常壓DBD等離子清洗機(jī)運(yùn)用在金屬絲退火上的工藝探討-上篇
文章導(dǎo)讀：目前為止，金屬絲退火中成熟運(yùn)用常壓DBD等離子表面處理工藝的企業(yè)并不多，而且成熟的設(shè)備和技術(shù)國(guó)內(nèi)外都很少見(jiàn)到。為此，普樂(lè)斯查閱了大量國(guó)外網(wǎng)站、文獻(xiàn)和專利，整理出相關(guān)資料陸續(xù)發(fā)布，期待與大家一起探討。
細(xì)金屬絲在電氣、電子、汽車(chē)等技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，它必須是拉絲后經(jīng)過(guò)退火和清洗后的細(xì)導(dǎo)線。傳統(tǒng)的細(xì)導(dǎo)線加工工藝由三個(gè)過(guò)程組成：拉絲、退火和清洗如圖1和2 所示：
這些過(guò)程使用焦耳加熱和化學(xué)物質(zhì)來(lái)退火和清洗線。然而，這種方法有一定缺點(diǎn)：由于退火和清洗過(guò)程的劃分效率低下，同時(shí)因使用化學(xué)清潔細(xì)導(dǎo)線對(duì)環(huán)境有害，例如，三氯乙烷，它對(duì)人體有危害，具有臭氧層效應(yīng)。利用常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體放電的原理，把退火和清洗過(guò)程接合起來(lái)的新退火系統(tǒng)是對(duì)這些缺點(diǎn)的潛在解決方案。
據(jù)研究結(jié)果表明，鋼絲退火利用常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體放電清洗是完全可能的；另外，細(xì)銅絲退火使用DBD介質(zhì)阻擋等離子體表面處理技術(shù)上仍是可行的。然而，退火效率高低的原因與所選的介質(zhì)材料、尺寸和形狀，放電氣體，輸入功率等有關(guān)。在這項(xiàng)研究中，對(duì)介電材料影響退火和清洗效率的結(jié)果進(jìn)行了研究。然而，介電材料和介電尺寸是第一個(gè)重要的參數(shù)需要進(jìn)行調(diào)查。此外，在電介質(zhì)的介電常數(shù)的頻率和所施加的功率的頻率以及所施加的電壓的效率進(jìn)行了研究。為了澄清這些依賴關(guān)系，可用一個(gè)等效電路模型來(lái)分析介質(zhì)的影響。
1.退火的定義
基于卡爾帕基安的制造工程技術(shù)，退火是一種通用的術(shù)語(yǔ)，用來(lái)描述一個(gè)冷加工或熱處理的金屬或合金的原始性能的恢復(fù)，如提高延伸率，降低硬度和強(qiáng)度，或改變微觀結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的細(xì)金屬線退火是利用外部加熱源或焦耳加熱如前面的圖2所示。
退火細(xì)金屬絲的目的是在短時(shí)間內(nèi)使用熱來(lái)提高延伸率。退火溫度和退火時(shí)間對(duì)細(xì)導(dǎo)線的晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)的影響。伸長(zhǎng)率取決于晶體的大小和方向。此外，退火溫度是通過(guò)拉伸工藝配置的，一般低于絲材熔點(diǎn)的2 / 3。假設(shè)拉伸過(guò)程是穩(wěn)定的，然后變形程度是恒定的。因此，為了達(dá)到所需的伸長(zhǎng)率，溫度和退火的持續(xù)時(shí)間需要適當(dāng)?shù)剡x擇。
在退火溫度下加熱細(xì)金屬絲是一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程，它是用來(lái)重新排列或消除位錯(cuò)（恢復(fù)），創(chuàng)建新的晶體（原再結(jié)晶）和晶體生長(zhǎng)（重結(jié)晶）。退火后，晶粒尺寸增大并在良好的方向，則延伸率提高。 在第一狀態(tài)，恢復(fù)過(guò)程中，一些晶體沒(méi)有完全重新排列，因此伸長(zhǎng)率仍然是低的。在一次再結(jié)晶過(guò)程中，在導(dǎo)線上的晶體的數(shù)目是出生的，這個(gè)過(guò)程強(qiáng)烈地依賴于溫度，但不持續(xù)時(shí)間。然而，當(dāng)溫度是如此之高，形成的晶體的數(shù)目增加，然后晶體尺寸小，小尺寸晶體意味著延伸率很低。因此，選擇溫度在這個(gè)過(guò)程中是很重要的，得到良好的晶體取向。
在再結(jié)晶過(guò)程中，晶體從以前的過(guò)程中誕生，將生長(zhǎng)。晶體生長(zhǎng)依賴于持續(xù)時(shí)間。值得注意的晶體生長(zhǎng)會(huì)發(fā)生在短的退火時(shí)間，然后晶體尺寸保持不變。因此，在這個(gè)過(guò)程中退火的持續(xù)時(shí)間是重要的，以獲得良好的晶體取向。對(duì)于連續(xù)的細(xì)導(dǎo)線退火，要有良好的退火周期，施加的電壓，細(xì)導(dǎo)線的移動(dòng)速度，通過(guò)細(xì)導(dǎo)線的等離子體表面處理反應(yīng)器的長(zhǎng)度都要考慮。如果退火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在退火結(jié)束的過(guò)程中溫度高會(huì)導(dǎo)致一些缺點(diǎn)，如增加表面粗糙度。此外，在高溫退火過(guò)程中，空氣中氫氣的存在可以提高細(xì)導(dǎo)線的粗化效果。
2.等離子退火
為了解決傳統(tǒng)的退火方法對(duì)環(huán)境造成的危害，利用等離子表面處理工藝來(lái)退火可做替代。在較低的壓力如在真空中，通過(guò)離子轟擊靶上產(chǎn)生的溫度，研究了等離子體浸沒(méi)離子注入（PIII）使用。這種現(xiàn)象普遍應(yīng)用于靶材表面改性或加熱靶材?？墒牵@些系統(tǒng)要在昂貴的真空系統(tǒng)下運(yùn)行。近年來(lái)常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子放電退火細(xì)導(dǎo)線的工藝變得非常引人關(guān)注，因?yàn)樗牡统杀鞠到y(tǒng)和環(huán)境友好。
常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子放電牽引細(xì)金屬絲通過(guò)等離子體反應(yīng)器時(shí)退火，如圖3所示。電介質(zhì)是用來(lái)防止形成電弧，氣體被送入反應(yīng)器以輔助等離子體放電。 等離子體退火的概念布局如圖4所示：
在等離子體表面處理反應(yīng)器中，放電氣體被電離成電子和離子。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，離子和電子轟擊細(xì)導(dǎo)線表面。所產(chǎn)生的溫度的本質(zhì)是電子和離子對(duì)細(xì)導(dǎo)線表面的沖擊能量，如圖5所示。此外，電子、中性粒子碰撞的振幅也輔助生成溫度。由帶電粒子轟擊產(chǎn)生的總溫度（離子和電子）和中性電子的碰撞不斷加熱絲表面退火溫度。
電子轟擊靶進(jìn)行熔融。電子轟擊陽(yáng)極（細(xì)導(dǎo)線），然后將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。在幾個(gè)方面從等離子體到陽(yáng)極發(fā)生熱傳遞。首先，電子具有熱能，它們與陽(yáng)極接觸時(shí)釋放；其次，電子也具有動(dòng)能，當(dāng)它穿過(guò)陽(yáng)極時(shí)部分轉(zhuǎn)化為熱能。重要的是要注意，從電子到陽(yáng)極的轉(zhuǎn)移動(dòng)能取決于電流密度。
4.離子轟擊
離子轟擊目標(biāo)被研究用于等離子體浸沒(méi)離子注入（PIII）。當(dāng)負(fù)的高壓脈沖被施加到目標(biāo)時(shí)，陰極附近的電子被驅(qū)動(dòng)的逆電子等離子體頻率的時(shí)間尺度上，相對(duì)而言，其相對(duì)短于逆電子等離子體頻率的時(shí)間尺度，離開(kāi)離子后形成離子空間電荷鞘。對(duì)反離子等離子體頻率的時(shí)間尺度，在鞘的離子被加速后轟擊靶表面的鞘層電場(chǎng)下。這種現(xiàn)象被普遍應(yīng)用在目標(biāo)的表面改性或加熱目標(biāo)而使用低壓等離子體。
眾所周知等離子清洗機(jī)處理效果取決于離子轟擊能量，即鞘層厚度、離子電流和鞘層電場(chǎng)。在流體模型或動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，可以計(jì)算動(dòng)態(tài)鞘層厚度、離子電流或離子轟擊能量。最近，常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火細(xì)導(dǎo)線變得非常引人關(guān)注。另外，我們以前的研究表明，使用常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體對(duì)細(xì)銅絲退火是可行的。然而，產(chǎn)生的高溫離子轟擊是不好估計(jì)。在這項(xiàng)研究中，使用氦分析模型、氬氣或氮?dú)鈿怏w和低頻（35–45 KHz）施加電壓，分析了常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火的結(jié)果。 （未完待續(xù)）
圖1 拉絲機(jī)械裝置圖
這些過(guò)程使用焦耳加熱和化學(xué)物質(zhì)來(lái)退火和清洗線。然而，這種方法有一定缺點(diǎn)：由于退火和清洗過(guò)程的劃分效率低下，同時(shí)因使用化學(xué)清潔細(xì)導(dǎo)線對(duì)環(huán)境有害，例如，三氯乙烷，它對(duì)人體有危害，具有臭氧層效應(yīng)。利用常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體放電的原理，把退火和清洗過(guò)程接合起來(lái)的新退火系統(tǒng)是對(duì)這些缺點(diǎn)的潛在解決方案。
圖2 退火和清洗裝置圖
據(jù)研究結(jié)果表明，鋼絲退火利用常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體放電清洗是完全可能的；另外，細(xì)銅絲退火使用DBD介質(zhì)阻擋等離子體表面處理技術(shù)上仍是可行的。然而，退火效率高低的原因與所選的介質(zhì)材料、尺寸和形狀，放電氣體，輸入功率等有關(guān)。在這項(xiàng)研究中，對(duì)介電材料影響退火和清洗效率的結(jié)果進(jìn)行了研究。然而，介電材料和介電尺寸是第一個(gè)重要的參數(shù)需要進(jìn)行調(diào)查。此外，在電介質(zhì)的介電常數(shù)的頻率和所施加的功率的頻率以及所施加的電壓的效率進(jìn)行了研究。為了澄清這些依賴關(guān)系，可用一個(gè)等效電路模型來(lái)分析介質(zhì)的影響。
1.退火的定義
基于卡爾帕基安的制造工程技術(shù)，退火是一種通用的術(shù)語(yǔ)，用來(lái)描述一個(gè)冷加工或熱處理的金屬或合金的原始性能的恢復(fù)，如提高延伸率，降低硬度和強(qiáng)度，或改變微觀結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的細(xì)金屬線退火是利用外部加熱源或焦耳加熱如前面的圖2所示。
退火細(xì)金屬絲的目的是在短時(shí)間內(nèi)使用熱來(lái)提高延伸率。退火溫度和退火時(shí)間對(duì)細(xì)導(dǎo)線的晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)的影響。伸長(zhǎng)率取決于晶體的大小和方向。此外，退火溫度是通過(guò)拉伸工藝配置的，一般低于絲材熔點(diǎn)的2 / 3。假設(shè)拉伸過(guò)程是穩(wěn)定的，然后變形程度是恒定的。因此，為了達(dá)到所需的伸長(zhǎng)率，溫度和退火的持續(xù)時(shí)間需要適當(dāng)?shù)剡x擇。
在退火溫度下加熱細(xì)金屬絲是一個(gè)熱力學(xué)過(guò)程，它是用來(lái)重新排列或消除位錯(cuò)（恢復(fù)），創(chuàng)建新的晶體（原再結(jié)晶）和晶體生長(zhǎng)（重結(jié)晶）。退火后，晶粒尺寸增大并在良好的方向，則延伸率提高。 在第一狀態(tài)，恢復(fù)過(guò)程中，一些晶體沒(méi)有完全重新排列，因此伸長(zhǎng)率仍然是低的。在一次再結(jié)晶過(guò)程中，在導(dǎo)線上的晶體的數(shù)目是出生的，這個(gè)過(guò)程強(qiáng)烈地依賴于溫度，但不持續(xù)時(shí)間。然而，當(dāng)溫度是如此之高，形成的晶體的數(shù)目增加，然后晶體尺寸小，小尺寸晶體意味著延伸率很低。因此，選擇溫度在這個(gè)過(guò)程中是很重要的，得到良好的晶體取向。
在再結(jié)晶過(guò)程中，晶體從以前的過(guò)程中誕生，將生長(zhǎng)。晶體生長(zhǎng)依賴于持續(xù)時(shí)間。值得注意的晶體生長(zhǎng)會(huì)發(fā)生在短的退火時(shí)間，然后晶體尺寸保持不變。因此，在這個(gè)過(guò)程中退火的持續(xù)時(shí)間是重要的，以獲得良好的晶體取向。對(duì)于連續(xù)的細(xì)導(dǎo)線退火，要有良好的退火周期，施加的電壓，細(xì)導(dǎo)線的移動(dòng)速度，通過(guò)細(xì)導(dǎo)線的等離子體表面處理反應(yīng)器的長(zhǎng)度都要考慮。如果退火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在退火結(jié)束的過(guò)程中溫度高會(huì)導(dǎo)致一些缺點(diǎn)，如增加表面粗糙度。此外，在高溫退火過(guò)程中，空氣中氫氣的存在可以提高細(xì)導(dǎo)線的粗化效果。
2.等離子退火
為了解決傳統(tǒng)的退火方法對(duì)環(huán)境造成的危害，利用等離子表面處理工藝來(lái)退火可做替代。在較低的壓力如在真空中，通過(guò)離子轟擊靶上產(chǎn)生的溫度，研究了等離子體浸沒(méi)離子注入（PIII）使用。這種現(xiàn)象普遍應(yīng)用于靶材表面改性或加熱靶材?？墒牵@些系統(tǒng)要在昂貴的真空系統(tǒng)下運(yùn)行。近年來(lái)常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子放電退火細(xì)導(dǎo)線的工藝變得非常引人關(guān)注，因?yàn)樗牡统杀鞠到y(tǒng)和環(huán)境友好。
圖3 牽引細(xì)金屬絲通過(guò)常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器結(jié)構(gòu)
常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子放電牽引細(xì)金屬絲通過(guò)等離子體反應(yīng)器時(shí)退火，如圖3所示。電介質(zhì)是用來(lái)防止形成電弧，氣體被送入反應(yīng)器以輔助等離子體放電。 等離子體退火的概念布局如圖4所示：
圖4 常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火的概念布局
在等離子體表面處理反應(yīng)器中，放電氣體被電離成電子和離子。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，離子和電子轟擊細(xì)導(dǎo)線表面。所產(chǎn)生的溫度的本質(zhì)是電子和離子對(duì)細(xì)導(dǎo)線表面的沖擊能量，如圖5所示。此外，電子、中性粒子碰撞的振幅也輔助生成溫度。由帶電粒子轟擊產(chǎn)生的總溫度（離子和電子）和中性電子的碰撞不斷加熱絲表面退火溫度。
圖5 常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火的原理
3.電子轟擊電子轟擊靶進(jìn)行熔融。電子轟擊陽(yáng)極（細(xì)導(dǎo)線），然后將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。在幾個(gè)方面從等離子體到陽(yáng)極發(fā)生熱傳遞。首先，電子具有熱能，它們與陽(yáng)極接觸時(shí)釋放；其次，電子也具有動(dòng)能，當(dāng)它穿過(guò)陽(yáng)極時(shí)部分轉(zhuǎn)化為熱能。重要的是要注意，從電子到陽(yáng)極的轉(zhuǎn)移動(dòng)能取決于電流密度。
4.離子轟擊
離子轟擊目標(biāo)被研究用于等離子體浸沒(méi)離子注入（PIII）。當(dāng)負(fù)的高壓脈沖被施加到目標(biāo)時(shí)，陰極附近的電子被驅(qū)動(dòng)的逆電子等離子體頻率的時(shí)間尺度上，相對(duì)而言，其相對(duì)短于逆電子等離子體頻率的時(shí)間尺度，離開(kāi)離子后形成離子空間電荷鞘。對(duì)反離子等離子體頻率的時(shí)間尺度，在鞘的離子被加速后轟擊靶表面的鞘層電場(chǎng)下。這種現(xiàn)象被普遍應(yīng)用在目標(biāo)的表面改性或加熱目標(biāo)而使用低壓等離子體。
眾所周知等離子清洗機(jī)處理效果取決于離子轟擊能量，即鞘層厚度、離子電流和鞘層電場(chǎng)。在流體模型或動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，可以計(jì)算動(dòng)態(tài)鞘層厚度、離子電流或離子轟擊能量。最近，常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火細(xì)導(dǎo)線變得非常引人關(guān)注。另外，我們以前的研究表明，使用常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體對(duì)細(xì)銅絲退火是可行的。然而，產(chǎn)生的高溫離子轟擊是不好估計(jì)。在這項(xiàng)研究中，使用氦分析模型、氬氣或氮?dú)鈿怏w和低頻（35–45 KHz）施加電壓，分析了常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體退火的結(jié)果。 （未完待續(xù)）
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