JP4553608B2 - 金属ストリップの連続式化学蒸着装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷延鋼板や電磁鋼板等を典型例とする金属ストリップの表面に、連続的に化学気相蒸着（以下、単に化学蒸着とする）を施す金属ストリップの連続式化学蒸着装置に関し、特に、連続的にセラミックを化学蒸着することにより、セラミックが有する特殊機能を金属ストリップ表面へ付与した金属ストリップを製造する際に用いる、金属ストリップの連続式化学蒸着装置に関するものである。

工具等の表面へTiN、TiCやSiN等のセラミック物質をコーティングすることにより、その耐磨耗性を高めることは一般的に行われており、その手段としてCVD成膜法が広く利用されている。しかしながら、CVD成膜法は、工具や刃物のような、小型の物品を成膜炉に多数装入し、陶器用窯のごとく長時間を費やして、これら物品にセラミックを蒸着する、産業分野で利用されているのが一般的であり、金属ストリップのように連続した長さを有する長尺物の表面へのセラミックコーティングに、工業的に利用されている例は少ない。

その数少ない例として、金属ストリップにCVD法を適用し連続的に金属Siを付着させるための「連続式化学蒸着処理装置」が、特許文献１にて開示されている。この装置は、横型の処理炉と複数の処理ガスを供給するノズルヘッダとから構成されるものであるが、次に述べる問題点を有する。

特許文献１に開示の技術では、処理ガスとしてSiCl₄が使用されている。このSiCl₄ガスの比重は、空気やＮ₂ガスなどに比べて圧倒的に大きいために、処理炉に供給された処理ガスはノズルヘッダより板面に向けて吹き付けられた後に処理炉の底部に堆積する。すると、処理炉の上部と下部との間で濃度差が生じるため、均一な蒸着が難しくなり、金属ストリップの両面に均一なセラミック蒸着が必要とされる場合には問題となる。

また、特許文献２に開示の「CVD反応装置」は、やはり処理炉が横型であり、上記の特許文献１と同一の問題点を有し、その他にも金属ストリップの量産化設備としては、処理炉内に蒸着基板を支持するロールを有していない点が問題になる。すなわち、金属ストリップを蒸着基板とする場合には、金属ストリップの重量に応じた支持ロールを炉内に設置する必要がある。

一方、処理炉内に支持ロールを設置した例が、特許文献３に開示されている。しかしながら、ここに開示された装置は、CVD法により金属ストリップ、特に鋼板へのＳｉの浸透を目的としたものであり、セラミックの金属ストリップ表面への蒸着を行う場合には、次の理由で問題がある。
すなわち、鋼板表面からSiを浸透させる為には、SiCl₄ガスを処理炉に供給し、SiCl₄+5Fe→Fe₃Si＋2FeCl₂という化学反応を利用するので、Feの供給源である鋼帯へ優先的にSiが浸透する。
しかしながら、鋼板表面にTiＮを蒸着させる場合には、TiCl₄ガス、Ｈ₂ガスおよびＮ₂ガスを処理炉に供給し、TiCl₄＋２Ｈ₂＋1／2Ｎ₂→TiＮ＋４HClの化学反応を利用してTiＮを鋼板表面に蒸着させることを基本原理とするので、TiＮは鋼板表面のみならず金属ストリップを支持するロールにも付着し、その付着物がロールに堆積し金属ストリップに凹凸状の庇を与えることが問題となる。
特開昭63−26327号公報 特開平５−44042号公報 特開平７−278819号公報

そこで、本発明は、特に均一な蒸着を実現する手段と、金属ストリップに凹凸状の庇を与える原因となる処理炉内支持ロールの問題を解消する手段と、を確立して、長尺物である金属ストリップへの化学蒸着を連続して実施できる装置を提供しようとするものである。

本発明の要旨は、次のとおりである。
（１）金属ストリップを導入した処理炉の内部に、処理ガスを供給して金属ストリップの表面に化学蒸着を施す装置であって、該金属ストリップを鉛直方向に搬送する、縦型の処理炉をそなえ、該処理炉の金属ストリップ搬送方向上流側に加熱炉を、下流側に冷却炉を備えるものであり、該処理炉の内部に、金属ストリップを挟んで対をなす、処理ガスを金属ストリップの表面に向けて供給するノズルを設け、かつ処理炉の外側に金属ストリップの支持ロールを設けて、処理炉内から支持ロールを排除したことを特徴とする金属ストリップの連続式化学蒸着装置。

（２）前記ノズル対より、金属ストリップ搬送方向での上流側または下流側に、排気口を設けたことを特徴とする上記（１）に記載の金属ストリップの連続式化学蒸着装置。

本発明の金属ストリップの連続式化学蒸着装置によれば、金属ストリップの表裏面で均一な厚みと膜質のセラミック膜を形成することができる。また、本発明の装置によれば、処理炉内の支持ロールに起因した凹凸状の庇の発生を未然に防ぐことができる。

以下、本発明の装置について、金属ストリップである鋼帯にTiＮのセラミック膜を形成する場合を例に、図１を参照して詳しく説明する。
本発明の装置は、鋼帯１を導入する側から順に、加熱炉２、処理炉３および冷却炉４を鉛直方向に連ねて成り、このうち少なくとも処理炉３は鋼帯１を鉛直方向の下から上へに向かって搬送する、縦型炉であることが肝要である。

なぜなら、従来の処理炉の一般形式である横型で問題であった、処理ガスの比重の大きさに起因する、処理炉内における鋼帯表裏面間での処理ガスの濃度差は、縦型炉とすることにより解消されるからである。すなわち、縦型炉における処理ガスの濃度差は、鋼帯の搬送方向に生じることがあっても、鋼帯の表裏面間で生じることはないため、鋼帯表裏面間で差異のない、均一な厚みおよび膜質のセラミック膜を得ることが可能となる。なお、本発明においては、処理炉での搬送方向は限定されず、上から下であってもよい。

ここで、処理炉３の内部には、鋼帯１を挟んで対をなすノズル５ａおよび５ｂを、鋼帯１の搬送方向に、図示例で５対設けて、これらノズル５ａおよび５ｂから鋼帯１の表裏面に向けて処理ガス６を供給することによって、鋼板表裏面近傍の処理ガス濃度をより均一化する。本発明では、1対のノズルでもセラミック膜を鋼帯表裏面で均一とすることができるが、このようなノズル列とすることによって、鋼帯表裏面で均一なセラミック膜の形成がさらに確実なものとなる。

以上の基本構成を有する装置において、処理ガス６としてTiCl₄ガス、Ｈ₂ガスおよびＮ₂ガスをノズル５ａおよび５ｂ列から、処理炉３内にて約1100℃に加熱された鋼帯１に供給すれば、TiCl₄＋２Ｈ₂＋1/2Ｎ₂→TiＮ＋４HClの化学反応により、鋼帯１の表面にTiＮ膜を蒸着させることができる。
なお、処理炉３内雰囲気の加熱手段は、処理炉３内の処理ガス濃度に影響を及ぼさない方法であれば特に規定する必要はなく、例えば電熱ヒーターを用いることができる。

また、本発明の装置では、鋼帯１を加熱炉２から処理炉３そして冷却炉４へと搬送するための支持ロール７ａおよび７ｂを、処理炉３の外側、具体的には、加熱炉２の入側と冷却炉４の出側とに設置し、処理炉３内から支持ロールを排除した。
すなわち、まず処理炉３を縦型とすることによって、例えば横型炉の場合のように、水平に搬送される鋼帯を鉛直方向に支持するためのロールは不要とした上で、鋼帯１を鉛直方向に案内するための支持ロール７ａおよび７ｂについても、処理炉３の外側に設けることとした。

さて、従来の技術では、処理ガスの化学反応によって生ずるセラミックは鋼帯表面だけでなく、鋼帯を支持するロールにも付着することが不可避であった。かようにロールに付着したセラミックは、次第に堆積成長し、ついには鋼帯表面に凹凸庇を与えてしまうまでになり、鋼帯の表面性状を損なうことになり、特に電磁鋼板の場合には磁気的特性をも損なう問題に発展する。この支持ロールにまつわる問題は、量産化を念頭に置いた化学蒸着装置には不可欠の課題であり、本発明に従い、炉内から支持ロールを省略した縦型炉とすることによって、この課題を解消することができる。従って、これまでの技術では達成できなかった、凹凸状の疵のない鋼帯を、本発明の装置によって製造できる。

ところで、ノズル５ａおよび５ｂから鋼帯１表面に向かって供給された処理ガス６は、処理炉３を上方へ移動しながらTiCl₄＋２Ｈ₂＋1/2Ｎ₂→TiＮ＋４HClの化学反応により、鋼帯１表裏面に均一なTiＮを蒸着させながら、処理炉３外へ排出されるが、この排気口は、ノズル対より、鋼帯の搬送方向での上流側または下流側、すなわち、本発明例では、ノズル５ａおよび５ｂ対の列の始点側または終点側に設けることが好ましい。例えば、図示例における排気口８は、ノズル５ａおよび５ｂ対の列の終点側に設けてある。

すなわち、鋼帯表裏面に均一なセラミック膜を得るためには、処理ガス６がノズル５ａおよび５ｂより供給された鋼帯１表面近傍の領域だけでなく、炉内の全領域の雰囲気ガス濃度を鋼帯１の表裏面間で均一に保つことが好ましい。これは、化学蒸着反応がノズル近傍の鋼板表面で完結するのではなく、一部の未反応ガスがノズル近傍以外の場所でも化学蒸着反応を生じ鋼帯表面へのセラミック膜形成に寄与するからである。従って、処理ガス６の排気口８を、ノズル５ａおよび５ｂ対の列の始点側または終点側に設けることによって、ノズル５ａから、鋼帯の搬送方向に沿った処理ガス６の流れを確立すれば、ノズルから供給された処理ガスは処理炉長さ方向に渡って表裏面均一な濃度で行き渡るため、均質なセラミック膜の形成に役立てることができる。

なお、加熱炉２の入側、加熱炉２、処理炉３および冷却炉４の境界、並びに冷却炉４の出側には、大気あるいは各炉内のガスおよび熱の移動を遮断するためのシール装置９が、それぞれ設置されている。

本発明の装置の構造を示す図である。 本発明の装置における処理炉の構造を示す図である。

符号の説明

１ 鋼帯
２ 加熱炉
３ 処理炉
４ 冷却炉
５ａ、５ｂ ノズル
６ 処理ガス
７ａ、７ｂ 支持ロール
８ 排気口
９ シール装置

Claims (2)

1. 金属ストリップを導入した処理炉の内部に、処理ガスを供給して金属ストリップの表面に化学蒸着を施す装置であって、該金属ストリップを鉛直方向に搬送する、縦型の処理炉をそなえ、該処理炉の金属ストリップ搬送方向上流側に加熱炉を、下流側に冷却炉を備えるものであり、該処理炉の内部に、金属ストリップを挟んで対をなす、処理ガスを金属ストリップの表面に向けて供給するノズルを設け、かつ処理炉の外側に金属ストリップの支持ロールを設けて、処理炉内から支持ロールを排除したことを特徴とする金属ストリップの連続式化学蒸着装置。
2. 前記ノズル対より、金属ストリップ搬送方向での上流側または下流側に、排気口を設けたことを特徴とする請求項１に記載の金属ストリップの連続式化学蒸着装置。

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