CN102216536B - 具有抵抗性涂层的不锈钢卫生洁具 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种具有铬表面涂层的不锈钢水槽(8)。在一个特别优选的方式中，通过不均匀的方式电镀形成所述层，以使磨损严重的区域自动地适应额外厚的铬。所述层改善了耐污性能和耐刮擦性能，使其大大地超出传统的与铬完全混合的不锈钢自身的性能。本发明还披露了施涂所述层的方法以及不同涂刷层的效果。

Description

具有抵抗性涂层的不锈钢卫生洁具

相关申请的交叉引用

本申请请求2008年9月26日提交的美国临时专利申请61/100453的优先权。

关于联邦政府资助研究的声明

无。

技术领域

本发明涉及具有改善的耐刮擦性能和耐污性能的不锈钢水槽。

背景技术

消费者通常希望他们的厨房水槽在其整个使用寿命期间看上去“和新的一样”。但是，这样的水槽的盆表面通常已经经历过与尖锐的器皿和重容器、特定的硬陶瓷餐具、刺激性化学物质的接触以及剧烈的洗涤过程。

例如，消费者经常用摩擦性能极好的钢丝洗涤块洗涤水槽。另外，不小心将尖锐的刻刀掉入这样的盆中或与盆的上边缘发生碰撞。再者，在水槽中洗涤杯子和碟子的过程中，当不小心在水槽表面上拖曳陶瓷咖啡马克杯和餐盘时，经常会对软性的水槽表面造成刮擦。

最容易受到刮擦(并且在某些情况下会受到污染)的传统水槽材料包括塑料(例如热成型的丙烯酸)和特定的不锈钢。因此，相比于由上述其他材料制成的水槽，更常选择的是搪瓷铸铁。但是，在搪瓷铸铁水槽和不锈钢水槽或塑料水槽之间存在相当大的成本差。

一种使传统不锈钢水槽表面上的刮擦在视觉上不引人注目的方法包括预先毛化水槽盆的表面(例如，参见WO 2006064883)。这种隐藏“显眼的”刮擦的构思使刮痕不易被察觉。但是，这样的方法也限制了具有美感的设计方案。

另外可选的方法是改变不锈钢自身的化学成分。在钢铁中加入特定的添加剂，可以稍微调节钢的硬度。但是，这种方法具有局限性，而且如果过分添加，则对生产过程或性能特征产生不利的影响。

还尝试了在水槽上涂覆具有保护作用的表面涂层。在某些情况下，这可能对水槽的外观产生负面影响。另外，这可能增加成本，而改善的程度不足以证明成本增加是合理的。

例如，东陶公司已经提出采用分散在陶瓷二氧化硅层中的氟化聚合物微珠(microscopic beads)保护水槽。但是，这种涂层容易受到特定来源的刮擦。

作为另一个实例，美国专利申请公开20050154112描述了基于溶胶-凝胶处理的、且包含硅和锆作为主要成膜组分的涂层。尽管二氧化硅和二氧化锆是非常坚硬的材料，但是当这种层较薄时，使用不锈钢刀仍然能够很容易地在覆有这种溶胶-凝胶材料的不锈钢水槽表面刮出刮痕/使其凹陷，而较厚的涂层则容易开裂。

其他人已经尝试使用硅酸盐涂层(例如，参见EP1854908)。如果所述硅酸盐层太薄，则使用不锈钢刀容易在表面刮出痕迹。当超过一定的厚度时，如果采用常规方式处理，涂层会开裂或褪色。

另外还有人已经尝试使氮化钛涂层沉积于不锈钢水槽上。这种方法是非常昂贵又耗时的。

在美国专利1511555中，描述了在电镀过程中使金属铬沉积在钢铁上以形成器具。但是，并未建议将这些教导应用于水槽领域，更不用说建议如何优化涂层的厚度以适应沿水槽不同部位处的磨损变化。

美国专利2950839教导在不锈钢面包烤模上镀中等厚度的铬层，然后对所述铬层进行处理以在所述铬层的外表面上形成氧化物。该专利的焦点在于如何轻松地从烤模上移走食品，以及改善表面的外观。

美国专利3730489教导在与贮槽相连的不锈钢振动板上使用铬层。考虑与所述抖动板的功能相关的各种因素，设置铬层的厚度。在任何情况下，所述贮槽本身不设置涂层。

现有技术中还建议不锈钢本身包含大量化学式形式的铬，然后使用这种铬铁制成厨房水槽。但是，这些水槽正是那些需要大幅改善耐刮擦和耐污性能的水槽。

另外，还存在各种教导和建议将铬涂层(finishes)应用在特定的金属产品上以改善装饰面(例如汽车保险杠)。但是，特别是最近，已经有人建议应该将铬涂层的使用降至最少或者避免由于在某些过程中对用于生成所述涂层的典型试剂中的一种试剂进行处理时所产生的环境问题。

因此，存在改善不锈钢水槽的抵抗性能的需求，而不牺牲水槽的其他理想性能和特征或对水槽的制备产生不利的影响。

发明内容

在本发明的一个方面中，提供了一种卫生洁具(plumbing fixture)，所述卫生洁具具有至少有一个盆、从所述盆的上部向外延伸的边缘以及至少一个从所述盆的下部向下延伸的出口。所述盆含有金属基层，外露的铬层位于所述基层的上面。

所述外露的铬层的第一部分与所述边缘和所述盆侧壁的顶部之间的汇合处相邻，且具有大于20微米的第一厚度。所述外露的铬层的第二部分形成所述盆向上的面板的一部分，且具有大于20微米的第二厚度。所述外露的铬层的第三部分与所述盆侧壁的底部和所述盆底面之间的汇合处相邻，且具有第三厚度(大于1微米且小于所述第一和第二厚度)。

如上设置厚度，从而通过较厚的铬层保护接近最高磨损点的水槽，而在其他磨损较少的部位不需要这样的厚度。这通过高效的、可自动化的和可靠的方式实现，并且比仅仅基于金属基层本身包含铬，大大改善了抵抗性能。

例如，在所述上部边缘与所述盆上壁的连接处的厚度甚至可以超过50微米，在所述盆底面的厚度可能为20至40微米，并且所述盆侧壁和底面(受到磨损和刮擦的风险低得多)的汇合处的厚度可能为1至15微米。

优选所述卫生洁具为水槽(例如厨房双盆水槽)，但是也可以是其他盆类型的卫生洁具，例如洗衣槽。特别优选所述金属基层由不锈钢制成，并且铬层包含至少90％(优选至少95％，例如100％)的铬。

和所述基层有关的术语“不锈钢”通常意指已经添加了其他添加剂的铁/碳基材料。典型的合金添加剂包括镍(例如4％-40％)和铬(例如12％-20％)。由铬(约18％)和镍(约8％)的组合制得亚稳态的奥氏体不锈钢。这类不锈钢具有良好的冲压成型性能。

铬层可以直接紧靠于金属基层，并且安装后，在人们所能看到的朝上的洁具部分上涂铬，但是不需要涂覆任意一个相反的底表面。

优选地，在基底部分已经形成其水槽/边缘/盆形后，使所述外露的铬层沉积在所述基底部分上，尽管可以先在所述基层的平板上涂覆铬，然后形成盆的形状，但是后者的方法在成型步骤中有损坏铬涂层的风险。

还优选采用电镀(a/k/a电沉积)方法涂覆所述外露的铬层。在该方法中，伴随着离子(带电荷的粒子)穿过溶液运动，电流穿过溶液通电。引导电流进入溶液的引线为电极。

发生氧化化学反应的电极是阳极，发生还原化学反应的电极是阴极。在电解池中，其中的电流来自于外部电源例如电池或整流器，阳极是正电极，阴极是负电极。朝阳极运动或迁移的离子为负离子并且带有负电荷，朝阴极迁移的离子为正离子并且带有正电荷。例如，穿过溶液运动的电荷能够从铬的氧化物中移走氧，从而允许游离铬沉积在待涂覆的表面上。

为了改善电镀金属的粘附性能，可以存在一个或者多个清洗或者表面准备步骤。例如，在将所述基层放入电镀池之前，人们可以采用用手擦拭、溶剂去污、乳液清洗、碱液喷洗或化学抛光法中的一种或多种方法。

还可以使用蚀刻，尽管其清洗特性并不是主要的。蚀刻会使表面“变粗糙”，以使铬更好地粘附在基底金属上。例如，使用铬酸溶液的蚀刻时间可以为约25秒。

外露的铬层可以包含少量的氧化物和金属杂质。例如，铁、铜、镍、锌和其它金属杂质可能进入所述池，或者使工艺发生改变或者与铬共沉积。铬沉积物还可以包含有机金属。

沿外露的铬层，本发明所述的卫生洁具的维氏硬度可以达到600或更高，因此，即便受到莫氏硬度为6、负荷为100g的十字镐(pick)攻击，也能够避免所述铬层被划伤。

最优选地，在涂覆所述铬层之前，所述基层至少已经被部分涂刷以形成涂刷表面。

在本发明的另一个方面中，提供了一种制造厨房水槽的方法，所述水槽具有至少一个盆、从所述盆的上部向外延伸的边缘以及至少一个从所述盆的下部向下延伸的出口。制得的水槽含有不锈钢基层，外露的铬层位于所述基层的上面，所述铬层中有一部分至少为10微米厚。

在实施所述方法中，制得不锈钢基层，设置与所述基层的上侧轮廓部分相仿、并与所述基层的顶面相邻的阳极，设置与所述基层的底面相邻的阴极，并且将基层连同所述阳极和阴极放入所述池中。然后采用电镀方法，使铬层沉积于所述基层上，其中铬层的厚度不一致。

对于理想的性能而言，在安装完水槽后，外露的整个上表面的铬的厚度应至少为1微米(优选至少为5微米)，对于轻微磨损的区域，铬的厚度至少为10微米，并且对于处在最高刮擦风险的区域，铬的厚度至少为20(优选至少为50)微米。通过小心地控制所述阳极的轮廓，可以精确且自动地获得相应的厚度，而不影响其装饰表面。

水槽最容易受到污染的区域(例如水槽底面)还应当具有能够符合耐污染标准ANSI Z.124.6.5.2-2007的耐污染表面。这通过本发明的水槽是可实现的。最重要的是，从标准不锈钢水槽的感知审美的角度，裸眼看上去的水槽没有发生显著的变化。

通过仅在需要的时候使用最厚的层，使增设铬层的成本维持最低水平。另外，由于铬作为不锈钢水槽的一部分已经安全地使用了较长时间，所以在食品环境中获得使用所述水槽的许可(regulatory clearance)比较简单。

特别令人意想不到的是，当将长期大量存在于不锈钢中的化学物质(铬)用在单独的层时，耐磨损性能得到了显著的改善。进一步地，铬层的厚度相对较薄，可以使涂层开裂的问题降至最少。

通过下文的描述，将更清楚本发明的前述优点和其它优点。在下文的描述中，将参考作为描述内容一部分的附图，并且还通过实施例示出了本发明的具体实施方案。所述实施例的具体实施方案不限制本发明的范围。

附图说明

图1是本发明的不锈钢水槽的顶-前-左视立体图；

图2是描述一个阳极用途的示意图；

图3是和图2类似的视图，但所述阳极的轮廓被设置成沿着盆侧壁提供较少量的铬。

具体实施方式

图1描述了本发明的厨房水槽8。所述水槽含有盆10和11，两者之间为鞍状分割件12。所述水槽还含有上边缘13，并且每个盆都有出口14/15。

优选地，所述水槽(除了它的外铬层之外)是由约73％的铁、18％的铬、8％的镍和1％的碳的均匀混合物制成。如前面所定义的那样，所述“不锈钢”基层可以通过其他方式形成。例如，所述基层可以包含少量的Ag、Au、Cu、Co、Sn、Pt、Zn、Mo、W、B、P、S和Si，和/或其它的添加剂，例如A l、Co、Cu、I n、Mg、Ni、Si、Sn、V和/或Zn的金属氧化物粉末，和/或Al、B和/或Si的氮化物，和/或B、Cr、Bi、Si和/或W的碳化物。还可以包含其他与特征相当于“不锈钢”的基底产品相符的添加剂。

在一个实施方案中，采用传统方法由所述不锈钢片制得所述基层(例如采用模压成型、热成形、深冲压方法、浇铸、电铸或者其他技术)。优选地，在所述盆制成后添加铬。

然后，多种方法都适用于将本发明的铬层沉积于所述基层上，但是特别优选电镀法。可以以每小时20-40微米的速率(当铬沉积时，在内转弯处(inward bends)的沉积速率较低，而在外转弯处(outward bends)的沉积速率较高)将铬层沉积于平面(例如水槽盆的底面)上。

这可以通过使用约3A/ft²的电流密度，池温度为45℃-55℃，并且直流(dc)整流器的电压为4V-12V。为了处理1500in²的水槽，优选使用两个10000安培(amp)整流器。可以使用脉冲整流器和其它电源，但是对本发明方法而言，优选为dc整流器。

在制作所述池的过程中，优选使用150g/L(稀池)-400g/L(浓池)的水性铬酸混合物和1g/L(稀池)或4g/L(浓池)的硫酸的混合物。通常CrO₃∶SO₄的比等于50∶1-300∶1，使用75∶1-250∶1的比所得到的沉积物更硬。

如果需要的话，氟硅酸盐催化剂可以存在于所述池中，和/或可以使用硫酸盐催化剂。例如使用2.5g/L的氟硅酸钾或氟硅酸钠将会使沉积速率更快，但是可能蚀刻未被电镀的区域。

关于不同环境中使用铬电镀的基本指南，通常参见N.Zaiki 在PFOnline(2008)(pfonline.com/文献/pfd0310)发表的“镀铬(ChromiumPlating)”。

获得所述铬层的备选方法可以是非电镀(自动催化)法、脉冲电沉积法和刷镀法。

特别重要的是本发明使用和构建本发明所述的阳极的方式。因此，将保形/大致镜像的阳极设置在所述水槽的顶部，并且两者时间相隔约1-3英寸(优选为2英寸)的间隙。这使池液在所述水槽的上面及所述阳极的下面流动，还使铬以特定的厚度沉积在特定的点上，同时将修形(masking)的需求降至最低。

优选采用网状构型的不溶的铅合金阳极(例如93％的铅、7％的锑)。所述阳极还可以为铅合金的固体或中空制品，但是所述网状设计可以使溶液流动更自由且更新得更快。

除了非易耗的铅合金阳电极之外，还可以使用钢线(低成本、使用时间有限的材料)。如果不使用铅或钢，仅发现贵金属阳极(例如钯)或贵金属表面(例如镀铂的锑)具有有限的作用。

优选地，通过悬挂在棒上的阳极，在池中实现本发明的镀铬过程。然后将悬挂在其他棒上的需被电镀的工件放置在所述阳极和施加的电流之间。

为了形成回路，至少一个接触点必须出现在水槽的B侧(非审美侧)上。通过增加阴极接触点的数量(或表面积)，在整个部件上的电流分配更均匀，并且使热点降至最少。

如能从图2中所理解的那样，可以将阳极16制成与水槽8的上表面的多个轮廓基本相仿的形状，以使两者之间保持相对恒定的间隙(例如约2英寸)。电流通常集中在水槽朝所述阳极向外突起的边缘/尖端(因为被设置成与所述阳极的多个部位相邻)。因此，铬更容易沉积于所述水槽盆的上边缘(特别容易被刮擦的区域)。

另一方面，在所述盆侧壁和盆底面的汇合处的电流最少，因而铬的厚度最小。因为所述汇合处发生刮擦的几率最小，所以这样是有利的。因此，相比于均匀分层的体系，本发明方法意外地自动获得更优化的厚度。

图3示出了另一种改进方式，阳极16A的侧边稍微向内凹进形成碟形以在该尖端处获得更大的间隙。在任意既定时间的电镀过程中，这减少了沿侧边的铬层厚度。这可以获得比恒定间隙更大的厚度差，而不会造成较多的金属浪费。

然后对通过以这样的方式制成的水槽的抵抗性和其他性能进行测试。测试结果如下表所示：

在判断耐污性能时，使用的是ANSI Z.124.6.5.2-2007协议。基本上，从每个水槽切割出所述盆底的样品。然后用标准洗涤化合物和干酪布进行湿摩擦，使用二十个擦拭循环对所述样品进行调适。对所述样品使用各种污染试剂(例如黑炭笔、黑鞋油、蓝墨水、甲基紫、甜菜汁、葡萄汁、唇膏、染发剂、1％的碘酒溶液和茶)。将每种污染试剂停留在所述样品上，盖上覆盖物以防止蒸发，在室温下放置约16个小时，然后擦掉过多的污染试剂。鉴定并主观上判断样本的污染情况。

在判断耐刮擦性能时，对样品采用的是点刮擦攻击。使用莫氏硬度为6的十字镐并通过施加不同的力来刮擦表面。特别地，采用太平洋电机公司的平衡杆式刮擦粘附性能和损伤测试仪。开始时在重量载体上施加20克的重量，然后在受到攻击不产生刮擦的情况下增加重量。

本发明的水槽甚至可以使得铬的维氏硬度等级达到900-1100VHN。通过沿所述表面改变其厚度，还可以沿表面沉积得到独特的颜色梯度或涂刷图案。

本发明的测试结果显示甚至在相对低的微米级铬厚度的情况下，也可以改善耐污性能。但是，当铬的厚度低于约10微米的时，重磨损区的耐刮擦性能明显较低。

我们注意到在某种程度上铬的厚度对硬度的影响被下层较柔软的不锈钢基层抵消掉了。当然，当铬层变得较厚时，较柔软的基层的影响降低。因此，这是影响硬度的另一个因素。

上表反映了用于分析涂刷影响的两种不同涂层的测试。结果证明水槽的涂覆操作类型影响其耐刮擦性。例如，相比于“涂层B”，“涂层A”产生了明显更多的表面波峰，并且所述峰值的位置相互接近，涂层A的耐刮擦分数低于涂层B。因此，涂层A中的不锈钢顶部将更容易破裂和变形，因而更容易暴露出刮痕。

为了获得这些不同的涂层，采用

衬垫定向抛光，得到可见的大体上相互平行的线条。两个涂层的平均粗糙度(Ra值)是大致相同的，在0.6微米至1微米的范围内。但是，所述样品的另外两个粗糙度参数是不同地。

将Rsm定义为两个正中线交叉点之间的平均间距。测定两个正(向上的)的中线交叉点之间的距离然后记录平均值。Rhsc是沿评定长度的波峰(高点)的数量。Rhsc参数表示超过使用者所定义的阈限的轮廓交叉点的数量。当在交叉点所述中线上方时，阈限值为正，或者当交叉点在中线下方时，阈限值为负。

涂层A的Rsm值在0.027微米和0.032微米之间，而Rhsc值的范围从124至147。涂层B的Rsm值在0.052微米和0.087微米之间，Rhsc值的范围从45至77。

对从水槽盆切割出的样品施加200克的负荷进行维氏微硬度测试(根据ASTM E 92-82)。用于检测维氏微硬度的设备是装有Amh43-1.55的软件包的Leco LM247 AT微硬度测试仪。

因此，从上可以看出，在15微米处的涂层A的耐刮擦性只有200，而在13微米处的涂层B的耐刮擦性已经是500。因此，涂层的性-质在某种程度上影响耐刮擦性能。

目前为止仅仅描述的是本发明的优选的实施方案。可以进行其他各种变更都不偏离本发明的宗旨和范围。例如，铬层不需要是纯铬。但是，至少应主要为铬，并且优选为至少95％的铬。

另外，铬酸雾是剧毒的并且产生于电镀过程。因此，可以对本发明方法进行改进以捕获六价铬雾。例如，当将阳极或水槽放入所述池中时，可以使用具有真空端口的板密封槽体以使得所有不期望的酸雾通过该端口排出。

因此，应当根据权利要求书确定本发明的全部保护范围。

工业适用性

本发明改善了不锈钢水槽的耐污性能和耐刮擦性能。

Claims (12)

1.一种卫生洁具，包括：

至少一个盆；

从所述盆的上部向外延伸的边缘；以及

至少一个从所述盆的下部向下延伸的出口；

其中所述盆具有金属基层，外露的铬层位于所述金属基层的上面，所述金属基层具有表面涂层，所述表面涂层的平均粗糙度在0.6微米至1微米的范围内，两个正中线交叉点之间的平均距离在0.052微米至0.087微米之间，Rhsc值的范围从45至77；

其中所述外露的铬层的第一部分与所述边缘和所述盆侧壁顶部之间的汇合处相邻，且具有大于10微米的第一厚度；

其中所述外露的铬层的第二部分形成所述盆向上的面板的一部分，且具有大于20微米的第二厚度；以及

其中所述外露的铬层的第三部分与所述盆侧壁的底部和所述盆底面之间的汇合处相邻，且具有大于1微米且小于第一和第二厚度的第三厚度。

2.根据权利要求1所述的卫生洁具，其特征在于，所述卫生洁具为水槽。

3.根据权利要求1所述的卫生洁具，其特征在于，所述金属基层为不锈钢层。

4.根据权利要求1所述的卫生洁具，其特征在于，所述外露的铬层包含至少90%的铬。

5.根据权利要求1所述的卫生洁具，其特征在于，所述铬层直接紧靠于所述金属基层。

6.根据权利要求1所述的卫生洁具，其特征在于，在所述洁具的上表面上涂覆铬层，但不涂覆所述洁具的底表面。

7.根据权利要求1所述的卫生洁具，其特征在于，在所述盆的基底部分已经形成盆的形状之后，将所述外露的铬层沉积于所述盆的基底部分上。

8.根据权利要求1所述的卫生洁具，其特征在于，采用电镀方法使所述外露的铬层沉积于所述盆上。

9.根据权利要求8所述的卫生洁具，其特征在于，在电镀方法过程中，采用与所述基层的上侧轮廓部分相仿的阳极，将铬镀于所述基层上。

10.根据权利要求1所述的卫生洁具，其特征在于，所述外露的铬层具有400或更大的维氏硬度。

11.根据权利要求1所述的卫生洁具，其特征在于，当在100克或更小的负荷下使用莫氏硬度为6的十字镐刮擦时，看不出所述外露的铬层被刮擦过。

12.根据权利要求1所述的卫生洁具，其特征在于，所述基层至少已经被部分涂刷以形成涂层表面。

Images