Brevet FR2281997A1 — publié le 19760312

L'invention concerne un appareil, en particulier un appareil de métallisation sous vide, pour recouvrir en continu des corps de forme allongée et notamment des fils d'un dépôt qui les recouvre tout autour par vaporisation sous vide d'une matière devant former le dépôt, cet appareil comprenant un creuset de vaporisation sous forme d'un cylindre creux à axe horizontal qui est animé d'une rotation autour de cet axe et qui est traversé parallèlement à son axe par au moins un corps à recouvrir qui entre par une extrémité du creuset cylindrique et sort par son extrémité opposée, ainsi qu'une source d'électrons pour la production d'un rayon électronique dirigé vers l'intérieur du creuset. Le brevet des Etets-Unis d'Amérique 3.019.129 décrit un creuset de vaporisation sous forme d'un cylindre creux tournant à grande vitesse et dont la paroi intérieure est recouverte de la matière è vaporiser (de l'aluminium à l'état fondu) en raison de la force centrifuge. Les extrémités du creuset cylindrique sont ouvertes et les corps à métalliser passent par ces extrémités ouvertes à travers le creuset, où ils sont exposés tout autour au flux de vapeur. Du fait que ce creuset centrifuge est chauffé par induction et du fait que l'utilisation de matériaux métalliques pour la confection du creuset est inévitable, la paroi extérieure du creuset est portée à une température très élevée en raison de l'important gradient de température nécessaire.La température très élevée de sa paroi extérieure pose des problèmes pour les paliers du creuset centrifuge et pour le refroidissement de l'ensemble de l'appareil et elle entraine obligatoirement d'importantes pertes de chaleur. De plus, les taux de vapo- risation de cet appareil connu sont relativement bas, de sorte que la capacité de métallisation et en particulier le débit en matière métallisée sont faibles. Il est également connu déjà de remplacer le chauffage par induction d'un creuset centrifuge par un chauffage par rayon électronique. Un tel appareil est décrit dans la demande de brevet soumise à l'inspection Publique 1.771.352 de la République Fédérale d'Allemagne. Cet appareil comprend un creuset centrifuge cylindrique dont l'une des extrémités est fermée à l'exception d'un orifice de passage pour le fil à métalliser et le rayon électronique est dirigé vers l'intérieur du creuset, où il chauffe la matière à vaporiser par bombardement direct, à travers l'extrémité opposée ouverte du cylindre. Le creuset centrifuge est supporté et entraîné en rotation sur l'extrémité fermée par un arbre monté dans une traversée étanche au vide dans l'enveloppe de l'ensemble de l'appareil. Le creuset centrifuge de cet appareil ne peut avoir qu'une tres faible longueur en raison de la trajectoire qu'il faut donner au rayon électronique, de sorte que la vitesse de défilement du fil est limitée par le faible taux de vaporisation, lequel implique une durée de passage relativement longue du fil à l'intérieur du creuset. La traversée étanche au vide de l'arbre du creuset, tournant à grande vitesse, pose en outre des problèmes supplémentaires pour la sûreté de fonctionnement et la durée de service de l'appareil. L'invention apporte aux appareils du type- défini au début des perfectionnements qui facilitent considérablement le bombardement par rayons électroniques de la matière à vaporiser et qui confèrent en outre une plus grande rationna lité à ces appareils du fait que la vitesse de défilement du fil peut etre accrue sensiblement. Selon l'invention, un appareil du type défini au début est caractérisé en ce que le creuset de vaporisation est disposé à distance des parois de l'enceinte maintenue sous vide et est supporté et entraîné en rotation par des éléments situés à l'intérieur de l'enceinte et laissant les extrémités du creuset cylindrique dégagées, de manière que des rayons électroniques peuvent etre dirigés vers l'intérieur du creuset à travers ses deux extrémités. L'invention évite par conséquent la prévision d'une traversée étanche au vide pour un arbre d'entraînement du creuset centrifuge. Du fait qu'il est possible de diriger des rayons ou des faisceaux électroniques vers l'intérieur du creuset à travers ses deux extrémités, la longueur du creuset peut au moins etre doublée si bien que, à taux de vaporisation égal, la vitesse de défilement du corps de forme allongée devant etre recouvert peut également etre doublée au moins. La productivité de l'appareil peut donc etre augmentée en conséquence. L'énergie des faisceaux électroniques peut etre répartie de façon très uniforme dans le sens axial, notamment par les moyens décrits dans ce qui va suivre. Un premier moyen consiste à installer devant chaque extrémité du creuset de vaporisation un ou plusieurs canons électroniques produisant un chauffage uniforme dans le sens de la longueur.L'aire d'impact de chaque faisceau électronique sur la matière à vaporiser contenue dans le creuset peut en outre tre allongée dans le sens de l'axe du creuset par des moyens de l'optique électronique, par exemple par une conformation particulière du système des cornes polaires des aimants de déflexion. Enfin, l'aire d'impact peut également etre déplacée alternativement et de façon périodique dans le sens de l'axe du creuset, de sorte que, dans le sens de la longueur du creuset, toutes les parties de l'espace intérieur du creuset reçoivent la meme quantité d'énergie.Ces divers moyens permettent d'obtenir un taux de vaporisation qui est sensiblement constant sur toute la longueur du creuset. M & e les creusets de vaporisation relativement longs peuvent ainsi etre exploités de façon optimale. En outre, le taux de vaporisation dans le sens de la circonférence des corps à recouvrir ou du creuset peut également etre rendu constant. A cet effet, chaque faisceau électronique peut etre élargi en éventail dans le sens circonférentiel ou effectuer dans ce sens un balayage périodique comme indiqué ci-dessus pour la répartition de l'énergie dans le sens de la longueur du creuset. Pour obtenir un taux de vaporisation uniforme dans le sens circonférentiel, il est cependant très avantageux de diriger le faisceau électronique vers l'intérieur du creuset de manière qu'il passe devant l'axe de rotation du creuset avant de tomber sur l'aire visée de la matière à vaporiser. Il est possible enfin, selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, de faire passer les corps de forme allongée à travers le creuset en dehors de son axe de rotation, de sorte qu'on obtient davantage de place pour le passage des faisceaux électroniques. I1 est possible aussi d'élargir le faisceau électronique en éventail dans le sens transversal par rapport à l'axe de rotation du creuset, ou de lui faire effectuer un balayage dans ce sens, de manière qu'une partie de l'énergie du faisceau soit transmise aux corps de forme allongée devant etre recouverts, Si bien que ces corps peuvent etre portés à une température déterminée d'avance. Le creuset vaporisateur doit avoir une vitesse de rotation minimale qui découle de la réflexion suivante. La force ceatri- fuge qui agit sur une particule se trouvant à la surface intérieure de la masse tubulaire de métal liquide à vaporiser plaquée par la force centrifuge contre la paroi interne du creuset cylindrique doit etre au moins aussi grande que la pesanteur; autrement dit, il faut que soit vérifiée l'équation 2 m . g = m . r wl où m = la masse de la particule g = l'accélération due à la pesanteur r = le rayon intérieur de la masse tubulaire de métal liquide Wk = la vitesse angulaire critique de la particule Wk étant égale à 2 st nk (nk étant la vitesse de rotation critique), on peut écrire Lorsqu'on suppose que toutes les particules de la masse tubulaire de métal liquide et le creuset possèdent la meme vitesse de rotation, la grandeur nk ainsi déterminée représente en meme temps la vitesse de rotation critiqué pour le creuset lui-mtme. I1 faut cependant tenir compte du fait que lorsque la vitesse de rotation est trop faible, la masse tubulaire de métal liquide risque d'etre déformée par l'influence de la pesanteur. C'est pourquoi la vitesse de rotation minimale pratique du creuset centrifuge est avantageusement comprise entre 1,2 et deux fois la vitesse de rotation critique nk. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une coupe axiale du creuset de vaporisation et des dispositifs annexes essentiels d'un appareil selon l'invention; - la figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne II-II du creuset et de ses éléments de support et d'entraînement en rotation représentés sur la figure 1; - la figure 3 est une coupe axiale d'un creuset de vaporisation suivant une variante de réalisation de celui représenté sur la figure 1; et - la figure 4 est une coupe transversale suivant la ligne IV-IV du creuset de la figure 3. La figure 1 représente un creuset de vaporisation 10 qui a la forme d'un cylindre creux à axe horizontal qui est monté de manière qu'il puisse etre entraîné en rotation autour de cet axe et qui est composé d'une enveloppe métallique 11 et d'un garnissage intérieur céramique 12. A chacune des deux extrémités du creuset cylindrique rotatif 10, l'enveloppe métallique 11 et le garnissage céramique 12 définissent une ouverture centrale 13. Ces deux ouvertures 13 servent au passage d'un corps 14 de forme allongée qui doit etre recouvert d'un dépôt par vaporisation sous vide et qui est constitué dans ce premier exemple par un fil unique.Les ouvertures 13 livrent également passage à des faisceaux électroniques 15 dirigés vers l'intérieur du creuset et à un fil d'alimentation 16 fait de la matière à vaporiser devant former le dépôt sur le fil 14 et compensant notamment la quantité de cette matière sortant de l'espace intérieur 17 du creuset 10 sous forme d'une couche de revetement sur le fil. Les faisceaux électroniques 15 sont chacun issus de l'un des deux canons électroniques 18 placés devant les extrémités du creuset 10 et qui sont de type connu, de sorte que leur description détaillée n'est pas nécessaire ici. Chacun des canons électroniques 18 comprend dans la region de sortie du faisceau un dispositif de dé flexion de faisceau 19 qui peut notamment etre forme d'un système de cornes polaires d'aimants. Les faisceaux électroniques 15 tombent à l'intérieur du creuset 10 sur la surface intérieure de la masse tubulaire de métal liquide à vaporiser 20, par laquelle ils sont partiellement réfléchis plusieurs fois, comme représenté sur la figure 1. A chaque point d'incidence de chacun des faisceaux électroniques, une partie de l'énergie du faisceau est transformée en chaleur selon un processus généralement connu par les vaporisateurs à faisceaux électroniques. Le fil d'alimentation 16 est dévidé suivant les besoins d'une bobine 21 par trois galets de transport 22 qui le dirigent suivant un parcours courbe dans l'espace intérieur 17 du creuset 10. Le besoin en fil d'alimentation 16 est déterminé par un appareil de mesure 23 qui capte notamment le niveau du bain, c'est-à-dire le niveau de la surface intérieure de la masse tubulaire de métal liquide à vaporiser 20. L'appareil de mesure 23 capte en outre la densité de vapeur ou la température de la matière 20 à vaporiser et agit par une liaison 24 sur un régulateur 25 qui règle par une liaison 26 la puissance électrique des canons électroniques 18. La matière 20 à vaporiser peut etre maintenue à un potentiel négatif approprié pour permettre un "revetement ionique" lors de la précipitation de la vapeur. Le creuset 10 est monté rotatif, près de ses extrémités, entre deux jeux de trois galets 27 disposés en triangle dans des paliers individuels 28 et calés chacun sur un axe 29 sur lequel est calé également le galet 27 correspondant de l'autre jeu. Les deux paliers 28 situés au milieu au-dessus de l'axe de rotation du creuset 10 sont suspendus par l'intermédiaire de ressorts 30 sur des appuis fixes 31 pour assurer que l'ensemble des galets 27 reste en permanence en contact avec la surface latérale du creuset 10. L'une ou les deux paires de galets 27 situés en bas est ou sont reliées à un moteur d'entraînement non représenté qui permet de faire tourner le creuset 10 à la vitesse requise.L'ensemble est entouré d'une enveloppe étanche au vide, non représentée sur la figure 1, qui définit l'enceinte maintenue sous vide et qui présente des sas à vide pour l'entrée et la sortie du corps 14 de forme allongée, ou à l'intérieur de laquelle sont placés des dispositifs de dévidage et d'enroulement pour ce corps ou fil 14. Ces éléments ne sont ni représentés ni décrits ici puisqu'ils font partie de l'état connu de la technique. La coupe transversale que montre la figure 2 fait ressortir, en combinaison avec la figure 1, qu'au moins l'un des faisceaux électroniques 15 est dirigé vers l'intérieur du creuset 10 de manière qu'il passe à côté de l'axe de rotation du creuset avant de tomber sur l'aire visée à la surface intérieure de la masse tubulaire de métal liquide. Le faisceau 15 passe donc à côté du fil 14 et peut ainsi etre réEléchi partiellement et plusieurs fois de suite, chaque fois avec libération d'une certaine quantité d'énergie. On obtient de cette manière une distribution plus uniforme de l'énergie dans le sens circonférentiel, même si la vitesse de rotation du creuset 10 est minimale, de sorte que le taux de vaporisation est maintenu aussi constant que possible dans le sens de la circonférence de la surface du bain. Les figures 3 et 4 représentent une variante de réalisation pour laquelle sont utilisées les memes références que dans l'exemple des figures 1 et 2 mais qui ne montrent pas les éléments qui ne sont pas essentiels pour l'invention. Les corps 14 de forme allongée sont dans ce cas trois fils qui sont à recouvrir d'un dépôt en meme temps et qui traversent le creuset de vaporisation 10 sensiblement de la meme manière que dans l'exemple des figures 1 et 2, sauf qu'ils passent en dehors de l'axe de rotation du creuset 10, en l'occurrence au-dessus de cet axe. On dispose ainsi de davantage de place sous les fils 14 dans l'espace intérieur 17 pour l'introduction du ou des faisceaux 15. La variante des figures 3 et 4 ne comprend qu'un seul canon électronique 18, dont le faisceau 15 balaye périodiquement la surface intérieure de la matière 20 à vaporiser dans la zone située entre les lignes en pointillé 15a. La coupe transversale de la figure 4 fait ressortir encore plus clairement le trajet de défilement des trois fils 14 à travers le creuset. L'introduction du fil d'alimentation 16 dans le creuset, la régulation de sa vitesse d'introduction et la régulation de la puissance électrique du canon électronique 18 s'effectuent de la façon déjà décrite relativement à la figure 1. R E V E N D I C A T I O N S 1. Appareil, en particulier appareil de métallisation sous vide, pour recouvrir en continu des corps de forme allongée et notamment des fils d'un dépôt qui les recouvre tout autour par vaporisation sous vide d'une matière devant former le dépôt, cet appareil comprenant un creuset de vaporisation sous forme d'un cylindre creux à axe horizontal qui est animé d'une rotation autour de cet axe et qui est traversé parallèlement à son axe par au moins un corps à recouvrir qui entre par une extrémité du creuset cylindrique et sort par son extrémité opposée, ainsi qu'une source d'électrons pour la production d'un rayon électronique dirigé vers l'intérieur du creuset, caractérisé en ce que le creuset de vaporisation est disposé à distance des parois de l'enceinte maintenue sous vide et est supporté et entraîné en rotation par des éléments situés à l'intérieur de l'enceinte et laissant les extrémités du creuset cylindrique dégagées, de manière que des rayons électroniques peuvent etre dirigés vers l'intérieur du creuset à travers ses deux extrémités. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou les sources d'électrons sont disposées et orientées par rapport au creuset de manière que le ou les rayons électroniques passent à côté de l'axe de rotation du creuset avant de tomber sur l'aire visée à la surface intérieure de la matière liquide à~vaporiser à l'intérieur du creuset. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou les corps de forme allongée traversent le creuset en dehors de l'axe de rotation du creuset.