哈氏合金基帶電化學拋光液的制備及性能

夏金成*，陸鈴，程鵬，陳慧娟，蔡淵，熊旭明

（蘇州新材料研究所有限公司，江蘇 蘇州 215123）

以釔鋇銅氧(YBCO)為代表的第二代高溫超導帶材因在77 K具有不可逆場高(7 T)、載流能力大(105～107A/cm2)、交流損耗低等優(yōu)良特性[1]而在弱電領(lǐng)域[如微波器件、超導量子干涉器件(SQUID)、約瑟夫遜隧道結(jié)等]的規(guī)模化應用中取得了很大的進展[2-9]。

第二代高溫超導帶材制備的首道工序是哈氏合金基帶的表面處理，最有效的方法是電化學拋光。目前，最常用的是美國產(chǎn)的已成熟應用于超導帶材拋光的 EP2500電化學拋光液。近年來，國內(nèi)也研制出多種電化學拋光液[10-12]，但它們對這類帶材合金的拋光效果較差，往往會出現(xiàn)弱拋或過拋現(xiàn)象，使哈氏合金基帶產(chǎn)生較多的缺陷，拋光效果不理想。

針對上述問題，筆者研制了一種用于第二代高溫超導帶材的電化學拋光液，并已獲得專利授權(quán)[13]。本文在前期研究和查閱電化學拋光液相關(guān)文獻[14-15]的基礎(chǔ)上，采用自制拋光液對哈氏合金基帶進行電化學拋光，并與EP2500拋光液的拋光效果進行了對比。

1 哈氏合金基帶的電化學拋光工藝

1.1 自制拋光液的配方和制備方法

自制拋光液配方(以質(zhì)量分數(shù)計)為：98%濃硫酸24.8%，85%濃磷酸71.6%，甘油0.1% ～ 5.0%，檸檬酸銨0.05% ～ 0.20%，一水合檸檬酸0.1% ～ 5.0%，氟硼酸0.05% ～ 0.20%，二乙烯三胺五乙酸0.002% ～0.010%，硫酸銨 0.1% ～ 5.0%，水 1% ～ 5%。

甘油起到潤濕、鋪展的作用，水對微量成分起到高效溶解的作用；硫脲和二乙烯三胺五乙酸起到平整、光亮的作用；檸檬酸銨和一水合檸檬酸對溶解在溶液中的金屬離子具有很好的螯合作用；硫酸銨能顯著提高溶液的導電性；氟硼酸有助于帶材表面快速溶解，起活化作用。

將甘油、硫脲、檸檬酸銨、一水合檸檬酸、氟硼酸、二乙烯三胺五乙酸和硫酸銨溶于水中，在60 ～ 70 °C下攪拌5 ～ 15 min至所有物質(zhì)溶解，然后將其加入預先配制好的硫酸?磷酸混合溶液中，在60 ～ 70 °C下攪拌回流5 h后關(guān)閉加熱裝置，攪拌冷卻至室溫，即得自制拋光液。

注意事項：(1)配制混酸溶液時，必須先加濃磷酸再加濃硫酸；(2)因濃酸的吸水性較強，長期吸水會導致拋光液失效，故拋光液應密封保存。

1.2 電化學拋光工藝

將哈氏合金基帶安裝在拋光裝置的導輪上，用真空泵將自制拋光液打入拋光池中，溫度55 ～ 65 °C，電流 70 ～ 130 A，拋光速率(即拋光帶走速)0.5 ～ 2.0 m/min。

2 采用自制拋光液對哈氏合金基帶進行電化學拋光的效果

2.1 電化學拋光前后的表面狀態(tài)

激光檢測系統(tǒng)是一套連續(xù)、直觀，能在線檢測哈氏合金基帶表面平整狀況和是否存在缺陷的裝置。對拋光前、后的哈氏合金基帶表面進行在線檢測，結(jié)果見圖1(橫坐標為正值代表順時針行車，負值代表逆時針行車)。從中可見，拋光前哈氏合金基帶的表面粗糙度Ra為5 ～ 6 nm，高點(即表面缺陷)較多。拋光后Ra降至2.0 ～ 2.5 nm，高點較少(圖1b中0 ～ 50 m處出現(xiàn)的高點是人為調(diào)試引起的)。

圖1 采用激光檢測系統(tǒng)在線分析電化學拋光前后哈氏合金基帶的表面狀態(tài)Figure 1 Online analysis on surface state of Hastelloy alloy strip before and after electrochemical polishing

2.2 電化學拋光前、后的金相形貌

由圖2可知，在金相顯微鏡下，拋光前的哈氏合金基帶表面紋理清晰且較粗糙；使用自制拋光液拋光后，哈氏合金基帶表面光滑、平整。

圖2 電化學拋光前后哈氏合金基帶的金相形貌Figure 2 Metallographic morphologies of Hastelloy alloy strip before and after electrochemical polishing

2.3 電化學拋光前后的原子力顯微形貌

由圖3可知，拋光前，哈氏合金基帶表面的縱向波動范圍較大，即表面粗糙度大；拋光后，其表面的縱向波動范圍減小，在檢測的5 μm × 5 μm的范圍內(nèi)，Ra＜1 nm。

2.4 電化學拋光前后的掃描電鏡形貌

由圖4可知，哈氏合金基帶被拋光處理后，表面變得光滑、平整，缺陷減少(圖4b中邊緣部分的黑點為污漬)。

圖3 電化學拋光前后哈氏合金基帶的原子力顯微形貌Figure 3 Atomic force microscopic morphologies of Hastelloy alloy strip before and after electrochemical polishing

圖4 電化學拋光前后哈氏合金基帶的掃描電鏡形貌Figure 4 Scanning electron microscopic morphologies of Hastelloy alloy strip before and after electrochemical polishing

3 自制拋光液與市售EP2500拋光液的綜合性能比較

目前，拋光液性能指標的鑒定還沒有統(tǒng)一的標準。針對拋光液長期使用中受關(guān)注的存放穩(wěn)定性，密度隨千米長帶拋光次數(shù)(每拋光1 km基帶記為1次)的變化，環(huán)保性，拋光效果等問題，對自制拋光液與市售進口EP2500拋光液進行比較，結(jié)果見表1。

表1 自制拋光液與EP2500拋光液的對比Table 1 Comparison between home-made and EP2500 polishing solutions

兩種拋光液的性能都非常穩(wěn)定，可以長期存放，而且安全、環(huán)保，密度變化都控制在0.03 ～ 0.04 g/cm3的范圍內(nèi)，自制拋光液的平均密度略高于EP2500拋光液，但前者的密度變化較后者平穩(wěn)(見圖5)。從拋光效果看，在相同工藝條件下拋光時，自制拋光液的效果略優(yōu)于 EP2500拋光液；另外，自制拋光液的價格遠遠低于EP2500拋光液?？傮w而言，自制拋光液的綜合性能略優(yōu)于EP2500拋光液。

圖5 自制拋光液與市售EP2500拋光液的密度隨拋光長度的變化Figure 5 Variation of the density of commercial EP2500 and home-made polishing solutions with the length of polished strips

4 結(jié)語

自制拋光液的綜合性能與進口 EP2500拋光液相當甚至更優(yōu)，并且成本更低，完全可以替代進口EP2500拋光液。

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