一種利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工藝的製作方法

2023-08-03 13:07:21 1

專利名稱：一種利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及帶鋼鍍膜工藝，特別涉及一種利用真空下脈衝雷射蒸發燒 蝕進行帶鋼鍍膜的工藝。
背景技術：
現有的帶鋼鍍膜技術主要包括熱鍍鋅、電鍍鋅、電鍍錫、彩塗等鍍膜 工藝。通常還包括化學前處理和磷化、鈍化、耐指紋鍍膜等前後處理工序。
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 戶對塗鍍層產品的性能要求也越高越高。用戶希望塗鍍層產品不僅能滿足 耐腐蝕、環保相容性、優良的可加工性和表面光學性能，還能具有裝飾性、 抗塗寫性、易清潔、耐磨損、耐指紋、隔音、抗劃痕等性能；用戶要求塗 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，已經研發出了以不鏽鋼為基板 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，而傳統的鍍鋅等技術功能難以擴展，厚度控制精度在10-20%左 右，難以滿足高端應用的需求。
目前正在開發的真空鍍膜的主要優點在於其環保、良好的薄膜性能和 可鍍物質的多樣性。作為帶鋼鍍膜的環保、多功能工藝，己經進行了很多 研發。這些工藝大都採用電子束蒸發、電阻蒸發、磁控濺射等工藝，雖然 功能靈活，但是用於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，生產準備時間長等問題，產品不屬
於咼端廣品o
隨著帶鋼軋制技術水平及表面質量的提高，鋼板已經可以做到 0.125mm厚，表面質量有了大幅度提高，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、磁控濺射等能夠大幅度提高薄膜的質量，但是對於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生大幅度的改變，最終影響產品的使用。因此需要開發能夠精確控制薄膜成分，同時不對基板 產生很大影響的鍍膜工藝和高端產品。
雷射脈衝鍍膜(PLD)是一種用途廣泛的薄膜沉積技術。脈衝雷射快
速蒸發靶材，生成與靶材組成相同的薄膜。PLD的獨特之處是能量源(脈
衝激光)位於真空室的外面。這樣，在材料合成時，工作壓力的動態範圍
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構和納米顆粒。
PLD是一種"數字"技術，可以在納米尺度上進行工藝控制(A。/pulse)，
比熱蒸發、磁控濺射等能夠更精確地控制薄膜的厚度、成分、組織結構等。 根據波長和脈衝雷射能量的不同，可以控制鍍膜的工藝類型，比如蒸發還 是燒蝕。
脈衝雷射沉積已經成功地應用到半導體、化學等領域的薄膜製備。但 都是對於塊體材料、非連續、板材的鍍膜處理，設備主要是特點是單體 設備，採用一個真空腔結構，在鍍膜前基板就被放入鍍膜室，然後抽真空、 產生靶材蒸汽，通過旋轉基板等方式來實現均勻鍍膜、鍍膜完成後打開真 空系統，實現鍍膜。
這些系統的主要目的是對於小面積對象的斷續式鍍膜處理，其系統設 計不能滿足對於帶鋼所需要的連續帶鋼(不間斷運行l星期以上)、空對 空模式(基板從空氣中進入真空系統，再返回到空氣中。鍍膜對象是以連 續的方式進入鍍膜單元，以連續的方式完成鍍膜。鍍膜開始和實現不需要 抽真空或去掉真空系統。)、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，雷射通常被用於鋼板的切割、焊接 等；在帶鋼鍍層領域可以作為鍍層沉積後的退火工藝使用，或者用於處理 鋼板上的鍍層，用來形成所需的圖案；雷射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。
為了實現工業化，連續帶鋼鍍膜的主要難點在於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。

發明內容
本發明的目的在於提供一種真空下利用脈衝雷射蒸發燒蝕工藝進行 帶鋼鍍膜的工藝，整個工藝過程環保，可以實現多種鍍膜產品；系統響應 速度快。鍍層的控制精度很高。
為達到上述目的，本發明的技術方案是，
一種利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工藝，鋼巻基板材 料表面質量最少在05級別；鋼巻開巻後進入真空鎖，帶鋼運行速率在 0.1mm/min到10m/min之間；然後進入脈衝雷射鍍膜單元，鍍膜單元通入 反應性氣體或惰性氣體，讓雷射束以一定的模式照射耙材，產生耙材蒸汽， 在鋼板通過該區域時，進行鍍膜。
雷射束退火，然後通過真空鎖，進入空氣中，進行閉巻；最後，在鋼 巻上鍍膜。
在鍍膜單元內添加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鏽鋼巻或有機預塗鋼巻。
雷射器採用固體雷射器，如Nd: YAG;或氣體雷射器，採用ArF、 KrF激勵源。雷射器和波長'的選擇需要根據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。 根據鍍膜的連續工作時間，確定靶材的數量和加料方式。
本發明提出採用真空下脈衝雷射沉積進行帶鋼鍍膜。基板材料可以是 冷軋鋼巻、鍍鋅板巻、不鏽鋼巻、及有機預塗鋼巻等。表面質量最少在 05級別。根據應用的不同，可以選用不同的鋼種。
鋼巻開巻後進入真空鎖，然後進入脈衝雷射鍍膜單元；通入反應性氣 體或惰性氣體後，讓雷射束以一定的模式照射靶材，產生耙材蒸汽，在鋼 板通過該區域時，進行鍍膜；可以進一步選擇是否進行雷射束退火，然後 通過真空鎖，進入空氣中，進行閉巻。最後，實現在碳鋼(包括鍍鋅板) 巻、不鏽鋼巻、有機預塗層鋼巻上實現環保、多功能鍍膜。
薄膜的性能可以通過脈衝雷射能量，波長、入射角度、掃描方式、頻 率等來進行調解。為了進一步提高鍍膜質量，可以在鍍膜室內添加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合力，也可以在鋼巻雷射鍍膜前，進行化學前 處理、或等離子刻蝕、或者使用能雷射輸出紫外光照射等處理。
根據所需薄膜質量和厚度的不同，選擇合適的雷射系統參數，如功率
等；選擇合適的基板；選擇合適的帶鋼速度。
根據鋼板寬度的不同，為實現寬幅帶鋼鍍膜，可以在帶鋼寬度方向並 排放置多個雷射器及靶材系統；為了增加鍍膜厚度，也可以連續放置多排 雷射器。為了提高均勻性，可以均等地安排在鋼板運行方向的兩側。
為實現高速帶鋼鍍膜，可以在帶鋼運行方向並排放置多個雷射器及耙 材系統。
為提高薄膜結合力，在開巻後，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，然後進入真空系統，進行鍍膜。
本發明的有益效果
本發明採用雷射進行材料加熱和鍍膜，實現環保的生產工藝，整個生 產過程中沒有廢水、廢酸、廢鹼的排放；
採用雷射進行材料加熱和鍍膜，系統響應速度快、即生產線準備時間， 比現有熱鍍鋅、電鍍鋅、熱蒸發、磁控濺射等大幅度縮短，系統可以快速 進入穩態。
通過選用所需成分的靶材作為原料，可以在基板上製備精確成分的鍍 層產品，同時雷射的使用可以精確控制鍍膜厚度，可以精確設計產品的成 分和性能。
通過本發明提出的多臺雷射器的組合，可是實現大幅寬、高速運行的 帶鋼鍍膜。
通過使用本發明所提出的真空鎖使鋼板可以在空氣中開巻，然後進入 所需真空系統，進行鍍膜，最終實現連續金屬帶的鍍膜，生產效率高，產 品質量好，滿足大規模工業化的技術需求。
本發明涉及的產品可以包括TiOx、 SiOx、 FeV、 SiC等，可應用於汽 車、家電、建築、光伏、化學等行業。
具體實施方式
實施例1
在100mm寬不鏽鋼板上沉積抗菌用Ti02薄膜。
在本實施例中，選用只含純anatase相的Ti02作為耙材，在不鏽鋼巻 表面沉積Ti02鍍層。
使用KrF激勵源雷射器，波長為248nm，重複頻率10Hz， 45度角入 射，真空度為3.5xl(T5mbar。可以在鋼板兩側對應放置一個雷射器，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。
實施例2
在不鏽鋼板上製備耐磨Fe-V 10nm厚合金鍍層。
在本實施例中，選用含Fe量為48%的Fe-V合金作為耙材，在不鏽鋼 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雷射器，波長為532nm，重複頻率10Hz， 45度角入射， 真空度為3.5xl(T5mbar;脈衝間隔為10ns;雷射能量在5.3J/cm2。可以在 鋼板兩側對應放置一個雷射器，在真空室使用一個100mm矩形耙。
不鏽鋼以0.5m/min通過，可實現10nm Fe-V合金的鍍層製備。EDX 結果表面Fe的含量在43-58%之間變化，與靶材成分很相近。
實施例3
在冷軋板上製備不鏽鋼鍍層。
在本實施例中，選用塊狀304不鏽鋼作為靶材，在冷軋板表面沉積相 同成分的不鏽鋼鍍層，用來提高耐蝕性能。
使用脈衝紅寶石雷射器，波長為694nm，重複頻率5Hz， 45度角入射， 真空度為3.5xl0—5mbar;脈衝間隔為30ns;鋼板經過雷射束預熱後，進入 脈衝雷射鍍膜單元。雷射能量在10J/cm2。可以在鋼板兩側對應放置一個雷射器，在鋼帶運行方向放置三組靶材和雷射器，以提高鍍膜速度。
不鏽鋼以5m/min通過，可實現30nm Fe-V合金的鍍層製備。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。鍍層結合力良好。
綜上所述，本發明採用脈衝雷射蒸發或燒蝕帶鋼鍍膜工藝，可以更好 地控制帶鋼表面的結構、成分和厚度。尤其是作為帶鋼鍍膜生產，由於激 光的快速響應，可以大幅度減少生產的準備時間。雷射單元放於真空室外 部，可以靈活根據鍍膜種類的不同，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。
權利要求
1.一種利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工藝，鋼卷基板材料表面質量最少在O5級別；鋼卷開卷後進入真空鎖，帶鋼運行速率在0.1mm/min到10m/min之間；然後進入脈衝雷射鍍膜單元，鍍膜單元通入反應性氣體或惰性氣體，讓雷射束以一定的模式照射靶材，產生靶材蒸汽，在鋼板通過該區域時，進行鍍膜。
2. 如權利要求1所述的利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特徵是，鍍膜後可選擇雷射束退火，然後通過真空鎖，進入空 氣中，進行閉巻；最後，在鋼巻上完成鍍膜。
3. 如權利要求1所述的利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特徵是，在鍍膜單元內添加RF電極，增強材料離子化率，增 加等離子密度。
4. 如權利要求1所述的利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特徵是，鋼巻基板材料可以是冷軋鋼巻或鍍鋅板巻或不鏽鋼巻 或有機預塗鋼巻。
5. 如權利要求1所述的利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特徵是，雷射器採用固體雷射器，如Nd: YAG;或氣體雷射器， 採用ArF、 KrF激勵源。
6. 如權利要求1所述的利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特徵是，反應性氣體為氬氣、氦氣、氧氣或氮氣中的一種。
7. 如權利要求1所述的利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特徵是，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. 如權利要求1所述的利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特徵是，為實現寬幅帶鋼鍍膜，可以在帶鋼寬度方向並排放置 多個雷射器及靶材系統。
9. 如權利要求1所述的利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工 藝，其特徵是，為實現高速帶鋼鍍膜，可以在帶鋼運行方向並排放置 多個雷射器及耙材系統。
10. 如權利要求1所述的利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工藝，其特徵是，為提高薄膜結合力，在開巻後，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，然後進入 真空系統，進行鍍膜。
全文摘要
一種利用真空下脈衝雷射蒸發燒蝕進行帶鋼鍍膜的工藝，鋼卷基板材料表面質量最少在O5級別；鋼卷開卷後進入真空鎖，帶鋼運行速率在0.1mm/min到10m/min之間；然後進入脈衝雷射鍍膜單元，鍍膜單元通入反應性氣體或惰性氣體，讓雷射束以一定的模式照射靶材，產生靶材蒸汽，在鋼板通過該區域時，進行鍍膜。本發明工藝過程環保，可以實現多種鍍膜產品；系統響應速度快，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 優先權日2008年4月25日
發明者楊立紅 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司