CN104032366B - 电化学抛光装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学抛光装置，包括：槽体；横向穿设于所述槽体的至少一电解槽，该电解槽于所述槽体的两端分别形成入口和出口，待抛光工件横向运动于所述电解槽内；位于所述电解槽两侧的电极，该电极形成的电场屏蔽于所述电解槽内；电解液供应管路，连通于所述电解槽，并导引电解液沿所述待抛光工件的表面流动。本发明还公开了一种电化学抛光方法。本发明的装置结构简单，可以解决基带表面出现的柱状条纹，本发明的抛光方法抛光效果好，且抛光处理速度快。

Description

电化学抛光装置和方法

技术领域

本发明关于一种电化学抛光装置和方法。

背景技术

以第二代ReBCO（Re=Y,或稀土元素）为代表的高温超导线材是由多种金属氧化物薄膜生长在金属基带上组成。高温超导线材的工作性能完全取决于金属基带的表面状况和各种金属氧化物薄膜的生长特性。要取得高质量的高温超导线材，对金属基带的表面，和各金属氧化物薄膜的生长，都具有非常高的要求。

首先，众所周知，要使ReBCO金属氧化物表现出超导性能，其ReBCO薄膜必须是金属氧化物的晶体结构，并且这种晶体结构必须是双轴定向的。也就是说，形成薄膜的每个晶体的空间，必须在水平方向和垂直方向上都保持一致。由于ReBCO高温超导金属氧化物薄膜的这一严格要求，使得组成高温超导线材的每一个单元，都必须满足严格制定的技术要求。金属基带也不例外。

在选择金属基带方面，主要考虑到的是金属基带的高温性能和一定要求的机械性能，以满足高温超导线材的工业化应用的需要。目前最常用的哈氏冶金C-276。哈氏冶金不仅在高温下表现出优异的机械性能，而且还具有很好的稳定性，和抗各种化学腐蚀的性能。

对于金属基带的技术要求，最为主要的是表面粗糙度。为了最终的ReBCO超导层能够形成双轴定向生长，金属基带的表面必须是极其地平整。所有在市场上提供的基带，都必须经过表面平整处理，才可以应用于高温线材的制备。

金属基带的表面平整度处理，有两种方法。一种是传统的机械抛光方法。由于机械抛光方法的速度较慢，目前最高只能达到20米/小时，远远不能满足高温超导线材工业化的需要，所以不适采用。其次就是电化学抛光方法。

电化学抛光也称电解抛光，电解抛光是以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，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。

以制备高温超导为目的的金属基带电化学抛光工艺，从2003年开始，就引起了世界范围内超导界的注意。

美国专利US7,169,286提出了采用电化学工艺进行金属基带的抛光，主要解决两个问题。第一个问题是抛光后基带表面的残余颗粒。第二个问题是基带表面出现的柱状条纹结构。解决第一个问题的方法是在电化学抛光槽前增设一个低电流电解工艺，用于去除基带表面的附着物，保证进入抛光电解槽时，基带表面没有任何附着物，如颗粒或油污。从而也就保证了抛光后的基带表面不带有任何残余颗粒。解决第二个问题的方法是采用特殊的电解槽设计，使电解液的流动方向为横向流动，以消除基带表面出现的柱状条纹结构。其特殊设计包括两个部分。第一是采用横向多喷嘴装置，强制抛光液以横向流动的方式接触基带表面；第二是采用安装搅拌装置，加强抛光液的横向流动。

上述技术的缺点在于：1.解决第一个问题的方法不合理。抛光后的基带表面出现残余颗粒，主要不是抛光前的清洗问题，而是抛光后的基带清洗。电化学的抛光过程是将基带表面电解过程。在此过程中，基带表面如果有颗粒或油污，都将在电解过程中溶入电解液中。如果在高电流作用下的电解过程不能去除基带表面的颗粒或油污，那么专利中所设置的在电抛光前端进行低电流电解工艺并不能起多大作用。2.解决基带表面出现柱状条纹的方法过于复杂。

美国专利US2010/0016169提出了采用机械方法进行金属基带的抛光。主要解决的问题是机械抛光设备的结构设计和抛光工艺过程，并且采用通过机械抛光的基带，成功地制备了高温超导线材。其缺点在于：基带抛光处理速度太慢（20米/小时），不能满足产业化生产的需要（需要至少60米/小时）。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种电化学抛光装置和方法，该装置结构简单，可以解决基带表面出现的柱状条纹，该方法抛光效果好，且抛光处理速度快。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种电化学抛光装置，包括：

槽体；

横向穿设于所述槽体的至少一电解槽，该电解槽于所述槽体的两端分别形成入口和出口，待抛光工件横向运动于所述电解槽内；

位于所述电解槽两侧的电极，该电极形成的电场屏蔽于所述电解槽内；

电解液供应管路，连通于所述电解槽，并导引电解液沿所述待抛光工件的表面流动。

在上述的电化学抛光装置中，所述电解液供应管路导引电解液沿与所述待抛光工件相反的运动方向流动。

优选的，所述电解液供应管路连通于所述电解槽的底部，且连通位置靠近所述出口设置。

在上述的电化学抛光装置中，所述电解液供应管路导引电解液纵向流动。

优选的，所述电解液供应管路连通于所述电解槽的顶部，并导引电解液沿竖直方向流动于所述待抛光工件的表面。

进一步的，所述电解液供应管路包括第一管路和第二管路，所述第一管路和第二管路连通于所述电解槽的顶部且分别形成于所述电解槽的两侧。

本发明还公开了一种电化学抛光方法，包括：

s1、待抛光工件抛光前的预清洗；

s2、采用权1至6任一所述的抛光装置对抛光工件进行抛光；

s3、待抛光工件抛光后的清洗。

在上述的电化学抛光方法中，所述步骤s1具体为：先清洗油污，然后采用去离子水清洗待抛光工件，之后采用去离子水再次清洗待抛光工件，最后去除待抛光工件表面的水分。

在上述的电化学抛光方法中，所述步骤s3具体为：采用去离子水清洗、碱液清洗、去离子水清洗、超声波清洗、去离子水清洗和干燥。

本发明提出一种电化学抛光装置，该装置通过简单的电解槽及电解液供应管路设计，使得电解液沿待抛光工件的表面流动，足以消除待抛光工件表面的柱状条纹结构；本发明提出的一种电化学抛光方法，该方法中，在电抛光前的清洗，只需采用特制的溶液，以去除表面油污为主进行清洗；而主要的清洗应当是在电抛光后进行，去除所有的可能的表面颗粒，不仅包括原始基带表面存在的，而且包括在电抛光过程中所形成的，抛光效果好，且抛光速度快。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明具体实施例中电化学抛光方法的方框图；

图2a和图2b所示分别为本发明第一实施例中电化学抛光装置（单个电解槽）的立体示意图和剖视图；

图3a和图3b所示分别为本发明第一实施例中电化学抛光装置（两个电解槽）的立体示意图和剖视图；

图4a和图4b所示分别为本发明第一实施例中电化学抛光装置（四个电解槽）的立体示意图和剖视图；

图5所示为本发明第二实施例中电化学抛光装置（单个电解槽）的剖视图；

图6所示为本发明第二实施例中电化学抛光装置（两个电解槽）的剖视图；

图7所示为本发明第二实施例中电化学抛光装置（四个电解槽）的剖视图；

图8所示为待抛光工件采用第一实施例中的抛光装置抛光后的照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参图1所示，本实施例中，整个工艺可以分为三个主要部分：

a.待抛光工件抛光前预清洗；

b.待抛光工件电化学抛光；

c.待抛光工件抛光后清洗。

待抛光工件抛光前预清洗：目的在于去除市场购买的金属基带（待抛光工件）的表面杂质，包括灰尘颗粒和油污。其中最为重要的是清洗油污，以避免油污对于抛光液的污染。相对来说，灰尘颗粒的去除比较有保障，因为在下一步的电化学抛光过程中，金属基带整个表面将经过电解处理，所有的灰尘颗粒都必将在电解过程中溶入电解液中而从金属基带表面去除。在这方面的清洗，已有许多研究和一些有价值的清洗液配方可供参考。

所以，这一步的清洗可以分为三个清洗步骤来完成。第一是待抛光工件经过特定的以清洗油污为主的，在一定温度下的清洗液；第二是采用去离子水清洗经过第一步清洗液的基带，去除经过第一步清洗的基带带出的杂质；第三是采用去离子水再次清洗金属基带，之后采用压缩干净空气在金属基带进入电化学抛光槽之前去除基带表面的水分。

电化学抛光：目的在于平整待抛光工件的表面，以达到制备高温超导线材的要求（表面粗糙度Ra<1nm，采用AFM测定，在5x5m的范围）。

待抛光工件在电化学抛光过程中，经常会产生周期性的条纹。条纹的形成，与电化学抛光机理有关。电化学的抛光过程，也就是一个金属表面的解析过程。金属表面在电场和电解液的作用下，在表面形成了松弛的金属无机盐物质，在电解液流动的作用下，松弛的金属无机盐物质脱离待抛光工件表面而完成待抛光工件表面解析的过程。由于金属表面无机盐物质的形成与金属表面的形貌有很大关系，所以待抛光工件经过表面解析后形成的新的基带表面，将大大地提高待抛光工件表面的平整度。在这过程中，形成的金属无机盐物质与待抛光工件的粘结程度对解析过程的完成起了决定性作用。解析过程的完成，也就是金属无机盐物质从金属表面脱离的过程，所需要的外在动力包括了基带的本身的移动，电解液的流动，重力影响，以及电场力的作用。其中前两项，可以归纳为一项，即电解液相对于基带的流动，最为重要。确定了条纹产生的原因，就为我们进行电化学抛光槽的设计奠定了基础。

对电解起着关键作用的是所施加的电场。为了最为有效地利用所施加的电场，必须采用电场屏蔽措施。这是我们创建新的电化学抛光工艺中，对抛光槽进行合理设计的所必须考虑的重要问题。

基于上述的设计依据，我们创新设计，根据控制电解液的流动方向，主要有两种形式。

第一种是电解液逆向于待抛光工件运动方向的横向流动。

参图2a和图2b所示，在第一实施例中，电化学抛光装置10包括：槽体11；横向穿设于槽体11的一个电解槽12，该电解槽12于槽体11的两端分别形成入口121和出口122，待抛光工件20横向运动于电解槽12内；位于电解槽12两侧的电极13；电解液供应管路14，连通于电解槽12。

电解液供应管路14连通于电解槽12的底部，且连通位置靠近出口122设置。

电解液通过电解液供应管路14从槽体11的底部进入电解槽12，受电解液供应管路14和电解槽12结构的限制而逆待抛光工件20运动方向横向流出电解槽12。电解液流动的速度受电解液循环流动管路中的控制阀门控制。槽体11由抗强酸材料组成，所制成的电解槽12只在槽体的两端有三个开口。待抛光工件20的进入端一个开口121，待抛光工件20离开电解槽12的端口两个开口，一个用于待抛光工件20的运动，另一个则是在电解槽12的底部，用于电解液进入。这样，保证了在电解槽12两侧的电极13所提供的电场被完全封闭在电解槽12内部，其电流与待抛光工件20有最为有效的接触，从而达到最为有效的抛光效果。

单个电解槽的结构设计可以很容易扩展到两个和四个电解槽的设计。图3a和3b是两个电解槽的结构图。图4a和图4b是四个电解槽的结构设计图。

第二种是电解液从待抛光工件上部向下流动的方式。

参图5所示，在第二实施例中，电解液供应管路24连通于电解槽22的顶部，电解液供应管路24包括第一管路241和第二管路242，第一管路241和第二管路242连通于电解槽22的顶部且分别形成于电解槽22的两侧。

进入电解槽22的电解液，在电解槽22结构的限制下，以最先接触待抛光工件20上部的方式形成与待抛光工件20的相对流动。

单个电解槽的结构也可以扩展到两个和四个电解槽的情况，分别如图6和图7所示。

采用上述的电解槽，在一定的电化学抛光工艺参数的范围内，可以得到能够用于制备第二代高温超导线材的金属基带，即其表面粗糙度在一定测定标准下（AFM测定，5x5μm范围），达到Ra<1nm。

电化学抛光工艺的参数主要包括：电解液温度，走带速度，电流密度（安培/平方米）。本实施例中确定的工艺参数范围是：电解液温度40-80°C；走带速度0.5–5米/分钟；电流密度2000–12000安培/平方米。

待抛光工件抛光后清洗：工件抛光后的清洗尤为重要，目的在于去除工件表面所有的残余物。待抛光工件经过电解处理后，表面附有电解液中所带有的各种颗粒，以及电解液溶液，主要是强酸和金属表面电解后溶入电解液中各种金属离子或金属无机盐。

尽管在离开电化学抛光槽时，采用压缩空气刀去除了待抛光工件表面的大部分电解液，但此时的待抛光工件仍然带有许多粘在表面的电解液中的物质。所以第一步的清洗是粗洗，采用去离子水循环清洗，直到水的颜色发生变化，更换循环使用的去离子水，而更换后的去离子水，由于环境保护的因素，需要经过特殊处理后才可以排放。循环去离子水清洗后的第二步清洗，是采用去离子水直接排放的清洗。

为了确保去除待抛光工件表面所有的强酸电解液中物质，经过前面二次粗清洗后，采用一定浓度的碱溶液进行去除所有酸性物质的清洗，之后再采用去离子水清洗。

完成前两步的清洗后，最后采用超声波清洗，确保去除待抛光工件表面的所有粘杂物。在超声波清洗之后，采用经过EDI处理的极为干净的去离子水作最后的清洗。

经过了最后的清洗后，待抛光工件再经过100°以上的高温干燥，经冷却后卷盘。

采用第一实施例中电解液逆向于基带运动方向的横向流动的电解槽设计。金属基带宽度12毫米，厚度0.05毫米，长度650米。电解液温度50℃，走带速度1.5米/分钟，电流密度7000安培/平方米。经过处理后，金属基带的表面粗糙度Ra=0.565nm，参图8所示。

综上所述，本发明提出一种电化学抛光装置，该装置通过简单的电解槽及电解液供应管路设计，使得电解液沿待抛光工件的表面流动，足以消除待抛光工件表面的柱状条纹结构；本发明提出的一种电化学抛光方法，该方法中，在电抛光前的清洗，只需采用特制的溶液，以去除表面油污为主进行清洗；而主要的清洗应当是在电抛光后进行，去除所有的可能的表面颗粒，不仅包括原始基带表面存在的，而且包括在电抛光过程中所形成的，抛光效果好，且抛光速度快。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电化学抛光装置，其特征在于，包括：

槽体；

横向穿设于所述槽体的至少一电解槽，该电解槽于所述槽体的两端分别形成入口和出口，待抛光工件横向运动于所述电解槽内；

位于所述电解槽两侧的电极，该电极形成的电场屏蔽于所述电解槽内；

电解液供应管路，连通于所述电解槽，并导引电解液沿所述待抛光工件的表面流动；

所述电解液供应管路导引电解液沿与所述待抛光工件相反的运动方向流动，所述电解液供应管路连通于所述电解槽的底部，且连通位置靠近所述出口设置；或者，所述电解液供应管路导引电解液纵向流动，所述电解液供应管路连通于所述电解槽的顶部，并导引电解液沿竖直方向流动于所述待抛光工件的表面，所述电解液供应管路包括第一管路和第二管路，所述第一管路和第二管路连通于所述电解槽的顶部且分别形成于所述电解槽的两侧；

所述电解液温度为40-80℃；走带速度0.5-5米/分钟；电流密度2000–12000安培/平方米；

电解槽只在槽体的两端有三个开口，待抛光工件的进入端一个开口，待抛光工件离开电解槽的端口两个开口，一个用于待抛光工件的运动，另一个则是在电解槽的底部，用于电解液进入。

2.一种电化学抛光方法，其特征在于，包括：

s1、待抛光工件抛光前的预清洗；

s2、采用权1所述的抛光装置对抛光工件进行抛光；

s3、待抛光工件抛光后的清洗。

3.根据权利要求2所述的电化学抛光方法，其特征在于，所述步骤s1具体为：先清洗油污，然后采用去离子水清洗待抛光工件，之后采用去离子水再次清洗待抛光工件，最后去除待抛光工件表面的水分。

4.根据权利要求2所述的电化学抛光方法，其特征在于，所述步骤s3具体为：采用去离子水清洗、碱液清洗、去离子水清洗、超声波清洗、去离子水清洗和干燥。