一种液相等离子大面积金属材料表面连续处理方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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】
[0005]本发明主要解决对大面积的金属板及丝进行表面处理并实现低能耗低成本的问题。
[0006]—种液相等离子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。
[0007]其具体操作步骤为:用带有微孔的网制成的管体或者槽体制成阻挡层，阻挡层由绝缘球材料构成，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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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%。
[0011 ] 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。
[0012]所用电源可以为直流电源，脉冲电源，电源电压范围为0-2000V，电流范围为0-400A，频率为 O-lOOOOOHz，占空比为 1% -95%。
[0013]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。
[0014]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.
[0015]此种金属表面处理的方法主要用于冷热乳金属板、冷热拔金属丝的表面处理。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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:
[0019](I)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。
[0020](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。
[0021](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。
[0022](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】
[0023]图1是本发明处理过后的低碳钢表面SEM照片
[0024]图2是通过本发明在低碳钢表面制备的Zn镀层的SEM照片
[0025]图3是通过本发明清洗过后的不锈钢表面三维形貌图
[0026]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
[0027]图5是本发明的设备原理图具体实施方案
[0028]下面结合实施例对本发明的技术方案进一步说明。
[0029]实施例1
[0030]采用图1所示的机械结构进行