JPS6320447A - 金属帯を連続的にセラミツクでコ−テイングする方法と装置 - 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〉 本発明はコイル状の金属帯をセラミックで、容易に制御
できて、高速度で密着性よく、コーティングする方法に
関する。

〈従来技術とその問題点〉 現在、コイル状の鋼板を連続真空蒸着装置でＡＩ、Ｚｎ
等の金属で連続的にコーティングする方法が実用化され
てきている。また、イオンブレーティング、スパー、タ
リング、ＣＶＤ法等により工具、眼鏡枠、時計ケース等
をセラミックでコーティングすることも行なわれ始めた
。

既知の連続真空蒸着装置でセラミックを直接加熱蒸発さ
せるには、通常多大の熱量を要する上にセラミックが金
属と窒素、酸素、炭素などの構成成分に分解してしまい
、良好なコーティングは得られない。

工具のような単品にセラミックを蒸着する方法はいろい
ろと考案されているが、コイル状の金属帯を連続的にコ
ーティングするには問題がある。

例えば、イオンブレーティングの場合には、密着性よく
、かつ良好な膜質を得るためには、基板に数百ボルトの
マイナスバイアスをかけなければならないが、コイル状
の金属帯に数百ポルトのバイアスをかけることは安全面
やコイルの搬送や取り扱いの上で困難である。スパッタ
リングの場合には蒸着速度が遅いために、金属帯に連続
的に蒸着することはコスト高となり不向きである。ＣＶ
Ｄ法の場合は、通常、基板温度を１０００℃程度にしな
くてはならないし、コーティング速度も遅く、金属帯の
コーティングには不向きである。

〈発明の構成〉 本発明は、金属帯に連続的にセラミックのコーティング
を施す方法であって、真空反応帯域中に複数個のイオン
ビーム発生装置を設け、それに沿って金属帯を移動させ
、少くとも１個の清浄化用イオンビーム発生装置で不活
性または還元性のガスをイオン化して金属帯の表面に照
射して清浄にし、少くとも１個の反応用のイオンビーム
発生装置でセラミックを構成する非金属元素をイオン化
し、同時にセラミックを構成する金属元素を加熱蒸発さ
せて、その金属元素の蒸気とともに金属帯表面に照射し
て該表面上にセラミックを形成することからなる方法が
提供する。

本発明はまた、金属帯に連続的にセラミックのコーティ
ングを施す装置であって、金属帯を連続的に移動させる
ことのできる真空にできる室内に、少くとも１個の清浄
化用イオンビーム発生装置と、少くとも１個の反応用イ
オンビーム発生装置を設け、反応用イオンビーム発生装
置の近傍にそれぞれ金属元素の蒸発装置を設けてなる装
置を提供する。

具体的に言えば、不活性または還元性ガスを清浄化用イ
オンビーム発生装置でイオン化し、かつ加速してコーテ
ィングすべき金属帯表面に照射して清浄化し、ついで窒
素、酸素、炭化水素ガス等を単独、あるいは２種以上混
合し、必要ならばアルゴンのような不活性気体で稀釈し
て、反応用イオンビーム発生装置に導いてイオン化し、
該イオンビーム発生装置の近傍で発生させられる目的セ
ラミックを構成する金属元素の蒸気とともにコーティン
グすべき金属帯表面に向けて同時に照射して、該金属の
窒化物、酸化物、炭化物等のセラミックコーティングを
形成する。

この場合、イオンの有するエネルギーは十分に大きいの
で、反応性は高く、イオンブレーティングの場合のよう
に金属帯にバイアスをかける必要もない、セラミックコ
ーティングが絶縁物でイオンによるチャージングが支障
を来す場合はイオンビームを熱フィラメントなどで中性
化すればよい。

本発明においては金属蒸気は電子ビーム衝撃、高周波加
熱、抵抗加熱等の手段によって発生させることができる
ので、スパッタリングやＣＶＤ法に比べて十分に早い速
度でコーティングが可能である。

コーティングの密着性を上げるために、最初の少くとも
１個のイオンビーム発生装置、言い換えれば前処理用の
イオンビーム発生装置で、不活性あるいは還元性のガス
の十分高いエネルギーを持ったイオンビームあるいはこ
れを中性化したビームで金属帯を照射して金属帯の表面
をクリーニングして活性化することが有用である。クリ
ーニングにはアルゴンや窒素のような不活性ガス、水素
のような還元性ガスが使用できる。

さらに密着性を向上させるためには、イオンを金属蒸気
と同時に照射する最初の少くとも１個の反応用イオンビ
ーム発生装置の加速電圧を５ｋＶ以上にして、いわゆる
イオンミキシングが金属帯とセラミック層の界面で起る
ようにすれば好都合である。この場合、イオンビーム電
流が大きくとれること、設備のコストなどを考慮すると
、イオンビーム発生装置の加速電圧の上限は１００ｋＶ
程度になる。また、セラミックコーティングをｌ経腸以
上の厚さに行う場合はイオンビーム発生装置の加速電圧
をすべて５ｋＶ以上で行うと、金属帯の温度が上がり過
ぎてしまうので、コーティングの初期を受は持つイオン
ビーム発生装置以外のイオンビーム発生装置は５ｋＶ以
下に抑えるべきである。

本発明では、イオンブレーティングのように、反応をグ
ロー放電のような、制御性の悪い現象を利用せずに、イ
オンビーム発生装置と金属蒸発装置を独立に設けて制御
できるため、反応の度合を調整しやすく、再現性もよい
。

本発明の方法で使用されるイオンビーム発生装置には、
カウフマン型、バケツト車等の装置が知られており、い
ずれも使用できる。これは窒素、酸素、炭化水素等をプ
ラズマ化してグリッドで加速する装置で例えば、石川順
三著、アイオニ−７クス社刊の「イオン源工学」に詳細
に説明されている。

本発明の装置は、真空室内にコイルを収納できる密閉型
でもよいし、特願昭５８−１９２５７４に開示されてい
るようなシールロール室を設けて金属帯を連続的に挿入
できる連続型でもよい、下記の実施例は後者の連続型に
ついて記載した。

〈発明の具体的記載〉 以下図面を参照して実施例により本発明を具体的に説明
する。

第１図は本発明方法を実施するための装置を断面で示し
た概念図である。コーティングすべき金属帯１０は供給
コイル（アンコイラ−）９から供給され、シールロール
室１１を経て真空室ｌに入り、同じくシールロール室１
６を経て真空室ｌを出て、巻き取りロール（リコイラー
）に巻き取られる。

シールロール室は既知であって、例えば、前記のように
特願昭５９−１９２５７４に真空蒸着装置に関して詳細
に開示されているが、それと同じものである。

真空室１１は、排気装置８によって脱気され、１Ｏ−４
〜１０−５Ｔｏｒｒ程度の真空に保たれる。真空室１１
には、清浄化用、即ち前処理用イオンビーム発生装置（
以下イオン源装置という）２および反応用イオン源装置
３．４．５が設けられている。

またコーティング用金属を蒸発させるためのるつぼ７と
電子＃ｃ８が設けられている。窒素、酸素、炭化水素等
の気体は図示されないガスコントローラーによって真空
室内に供給され、それぞれのイオン源装置によってイオ
ン化され、金属帯に向うて加速される。

シールロール室を経て真空室に導入された金属帯は、ま
ず前処理用のイオン源装置２からのアルゴン等のイオン
ビームによって表面をクリーニングされ、かつ活性化さ
れる。その後電子銃により加熱され蒸発した金属蒸気１
３と反応用のイオン源装置から放出される反応ガスイオ
ン１４が同時に金属帯１０に照射されて、金属帯ｌＯ上
にセラミックのコーティング１５を形成する。コーティ
ングされた金属帯は出口側のシールロール室１６を通っ
てリコイラー１７によって巻き取られる。

実施例１ 板厚０．８腸■、板幅１００層層のステンレス鋼板を、
前記の４個のイオン源装置を設けた真空室からなる装置
を用いて、１＃Ｌ−の窒化チタン（Ｔｉ　Ｎ）でライン
スピードｌ　ｍ／ｓｉｎでコーティングした。

真空室は５　Ｘ　１０−’　Ｔｏｒｒに減圧し、金属チ
タンは水冷鋼装ハース中で出力２５　ｋＷの電子銃から
の電子ビームで蒸発させた。

第１表に、前処理用イオン源装置、第１反応用イオン源
装置、第２反応用イオン源装置、第３反応用イオン源装
置の条件を示す。

第１表 前処理用イオン源装置２にアルゴンガスを導入し、これ
をイオン化して鋼板表面に照射してクリーニングを行う
、この前処理を行わないと、コーテイング後に所々にコ
ーティングの剥離が見られた。前処理用には窒素、水素
、アルゴン等を種々検討したが、アルゴンが最も良好な
結果が得られた。

反応用の第１、第２、第３のイオン源装置ではそれぞれ
窒素ガスを導入し、水冷銅製ハースに入れたチタンを電
子銃で照射して得られるチタン蒸気とともに鋼板に向け
て照射して窒化チタン被膜を形成した。この際に、被膜
の厚さはラインスピードを調整することによって調節す
ることができる。

第１表の条件でコーティングしたステンレス鋼板は、曲
率半径１０ｍｍで１８００曲げる試験を行った場合、コ
ーティングは全く剥離しなかった。第１反応用イオン源
装置の加速電圧を１ｋＶにしてコーティングを行ったと
ころ、上記の試験条件でコーティングは剥離した。

実施例２ 実施例１と同じ装置用いて、板厚０．８ｍｍ、板幅１０
ｃ）ｓ璽のステンレス鋼板にＩＪＪ、ｍの厚さの窒化ア
ルミニウム（ＡＩ　Ｎ）をコーティングを施した。操作
条件を第２表に示す。

第２表 蒸着室真空度　　　　　　　　　５　Ｘ　１０−’　Ｔ
ａｒするつぼ　　　アルミナライナーつき水冷銅ハース
蒸発金属　　　　　　　　　　　　アルミニウム電子銃
出力　　　　　　　　　　　　　２５ｋＷ導入ガス 窒化アルミニウムをコーティングする場合は金属はアル
ミニウムであり、るつぼにアルミナライナーつき水冷銅
ハースを使用することができ、電子ビームの熱効率増す
ので多量のアルミニウム蒸気が得られ、ラインスピード
を上げることができた。

実施例３ 実施例１と同じ装置用いて、板厚０．８ｍｍ、板［１０
０ｍｍのステンレス鋼板に１終１の厚さの酸化珪素（Ｓ
ｉ０２）のコーティングを施した。操作条件を第３表に
示す。

パケット型のイオン源装置を用いたため、フィンラメン
トの寿命の点でイオン電流を大きく取ることができない
ため、ラインスピードを落として操業せざるを得なかっ
た。しかし、熱フィラメント４のないイオン源装置、例
えば、冷陰極型イオン源装置を用いれば十分に改善でき
る。

〈発明の効果〉 本発明によれば、反応ガスをイオン源装置から大きなエ
ネルギーで供給するため、金属帯にバイアス電位をかけ
る必要がなく、装置の大型化が容易である。また金属元
素の蒸発源が加熱方式であるため、被膜生成速度がスパ
ッタリングやＣＶＤ法に比べて格段に速くセラミックが
蒸着できる。

さらに、前処理用イオン源装置があるためにコーティン
グの密着性も良好である０反応ガス用のイオン源装置の
エネルギーを大きくすれば、極めて密着性の良いコーテ
ィングができる。加えて金属元素蒸発源と非金属元素イ
オン化！ｊｃａｌが別であるためコーティングの膜組成
の制御が容易である。

また、本発明の装置において、反応ガスの照射位置を調
節することにより、コーティングを金属層と、反応ガス
と反応させて形成されるセラミック層の２層構造にする
ことも容易にできる。

図面の１ｌｌＩ単な説明 第１図は本発明の装置を断面で示す概念図である０図中
、 １：真空室、１１．１６：シールロール室、９：金属帯
供給コイル（アンコイラ−）　、　１０：金属帯、２．
３．４．５：イオン源装置、６：電子銃、７：金属蒸発
用るつぼ、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １金属帯に連続的にセラミックのコーティングを施す方
   法であって、真空反応帯域中に複数個のイオンビーム発
   生装置を設け、それに沿って金属帯を移動させ、少くと
   も１個の清浄化用イオンビーム発生装置で不活性または
   還元性のガスをイオン化して金属帯の表面に照射して清
   浄にし、少くとも１個の反応用のイオンビーム発生装置
   でセラミックを構成する非金属元素をイオン化し、同時
   にセラミックを構成する金属元素を加熱蒸発させて、そ
   の金属元素の蒸気とともに金属帯表面に照射して該表面
   上にセラミックを形成することからなる方法。 ２特許請求の範囲第１項記載の方法であって、金属元素
   が電子ビーム衝撃によって発生させられる方法。 ３特許請求の範囲第１項記載の方法であって、セラミッ
   クを構成する非金属元素をイオン化する少くとも１個の
   反応用イオンビーム発生装置がイオン加速電圧５〜１０
   ０ｋＶで稼動され、他は５ｋＶ以下で稼動される方法。 ４金属帯に連続的にセラミックのコーティングを施す装
   置であって、金属帯を連続的に移動させることのできる
   真空にできる室内に、少くとも１個の清浄化用イオンビ
   ーム発生装置と、少くとも１個の反応用イオンビーム発
   生装置を設け、反応用イオンビーム発生装置の近傍にそ
   れぞれ金属元素の蒸発装置を設けてなる装置。 ５特許請求の範囲第４項記載の装置であって、金属帯の
   供給側と巻き取り側に金属帯コイルを収納する空間を有
   する装置。 ６特許請求の範囲第４項記載の装置であって、金属帯の
   供給側と巻き取り側にシールロール室を有する装置。