JPH0273960A - 真空蒸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はＭｇ等の昇華性金属を溶融状態で安定させつつ
蒸発させることのできる真空蒸着装置に関するものであ
る。

［従来の技術］ Ｍｇの様に昇華性の強い金属は、真空中で電熱ヒーター
や電子銃等を用いて加熱すると溶融状態を経ることなく
固体状態からどんどん蒸発し、遂には消失してしまう。

そこでＭｇ等の真空蒸着に際しては、従来、殊更に原料
の溶融は行なわず、固体原料を加熱炉内に収納して加熱
蒸発させ、例えば鋼板等へ蒸着めっきを行なっていた。

即ち第２図は従来の真空蒸着装置を示す説明図で、真空
チャンバー２内に鋼板１ａを設置する（或は長尺の帯鋼
を走行させると共に、鋼板１ａの下方に配置した加熱炉
５に原料金属（固体）３を投入しておく。この装置を用
いて鋼板１に蒸着めっきを施すに当たっては、加熱炉５
の内装ヒーター４に電力を印加して原料金属３を加熱す
るが、原料金属３がＭｇ等の昇華性金属である場合は、
ヒーター４より原料金属３に加えられた熱量は、加熱の
初期には原料金属３の昇温に寄与するものの、温度が上
昇するに従い、この金属の飽和蒸気圧が高くなって蒸発
が促進されるとヒーター４から加えられた熱量の多くは
金属の蒸発に寄与するようになる。そして遂にはヒータ
ー４から加えられた熱量は全て金属の蒸発に寄与するよ
うになり、金属の温度は全く上昇しなくなり融点に達す
ることなく固体状態からの蒸発が進行する。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の様に原料金属を固体状態から直接蒸発させる方法
でも鋼板に対する蒸着めっきは一応実施することができ
るが、蒸着めっき状態は必ずしも満足できるものではな
く、再現性に乏しい等の種々の解決課題が残されている
。

例えば■固体原料金属表面からの昇華は表面全体から均
一に行なわれるものではなく、特定の結晶面に集中して
蒸発が進む傾向にあり、蒸発状態が極めて不安定である
。■固体原料金属の表面には酸化膜が不可避的に存在し
ており、この酸化膜によって原料金属の蒸発は一層不安
定なものになっている。■蒸発量は、主としてめっき原
料の加熱温度によって決まるが、固体原料金属の場合に
は温度管理が難しく、蒸発量の制御が困難である。

これらの理由から鋼板等に対して、狙いとする目付量の
蒸着めフき層を再現性良く形成することは非常に困難で
あった。また連続的に真空蒸着めっきを実施するに当た
っては原料の連続供給が必要となるが、加熱炉への原料
供給という点でも固体原料金属ではハンドリング性が悪
く、供給設備は煩雑なものにならざるを得ない。

本発明はこうした事情に着目してなされたものであって
、Ｍｇ等の昇華性金属についてもＺｎ等の金属と同様に
溶融状態から蒸発させることができ、均質な蒸着めっぎ
状態を再現性良く安定して形成することができるような
真空蒸着装置を提供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ しかして上記目的を達成した本発明の真空蒸着装置とは
、昇華性金属の溶融炉の上方に、真空チャンバー内に通
じる狭隘な筒状開口部を形成してなる点に要旨を有する
ものである。

［作用］ 本発明者等は、Ｍｇ等の昇華性金属を安全な溶融状態に
維持しつつ蒸発させることのできる条件について検討を
重ねた結果、次のような知見を得た。

即ち原料金属溶湯を考えたとぎ、その浴面より蒸発する
単位時間あたりの蒸発金属量Ｗは次の（１）式で表され
る。

Ｗ＝に、　　（ｐｔ−ｐ、）　　・　Ａｍ　　　・　（
１）ただし　ＰＩ　；真空チャンバー内圧力ｔ　：原料
金属の温度 Ｐｔ：温度ｔにおける原料金属の飽和蒸気圧 Ａｍ：原料金属溶湯の浴面積 に１　：物質拡散係数（蒸発のし易さを表わす係数） そして原料金属を蒸発させる上で必要な単位時間当たり
の熱量Ｑ、は蒸発金属量Ｗに蒸発潜熱ｑＪを乗じたもの
であるから、Ｑｌは次の（２）式％式％ ここでヒーターから原料金属に供給される熱量をＱとす
ると、Ｑが上記（２）式で示されるＱｌより大ぎい場合
には、その差（Ｑ　　Ｑｌ）＝Ｑ２が原料金属の昇温ひ
いては溶解に消費されることになり、この条件さえ満た
しておればＭｇ等の昇華性金属であっても溶解し、溶融
状態を保ちながら蒸発させることができる。

モしてＱ　＞　Ｑ　＋の関係を満たすにはヒーターから
供給される熱量Ｑをできるだけ犬ぎくすればよいが、第
２図に示される様な上部開放型加熱・溶融炉でこれを実
行しようとすると膨大な加熱エネルギーが必要となり経
済上の問題があるだけでなく、原料金属蒸気が、真空チ
ャンバー内全体へ広がって無駄が大きくなると共に良好
な蒸着めっき状態を得ることも難しい。

そこで本発明者等はさらに検討を重ねた結果、原料金属
への供給熱量、換言すれば加熱効率（単位原料に単位時
間当たり供給される熱量）をできるだけ高めると共に、
（２）式について考察を重ねた結果、蒸発金属量を制御
するという観点から浴面積Ａｍを一定値以下に設定する
ことが必要ではないかとの知見を得るに至った。

本発明に係る真空蒸着装置は上記知見を基に完成された
ものであって、昇華性金属溶融炉の上部を殆んど閉鎖す
ると共に、上部壁に真空チャンバー内に通じる狭隘な筒
状開口部を形成してなるもので、溶融炉内に貯留する昇
華性金属溶湯を、その溶湯面が上記の狭隘な筒状開口部
の途中高さに達するまでの量を貯留することによって昇
華性金属溶湯の浴面績を制限したものである。即ち溶融
炉に内設したヒーター等の加熱手段から供給される熱量
は溶融炉内の昇華性金属溶湯へ与えられるが、上記の如
く狭隘な筒状開口部によって浴面績が狭くなっているの
で蒸発金属量が一定量以下に制御され、余剰の供給熱は
浴温の維持・上昇並びに新たな原料金属の昇温・溶解に
利用することができる。尚蒸着開始に備えて上記溶融炉
内に昇華性金属溶湯を貯留するに当たっては、溶融炉内
に原料金属（固体）を充填し、前記筒状開口部を封鎖し
たまま原料金属を加熱して溶融してもよいが、上記溶融
炉と連通ずる第２溶融炉において原料金属溶湯を製造し
、これを連通管を通して溶融炉へ供給し所定高さまで貯
留させる方法が推奨される。

ところで上記では溶融炉上方の筒状開口部途中高さまで
原料金属溶湯を貯留することによって、浴面績を制限す
ることが必要であると説明したが、本発明の真空蒸着装
置では原料金属溶湯面が筒状開口部より下方まで低下し
て浴面績が大きくなる位置に至っても下記条件を満足し
さえすれば昇華性金属を溶融状態に維持しつつ安定して
蒸発させることができる。

即ち筒状開口部手前の溶融炉内圧力（金属蒸気圧）をＰ
２、真空チャンバー内圧力なＰ、とするとぎ、Ｐ、がＰ
２に対して十分低ければ（例えばＰ　＋　／　Ｐ　２　
＜　０．５２）　、浴面から蒸発する単位時間あたりの
蒸発金属量Ｗは次の（３）式で表わすことができる。

Ｗ＝に２　・　Ａｓ−Ｐ２　　　　　・・・（３）ただ
し　Ａｓ：筒状開口部断面積 に２　：原料金属“に個有の係数 そして原料金属を蒸発させる上で必要な単位時間当たり
の熱量Ｑ、は前記した通り蒸発金属量に蒸発渭熱ｑＪを
乗じたものであるからＱｌは次の（４）式で表わすこと
ができる。

Ｑ＋＝Ｗ’ｑＪ ＝ｋｚ　　・Ａ　５−Ｐ２　　・Ｑ　Ｊ　　　”・（４
）従ってヒーターから原料金属に供給される熱量Ｑを上
記（４）式で示される熱量Ｑ１より大きくすれば、その
差（Ｑ　　Ｑ＋）＝Ｑ＊が原料金属の昇温ひいては溶解
に消費されることになり、Ｍｇ等の昇華性金属を溶解し
、溶融状態を保ちながら蒸発させることができる。

しかるに原料金属への供給熱量Ｑの増加には限度がある
ので、この場合には上記（４）式から、筒状開口部断面
積Ａｓを制限することが蒸発金属量Ｗを制御する上で有
効と考えられる。即ち筒状開口部断面積を十分に小さく
設計することによって蒸発金属量Ｗを制限し、一方該蒸
発金属の蒸発潜熱量Ｑ、を超える熱量Ｑを原料金属に供
給することによってＭｇ等の昇華性金属を溶融状態から
蒸発させることができのである。

尚本発明における昇華性金属としてはＭｇの他、Ｃｒが
例示され、これらの金属は蒸気圧が非常に高いので真空
蒸着の分野では固体蒸発してしまう特性を持つものであ
る。又本発明装置によって製造される蒸着めっき製品と
しては、Ｍｇめっき鋼板等の耐食性鋼板が代表的である
が、これに限定される訳ではなく一般のめっき製品の全
てに適用することができる。

［実施例］ 第１図は本発明の代表的な実施例を示す断面説明図で、
蒸着装置Ｓは、ヒーター４を多数内装した第１溶融炉５
を真空チャンバー２内に設置し、該第１溶融炉５の上部
を絞って狭隘な筒状開口部５ａを形成し、該筒状開口部
５ａを介して第１溶融炉５から真空チャンバー２内へ蒸
発金属が蒸散する様に構成されている。真空チャンバー
２の高位対向位置には真空雰囲気を保つべくシールロー
ラ６が夫々設置され、シールローラ６間を通り、且つ上
記筒状開口部５ａの上方を通る様に鋼板１ａが図面の左
から右へ走行する。又第１溶融炉５は、真空チャンバー
２の外部に設けられた第２溶融炉７と連通管８を介して
連通ずる様に構成されている。

上記真空蒸着装置を用いて鋼板１にＭｇ蒸着めっきを施
すに際しては、第２溶融炉７でＮ２やＡｒなとの不活性
ガス雰囲気下に溶融したＭｇ溶湯３を、連通管８を介し
て第１溶融炉５へ供給し、第１溶融炉の筒状開口部５ａ
の途中高さまで浴面が到達するようにＭｇ溶湯３を満た
す。そして真空チャンバー２内を所定の圧力まで減圧し
たのちヒーター４による加熱を行なって筒状開口部５ａ
からＭｇ溶湯３を蒸発させ、矢印方向に走行する鋼板１
に対して連続的に蒸着めっきする。本実施例では、筒状
開口部によってＭｇ溶湯３の浴面積が制限されているの
で昇華性金属であるＭｇを溶融状態から安定して蒸発さ
せることができる。尚蒸発に伴なうＭｇ溶湯面の低下は
、第２？８融炉７からＭｇ溶湯３を補給することによっ
て回避することができる。従って固体状態で原料金属を
補給するのに比べて安定して原料金属を補給することが
でき、蒸発状態の乱れも少なくなる。

第３図は本発明真空蒸着装置の他の実施例を示す説明図
で、装置の概要は第１図例とほぼ同じであるが第１溶融
炉５は真空チャンバー２内に独立して存在し、体外とは
連通していない。

この実施例装置を用いて鋼板にＭｇ蒸着めっきを施すに
際しては、ヒーター４によって第１溶融炉内の原料金属
を加熱・溶融するが、本実施例ではＭｇ溶湯面は筒状開
口部５ａより下方にある。

しかるに狭隘な筒状開口部５ａによって蒸発金属の蒸散
が制限されているので原料金属を溶融状態に保つことが
でき、安定してＭｇ蒸着めっきを実施することができる
。尚蒸発によって溶湯面が低下しても第１溶融炉５内の
蒸気圧Ｐ２を所定の値に維持する様にヒーター４の出力
を制御しさえすれば安定した蒸着めっぎ状態を維持する
ことができる。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、Ｍｇ等の昇華性金
属を溶融状態から安定して蒸発させることができ、鋼板
等の表面に均質な蒸着めっき層を形成することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１．３図は本発明の実施例を示す説明図、第２図は昇
華性金属を固体蒸発させる真空蒸着装置を示す説明図で
ある。 １・・・綱板　　　　　　２・・・真空チャンバー３・
・・Ｍｇ溶湯　　　　４・・・ヒーター５・・・第１溶
融炉　　　５ａ・・・筒状開口部６・・・シールローラ
　　７・・・第２溶融炉８・・・連通管　　　　　Ｓ・
・・真空蒸着装置第１ 図 第２図 ■−−−コ１２ 第３図 符開平２−７３９６０　（５）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 昇華性金属の真空蒸着装置において、昇華性金属の溶融
   炉の上方に真空チャンバー内に通じる狭隘な筒状開口部
   を形成してなることを特徴とする真空蒸着装置。