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激光清洗镀铬模槽

时间:2022-04-09 21:44来源:未知 作者:admin 点击:

  本文研究了用 Nd:YAG纳秒脉冲激光器清除镀铬模具中的污染物,为环境保护做出贡献。

  用平均功率为100的声光调Q Nd:YAG纳秒脉冲激光器研究了带槽镀铬模具中橡胶污染物的去除 。不均匀沉积在模具上的污染物可区分为标称直径为10的橡胶颗粒 μm,主要位于平面区(PR),而厚橡胶层可达50μm 在狭缝区(SR)可以发现μm。结果表明,通过正散焦,单脉冲激光的能量密度为0.97 J/cm2,加入氩气,可实现槽的单扫描高效清洗,也可清洗铬层上的网状裂纹。使用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱仪(EDS)和原子力显微镜(AFM)对清洗前后的模具表面进行了研究。

  橡胶硫化模在橡胶制品生产中会受到橡胶合成沉积物、复合剂和离型剂的污染。主要污染物含有硫化物、无机氧化物、硅油污垢沉积物、炭黑垢等,经过反复生产后会变硬变厚,如果使用被污染的模具生产,这些附着的污染物会使产品变形。因此,模具必须定期清洗,以保证产品质量,延长模具的使用寿命。目前清洗橡胶固化模具广泛采用化学清洗,采用高温碱性水浸泡结合机械刷毛的方法将污染物分解去除。但是,长期使用化学清洗会导致模具因腐蚀和机械损坏而失效。

  激光清洗是一种非接触式环保技术,已广泛应用于去除微颗粒和薄层材料。在之前的研究中,Kong等人研究了CO2脉冲激光清洗橡胶固化模具。橡胶的完全清洗阈值为27.5 J/cm2,基材的损伤阈值为30 J/cm2。Wang等人研究了1064 nm Nd:YAG脉冲激光清洗轮胎模具。橡胶的清洗阈值为18.6 J/cm2,基材的损伤阈值为22.0 J/cm2。Lu等人研究了准分子激光清洗IC模具表面的有机污垢。有机物清洗阈值为100 mJ/cm2,基质损伤阈值为1.05 J/cm2。在这些清洗研究中,模具大多是扁平结构,沉积橡胶的厚度是均匀的。橡胶的完全清洗阈值与基材的损伤阈值相差很大。激光清洗有一个合适的激光通量范围,可以获得良好的清洗效果。然而,由于功能要求,常用的模具有许多槽,这可能导致橡胶污染物沉积较厚。槽区厚橡胶(SR)的完全清洗阈值远高于平面区薄橡胶(PR)的完全清洗阈值,甚至高于模具基板的损伤阈值。因此,对模具槽位激光清洗是否存在一个合适的激光注量范围是值得研究的问题。

  在考古学中,大多数文物都是从它们放置了十到几千年的环境中提取出来的。由于所有的物质都会衰变,所以发现原始状态下的人工制品是非常罕见的。金属物体与环境中的化学物质如水分、氧气、二氧化碳、盐类等发生反应,形成各种腐蚀产物。这些都发生在金属制品的内部和表面,变得脆弱和多孔。土壤中的矿物颗粒和有机物等污染物也可与腐蚀产物结合,在地表形成硬壳(上图)。考古金属的腐蚀仍在继续,甚至在挖掘后会加速。因此,为了保护材料和文物所携带的有价值的科学信息,谨慎地使用适当的保护处理是必要的。

  其实,为了保护基材,提高表面性能,橡胶固化模的表面通常要涂上一层功能性铬层。Kumar等人报道了激光清洗镀锌钢表面的粉末涂层。结果表明:用1064 nm激光,注量为0.7 J/cm2,蒸发0.2 μm厚锌,产生冲击波去除表面的油漆。虽然可以有效地去除漆面,但锌层却消失了。由于模具的铬层维护难度大、费用高,激光清洗应不损伤铬层。此外,铬层纵横交错的网状裂纹可以储存油,起到润滑和减少摩擦的作用。然而,以往的研究很少关注激光清洗过程中功能层的裂纹。

  不同金属的吸收特性作为波长的函数。指出了在本工作中使用的波长。由于它们不易被金属基板吸收,波长较长的激光,在这种情况下,CO2激光,不太可能损坏金属制品。另一方面,有机化合物和矿物质在可见光和近红外下通常是透光或半透明的,但在远红外下吸收强烈。

  使用的TEA CO2激光器(ALLTEC ALLMARK 870)以短脉冲形式发射波长为10,600 nm的辐射,能量为2-4 J,典型持续时间为100-1000 ns,重复频率高达20 Hz。从上图中可以看出,λ = 10600 nm时,大多数金属吸收不良;然而,有机材料在这个波长表现出很强的吸收。因此,TEA CO2激光器最适合清洁金属制品。有机化合物对辐射的吸收是由于光子与不同自由基的相互作用。能量为E = hν = 0.116 eV的光子强烈激发-OH, -CH, -CN自由基,使有机化合物受热蒸发。

  本研究采用声光调q Nd:YAG纳秒脉冲激光器,平均功率为100 W,对镀铬模具槽部非均匀沉积的橡胶污染物进行激光清洗实验。进一步研究了清洗后铬层上的网状裂纹。采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散x射线光谱(EDS)和原子力显微镜(AFM)对激光清洗前后的模具样品表面进行了分析。

  图1为半径为72 mm,高度为35 mm的橡胶固化模具示意图。从图1(c)中可以看出,沉积在PR上的污染物公称直径为10 μm,呈分散颗粒状分散,部分铬层直接暴露。如图1(d)所示,沉积在SR上的厚层状结构污染物的厚度为30 μm ~ 50 μm。所以,沉积在槽中的橡胶不同于常见的均匀污染物。模具试样为P20钢,其成分如表1所示。

  图1 模具和槽上沉积的橡胶污染物示意图。(a)模具示意图,(b)槽位,(c) PR上的橡胶颗粒,(d) SR上的厚层橡胶污染物。

  该模切成5 mm × 5 mm × 5 mm 小样本。样品用丙酮浸泡,然后用酒精仔细擦洗,铬层表面干净,如图2所示。从图2(a)中可以看出,网状裂纹呈十字形互联,PR表面出现一些球面凸部分。从图2(b) (c)可以看出,SR表面的铬层有部分被破坏,甚至在受损区域还能发现一些残留物。研磨抛光后得到的铬层截面如图2(d)所示。铬层厚度约为8 μm。

  激光清洗系统原理图如图3所示。该脉冲激光器是自制的100 W声光调q纳秒脉冲激光器,重复频率可从5 kHz调谐到30 kHz。二维振镜的扫描速度从500 mm/s到3000 mm/s连续可调,比通常的激光清洗速度快。实验使用的聚焦透镜为F-θ透镜,直径为35 mm,焦距为100 mm。激光扫描面积为10 mm × 10 mm。通过改变泵送模块的泵送电流,找到清洗阈值,系统研究完成后,采用多组参数对样本进行清洗,如表2所示。

  激光清洗前PR面和SR面污染物的EDS结果如表 3(a)所示。清洗前C、O总含量达到89.87 wt%, Cr含量为0 wt%。

  表3 清洗前后用EDS测量表面的平均化学成分(wt.%)。(a)污染物的EDS结果,(b)清洗后PR面EDS结果,(c)清洗后SR面EDS结果,(c)清洗后净裂纹的EDS结果。

  由图4可知,激光参数I清洗PR上的橡胶颗粒后,可以看到清晰的边界(表2),说明橡胶颗粒的完全清洗阈值为0.59 J/cm2。清洗后,如表 3(b)所示,Cr的含量达到93.24 wt%, C和O的含量为6.06 wt%,说明PR表面的橡胶颗粒达到了很好的清洗效果。

  PR表面的橡胶是颗粒状的,铬层在某些区域暴露,因此激光可以直接辐射铬层。当高斯激光辐射样品表面时,时间t时铬层的温度通过以下公式计算:I0是激光的峰值功率密度,T0是300的初始温度, K、 R是Cr的反射率。计算中使用的参数如表4所示。当t为100时 ns作为脉冲宽度,铬层的计算表面温度为639 K、低于氧化温度(900 K)熔点(2094) K)铬,因此没有氧化或熔化。在此基础上,参考Lee等人对金属颗粒激光清洗的计算,橡胶底部垂直方向产生的热弹性膨胀力为5.32 × 10−8 N.橡胶颗粒和基材之间的结合力主要由van der Waals Fa决定,约为5 × 10−8 N。橡胶底部垂直方向产生的热弹性膨胀力大于Fa。因此,0.59 J/cm2作为一个完整的橡胶颗粒清洁阈值,实验和理论符合得很好。具体来说,橡胶颗粒的去除机制主要是由于热膨胀效应引起的层裂。

  经过多组测试,激光II的单扫描和三扫描清洗结果(表2)分别如图5(a)和(b)所示。对比图1(d)和图5(a),脉冲能量密度为1.2 J/cm2的单次扫描的清洗结果是可以接受的。从图5(a)可以看出,暴露在SR上的铬层并没有受到明显的损伤,但在少数区域残留了少量的污染物和氧化物。经过激光II三次扫描,如图5(b)所示,SR表面没有橡胶残渣,大部分氧化铁被去除,呈现出明显的坑状结构。但在受损的铬层中仍有少量氧化铁残留。铬层剥落形成氧化铁是模具失效的一种表现,失效的模具应予以维修或废弃,因此三次扫描下残留的氧化铁不会进一步清洗,但同时我们的激光清洗可以作为判断模具是否失效的一种新方法。

  图5 清洗老橡胶层(a)的结果的结果单扫描激光II(表2)。白色的突出部分残余橡胶、氧化和测试结果表 5所示(a)作为铁的氧化物,(b)三重扫描的结果激光二20 年代氧化的间隔时间,测试结果见表 5 (b)。

  根据之前的实验,激光清洗镀铬模具上的不均匀污染与Ref的研究相似。采用单脉冲能量密度为1.2 J/cm2的三次激光扫描可获得良好的清洗效果,但多次扫描清洗方式必然会降低清洗效率。为了提高清洗效率,采用表2中重复频率和平均功率较高的激光参数III。这样,虽然单扫描清洗可以有效去除污染物和氧化物,但PR和SR上的铬层也被氧化,如图6所示。EDS分析结果如表 5(c)所示,XRD分析发现氧化物为Cr2O3。氧化是由于热量的积累,这是由于增加的脉冲数量,由于增加的重复频率。

  表5 激光清洗后基材的平均化学成分(wt.%)。(a)(b)氧化铁的EDS结果,(c)氧化铬的EDS结果。

  我们知道,氩气是最常用的惰性气体,氩气的密度比空气的密度高25%,是一种理想的保护气体。为了进一步提高清洗效果,将样品置于氩气气氛中进行相同的清洗实验。结果表明,氩气不仅可以防止铬层的氧化,而且可以冷却铬层的表面,并且PR表面没有氧化现象,如图7所示。在氩气气氛下对激光参数III(表2)进行一次扫描后,用EDS测量样品的化学成分如表 3(c)所示。EDS结果如图8所示。可以看出,C, O的含量达到90 wt%, Cr的含量为0 wt%。清洗前表面有许多附加元素,如Si、Ga、S、Zn;清洗后,所有额外的元素被移除。C、O含量低于5.5 wt%, Cr含量达到93.5 wt%,表明被橡胶覆盖的铬层完全暴露,清洗效果良好。

  层状结构的厚橡胶污染物吸收激光辐射,可气化去除。但由于激光清洗过程中存在明显的橡胶颗粒飞溅现象,厚层橡胶的清洗机理要比气化复杂得多。研究人员已经证明,激光清洗过程中产生的声波可以产生弹性力去除污染。并且由于之前的激光清洗颗粒橡胶对PR的分析,热弹性膨胀可以是清洗层状橡胶的另一种机制。因此,激光清洗SR上的厚橡胶污染物时,可以通过反射声波产生的气化作用或弹性力来减小橡胶的厚度。厚度减小后,部分激光会被铬层吸收,剩余的橡胶可以通过热弹性膨胀及时去除。从实验结果可以看出,在单次扫描激光清洗中,这些机制结合在一起可以去除50个 μm厚度的橡胶污染物。

  图9 激光清洗前后的AFM测试结果。(a)激光清洗前,(b)激光清洗后。

  图9(a)和(b)是用AFM清洗前后模具表面三维形貌的对比。Sa为该区域的平均粗糙度。避免了铬层的净裂纹。从图9(a)可以看出,在Sa为100 nm的情况下清洗前,橡胶表面分布不均匀。Z轴上的最高高度可达797 nm。清洗后,橡胶被去除,铬层被暴露,导致表面粗糙度较低,Sa为35 nm。Z轴上的最高高度降低到292 nm。

  此外,对于槽的激光清洗,Yue等人提出了一种离焦轴向激光器清洗2 mm × 24 mm的小槽。本文选择积极的散焦和激光集中2 毫米以上的底部槽,与单个脉冲能量密度约0.97 J / cm2,因为厚橡胶污染物在老厚层橡胶和橡胶粒子都可以清理干净无损坏铬层在氩气气氛中。

  在氩气气氛下,对参数III的PR和SR表面进行正向离焦激光清洗后,进一步研究了清洗后铬层上的网状裂纹。清洗后的铬层裂纹形貌如图10所示。可以看到,经过清洗后,宽度为1 μm的铬层裂纹轮廓清晰。EDS结果如表 3(d)所示,清洗后的铬含量达到88.59 wt%。因此,在清洗参数和清洗机理的作用下,镀铬模具表面槽上的橡胶可以清洗而不损坏,铬层的网状裂纹也可以得到很好的清洗效果。铬层中网状裂纹的功能可以及时恢复。

  对带槽镀铬模具上不均匀橡胶污染物的单扫描高效清洗进行了研究。在单脉冲能量密度约为0.59 J/cm2的条件下,由于热膨胀效应引起的散层剥落可以去除沉积在PR上的污染物,其公称直径为10 μm;污染物沉积在老厚分层结构50 μm被复杂的清理清洁机制影响下0.97 J / cm2,其中橡胶的厚度可以减少SR气化或反射波产生的弹性力,然后剩下的橡胶可以删除热弹性扩张。通过单脉冲能量密度为0.97 J/cm2的激光正散焦,加入氩气,可以很好地清洗铬层和铬层,且不损伤模具基板,铬层上的净裂纹也得到了清洗。

  本研究不仅为槽型结构的模具的清洗提供了一种无损伤的清洗方法,而且可以广泛应用于平面结构的模具的清洗,甚至可以广泛应用于其他产品,如带有装饰涂料的汽车,具有普遍适用性。用激光工艺代替传统的化学清洗技术,不仅可以提高模具的使用寿命,而且消除了化学废物,对环境也很友好。

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