CN104593765A - 一种奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜，该奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜的着色层覆于一钝化层之上，具有两层或两层以上的结构，所述钝化层直接与奥氏体薄壁不锈钢管基材表面相连，所述着色层的颜色随着色层厚度变化而改变。还公开了制备所述奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜的方法，包括前处理、酸洗、钝化、着色、固膜和封闭步骤。本发明的奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜不但具有较强的抗蚀、耐磨、耐污能力，并且颜色多样，色泽均匀、鲜艳，不易变色，颜色重现性好；同时制备所述奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜的方法过程简单，易于操作。

Description

一种奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种不锈钢管着色膜，尤其涉及一种奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜及其制备方法。
背景技术
自二十世纪九十年代以来，不锈钢在我国发展迅速，不锈钢管已广泛应用于石油、化工、医疗、轻工、食品、机械仪表等领域。但是，因为不锈钢管道耐Cl离子腐蚀能力较差，在沿海区域只能通过提高其基材耐蚀性等级来应对环境的腐蚀，且因不锈钢基材颜色均为银白色，较为单一，阻碍了其在具有装饰需求方面的应用，导致目前不锈钢管并没有在国内得到大范围的使用。为扩大不锈钢管道的应用范围，需要在表面着色，并提高其耐腐蚀性能。
目前国内企业对薄壁不锈钢管道的表面处理，主要集中在使用表面涂覆与沉积的方式获得耐蚀着色膜。但此类耐蚀着色膜只是简单的使用物理方法涂覆或沉积于不锈钢基材表面，其耐磨擦性及耐老化性均较差，几年后耐蚀膜就会逐步脱落退化，并不能实现长期与基材同寿命的要求，亦不环保。国外采用的酸性化学着色法，即著名的INCO法能在不锈钢表面形成稳定的耐蚀着色膜，已经实现了工业化应用，但颜色的均一性和重现性仍不理想，需要进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜，其具有较强的耐蚀性及抗老化性能，可与基材同寿命且颜色多样。
本发明还提供了一种奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜的制备方法，该方法过程简单，操作方便，具有良好的经济性。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：
一种奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜，该奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜的着色层覆于钝化层之上。
优选地，所述钝化层直接与奥氏体薄壁不锈钢管基材表面相连。
优选地，所述着色层的颜色随着色层厚度变化而改变，其中着色层厚度不大于300纳米，颜色包含但不限于茶色、蓝色、绿色、金色、黄色、金黄色、蓝金色、紫色、玫瑰红或墨绿色，也可以根据需要制备获得其他INCO法常见的颜色。
优选地，本发明的奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜具有两层或两层以上的结构。
作为本发明的一种优选技术方案，所述奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜具有底层、中间层和外层三层结构，其中底层是一钝化层，与奥氏体薄壁不锈钢管基材表面直接相连；中间层是一光干涉彩色着色层，设置于底层和外层之间，颜色随着色层厚度变化而改变；外层是一固化层。其中，所述钝化层直接与奥氏体薄壁不锈钢管基材表面相连。所述光干涉彩色着色层的颜色随着色层厚度变化而改变，其中着色层厚度不大于300纳米，颜色包含但不限于茶色、蓝色、绿色、金色、黄色、金黄色、蓝金色、紫色、玫瑰红或墨绿色。所述固化层是透明或半透明的。
制备本发明所述的奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜的方法，包括以下步骤：
（1）对不锈钢管进行前处理；
（2）酸洗：将经前处理的不锈钢管放入酸洗液中进行酸洗处理；
（3）钝化：将经酸洗处理的不锈钢管在室温下放入钝化液中进行钝化处理，待管道表面钝化层形成完整后取出管道清洗干净；
（4）着色：将经钝化处理后的不锈钢管放入化学着色液中进行着色，着色完成后将不锈钢管清洗干净，获得本发明所述的奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜。
优选地，其中步骤（1）中所述的前处理包括对不锈钢管进行清洗、抛光、碱液除油等处理；其中碱液除油可以采用本领域公知的碱液（比如氢氧化钠、碳酸钠和磷酸钠的混合水溶液）进行化学除油或电化学除油。
优选地，步骤（2）中的酸洗液为含HNO3和HF的混合液，或者含H2SO4和HCl的混合液，或者含H2SO4和HF的混合液，其中优选的酸浓度是120～220g/L HNO3、15～55 g/L HF、180～220 g/L H2SO4、40～120 g/L HCl。步骤（2）的酸洗处理时间为5～15分钟，酸洗温度为20℃～70℃。
优选地，步骤（3）的钝化液为氧化剂，通过对奥氏体薄壁不锈钢表面进行氧化处理形成一钝化膜，优选的氧化剂为硝酸、氢氟酸、重铬酸盐中的一种或两种，其中重铬酸盐可以是常规使用的重铬酸钠、重铬酸钾等；更优选的钝化液是180～300 g/L的HNO3。
优选地，步骤（3）的钝化处理时间为5～30分钟。
优选地，步骤（4）中的着色液成分为250～550 g/L的H2SO4和150～500 g/L的CrO3。
优选地，步骤（4）的着色时间为5～120分钟，具体使用的着色时间根据所需着色膜颜色而定，一般包含但不限于茶色、蓝色、绿色、金色、黄色、金黄色、蓝金色、紫色、玫瑰红或墨绿色等颜色，着色层厚度不大于300纳米；着色温度为60℃～90℃。
优选的，所述步骤（4）的着色步骤之后还包括一封闭处理步骤，其中封闭处理可以采用本领域内常用的不锈钢着色膜的封闭处理方法，优选的处理方法为：将不锈钢管放入浓度为1%～5%的Na2SiO3溶液中浸泡3～30分钟，进行封闭处理，形成一透明或半透明固化层，溶液温度90℃～100℃。
作为本发明的另一种优选技术方案，所述步骤（1）完成后，采用混合处理液对不锈钢管进行一步酸洗钝化处理，接着直接进行着色处理，所述混合处理液由180～300 g/L HNO3、22～55 g/L HF、40～100 g/L HCl和1～2 g/L六次甲基四胺组成，一步酸洗钝化处理时间为5～30分钟。如前所述，该技术方案中着色步骤之后可以根据需要增加一封闭处理步骤。
作为本发明的又一种优选技术方案，着色步骤之后还包括固膜处理步骤：将着色后的不锈钢管放入电化学固膜液中进行固膜，其中不锈钢管为阴极，Pb板为阳极。固膜处理不会改变着色膜的颜色，该处理步骤可以使着色膜上的孔隙减少，得到更加致密、紧实的着色膜，提高着色膜的抗老化性能及耐刮擦性能。一般情况下，若实施的技术方案中还包括封闭处理步骤，那么固膜处理步骤是在着色步骤之后、封闭处理步骤之前进行的。
优选地，电化学固膜液的成分为2.5 g/L的H2SO4和250 g/L的CrO3。
优选地，固膜处理时间为3～10分钟，电流密度0.2～1 A/dm2，温度为室温。
根据本发明的优选技术方案，上述制备本发明所述的奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜的方法包括以下步骤：
（1）对不锈钢管进行前处理；
（2）酸洗：将经前处理的不锈钢管放入酸洗液中进行酸洗处理；
（3）钝化：将经酸洗处理的不锈钢管在室温下放入钝化液中进行钝化处理，待管道表面钝化层形成完整后取出管道清洗干净；
（4）着色：将经钝化处理后的不锈钢管放入化学着色液中进行着色，着色完成后将不锈钢管清洗干净；
（5）固膜：将着色后的不锈钢管放入电化学固膜液中进行固膜，其中不锈钢管为阴极，Pb板为阳极，其中电化学固膜液的成分为2.5 g/L的H2SO4和250 g/L的CrO3，固膜处理时间为3～10分钟，电流密度0.2～1 A/dm2，温度为室温；固膜完成后将不锈钢管清洗干净；
（6）封闭：将固膜后的不锈钢管放入浓度为1%～5%的Na2SiO3溶液中浸泡3～30分钟，进行封闭处理，形成一透明或半透明固化层，溶液温度90℃～100℃。
其中，步骤（2）和（3）的酸洗、钝化两步骤可以采用前面所述的一步酸洗钝化处理代替。步骤（5）的固膜处理步骤以及步骤（6）的封闭处理步骤可以根据实际需要选择其中之一或之二使用，或者也可以都不用。该优选技术方案的工艺步骤中的其他优选工艺条件如本发明前文所述。
本发明通过表面化学处理及电化学方法在奥氏体薄壁不锈钢管道表面形成一奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜，并且由于在奥氏体薄壁不锈钢管道的着色前添加酸洗、钝化工艺，使着色层前附着了一层钝化层，并且由于钝化层与着色层的成分相近，主要是Cr、Fe的氧化物，因此膜层之间结合紧密，不易老化脱落，可与基材同寿命，大大增强了整个膜层的耐蚀能力，由此有效提高了管道的耐蚀性，扩大了产品的使用范围。
另一方面，根据常规理论，钝化层提高了不锈钢表面的化学稳定性，这样不利于不锈钢管道的着色，但经本发明实验表明，本发明工艺中钝化层对着色的时间和颜色都没有明显影响，并且由于钝化处理消除了不锈钢管的局部腐蚀，清除了表面层上的污染物、游离铁等杂质，使整个管道表面更加均匀、平整，成分也更稳定，这对表面着色和耐腐蚀性能都有很好的作用。酸洗、钝化可以在室温下进行，之后不需要传统INCO法着色前的活化处理，使得不锈钢着色膜生产工艺更加简单、易操作。
另外，通过本发明工艺可以得到不同颜色或彩色的奥氏体薄壁不锈钢管道耐蚀着色膜，其不但具有较强的抗蚀、耐磨、耐污能力，并且颜色多样，色泽均匀、鲜艳，不易变色，颜色重现性好，使用中具有良好的装饰作用，可以美化使用环境，且因其并不影响基材废旧品回收，具有良好环保效益。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明，以下实施例为本发明具体的实施方式，但本发明的实施方式并不受下述实施的限制。
实施例1
（1）前处理：将304薄壁不锈钢管（DN15）表面清洗干净，放入碱液中在90℃下处理25分钟，除去表面油污，再次用清水将不锈钢管清洗干净，这里所用碱液是含60 g/L NaOH、20 g/L Na2CO3和40 g/L Na3PO4的混合水溶液；
（2）酸洗：将清洗后的不锈钢管放入含220 g/L HNO3和50 g/L HF的酸洗液中，在65℃浸泡10分钟，完成后将不锈钢管清洗干净；
（3）钝化：将经酸洗后的不锈钢管在室温下放入浓度为250g/L的HNO3中钝化处理20分钟，待管道表面钝化层形成完整后，取出不锈钢管，用清水清洗干净；
（4）着色：将经钝化处理后的不锈钢管放入化学着色液中进行着色，着色温度为75℃，着色时间为5分钟，着色液成分为500 g/L H2SO4和270 g/L CrO3，着色完成后取出不锈钢管清洗干净，获得蓝色着色层；
（5）固膜：将着色后的不锈钢管放入电化学固膜液中固膜3分钟，钢管为阴极，Pb板为阳极，电流密度1 A/dm2，固膜液成分为250 g/L CrO3和2.5 g/L H2SO4，温度为室温，完成后将不锈钢管清洗干净；
（6）封闭：将固膜后的不锈钢管放入100℃的1%的Na2SiO3溶液中浸泡10分钟，在表面形成一固化层，然后清洗，烘干表面，获得蓝色奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜。
经过上述方法制备出的奥氏体薄壁不锈钢耐蚀着色膜，该奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜的着色层覆于钝化层之上，采用不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法，测试得到不锈钢管在35℃的6% FeCl3溶液中的腐蚀率为0.35 g/m2/h，耐腐蚀性良好。
实施例2
（1）前处理：将304薄壁不锈钢管（DN50）表面经过初步机械抛光后清洗干净，放入碱液中在90℃下处理25分钟，除去表面油污，再次用清水将不锈钢管清洗干净，这里所用碱液是含60 g/L NaOH、20 g/L Na2CO3和40 g/L Na3PO4的混合水溶液；
（2）一步酸洗钝化处理：将清洗后的钢管放入酸洗钝化二合一混合处理液中浸泡20分钟，待管道表面钝化层形成完整后，取出管道，用热水清洗干净，这里所用混合处理液成分为300 g/L HNO3、25 g/L HF、60 g/L HCl和1 g/L六次甲基四胺，温度为室温；
（3）着色：将经一步酸洗钝化处理后的不锈钢管放入化学着色液中着色，着色温度85℃，时间为30分钟，着色液成分为250 g/L H2SO4和350 g/L CrO3，着色完成后取出不锈钢管清洗干净，获得金色着色层；
（4）固膜：将着色后的不锈钢管放入电化学固膜液中固膜10分钟，钢管为阴极，Pb板为阳极，电流密度0.2 A/dm2，固膜液成分为250 g/L CrO3和2.5 g/L H2SO4，温度为室温, 完成后将不锈钢管清洗干净；
（5）封闭：将固膜后的不锈钢管放入90℃的5%的Na2SiO3溶液中浸泡20分钟，在表面形成一固化层，然后清洗，烘干表面，获得金色奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色层。
经过上述方法制备出的奥氏体薄壁不锈钢耐蚀着色膜，该奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜具有底层、中间层和外层三层结构，其中底层是一钝化层，与奥氏体薄壁不锈钢管基材表面直接相连；中间层是一光干涉彩色着色层，设置于底层和外层之间，底层是一透明固化层。将得到的膜采用不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法，测试得出不锈钢管在35℃的6% FeCl3溶液中的腐蚀率为0.19 g/m2/h。
实施例3
（1）前处理：将奥氏体薄壁不锈钢管表面清洗干净，放入碱液中在90℃下处理25分钟，除去表面油污，再次用清水将不锈钢管清洗干净，这里所用碱液是含60 g/L NaOH、20 g/L Na2CO3和40 g/L Na3PO4的混合水溶液；
（2）酸洗：将清洗后的不锈钢管放入含220 g/L H2SO4和100 g/L HCl的酸洗液中，在20℃浸泡15分钟，完成后将不锈钢管清洗干净；
（3）钝化：将经酸洗后的不锈钢管在室温下放入含220g/L HNO3和30g/L重铬酸钠的钝化液中钝化处理30分钟，待管道表面钝化层形成完整后，取出不锈钢管，用清水清洗干净；
（4）着色：将经钝化处理后的不锈钢管放入化学着色液中进行着色，着色温度为60℃，着色时间为60分钟，着色液成分为550 g/L H2SO4和150 g/L CrO3，着色完成后取出不锈钢管清洗干净，获得茶色奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜。
实施例4
（1）前处理：将奥氏体薄壁不锈钢管表面经过初步机械抛光后清洗干净，放入碱液中在90℃下处理25分钟，除去表面油污，再次用清水将不锈钢管清洗干净，这里所用碱液是含60 g/L NaOH、20 g/L Na2CO3和40 g/L Na3PO4的混合水溶液；
（2）一步酸洗钝化处理：将清洗后的钢管放入酸洗钝化二合一混合处理液中浸泡30分钟，待管道表面钝化层形成完整后，取出管道，用热水清洗干净，这里所用混合处理液成分为180 g/L HNO3、22 g/L HF、100 g/L HCl和2 g/L六次甲基四胺，温度为室温；
（3）着色：将经钝化处理后的不锈钢管放入化学着色液中进行着色，着色温度为90℃，着色时间为120分钟，着色液成分为400 g/L H2SO4和500 g/L CrO3，着色完成后取出不锈钢管清洗干净；
（4）封闭：将着色后的钢管放入沸腾的3%的Na2SiO3溶液中浸泡30分钟，在表面形成一固化层，然后清洗，烘干表面，获得墨绿色奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜。
实例5
（1）前处理：将304薄壁不锈钢管（DN15）表面清洗干净，放入碱液中在90℃下处理25分钟，除去表面油污，再次用清水将不锈钢管清洗干净，这里所用碱液是含60 g/L NaOH、20 g/L Na2CO3和40 g/L Na3PO4的混合水溶液；
（2）酸洗：将清洗后的不锈钢管放入含220 g/L HNO3和55 g/L HF的酸洗液，酸洗时间为5分钟，温度为70℃，完成后将不锈钢管清洗干净；
（3）钝化：将经酸洗后的不锈钢管在室温下放入浓度为250g/L的HNO3中钝化处理20分钟，待管道表面钝化层形成完整后，取出不锈钢管，用清水清洗干净；
（4）着色：将经钝化处理后的不锈钢管放入化学着色液中进行着色，着色温度为75℃，着色时间为5分钟，着色液成分为500 g/L H2SO4和270 g/L CrO3，着色完成后取出不锈钢管清洗干净；
（5）固膜：将着色后的不锈钢管放入电化学固膜液中固膜3分钟，钢管为阴极，Pb板为阳极，电流密度1 A/dm2，固膜液成分为250 g/L CrO3和2.5 g/L H2SO4，温度为室温。固化完成后清洗，并烘干表面，获得蓝色奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜。
实施例6
对奥氏体薄壁不锈钢管进行实施例4所述的处理工艺，除步骤（2）所用混合处理液成分为300 g/L HNO3、55 g/L HF、40 g/L HCl和2 g/L六次甲基四胺，浸泡时间为5分钟外，其他条件均不变。
实施例7
对奥氏体薄壁不锈钢管进行实施例1所述的处理工艺，除步骤（2）采用含120 g/L HNO3和15 g/L HF的酸洗液外，其他条件均不变。
实施例8
对奥氏体薄壁不锈钢管进行实施例1所述的处理工艺，除步骤（2）采用含180 g/L H2SO4和40 g/L HCl的酸洗液，采用浓度为300g/L的HNO3进行钝化处理5分钟外，其他条件均不变。
实施例9
对奥氏体薄壁不锈钢管进行实施例1所述的处理工艺，除步骤（2）采用含180 g/L H2SO4和120 g/L HCl的酸洗液，采用浓度为180g/L的HNO3进行钝化处理外，其他条件均不变。
本发明的奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜不是采用行业内常规使用的简单的涂覆形成的，而是通过直接在基材表面经由化学或电化学反应形成，在着色层前生成一钝化层，大大增强了整个膜层的耐蚀能力，使得得到的不锈钢管的耐磨擦性及耐蚀性均处于行业领先位置，比同类不锈钢管的耐蚀能力提升6-8倍，填补了薄壁不锈钢管道行业的着色耐性研究与应用空白，对于此新兴行业的产品推广及扩大使用范围具有前瞻性的作用。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，用于帮助理解本发明的方法及精神，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (14)

1.一种奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜，其特征在于：该奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜的着色层覆于钝化层之上。
2.根据权利要求1所述的奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜，其特征在于：所述钝化层直接与奥氏体薄壁不锈钢管基材表面相连。
3.根据权利要求1所述的奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜，其特征在于：所述着色层的颜色随着色层厚度变化而改变。
4.根据权利要求1所述的奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜，其特征在于：所述着色层的颜色为茶色、蓝色、绿色、金色、黄色、金黄色、蓝金色、紫色、玫瑰红或墨绿色。
5.根据权利要求1所述的奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜，其特征在于：该奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜具有两层或两层以上的结构。
6.根据权利要求5所述的奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜，其特征在于：该奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜具有底层、中间层和外层三层结构，其中底层是一钝化层，与奥氏体薄壁不锈钢管基材表面直接相连；中间层是一光干涉彩色着色层，设置于底层和外层之间，颜色随着色层厚度变化而改变；外层是一固化层。
7.制备权利要求1所述的奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜的方法，包括以下步骤：
（1）对不锈钢管进行前处理；
（2）酸洗：将经前处理的不锈钢管放入酸洗液中进行酸洗处理；
（3）钝化：将经酸洗处理的不锈钢管在室温下放入钝化液中进行钝化处理，待管道表面钝化层形成完整后取出管道清洗干净；
（4）着色：将经钝化处理后的不锈钢管放入化学着色液中进行着色，着色完成后将不锈钢管清洗干净，获得本发明所述的奥氏体薄壁不锈钢管耐蚀着色膜。
8.根据权利要求7所述的方法，其中步骤（2）中的酸洗液为含HNO3和HF的混合液，或者含H2SO4和HCl的混合液，或者含H2SO4和HF的混合液。
9.根据权利要求7所述的方法，其中步骤（3）中的钝化液为硝酸、氢氟酸、重铬酸盐中的一种或两种。
10.根据权利要求7所述的方法，其中步骤（4）中的着色液成分为250～550 g/L的H2SO4和150～500 g/L的CrO3。
11.根据权利要求7所述的方法，其中步骤（1）完成后，采用混合处理液对不锈钢管进行一步酸洗钝化处理，接着直接进行着色处理，所述混合处理液由180～300 g/L HNO3、22～55 g/L HF、40～100 g/L HCl和1～2 g/L六次甲基四胺组成。
12.根据权利要求7或11所述的方法，其中着色步骤完成之后还包括一固膜处理步骤：将着色后的不锈钢管放入电化学固膜液中进行固膜，其中不锈钢管为阴极，Pb板为阳极。
13.根据权利要求12所述的方法，其中电化学固膜液的成分为2.5 g/L的H2SO4和250 g/L的CrO3。
14.根据权利要求7或11或12所述的方法，最后还包括一封闭处理步骤，采用封闭处理液对不锈钢管进行封闭处理形成固化层。
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