CN102658689A - 一种普炭钢及其表面处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种普炭钢及其表面处理方法，包括普炭钢基材及表面涂层，其特征在于：所述表面涂层为一复合涂层，所述复合涂层由底层的金属层及表层的防护涂层构成，所述防护涂层为一水性涂料层；其方法：(1)对普碳钢基材表面进行去氧化物及油污处理；(2)表面进行抛光处理，需抛光出拉丝纹路，并将表面瑕疵去除；(3)真空环境下，将金属材料沉积在普碳钢基材的表面，形成金属层；(4)置于水性涂料中，使材料表面形成防护涂层；(5)常温下干燥。本发明不仅能够赋予普碳钢基材仿不锈钢的表面纹路、光泽和触感，而且还具有类似不锈钢材料的防腐、防污、耐磨的功能，成本低廉、工艺简单、环保安全。

Description

一种普炭钢及其表面处理方法

技术领域

本发明涉及一种普碳钢及其表面处理方法，对金属表面处理，富于金属防腐蚀能力。

背景技术

普碳钢由于其价格低廉，易焊接等优点而广泛应用在工业产品、家电配件以及装潢装饰行业，但是其在生产、使用或者储运过程中，如果不经过防锈处理，则会在较短时间内产生锈蚀，对材料的外观和性能产生影响，锈蚀严重的甚至会造成普碳钢产品的报废。

相比较普碳钢，不锈钢则具有高耐磨性、高防腐蚀性、不易锈蚀的优点，但是其价格高，生产成本较高。同时，在不锈钢的表面处理工艺中，常用的有化学白化方法、化学氧化法、电化学法等。通常化学方法会采用氢氟酸和硝酸进行酸洗，或采用重铬酸盐进行氧化着色，对环境产生严重的污染，对人体有害。除此之外，有些在高压电流下在化学溶剂中对不锈钢表面进行着色氧化处理，属于高能耗产业，对能源依赖严重。

中国发明专利CN101220497A中公开了一种铝合金材料表面仿不锈钢处理工艺，该工艺中采用硫酸浸洗，因此不利于环保，同时由于普碳钢比铝合金更容易生锈腐蚀，所以该处理过程并不适用于普碳钢。中国发明专利CN101653999A中公开了一种仿不锈钢复合钢板，但是该处理工艺中需要添加胶水粘结层，所以工艺较复杂。

因此，如果能够结合普碳钢和不锈钢两者的优点，并对普碳钢表面进行仿不锈钢处理的话，不仅能够减少污染和能耗，而且还能降低成本和增强美观效果。

发明内容

本发明目的是提供一种普炭钢及其表面处理方法，使用该发明，赋予普碳钢基材仿不锈钢的表面纹路、光泽和触感，同时具有不锈钢材料的防腐、防污、耐磨的功能，成本低廉、工艺简单、环保安全。

为达到上述目的，本发明采用的结构技术方案是：一种普炭钢，包括普炭钢基材及表面涂层，所述表面涂层为一复合涂层，所述复合涂层由底层的金属层及表层的防护涂层构成，所述防护涂层为一有机水性涂料层。

上述技术方案中，所述水性涂料层可采用现有技术中的水性漆喷涂，在普炭钢基材与保护涂层之间设置金属层，提高保护涂层的附着力，金属硬度达4H，附着力的百格实验(在喷涂表面用百格刀或刀片划1X1mm的方格(露出基体)，用3M胶带粘贴在划格区域(要求紧贴工件，无气泡)，停留2分钟后与被测工件成45°角迅速揭起，看工件划格区域是否有超过3个方格脱落，若有则为不合格)可达到ISO标准0级，即切口边缘光滑，格子边缘完全没有剥落，表面呈现不锈钢效果。在本发明中，金属层可以作为保护层提高普碳钢基材耐大气或者耐介质腐蚀的能力，而水性涂料层能够以封闭的形式有效地阻隔普碳钢基材与外界腐蚀介质的接触，使得普碳钢基材处于一个层层叠加的屏蔽层中，创造了一种阻碍腐蚀电流通道的封闭层，使得基材能够长期有效地防腐蚀，达到仿不锈钢的性能。

上述技术方案中，所述的金属层为由铝、镍、钼、钛、铬中的一种或两种以上构成。

上述技术方案中，所述水性涂料层由改性丙烯酸、环氧树脂、乳化剂、醇类和乙二醇丁醚组成的稀释助剂组成。改性丙烯酸是水性丙烯酸树脂溶液及水性环氧树脂、以及混合胺基树脂中的两种或两种以上混合溶液，其各自的固含量在40％～800％。

为达到上述目的，本发明采用的方法技术方案是：一种普炭钢的表面处理方法，包括以下步骤：

(1)对普碳钢基材表面用除油溶液浸泡，去除表面氧化物及油污(也可采用高温烘烤法)；

(2)用抛光机对所述步骤(1)中获得的普碳钢基材表面进行抛光处理，需抛光出拉丝纹路，并将表面瑕疵去除；

(3)将所述步骤(2)预处理的普碳钢基材置于真空环境下，将铝、镍、钼、钛、铬中的一种或两种金属材料，施以高电压，致使其在高电阻的基座上熔融，挥发为离子状态，并沉积在普碳钢基材的表面，形成金属层；

(4)将所述步骤(3)处理后的材料，置于水性涂料中，使材料表面形成防护涂层；

(5)置于常温下干燥，完成表面处理。

上述技术方案中，所述步骤(1)中去除表面氧化物及油污的方法为，通过高温烘烤，使油污在表面形成硬膜，后采用布质千叶轮对普碳钢基材表面进行抛光，去除表面硬膜。

上文中，去除表面氧化物及油污的方法还可以用除油溶液浸泡，再用布质千叶轮抛光，或者是用挥发性的有机溶剂浸泡后，通过加温使其挥发并形成硬膜，最后用布质千叶轮抛光。

上述技术方案中，所述步骤(3)为，经所述步骤(2)预处理好的普碳钢基材置于真空环境下，加热，然后输入轰击电压进行轰击，采用真空离子镀气相沉积的方法使金属元素在高电阻基座上熔融并挥发成离子状态，并沉积在普碳钢基材表面，冷却后取出。

进一步的技术方案是，所述加热时间为10min～60min，加热温度为450℃～500℃，轰击输入电压为300V～380V，轰击时间为10min～30min，真空环境中真空值为1.3×10^-3Pa～3.4×10^-3Pa。

上述技术方案中，所述步骤(4)中，所述水性涂料由改性丙烯酸、环氧树脂、乳化剂、醇类和乙二醇丁醚组成的稀释助剂组成，喷涂于所述步骤(3)处理后的材料表面，然后流平、固化，放置在常温下直至完全干燥，所述固化时间与环境温度及水性涂料中稀释剂量相适应。

进一步的技术方案是，所述喷涂时间为1min～5min，流平时间为5min～15min，固化温度为150℃～250℃，固化时间为5min～15min，常温干燥时间为5min～15min。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明在普碳钢基材上附着金属层及防护层构成的复合涂层，表面呈现不锈钢效果，且具有不锈钢的防锈、防腐蚀性，生产成本低；在表面处理过程中，表面喷涂水性涂料作为防护层，与以往的化学处理方法相比，能耗低，减少污染，更为环保；

2.在本发明中，由于复合涂层能够很好地附着在普碳钢表面，使得普碳钢具有仿不锈钢的表面纹路、光泽和触感，外表美观，同时成本低于不锈钢，且金属硬度达4H，可在金属加工、配件配饰等领域代替不锈钢的应用；

3.在本发明中，由于复合涂层包括金属防护层及有机防护层，其中金属防护层可以作为保护层提高普碳钢基材耐大气或者耐介质腐蚀的能力，而水性涂料层能够以封闭的形式有效地阻隔普碳钢基材与外界腐蚀介质的接触，总的来说，复合涂层使得普碳钢基材处于一个层层叠加的屏蔽层中，创造了一种阻碍腐蚀电流通道的封闭层，使得基材能够长期有效地防腐蚀。此外，由于采用环境友好型和使用安全型的水性金属防护涂料，该表面处理方法环保安全。

附图说明

图1是本发明实施例一中普碳钢的结构图。

其中：1、普碳钢基材；2、金属层；3、有机防护层。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1所示，一种普碳钢及其表面处理方法，包括普碳钢基材1及复合涂层，所述复合涂层包括金属层2及有机防护层3，从所述普碳钢基材1由里至外依次包括有所述金属层2、所述有机防护层3，所述金属层2由金属元素组成，所述有机防护层3为水性涂料层。所述的金属元素为铝和铬的合金。所述水性涂料层的成膜物质为水性丙烯酸树脂、水性环氧树脂及聚氨酯的组。所述的助剂为甲醇、乙醇和乙二醇丁醚的组合。

其方法：首先通过高温烘烤，使油污在表面形成硬膜，后采用布质千叶轮对普碳钢基材表面进行抛光，去除表面硬膜，所述的抛光处理需要抛光出拉丝纹理得到预处理后的普碳钢基材1。然后将预处理好的普碳钢基材1置于真空环境下，抽真空至1.3×10^-3Pa，加热至450℃，保持60min，轰击输入电压350V，轰击时间为30min，充入氮气，使压力降至2Pa，冷却至100℃以下，取出并静置20min，得到含金属层2的普碳钢基材1。最后将含金属层2的普碳钢基材1置于十万级的无尘车间中，将成膜物质和助剂喷涂在含金属层2的普碳钢基材1表面3min，流平13min，200℃下固化10min，然后在常温下干燥8min，待表面完全干燥后，取出，得到仿不锈钢表面的普碳钢基材。该仿不锈钢表面的普碳钢基材，按照GB/T2423.17-933中性盐雾试验标准测试后经72h后表面光泽无变化，按照GB/T 9286-1998漆膜的划痕实验(百格测试)后，ISO等级为0，切口的边缘完全光滑，格子边缘没有任何剥落，按照GB/T6739-1996铅笔硬度进行测试，硬度为4H。

实施例二：一种普炭钢，包括普炭钢基材及表面涂层，所述表面涂层为一复合涂层，所述复合涂层由底层的金属层及表层的防护涂层构成，所述防护涂层为一水性涂料层。所述金属层中的金属元素为镍和铬的合金，水性涂料层中的成膜物质为水性丙烯酸树脂和水性环氧树脂的组合，助剂为乙醇和乙二醇丁醚的组合。其处理方法如下：首先用除油溶液浸泡，采用布质千叶轮对普碳钢基材表面进行抛光以除去表面氧化物及油污，同时抛光出拉丝纹理，得到预处理后的普碳钢基材。然后将预处理好的普碳钢基材置于离子真空镀膜机中，镍靶纯度达到99.99％，铬靶纯度达到99.8％，然后抽真空至3.4×10^-3Pa，加热至500℃，保持40min，然后向镀膜机中通入纯度为99.99％的氩气和氮气的混合气体，轰击输入电压300V，释放1200V的电压弧，轰击时间为10min，充入氮气，使压力降至2Pa，冷却至100℃以下取出并静置20min得到含金属层的普碳钢基材。最后将含金属层的普碳钢基材置于十万级的无尘车间中，将成膜物质和助剂喷涂在含金属层的普碳钢基材表面5min，流平15min，在250℃下固化15min，然后在常温下干燥10min。待表面完全干燥后，取出，得到复合涂层处理后的普碳钢，可用于生产吸尘器伸缩管，该伸缩管具有不锈钢的色泽和触感，同时按照中性盐雾试验标准测试后经72h后表面光泽无变化，进行漆膜的划痕实验(百格测试)后，其剥落面积为0％，进行铅笔硬度测试，硬度为4H。

实施例三：本实施例中，结构及方法与实施例二相似，不同点在于：金属层中的金属元素为钛元素，有机防护层中水性涂料的成膜物质为水性丙烯酸树脂，助剂为正丁醇、正辛醇和乙二醇丁醚的组合。方法：首先用挥发性的有机溶剂浸泡后，通过加温使其挥发并形成硬膜，采用布质千叶轮对普碳钢基材表面进行抛光以除去表面氧化物及油污，同时抛光出拉丝纹理得到预处理后的普碳钢基材。然后将预处理好的普碳钢基材置于离子真空镀膜机中，钛靶纯度达到99.99％，然后抽真空至2.5×10^-3Pa，加热至480℃，保持10min，然后向镀膜机中通入纯度为99.99％的氩气和氮气的混合气体，轰击输入电压380V，轰击时间为20min，充入氮气，使压力降至2Pa，冷却至100℃以下取出，并静置20min，得到含金属层的普碳钢基材。最后将含金属层的普碳钢基材置于十万级的无尘车间中，将成膜物质和助剂喷涂在含金属层的普碳钢基材表面1min，流平5min，在150℃下固化5min，然后在常温下干燥12min，待表面完全干燥后，取出，得到复合涂层处理后的普碳钢基材，该普碳钢基材可以取代不锈钢在高层建筑外墙中的应用，同时按照中性盐雾试验标准测试后经72h后表面光泽无变化，进行漆膜的划痕实验(百格测试)后，其剥落面积小于1％，进行铅笔硬度测试，硬度为4H。

Claims (9)

1.一种普炭钢，包括普炭钢基材及表面涂层，其特征在于：所述表面涂层为一复合涂层，所述复合涂层由底层的金属层及表层的防护涂层构成，所述防护涂层为一水性涂料层。

2.根据权利1所述的一种普碳钢，其特征在于：所述的金属层为由铝、镍、钼、钛、铬中的一种或两种以上构成。

3.根据权利1所述的一种普碳钢，其特征在于：所述水性涂料层由改性丙烯酸、环氧树脂、乳化剂、醇类和乙二醇丁醚等组成的稀释助剂组成。

4.根据权利1所述的普炭钢的表面处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)对普碳钢基材表面进行去氧化物及油污处理；

(2)用抛光机对所述步骤(1)中获得的普碳钢基材表面进行抛光处理，需抛光出拉丝纹路，并将表面瑕疵去除；

(3)将所述步骤(2)预处理的普碳钢基材置于真空环境下，将铝、镍、钼、钛、铬中的一种或两种以上金属材料，施以高电压，致使其在高电阻的基座上熔融，挥发为离子状态，并沉积在普碳钢基材的表面，形成金属层；

(4)将所述步骤(3)处理后的材料，置于水性涂料中，使材料表面形成防护涂层；

(5)置于常温下干燥，完成表面处理。

5.根据权利要求4所述的普炭钢的表面处理方法，其特征在于：所述步骤(1)中去除表面氧化物及油污的方法为，通过高温烘烤，使油污在表面形成硬膜，后采用布质千叶轮对普碳钢基材表面进行抛光，去除表面硬膜。

6.根据权利要求4所述的普炭钢的表面处理方法，其特征在于：所述步骤(3)为，经所述步骤(2)预处理好的普碳钢基材置于真空环境下，加热，然后输入轰击电压进行轰击，采用真空离子镀气相沉积的方法使金属元素在高电阻基座上熔融并挥发成离子状态，并沉积在普碳钢基材表面，冷却后取出。

7.根据权利要求6所述的普炭钢的表面处理方法，其特征在于：所述加热时间为10min～60min，加热温度为450℃～500℃，轰击输入电压为300V～380V，轰击时间为10min～30min，真空环境中真空值为1.3×10^-3Pa～3.4×10^-3Pa。

8.根据权利要求4所述的普炭钢的表面处理方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述水性涂料由改性丙烯酸、环氧树脂、乳化剂、醇类和乙二醇丁醚组成的稀释助剂组成，喷涂于所述步骤(3)处理后的材料表面，然后流平、固化，放置在常温下直至完全干燥，所述固化时间与环境温度及水性涂料中稀释剂量相适应。

9.根据权利要求8所述的普炭钢的表面处理方法，其特征在于：所述喷涂时间为1min～5min，流平时间为5min～15min，固化温度为150℃～250℃，固化时间为5min～15min，常温干燥时间为5min～15min。

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