CN105297126B - 一种液相等离子大面积金属材料表面连续处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种液相等离子大面积金属材料表面连续处理方法，属于表面处理领域。本发明通过碳酸钠、碳酸氢钠等或各种金属盐溶液(硫酸锌、硫酸镍等)为主要介质，与大量的绝缘性固体颗粒混合，将需要被处理的金属材料放入其中，置为阴极，阳极采用铂或石墨等惰性电极材料，与大功率电源连成回路。采用高压脉冲等离子放电，巨大的局部电流在阴极表面产生等离子区，对金属表面进行清洗及镀层的沉积。本发明通过可调速传动装置可对扎装、轴装金属丝，卷装金属板材进行连续表面处理。绝缘物质的混合可以有效降低处理过程中的功率密度，从而进行金属板材及线材的大面积处理，可用于钢厂中冷热轧钢带的处理，本发明可极大地降低能耗，减少污染，提高效率。
Description
技术领域
本发明开发了一种液相等离子大面积金属表面连续处理的方法，特别是用于涂镀前处理与金属涂层的沉积，尤其可以替代金属板及丝生产过程中的酸洗碱洗环节，以及电镀及电镀预处理环节，可以有效减少污染，降低能耗。
背景技术
表面清洗/沉积技术是现代工业生产中的重要环节，在各种金属制品表面处理中扮演着十分重要的角色。金属部件如钢材，在使用之前通常需要对其表面进行清洗或防腐处理，清除金属表面的氧化皮、防腐油、润滑油、锈蚀等各种污染物和残留物，以便提高材料的使用性能及后续镀层的质量。
金属表面清洗技术主要分为：机械清洗、化学清洗、喷射清洗和电解清洗等。这几种传统的表面清洗方法在工业中已经应用很久。脱脂、除油、酸洗、活化等步骤需要大量的有机溶剂，强酸、碱等对环境污染严重的溶液，生产流程极为复杂，电镀过程中同样加入大量的强酸碱，氰化物等剧毒物质，作业过程中的环境较为恶劣，并且每年对于使用过后的污水处理都需要投入巨大的资金，浪费大量的能源。随着机械制造业的快速发展及现代工业生产对于经济性、环保性、安全性的要求，迫切需要寻找更加高效、清洁且不具损伤性的表面处理技术，基于此现状急需找到一种可以替代传统金属表面清洗的高效、节能、环保的新方法。
气相等离子表面处理对工作环境的要求极高，需要精密的设备进行操作，并且很难对大面积的金属件进行处理。普通的液相等离子体虽然技术难度更低，但是在阴极产生等离子需要极大的电流。而本发明提出的方法可以有效解决在清洗过程中的能耗问题，可以大幅度地减小阴极表面的电流密度，可对大面的金属线材及板材进行处理，并且处理后的表面质量更为均匀。
发明内容
本发明主要解决对大面积的金属板材及丝材进行表面处理并实现低能耗低成本的问题。
一种液相等离子环境下大面积金属材料表面连续处理方法，其特征在于设置了阻挡层，阻挡层浸于金属盐溶液中，将被处理的材料置于在阻挡层中心作为阴极，阳极采用铂或石墨等惰性电极材料，与大功率电源连成回路。采用高压脉冲等离子放电技术，巨大的局部电流在阴极表面产生等离子区。在金属盐溶液中，产生等离子后的高能活性物质可以对被处理的材料表面进行清洗，高温高能以及脉冲电流的震荡可加速去除表面杂质，巨大的热量增大材料表面的粗糙度，有利于下一步的涂镀操作。
其具体操作步骤为：用带有微孔的网制成的管体或者槽体充当阻挡层，阻挡层内部由绝缘材料小球填充，在实际作业过程中，阻挡层完全浸入溶液之中，被处理的材料置于在阻挡层中心，连接电源的负极，作为阴极电极，阻挡层的外侧20mm-200mm外设置阳极管或阳极板，采用高压脉冲等离子放电技术，在阴阳极之间加载80V-400V的直流或脉冲电压，由此在阻挡层内部距阴极表面0-50mm范围内形成细小的电弧，大量的细小电弧形成等离子区；当反应发生在电解产物为氢气与氧气的电解液中，此等离子区域可以对阴极表面进行油污、杂质氧化物进行处理，获得洁净的表面。处理过程中阴极需沿其长轴方向快速运动，使阴极产生的气泡只集中在阴极表面附近，通过温控系统水温控制在40-90摄氏度之间。
当反应发生在产物为金属与氧气的体系中，此等离子区可加速阳离子在阴极表面的还原与沉积，获得致密的金属涂层。
所用的绝缘球的材料为陶瓷，耐高温塑料或其他耐高温的绝缘材料，其尺寸范围为1-5000微米，绝缘球的形状为不规则的球形或其他任意形状。
所用的溶液为：碳酸氢钠，碳酸钠等弱碱性溶液，可以单独使用也可以混合使用，也可为弱酸性溶液，使用溶液电解产物为氢气与氧气，碳酸氢钠溶液的浓度范围为0-14％，碳酸钠溶液的浓度为0-14％。
所使用的等离子体放电技术可以是电晕放电、辉光放电、介质阻挡放电、射频微波放电中的一种。
所述金属线材及板材通过特殊的传动装置进行快速运动，传动装置包括放轴，矫直，收轴等，对于金属线材可以进行多排并列处理。
所述阻挡层的厚度为5mm-100mm，阴阳极之间的距离为10mm-400mm，包裹阻挡层的材料可以为金属，也可以为聚合物，包裹阻挡层材料表面需要有孔隙，孔隙的范围主要随绝缘球的尺寸决定，孔隙从100目-1000目.
此种金属表面处理的方法主要用于冷热轧金属板、冷热拔金属丝的表面处理。
处理过程中阴极需沿其长轴方向快速运动。金属线材及板材通过特殊的传动装置进行矫直，通过摩擦轮传动进入反应区。采用特制的电刷与电源阴极相连以保证处理过程大电流的需要。并且循环溶液需要将直接注入阻挡层内部，以使得产生的氢气气泡主要集中在阴极表面，此方法主要用来限制等离子体区域的范围靠近阴极表面，并且主要电压降也靠近阴极表面。
本发明通过碳酸钠、碳酸氢钠等或各种金属盐溶液(硫酸锌、硫酸镍等)为主要介质，与大量的绝缘性固体颗粒混合，将需要被处理的金属材料放入其中，置为阴极，阳极采用铂或石墨等惰性电极材料，以防止在处理过程中的氧化。惰性电极材料与大功率电源连成回路。采用高压脉冲等离子放电技术，因为大量绝缘性固体颗粒的阻挡作用，巨大的局部电流可以在阴极表面产生等离子区。在碳酸钠或者碳酸氢钠溶液中，产生等离子后的高能活性物质可以对表面进行清洗，高温高能以及脉冲电流的震荡可加速去除表面杂质，巨大的热量增大材料表面的粗糙度，有利于下一步的涂镀操作。在金属盐溶液(硫酸锌、硫酸镍等)中，产生等离子的高能可以加速金属离子在阴极表面的还原及沉积，可以在阴极快速获得镀层。本发明通过传动装置可对扎装、轴装金属丝，卷装金属板材进行连续表面处理。
本发明相比于普通的液相等离子处理工艺主要有如下优势：
(1)此发明通过传动装置及导电装置可对对扎装、轴装的金属线材及卷装的板材进行连续处理。
(2)此发明在电解槽中加入了由大量绝缘微球构成的阻挡层，此阻挡层可以降低电解发生的速度，但在阴极局部可以减小等离子发生面积，有效解决了大面积金属表面处理的问题。
(3)此阻挡层并且可以阻止在阴极表面析出的氢气的快速溢出，尤其是对金属线材的清洗起到均匀化的作用。
(4)将溶液直接注入阻挡层中，可以将溢出的气体快速剥离，此种方法可以使反应槽中的压降更加集中在靠近阴极表面的区域，也起到了降低能耗的作用。
附图说明
图1是本发明处理过后的低碳钢表面SEM照片
图2是通过本发明在低碳钢表面制备的Zn镀层的SEM照片
图3是通过本发明清洗过后的不锈钢表面三维形貌图
图4通过本发明在低碳钢丝表面沉积Zn涂层后的截面照片
图5是本发明的设备原理图
具体实施方案
下面结合实施例对本发明的技术方案进一步说明。
实施例1
采用图5所示的机械结构进行对2.5mmQ195低碳退货钢丝进行处理，绝缘微球的尺寸为0.3mm，置于800目不锈钢网制成的管体之中，真个管体长1000mm管体两端由塑料封口，低碳钢丝由塑料封口的中心插入，并可以在传动装置的拖动下朝一个方向进行移动，移动速度可达到50mm/s,溶液为10％的碳酸氢钠溶液，溶液通过温控系统加热至80摄氏度，进入到反应槽中，所加载的电压为180V，频率为4000Hz，占空比为80％，整条线的平均处理时间为20s，可完全除去表面的油污以及氧化皮。表面算数平均粗糙度为1.5微米。
实施例2
采用如图5所示的机械结构进行对8mm的Q335光圆钢筋进行清洗处理，绝缘微球的尺寸为0.5mm，置于500目钢网制成的管体中，将光圆钢筋通过导电装置与脉冲电源的阴极相连，将其放入阻挡层的中心，反应槽最外端搭载由石墨管制成的阳极，与电源的正极相连电弧反应区长度为1000mm，钢筋通过反应区的速度为30mm/s，所用溶液为7％的碳酸钠溶液，液体流入反应槽速率为30L/min，直接注入阻挡层内部，从反应槽两侧的通道回流，液体的温度控制在75-80摄氏度之间，阴阳极之间加载的电压为200V，频率为6000Hz，占空比为50％,进过处理30s后表面从由黑色变为变色，无金属光泽，较为粗糙，完全无氧化皮。
实施例3
采用如图5所示的机械结构进行对宽100mm厚2mm的45号温轧钢板进行清洗处理，绝缘微球的尺寸为0.5mm，置于500目钢网制成的腔体中，腔体的宽度为150mm，上下高度为20mm。将钢板沿长轴方向置于装满绝缘微球的腔体中心，通过导电装置与脉冲电源的负极相连，整个反应区全部进入溶液之中，反应槽最外端搭载由大块石墨板制成的阳极，与电源的正极相连。电弧反应区长度为100mm，钢板通过反应区的速度为5mm/s，所用溶液为10％的碳酸钠溶液，液体流入反应槽速率为60L/min，流入方向为钢板的法线方向正对钢板表面，反应后的液体沿钢板两侧流出，液体的温度控制在85-90摄氏度之间，阴阳极之间加载的电压为220V，频率为6000Hz，占空比为50％,处理时间为20s。处理前钢板表面有部分氧化皮、油污等污染，处理过后表面氧化皮完全去除。
实施例4
采用如图5所示的设备进行对实例一中处理后的Q195低碳钢丝进行表面沉积Zn涂层的处理，绝缘微球的尺寸为0.4mm，置于300目钢网制成的腔体中，腔体为圆柱体，直径50mm，长度400mm。将处理后表面清洁的钢丝沿长轴方向置于装满绝缘微球的腔体中心，通过导电装置与脉冲电源的负极相连，整个反应区全部进入溶液之中，最外端的石墨管尺寸为100mm，与电源的正极相连。电弧反应区长度为350mm，钢板通过反应区的速度为10mm/s，所用溶液为18％的硫酸锌，液体流入反应槽速率为20L/min，液体的温度控制在70-80摄氏度之间，阴阳极之间加载的电压为220V，频率为10000Hz，占空比为80％,处理时间为35s。进过处理后表面的获得致密的Zn镀层，镀层的厚度为50μm。
Claims (8)
1.一种液相等离子环境下大面积金属材料表面连续处理方法，其特征在于设置了阻挡层，阻挡层浸于金属盐溶液中，将被处理的材料置于在阻挡层中心作为阴极，阳极采用铂或石墨惰性电极材料，与大功率电源连成回路；采用高压脉冲等离子放电技术，巨大的局部电流在阴极表面产生等离子区；在金属盐溶液中，产生等离子后的高能活性物质能对被处理的材料表面进行清洗，高温高能以及脉冲电流的震荡能加速去除表面杂质，巨大的热量增大材料表面的粗糙度，有利于下一步的涂镀操作。
2.根据权利要求1所述的液相等离子环境下大面积金属材料表面连续处理方法，其特征在于具体步骤如下：
用带有微孔的网制成的管体或者槽体充当阻挡层，阻挡层内部由绝缘材料小球填充，在实际作业过程中，阻挡层完全浸入溶液之中，被处理的材料置于在阻挡层中心，连接电源的负极，作为阴极电极，阻挡层的外侧20mm-200mm外设置阳极管或阳极板，采用高压脉冲等离子放电技术，在阴阳极之间加载50V-2000V的直流或脉冲电压，由此在阻挡层内部距阴极表面0-50mm范围内形成细小的电弧，大量的细小电弧形成等离子区；当反应发生在电解产物为氢气与氧气的电解液中，此等离子区域可以对阴极表面进行油污、杂质氧化物进行处理，获得洁净的表面；处理过程中，被处理的材料即阴极需沿阻挡层长轴方向快速运动，使阴极产生的气泡只集中在阴极表面附近，通过温控系统水温控制在40-90摄氏度之间。
3.根据权利要求2所述一种液相等离子环境下大面积金属材料表面连续处理方法，其特征如下：所用的绝缘球的材料为陶瓷，耐高温塑料或其他耐高温的绝缘材料，其尺寸范围为1-5000微米，绝缘球形状为不规则的球型。
4.根据权利要求2所述的液相等离子环境下大面积金属材料表面连续处理方法，其特征如下，所用的溶液为：碳酸氢钠，碳酸钠弱碱性溶液，使用方法为单独使用或混合使用，使用溶液电解产物为氢气与氧气，碳酸氢钠溶液的浓度范围为0-14％，碳酸钠溶液的浓度为0-14％。
5.根据权利要求2所述的液相等离子环境下大面积金属材料表面连续处理方法，其特征在于，所使用的等离子体放电技术是电晕放电、辉光放电、介质阻挡放电、射频微波放电中的一种。
6.根据权利要求书2所述的液相等离子环境下大面积金属材料表面连续处理方法，其特征在于金属线材及板材通过传动装置进行快速运动，传动装置包括放轴，矫直，收轴，对于金属线材可以进行多排并列处理。
7.根据权利要求书2所述的液相等离子环境下大面积金属材料表面连续处理方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度为5mm-100mm，阴阳极之间的距离为10mm-400mm，包裹阻挡层的材料为金属或为聚合物，包裹材料表面需要有孔隙，孔隙的范围主要随绝缘球的尺寸决定，孔隙从100目-1000目。
8.根据权利要求1-7任一所述的液相等离子环境下大面积金属材料表面连续处理方法，其特征在于，金属材料表面处理的方法用于冷热轧金属板、冷热拔金属丝的表面处理。
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