete de gas entre la cámara 2 de limpieza y la cámara 4 de depósito. En el dibujo, solo se muestra la mitad superior del bloqueo de cojinete de gas en aras de la simplicidad. El bloqueo 7 de cojinete de gas se proporciona con un número de pares opuestos de ranuras 16, 21 en ambos lados de una parte 17 de cojinete de gas central. A través de las ranuras 16 se elimina gas de la cámara 2 de limpieza para mantener una cierta presión dentro de la cámara de limpieza y al mismo tiempo, se elimina parte del gas que entra a través de la parte 17 de bloqueo de gas. Las ranuras 21 en el otro lado de la parte 17 de bloqueo de gas también se utilizan para eliminar parte del gas que pasa a través de la parte 17 de bloqueo de gas y para mantener una cierta presión de vacío en la cámara 4 de depósito.
En la fig. 4b se muestra una sección a través del bloqueo 7, 8 de cojinete de gas en la entrada y salida de la cámara 3 intermedia. El bloqueo 7 de cojinete de gas tiene varios pares opuestos de ranuras 16 a través de las cuales se elimina el gas de la cámara 2 de limpieza, así como parte del gas que entra a través de la parte 17 de bloqueo de gas. En la eliminación de gas a través de las ranuras 16, al menos se elimina parte del residuo de la operación de limpieza mientras que se mantiene una cierta presión dentro de la cámara de limpieza. El bloqueo 8 de cojinete de gas en la salida de la cámara 3 intermedia tiene un diseño similar con partes 20 de cojinete de gas opuestas y una serie de ranuras 21 opuestas. Estas ranuras 21 son para eliminar parte del gas que pasa a través de la parte 20 de cojinete de gas y para regular la presión en la cámara 4 de depósito. Después de pasar la ranura 21 final, el fleje de metal entra en la cámara 4 de depósito.
Dentro de la cámara intermedia se proporciona un suministro 19 de gas presurizado que se utiliza para eliminar cualquier residuo que quede en la superficie del fleje 11. El suministro de gas puede comprender una hendidura larga que se extiende sobre el ancho del fleje o varias boquillas. De esta manera, para eliminar los residuos del fleje, se introduce una gran cantidad de gas en la cámara intermedia y, con el fin de eliminarlo, se proporcionan canales 18, 18' de salida de gas a ambos lados del suministro 19 de gas presurizado. En la medida en que sea necesario, se pueden proporcionar medios de bombeo para mejorar la eliminación del suministro de gas presurizado utilizado. Junto con el gas utilizado se elimina el residuo que se sopla del fleje. A través de estos canales 18, 18' de salida también se elimina parte del gas que pasa a través de las partes 17, 20 de cojinete de gas. La cantidad de residuo eliminado a través del canal 18 de salida puede ser mayor que la cantidad que se elimina a través del canal 18' de salida debido a la ubicación con respecto a la cámara 2 de limpieza.
Las ranuras 16, 21, los canales 18, 18' de salida y las partes 17, 20 de cojinete de gas continúan a lo ancho del fleje 11 de metal.
El gas suministrado a través del suministro 19 de gas presurizado también se puede utilizar para enfriar el fleje. Será necesario enfriar el fleje si la temperatura del fleje como resultado de la operación de limpieza ha aumentado por encima de un valor que todavía es aceptable para aplicar un recubrimiento sobre el fleje o si la temperatura ha aumentado de tal manera que se alteran las propiedades del fleje.
La fig. 4c muestra la parte superior del bloqueo 7 de cojinete de gas de la fig. 4b en una realización en la que se proporciona un cepillo en la ubicación de los pares de canales 18 de salida opuestos siguiendo las superficies 17 opuestas permeables al gas. Con el cepillo 22 se puede eliminar cualquier residuo todavía presente o adherido a la superficie del fleje 11 de metal. El lado 23 de la ranura 18 se utiliza como raspador para eliminar los residuos del cepillo 22 y mantenerlo limpio.
La fig. 5 muestra otra realización en la que en la cámara 4 de depósito se proporcionan medios 24 de activación para activar la superficie del fleje de metal. Esto es necesario para que algunos recubrimientos metálicos, tales como los recubrimientos de Zn-Mg, obtengan una adherencia suficiente del recubrimiento al fleje de metal. Para la activación de la pulverización catódica del magnetrón del fleje, se puede utilizar una descarga luminiscente o una descarga de barrera dieléctrica. También se podría utilizar la descarga de arco eléctrico, pero el nivel de energía proporcionado es mucho más de lo necesario para este propósito.
En la fig. 6 se muestra una configuración en la que todas las secciones de entrada y salida se proporcionan con bloqueos 5', 7, 8, 6' de cojinete de gas. Adicionalmente, se proporcionan dos secciones 12, 12' de distribución de vapor que permiten aplicar capas de recubrimiento una sobre otra, por ejemplo, una capa de recubrimiento de Zn seguida de una capa de recubrimiento de Zn-Mg. En la cámara 3 intermedia se proporcionan medios 24 de activación, que en esta configuración están lo suficientemente cerca de la primera sección 12 de distribución de vapor.
La fig. 7 muestra esquemáticamente una configuración en la que las paredes de la cámara 4 de depósito forman la cubierta o caja 13 de calor con los medios 14 de calentamiento integrados en las paredes de la cámara 4 de depósito. Esta configuración integrada permite formar una cámara 4 de depósito compacta/caja 13 de calor. Con dicha cámara 4 de depósito combinada/caja 13 de calor, los medios 24 de activación, si es necesario, se proporcionan en la cámara 3 intermedia que estará lo suficientemente cerca de la caja 12 de distribución de vapor.
En lugar de proporcionar que la cámara de depósito completa se forme como una caja de calor, también es posible proporcionar que sólo una parte de la cámara de depósito que mira hacia un lado del fleje de metal se forme como una cubierta calentada. Esta sería una forma de realización adecuada para un fleje de metal que se va a recubrir sobre un solo lado.
Claims (15)
1. Un método para limpiar y recubrir un fleje de metal que comprende las etapas de:
- limpiar el fleje (11) de metal antes de aplicar un recubrimiento,
- generar un vapor de recubrimiento al calentar un material en una cámara de vapor,
- aplicar el vapor de recubrimiento en una cámara (4) de depósito a través de una sección (12, 12') de distribución de vapor conectada a la cámara de vapor sobre el fleje (11) de metal, y
- en el que el recubrimiento se aplica en un recinto calentado,
- en el que el fleje (11) de metal se limpia en una cámara (2) de limpieza conectada a la cámara (4) de depósito y en la que la presión en la cámara (2) de limpieza se mantiene en el rango de 0.01 -100 mbar y la presión en la cámara (4) de depósito en el rango de 0.01 -10 mbar
- en el que una corriente de gas se mantiene a través de la cámara de limpieza para eliminar los residuos que resultan de la limpieza del fleje (11) de metal antes de que el fleje (11) de metal entre en la cámara (4) de depósito,
- en el que la corriente de gas se mantiene al suministrar gas (15) en la cámara (2) de limpieza mientras se elimina el gas suministrado con medios de bomba de vacío y al utilizar un bloqueo (7) de cojinete de gas entre la cámara (2) de limpieza y la cámara (4) de depósito.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el fleje (11) de metal se limpia al utilizar una técnica de limpieza con plasma.
3. Un método de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 1-2, en el que una cámara (3) intermedia se proporciona entre la cámara (2) de limpieza y la cámara (4) de depósito con bloqueos (7, 8) de cojinete de gas que conectan la cámara (3) intermedia a la cámara (2) de limpieza y la cámara (4) de depósito.
4. Un método de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 1-3, en el que el fleje (11) de metal se limpia mecánicamente antes de entrar a la cámara (4) de depósito.
5. Un método de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 1-4 , en el que el fleje (11) de metal se somete a una corriente de gas (19) presurizado dentro de la cámara (3) intermedia.
6. Un método de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 1-5 , en el que el fleje (11) se activa antes de aplicar el recubrimiento.
7. Aparato (1) para limpiar y recubrir un fleje (11) de metal proporcionado con:
- una cámara (4) de depósito,
- esclusas (5, 5',6, 6') de aire en las secciones de entrada y salida para el fleje de metal que entra y sale del aparato (1),
- una cámara de vapor para calentar un metal y generar un vapor de recubrimiento,
- una sección (12) de distribución de vapor con uno o más orificios para dirigir el vapor de recubrimiento al fleje (11) de metal,
- una cubierta (13) que cierra al menos parcialmente un espacio que se conecta a la sección (12) de distribución con un lado abierto dirigido al fleje (11) de metal que se va a recubrir,
- medios (14) de calentamiento para calentar la cubierta (13), y
- medios de conexión para conectar la cámara de vapor a la sección (12) de distribución en la cámara (4) de depósito, - una cámara (4) de limpieza proporcionada con un dispositivo (9, 10) de limpieza de plasma para limpiar el fleje de metal en la que la cámara (2) de limpieza se conecta a la cámara (4) de depósito en la que el vapor de recubrimiento se aplica al fleje (11) de metal,
- una entrada (15) de gas para suministrar gas en la cámara (2) de limpieza, y
- medios (16) de bomba de vacío para eliminar el gas suministrado desde la cámara (2) de limpieza.
8. Aparato de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la cámara (2) de limpieza se proporciona con medios (15) para proporcionar una corriente de gas a través de la cámara (2) de limpieza y mantener una presión de vacío en el rango de 0.01 -100 mbar.
9. Aparato de acuerdo con la reivindicación 7 o 8, en el que la conexión entre la cámara (2) de limpieza y la cámara (4) de depósito incluye una esclusa (7, 8) de aire.
10. Aparato de acuerdo con una o más de las reivindicaciones precedentes, en el que la conexión entre la cámara (2) de limpieza y la cámara (4) de depósito incluye una cámara (3) intermedia proporcionada con esclusas (7, 8) de aire sobre lados opuestos.
11. Aparato de acuerdo con la reivindicación 10, en el que al menos una de las esclusas (7, 8) de aire de un bloqueo (7, 8) de cojinete de gas con al menos una superficie (17) de cojinete permeable a los gases con medios de suministro de gas y una o más ranuras (16) conectadas a los medios de bombeo de gas.
12. Aparato de acuerdo con la reivindicación 11, en el que al menos el bloqueo (7) de cojinete de gas en el lado de la cámara (2) de limpieza se proporciona con una o más ranuras (16) que preceden una superficie (17) de gas permeable.
13. Aparato de acuerdo con la reivindicación 11 o 12, en el que las ranuras (16) y las superficies (17) de cojinete permeable a los gases se proporcionan en pares opuestos de ranuras (16) y las superficies (17, 20) de cojinete.
14. Aparato de acuerdo con una o más de las reivindicaciones 10-12, en el que un suministro (19) de gas presurizado se proporciona y medios dentro de la cámara (3) intermedia para guiar una corriente de gas presurizado en la superficie del fleje (11) de metal.
15. Aparato (1) de acuerdo con una o más de las reivindicaciones precedentes, en el que se proporciona un dispositivo (24) de activación de plasma en la cámara (3) intermedia o cámara (4) de depósito.
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