超细钨丝生产时连续电解抛光的技术措施

超细钨丝生产时连续电解抛光的技术措施：

1、高精度的可控电源；

2、具有高精度、恒速的收排线机,该机采用直流电机带动,慢速起动,工作速度误差为±1/100；

3、灵敏可靠的钨丝直径测试装置,并用单片机处理钨丝直径变化的信息,控制高精度电
源的电流,保证连续电解抛光的实施以及钨丝直径的一致性和同轴公差；

4、控制电解液的流量和温度；

5、生产车间需空调、防尘。

利用电解抛光工艺制备超细钨丝的流程

利用电解抛光工艺制备超细钨丝的工艺流程如下：

放线→电解槽→中和→水洗→脱水→烘干→收排线

       ↑ ↓        ↑↓

      电解液        废 自
                    水 来
                    处 水
                    理

超细钨丝制造的连续电解抛光原理

超细钨丝的制造是利用钨丝在电解液中受到电化学腐蚀,经减径抛光形成的。在电解装置阴极,氢离子得到电子被还原,放出氢气。

2H- + 2e → H2↑

在阳极金属钨被氧化并溶在碱溶液中

W + 8(OH) → WO4 + 2H2O + 6e

钨丝与拉拔工艺

大量应用的电灯细钨丝,是由粗的钨丝穿入金刚石模,经拉拔机拉拔而成。拉拔工艺一般只适合拉制直径12~13微米以上的灯用钨丝。直径小于10微米的钨丝称为超细钨丝。

用拉拔工艺来生产超细钨丝,因受到模孔制造、穿模操作、钨丝抗拉强度、拉拔机运转精度等因素的约束,难以批量拉拔。

超细钨丝的电解腐蚀技术

以直径低于10μm的超细钨丝作为Z-pinch实验丝阵负载材料，其制备常用到电解腐蚀技术。为定量控制每道次钨丝的减径量，探索钨丝电解参数优化方法，根据法拉第定律推导并验证了在应用电解腐蚀技术制备超细钨丝的过程中单位长度钨丝的失重与电流强度和拉丝速率的比值存在正比关系。

实验观测到，道次减径比超过25%时，断丝几率较减径比为20%时的高60%以上。基于实验结论，提出了每道次定量控制钨丝直径减少量的方法。

在18~26℃、质量分数为15%的KOH溶液中，针对3μm钨丝采用了最小化腐蚀道次的电解参数。对用这种参数制得的钨丝进行SEM和力学性能测试，结果表明，钨丝表面质量与断裂强度更好。

超细钨丝连续电解抛光工艺

超细钨丝电解抛光的腐蚀量与通过电极的电量存在明显的正比关系，其比值随着超细钨丝直径的变化而略有差异。在18~26℃、质量分数为15%的KOH溶液中，以26cm·s-1速度拉丝，钨丝直径大于6μm时，比值为6.45X10-5g·C-1;直径小于6μm时，比值为6.15X10-5g·C-1。

对不同直径的超细钨丝，每道次减径比超过25%时较减径比20%时超细钨丝的断裂几率增加60%以上。

可根据最终所需制得的超细钨丝直径选取实验参数，并可通过减少腐蚀道次来改善超细钨丝的表而质量和断裂强度。

钨丝制备时的腐蚀参数

钨丝的断裂强度随腐蚀道次的增加而降低。钨丝腐蚀时，每道次减径比超过25%以上时极易断丝。另外，若在电解过程中引入反拉力，会使每道次减径量剧烈波动，且在钨丝直径较细时极大地增加断丝几率。

因此，为保证制丝成功率，本实验优化腐蚀参数的原则如下:

在避免反拉力的前提下，在制备5μm左右钨丝时，可保证每道次减径比不超过25%，并减少腐蚀道次(即每道次减径比应取20%~25%);而当需制备直径更小的钨丝时，为保证制丝成功率，应选择小于20%的减径比。在拉丝速率恒定的同时，通过控制电流强度保证钨丝每道次减径比。为保证制备3μm钨丝时有较高成功率，选取的减径比应较小。

超细钨丝的减径比研究

可控制电流强度和钨丝的拉丝速度，以控制每道次的减径量。若采用固定的拉丝速率(26 cm·s-1)，则只需控制电流强度即可对每道次后超细钨丝的直径进行控制。为实验参数设计方便，引入减径比εr，定义为每腐蚀道次超细钨丝直径减少的百分比。显然，减径比与钨丝线质量的降低量(△m/L，g·cm-1)相关，有:

对不同直径的钨丝，先按式根据所期减径比计算出所需的工艺参数(电流强度及收丝速率)，随后检测实验进行3min内减径比与断裂的关系。若前3次实验均未断丝，则停止实验;若前3次实验发生断丝现象，则再进行2次实验。

钨丝作阳、阴极时的反应

根据反应式，在钨丝作阳极时，若生成1 molWO3，同时抛光机电极作为阴极会有3mol氢气生成;钨丝作阴极时，钨丝处生成3mol氧气的同时，抛光机电极处也将有6mol OH- 参与反应，即通过钨丝的电量有一半未参与生成WO3。完成1次反应，若生成1 mol WO3，则需12 mol电子的转移，但钨受到氧化的时间仅为总时问的半。因此，又可表示为:

每道次钨丝减径量的控制

控制制备过程中的电流强度及拉丝速率可控制每道次钨丝的减径量，根据法拉第定律，物质电解中的失重应与流经它的电量成正比，即:

其中:L为所制得钨丝的总长度;v少为拉丝速率;△m为总反应过程中钨丝减少的质量。

钨丝质量的减少可用钨丝的总长度L、密度P、反应前直径d0。及反应后直径dl表示。由于采用交流电流，阴、阳极不断变化，钨丝在阳极区域滞留的时问可视为整个腐蚀时间的一半，即常数k值只为k'值的一半。

超细钨丝原理

钨丝在碱溶液中通过时，通电后钨丝作阳极时，其表面发生氧化反应，即OH失去电子，释放出活性氧，使金属钨氧化生成WO3。在阴极，则生成氢气。整个过程使用稳压交流电，故在电极作用下，钨丝受到极化，而在其不同区域呈不同极性，且阳、阴极不停变化。在钨丝阳极区域，反应为:

在钨丝阴极区域，有：

特别当钨丝作阳极时，生成的活性氧将钨氧化，及其随后过程为:

钨丝周围的总反应式为:

在WO3溶解于KOH溶液的过程中，原料金属钨被消耗，钨丝直径减小。而阴极生成的氢气将产生一定的压力使得氧化的钨更易剥离。值得注意的是，阳极氧化反应是一复杂
过程，常伴随着吸附现象，本反应方程式显然忽略了此种现象。

超细钨丝连续电解抛光工艺研究方法

以中钨在线购得的超细钨丝作为本实验的原料丝。该钨丝由拉拔法制得，直径12.2μm,拉拔后经500℃退火均匀化组织。

实验设备为超细钨丝电解腐蚀机，如图所示。在收丝轮的带动下，当钨丝通过装有强碱溶液的电解槽时，发生电解腐蚀而减径，随后经酸洗和水洗中和吸附在钨丝表面的过量碱液，最后通过烘干器烘干，即完成1次钨丝减径过程。

实验强碱溶液选用质量分数为15%KOH溶液，酸液选用质量分数为15%的醋酸。超细钨丝的1次减径过程又称为1道次，制备适合物理需要的超细钨丝的过程通常包含多个道次。

本实验恒定电解液温度(18~26℃)、电解液浓度(质量分数为15%的KOH溶液)、收丝速率(26cm·s-1)等参数，通过改变腐蚀过程中的电压，观察每道次中电流的变化，探索钨丝在每道次定量减径的方法。温度对钨丝电解影响不大，故8℃的温度波动不会影响超细钨丝制各精度及研究过程。

超细钨丝的直径研究

国内Z-pinch物理实验需求的丝阵负载材料主要为直径3~6μm的超细钨丝。市场上购得的超细钨丝的直径超过10μm，均通过拉拔法制得，其表面常附着石墨乳等杂质成分，钨丝的进一步减径及表面质量改善通常需利用电解腐蚀技术。

对超细钨丝的制备原理及工艺已进行过研究，掌握了直径在3.5μm以上的表面质量良好的超细钨丝的制备技术。但该研究未对钨丝每腐蚀道次直径的减小进行定量控制，也未指明电流强度与超细钨丝直径减小的关系。本工作研究电解腐蚀过程中钨丝失重与通过钨丝的电流强度之问的关系。利用此关系，可为制备特定肖径的钨丝设计腐蚀参数，以减少腐蚀道次，从而进一步改善超细钨丝表面质量及断裂强度。