CN102851729B - 金属基带的多通道连续化电解抛光装置及抛光方法 - Google Patents

Abstract

一种金属基带的多通道连续化电解抛光装置及抛光方法，该装置包含依次顺序设置的超声波粗洗槽、第一漂洗槽、电解抛光槽、第二漂洗槽、中和槽、第三漂洗槽、超声波精洗槽和烘干箱，超声波粗洗槽之前设置放带盘，烘干箱之后设置收带盘。使水通入超声波粗洗槽、第一漂洗槽、第二漂洗槽、中和槽、第三漂洗槽、超声波精洗槽，并使水面没过基带，使电解液循环通入电解抛光槽，并使电解抛光槽的电解液没过基带，开启步进电机，驱动基带匀速运动，进行连续电解抛光。本发明结构简单，设计合理，制造成本低，适宜于批量化的抛光生产，能够实现公里级基带的连续电解抛光，抛光后的合金基带的均方根粗糙度低于2纳米。

Description

金属基带的多通道连续化电解抛光装置及抛光方法

技术领域

本发明涉及金属基带电解抛光技术领域，尤其涉及一种金属基带的多通道连续化电解抛光装置及抛光方法。

背景技术

第二代高温超导带材即涂层导体，以其77K下优越的高场性能引起了材料科学界广泛的兴趣。涂层导体是由金属基带/隔离层/超导层/保护层组成的多层结构，金属基带不仅是涂层导体载体，还是其上各层薄膜制备的基底。金属基带的表面质量带材的超导层的性能有着重要的影响。因此，基带的表面抛光技术是获得高性能涂层导体的关键技术之一。

第二代高温超导带材的制备工艺可分金属基带、隔离层、超导膜和保护层四部分。其中金属基带的功能主要有两个，其一是为后续功能层薄膜的制备提供基底，其二为实际应用提供机械强度。目前用于制备第二代高温超导带材的金属基带主要有C-276哈氏合金，不锈钢和镍-钨合金。金属基带的厚度在50-100微米之间，宽度在1-10厘米之间。第二代高温超导带材具有较复杂的多层膜结构，每层厚度在几个纳米到几个微米之间。在多层膜制备过程中不仅每一层薄膜的取向和微结构对后续功能层的制备有直接影响，表面光洁度也是决定后续功能层制备乃至最终带材性能的关键因素之一。所以高性能第二代高温超导带材对金属基带的表面光洁度具有较高的要求。通常要求金属基带的均方根表面粗糙度Rrms原子力显微镜扫描面积为5х5平方微米小于2纳米。

原子力显微镜AtomicForceMicroscope,缩写为AFM是表征金属基带表面粗糙度的通用手段。样品表面质量的最主要表征参数为均方根表面粗糙度，即Rrms。由于第二代高温超导带材制备要求公里级长度的基带具有均匀且高质量的表面光洁度表面粗糙度Rrms<5纳米。所以金属基带的电抛必须采用连续化动态的电抛工艺。市场上供应的C-276哈氏合金带和不锈钢基带的初始表面粗糙度Rrms通常在50-200纳米之间，远远不能满足第二代高温超导带材功能层制备的要求。

2003年以前，主要采用连续化机械抛光方法来优化金属基带的表面。机械抛光方法不仅抛光速度慢，而且抛光后的表面质量很难达到要求。此外，机械抛光工艺中使用的抛光粉往往会残留在金属基带表面。造成金属基带表面污染。机械抛光中还容易产生表面应力，破坏基带的立方织构，不适合大规模生产。

传统的电化学抛光在工业中仅仅用于金属挂件的抛光，即静止电抛工艺。电化学抛光也称电解抛光。电化学抛光工艺中，将被抛光金属工件作为阳极，不溶性金属板作为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而达到工件表面光亮度增大的效果。电解液的成分与被抛光金属部件的化学组分相关。与传统的机械抛光相比，电化学抛光具有生产效率高、成本低廉、和均匀性好等优点。另外还适合于抛光具有复杂形状的金属零部件，达到内外色泽一致，光泽持久，使机械抛光无法抛到的凹处也可整平。但是在连续电解抛光过程中，通常采用电刷或导电轮等物理接触的传导方式，这样很容易在合金基带表面产生划痕，不利于获得高表面质量的基带。

发明内容

本发明提供的一种金属基带的多通道连续化电解抛光装置及抛光方法，结构简单，设计合理，制造成本低，适宜于批量化的抛光生产，能够实现公里级基带的连续电解抛光，抛光后的合金基带的均方根粗糙度低于2纳米。

为了达到上述目的，本发明提供一种金属基带的多通道连续化电解抛光装置，该装置包含依次顺序设置的超声波粗洗槽、第一漂洗槽、电解抛光槽、第二漂洗槽、中和槽、第三漂洗槽、超声波精洗槽和烘干箱，超声波粗洗槽之前设置放带盘，烘干箱之后设置收带盘，所述的超声波粗洗槽、第一漂洗槽、电解抛光槽、第二漂洗槽、中和槽、第三漂洗槽、超声波精洗槽和烘干箱上皆设置有通孔，待处理的基带从放带盘中拉出，依次通过超声波粗洗槽、第一漂洗槽、电解抛光槽、第二漂洗槽、中和槽、第三漂洗槽、超声波精洗槽和烘干箱上的通孔后，缠绕进入收带盘。

所述的超声波粗洗槽、第一漂洗槽、电解抛光槽、第二漂洗槽、中和槽、第三漂洗槽和超声波精洗槽分别连接有储液箱，超声波粗洗槽连接第一储液箱，第一漂洗槽连接第二储液箱，电解抛光槽连接第三储液箱，第二漂洗槽连接第四储液箱，中和槽连接第五储液箱，第三漂洗槽连接第六储液箱，超声波精洗槽连接第七储液箱。

所述的第一储液箱、第二储液箱、第四储液箱、第五储液箱、第六储液箱和第七储液箱中加入清水，所述的第三储液箱中加入电解液。

所述的第一储液箱、第二储液箱、第三储液箱、第四储液箱、第五储液箱、第六储液箱和第七储液箱分别连接有循环泵。

所述的放带盘和收带盘上同时缠绕若干基带卷盘。

在本电解抛光装置中串联设置若干电解抛光槽，增加电解抛光速度。

所述的电解抛光槽两端安装有与直流电源相接的若干阳极柱，电解抛光槽内安装有与直流电源相接的若干阴极板。

所述的阳极柱为金属旋转滚轴，电解抛光槽的两端分别设置3个阳极柱，基带通过电解抛光槽时，S型通过阳极柱，作为阳极进行电解，阴极板设置一个或者两个，取决于金属基带需要单面抛光或双面抛光。

所述阴极板为铅板，阳极柱为钛合金。

本发明还提供一种金属基带的多通道连续化电解抛光方法，该电解抛光方法包含以下步骤：

步骤1、将清洗干净的待处理基带连续缠绕在放带盘上，再将待处理基带的外端头从超声波粗洗槽左侧通孔穿入，且依次经过第一漂洗槽、电解抛光槽、第二漂洗槽、中和槽、第三漂洗槽、超声波精洗槽和烘干槽内部后，从烘干槽右侧通孔拉出并缠绕在收带盘上；

步骤2、将第一储液箱、第二储液箱、第四储液箱、第五储液箱、第六储液箱和第七储液箱中加入清水，然后打开循环泵，使水通入超声波粗洗槽、第一漂洗槽、第二漂洗槽、中和槽、第三漂洗槽、超声波精洗槽，并使水面没过基带；

步骤3、将第三储液箱中加入电解液，然后打开循环泵，使电解液循环通入电解抛光槽，并使电解抛光槽的电解液没过基带；

步骤4、开启步进电机，驱动基带匀速运动，打开与电解抛光槽相连的直流电源，在电流密度为20A/cm²-60A/cm²的条件下进行连续电解抛光。

本发明具有以下优点：

1、本发明的装置结构简单，设计合理，制造成本低，能够实现公里级基带的连续电解抛光。

2、本发明的电解抛光方法简单，适宜于批量化的抛光生产，通过不同电解液的选择也可实现对其他金属带材、线材的连续电解抛光，具有良好的工程实用价值。

3、采用本发明的装置和方法进行电解抛光处理，抛光后的合金基带的均方根粗糙度低于2纳米。

附图说明

图1是本发明提供的一种金属基带的多通道连续化电解抛光装置的结构示意图；

图2是电解抛光槽的结构示意图；

图3是本发明提供的一种金属基带的多通道连续化电解抛光方法的流程示意图；

图4是AFM测量的未电抛前的哈市合金基带原始表面粗糙度的图表；

图5和图6是AFM测量的电抛后的哈市合金基带原始表面粗糙度的图表。

具体实施方式

以下根据图1～图5，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示，本发明提供一种金属基带的多通道连续化电解抛光装置，该装置包含依次顺序设置的超声波粗洗槽1、第一漂洗槽2、电解抛光槽3、第二漂洗槽4、中和槽5、第三漂洗槽6、超声波精洗槽7和烘干箱8，超声波粗洗槽1之前设置放带盘11，烘干箱8之后设置收带盘20，所述的超声波粗洗槽1、第一漂洗槽2、电解抛光槽3、第二漂洗槽4、中和槽5、第三漂洗槽6、超声波精洗槽7和烘干箱8上皆设置有通孔，待处理的基带10从放带盘11中拉出，依次通过超声波粗洗槽1、第一漂洗槽2、电解抛光槽3、第二漂洗槽4、中和槽5、第三漂洗槽6、超声波精洗槽7和烘干箱8上的通孔后，缠绕进入收带盘20；

电抛前的超声波粗洗主要用于清洗金属毛带上残留的油渍和污染物，超声功率为600-1500瓦；电抛后的超声波精洗主要用于去除基带上的电解液残留物；

所述的超声波粗洗槽1、第一漂洗槽2、电解抛光槽3、第二漂洗槽4、中和槽5、第三漂洗槽6和超声波精洗槽7分别连接有储液箱，超声波粗洗槽1连接第一储液箱13，第一漂洗槽2连接第二储液箱14，电解抛光槽3连接第三储液箱15，第二漂洗槽4连接第四储液箱16，中和槽5连接第五储液箱17，第三漂洗槽6连接第六储液箱18，超声波精洗槽7连接第七储液箱19；

所述的第一储液箱13、第二储液箱14、第四储液箱16、第五储液箱17、第六储液箱18和第七储液箱19中加入清水，所述的第三储液箱15中加入电解液；

电解液组分和配方主要由金属基带种类决定，比如针对不锈钢基带而言，电解液组分为：浓磷酸50-65%85%以上浓度；硫酸10-15%85%以上浓度；铬酐1-5%85%以上浓度；其余为纯水；实验证明电解液温度和通过金属基带的电流密度是最重要的两个工艺参数，为了保证电抛工艺的稳定性，最佳电解液温度控制在50-70^oC左右，电流密度控制在0.2-0.8安培/平方厘米之间；

所述的第一储液箱13、第二储液箱14、第三储液箱15、第四储液箱16、第五储液箱17、第六储液箱18和第七储液箱19分别连接有循环泵12；

所述的第一储液箱13、第二储液箱14、第三储液箱15、第四储液箱16、第五储液箱17、第六储液箱18和第七储液箱19用聚丙烯PP板制作；

所述的放带盘11和收带盘20上可同时缠绕若干基带卷盘，如图1所示，本实施例中，同时处理4条基带；

为了提高电抛速度，通常采用增加电解槽长度的办法。考虑到电解槽长度增加时，通过金属基带的电流必须成比例增加，而这将会导致金属基带发热。另外，在较高电压下，电刷接触处容易引起电弧，进而损坏金属基带；为了增加电解抛光速度，采用增加电解抛光槽3的方法，在本电解抛光装置中串联设置若干电解抛光槽3；比如，在本实施例中，单个电解槽的电抛速度为40米/小时，在图1中电解槽的位置安置两个前后串联的电解槽，可将电抛速度提高到80米/小时，其工作原理是第一电解槽电抛的厚度为要求值的二分之一，第二电解槽电抛的厚度为要求值的另外二分之一，当金属基带先后经过第一、二电解槽后，在累计电抛厚度达到要求值的情况下，可将金属基带电抛速度加倍，以此类推，采用该方法可大大提高生产效率；

如图2所示，所述的电解抛光槽3两端安装有与直流电源相接的若干阳极柱301，电解抛光槽3内安装有与直流电源相接的若干阴极板302；所述的阳极柱301为金属旋转滚轴，将电流引入金属基带；本实施例中，电解抛光槽3的两端分别设置3个阳极柱301，基带10通过电解抛光槽3时，S型通过阳极柱301，作为阳极进行电解，阴极板302可设置一个或者两个，取决于金属基带需要单面抛光或双面抛光；本实施例中，所述阴极板302为铅板，阳极柱301为钛合金；本发明中阳极柱金属旋转滚轴采用轴承传导方式，从而避免了被抛光金属基带与导电轮之间的相对运动，克服金属基带表面划痕等技术难题。

电解抛光槽3采用10毫米厚PP板制作，电解抛光槽3上装有液位泵和液位感应开关，电解抛光槽3配置电压、电流数值显示器、控温显示器和故障显示器，电解抛光槽3还装有控温和过热保护配置，绝缘采用陶瓷材料。电解抛光槽3的尺寸主要由电抛线的产能决定，比如每小时100米/小时的电抛速度，电解槽总长度为30-50厘米，电解抛光功率为3-5千瓦，电解抛光对电源波形要求不是太严格，可选用可控硅整流器，整流器空载电压：0—20伏；负载电压工作电压：1—15伏；工作电压低于3伏，抛光速度慢，光亮度不足，整流器电流根据基带电抛速度大小而定，一般在20-150之间；

收带盘20通过与其连接的步进电机驱动基带10的运行；

如图3所示，本发明还提供一种金属基带的多通道连续化电解抛光方法，包含以下步骤：

步骤1、将清洗干净的待处理基带10连续缠绕在放带盘11上，再将待处理基带10的外端头从超声波粗洗槽1左侧通孔穿入，且依次经过第一漂洗槽2、电解抛光槽3、第二漂洗槽4、中和槽5、第三漂洗槽6、超声波精洗槽7和烘干槽8内部后，从烘干槽8右侧通孔拉出并缠绕在收带盘20上；

步骤2、将第一储液箱13、第二储液箱14、第四储液箱16、第五储液箱17、第六储液箱18和第七储液箱19中加入清水，然后打开循环泵12，使水通入超声波粗洗槽1、第一漂洗槽2、第二漂洗槽4、中和槽5、第三漂洗槽6、超声波精洗槽7，并使水面没过基带10；

步骤3、将第三储液箱15中加入电解液，然后打开循环泵12，使电解液循环通入电解抛光槽3，并使电解抛光槽3的电解液没过基带10；

所述电解液为硫酸，磷酸等混合物；

步骤4、开启步进电机，驱动基带10匀速运动，打开与电解抛光槽3相连的直流电源，在电流密度为20A/cm²-60A/cm²的条件下进行连续电解抛光。

原子力显微镜（AtomicForceMicroscope,缩写为AFM）是表征金属基带表面粗糙度的通用手段。表征参数主要为均方根粗糙度R_rms。AFM观察证明，采用本发明电抛后的金属基带，表面光洁度有了很大提高。由初始的100-200纳米大幅减小到2纳米以下，从而满足了后续镀膜工艺的要求。

针对哈市合金抛光前和抛光后粗糙度的具体数值，请参见下表：粗糙度对比表；

如图4所示，是AFM测量的未电抛前的哈市合金基带原始表面粗糙度的图表，基带原始表面粗糙度Rrms为24.4纳米，扫描范围5×5μm；

图5是AFM测量的电抛后的哈市合金基带原始表面粗糙度的图表，基带表面粗糙度Rrms为0.89纳米，扫描范围5×5μm。

和图6是AFM测量的电抛后的哈市合金基带原始表面粗糙度的图表，基带表面粗糙度Rrms为0.38纳米，扫描范围10×10μm。

实施例1

步骤1、将清洗干净的待处理基带10连续缠绕在放带盘11上，再将待处理基带10的外端头从超声波粗洗槽1左侧通孔穿入，且依次经过第一漂洗槽2、电解抛光槽3、第二漂洗槽4、中和槽5、第三漂洗槽6、超声波精洗槽7和烘干槽8内部后，从烘干槽8右侧通孔拉出并缠绕在收带盘20上；

步骤2、将第一储液箱13、第二储液箱14、第四储液箱16、第五储液箱17、第六储液箱18和第七储液箱19中加入清水，然后打开循环泵12，使水通入超声波粗洗槽1、第一漂洗槽2、第二漂洗槽4、中和槽5、第三漂洗槽6、超声波精洗槽7，并使水面没过基带10；

步骤3、将第三储液箱15中加入电解液，然后打开循环泵12，使电解液循环通入电解抛光槽3，并使电解抛光槽3的电解液没过基带10；

所述电解液为硫酸，磷酸等混合物；

步骤4、开启步进电机，驱动基带10匀速运动，打开与电解抛光槽3相连的直流电源，在电流密度为20A/cm²的条件下进行连续电解抛光，电解时间为40秒。

实施例2

本实施例与实施例1方法相同，其中不同之处在于：所述电解抛光的电流密度为40A/cm²，基带10在电解抛光槽3中的电解抛光时间为20秒。

本实施例可实现百米级合金基带的连续电解抛光，电解抛光后的合金基带在5μm′5μm范围内的均方根粗糙度R_rms为1.9纳米。

实施例3

本实施例与实施例1方法相同，其中不同之处在于:所述电解抛光的电流密度为60A/cm²，基带10在电解抛光槽3中的电解抛光时间为15秒。

本实施例可实现公里级合金基带的连续电解抛光，电解抛光后的合金基带在5μm′5μm范围内的均方根粗糙度Rrms为0.9纳米。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种金属基带的多通道连续化电解抛光装置，其特征在于，该装置包含依次顺序设置的超声波粗洗槽（1）、第一漂洗槽（2）、电解抛光槽（3）、第二漂洗槽（4）、中和槽（5）、第三漂洗槽（6）、超声波精洗槽（7）和烘干箱（8），超声波粗洗槽（1）之前设置放带盘（11），烘干箱（8）之后设置收带盘（20），所述的超声波粗洗槽（1）、第一漂洗槽（2）、电解抛光槽（3）、第二漂洗槽（4）、中和槽（5）、第三漂洗槽（6）、超声波精洗槽（7）和烘干箱（8）上皆设置有通孔，待处理的基带（10）从放带盘（11）中拉出，依次通过超声波粗洗槽（1）、第一漂洗槽（2）、电解抛光槽（3）、第二漂洗槽（4）、中和槽（5）、第三漂洗槽（6）、超声波精洗槽（7）和烘干箱（8）上的通孔后，缠绕进入收带盘（20）；电解抛光槽（3）的两端分别设置3个与直流电源相接的金属旋转滚轴阳极柱（301）；电解抛光槽（3）内安装有与直流电源相接的一个单面抛光或者两个双面抛光的阴极板（302），基带（10）按照S型通过金属旋转滚轴阳极柱（301），放带盘（11）和收带盘（20）上同时缠绕若干基带卷盘。

2.如权利要求1所述的金属基带的多通道连续化电解抛光装置，其特征在于，所述的超声波粗洗槽（1）、第一漂洗槽（2）、电解抛光槽（3）、第二漂洗槽（4）、中和槽（5）、第三漂洗槽（6）和超声波精洗槽（7）分别连接有储液箱，超声波粗洗槽（1）连接第一储液箱（13），第一漂洗槽（2）连接第二储液箱（14），电解抛光槽（3）连接第三储液箱（15），第二漂洗槽（4）连接第四储液箱（16），中和槽（5）连接第五储液箱（17），第三漂洗槽（6）连接第六储液箱（18），超声波精洗槽（7）连接第七储液箱（19）。

3.如权利要求2所述的金属基带的多通道连续化电解抛光装置，其特征在于，所述的第一储液箱（13）、第二储液箱（14）、第四储液箱（16）、第五储液箱（17）、第六储液箱（18）和第七储液箱（19）中加入清水，所述的第三储液箱（15）中加入电解液。

4.如权利要求3所述的金属基带的多通道连续化电解抛光装置，其特征在于，所述的第一储液箱（13）、第二储液箱（14）、第三储液箱（15）、第四储液箱（16）、第五储液箱（17）、第六储液箱（18）和第七储液箱（19）分别连接有循环泵（12）。

5.如权利要求1所述的金属基带的多通道连续化电解抛光装置，其特征在于，在电解抛光装置中串联设置若干电解抛光槽（3），增加电解抛光速度。

6.如权利要求1所述的金属基带的多通道连续化电解抛光装置，其特征在于，所述阴极板（302）为铅板，阳极柱（301）为钛合金。

7.一种金属基带的多通道连续化电解抛光方法，其特征在于，该电解抛光方法包含以下步骤：

步骤1、将清洗干净的待处理基带（10）连续缠绕在放带盘（11）上，再将待处理基带（10）的外端头从超声波粗洗槽（1）左侧通孔穿入，且依次经过第一漂洗槽（2）、电解抛光槽（3）、第二漂洗槽（4）、中和槽（5）、第三漂洗槽（6）、超声波精洗槽（7）和烘干槽（8）内部后，从烘干槽（8）右侧通孔拉出并缠绕在收带盘（20）上；

步骤2、将第一储液箱（13）、第二储液箱（14）、第四储液箱（16）、第五储液箱（17）、第六储液箱（18）和第七储液箱（19）中加入清水，然后打开循环泵（12），使水通入超声波粗洗槽（1）、第一漂洗槽（2）、第二漂洗槽（4）、中和槽（5）、第三漂洗槽（6）、超声波精洗槽（7），并使水面没过基带（10）；

步骤3、将第三储液箱（15）中加入电解液，然后打开循环泵（12），使电解液循环通入电解抛光槽（3），并使电解抛光槽（3）的电解液没过基带（10）；

步骤4、开启步进电机，驱动基带（10）匀速运动，打开与电解抛光槽（3）相连的直流电源，在电流密度为20A/cm²-60A/cm²的条件下进行连续电解抛光。