清華大學(xué) ■ 范崇治 譯 ■ 殷志強(qiáng) 校

0 引言

所有金屬卷帶經(jīng)壓軋工藝處理后，兩面都會(huì)覆有油污。一些金屬，如碳鋼帶，在最后打卷前會(huì)附加不同油膜(運(yùn)輸保護(hù)用油)，這種油具有防腐功效。經(jīng)后續(xù)工藝的處理，金屬帶上會(huì)覆蓋有起保護(hù)、保護(hù)裝飾和其他作用的涂層。為了使涂層能較好地附著，必須去除金屬表面油污。

去除金屬表面的油脂和油污，通常聯(lián)合采用濕化學(xué)法和機(jī)械刷洗處理。不同的清潔過(guò)程必須進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，以期得到穩(wěn)定的清潔結(jié)果。清潔過(guò)程通常采用電解法來(lái)提高去油效率。當(dāng)然，清潔還可在真空下進(jìn)行，采用的方法有：加熱法(油的熱蒸發(fā))；物理去除法，如反應(yīng)濺射法；化學(xué)處理法，如等離子刻蝕法(等離子清潔)或聯(lián)合使用。真空處理法的好處是化學(xué)易控制，因?yàn)榛瘜W(xué)物質(zhì)只用一次。

當(dāng)有油金屬表面暴露于真空中，油的蒸發(fā)率高于在大氣狀況下，可通過(guò)加熱溫度到幾百℃來(lái)增強(qiáng)“真空蒸餾”預(yù)清潔處理。許多油是相對(duì)易揮發(fā)的煤油，因此不需要太高的預(yù)清潔溫度，事實(shí)上預(yù)清潔溫度在不改變金屬帶的性質(zhì)下，可盡可能地增高。對(duì)絕大多數(shù)鋁合金，溫度為150 ℃不會(huì)改變它們的機(jī)械性質(zhì)，但許多油脂不能承受該高溫而導(dǎo)致不發(fā)生聚合作用，因此預(yù)清潔溫度通常取決于油本身。在很多情況下溫度是如此低，因此去除油污需較長(zhǎng)時(shí)間，使得單獨(dú)真空加熱法變得不切實(shí)際。物理清潔過(guò)程，如濺射，可用于清潔，與材料的化學(xué)性質(zhì)無(wú)關(guān)，對(duì)去油來(lái)講濺射也是不實(shí)際的，因?yàn)樗?。在氧氣等離體中反應(yīng)濺射刻蝕和等離子清潔是快得多的過(guò)程，并曾廣泛應(yīng)用于許多不同表面的處理。在氧氣放電的等離子體中，活性氧與油發(fā)生作用，形成易揮發(fā)物質(zhì)，它可被真空泵抽走，如果反應(yīng)充分，良好的反應(yīng)產(chǎn)物就形成了。CxHy表示一般碳?xì)浞肿?，O2表示被等離子激活的氧、振動(dòng)激發(fā)的氧分子或原子氧。事實(shí)上只有部分油和氧等離子作用，見(jiàn)式(1)，反應(yīng)無(wú)需進(jìn)行到底。

最近研究表明，退火后和冷軋的鋁帶表面上殘余碳污的去除，采用氧等離子技術(shù)是非常有效的。用來(lái)清潔的氧等離子體是用不同方法產(chǎn)生的，主要是射頻的輝光放電和ECR等離子體，但是大面積的金屬帶在通常等離子設(shè)備中完成既不方便，成本又高。本工作中描述了分布式直線型空心等離子源的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，該直線型等離子源是用在直線系統(tǒng)中提供金屬帶加熱和等離子刻蝕。

空心陰極放電廣泛應(yīng)用于不同領(lǐng)域，包括等離子刻蝕?？招年帢O可同時(shí)作為電子源、基材的加熱源和化學(xué)反應(yīng)的原子團(tuán)源?？招年帢O應(yīng)用于等離子體反應(yīng)刻蝕，一個(gè)基材需放置在靠近陰極的地方，甚至在陰極里。在空心陰極等離子體內(nèi)形成的化學(xué)活性物質(zhì)可用高氣流的對(duì)流方法傳輸。磁場(chǎng)可用來(lái)拉出等離子超出隨后陰極的限制。有時(shí)這兩種方法都可用于在遠(yuǎn)離源的位置提供化學(xué)反應(yīng)。

我們把去除油的功能叫清潔，在本文“清潔”定義為一種情況，能保證金屬順利滿足進(jìn)行下一步處理的要求。如用層壓法將鋁箔附著到塑料或紙基上，陽(yáng)極化的涂層不應(yīng)具有疤面的外觀，轉(zhuǎn)換涂層應(yīng)在基材上粘牢，擴(kuò)散的涂層應(yīng)均勻等。清潔狀態(tài)因此沒(méi)有統(tǒng)一的定義，作為一個(gè)化學(xué)的表面情況清潔狀態(tài)也難于計(jì)量，數(shù)分鐘內(nèi)發(fā)生碳污染也是一個(gè)熟知的現(xiàn)象。金屬表面清潔度通常采用接觸角來(lái)分析，許多工業(yè)涂層的粘附性和這一參數(shù)有關(guān)，在我們的工作中，當(dāng)接觸角減小到10°時(shí)，認(rèn)為金屬表面是清潔的，在金屬工業(yè)中這一角度說(shuō)明金屬得到好的涂層粘附。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 分布式直線型空心陰極

分布式空心陰極等離子源由水冷不銹鋼罩和帶孔底板組成，帶孔底板有64個(gè)孔，沿長(zhǎng)軸間隔6 mm(圖1)，氣流流入不銹鋼罩，從小孔逸到真空室，導(dǎo)致罩內(nèi)比真空室氣壓高。本文對(duì)直流或交流(100 kHZ)電源、不同的底平面材料和厚度、孔的直徑和外磁場(chǎng)因素進(jìn)行了研究。獨(dú)立改變氣流和抽速來(lái)改變壓強(qiáng)，底平面用鋁、鈦或不銹鋼，兩個(gè)磁棒的組合體用來(lái)強(qiáng)化分布式空心陰極放電，一個(gè)磁棒放在空心陰極頂上，一個(gè)放在基底下面，距底平面約25 mm(圖2)，磁場(chǎng)強(qiáng)度在孔洞中約0.025 T。

圖1 直線型分布式空心陰極的簡(jiǎn)圖

圖2 直線型真空系統(tǒng)由清潔區(qū)和涂層區(qū)組成，清潔區(qū)是多通道直線型排列的空心陰極(分布式空心陰極)，涂層區(qū)磁控區(qū)

在所有孔中空心陰極放電依賴(lài)于陰極材料和尺寸，以及氣流量和壓力。氧氣情況下空心陰極放電壓強(qiáng)在80～100 Pa，用不銹鋼(直流)和鋁(交流)作底板，壓力數(shù)據(jù)分析指出，當(dāng)孔直徑大于2lD(lD為陰極暗區(qū)的寬度)時(shí)，在孔中存在輝光放電。

由空心陰極放電產(chǎn)生的氧等離子的參數(shù)采用Langmuir探針來(lái)測(cè)量，沒(méi)有磁場(chǎng)加強(qiáng)時(shí)，氧氣壓約90 Pa，電流4 A，基材處電子溫度、電子濃度分別為1.2 eV、2.5×1010/cm3。增強(qiáng)磁場(chǎng)，兩個(gè)參數(shù)增加至少1.5倍，在基材平面沿著空心陰極長(zhǎng)軸的變化不超過(guò)10%。

圖3表示了分布式空心陰極的伏安特性，在電流為1～2 A范圍，正常的輝光放電是在空心陰極外面變化到孔洞中。當(dāng)電流約為8 A時(shí)，空心陰極放電變成電弧，電弧放電集中在一個(gè)或幾個(gè)孔中，有時(shí)它從孔到孔的移動(dòng)，由于離子加熱了孔的表面引起熱電子發(fā)射導(dǎo)致電弧，因此底板的冷卻是增加電流上限的關(guān)鍵，一般工作時(shí)電流為2～8 A。

圖3 多孔直線型排列空心陰極的伏安特性(氬氣壓強(qiáng)為100 Pa）

用氧等離子火焰去除金屬表面油的去除率，通常是由直指向基材的氧原子流量控制的。在不同的空心陰極輝光放電等離子流中，氧原子的數(shù)量用等離子的原子氧發(fā)射(777 nm)強(qiáng)度進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)表明，原子氧發(fā)射強(qiáng)度與陰極功率呈線性關(guān)系，減少壓強(qiáng)，增加等離子火焰和原子氧的氧發(fā)射。用磁棒增加了原子氧發(fā)射約2倍，在相同功率下，選擇陰極尺寸和放電條件以便得到最大原子氧發(fā)射。

1.2 分布式空心陰極等離子清潔

等離子清潔是在直線型沉積系統(tǒng)中進(jìn)行的(圖2)。在沉積過(guò)程中系統(tǒng)用機(jī)械泵/羅茲泵排氣，抽速約30 L/s，對(duì)鋁(厚0.13 mm)和不銹鋼(厚0.64 mm)有油污金屬片進(jìn)行清潔，鋁表面有輕質(zhì)潤(rùn)滑油，濃度是3～10 mg/m2，在不銹鋼上油濃度是它的10倍，金屬片在直線型分布或空心陰極下移動(dòng)進(jìn)行清潔，金屬片可接地，也可懸掛，基材預(yù)熱可用紅外輻射在固定的地方進(jìn)行。

(待續(xù))