常壓DBD等離子清洗機運用在金屬絲退火上的工藝探討-上篇
文章導讀：目前為止，金屬絲退火中成熟運用常壓DBD等離子表面處理工藝的企業(yè)并不多，而且成熟的設備和技術國內(nèi)外都很少見到。為此，普樂斯查閱了大量國外網(wǎng)站、文獻和專利，整理出相關資料陸續(xù)發(fā)布，期待與大家一起探討。
細金屬絲在電氣、電子、汽車等技術中得到了廣泛的應用。然而，它必須是拉絲后經(jīng)過退火和清洗后的細導線。傳統(tǒng)的細導線加工工藝由三個過程組成：拉絲、退火和清洗如圖1和2 所示：
這些過程使用焦耳加熱和化學物質(zhì)來退火和清洗線。然而，這種方法有一定缺點：由于退火和清洗過程的劃分效率低下，同時因使用化學清潔細導線對環(huán)境有害，例如，三氯乙烷，它對人體有危害，具有臭氧層效應。利用常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體放電的原理，把退火和清洗過程接合起來的新退火系統(tǒng)是對這些缺點的潛在解決方案。
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，細銅絲退火使用DBD介質(zhì)阻擋等離子體表面處理技術上仍是可行的。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。在這項研究中，對介電材料影響退火和清洗效率的結(jié)果進行了研究。然而，介電材料和介電尺寸是第一個重要的參數(shù)需要進行調(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行了研究。為了澄清這些依賴關系，可用一個等效電路模型來分析介質(zhì)的影響。
1.退火的定義
基于卡爾帕基安的制造工程技術，退火是一種通用的術語，用來描述一個冷加工或熱處理的金屬或合金的原始性能的恢復，如提高延伸率，降低硬度和強度，或改變微觀結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的細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。
退火細金屬絲的目的是在短時間內(nèi)使用熱來提高延伸率。退火溫度和退火時間對細導線的晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)的影響。伸長率取決于晶體的大小和方向。此外，退火溫度是通過拉伸工藝配置的，一般低于絲材熔點的2 / 3。假設拉伸過程是穩(wěn)定的，然后變形程度是恒定的。因此，為了達到所需的伸長率，溫度和退火的持續(xù)時間需要適當?shù)剡x擇。
在退火溫度下加熱細金屬絲是一個熱力學過程，它是用來重新排列或消除位錯（恢復），創(chuàng)建新的晶體（原再結(jié)晶）和晶體生長（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)，恢復過程中，一些晶體沒有完全重新排列，因此伸長率仍然是低的。在一次再結(jié)晶過程中，在導線上的晶體的數(shù)目是出生的，這個過程強烈地依賴于溫度，但不持續(xù)時間。然而，當溫度是如此之高，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，選擇溫度在這個過程中是很重要的，得到良好的晶體取向。
在再結(jié)晶過程中，晶體從以前的過程中誕生，將生長。晶體生長依賴于持續(xù)時間。值得注意的晶體生長會發(fā)生在短的退火時間，然后晶體尺寸保持不變。因此，在這個過程中退火的持續(xù)時間是重要的，以獲得良好的晶體取向。對于連續(xù)的細導線退火，要有良好的退火周期，施加的電壓，細導線的移動速度，通過細導線的等離子體表面處理反應器的長度都要考慮。如果退火時間過長，在退火結(jié)束的過程中溫度高會導致一些缺點，如增加表面粗糙度。此外，在高溫退火過程中，空氣中氫氣的存在可以提高細導線的粗化效果。
2.等離子退火
為了解決傳統(tǒng)的退火方法對環(huán)境造成的危害，利用等離子表面處理工藝來退火可做替代。在較低的壓力如在真空中，通過離子轟擊靶上產(chǎn)生的溫度，研究了等離子體浸沒離子注入（PIII）使用。這種現(xiàn)象普遍應用于靶材表面改性或加熱靶材?？墒?，這些系統(tǒng)要在昂貴的真空系統(tǒng)下運行。近年來常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子放電退火細導線的工藝變得非常引人關注，因為它的低成本系統(tǒng)和環(huán)境友好。
常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子放電牽引細金屬絲通過等離子體反應器時退火，如圖3所示。電介質(zhì)是用來防止形成電弧，氣體被送入反應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器中，放電氣體被電離成電子和離子。在強電場作用下，離子和電子轟擊細導線表面。所產(chǎn)生的溫度的本質(zhì)是電子和離子對細導線表面的沖擊能量，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。
電子轟擊靶進行熔融。電子轟擊陽極（細導線），然后將動能轉(zhuǎn)化為熱能。在幾個方面從等離子體到陽極發(fā)生熱傳遞。首先，電子具有熱能，它們與陽極接觸時釋放；其次，電子也具有動能，當它穿過陽極時部分轉(zhuǎn)化為熱能。重要的是要注意，從電子到陽極的轉(zhuǎn)移動能取決于電流密度。
4.離子轟擊
離子轟擊目標被研究用于等離子體浸沒離子注入（PIII）。當負的高壓脈沖被施加到目標時，陰極附近的電子被驅(qū)動的逆電子等離子體頻率的時間尺度上，相對而言，其相對短于逆電子等離子體頻率的時間尺度，離開離子后形成離子空間電荷鞘。對反離子等離子體頻率的時間尺度，在鞘的離子被加速后轟擊靶表面的鞘層電場下。這種現(xiàn)象被普遍應用在目標的表面改性或加熱目標而使用低壓等離子體。
眾所周知等離子清洗機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。在流體模型或動力學模型的基礎上，可以計算動態(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導線變得非常引人關注。另外，我們以前的研究表明，使用常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體對細銅絲退火是可行的。然而，產(chǎn)生的高溫離子轟擊是不好估計。在這項研究中，使用氦分析模型、氬氣或氮氣氣體和低頻（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 拉絲機械裝置圖
這些過程使用焦耳加熱和化學物質(zhì)來退火和清洗線。然而，這種方法有一定缺點：由于退火和清洗過程的劃分效率低下，同時因使用化學清潔細導線對環(huán)境有害，例如，三氯乙烷，它對人體有危害，具有臭氧層效應。利用常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體放電的原理，把退火和清洗過程接合起來的新退火系統(tǒng)是對這些缺點的潛在解決方案。
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，細銅絲退火使用DBD介質(zhì)阻擋等離子體表面處理技術上仍是可行的。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。在這項研究中，對介電材料影響退火和清洗效率的結(jié)果進行了研究。然而，介電材料和介電尺寸是第一個重要的參數(shù)需要進行調(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行了研究。為了澄清這些依賴關系，可用一個等效電路模型來分析介質(zhì)的影響。
1.退火的定義
基于卡爾帕基安的制造工程技術，退火是一種通用的術語，用來描述一個冷加工或熱處理的金屬或合金的原始性能的恢復，如提高延伸率，降低硬度和強度，或改變微觀結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的細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。
退火細金屬絲的目的是在短時間內(nèi)使用熱來提高延伸率。退火溫度和退火時間對細導線的晶粒尺寸和晶體結(jié)構(gòu)的影響。伸長率取決于晶體的大小和方向。此外，退火溫度是通過拉伸工藝配置的，一般低于絲材熔點的2 / 3。假設拉伸過程是穩(wěn)定的，然后變形程度是恒定的。因此，為了達到所需的伸長率，溫度和退火的持續(xù)時間需要適當?shù)剡x擇。
在退火溫度下加熱細金屬絲是一個熱力學過程，它是用來重新排列或消除位錯（恢復），創(chuàng)建新的晶體（原再結(jié)晶）和晶體生長（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)，恢復過程中，一些晶體沒有完全重新排列，因此伸長率仍然是低的。在一次再結(jié)晶過程中，在導線上的晶體的數(shù)目是出生的，這個過程強烈地依賴于溫度，但不持續(xù)時間。然而，當溫度是如此之高，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，選擇溫度在這個過程中是很重要的，得到良好的晶體取向。
在再結(jié)晶過程中，晶體從以前的過程中誕生，將生長。晶體生長依賴于持續(xù)時間。值得注意的晶體生長會發(fā)生在短的退火時間，然后晶體尺寸保持不變。因此，在這個過程中退火的持續(xù)時間是重要的，以獲得良好的晶體取向。對于連續(xù)的細導線退火，要有良好的退火周期，施加的電壓，細導線的移動速度，通過細導線的等離子體表面處理反應器的長度都要考慮。如果退火時間過長，在退火結(jié)束的過程中溫度高會導致一些缺點，如增加表面粗糙度。此外，在高溫退火過程中，空氣中氫氣的存在可以提高細導線的粗化效果。
2.等離子退火
為了解決傳統(tǒng)的退火方法對環(huán)境造成的危害，利用等離子表面處理工藝來退火可做替代。在較低的壓力如在真空中，通過離子轟擊靶上產(chǎn)生的溫度，研究了等離子體浸沒離子注入（PIII）使用。這種現(xiàn)象普遍應用于靶材表面改性或加熱靶材?？墒?，這些系統(tǒng)要在昂貴的真空系統(tǒng)下運行。近年來常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子放電退火細導線的工藝變得非常引人關注，因為它的低成本系統(tǒng)和環(huán)境友好。
圖3 牽引細金屬絲通過常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體反應器結(jié)構(gòu)
常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子放電牽引細金屬絲通過等離子體反應器時退火，如圖3所示。電介質(zhì)是用來防止形成電弧，氣體被送入反應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器中，放電氣體被電離成電子和離子。在強電場作用下，離子和電子轟擊細導線表面。所產(chǎn)生的溫度的本質(zhì)是電子和離子對細導線表面的沖擊能量，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行熔融。電子轟擊陽極（細導線），然后將動能轉(zhuǎn)化為熱能。在幾個方面從等離子體到陽極發(fā)生熱傳遞。首先，電子具有熱能，它們與陽極接觸時釋放；其次，電子也具有動能，當它穿過陽極時部分轉(zhuǎn)化為熱能。重要的是要注意，從電子到陽極的轉(zhuǎn)移動能取決于電流密度。
4.離子轟擊
離子轟擊目標被研究用于等離子體浸沒離子注入（PIII）。當負的高壓脈沖被施加到目標時，陰極附近的電子被驅(qū)動的逆電子等離子體頻率的時間尺度上，相對而言，其相對短于逆電子等離子體頻率的時間尺度，離開離子后形成離子空間電荷鞘。對反離子等離子體頻率的時間尺度，在鞘的離子被加速后轟擊靶表面的鞘層電場下。這種現(xiàn)象被普遍應用在目標的表面改性或加熱目標而使用低壓等離子體。
眾所周知等離子清洗機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。在流體模型或動力學模型的基礎上，可以計算動態(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導線變得非常引人關注。另外，我們以前的研究表明，使用常壓DBD介質(zhì)阻擋等離子體對細銅絲退火是可行的。然而，產(chǎn)生的高溫離子轟擊是不好估計。在這項研究中，使用氦分析模型、氬氣或氮氣氣體和低頻（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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