專利名稱：一種利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒蝕進行帶鋼鍍膜的工藝的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及帶鋼鍍膜工藝，特別涉及一種利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒 蝕進行帶鋼鍍膜的工藝。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的帶鋼鍍膜技術(shù)主要包括熱鍍鋅、電鍍鋅、電鍍錫、彩涂等鍍膜 工藝。通常還包括化學前處理和磷化、鈍化、耐指紋鍍膜等前后處理工序。
近些年來，市場對具有較好表面性能鋼板的需求不斷增長，同時，用 戶對涂鍍層產(chǎn)品的性能要求也越高越高。用戶希望涂鍍層產(chǎn)品不僅能滿足 耐腐蝕、環(huán)保相容性、優(yōu)良的可加工性和表面光學性能，還能具有裝飾性、 抗涂寫性、易清潔、耐磨損、耐指紋、隔音、抗劃痕等性能；用戶要求涂 鍍層越來越薄，綜合性能越來越好。尤其用戶需要用來提供支撐作用的比 較便宜的基板，鋼板成為了一種最佳選擇，已經(jīng)研發(fā)出了以不銹鋼為基板 的太陽能電池。類似這些高端應用的最大特點是要求對鍍層能夠進行精確 的控制，而傳統(tǒng)的鍍鋅等技術(shù)功能難以擴展，厚度控制精度在10-20%左 右，難以滿足高端應用的需求。
目前正在開發(fā)的真空鍍膜的主要優(yōu)點在于其環(huán)保、良好的薄膜性能和 可鍍物質(zhì)的多樣性。作為帶鋼鍍膜的環(huán)保、多功能工藝，己經(jīng)進行了很多 研發(fā)。這些工藝大都采用電子束蒸發(fā)、電阻蒸發(fā)、磁控濺射等工藝，雖然 功能靈活，但是用于帶鋼也存在能量利用率有待提高、合金層的成分不能 準確控制、溫控精度難以進一步提高，生產(chǎn)準備時間長等問題，產(chǎn)品不屬
于咼端廣品o
隨著帶鋼軋制技術(shù)水平及表面質(zhì)量的提高，鋼板已經(jīng)可以做到 0.125mm厚，表面質(zhì)量有了大幅度提高，因此對高端表面鍍層的需求也在 不斷的提高。傳統(tǒng)的熱鍍鋅電鍍鋅的厚度都在微米量級，成分精度差；而 熱蒸發(fā)、磁控濺射等能夠大幅度提高薄膜的質(zhì)量，但是對于TK)2等鍍層需 要額外的加熱工序，這種加熱工序會對基板的性能產(chǎn)生大幅度的改變，最終影響產(chǎn)品的使用。因此需要開發(fā)能夠精確控制薄膜成分，同時不對基板 產(chǎn)生很大影響的鍍膜工藝和高端產(chǎn)品。
激光脈沖鍍膜(PLD)是一種用途廣泛的薄膜沉積技術(shù)。脈沖激光快
速蒸發(fā)靶材，生成與靶材組成相同的薄膜。PLD的獨特之處是能量源(脈
沖激光)位于真空室的外面。這樣，在材料合成時，工作壓力的動態(tài)范圍
很寬，達到10-10 Torr 100 Torr。通過控制鍍膜壓力和溫度，可以合成一 系列具有獨特功能的納米結(jié)構(gòu)和納米顆粒。
PLD是一種"數(shù)字"技術(shù)，可以在納米尺度上進行工藝控制(A。/pulse)，
比熱蒸發(fā)、磁控濺射等能夠更精確地控制薄膜的厚度、成分、組織結(jié)構(gòu)等。 根據(jù)波長和脈沖激光能量的不同，可以控制鍍膜的工藝類型，比如蒸發(fā)還 是燒蝕。
脈沖激光沉積已經(jīng)成功地應用到半導體、化學等領域的薄膜制備。但 都是對于塊體材料、非連續(xù)、板材的鍍膜處理，設備主要是特點是單體 設備，采用一個真空腔結(jié)構(gòu)，在鍍膜前基板就被放入鍍膜室，然后抽真空、 產(chǎn)生靶材蒸汽，通過旋轉(zhuǎn)基板等方式來實現(xiàn)均勻鍍膜、鍍膜完成后打開真 空系統(tǒng)，實現(xiàn)鍍膜。
這些系統(tǒng)的主要目的是對于小面積對象的斷續(xù)式鍍膜處理，其系統(tǒng)設 計不能滿足對于帶鋼所需要的連續(xù)帶鋼(不間斷運行l(wèi)星期以上)、空對 空模式(基板從空氣中進入真空系統(tǒng)，再返回到空氣中。鍍膜對象是以連 續(xù)的方式進入鍍膜單元，以連續(xù)的方式完成鍍膜。鍍膜開始和實現(xiàn)不需要 抽真空或去掉真空系統(tǒng)。)、大寬度(40mm以上)、基板高速運行、以 金屬為基板的鍍膜需求。在鋼鐵領域，激光通常被用于鋼板的切割、焊接 等；在帶鋼鍍層領域可以作為鍍層沉積后的退火工藝使用，或者用于處理 鋼板上的鍍層，用來形成所需的圖案；激光也作為軋輥毛化的工藝得到了 應用，這些應用的主要特點是線性處理，不同處理大面積對象，處理對象 沒有大幅度相對運動。
為了實現(xiàn)工業(yè)化，連續(xù)帶鋼鍍膜的主要難點在于空對空的鋼帶傳輸方 式(需要從空氣開巻中進入真空，再從真空中進入大氣閉巻)，以帶鋼運 行方式鍍膜，需要合適的前處理方式、同時是大面積鍍膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種真空下利用脈沖激光蒸發(fā)燒蝕工藝進行 帶鋼鍍膜的工藝，整個工藝過程環(huán)保，可以實現(xiàn)多種鍍膜產(chǎn)品；系統(tǒng)響應 速度快。鍍層的控制精度很高。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，
一種利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒蝕進行帶鋼鍍膜的工藝，鋼巻基板材 料表面質(zhì)量最少在05級別；鋼巻開巻后進入真空鎖，帶鋼運行速率在 0.1mm/min到10m/min之間；然后進入脈沖激光鍍膜單元，鍍膜單元通入 反應性氣體或惰性氣體，讓激光束以一定的模式照射耙材，產(chǎn)生耙材蒸汽， 在鋼板通過該區(qū)域時，進行鍍膜。
激光束退火，然后通過真空鎖，進入空氣中，進行閉巻；最后，在鋼 巻上鍍膜。
在鍍膜單元內(nèi)添加RF電極，材料離子化，增加等離子密度。 鋼巻基板材料可以是冷軋鋼巻或鍍鋅板巻或不銹鋼巻或有機預涂鋼巻。
激光器采用固體激光器，如Nd: YAG;或氣體激光器，采用ArF、 KrF激勵源。激光器和波長'的選擇需要根據(jù)所鍍材料類型進行選擇。
反應性氣體為氬氣、氦氣、氧氣或氮氣中的一種。
靶材可以是純金屬、各種不同成分的合金、氧化物、氮化物或碳化物。 根據(jù)鍍膜的連續(xù)工作時間，確定靶材的數(shù)量和加料方式。
本發(fā)明提出采用真空下脈沖激光沉積進行帶鋼鍍膜?；宀牧峡梢允?冷軋鋼巻、鍍鋅板巻、不銹鋼巻、及有機預涂鋼巻等。表面質(zhì)量最少在 05級別。根據(jù)應用的不同，可以選用不同的鋼種。
鋼巻開巻后進入真空鎖，然后進入脈沖激光鍍膜單元；通入反應性氣 體或惰性氣體后，讓激光束以一定的模式照射靶材，產(chǎn)生耙材蒸汽，在鋼 板通過該區(qū)域時，進行鍍膜；可以進一步選擇是否進行激光束退火，然后 通過真空鎖，進入空氣中，進行閉巻。最后，實現(xiàn)在碳鋼(包括鍍鋅板) 巻、不銹鋼巻、有機預涂層鋼巻上實現(xiàn)環(huán)保、多功能鍍膜。
薄膜的性能可以通過脈沖激光能量，波長、入射角度、掃描方式、頻 率等來進行調(diào)解。為了進一步提高鍍膜質(zhì)量，可以在鍍膜室內(nèi)添加RF電極等，促進材 料的離子化，增加等離子密度。
為了進一步提高鍍膜結(jié)合力，也可以在鋼巻激光鍍膜前，進行化學前 處理、或等離子刻蝕、或者使用能激光輸出紫外光照射等處理。
根據(jù)所需薄膜質(zhì)量和厚度的不同，選擇合適的激光系統(tǒng)參數(shù)，如功率
等；選擇合適的基板；選擇合適的帶鋼速度。
根據(jù)鋼板寬度的不同，為實現(xiàn)寬幅帶鋼鍍膜，可以在帶鋼寬度方向并 排放置多個激光器及靶材系統(tǒng)；為了增加鍍膜厚度，也可以連續(xù)放置多排 激光器。為了提高均勻性，可以均等地安排在鋼板運行方向的兩側(cè)。
為實現(xiàn)高速帶鋼鍍膜，可以在帶鋼運行方向并排放置多個激光器及耙 材系統(tǒng)。
為提高薄膜結(jié)合力，在開巻后，可以進入化學前處理、等離子刻蝕或 者紫外光照射等工藝，進行表面清潔和活化，然后進入真空系統(tǒng)，進行鍍膜。
本發(fā)明的有益效果
本發(fā)明采用激光進行材料加熱和鍍膜，實現(xiàn)環(huán)保的生產(chǎn)工藝，整個生 產(chǎn)過程中沒有廢水、廢酸、廢堿的排放；
采用激光進行材料加熱和鍍膜，系統(tǒng)響應速度快、即生產(chǎn)線準備時間， 比現(xiàn)有熱鍍鋅、電鍍鋅、熱蒸發(fā)、磁控濺射等大幅度縮短，系統(tǒng)可以快速 進入穩(wěn)態(tài)。
通過選用所需成分的靶材作為原料，可以在基板上制備精確成分的鍍 層產(chǎn)品，同時激光的使用可以精確控制鍍膜厚度，可以精確設計產(chǎn)品的成 分和性能。
通過本發(fā)明提出的多臺激光器的組合，可是實現(xiàn)大幅寬、高速運行的 帶鋼鍍膜。
通過使用本發(fā)明所提出的真空鎖使鋼板可以在空氣中開巻，然后進入 所需真空系統(tǒng)，進行鍍膜，最終實現(xiàn)連續(xù)金屬帶的鍍膜，生產(chǎn)效率高，產(chǎn) 品質(zhì)量好，滿足大規(guī)模工業(yè)化的技術(shù)需求。
本發(fā)明涉及的產(chǎn)品可以包括TiOx、 SiOx、 FeV、 SiC等，可應用于汽 車、家電、建筑、光伏、化學等行業(yè)。
具體實施方式
實施例1
在100mm寬不銹鋼板上沉積抗菌用Ti02薄膜。
在本實施例中，選用只含純anatase相的Ti02作為耙材，在不銹鋼巻 表面沉積Ti02鍍層。
使用KrF激勵源激光器，波長為248nm，重復頻率10Hz， 45度角入 射，真空度為3.5xl(T5mbar?？梢栽阡摪鍍蓚?cè)對應放置一個激光器，在真 空室使用一個100mm矩形革巴。
冷軋板以0.lmm/分通過，可實現(xiàn)20nm anatase相的Ti02鍍膜。XRD 分析表明試樣鍍層為純anatase相，具有較好的抗菌性。橢偏儀分析表面 起厚度誤差在1%以內(nèi)。
實施例2
在不銹鋼板上制備耐磨Fe-V 10nm厚合金鍍層。
在本實施例中，選用含F(xiàn)e量為48%的Fe-V合金作為耙材，在不銹鋼 巻表面沉積相同成分的Fe-V合金，用來提高其耐磨性能。
使用Nd:YAG激光器，波長為532nm，重復頻率10Hz， 45度角入射， 真空度為3.5xl(T5mbar;脈沖間隔為10ns;激光能量在5.3J/cm2。可以在 鋼板兩側(cè)對應放置一個激光器，在真空室使用一個100mm矩形耙。
不銹鋼以0.5m/min通過，可實現(xiàn)10nm Fe-V合金的鍍層制備。EDX 結(jié)果表面Fe的含量在43-58%之間變化，與靶材成分很相近。
實施例3
在冷軋板上制備不銹鋼鍍層。
在本實施例中，選用塊狀304不銹鋼作為靶材，在冷軋板表面沉積相 同成分的不銹鋼鍍層，用來提高耐蝕性能。
使用脈沖紅寶石激光器，波長為694nm，重復頻率5Hz， 45度角入射， 真空度為3.5xl0—5mbar;脈沖間隔為30ns;鋼板經(jīng)過激光束預熱后，進入 脈沖激光鍍膜單元。激光能量在10J/cm2?？梢栽阡摪鍍蓚?cè)對應放置一個激光器，在鋼帶運行方向放置三組靶材和激光器，以提高鍍膜速度。
不銹鋼以5m/min通過，可實現(xiàn)30nm Fe-V合金的鍍層制備。EDX分 析表面與原靶材成分相近，SEM照片顯示，鍍層最大的顆粒尺寸為50nm， 顆粒相互融合，均勻形成鍍層。鍍層結(jié)合力良好。
綜上所述，本發(fā)明采用脈沖激光蒸發(fā)或燒蝕帶鋼鍍膜工藝，可以更好 地控制帶鋼表面的結(jié)構(gòu)、成分和厚度。尤其是作為帶鋼鍍膜生產(chǎn)，由于激 光的快速響應，可以大幅度減少生產(chǎn)的準備時間。激光單元放于真空室外 部，可以靈活根據(jù)鍍膜種類的不同，進行更換。加入反應性氣體，可以沉 積氧化物、合金、純金屬等多種鍍膜，在不同的應用領域使用。
權(quán)利要求
1.一種利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒蝕進行帶鋼鍍膜的工藝，鋼卷基板材料表面質(zhì)量最少在O5級別；鋼卷開卷后進入真空鎖，帶鋼運行速率在0.1mm/min到10m/min之間；然后進入脈沖激光鍍膜單元，鍍膜單元通入反應性氣體或惰性氣體，讓激光束以一定的模式照射靶材，產(chǎn)生靶材蒸汽，在鋼板通過該區(qū)域時，進行鍍膜。
2. 如權(quán)利要求1所述的利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特征是，鍍膜后可選擇激光束退火，然后通過真空鎖，進入空 氣中，進行閉巻；最后，在鋼巻上完成鍍膜。
3. 如權(quán)利要求1所述的利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特征是，在鍍膜單元內(nèi)添加RF電極，增強材料離子化率，增 加等離子密度。
4. 如權(quán)利要求1所述的利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特征是，鋼巻基板材料可以是冷軋鋼巻或鍍鋅板巻或不銹鋼巻 或有機預涂鋼巻。
5. 如權(quán)利要求1所述的利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特征是，激光器采用固體激光器，如Nd: YAG;或氣體激光器， 采用ArF、 KrF激勵源。
6. 如權(quán)利要求1所述的利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特征是，反應性氣體為氬氣、氦氣、氧氣或氮氣中的一種。
7. 如權(quán)利要求1所述的利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特征是，靶材可以是純金屬、各種不同成分的合金、氧化物、 氮化物或碳化物。
8. 如權(quán)利要求1所述的利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特征是，為實現(xiàn)寬幅帶鋼鍍膜，可以在帶鋼寬度方向并排放置 多個激光器及靶材系統(tǒng)。
9. 如權(quán)利要求1所述的利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特征是，為實現(xiàn)高速帶鋼鍍膜，可以在帶鋼運行方向并排放置 多個激光器及耙材系統(tǒng)。
10. 如權(quán)利要求1所述的利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒蝕進行帶鋼鍍膜的工藝，其特征是，為提高薄膜結(jié)合力，在開巻后，可以進入化學前處理、 等離子刻蝕或者紫外光照射等工藝，進行表面清潔和活化，然后進入 真空系統(tǒng)，進行鍍膜。
全文摘要
一種利用真空下脈沖激光蒸發(fā)燒蝕進行帶鋼鍍膜的工藝，鋼卷基板材料表面質(zhì)量最少在O5級別；鋼卷開卷后進入真空鎖，帶鋼運行速率在0.1mm/min到10m/min之間；然后進入脈沖激光鍍膜單元，鍍膜單元通入反應性氣體或惰性氣體，讓激光束以一定的模式照射靶材，產(chǎn)生靶材蒸汽，在鋼板通過該區(qū)域時，進行鍍膜。本發(fā)明工藝過程環(huán)保，可以實現(xiàn)多種鍍膜產(chǎn)品；系統(tǒng)響應速度快，鍍層的控制精度很高。
文檔編號C23C14/54GK101565816SQ20081003668
公開日2009年10月28日 申請日期2008年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日
發(fā)明者楊立紅 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司