CN111936663B

CN111936663B - 表面处理设备

Info

Publication number: CN111936663B
Application number: CN201980021776.2A
Authority: CN
Inventors: 马田拓实; 新垣之启
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2024-03-08
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: CN111936663A; US20210010129A1; JPWO2019188683A1; EP3760759A1; WO2019188683A1; KR20200118874A; JP6604463B1; EP3760759A4; KR102443298B1; US11732348B2

Abstract

本发明提供能够抑制被成膜材料的抖动的表面处理设备，该表面处理设备通过PVD法在沿纵向输送的被成膜材料的两表面上连续地进行成膜。上述表面处理设备具有腔室，通过PVD法在沿纵向在上述腔室内输送的被成膜材料的两表面上连续地进行成膜，其中，该表面处理设备还具备输送上述被成膜材料的输送机构以及在上述腔室内的上述被成膜材料的两表面侧沿纵向吹送成膜气体的送风机构，将上述成膜气体的风速以米/分钟的单位设为X、将上述被成膜材料的输送速度以米/分钟的单位设为Y时，以X/Y表示的比在0.4～3.0的范围内。

Description

表面处理设备

技术领域

本发明涉及表面处理设备。

背景技术

取向性电磁钢板是可以用作变压器和发电机等的铁芯材料的软磁性材料。取向性电磁钢板具有作为铁的易磁化轴的<001>取向在钢板的轧制方向上高度一致的结晶组织。这样的织构通过取向性电磁钢板的制造工序中的最终退火而形成，所述最终退火中，优先使被称为所谓的高斯取向的{110}<001>取向的晶粒巨大生长。作为取向性电磁钢板的制品的磁特性，要求磁通密度高、铁损低。

取向性电磁钢板的磁特性通过对钢板表面施加拉应力(张力)而变得良好。作为对钢板施加拉应力的现有技术，通常采用下述技术：在钢板表面上形成厚度约2μm的镁橄榄石覆膜，在其上形成厚度约2μm的硅磷酸盐覆膜。在高温下形成与钢板相比具有低热膨胀率的硅磷酸盐覆膜，并将其降至室温，利用钢板与硅磷酸盐覆膜的热膨胀率之差而对钢板施加拉应力。

通过使最终退火后的取向性电磁钢板的钢板表面变得平滑，能够进一步增大覆膜的拉应力所导致的铁损的降低。

但是，通过最终退火在钢板表面形成的镁橄榄石覆膜由于锚定效果而与钢板密合。因此，钢板表面的平滑度必然会劣化。

另外，硅磷酸盐与金属的密合性低，因此无法在除去镁橄榄石覆膜而变得平滑的钢板表面上直接地形成硅磷酸盐覆膜。

因此，已知有如下技术：使用CVD法或PVD法在除去镁橄榄石覆膜而变得平滑的钢板表面上形成由TiN等构成的陶瓷覆膜(参见专利文献1～2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平01-176034号公报

专利文献2：日本特开昭62-040368号公报

发明内容

发明所要解决的问题

本发明人研究了针对所输送的钢板(不具有镁橄榄石覆膜的最终退火后的取向性电磁钢板)等被成膜材料通过PVD法连续地进行成膜的方式。更详细而言，对于在沿纵向在腔室内输送的被成膜材料的两表面侧同时进行成膜的方式进行了研究。在上述方式中，将在PVD法中使用的靶配置于沿纵向输送的被成膜材料的两表面侧，并且，在被成膜材料的两侧沿纵向吹送成膜气体。

研究的结果可知，在上述方式中，有时被成膜材料发生抖动。如果输送中的被成膜材料发生抖动，则有可能与腔室内的构件等接触而导致被成膜材料断裂。

此外，在上述方式中，如果被成膜材料发生抖动，则所形成的覆膜的膜厚差(将被成膜材料的一个表面设为“A面”、将另一个表面设为“B面”的情况下，是指A面的膜厚与B面的膜厚之差)有可能增大。

膜厚差的问题是PVD法特有的问题。即，在CVD法中，反应(成膜)只在达到高温的被成膜材料的表面上进行，因此，即使被成膜材料发生抖动，也难以产生膜厚差。

与此相对，在PVD法(尤其是离子镀法)中，金属离子(例如Ti离子等)从靶(进行溅射的金属等固体)向带负电的被成膜材料扩散同时分散附着，由此形成覆膜。因此，如果靶与被成膜材料的距离远，则覆膜变薄，同时成膜范围变宽。另一方面，如果靶与被成膜材料的距离近，则覆膜变厚，同时成膜范围变窄。这样，所形成的覆膜的膜厚差增大。

在被成膜材料为不具有镁橄榄石覆膜的最终退火后的取向性电磁钢板的情况下，如果在其表面上形成的陶瓷覆膜的膜厚差大，则有可能导致铁损等磁特性的劣化。

本发明是鉴于以上方面而完成的，其目的在于提供能够抑制被成膜材料的抖动的表面处理设备，该表面处理设备通过PVD法在沿纵向输送的被成膜材料的两表面上连续地进行成膜。

用于解决问题的方法

本发明人进行了深入研究，结果发现通过采用下述构成能够实现上述目的，从而完成了本发明。

即，本发明提供下述[1]～[5]。

[1]一种表面处理设备，其具有腔室，通过PVD法在沿纵向在上述腔室内输送的被成膜材料的两表面上连续地进行成膜，其中，所述表面处理设备还具备输送上述被成膜材料的输送机构以及在上述腔室内的上述被成膜材料的两表面侧沿纵向吹送成膜气体的送风机构，将上述成膜气体的风速以米/分钟的单位设为X、将上述被成膜材料的输送速度以米/分钟的单位设为Y时，以X/Y表示的比在0.4～3.0的范围内。

[2]如上述[1]所述的表面处理设备，其中，上述以X/Y表示的比在0.6～2.0的范围内。

[3]如上述[1]或[2]所述的表面处理设备，其中，上述以X/Y表示的比在0.8～1.5的范围内。

[4]如上述[1]～[3]中任一项所述的表面处理设备，其中，上述被成膜材料为金属带。

[5]如上述[1]～[4]中任一项所述的表面处理设备，其中，上述被成膜材料为不具有镁橄榄石覆膜的取向性电磁钢板。

发明效果

根据本发明，可以提供能够抑制被成膜材料的抖动的表面处理设备，该表面处理设备通过PVD法在沿纵向输送的被成膜材料的两表面上连续地进行成膜。通过抑制被成膜材料的抖动，能够使膜厚均匀地进行成膜。

附图说明

图1是示意性地示出表面处理设备的示意图。

图2是放大示出成膜设备的成膜室的截面图。

图3是示出靶的排列的示意图。

图4是示出靶的另一种排列的示意图。

具体实施方式

[表面处理设备]

简而言之，本发明的表面处理设备是具有腔室、并且通过PVD法在沿纵向在上述腔室内输送的被成膜材料的两表面上连续地进行成膜的表面处理设备。

而且，本发明的表面处理设备还具备输送上述被成膜材料的输送机构以及在上述腔室内的上述被成膜材料的两表面侧沿纵向吹送成膜气体的送风机构，将上述成膜气体的风速以米/分钟的单位设为X、将上述被成膜材料的输送速度以米/分钟的单位设为Y时，以X/Y表示的比在0.4～3.0的范围内。由此，被成膜材料的抖动得到抑制。

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。但是，本发明不限于以下实施方式。

首先，基于图1对表面处理设备1的构成进行说明。然后，对表面处理设备1所具备的成膜设备41详细地进行说明。

图1是示意性地示出表面处理设备1的示意图。表面处理设备1具有放卷盘19。放卷盘19上挂设有被成膜材料S的输送前卷材11。从放卷盘19拉出的被成膜材料S在表面处理设备1的各部中输送，由卷取盘20再次卷取，成为输送后卷材18。

放卷盘19和卷取盘20以及设置于各部的辊(包含后述的辊33和辊43)等构成输送被成膜材料S的输送机构。通过构成输送机构的各部的驱动来控制被成膜材料S的输送速度。

表面处理设备1沿被成膜材料S的输送方向依次具备：具有多级的入口侧减压室22的入口侧减压设备21、具有预处理室32的预处理设备31、具有作为腔室的成膜室42的成膜设备41和具有多级的出口侧减压室52的出口侧减压设备51。除了入口侧减压室22、预处理室32、成膜室42和出口侧减压室52的内部以外，被成膜材料S在大气压气氛中输送。

被成膜材料S的组成、材质没有特别限定，作为被成膜材料S，可以列举例如金属带、膜、半导体等。在被成膜材料S为钢板等金属带的情况下，被成膜材料S例如沿轧制方向输送。

以下，以被成膜材料S为作为金属带的一种的最终退火后的取向性电磁钢板的情况为例进行说明。即，放卷盘19上挂设最终退火后的取向性电磁钢板S(以下也简记为“钢板S”)的输送前卷材11。

经过最终退火后的取向性电磁钢板通常具有镁橄榄石覆膜。

在钢板S具有镁橄榄石覆膜的情况下，钢板S在导入至入口侧减压设备21的入口侧减压室22中之前利用未图示的研磨设备等进行研磨，除去镁橄榄石覆膜。另一方面，在钢板S不具有镁橄榄石覆膜等氧化物覆膜的情况下，不进行研磨地导入至入口侧减压设备21的入口侧减压室22中。

多级的入口侧减压室22的内压随着接近预处理室32而阶段性地减小。这样，对导入至入口侧减压室22中的钢板S(不具有镁橄榄石覆膜的取向性电磁钢板)施加的压力从大气压变得接近预处理室32和成膜室42的内压。入口侧减压室22的级数优选为3级以上。

如图1所示，从入口侧减压室22中通过后的钢板S被导入至预处理室32中。在预处理室32中，钢板S被多个辊33张紧地输送。对于输送中的钢板S，在减压条件下实施预处理。通过预处理，除去附着于钢板S的表面的氧化物等杂质。由此，覆膜(例如，氮化物覆膜)对钢板S的密合性显著提高。因此，预处理设备31虽然不是必须的设备，但优选设置。

作为预处理的方法，优选离子溅射。离子溅射的情况下，作为所使用的离子种，优选使用氩气和氮气等不活泼气体的离子、或者Ti和Cr等金属的离子。

预处理室32的内部被减压，为了提高溅射离子的平均自由程，预处理室32的内压优选为0.0001～1Pa。优选以钢板S作为阴极而施加-100～-1000V的偏置电压。

实施了预处理的钢板S被导入至成膜设备41的成膜室42中。在成膜室42中输送的钢板S的表面上，在减压条件下实施成膜。成膜设备41和成膜室42的详细情况之后进行说明。

成膜后的钢板S被导入至出口侧减压设备51的出口侧减压室52中。多级的出口侧减压室52的内压随着离开成膜室42而阶段性地升高。这样，对钢板S施加的压力从预处理室32和成膜室42的内压返回至大气压。出口侧减压室52的级数优选为3级以上。

从出口侧减压设备51出来的钢板S被卷取到卷取盘20上，成为输送后卷材18。然后，可以对钢板S形成公知的张力绝缘覆膜或者进行去应力退火。

<成膜设备>

接着，基于图2～图4对成膜设备41更详细地进行说明。

图2是放大示出成膜设备41的成膜室42的截面图。成膜设备41的成膜室42的内部通过来自后述的抽吸口45的排气(抽吸)而成为减压空间。钢板S在成膜室42的减压空间中沿图2中所示的箭头方向(也称为输送方向)输送。

在图2中，在成膜室42中输送的钢板S沿输送方向依次被辊43a、辊43b、辊43c和辊43d(以下，也将它们统称为“辊43”)张紧。钢板S在通过各辊时进行90度的方向转换。由此，例如，在辊43a与辊43b之间以及辊43c与辊43d之间，钢板S沿纵向(垂直方向)输送。在此，垂直方向是相对于水平面或地平面成直角的方向。

在钢板S沿纵向输送的情况下，通常会担心因重力所致的钢板S的变形。但是，如后所述，即使PVD法中的成膜温度高，也只是约600℃，钢板的杨氏模量不会降低太多，因此不易发生变形。

如果将钢板S沿纵向抬起的高度(例如，在图2中为辊43a与辊43b之间的距离)为约50m，则不易发生钢板S的变形。因此，将钢板S沿纵向抬起的高度优选为50m以下。另一方面，如果考虑成膜所需的距离，该高度优选为1m以上。

例如，也可以如辊43b与辊43c之间那样在成膜室42中具有钢板S沿横向(水平方向)输送的部位。

如图2所示，在成膜室42的内部，在沿纵向输送的钢板S的两表面侧配置有PVD(物理气相沉积，Physical Vapor Deposition)法中使用的靶T。靶T由未图示的保持件保持。

在图2的例示中，在辊43a与辊43b之间以及辊43c与辊43d之间，分别在钢板S的各单面配置有两列靶T，但不限于此。但是，靶T的列数过多时会产生成膜室42过长等问题，因此优选为约80列以下。

在此，对每一列的靶T的个数(在钢板S的宽度方向上配置的靶T的个数)进行说明。请参照图3和图4。

图3是示出靶T的排列的示意图。每一列的靶T的个数没有特别限定，可根据钢板S的宽度方向的长度适当设定。例如，可以如图3所示每一列配置7个靶T。在图3中，靶T沿着钢板S的输送方向如假想线L1那样以直线状排列。

图4是示出靶T的另一种排列的示意图。如图4所示，靶T也可以沿着钢板S的输送方向如假想线L2那样交错排列(排列成闪电形)。这种情况下，可在钢板S的宽度方向上没有偏差地实施使用靶T的成膜，因此优选。

再返回到图2的说明。如图2所示，在沿纵向输送的钢板S的两表面侧配置有喷出成膜气体G的喷出口44。成膜气体G是氮气、TiCl₄的气体等在成膜中使用的气体。

喷出口44位于靶T的上游侧或下游侧。例如，参照图2，辊43a与辊43b之间的喷出口44与靶T相比位于钢板S的输送方向的上游侧。另一方面，辊43c与辊43d之间的喷出口44与靶T相比位于钢板S的输送方向的下游侧。

喷出口44与未图示的喷出装置连接，向靶T和与靶T相对的钢板S之间喷出成膜气体G。

在钢板S的两表面侧，与喷出口44对应地配置有抽吸口45。与喷出口44同样，抽吸口45位于靶T的上游侧或下游侧。但是，抽吸口45隔着靶T位于喷出口44的相反侧。例如，参照图2，辊43a与辊43b之间的抽吸口45位于靶T的下游侧。另一方面，辊43c与辊43d之间的抽吸口45位于靶T的下游侧。

抽吸口45与未图示的抽吸泵连接，对成膜室42的内部进行排气(抽吸)，实现减压空间。

此外，抽吸口45朝向靶T和与靶T相对的钢板S之间而配置，抽吸从喷出口44喷出的成膜气体G。

喷出口44和抽吸口45构成在钢板S的两表面侧沿纵向吹送成膜气体G的送风机构。

通过调节来自喷出口44的成膜气体G的喷出量和/或来自抽吸口45的抽吸量，可控制成膜气体G的风速。

从喷出口44喷出的成膜气体G(的至少一部分)在靶T与钢板S之间通过，并从对应的抽吸口45被抽吸。考虑到如果来自抽吸口45的排气(抽吸)过强、则有时成膜气体G不能充分地到达钢板S等，以成为期望的内压的方式进行排气。

为了方便起见，将由喷出口44的前端、抽吸口45的前端和靶T限定的空间称为成膜空间47。基本上，在成膜空间47中对钢板S进行成膜。

在图2中，在辊43a与辊43b之间，成膜气体G的送风方向为与钢板S的输送方向相同的方向。与此相对，在辊43c与辊43d之间，成膜气体G的送风方向为与钢板S的输送方向相反的方向。

这样，成膜气体G的送风方向既可以是与钢板S的输送方向相同的方向，也可以是相反的方向。

在成膜室42的内部，为了防止成膜气体G等在辊43的表面周围流动并成膜而设置有隔板46。

例如，如图2所示，在辊43a与喷出口44之间配置有隔板46，进而，在抽吸口45与辊43b之间也配置有隔板46。

在这样的构成中，在成膜室42中，沿纵向输送钢板S，在钢板S的两表面侧吹送成膜气体G，通过PVD法连续地进行成膜。成膜时，对靶T实施溅射或电弧放电。靶T被未图示的加热器加热。

更详细而言，例如，以靶T作为阴极，在与阳极之间产生电弧放电，靶T离子化。该离子(金属离子)也用于维持等离子体。对钢板S施加负的偏置电压，吸引等离子体中的金属离子。在形成TiN等氮化物覆膜的情况下，导入作为成膜气体G的氮气等。

此时，将成膜气体G的风速设为X(单位：米/分钟)、将钢板S的输送速度设为Y(单位：米/分钟)。并且，在以X/Y表示的比(以下也称为“X/Y比”)在0.4～3.0的范围内的情况下，输送的钢板S的抖动被抑制。

认为这是因为，通过使上述X/Y比在上述范围内，成为钢板S的输送速度与成膜气体G的风速同步的状态，其结果是钢板S的抖动被抑制。

通过抑制钢板S的抖动，能防止例如钢板S与隔板46等接触而发生断裂。

通过抑制钢板S的抖动，能够减小通过PVD法形成的覆膜的膜厚差(将钢板S的一个表面设为“A面”、将另一个表面设为“B面”的情况下，是指A面的膜厚与B面的膜厚之差)。通过减小膜厚差，也能够抑制铁损等磁特性的劣化。

成膜气体G的风速为成膜空间47的纵向的中间位置48的风速。测定成膜气体G的风速的手段没有特别限定，可以适当采用公知的测定手段。

成膜气体G的风速在钢板S的两表面侧为相同速度。

出于进一步抑制钢板S的抖动的理由，上述X/Y比优选在0.6～2.0的范围内、更优选在0.8～1.5的范围内。

钢板S优选在成膜时被加热。作为对钢板S进行加热的手段，由于成膜室42的内部为减压空间，因此必然无法使用燃烧器等。作为替代，例如只要是感应加热(IH)、电子束照射、激光、红外线等不需要氧的手段就没有特别限定，可以适当使用。

PVD法优选离子镀法。成膜温度优选为300～600℃，成膜室42的内部的压力(内压)优选为0.1～100Pa。成膜时，优选将钢板S作为阴极而施加-10～-100V的偏置电压。通过在原料的离子化中使用等离子体，能够提高成膜速度。

作为在钢板S上形成的覆膜，优选氮化物覆膜，更优选金属氮化物覆膜，进一步优选含有选自由Zn、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Ti、Y、Nb、Mo、Hf、Zr、W和Ta组成的组中的至少一种金属的金属氮化物覆膜。它们容易形成岩盐型结构，容易与钢板S的钢基的体心立方晶格匹配，因此能够提高覆膜的密合性。

在钢板S上形成的覆膜可以是由单层构成的覆膜，也可以是由多层构成的覆膜。

实施例

以下，列举实施例对本发明具体地进行说明。但是，本发明不限于此。

<No.1～10>

将最终退火后的取向性电磁钢板S(板厚：0.23mm)的输送前卷材11(总质量8吨)供给至基于图1～图4说明的表面处理设备1而进行成膜。更详细而言，首先，将通过机械研磨除去了镁橄榄石覆膜的钢板S导入至预处理室32中，通过Ar离子溅射除去表面的杂质。

接着，在成膜室42中，使用靶T，通过PVD法在钢板S的表面上形成TiN覆膜(单面的目标膜厚：0.4μm)。PVD法采用离子镀法，成膜温度设定为500℃。每一列的靶T的个数设定为3个。靶T的形状设定为φ100mm、高度50mm。

此时，在成膜室42中，对于各例，控制成膜气体G的风速X(单位：米/分钟)和钢板S的输送速度Y(单位：米/分钟)，将风速X/输送速度Y(X/Y比)如下述表1所示进行调节。

在成膜室42的出口侧，检查在钢板S的两表面(将一个表面设为“A面”、将另一个表面设为“B面”)上形成的TiN覆膜的膜厚。膜厚通过用荧光X射线测定Ti强度来检查。将结果示于下述表1中。

在下述表1中还记载了膜厚差(A面的膜厚与B面的膜厚之差)。膜厚差越小，可以评价为钢板S的抖动越被抑制。

此外，下述表1中还记载了“膜厚差/单面的目标膜厚×100”的值。

然后，在形成有TiN覆膜的钢板S的表面上形成由硅磷酸玻璃构成的张力绝缘覆膜(膜厚：2μm)。更详细而言，辊涂规定的处理液后，进行干燥，接着，在氮气气氛中于850℃下实施15秒的烧结。然后，在氮气气氛中于800℃下实施3小时的去应力退火。

这样，得到由钢板/TiN覆膜/张力绝缘覆膜构成的取向性电磁钢板。对于所得到的取向性电磁钢板，测定铁损W_17/50(单位：W/kg)。将结果示于下述表1中。

[表1]

如上述表1所示，与X/Y比在0.4～3.0的范围外的No.1和No.10相比，X/Y比在0.4～3.0的范围内的No.2～9的膜厚差更小、钢板S的抖动被进一步抑制、并且铁损的值也更小。

符号说明

1：表面处理设备

11：输送前卷材

18：输送后卷材

19：放卷盘

20：卷取盘

21：入口侧减压设备

22：入口侧减压室

31：预处理设备

32：预处理室

33：辊

41：成膜设备

42：成膜室(腔室)

43(43a、43b、43c、43d)：辊

44：喷出口

45：抽吸口

46：隔板

47：成膜空间

48：中间位置

51：出口侧减压设备

52：出口侧减压室

G：成膜气体

S：被成膜材料、最终退火后的取向性电磁钢板(钢板)

T：靶

Claims

1.一种PVD法，其是在沿纵向在表面处理设备所具有的腔室内输送的被成膜材料的两表面上，使用配置在所述被成膜材料的两表面侧的靶连续地进行成膜的PVD法，其中，

所述表面处理设备还具备：

输送所述被成膜材料的输送机构、以及

在所述腔室内的所述被成膜材料的两表面侧沿纵向吹送成膜气体的送风机构，

所述送风机构由喷出口和抽吸口构成，

所述喷出口配置在所述靶的上游侧或下游侧，喷出所述成膜气体，

所述抽吸口隔着所述靶配置在所述喷出口的相反侧，抽吸从所述喷出口喷出并从所述靶与所述被成膜材料之间通过的成膜气体，

在所述腔室中具有所述被成膜材料沿横向输送的部位，

将所述成膜气体的风速以米/分钟的单位设为X、将所述被成膜材料的输送速度以米/分钟的单位设为Y时，通过所述送风机构控制所述成膜气体的风速、并且所述输送机构控制所述被成膜材料的输送速度而使以X/Y表示的比在0.4～3.0的范围内。

2.如权利要求1所述的PVD法，其中，所述以X/Y表示的比在0.6～2.0的范围内。

3.如权利要求1或2所述的PVD法，其中，所述以X/Y表示的比在0.8～1.5的范围内。

4.如权利要求1或2所述的PVD法，其中，所述被成膜材料为金属带。

5.如权利要求3所述的PVD法，其中，所述被成膜材料为金属带。

6.如权利要求1或2所述的PVD法，其中，所述被成膜材料为不具有镁橄榄石覆膜的取向性电磁钢板。

7.如权利要求3所述的PVD法，其中，所述被成膜材料为不具有镁橄榄石覆膜的取向性电磁钢板。