JP2005200706A

JP2005200706A - 帯状体のイオンプレーティング装置

Info

Publication number: JP2005200706A
Application number: JP2004008500A
Authority: JP
Inventors: Masao Iguchi; 征夫井口
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2004-01-15
Filing date: 2004-01-15
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】連続的な処理においてもコーティング対象物に印加するバイアス電圧は-50〜-70V程度と十分低く維持しながら、金属イオンによるボンバードメント効果とそれによる密着性の優れたセラミック被膜を得ることができる帯状体のイオンプレーティング装置を提案する。
【解決手段】入側差圧室と、イオンプレーティング被覆帯と、出側差圧室を備え、前記イオンプレーティング被覆帯の少なくとも先頭部分には初期被覆形成室を設けてなり、該初期被覆形成室は前記帯状体の通路を挟んで設けられた一対のマルチアーク放電部及び反応ガス導入口を具備するとともに該マルチアーク放電部を取り囲み+200〜+500Vの電位に印加されるバイアス電圧印加板を備えてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオンプレーティング法によりコーティング対象物（基板）上にセラミック被膜を被成する装置に係り、特にアーク放電を利用してプラズマを発生させて、鋼帯などの帯状体の表面にセラミック被膜を連続的に被成する装置に関する。なお、本発明においてアーク放電方式というときは、真空チャンバー中に複数の陰極を有するマルチアーク放電方式を含むものである。

イオンプレーティング法は金属などの基板上に密着性よくTiN、TiCN、TiC、CrN等のセラミック被膜を形成する手段として広く活用されており、HCD法、ARE法、高周波イオンプレーティング法、クラスターイオンプレーティング法、アーク放電方式イオンプレーティング法等種々の方法が工業的に利用されている。

中でもアーク放電方式のイオンプレーティング法（以下単に「アーク放電方式」という）は、固体の金属から直接イオン化率の高い金属蒸気流を得ることができるため、他の手段に比べて省エネルギーによるコーティングができるという利点がある。また、イオン化率の高い金属の蒸気が得られるため、他の手段に比べて密着性の優れたセラミック被膜の被成が可能であるとされている。これについて、成膜速度が0.1〜0.5μm/min程度と極めて小さいという問題があったが、近年ではマルチアーク放電方式の採用など種々の努力により0.5〜5.0μm/min程度まで向上している。

このマルチアーク放電方式に係る典型的な装置は、たとえば特許文献１に「マルチアーク放電方式のイオンプレーティング装置」として示されている。この装置では、特許文献１の図３に示されているように、真空チャンバーと陰極金属（蒸発源）との間に数十V（ボルト）のアーク電圧が印加されるようになっており、一方、真空チャンバー内の所定位置にはコーティング対象物がセットされ、これに定電圧電源により-100〜-1000Vのバイアス電圧が印加されるようになっている。これにより、アーク放電により溶融蒸発した金属原子がプラズマ領域内でイオン化され、真空チャンバー内に導入されている導入ガスと衝突し、導入ガスとともにイオン化され、イオン化された金属が加速されてコーティング対象物に付着する。

この際、コーティング対象物には-100〜-1000Vのバイアス電圧が印加されているので、コーティング対象物は加速された金属イオンによりボンバードメントの作用を直接受けることになり、コーティング対象物の清浄化の促進が図られ、密着性の優れたセラミック被膜の被成が可能であるとされている。

特開平7-180043号公報

しかしながら、このような金属イオンのボンバードメントによる諸利益は、コーティング対象物が比較的小さい、いわゆるバッチ処理の場合しか得られない。たとえば、広幅の鋼帯をいわゆるエア−トゥ−エア（air-to-air）で連続的に処理するために-100V以上のバイアス電圧を鋼帯に印加しようとすると、鋼帯と電圧印加部あるいは鋼帯の処理装置（通板ロール、巻取り装置、予備加熱装置等）で異常放電が生じ、安定な操業が不可能になるばかりでなく、異常放電によって生じた疵により製品の品質が著しく劣化するという問題が生ずる。そのため、鋼帯をエア−トゥ−エア（air-to-air）で連続的に処理する場合には、高々-50〜-70V程度のバイアス電圧しか印加することができず、そのため、金属イオンによるボンバードメント効果とそれによる密着性の優れたセラミック被膜を得ることができるという、マルチアーク放電方式による利益を享受することができなかった。

本発明は、このようなマルチアーク放電方式の問題点を解決することを目的としてなされたもので、連続的に処理する場合でもコーティング対象物に印加するバイアス電圧は-50〜-70V程度と十分低く維持しながら、金属イオンによるボンバードメント効果とそれによる密着性の優れたセラミック被膜を得ることができる帯状体のイオンプレーティング装置を提案することを課題とする。また、本発明は上記課題の解決と併せて、アーク放電のドリフトやアークスポットの偏在等を抑制してアーク放電を安定して持続させることのできる帯状体のイオンプレーティング装置を提案することを課題とする。

本発明の帯状体のイオンプレーティング装置は、入側差圧帯と、イオンプレーティング被覆帯と、出側差圧帯を備え、前記イオンプレーティング被覆帯には、マルチアーク放電部、反応ガス導入口、及び該マルチアーク放電部を取り囲み前記帯状体に対して+200〜+500Vの電位に印加されるバイアス電圧印加板を具備する初期被覆形成室が設けられ、かつ該初期被覆形成室に続いてマルチアーク放電部及び反応ガス導入口を具備するイオンプレーティング被覆室が設けられているものである。

上記帯状体のイオンプレーティング装置においては、前記初期被覆形成室のマルチアーク放電部に陰極板の下面にＳ極とＮ極が交互に位置するように配置した磁石を設けるのが好ましい。また、前記初期被覆形成室の前に帯状体を150〜300℃に加熱可能なホットローラを配設することが好ましい。

本発明により、連続的に処理される場合でもコーティング対象物に印加するバイアス電圧を-50〜-70V程度と十分低く維持しながら、金属イオンによるボンバードメント効果を得ることができ、それにより密着性の優れたセラミック被膜を得ることができる。また、本発明では異常放電が発生しないのでイオンプレーティング装置を安定して操業できるようになる。また、本発明により、アーク放電のドリフトやアークスポットの偏在等を抑制してアーク放電を安定して持続させることが可能になる。

図１に本発明に係る帯状体のイオンプレーティング装置のレイアウトを例示する。ここに示すように、本発明のイオンプレーティング装置は、帯状体Sを順次搬入する入側差圧帯10と、イオンプレーティング被覆帯20と、帯状体Sを順次搬出する出側差圧帯30を備え、いわゆるエア−トゥ−エア（air-ｔo-air）方式で連続的に一方向性電磁鋼帯等の帯状体Sの表面にTiN系被膜等を被成できるようになっている。

入側差圧帯10はそれぞれシールロール11（11A〜11D）と排気口12（12A〜12C）を備えた入側差圧室13（13A〜13C）を直列に配置して構成され、帯状体Sを大気中から減圧されたイオンプレーティング被覆帯20に導入できるようになっている。出側差圧帯30も同様の構成を有し、シールロール（31A〜31D）、排気口（32A〜32C）を有する出側差圧室(33A〜33C)によって帯状体Sを減圧されたイオンプレーティング被覆帯20から大気中に搬出できるようになっている。なお、帯状体Sは、外部電源（図示せず）により-50V程度のバイアス電圧が与えられている。

本発明では、イオンプレーティング被覆帯20が仕切り壁202（202A〜202C）によって仕切られ、その先頭部分が初期被覆形成室100となっている。この初期被覆形成室100は、図２に示すように、マルチアーク放電部110、反応ガス導入口121を備え、さらにマルチアーク放電部を取り囲んで帯状体Sに対して+200〜+500Vの電位に印加されるバイアス電圧印加板131を備えており、帯状体Sの通路を挟んで上下一対に設けられている。

バイアス電圧印加板131は絶縁板132を介してイオンプレーティング被覆帯外壁25にとりつけられ、帯状体への対向面を残してマルチアーク放電部110の周囲を取り囲んでいる。また、このバイアス電圧印加板131はバイアス電圧印加電源135に結線されており、+200〜+500Vの正電位に維持できるようになっている。

上記初期被覆形成室100におけるマルチアーク放電部110は、公知のものと同様、ターゲット（陰極）111と電極（陽極）114との間で安定的にアーク放電が行われるようになっていればよい。図２に示す例では、ターゲット（陰極）111が水冷銅板112を介して支持棒113によって支持されており、このターゲットに対向するように電極（陽極）114が設けられている。これらターゲット111（陰極）と電極（陽極）114には放電用電源116が結線されており、それによって安定的にアーク放電が行われるようになっている。

このような構成を有する初期被覆形成室100を用いることにより、帯状体Sに与えられるバイアス電圧が低くても、帯状体Sへのボンバードメント効果が大きくなり、イオンプレーティング初期において混合層（コーティング対象物（基板）と被成されるセラミックとが混合している層）の形成を確実にし、セラミックの基板への密着性を高める効果がある。その理由は必ずしも明確ではないが、マルチアーク放電部110で発生しプラズマ領域内でイオン化された金属プラズマが正電位のバイアス電圧印加板131により直進性を増して帯状体Sに衝突するためであろうと推定される。なお、混合層とはイオンプレーティング法によりセラミック被膜を被成する際に形成される層であって、基板である帯状体の成分が減少するとともにセラミック成分が次第に増加する層をいう。

このようなバイアス電圧印加板131を有する初期被覆形成室100に続いて、通常のイオンプレーティング被覆室200A、200B、200Cが一連に設けられ、初期被覆形成室100とともにイオンプレーティング被覆帯を形成する。このイオンプレーティング被覆室は、図４に例示するように、イオンプレーティング被覆帯外壁25の中にマルチアーク放電部210及び反応ガス導入口221を備えたものであり、帯状体Sの通路を挟んで上下一対に設けられている。そして、ターゲット（陰極）211と電極（陽極）212間に電源250が設けられ両者間にアーク放電が行われるようになっている。なお、上記各被覆帯を仕切る仕切り壁202（202A〜202C）は、各室間のガス流の流通を妨げる程度のものでよく、各室間にたとえばシールロールなどを設けることを要しない。

上記イオンプレーティング被覆室200に取りつけるターゲット211は任意組成のものとすることができ、また、各被覆室200A、200B、200C内の雰囲気を反応ガス導入口221（221A, 221B, 221C）から導入されるガスGの組成を変更することにより自由に制御できるようになっている。

なお、図４に示した例では、ターゲット211の頂部を取り囲む回転磁界発生手段、具体的には棒磁石240、241が置かれ、かつこれら棒磁石の磁極はN極とS極が円周上で交互に位置するように置かれ、これにより、長時間にわたる連続操業と、アーク放電の際の陰極表面の均一化、微細溶融化などの効果がもたらされるようになっている。しかしながら、この棒磁石の配設は本発明にとって必須のものではない。

本発明では、上記のようにイオンプレーティング被覆帯の先頭部分にマルチアーク放電部を取り囲むバイアス電圧印加板を具備する初期被覆形成室を設け、それに続いてイオンプレーティング被覆室が設けられているので、帯状体に与えるバイアス電圧を低く保ちながら、初期被覆形成室で強力な混合層が形成され、その上にイオンプレーティング被覆室で任意の成分を有するセラミック層を形成することができるので、密着性（典型的には耐曲げ剥離性によって評価される）に優れたセラミック被膜を有する帯状体を連続的に製造することが可能になる。

以上、本発明の基本的な構成及びその作用について説明したが、本発明の適用範囲は上記に留まるものではない。たとえば、図３に示すように初期被覆形成室100のマルチアーク放電部110にはターゲット（陰極）111の下面にＳ極とＮ極が交互に位置するように配置した磁石117、118を設けることができ、それによって長時間にわたる連続操業と、アーク放電の際の陰極表面均一化、微細溶融化などの利益を得ることができる。

また、イオンプレーティング被覆帯20の初期被覆形成室100の前に帯状体を150〜300℃に加熱可能なホットローラを配設することができる。このホットローラは典型的には加熱された油性熱媒体をローラに供給し、これを帯状体に回転接触させることによって帯状体を所定温度に加温するものであるが、たとえば入側差圧帯10におけるシールロール11（11A〜11D）をこれに充当することもできる。

本発明を適用した帯状体のイオンプレーティング装置のレイアウトを示す。本発明で用いる初期被覆形成室の概念図である。本発明で用いる初期被覆形成室の別の概念図である。イオンプレーティング被覆室の概念図である。

符号の説明

10：入側差圧帯
11(11A〜11D)：シールロール
12(12A〜12C)：排気口
13（13A〜13C）：入側差圧室
20：イオンプレーティング被覆帯
25：被覆室外壁
30：出側差圧帯
31（31A〜31D）：シールロール
32（32A〜32C）：排気口
33（33A〜33C）：出側差圧室
100：初期被覆形成室
101：排気口
110：マルチアーク放電部
111：ターゲット（陰極）
112：水冷銅板
113：支持棒
114：電極（陽極）
116：電源
117：固定磁石
118：固定磁石
121：反応ガス導入口
131：バイアス電圧印加板
132：絶縁板
135：バイアス電圧印加電源
200（200A〜200C）：イオンプレーティング被覆室
201（201A〜201C）：排気口
202（202A〜202C）：仕切り壁
210（210A〜210C）：マルチアーク放電部
211：ターゲット（陰極）
212：電極（陰極）
221（221A〜221C）：反応ガス導入口
240：棒磁石
241：棒磁石
250：放電用電源
S：帯状体（鋼帯）

Claims

入側差圧帯と、イオンプレーティング被覆帯と、出側差圧帯を備える帯状体のイオンプレーティング装置において、
前記イオンプレーティング被覆帯には、マルチアーク放電部、反応ガス導入口、及び該マルチアーク放電部を取り囲み前記帯状体に対して+200〜+500Vの電位に印加されるバイアス電圧印加板を具備する初期被覆形成室が設けられ、かつ該初期被覆形成室に続いてマルチアーク放電部及び反応ガス導入口を具備するイオンプレーティング被覆室が設けられていることを特徴とする帯状体のイオンプレーティング装置。
初期被覆形成室のマルチアーク放電部には陰極の下面にＳ極とＮ極が交互に位置するように配置した磁石が設けられていることを特徴とする請求項１記載の帯状体のイオンプレーティング装置。
初期被覆形成室の前に帯状体を150〜300℃に加熱可能なホットローラを配設することを特徴とする請求項１又は２記載の帯状体のイオンプレーティング装置。