新一代连续带钢真空镀膜技术的发展现状与展望

为了进一步提高沉积薄膜的性能，有必要引入 离子强化和等离子活化过程。等离子强化蒸发技术 是连续带钢真空镀膜的一个发展方向。德国傅劳霍 芬电子束和等离子研究所（ＦＥＰ）据此提出了ＳＡＤ、 ＲＡＤ等镀膜技术，并建立了相关的中试线Ｈ］。 １．２．３磁控溅射
磁控溅射是用离子轰击靶材表面，溅射出的原 子沉积到基体表面成膜。通过引入其它反应性气 体，可以生成各种成分的薄膜。比如，引入氧气，可 以形成各种氧化物。
目前，大面积磁控溅射镀膜被广泛地应用在玻 璃和塑料行业。对于连续带钢卷来说，主要是在不 锈钢上形成太阳能吸收层或高反射薄膜，或者形成 用来提高镀层结合力的中间层系统。
．图ｌ磁控刻蚀技术原理图
Ｆｉ参ｌ ＰｒｉｎｃＩｐＩｅ ｏｆ ｓｐｕｔｔｅｒ ｅｔｃｈｉｎｇ
图２热蒸发喷射镀膜技术原理图
ｏｆ伍咖ｍ Ｆｉ昏２ ＰｒｉｎｃｉｐＩｅ
ｔｈｅｍａｌ Ａｂ山鼍ｃｔ：Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｖａｃｃｕｍ ｓｔｒｉｐ ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ
ｊｅｔ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ，ｍａｇｎｅｔｒｏｎ
ｓｐｕｔｔｅｒｉｎｇ，ｅｌｅｃｔｍｎ－ｂｅａｍ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｌａｓｍａ ｅｎｈａｎｃｅｄ ＥＢ ｅＶａｐｏｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｒｅＶｉｅｗｅｄ．Ｔｈｉｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
真空镀膜工艺的一个最突出的特点是可以把几 种真空镀膜工艺组合起来，目前建立的中试线基本 上都是各种技术的组合，以提高中试线的适应性，满 足沉积复合薄膜的需要。
２真空镀膜的镀层
真空镀膜的镀层的研发方向主要有以下几个方 面：对现有产品的表面优化，比如沉积几十纳米厚的 合金使表面改性；开发比现有产品性能更好的镀层 产品，用于极端环境的使用，如高耐蚀产品；环保的
在电子束蒸发过程中，电子束直接打到被蒸发 物质上，产生一定的蒸汽压，使之沉积到基板上。电 子束蒸发尤其适用于涂镀高熔点的金属和氧化物。 在高的电子束能量轰击下，可以进行高速镀膜，但同 时被蒸发物质也被分解，需要在气相中重新结合，因 此需要在高速和镀层结构间进行优化取舍。最好的 方法是引入离子源，使被蒸发物质的结构在气相中 更加稳定。典型的镀层产品为铝、铜、铬、Ｓｉｏｚ等。 图３为两种不同的电子束蒸发系统。
中钢 Ａｎｄｒｉｔｚ Ｒｕｔｈｎｅｒ
日新制钢 新日铁 神户制钢 ＦＥＰ研究所 新日铁 日新制钢 神户制钢 日新制钢 日新制钢
４００，不锈钢基板 ３００，碳钢、镀锌板
３００，钢板
３００ ３００ ３００ ３００ ３００ ３００
作者简介Ｉ杨立红（１９７４一），男，博士，研究员｝ 弘呦ｎ；ｙａＩｌｇｌｉｈｏｎｇ＠ｂａ０８ｔｅｅｌ．ｃｏｍ， 修订日期；２００７－０１－２５
万方数据
·２·
钢铁
第４２卷
１．１ 真空镀膜前处理技术 前处理主要起到４个作用：去除污染物、表面活
化、刻蚀、交联。通常情况下，合理设计的化学清洗 足以满足随后化学沉积和处理的需要，但为了实现 真空镀膜，需要满足一些新的要求，比如表面氧化皮 的去除等。热镀锌表面的氧化铝薄膜和冷轧板表面 的氧化层对沉积材料在界面的扩散都有不良影响， 对镀层的结合力具有至关重要的作用。因此，在真 空镀膜前，表面的残余物质和这些氧化物薄膜都必 须全部或部分去除。目前主要有以下几种高效的真 空表面处理工艺。 １．１．１等离子前处理
日本 德国 日本
日本 日本 日本
日本
２００３ ２０００ １９９９ １９９４ １９９３ １９９２ １９９２ １９９２ １９９１ １９９１ １９９１ １９９１ １９９０ １９８７ １９８７ １９８６ １９８６ １９８２
蒂森克虏伯 ＦＥＰ研究所 广东江门鸿基钢带镀膜厂 浦项ＲＩＳＴ研究所 ＣＳＭ研究所 米塔尔（安赛乐）
ｊｅｔ ｃｏａｔｉｎｇ
万源自文库数据
第４期
杨立红等：新一代连续带钢真空镀膜技术的发展现状与展望
·３’
图３两种电子束蒸发镀膜技术原理图 Ｆｉｇ．３ ＰｒｉｎｃｉｐＩｅ ｏｆ ＥＢ ｅＶａｐｏｒａｔｉｏｎ Ｏｏａｔｉｎｇ
１．２．４几种技术的比较 这几种连续带钢物理气相沉积技术各有优缺
点。从沉积材料来说，热蒸发喷射只能沉积低熔点 金属，而其它技术都可以沉积金属和氧化物。在沉 积薄膜的厚度方面，磁控溅射只适于沉积较薄的薄 膜，但是薄膜的均匀性和表面质量都相对较好，其它 技术都可以高速沉积较厚的薄膜，薄膜质量相对较 差。在收得率方面，热喷射的收得率可以达到 １００％，目前电子束蒸发的收得率最高为８０％。
等离子处理可以去除表面的污染物，对表面进 行活化和刻蚀。如果采用氧气进行等离子前处理， 可以在钢板表面引进氧离子，随后与镀层形成化学 结合，提高表面镀层与基板的结合力。刻蚀深度取 决于带钢传输速度和功率。通常情况下，等离子前 处理仅能够影响表面几个纳米的深度，与溅射蚀刻 相比，提供反应的能量较小，不能完全满足钢板表面 前处理的要求。 １．１．２溅射刻蚀前处理
ＴａｂＩｅ ｌ
表ｌ １９６４～２００３年问建立的钢板、钢带卷真空镀膜试验生产线、中试线概况 Ｇｅｎｅ髓Ｉｉｎｆ０珊ａｔｉｏｎ ｏｎ鹤ｔａｂＩｉｓｈｅｄ ｖ舵ｕｕｍ∞ａｔｉｎｇ ｐｉｌｏｔｌｉｎｅ ａｒ０帅ｄ ｔｈｅ ｗｏｒＭ ｆｒｏｍ １９６４ ｔ０ ２００３
欧洲 德国 德国 中国 ‘ 韩国 意大利 法国 中国台湾 奥地利 日本 日本
本文介绍了连续带钢真空镀膜技术的特点、研 发、应用历史，对不同的真空镀膜工艺及其特点进行 了分析比较，对未来的发展进行了展望。
１真空镀膜技术
真空镀膜技术是在真空下进行镀膜的技术的总 称，主要包括物理气相沉积和化学气相沉积两大类， 其中物理气相沉积又可分为蒸发、溅射、离子镀等， 化学气相沉积又可分为等离子化学气相沉积、激光 化学气相沉积等。前者目前更接近于工业化生产， 后者还处于实验室研究阶段。本文主要介绍物理气 相沉积的镀膜技术。作为连续带钢的镀膜工艺，真 空镀膜技术主要包括真空前处理和镀膜两个部分。
发和等离子增强型电子束蒸发是目前最接近工业化的连续带钢真空镀膜工艺，并在多家钢铁公司的真空镀膜中试
线上得到了应用。其工艺特点是环保、良好的薄膜综合性能和可沉积材料的多样性及工艺组合的多样性，其镀层
系统主要包括现有产品表面改性、极端环境应用镀层、环保高效的中间层系统以及新型多功能薄膜和复合薄膜。
该技术目前正在走向工业化。工业化应用面临的主要问题是产品和市场定位问题。
ｎｅｓｓ ｔｏ ｉｎｔｅｇｒａｔｅ ｗｉｔｈ ｏｔｈｅｒ ｐｍｃｅｓｓｅｓ． Ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｃｏａｔｉｎｇｓ
ｆｏｒ ｃｒｉｔｉｃａｌ、＾，ｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌｌａｙｅｒ，ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｏａｔｉｎｇｓ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｆｏｒ ｉｎｄｕｓｔｒｉ—
除上述两种刻蚀方式之外，还有其它一些刻蚀 方式，如电弧增强等离子刻蚀等。其目标就是提高 等离子的能量，增强等离子刻蚀的效率和刻蚀深度。
磁场系统
０
１．２连续带钢真空镀膜技术 物理气相沉积有多种类型，包括热蒸发、电子柬
蒸发、磁控溅射、离子镀等技术。 １．２．１热蒸发镀膜技术
蒸发镀膜技术相对比较简单，通过不同的加热 方式把特定容器中的蒸发材料加热蒸发，沉积到基 板成膜。一种典型的技术是热蒸发喷射技术，该技 术通过窄缝喷射到基体表面，加快沉积速率和提高 薄膜质量，蒸汽的利用率可以达到９５％，见图２。 １．２．２电子束蒸发
ａｌｉｚａｔｉｏｎ ｌｉｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｎｄ ｍａｒｋｅｔ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｉｐＩ ｖａｃｕｕｍ；ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ；ｉｎｄｌｌｓｔｒｉａｌｉｚａｔｉｏｎ｝ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｃｏａｔｉｎｇ
近年来，市场对具有较好表面性能钢板的需求 不断增长，同时，用户对涂镀层的性能要求也越来越 高，希望涂镀层不仅具有耐腐蚀、环保相容性、优良 的可加工性和表面光学性能，还具有装饰性、抗涂 写、易清洁、耐磨损、耐指纹、隔音、抗划痕等性能。 传统的磷化、铬化、电镀和热镀技术经过多年发展， 已经进入成熟期，由于其固有的局限性，未来发展的 空间有限。激烈的市场竞争要求钢板的涂镀工序减 少能耗、提高材料的利用率，大幅度减少实现单项功 能所需的成本；同时，把一些下游企业需要实现的功 能转移到原材料供应商。上述要求难以通过传统生 产线的优化改造实现。因此，需要开发能应用于大 规模钢铁生产的新型表面涂镀工艺以及多功能涂镀 产品。
ｉｓ ｗａｌｋｉｎｇ ｔｏｗａｒｄｓ ｍａｓｓ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｉｎ ｐｉｌｏｔ ｌｉｎｅｓ ａｔ ｍａｎｙ ｓｔｅｅｌｍａｋｅｒｓ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ
ｖａｃｕｕｍ ｓｔｒｉｐ ｃｏａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｒｅ ｅｎ、ｒｉｒｏｎｍｅｎｔ．ｆｒｉｅｎｄｌｙ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｆｉｌｍ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｆｉｌｍ ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ ｅａｓｉ—
真空镀膜作为表面改性和镀膜工艺，已经在电 子、玻璃、塑料等行业得到了广泛的应用。真空镀膜 技术主要优点在于其环保、良好的薄膜性能和可镀 物质的多样性。连续带钢运用真空镀膜技术的关键 在于镀膜生产连续化、大面积、高速率、大规模生产
等几个方面。从２０世纪８０年代开始，世界各大钢 铁公司都对此技术进行了大量的研究。随着热镀锌 和电镀锌技术的成熟，该技术正在受到空前的重视， 并被认为是创新型的表面镀膜工艺［１］和“ｆａｃｔｏｒ ４” （双倍附加值、寿命，一半资源消耗）［２］连续带钢镀膜 工艺。
关键词：带钢；真空；镀膜工艺，工业化，多功能镀层
中图分类号：ＴＧｌ７４．４
文献标识码：Ａ
文章编号：０４４９—７４９Ｘ（２００７）０４—０００１—０４
Ｐｒｅｓｅｎｔ Ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ Ｖａｃｕｕｍ Ｓｔｒｉｐ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ
ＹＡＮＧ Ｌｉ＿ｈｏｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｊｉａｎ， ＦＵ Ｊｉａｎ－ｑｉｎ， ＣＵｌ Ｊｉａｎ （Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｂａｏｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１９００，Ｃｈｉｎａ）
典型的低电流等离子清洗和蚀刻不能满足钢板 表面处理的要求。为了提高等离子清洗的效率，一 般还采用其它技术来提高等离子体的能量，如溅射 刻蚀。
如图１所示，在磁控放电中，接地的钢板作为阴 极。在钢带卷的上下方分别安装阳极和电磁系统。 电磁放电直接在钢板表面发生，通过氩离子冲击进行 刻蚀。钢板的刻蚀速率可以达到１５～２０ ｎｍ／Ｓ［３１。 １．Ｌ ３其它前处理技术
新一代表面处理工艺，如用镀ｓｉ０２代替磷化、钝化， 然后进行有机辊涂；全新的多功能镀层产品，如复合 镀层等。其中多功能镀层系统是这项技术的生命力 所在，传统的镀锌等技术难以实现。镀层系统的选 取正是目前这项技术走向工业化的关键。这些产品 主要应用在汽车、家电、建筑、光伏、化学等行业。
３连续带钢真空镀膜技术的研发和应 用现状
第４２卷第４期 ２ Ｏ Ｏ ７年４月
钢
铁
Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ
Ｖ０１．４２。Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２００７
新一代连续带钢真空镀膜技术的发展现状与展望
杨立红， 张健， 傅建钦， 崔健
（上海宝钢股份有限公司研究院，上海２０１９００）
摘要：介绍了新一代连续带钢镀膜技术——真空镀膜的工艺特点及应用现状。热蒸发喷射、磁控溅射、电子束蒸
连续带钢真空镀膜的特点是大面积和连续性， 因此，并没有在高校和研究所得到广泛而深入的研 究。从２０世纪９０年代起，欧洲煤钢联组织欧洲的 研究所和相关钢铁企业对大面积钢板的真空镀膜工 艺进行了实验室和应用研究，其中一些钢铁公司和 研究所在此期间开发了相关技术。
如表１所示，从１９８２年到１９８７年，日新、新日 铁、神户等钢铁公司采用真空镀膜技术，建立了大约 ７条中试线或小规模生产线，但是由于成本和电子 束枪等技术发展和研发目标的局限，没有得到大规