WO1993005906A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung dünner schichten aus flüssigkeiten als beschichtung oder folie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung dünner schichten aus flüssigkeiten als beschichtung oder folie Download PDF

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WO1993005906A1
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Thomas Berrenberg
Ingo Steinbach
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Glyco-Metall-Werke Glyco B.V. & Co. Kg
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    • B22D11/0631—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars formed by a travelling straight surface, e.g. through-like moulds, a belt
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    • B22D11/06—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths into moulds with travelling walls, e.g. with rolls, plates, belts, caterpillars
    • B22D11/0637—Accessories therefor
    • B22D11/064—Accessories therefor for supplying molten metal

Definitions

  • the invention relates to a process for the continuous production of thin layers of liquids as a coating or film, in which a substrate and a pouring point are moved relative to one another and in which during the movement the liquid is poured onto the substrate at the pouring point to form a liquid band, and that infused liquid band is allowed to solidify.
  • the invention also relates to a flower which can be used in this method, the flower having a liquid supply channel and an outlet restriction part which, together with the substrate, forms an outlet channel.
  • a method for the continuous casting of a metal strip or a metal strip in which a pouring device is used which has a vertical feed channel which is delimited by side walls, the rear side wall to form an outlet channel opposite the front side wall is arranged offset upwards.
  • the substrate is moved in a predetermined direction under the pouring device.
  • a heating device is provided in front of the pouring device in order to heat the substrate to a temperature which is above the melting point of the metal to be applied.
  • an additional heating device for heating the substrate increases the cost of production thin layers.
  • the preheating of the substrate can also lead to destruction or deformation of the substrate.
  • the applied layer can have a corrugated structure or at least different layer thicknesses.
  • the object of the invention is to provide a method and a flow with which an additional preheating device can be largely dispensed with and an improved design of the layer applied to the substrate, in particular with regard to the uniformity of the layer thickness is achieved.
  • the method is characterized in that a larger amount of liquid is poured onto the substrate than is required for the formation of the thin layer, and that the excess amount of liquid is removed.
  • a high volume flow is thus generated on the substrate, the amount of liquid which is not required for the formation of the thin layer being used to heat the substrate.
  • two to ten times the amount is poured onto the substrate, which is required for the formation of the liquid band and thus for the coating.
  • the heating of a surface layer of the substrate can thus be controlled via the size of the excess amount, taking into account the heat capacities of the liquid and the substrate.
  • the point at which the excess amount of liquid is removed is preferably arranged at a distance from the pouring point.
  • the preferably overheated liquid to be applied causes the heating of a surface layer of the substrate, in contrast to separate upstream heating devices, the substrate does not become entire Thickness is heated so that a cooling capacity remains in the substrate.
  • the surface temperature rises continuously behind the pouring point and drops again after the excess flow has been separated off.
  • the optimum temperature for the formation of the bond between layer and substrate is thus achieved in the area of the flow.
  • Another advantage is that the heating by means of the excessive volume flow results in a brief superficial heating of the substrate, so that damage and deformation of the substrate are largely avoided, which in turn also improves the quality of the coating.
  • the method according to the invention improves the bond, for example between a metallic sliding layer and a steel substrate.
  • the quality of the coating in particular with regard to the constancy of the layer thickness, is significantly improved.
  • the improvement is particularly evident when the upper liquid layers of the liquid band facing away from the substrate are discharged as an excess amount of liquid. Behind the pouring point, the poured-on liquid flows in the direction of movement of the substrate on the substrate in the direction of the point where the excess amount of liquid is removed (discharge point). Due to the movement of the substrate, turbulence presumably only occurs in the upper liquid layers, which, however, cannot have a negative effect on the quality of the coating if these upper liquid layers are preferably removed.
  • the excess amount of liquid is removed shortly before the solidification front of the liquid band, because this largely prevents the formation of new turbulence behind the discharge point.
  • a further improvement in the layer quality is achieved in that the poured-on liquid is conducted as a laminar flow between the pouring point and the discharge point, at least in the substrate / liquid contact area.
  • an overpressure is set in the liquid at the pouring point and a negative pressure in relation to the environment at the discharge point. It is advantageous here if the negative pressure is set in such a way that a film-forming meniscus forms immediately behind the discharge point. In this case, the surface of the liquid band behind the discharge point is no longer in contact with components of the pouring device, which could possibly generate further turbulence in the liquid band and thus lead to a different formation of layer thicknesses. Since the materials for forming thin layers are often quite expensive, the excess liquid which is removed is preferably returned and, after heating, is fed back to the substrate, for example in the storage vessel.
  • a flow device which, in front of the outlet channel and at a distance from the feed channel, has a discharge channel for removing excess liquid. Between the feed channel and the discharge channel, the underside of the flow is designed together with the substrate to form a flow channel, which at least in sections has a larger cross section than the outlet channel, so that the turbulence which forms in the upper layers of the liquid can be drawn off from the discharge channel.
  • the discharge channel extends over the entire width of the flow and is arranged above the flow channel, preferably at an incline, so that the upper liquid layers can get into the discharge channel and be discharged without additional turbulence formation in the branching point flow channel / outlet channel / discharge channel.
  • the overpressure provided in the process in the area of the pouring point has the advantage that air pockets between the liquid and the substrate are avoided. However, it must be ensured that the liquid between Entry restriction part and substrate cannot exit against the substrate movement.
  • the overpressure is set such that only an overpressure meniscus is formed under the entry restriction part.
  • the feed channel and the discharge channel are connected to suitable pressure devices.
  • This can be a pump arranged outside the discharge channel, which generates the desired negative pressure in the region of the branch point in the flow.
  • a pump can also be provided upstream of the feed channel, and a corresponding arrangement of a storage container above the flow can also ensure the desired pressure conditions.
  • Fine-tuning of the pressure conditions in the flow channel can be achieved by structuring the underside of the flow in the area of the flow channel behind the feed channel and in front of the discharge channel.
  • the underside of the flow preferably has a flow resistance in the form of a bead running perpendicular to the direction of movement behind the feed channel and in front of the discharge channel.
  • the first bead arranged behind the feed channel throttles the liquid flow, so that an overpressure is established at the pouring point.
  • the pressure then decreases behind the first bead, the configuration of the second bead arranged in front of the discharge channel being selected such that at the Branching point, the desired negative pressure is present.
  • the discharge channel is preferably connected to the supply channel via a return channel, so that the skimmed-off amount of liquid can be used again.
  • a particularly simple embodiment of the flow is achieved if a core part is inserted in the interior between the inlet restriction part and the outlet restriction part, which delimits the feed channel, the flow channel and the discharge channel.
  • the upper side of the core part can accommodate the return duct or limit.
  • the flow can also be open at the top, ie with a free liquid surface. The fluid flow is started by the moving substrate.
  • Exit restriction part / surface of the substrate (d 2 ) can be preset, or the flow can rest freely on the substrate, ie float on the liquid, so that d, and d ? adjust according to the flow conditions and the pressures.
  • the flow can also be attached to a holding device, wherein it is rotatably mounted either at the front or at the rear end. The flower then takes no parallel position regarding the substrate. To optimize the flow, the flow can also be fastened in such a way that d 2 is variable.
  • FIG. 1 a longitudinal section through a flow with liquid and substrate
  • FIG. 2 a partial longitudinal section through a flow according to FIG. 1 with a modified flow guide
  • FIG. 3 a longitudinal section through a flow machine according to a further embodiment
  • FIG. 4 a longitudinal section through a flow in accordance with a further embodiment
  • Figure 5 The front view of a flow machine
  • FIG. 6 the top view of a flow machine according to FIG. 1,
  • Figure 7 A representation of flow profiles in the flow channel
  • FIG. 8 The schematic representation of a flow with additional devices.
  • a flow 1 is shown in a schematic representation in longitudinal section, under which a ribbon-shaped substrate is moved in the direction of the arrow.
  • the front of the flow 1 is formed by an entry restriction part 7, which is arranged inclined at an angle to the front and ends at a distance d above the substrate 30.
  • a gap 18 is thus left free between the entry restriction part 7 and the surface of the substrate 30 (see also FIG. 5).
  • the feed channel 2 Between the inlet restriction part 7 and the front side 9 of a core part 8 arranged in the interior of the flow 1 there is the feed channel 2 through which the liquid to be applied to the substrate, e.g. a molten metal is fed from above.
  • the feed channel 2 is also arranged inclined forward. As can be seen from the top view in FIG. 6, the feed channel 2 extends over the entire width of the flow 1 and is laterally delimited by the side walls 16 and 17.
  • the flow channel 3 is formed between the underside 10 of the core part 8 and the substrate 30 and continues at the branching point 33 in the discharge channel 4 and in the outlet channel 5.
  • the outlet channel 5 is delimited by the outlet restriction part 6 and the substrate 30.
  • the discharge channel 4 is located between the rear 11 of the core part 8 and the outlet restriction part 6 and thus above the Outlet channel 5.
  • the discharge channel 4 also extends, as can be seen from FIG. 6, over the entire width of the flow tube 1 and is also laterally delimited by the side walls 16 and 17.
  • the liquid intended for the coating is applied through the feed channel 2 from above onto the substrate 30 (pouring point) and, among other things. deflected in the direction of the outlet channel by the moving substrate. A larger amount of liquid is supplied through the feed channel 2 than is necessary for the formation of the liquid band 36.
  • the surface of the liquid is exposed and care must be taken at this point that air pockets between the liquid and the substrate surface are avoided. Such air pockets are largely avoided if the liquid is guided with regard to the pressure in such a way that an overpressure meniscus 34 is formed.
  • the pressure P 1 and in particular the pressure P- are set such that they are above the ambient pressure, as a result of which the liquid for forming the overpressure meniscus 34 presses slightly into the gap 18.
  • the pressure P must not be set so high that the gap 18 is filled with liquid.
  • the supplied liquid then enters the flow channel 3 and from there into the discharge channel 4 or the outlet channel 5.
  • the excess amount of liquid heats on the way from The feed channel 2 to the discharge channel 4 has the substrate 30 moved under the flower 1, so that the substrate 30 at the branching point 33 or in the region of the outlet channel 5 has the desired temperature for optimally binding the layer on the substrate.
  • the cross section of the feed channel 2 and the cross section of the flow channel 3 are adapted to the amount of liquid required for heating the substrate 30 and are larger than the cross section of the outlet channel 5.
  • FIG. 7 shows three flow profiles in the flow channel 3, which are identified by I to III.
  • q. v corresponds.
  • q means the cross section of the flow channel 3
  • v the flow velocity of the liquid in the flow channel 3.
  • the turbulence which forms on the stationary core underside is discharged through the discharge duct 4 arranged above the outlet duct 5. This ensures that in the outlet channel. 5 a largely turbulence-free flow occurs, so that there are no differences in thickness in the liquid band 36 and thus in the solidified layer 31.
  • the film-forming meniscus 35 forms, in front of which a negative pressure must be set in relation to the surroundings in order to achieve a film thickness x which is less than half the height d 2 of the outlet channel 5.
  • the pressure P. must therefore be chosen lower than the pressure P.
  • the negative pressure in the outlet channel 5 causes a backflow, whereby the film thickness x can be reduced with the same d.
  • the position of the film-forming meniscus can either be at the end of the outlet limiting part 6 - as can be seen in FIG. 1 - or at the beginning of the
  • AlPblO aluminum alloy
  • the speed of the substrate was 1 m / sec.
  • the maximum tolerable temperature of lead bronze at the melting temperature of lead is approx. 325 ° C, while the homogenization temperature of the aluminum lead alloy is approx. 1200 ° C.
  • the heat capacity of the thin liquid layer is insufficient.
  • the layer thickness was 0.2 mm, the
  • the position of the film-forming meniscus 35 at the beginning of the outlet channel 5 offers the advantage that it is located on the underside of the
  • Outlet restriction part 6 in the outlet channel 5 cannot form new turbulence, which can lead to instabilities of the film-forming meniscus 35 located at the end of the outlet restriction part 6.
  • the film-forming meniscus 35 lies directly on the discharge channel 4.
  • FIG. 3 shows a pressure-optimized variant of the flow 1, which is characterized, inter alia, in that the edges and transitions are rounded off, in particular in the area of the core part 8.
  • a first bead 13 and a second bead 14 are formed on the underside of the core part 10 in order to further influence the pressure profile in the flow channel 3.
  • the two beads 13 and 14 extend over the entire width of the flow channel 3.
  • the first bead 13 leads to an increase in the pressure P 5 and at the same time to a pressure decrease from P- to P ,.
  • the formation of the bead 14 is responsible for the setting of the negative pressure P_ if P 3 also denotes a negative pressure. As can be seen in FIG.
  • the feed channel 2 is connected via a feed line 42 to a storage container 40, which can be closed by means of the stopper 41, with which the discharge quantity can also be regulated.
  • a storage container 40 which can be closed by means of the stopper 41, with which the discharge quantity can also be regulated.
  • the discharge channel 4 is connected to the reservoir 40 via a return line 43.
  • a pump 44 is provided which simultaneously transports the excess amount into the storage container 40.
  • the excess liquid can also be returned in the flow, as shown in FIG. 4.
  • the liquid flow is set in motion by the substrate 30 moved in the direction of the arrow.
  • the pressure optimization is carried out exclusively by the cross-sectional design of channels 2, 3, 4 and 15.
  • the cross-sectional design is determined exclusively by the shape of the core part 8.
  • the core part 8 has on the underside 10 only a bead 14 in the area in front of the discharge duct 4. The first bead is omitted because no flow limiter is required due to the lack of a pressure device.
  • the liquid running through the outlet channel 5 should preferably be replaced by adding new liquid in the return channel.

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Abstract

Zur Ausbildung verbesserter Schichten, die auf einem Substrat aufgebracht werden, wobei auf zusätzliche Einrichtungen zum Aufheizen des Substrates verzichtet werden kann, wird die aufzubringende Flüssigkeit in einer größeren Menge auf das Substrat aufgegossen, als für die Ausbildung der Beschichtung benötigt wird. Die überschüssige Flüssigkeitsmenge wird abgeführt, insbesondere rückgeführt. Die Flüssigkeit wird auf dem Substrat durch geeignete Druckeinstellung zumindest im Kontaktbereich zum Substrat als laminare Strömung geführt. Es wird ein Fließer (1) beschrieben, der zusätzlich einen Abführkanal (4) oberhalb des Austrittskanals (5) aufweist. Zwischen Zuführkanal (2) und Abführkanal (4) ist ein Strömungskanal (3) ausgebildet, in dessen Bereich die überschüssige Flüssigkeitsmenge zur Aufheizung des Substrats (30) verwendet wird.

Description

Verfahren und Yorrichtung zur Herstellung dünner Schichten aus Flüssigkeiten als Beschichtung oder Folie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung dünner Schichten aus Flüssigkeiten als Beschichtung oder Folie, bei dem ein Substrat und eine Aufgießstelle relativ zueinander bewegt werden und bei dem während der Bewegung die Flüssigkeit auf das Substrat an der Aufgießstelle unter Ausbildung eines Flüssigkeitsbandes aufgegossen wird und das aufgegossene Flüssigkeitsband erstarren gelassen wird. Die Erfindung betrifft auch einen Fließer, der in diesem Verfahren eingesetzt werden kann, wobei der Fließer einen Flüssigkeitszuführkanal und einen Austrittsbegrenzungsteil aufweist, das zusammen mit dem Substrat einen Austrittskanal bildet.
Aus der DE-PS 36 38 901 ist ein Verfahren zum kontinuierlichen Gießen eines Metallbandes oder eines Metallstreifens bekannt, bei dem eine Aufgießvorrichtung eingesetzt wird, die einen senkrechten Zuführkanal aufweist, der von Seitenwänden begrenzt wird, wobei die rückwärtige Seitenwand zur Ausbildung eines Austrittskanales gegenüber der vorderen Seitenwand nach oben versetzt angeordnet ist. Unter der Aufgießvorrichtung wird das Substrat in einer vorgegebenen Richtung bewegt. Vor der Aufgießvorrichtung ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, um das Substrat auf eine Temperatur zu erhitzen, die oberhalb des Schmelzpunktes des aufzubringenden Metalls liegt.
Das Vorsehen einer zusätzlichen Heizeinrichtung zum Erwärmen des Substrates verteuert die Herstellung dünner Schichten. Auch kann das Vorheizen des Substrates je nach eingesetztem Material und gewünschter Temperatur zu einer Zerstörung oder Deformation des Substrates führen.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung besteht darin, daß aufgrund von Turbulenzen in der Flüssigkeit die aufgebrachte Schicht eine Wellenstruktur oder zumindest unterschiedliche Schichtdicken aufweisen kann.
Auch bei dem aus der DE-OS 39 38 234 bekannten Fließer, der ein Austrittsbegrenzungsteil in Form einer den Austrittskanal begrenzenden Platte aufweist, treten dieselben Probleme auf. Außerdem könnte bei dickeren Schichten aufgrund des Temperaturunterschiedes zum Substrat das Material im Bereich des Fließers bereits einfrieren, wenn keine Vorheizung des Substrates erfolgt. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn - wie in der DE-OS 39 38 234 gezeigt - ein Teil der Flüssigkeit entgegen der Bewegungsrichtung des Substrates vor den Fließer gelenkt wird, weil dadurch die Erstarrungsfront des aufgebrachten Flüssigkeitsbandes zu weit in den Bereich des Fließers hineinwandern und somit die Funktion des Fließers vollständig blockieren kann.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und einen Fließer zu schaffen, mit dem auf eine zusätzliche Vorheizeinrichtung weitgehend verzichtet werden kann und eine verbesserte Ausbildung der auf das Substrat aufgebrachten Schicht, insbesondere hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Schichtdicke erzielt wird.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Fließer gemäß Anspruch 9 gelöst
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat eine größere Menge an Flüssigkeit aufgegossen wird, als für die Ausbildung der dünnen Schicht benötigt wird, und daß die überschüssige Flüssigkeitsmenge abgeführt wird. Es wird.somit ein hoher Volumenstrom auf dem Substrat erzeugt, wobei diejenige Flüssigkeitsmenge, die nicht für die Ausbildung der dünnen Schicht benötigt wird, zum Aufheizen des Substrates dient. Vorzugsweise wird die zwei- bis zehnfache Menge auf das Substrat aufgegossen, die für die Ausbildung des Flüssigkeitsbandes und somit für die Beschichtung benötigt wird. Über die Größe der Überschußmenge kann somit unter Berücksichtigung der Wärmekapazitäten von Flüssigkeit und Substrat die Aufheizung einer Oberflächenschicht des Substrates gesteuert werden. Um eine ausreichende Aufheizung des Substrates sicherzustellen, ist die Stelle, an der die überschüssige Flüssigkeitsmenge abgeführt wird, vorzugsweise beabstandet zur Aufgießstelle angeordnet.
Dadurch, daß die aufzubringende, vorzugsweise überhitzte Flüssigkeit die Aufheizung einer Oberflächenschicht des Substrates bewirkt, wird im Gegensatz zu separaten vorgeschalteten Heizeinrichtungen das Substrat nicht in der gesamten Dicke erwärmt, so daß eine Kühlkapazität im Substrat verbleibt. Die Oberflächentemperatur steigt hinter der Aufgießstelle kontinuierlich und fällt nach Abtrennung des Überflußstromes wieder ab. Die optimale Temperatur für die Ausbildung der Bindung zwischen Schicht und Substrat wird somit im Bereich des Fließers erreicht. Diese verbesserte Temperaturführung ist beim Verfahren nach dem Stand der Technik nicht möglich, da die Temperatur zwischen der Heizeinrichtung und der Aufgießstelle bzw. zwischen der Aufgießstelle und dem Austrittskanal des Fließers aufgrund des geringen VolumensStroms wieder unter die gewünschte Temperatur abgefallen sein kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die Aufheizung mittels des überhöhten Volumenstroms eine kurzzeitige oberflächliche Aufheizung des Substrates durchgeführt wird, so daß auch Beschädigungen und Deformationen des Substrates weitgehend vermieden werden, was auch wiederum die Qualität der Beschichtung verbessert. Insbesondere wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Bindung z.B. zwischen einer metallischer Gleitschicht und einem Stahlsubstrat verbessert.
Weiterhin hat sich herausgestellt, daß beim Arbeiten mit überschüssigen Flüssigkeitsmengen die Qualität der Beschichtung und zwar insbesondere hinsichtlich der Konstanz der Schichtdicke deutlich verbessert wird. Die Verbesserung zeigt sich insbesondere dann, wenn die dem Substrat abgewandten oberen Flüssigkeitsschichten des Flüssigkeitsbandes als überschüssige Flüssigkeitsmenge abgeführt werden. Hinter der Aufgießstelle strömt die aufgegossene Flüssigkeit in Bewegungsrichtung des Substrates auf dem Substrat in Richtung der Stelle, wo die Abführung der überflüssigen Flüssigkeitsmenge stattfindet (Abführstelle). Hierbei treten aufgrund der Bewegung des Substrates Turbulenzen vermutlich nur in den oberen Flüssigkeitsschichten auf, die aber die Qualität der Beschichtung nicht negativ beeinflussen können, wenn vorzugsweise diese oberen Flüssigkeitsschichten abgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die überschüssige Flüssigkeitsmenge kurz vor der Erstarrungsfront des Flüssigkeitsbandes abgeführt, weil dadurch die Ausbildung neuer Turbulenzen hinter der Abführstelle weitgehend verhindert wird.
Eine weitere Verbesserung der Schichtqualität wird dadurch erreicht, daß die aufgegossene Flüssigkeit zwischen der Aufgießstelle und der Abführstelle zumindest im Kontaktbereich Substrat/Flüssigkeit als laminare Strömung geführt wird. Hierzu wird in der Flüssigkeit an der Aufgießstelle ein Überdruck und an der Abführstelle ein Unterdruck gegenüber der Umgebung eingestellt. Hierbei ist es von Vorteil, wenn der Unterdruck derart eingestellt wird, daß sich ein filmbildender Meniskus unmittelbar hinter der Abführstelle ausbildet. In diesem Fall hat die Oberfläche des Flüssigkeitsbandes hinter der Abführstelle keinen Kontakt mehr mit Bauteilen der Aufgießvorrichtung, die möglicherweise weitere Turbulenzen im Flüssigkeitsband erzeugen und damit zu einer unterschiedlichen Ausbildung von Schichtdicken führen könnten. Da die Materialien zur Ausbildung von dünnen Schichten oft recht teuer sind, wird vorzugsweise die abgeführte überschüssige Flüssigkeit rückgeführt, und nach einer Aufheizung beispielsweise im Vorratsgefäß wieder dem Substrat zugeführt.
Um dieses Verfahren durchzuführen, ist ein Fließer vorgesehen, der vor dem Austrittskanal beabstandet zum Zuführkanal einen Abführkanal zum Abführen von überschüssiger Flüssigkeit aufweist. Zwischen dem Zuführkanal und dem Abführkanal ist die Unterseite des Fließers zusammen mit dem Substrat zur Ausbildung eines Strδmungskanals ausgestaltet, der zumindest abschnittsweise einen größeren Querschnitt aufweist als der Austrittskanal, so daß die sich in den oberen Schichten der Flüssigkeit ausbildenden Turbulenzen vom Abführkanal abgezogen werden können.
Der Abführkanal erstreckt sich über die gesamte Breite des Fließers und ist oberhalb des Strδmungskanals, vorzugsweise geneigt, angeordnet, so daß die oberen Flüssigkeitsschichten ohne zusätzliche Turbulenzbildung im Verzweigungspunkt Strömungskanal/Austrittskanal/Abführkanal in den Abführkanal gelangen und abgeführt werden können.
Der verfahrensgemäß vorgesehene Überdruck im Bereich der Aufgießstelle bietet den Vorteil, daß Lufteinschlüsse zwischen Flüssigkeit und Substrat vermieden werden. Hierbei muß allerdings darauf geachtet werden, daß die Flüssigkeit zwischen Eintrittsbegrenzungsteil und Substrat nicht entgegen der Substratbewegung austreten kann. Der Überdruck wird derart eingestellt, daß sich unter dem Eintrittsbegrenzungsteil lediglich ein Überdruckmeniskus ausbildet.
Um die verfahrensgemäß vorgesehenen Druckverhältnisse im Bereich der Aufgießstelle und im Bereich der Abführstelle einstellen zu können, sind der Zuführkanal und der Abführkanal an geeignete Druckeinrichtungen angeschlossen. Diese kann eine außerhalb des Abführkanals angeordnete Pumpe sein, die den gewünschten Unterdruck im Bereich des Verzweigungspunktes im Fließer erzeugt. Vor dem Zuführkanal kann ebenfalls eine Pumpe vorgesehen sein, wobei auch eine entsprechende Anordnung eines Vorratsbehälters über dem Fließer für die gewünschten Druckverhältnisse sorgen kann.
Eine Feinabstimmung der Druckverhältnisse im Strömungskanal kann dadurch erzielt werden, daß die Unterseite des Fließers im Bereich des Strömungskanals hinter dem Zuführkanal und vor dem Abführkanal strukturiert ist. Vorzugsweise weist die Unterseite des Fließers hinter dem Zuführkanal und vor dem Abführkanal jeweils einen Strömungswiderstand in Form eines senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Wulstes auf. Der hinter dem Zuführkanal angeordnete erste Wulst drosselt den Flüssigkeitsstrom, so daß sich an der Aufgießstelle ein Überdruck einstellt. Hinter dem ersten Wulst baut sich dann der Druck ab, wobei die Ausgestaltung des vor dem Abführkanal angeordneten zweiten Wulstes so gewählt ist, daß an der Verzweigungsstelle der gewünschte Unterdruck vorliegt.
Der Abführkanal steht vorzugsweise über einen Rückführkanal mit dem Zuführkanal in Verbindung, so daß die abgeschöpfte Flüssigkeitsmenge wieder eingesetzt werden kann.
Eine besonders einfache Ausgestaltung des Fließers wird erreicht, wenn im Innenraum zwischen dem Eintrittsbegrenzungsteil und dem Austrittsbegrenzungsteil ein Kernteil eingesetzt ist, der den Zuführkanal, den Strömungskanal und den Abführkanal begrenzt. Wenn eine Rückführung der überschüssigen Flüssigkeitsmenge im Fl'ießer vorgenommen werden soll, kann die Oberseite des Kernteiles den Rückführkanal aufnehmen bzw. begrenzen. Der Fließer kann an der Oberseite auch offen, d.h. mit freier Flüssigkeitsoberfläche ausgeführt sein. Die Flüssigkeitsströmung wird durch das bewegte Substrat in Gang gebracht.
Die Abstände Eintrittsbegrenzungsteil/Oberfläche des Substrat (d1) und
Austrittsbegrenzungsteil/Oberfläche des Substrates (d2) können fest voreingestellt sein, oder der Fließer kann frei auf dem Substrat aufliegen, d.h. auf der Flüssigkeit schwimmen, so daß sich d, und d? entsprechend der Strömungsverhältnisse und der Drücke einstellen. Der Fließer kann auch an einer Haltevorrichtung befestigt sein, wobei er entweder vorne oder am hinteren Ende drehbar gelagert ist. Der Fließer nimmt dann keine parallele Lage bezüglich des Substrates ein. Zur Strömungsoptimierung kann der Fließer auch in der Weise befestigt sein, daß d2 veränderlich ist.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1: Einen Längsschnitt durch einen Fließer mit Flüssigkeit und Substrat,
Figur 2: Einen Teillängsschnitt durch einen Fließer gemäß Figur 1 mit geänderter Strömungs¬ führung,
Figur 3: Einen Längsschnitt durch einen Fließer gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Figur 4: Einen Längsschnitt durch einen Fließer gemäß einer weiteren Ausführungsform,
Figur 5: Die Vorderansicht eines Fließers,
Figur 6: Die Draufsicht auf einen Fließer gemäß Figur 1,
Figur 7: Eine Darstellung von Strömungsprofilen im Strömungskanal und
Figur 8: Die schematische Darstellung eines Fließers mit Zusatzeinrichtungen. In der Figur 1 ist ein Fließer 1 in schematischer Darstellung im Längsschnitt gezeigt, unter dem ein bandförmiges Substrat in Pfeilrichtung bewegt wird. Die Vorderseite des Fließers 1 wird durch ein Eintrittsbegrenzungsteil 7 gebildet, das schräg nach vorne geneigt angeordnet ist und im Abstand d, über dem Substrat 30 endet. Zwischen dem Eintrittsbegrenzungsteil 7 und der Oberfläche des Substrates 30 wird somit ein Spalt 18 freigelassen, (s. auch Figur 5).
Zwischen dem Eintrittsbegrenzungsteil 7 und der Vorderseite 9 eines im Inneren des Fließers 1 angeordneten Kernteil 8 befindet sich der Zuführkanal 2, durch den die auf das Substrat aufzubringende Flüssigkeit, z.B. eine Metallschmelze von oben zugeführt wird. Der Zuführkanal 2 ist ebenfalls nach vorne geneigt angeordnet. Wie aus der Draufsicht der Figur 6 ersichtlich ist, erstreckt sich der Zuführkanal 2 über die gesamte Breite des Fließers 1 und wird seitlich durch die Seitenwände 16 und 17 begrenzt.
Zwischen der Unterseite 10 des Kernteils 8 und dem Substrat 30 wird der Strδmungskanal 3 gebildet, der sich an der Verzweigungsstelle 33 im Abführkanal 4 und im Austrittskanal 5 fortsetzt. Der Austrittskanal 5 wird durch das Austrittsbegrenzungsteil 6 und das Substrat 30 begrenzt. Der Abführkanal 4 befindet sich zwischen der Rückseite 11 des Kernteils 8 und dem Austrittsbegrenzungsteil 6 und somit oberhalb des Austrittskanals 5. Auch der Abführkanal 4 erstreckt sich, wie aus der Figur 6 ersichtlich ist, über die gesamte Breite des Fließers 1 und wird seitlich ebenfalls durch die Seitenwände 16 und 17 begrenzt.
Die für die Beschichtung vorgesehene Flüssigkeit wird durch den Zuführkanal 2 von oben auf das Substrat 30 aufgebracht (Aufgießstelle) und u.a. durch das bewegte Substrat in Richtung Austrittskanal umgelenkt. Durch den Zuführkanal 2 wird eine größere Menge an Flüssigkeit zugeführt als für die Ausbildung des Flüssigkeitsbandes 36 erforderlich ist.
Im Bereich des Spaltes 18 liegt die Oberfläche der Flüssigkeit frei und es ist an dieser Stelle darauf zu achten, daß Lufteinschlüsse zwischen Flüssigkeit und Substratoberfläche vermieden werden. Solche Lufteinschlüsse werden dann weitgehend vermieden, wenn die Flüssigkeit hinsichtlich des Druckes so geführt wird, das sich ein Überdruckmeniskus 34 ausbildet. Der Druck P1 und insbesondere der Druck P- werden so eingestellt, daß sie über dem Umgebungsdruck liegen, wodurch die Flüssigkeit zur Ausbildung des Überdruckmeniskus 34 geringfügig in den Spalt 18 drückt. Der Druck P, darf allerdings nicht so hoch eingestellt werden, daß der Spalt 18 mit Flüssigkeit gefüllt wird.
Die zugeführte Flüssigkeit gelangt anschließend in den Strömungskanal 3 und von dort in den Abführkanal 4 bzw. den Austrittskanal 5. Die im Überschuß zugeführte Flüssigkeitsmenge heizt auf dem Weg vom Zuführkanal 2 zum Abführkanal 4 das unter dem Fließer 1 bewegte Substrat 30 auf, so daß das Substrat 30 im Verzweigungspunkt 33 bzw. im Bereich des Austrittskanals 5 die gewünschte Temperatur für eine möglichst optimale Bindung der Schicht auf dem Substrat aufweist. Der Querschnitt des Zuführkanals 2 und der Querschnitt des Strδmungskanals 3 sind an die für die Aufheizung des Substrates 30 erforderliche Flüssigkeitsmenge angepaßt und sind größer als der Querschnitt des Austrittskanals 5.
Da die Flüssigkeit im Strömungskanal 3 im wesentlichen durch die Oberfläche des Substrates 30 und die Unterseite des Kernteiles 8 geführt wird, treten Turbulenzen auf, die zu einer Beeinträchtigung der Schicht 31 führen können. Es muß daher sichergestellt werden, daß im Strömungskanal 3 zumindest in den dem Substrat 30 benachbarten Flüssigkeitsschichten keine Turbulenzen auftreten, die sich dann im Austrittskanal 5 bei der Ausbildung des Flüssigkeitsbandes ungünstig bemerkbar machen.
In der Figur 7 sind drei Strömungsprofile im Strömungskanal 3 dargestellt, die mit I bis III gekennzeichnet sind. Das Strömungsprofil II entspricht der Scherströmung, wenn der Materialstrom m = 1/2 . q . v entspricht. Hierbei bedeutet q der Querschnitt des Strömungskanals 3 und v die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Strömungskanal 3. Vermindert man den Flüssigkeitsstrom, so erhält man Profil I. Hier liegt der maximale Geschwindigkeitsgradient an der Substratoberseite und kann somit eine Turbulenzbildung verursachen, die unerwünscht ist. Erhöht man hingegen den Materialstrom, so erhält man Profil III. Die maximalen Geschwindigkeitsgradienten liegen hier an der ruhenden Kernunterseite. Eine Turbulenzbildung ist somit nur im Bereich der Kernunterseite zu erwarten, so daß ein laminarer Flüssigkeitsstrom zumindest im Kontaktbereich des Substrates 30 zum Austrittskanal 5 führt. Die sich an der ruhenden Kernunterseite ausbildenden Turbulenzen werden durch den über dem Austrittskanal 5 angeordneten Abführkanal 4 abgeführt. Damit wird sichergestellt, daß in den Austrittskanal. 5 eine weitgehend turbulenzfreie Strömung eintritt, so daß keine Dickenunterschiede im Flüssigkeitsband 36 und damit in der erstarrten Schicht 31 auftreten.
Am Ende des Austrittsbegrenzungsteils 6 bildet sich der filmbildende Meniskus 35, vor dem gegenüber der Umgebung ein Unterdruck eingestellt werden muß, um eine Filmdicke x zu erzielen, die kleiner als die Hälfte der Höhe d2 des Austrittskanals 5 ist. Der Druck P. muß daher geringer gewählt werden als der Druck P,. Der Unterdruck im Austrittskanal 5 bewirkt eine Rückströmung, wodurch die Filmdicke x bei gleichem d, reduziert werden kann. Außerdem kann über die Höhe des Unterdrucks die Lage des filmbildenden Meniskus entweder am Ende des Austrittsbegrenzungsteils 6 - wie in Figur 1 zu sehen ist - oder am Anfang des
Austrittsbegrenzungsteils 6 - wie in Figur 2 zu sehen ist - erzwungen werden. In den hier gezeigten Darstellungen liegt die Erstarrungsfront 32 im Bereich des filmbildenden Meniskus 35.
Mit dem Fließer gemäß Figur 1, bei dem die Höhe des Austrittskanals d_= 0,5 mm beträgt, wurde auf ein Substrat aus Bleibronze, das vorgeschliffen wurde, eine Aluminiumbleilegierung (AlPblO) aufgetragen. Die Geschwindigkeit des Substrates betrug 1 m/sec. Die maximal verträgliche Temperatur von Bleibronze liegt bei der Schmelztemperatur von Blei bei ca. 325°C, während die Homogenisierungstemperatur der Aluminiumbleilegierung bei ca. 1200°C liegt. Die
Aluminiumbleilegierung wurde in einer Menge von
40 cm 3/sec. zugeführt, wovon 34 cm3/sec. wieder abgeführt wurden, so daß mit der etwa siebenfachen
Überschußmenge an Flüssigkeit gearbeitet wurde. Die
Oberflächenschicht der Bleibronze im Bereich des
Fließers wurde auf eine Temperatur von ca. 600°C aufgeheizt, so daß eine optimale Bindung zwischen
Substrat und Aluminiumbleilegierung erzielt wurde.
Mit einem Fließer nach dem Stand der Technik ist es nicht möglich, bei einem aufzubringenden
Flüssigkeitsfilm von 200 Λim die für die
Verbindung erforderliche Temperatur zur
Kontakttemperatur zu erzielen, weil die
Wärmekapazität der dünnen Flüssigkeitsschicht nicht ausreicht. Die Schichtdicke betrug 0,2 mm, wobei die
Schwankungen in der Schichtdicke unter 10% lagen.
Hierbei wurde der Druck im Zuführkanal auf etwa
P-.= 1,05 bar und im Bereich der Aufgießstelle auf etwa Pc_>= 1,1 bar eingestellt. Im Bereich des
Verzweigungspunktes 33 lag der Druck der Flüssigkeit bei etwa P,= 1 bar und der Druck im Austrittskanal bei etwa P4= 0,9 bar. Der Druck im oberen Bereich des Abführkanals 4 lag bei P_= 0,8 bar.
Die Lage des filmbildenden Meniskus 35 am Beginn des Austrittskanals 5 (s. Figur 2) bietet den Vorteil, das sich an der Unterseite des
Austrittsbegrenzungsteils 6 im Austrittskanal 5 keine neuen Turbulenzen bilden können, die zu Instabilitäten des am Ende des Austrittsbegrenzungsteils 6 befindlichen filmbildenden Meniskus 35 führen können. Der filmbildende Meniskus 35 liegt in der in Figur 2 dargestellten Ausbildung direkt am Abführkanal 4.
Die Umlenkung der oberen Flüssigkeitsschichten, in denen die Turbulenzen vorhanden sind, wird dadurch erleichtert, daß der Abführkanal 4 zur Rückseite des Fließers 1 hin geneigt angeordnet ist.
In der Figur 3 ist eine druckoptimierte Variante des Fließers 1 dargestellt, die sich u.a. dadurch auszeichnet, daß die Kanten und Übergänge insbesondere im Bereich des Kernteils 8 abgerundet sind. An der Unterseite des Kernteils 10 sind ein erster Wulst 13 und ein zweiter Wulst 14 ausgebildet, um den Druckverlauf im Strδmungskanal 3 weiter zu beeinflußen. Die beiden Wülste 13 und 14 erstrecken sich über die gesamte Breite des Strömungskanals 3. Der erste Wulst 13 führt zu einer Erhöhung des Druckes P5 und gleichzeitig zu einem Druckabbau von P- auf P,. Die Ausbildung des Wulstes 14 ist für die Einstellung des Unterdruckes P_ verantwortlich, wenn P3 ebenfalls einen Unterdruck bezeichnet. Wie in der Figur 8 zu sehen ist, ist der Zuführkanal 2 über eine Zuführleitung 42 mit einem Vorratsbehälter 40 verbunden, der mittels des Stopfens 41 verschlossen werden kann, mit dem auch die Auslaufmenge reguliert werden kann. Durch die Wahl der Höhe des Vorratsbehälters 40 über dem Fließer 1 werden die Druckverhältnisse im Zuführkanal 2 eingestellt. Der Abführkanal 4 ist über eine Rückführleitung 43 mit dem Vorratsbehälter 40 verbunden. Zur Ausbildung des gewünschten Unterdrucks im Abführkanal 4 ist eine Pumpe 44 vorgesehen, die gleichzeitig die Überschußmenge in den Vorratsbehälter 40 befördert.
Die Rückführung der überschüssigen Flüssigkeit kann auch im Fließer erfolgen, wie in der Figur 4 dargestellt ist. Die Flüssigkeitsstrδmung wird bei der hier gezeigten Ausführung durch das in Pfeilrichtung bewegte Substrat 30 in Gang gebracht. Die Druckoptimierung wird ausschließlich durch die Querschnittsgestaltung der Kanäle 2, 3, 4 und 15 durchgeführt. Wie in der Figur 4 zu sehen ist, wird die Querschnittsgestaltung ausschließlich durch die Formgebung des Kernteils 8 bestimmt. Im Gegensatz zu der Ausführung gemäß Figur 3 weist das Kernteil 8 an der Unterseite 10 lediglich einen Wulst 14 im Bereich vor dem Abführkanal 4 auf. Der erste Wulst entfällt, da wegen der fehlenden Druckeinrichtung kein Durchflußbegrenzer erforderlich ist.
Der Rückführkanal 15, der den Abführkanal 4 und den Zuführkanal 2 miteinander verbindet, wird durch die Oberfläche 12 des Kernteils 8 und den Flüssigkeitsspiegel definiert. Die durch den Austrittskanal 5 ablaufende Flüssigkeit ist durch Zuführung neuer Flüssigkeit vorzugsweise im Rückführkanal zu ersetzen.
BEZUGSZEICHENLISTE
Fließer Zuführkanal Strömungskanal Abführkanal Austrittskanal Aus rittsbegrenzungsteil Eintrittsbegrenzungsteil Kern Vorderseite Unterseite Rückseite Oberseite 1. Wulst 2. Wulst Rückführkana1 Seitenwand Seitenwand Spalt Substrat erstarrte Schicht Erstarrungsfront Verzweigungspunkt Überdruckmeniskus filmbildender Meniskus Flüssigkeitsband Vorratsbehälter Stopfen Zuführleitung Rückführleitung Pumpe

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung dünner Schichten aus Flüssigkeiten als Beschichtung oder Folie, bei dem ein Substrat und eine Aufgießstelle relativ zueinander bewegt werden und bei dem während der Bewegung die Flüssigkeit auf das Substrat an der Aufgießstelle unter Ausbildung eines Flüssigkeitsbandes aufgegossen wird und das aufgegossene Flüssigkeitsband erstarren gelassen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß auf das Substrat eine größere Menge an Flüssigkeit aufgegossen wird, als für die Ausbildung des Flüssigkeitsbandes benötigt wird und daß die überschüssige Flüssig¬ keitsmenge abgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die dem Substrat abgewandten oberen Flüssigkeitsschichten des Flüssig¬ keitsbandes als überschüssige Flüssigkeits¬ menge abgeführt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die überschüssige Flüssigkeitsmenge beabstandet hinter der Auf¬ gießstelle an einer Abführstelle entnommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgegossene Flüssigkeit zwischen Aufgießstelle und Ab¬ führstelle zumindest im Kontaktbereich Substrat/ Flüssigkeit als laminare Strömung geführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Flüssigkeit an der Aufgießstelle ein Überdruck und an der Abführstelle ein Unterdruck gegenüber der Um¬ gebung eingestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Unterdruck derart einge¬ stellt wird, daß sich ein filmbildender Meniskus unmittelbar hinter der Abführstelle ausbildet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei- bis zehnfache Menge der für das Flüssigkeitsband benötigten Flüssigkeitsmenge zugeführt wird
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeführte Flüssigkeitsmenge rückgeführt wird.
9. Fließer zum Aufbringer einer Flüssigkeit auf ein Substrat zur Ausbildung einer dünnen Schicht, wobei Substrat und Fließer relativ zueinander bewegbar sind, mit einem Flüssig¬ keitszuführkanal und mit einem Austrittsbegrenzungsteil,das zusammen mit dem Substrat einen Austrittskanal bildet, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Austrittskanal (5) beabstandet zum Zuführkanal (2) ein Abführkanal (4) zum Abführen von überschüssiger Flüssigkeit vorgesehen ist, und
daß zwischen Zuführkanal (2) und Abführkanal (4) die Unterseite (10) des Fließers (1) zusammen mit dem Substrat (30) zur Ausbildung eines Strömungskanals (3) ausgestaltet ist, der zumindest abschnittsweise einen größeren Querschnitt aufweist als der Austrittskanal (5).
10. Fließer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abführkanal (4) an das Austrittsbegrenz¬ ungsteil (6) angrenzt.
11. Fließer nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (10) des Fließers (1) im Bereich zwischen Zuführkanal (2) und Abführkanal (4) strukturiert ist.
12. Fließer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (10) hinter dem Zuführkanal (2) und vor dem Abführkanal (4) jeweils einen Strömungswiderstand in Form eines senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufenden Wulstes (erster Wulst 13, zweiter Wulst 14) aufweist.
13. Fließer nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des ersten Wulstes (13) zur Oberfläche des Substrates (30) geringer ist als der Abstand des zweiten Wulstes (14) zur Substratoberfläche.
14. Fließer nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abführkanal (4) sich über die gesamte Breite des Fließers (1) erstreckt und vom Strömungskanal (3) nach oben führt, so daß die im Strδmungskanal (3) oben¬ liegenden Flüssigkeitsschichten abführbar sind.
15. Fließer nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführkanal (2) an eine Druckeinrichtung zur Einstellung eines Überdrucks in der Flüssigkeit im Bereich der Aufgießstelle angeschlossen ist.
16. Fließer nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Abführkanal (4) an eine Druckeinrichtung zur Einstellung eines Unterdrucks in der Flüssigkeit an der Ver¬ zweigungsstelle (33) zwischen Strömungskanal (3), Austrittskanal (5) und Abführkanal (4) ange¬ schlossen ist.
17. Fließer nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Abführkanal (4) über einen Rückführkanal (15, 43) mit dem Zuführkanal (2) in Verbindung steht.
18. Fließer nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Fließers (1) ein Kernteil (8) angeordnet ist, der Zuführkanal (2), Strδmungskanal (3) und Abführ¬ kanal (4) begrenzt.
19. Fließer nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernteil (8) mit seiner Oberseite (12) den Rückführkanal (15) begrenzt.
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