CN116213368A

CN116213368A - 一种金属支架表面的低温等离子体除锈方法

Info

Publication number: CN116213368A
Application number: CN202310124636.6A
Authority: CN
Inventors: 欧阳博; 孙超; 阚二军; 朱吉鹏
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2023-02-16
Filing date: 2023-02-16
Publication date: 2023-06-06

Abstract

本申请提供了一种金属支架表面低温等离子体的除锈方法。传统除锈方法危害性大，污染严重，不利于工业生产。本申请提供的方法包括步骤S1:将所述金属支架放入反应腔室内；步骤S2:通过分子泵真空系统，将所述反应腔室内的气压降低至0.01‑0.1Pa；步骤S3:通过输气管路引入水蒸气或氢气并同时调节气氛流，使所述反应腔室的气压维持在10‑100Pa；步骤S4:调节放电功率与放电间距，开启辉光放电；该方法在常温下进行，避免高温高压对金属支架的损害，避免除锈过程中造成的支架消耗。

Description

一种金属支架表面的低温等离子体除锈方法

技术领域

本申请涉及金属除锈领域，特别涉及一种金属支架表面的低温等离子体除锈方法。

背景技术

金属铜、生铁、不锈钢、钴等金属是芯片加工、汽车发动机制造中广泛使用的金属部件，以上部件在使用过程中需要长期暴露于酸、碱、盐、有机、高湿等复杂环境中，作为活泼的3d过渡轻金属材料，其表面更容易产生锈层，因此为了提高金属部件的重复利用率，对表面含有锈渍的金属部件进行除锈是非常必要的。

传统的化学除锈法通常使用强酸，使其与锈渍中的主要成分金属氧化物/氢氧化物发生化学反应，生成可溶性盐类，从而达到除锈的目的。但在处理过程中，强酸同样会与金属基底反应生成氢气，导致金属表面出现缺陷、凹槽、甚至裂痕，严重影响其性能。同时，强酸的危害性极高、危险性极大，不利于工业生产的需求。虽然以强酸为基础，添加缓蚀剂、渗透剂、促进剂等除锈剂可降低强酸的危害性，例如CN103789775A公开了一种医疗器械除锈剂，该除锈剂是一种无色透明的温和弱酸性液体，不会刺激人体呼吸系统，危害性相对较低。CN106191878公开了一种医疗器械除锈剂及其制备方法，在保持原有除锈效率的同时，降低对金属器械设备的腐蚀。然而，除锈剂的主要成分依然是酸类化学药品，其制备成本与使用成本依然居高不下，难以实现当前工业要求的绿色、环保指标。

等离子体表面除锈技术作为除锈领域的新型技术，受到国内外研究团队的广泛关注。该技术通过在高电压下激发活性气体，促使活性气体粒子与金属材料表面的锈渍发生化学反应，达成除锈效果。CN107794548A公布了一种常压等离子体除锈策略，采用弧光放电技术，以醇类物质作为反应源，激发其产生弧光等离子体，并喷涂至金属材料表面对其进行处理。此外，CN110860772A公布了一种常压等离子体表面除锈的方法，该方法将压缩空气作为等离子体源，通过击穿空气产生的等离子体流吹扫金属材料表面，将锈渍通过物理碰撞的方法去除干净。

虽然以上方法在材料表面除锈方面具有一定的成效，但仍面临效率低下以及引入强酸强碱的问题。同时，射流等离子体在单次除锈过程中，仅能处理以毫米为单位的材料表面，且可控性差，极易损伤金属支架，影响表面光洁度。因此，现亟需一种处理均一，无杂质引入，高效快捷的除锈方法。

低气压等离子体除锈技术作为一种新型的材料表面除锈工艺，受到该领域的广泛应用，其特征在于，低气压等离子体中活性物质可均匀分布于等离子体腔室内，对腔室内的多个金属支架进行均匀除锈，且不损伤金属支架的表面光洁度。同时，根据腔室的结构设计，反应气氛可从反应腔体的六个腔体壁通入腔室内，形成等离子体流，促进高活性粒子渗入金属复杂结构件的凹槽和孔洞中，实现对复杂金属构件的除锈。此外，采用水蒸气、氢气作为放电气体，不引入任何杂质。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本申请提供了一种可大面积、快速高效处理金属表面锈渍的方法，特别是芯片加工、发动机制造领域广泛使用的铜、铁、钴、镍、不锈钢等材料。所述方法在完全干态的条件下进行，不需要添加任何化学药剂，实现对锈渍的有效去除，尤其适用于复杂结构的材料表面。

为实现上述目的，本申请提供了一种利用低温低压蒸汽等离子体对金属表面除锈的方法，其特征在于，所述方法是利用低温低压等离子体对所述金属表面进行除锈。

利用低温低压等离子体对所述金属表面进行除锈具体为：将水蒸气作为反应源通入辉光等离子腔体中，通过辉光放电系统激发水蒸气产生辉光等离子体，对所述金属表面进行除锈处理。

其原理是水蒸气在辉光放电中解离形成高活性含氢粒子，包括氢粒子、氢氧根粒子，由于电子在腔体中的速度远超过含氢粒子，电子会集中在金属基底表面，使金属表面形成负电鞘层，氢粒子带正电，会在负电鞘层的影响下优先与金属基底接触，与表面锈渍中的氧化物或氢氧化物反应，生成的氢氧根或水分子以游离态的形式离开金属表面，达到去除金属表面锈渍的作用。

本申请在除锈过程中产生的等离子体为辉光等离子体，产生原理为：腔体气压为低气压放电，水分子在腔体内以气态形式存在，分子之间的平均自由程较大，水分子分散均匀，因此产生辉光放电。辉光放电过程中，粒子分布遵循麦克斯韦-玻尔兹曼分布，粒子在腔体内分布均一，稳定性高，因此可实现大面积金属表面的高效除锈。

在本申请可适用的金属基底方面，金属铜、铁、镍、钴是水蒸气等离子体较容易处理金属，其原因是，金属铁、铜、镍、钴均属于3d轨道的过渡金属。在形成锈渍的过程中，空气中的氧原子与金属接触，形成金属氧化物，化学键来自于过渡金属的3d轨道与氧原子的2p轨道结合的分子轨道上。由于3d轨道离过渡金属的原子核较远，原子核对该轨道上的电子的吸引力较弱，在除锈过程中，高活性氢粒子易与氧原子的2p轨道结合，形成共价键，使其形成氢氧根脱离金属表面。而对于3d轨道上不含有电子的碱金属或碱土金属，高活性氢粒子则难以去除其表面锈渍。

优选地，所述水蒸气的水选自纯水或超纯水。

优选地，所述辉光放电系统包括微波放电、射频放电、微秒脉冲放电中的任意一种。

优选地，所述金属包括铜、铁、生铁、不锈钢、钴、镍中的任意一种。

优选地，所述金属为工业中使用的任意3d过渡金属器件。

优选地，所述金属的单次处理面积在1～500cm²，处理厚度在1～100mm。

优选地，所述低温低压等离子体除锈处理的时间为1～200s，优选10～60s。

优选地，所述低温低压等离子体除锈处理的蒸汽流量为5～200sccm，优选20～70sccm。

优选地，所述低温低压等离子体除锈处理的腔体气压为5～200Pa，优选30～80Pa。

优选地，所述的低温辉光等离子体除锈处理的放电功率为10～1000W，优选100～600W。

优选地，所述的低温辉光等离子体除锈处理的电极间距为50～1000mm，优选200～500mm。

优选地，所述低温低压等离子体在除锈时，所述辉光等离子腔体的温度始终保持在室温环境。

本申请提供了一种利用低温低压水蒸汽等离子体的金属表面除锈的系统，所述系统包括辉光等离子放电系统、辉光等离子腔体、控制单元；

所述控制单元将水蒸气作为反应源通入所述辉光等离子腔体中，通过所述辉光放电系统激发水蒸气产生辉光等离子体，对所述金属表面进行除锈处理；

与现有技术方案相比，本申请至少具有以下有益效果：

1)低气压辉光等离子体对锈层表面的物理作用，及等离子体中的活性粒子对锈层轰击，将锈层从金属支架表面分离开；

2)在表面除锈过程中，低气压等离子体中的高活性含氢粒子与金属支架表面锈层发生反应，将锈层转化为可溶性盐类，在不同方向的等离子体流的高速吹扫下，与支架表面分离，达到除锈目的；

3)腔室中的进气口从不同腔室壁进气，可形成六个方向的等离子体流，促进等离子体中的活性成分渗入凹槽与空洞，同时吹扫结构件表面，并且腔室放电电极位置可调，实现复杂结构表面的均匀除锈。

附图说明

图1为电路板固定铜支架表面的SEM图；

图2为电路板固定铜支架表面锈层的SEM图；

图3位电路板固定铜支架表面除锈后的SEM图；

图4为电路板固定铜支架除锈前后的XRD对比图；

图5为本发明等离子体高通量除锈设备示意图。

具体实施例

下面对本申请进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本申请的简易例子，并不代表或限制本申请的权利保护范围，本申请的保护范围以权利要求书为准。

本申请提供的金属材料表面的除锈方法，其除锈效果是基于辉光放电中水蒸气裂解的氢粒子与氢氧根粒子，通过以上高活性粒子与金属材料表面的锈渍发生化学反应，将锈渍还原为金属单质，从而达到除锈的效果。

本申请除锈的作用原理主要包括：水蒸气在辉光放电中解离形成高活性含氢粒子，包括氢粒子、氢氧根粒子，由于电子在腔体中的速度远超过含氢粒子，电子会集中在金属基底表面，使金属表面形成负电鞘层，氢粒子带正电，会在负电鞘层的影响下优先与金属基底接触，与表面锈渍中的氧化物或氢氧化物反应，生成的氢氧根或水分子以游离态的形式离开金属表面，达到去除金属表面锈渍的作用。同时，游离的氢氧根粒子由于带负电，难以进入负电鞘层区，无法参与反应。有效除锈成分为水蒸气等离子体中的氢粒子。

本申请采用的等离子体源为水蒸气，不引入任意非反应气体，成本低，危害小。反应腔体处于低气压环境，水蒸汽会以气态的形式在腔体中稳定存在，而非液态，这保证了反应腔体中反应源的均一性，从而促进放电过程中的均一性高、稳定性好，可实现金属材料表面的大规模除锈。

由于等离子体中产生的高活性氢粒子与金属基底相互独立，因此本申请可处理任意工业用轻金属，例如铜、铁、不锈钢等。

根据本申请的一种金属材料表面除锈方法，特别是工业中广泛应用的铜金属、不锈钢，所述处理包括低压等离子体表面除锈，表面锈层既包括金属基器件使用中产生的金属氧化物或氢氧化物锈层，亦包括表面沾染的高分子杂质。该方法具体包括如下步骤：所述的低温等离子体表面除锈处理是将水蒸气作为反应源通入腔体中，通过放电系统激发水蒸气产生辉光等离子体，对金属材料表面进行除锈处理。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本申请的技术方案。

实施例1

如图5所示，是本发明等离子体高通量除锈设备示意图，腔室中具有多个进气口，分别设置于上下、左右、前后的腔室壁上，可形成六个方向的等离子体流，促进等离子体中的活性成分渗入凹槽与空洞，同时吹扫结构件表面，实现复杂结构表面的均匀除锈；并且腔室内还具有放电电极，并且其位置是可以调整的，可实现实现复杂结构表面的精确除锈。

一种金属支架表面的低温等离子体除锈方法，其特征在于采用低气压辉光等离子体方式对铜支架进行大面积均一除锈。在本实施例中，采用射频容性放电系统作为除锈设备。首先将8个的铜支架放入反应腔室内，铜支架为150cm2。之后开始低气压等离子体除锈。所述的低气压辉光等离子体的形成过程是：通过分子泵真空系统，将反应腔室内的气压降低至0.05Pa；通过输气管路引入水蒸气并同时调节气氛流速，使腔室气压维持在50Pa；调节放电功率与放电间距，开启辉光放电。放电过程中，高活性含氢粒子与铜支架表面的锈层发生物理与化学作用，处理时长为20s，最终使金属支架表面的锈层全部去除，铜支架表面呈现原有光泽，且表面均匀平整。

采用扫描电子显微镜，检测处理后的铜支架表面是否光洁，有无锈层，若铜支架表面有明显凹凸不平的结构，则视为不合格。图2是表面光洁的铜支架，在长时间使用后，表面出现大量锈层，锈层呈现凹凸不平的形貌，如图3所示。在等离子体处理后，铜支架表现恢复至使用前的状态，表面平整光洁，并呈现原有金属光泽。同时通过X射线衍射可证明，支架表面锈层的主要成分为铜的氧化物，在本方法处理后，支架表面回归至使用前水平。

实施例2

一种金属支架表面的低温等离子体除锈方法，其特征在于采用低气压辉光等离子体方式对金属支架进行大面积均一除锈。在本实施例中，采用射频容性放电系统作为除锈设备。首先将10个的铜镍合金支架放入反应腔室内，铜镍合金支架为100cm²，之后开始低气压等离子体除锈。所述的低气压辉光等离子体的形成过程是：通过分子泵真空系统，将反应腔室内的气压降低至0.1Pa；通过输气管路引入水蒸气并同时调节气氛流速，使腔室气压维持在40Pa；调节放电功率与放电间距，开启辉光放电。放电过程中，高活性含氢粒子与铜镍合金支架表面的锈层发生物理与化学作用，处理时长为30s，最终使铜镍合金支架表面的锈层全部去除，铜镍合金支架表面呈现原有光泽，且表面均匀平整。

实施例3

一种金属支架表面的低温等离子体除锈方法，其特征在于采用低气压辉光等离子体方式对金属支架进行大面积均一除锈。在本实施例中，采用射频感性放电系统作为除锈设备。首先将3个的镍钴合金支架放入反应腔室内，镍钴合金支架为300cm²，之后开始低气压等离子体除锈。所述的低气压辉光等离子体的形成过程是：通过分子泵真空系统，将反应腔室内的气压降低至0.05Pa；通过输气管路引入水蒸气并同时调节气氛流速，使腔室气压维持在30Pa；调节放电功率与放电间距，开启辉光放电。放电过程中，高活性含氢粒子与镍钴合金支架表面的锈层发生物理与化学作用，处理时长为10s，最终使镍钴合金支架表面的锈层全部去除，镍钴合金支架表面呈现原有光泽，且表面均匀平整。

实施例4

一种金属支架表面的低温等离子体除锈方法，其特征在于采用低气压辉光等离子体方式对金属支架进行大面积均一除锈。在本实施例中，采用微波放电系统作为除锈设备。首先将1个的镍支架放入反应腔室内，镍支架为500cm²，之后开始低气压等离子体除锈。所述的低气压辉光等离子体的形成过程是：通过分子泵真空系统，将反应腔室内的气压降低至0.1Pa；通过输气管路引入氢气并同时调节气氛流速，使腔室气压维持在70Pa；调节放电功率与放电间距，开启辉光放电。放电过程中，高活性含氢粒子与镍支架表面的锈层发生物理与化学作用，处理时长为5s，最终使镍支架表面的锈层全部去除，镍支架表面呈现原有光泽，且表面均匀平整。

实施例5

一种金属支架表面的低温等离子体除锈方法，其特征在于采用低气压辉光等离子体方式对金属支架进行大面积均一除锈。在本实施例中，采用射频感性系统作为除锈设备。首先将5个的铁镍合金支架放入反应腔室内，镍支架为50cm²，之后开始低气压等离子体除锈。所述的低气压辉光等离子体的形成过程是：通过分子泵真空系统，将反应腔室内的气压降低至0.01Pa；通过输气管路引入氢气并同时调节气氛流速，使腔室气压维持在40Pa；调节放电功率与放电间距，开启辉光放电。

放电过程中，高活性含氢粒子与铁镍合金支架表面的锈层发生物理与化学作用，处理时长为60s，最终使铁镍合金支架表面的锈层全部去除，铁镍合金支架表面呈现原有光泽，且表面均匀平整。

可选的，对于锈渍严重并难以去除的凹槽部分，可调节等离子体流的吹扫位置与放电电极位置，开启辉光放电，以实现凹槽处的高效除锈。

以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，其同样应当视为本申请所公开的内容。

Claims

1.一种金属支架表面低温等离子体的除锈方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1：将所述金属支架放入反应腔室内；

步骤S2:通过分子泵真空系统，将所述反应腔室内的气压降低至0.01-0.1Pa；

步骤S3:通过输气管路引入水蒸气或氢气并同时调节气氛流速，使所述反应腔室的气压维持在10-100Pa，所述腔室具有多个腔室壁，所述水蒸气或氢气从所述多个腔室壁涌入形成等离子体流；

步骤S4:调节放电功率与放电间距，开启辉光放电；

步骤S5：对于锈渍严重并难以去除的凹槽区域，调节等离子体流的通气位置与放电电极位置，开启辉光放电，以实现对锈迹处的吹扫，实现高效除锈。

2.根据权利要求1所述的金属表面除锈方法，其特征在于，所述气氛流速为10-150sccm。

3.根据权利要求1所述的金属表面除锈方法，其特征在于，所述的低气压辉光等离子体的放电系统为射频容性放电、射频感性放电、微波放电中的一种。

4.根据权利要求1所述的金属表面除锈方法，其特征在于，所述金属支架的材料包括铜、铁、镍、钴、铜铁、铜镍、铁镍、钴镍、铁钴中的一种。

5.根据权利要求1所述的金属表面除锈方法，其特征在于，所述放电间距为10-80cm。

6.根据权利要求1所述的金属表面除锈方法，其特征在于，所述金属支架的面积为20-100cm²。

7.根据权利要求1所述的金属表面除锈方法，其特征在于，所述低温低压等离子体除锈处理的时间为1～100s。

8.根据权利要求1所述的一种表面除锈方法，其特征在于，所述放电功率为50-1000W。