CN107338466A

CN107338466A - 微弧处理金属工件的染色方法

Info

Publication number: CN107338466A
Application number: CN201710324095.6A
Authority: CN
Inventors: 何主亮; 陈俊名
Original assignee: Feng Chia University
Current assignee: Feng Chia University
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2017-11-10
Anticipated expiration: 2037-05-09
Also published as: CN107338466B

Abstract

本发明提出微弧处理金属工件的染色方法，包含下列步骤：先对微弧处理金属工件进行前处理，使微弧处理金属工件的微弧氧化层形成多个电荷通道；然后再进行染色处理，使阴离子染料粒子被吸附于该微弧氧化层的电荷通道内，使该微弧处理金属工件具有第二颜色。通过前处理和染色处理两个步骤可使染料附着于微弧氧化层上，也就是说，使阴离子染料粒子被吸附于微弧氧化层的电荷通道内，以达到染色的效果。

Description

微弧处理金属工件的染色方法

技术领域

本发明涉及一种染色方法，特别涉及一种微弧处理金属工件的染色方法。

背景技术

微弧氧化(Micro-arc oxidation，MAO)系在阳极氧化的基础上，利用高电压在微弧处理金属工件表面产生微弧放电现象，在铝、镁、钛等钝化型轻金属或其合金的表面上生成氧化膜经微弧氧化的金属表面，具有高硬度和良好的耐蚀性，是一新兴的电化学表面处理技术。各国对于此技术的认知不同，因而有不同的名称，如微弧放电氧化(Microarcdischarge oxidation，MDO)、微电浆氧化(Microplasma oxidation，MPO)、阳极火花沉积(Anodic spark deposition)、火花放电阳极氧化(Anodischen oxidation unterfunkenentladung，ANOF-process)、火花放电氧化(Spark discharge oxidation)及电浆电解氧化(Plasma electrolytic oxidation，PEO)等。

虽然微弧氧化所得的氧化层机械特性如表面硬度、耐磨性和结合力都优于传统阳极处理(Anodic aluminum oxide，AAO)的氧化层，但微弧氧化在装饰性应用上却远远不及传统阳极处理，主要是因为微弧氧化层伴随的孔洞尺寸属于微米尺度。若是以染料吸附的方式进行微弧氧化层的着色，这些微米尺度的孔洞无法让染料牢靠的吸附在其表面上。而传统阳极处理所形成于表面的氧化层有着六角形孔洞的堆积结构，这些纳米尺度的孔洞，具有良好的渗透性，可以将表面以有机或无机的染料浸泡，使之渗入毛细孔内，借由不同颜色的染料，可直接在铝合金上染出鲜艳的颜色。另外，钛金属则可透过发色处理，将钛金属放置于一些特殊的电解液中施以一定的电流或电压后，钛金属表面会被电解氧化生成一非常薄的膜而具干涉光波的特性，膜本身并不具颜色，但光照射于其上时由于某些特定波长的光互相抵消的结果，因而反射光遂使得钛金属表面具有颜色，随着膜厚度的增加，颜色由红转蓝而绿，产生不同的变化。

金属发色主要为装饰作用，经发色处理所得的金属表面并不具特殊保护性质。微弧氧化的氧化膜层多以白色、灰白色、灰褐色和黑色系列为主。这种膜层虽然外观漂亮，综合性能良好，但是颜色种类受限，大大限制了轻合金的外观性应用，特别是电子产品外壳的合金压铸件。消费者对表面有色彩多样化的要求，如果能获取颜色均匀、色彩多样的陶瓷膜，同时还能兼有本质的优良机械保护性能，那么微弧氧化技术的应用将会被迅速推广。为此，世界各国无不费尽心力追求这方面的着色技术，其中中国大陆在微弧氧化工件的着色技术进行了相当多的尝试，在调制电解液来达成发色的主流中，主要采用钒酸盐电解液来进行微弧氧化，所得陶瓷膜颜色多为绿色系列，也可在电解液中添加一定量的偏钒酸铵(NH₄VO₃)来制得黑色陶瓷膜层。这种膜层虽然颜色均一，外观良好，但膜层的综合性能不佳，更重要的是，电解液中添加的钒酸盐若不经特殊处理随溶液任意排放，造成重金属污染，严重影响环境。

另外，上述的实施方式还有其困难点，由于着色剂是直接添加入电解液，因此每当要换一种颜色制作微弧处理时，就必须更换电解液或再准备一个处理槽，因此就商业化的成本与其他考量，其并不符合大量生产的需求。

另一类后处理着色的尝试可参阅中国发明(专利公开号第CN101376973A号及第CN103203915A号)，上述两前案分别提出真空溅镀结合电泳涂装加工微弧氧化工件工艺与铝合金微弧电泳复合膜层的技术，其主要实施的方法是先在铝、镁或钛等可钝化的金属或其合金先以微弧氧化制备氧化层，然后在微弧氧化层上镀金属层后再进行电泳涂装，或于微弧氧化层上直接电泳涂装，此时可根据工件所需要的颜色来选取对应颜色的电泳涂料，改善习知微弧氧化层成色效果不佳的情况。但是电泳涂装是利用电镀原理，使得水溶性中离子化的涂料树脂在电极上析出，从而形成不溶性涂层而覆盖在微弧氧化层上，虽为氧化层增添色彩效果，但却也同时失去微弧氧化层的陶瓷质感以及优越的机械性质。另外，经电泳涂装或喷涂的有色层除了附着性堪虑之外，因为有色层具有一定的厚度，若为外观组合件，是否会影响组装的精密度或牢靠度，对此仍存有相当的疑虑。

发明内容

发明目的，针对上述不足之处，本发明的目的在于提供一种微弧处理金属工件的染色方法，不仅获取颜色均匀及色彩多样的陶瓷氧化膜，同时还能兼有本质的优良机械保护性能之功效。

技术方案：微弧处理金属工件的染色方法，包含下列步骤：

(1)前处理

(11)先向反应槽中加入前处理溶液，然后将微弧处理金属工件置入反应槽中，且将该微弧处理金属工件全部没入该前处理溶液内，其中：

该微弧处理金属工件具有一金属基材以及一微弧氧化层，该微弧处理金属工件具有第一颜色；

(12)连接该反应槽至阳极，且连接微弧处理金属工件的金属基材至阴极，使该反应槽、该前处理溶液及该微弧处理金属工件形成第一回路；

(13)对该第一回路施以一逆向电压，使微弧处理金属工件的微弧氧化层形成多个电荷通道；

(2)染色处理

(21)向染色槽中加入染色溶液，然后取出步骤(13)得到的微弧处理金属工件并置于染色槽中，且将该微弧处理金属工件全部没入该染色溶液内，

(22)连接该染色槽至阴极，且连接微弧处理金属工件的金属基材至阳极，使该染色槽、该染色溶液及该微弧处理金属工件形成第二回路；

(23)对该第二回路施以一正向电压，且在微弧处理金属工件的金属基材与微弧处理金属工件的该微弧氧化层的交界处形成正电场，正电场吸引阴离子染料粒子后，阴离子染料粒子被吸附于微弧氧化层的电荷通道内，使该微弧处理金属工件具有第二颜色。

进一步地，步骤(13)中的逆向电压为10至30伏特，逆向电压的维持时间为5至15秒。

进一步地，步骤(23)中的正向电压为2至10伏特，正向电压的维持时间为60至300秒。

进一步地，步骤(23)中对该第二回路施以该正向电压后，还包含维持一预定温度，该预定温度为20至60℃。

进一步地，步骤(11)中的该前处理溶液为一电解质溶液，该电解质溶液为一可溶性盐类水溶液、一酸类水溶液及一碱类水溶液中的一种或几种。

更进一步地，步骤(11)中该电解质溶液的工作温度为15至40℃。

更进一步地，该电解质溶液为氯化钠水溶液，该氯化钠水溶液的摩尔浓度为0.01至0.1mol/L。

进一步地，染色溶液的浓度为3至15克/升。

进一步地，该染色溶液包含阴离子型有机染料。

附图说明

图1a至图1d为本发明公开的微弧处理金属工件的染色方法的前处理的示意图。

图2a至图2d为本发明公开的微弧处理金属工件的染色方法的染色处理的示意图。

图3为本发明公开的微弧处理金属工件染色前的状态示意图。

图4a为经过红色阴离子型有机染料处理后的微弧处理金属工件的结果示意图。

图4b为经过绿色阴离子型有机染料处理后的微弧处理金属工件的结果示意图。

图4c为经过蓝色阴离子型有机染料处理后的微弧处理金属工件的结果示意图。

其中：

1-微弧处理金属工件 11-微弧氧化层

111-电荷通道 12-金属基材

2-反应槽

21-前处理溶液

3-染色槽

31-染色溶液 32-阴离子染料粒子

1a-红色阴离子型有机染料处理后的微弧处理金属工件

1b-绿色阴离子型有机染料处理后的微弧处理金属工件

1c-蓝色阴离子型有机染料处理后的微弧处理金属工件

具体实施方式：

本发明将搭配附图，为本发明的较佳实施例进行更详细的说明。然而，此说明书中所使用任何形式的实施例仅为说明用，无法以此限制本发明。更准确地说，实施例的提供是为了使本发明更彻底和完整地说明，并对本领域技术人员充分传达。

为避免现有公知技术所衍生的各项缺失，而让微弧处理后的金属工件更具竞争性与发展性，本发明提出一种微弧处理金属工件的染色方法，借由微弧氧化层染色前处理，得到一兼具活性表层与大量电荷通道的微弧氧化层，然后进行染色，使得此微弧氧化层可在各种颜色的有机或无机染料中进行染色，从而获得多样、具饱和色泽的微弧氧化层，且保有微弧处理优越的特性，使金属工件在经微弧处理技术后仍可兼具功能与美观的用途，进一步扩展微弧处理技术的应用领域，提升整体产业的价值。

具体实施例1

请参阅图1a至图1d所示，为本发明的微弧处理金属工件的染色方法的前处理的示意图。请参阅图2a至图2d所示，为本发明的微弧处理金属工件的染色方法的染色处理的示意图。

微弧处理金属工件1系由金属基材12与经微弧处理后所得的微弧氧化层11所组成，并具有一第一颜色，或使用其他合金做为金属基材，但不限于此。微弧氧化层11是属于具有大量微米尺度之开放性与封闭性孔洞的膜质结构。

微弧处理金属工件的染色方法，包含下列步骤：

(1)前处理

(11)如图1a所示，先向反应槽2中加入前处理溶液21，然后将该微弧处理金属工件1置入该反应槽2中，且将该微弧处理金属工件1全部没入该前处理溶液21内；

(12)接着如图1b所示，连接该反应槽2至阳极，且连接金属基材12至阴极，使该反应槽2、该前处理溶液21及该微弧处理金属工件1形成一第一回路；

(13)如图1c及图1d所示，该前处理溶液21与通入于微弧处理金属工件1上的逆向电压的交互作用下，微弧氧化层11中的开放性孔洞在电化学溶解下会产生电荷通道111；电荷通道111的生成并不会损及金属基材12以及微弧氧化层11，可保有微弧处理所拥有优异的本质特性；

(2)染色处理

(21)如图2a所示，向染色槽3中加入染色溶液，然后取出步骤(13)得到的微弧处理金属工件1并置于染色槽3中，且将该微弧处理金属工件1全部位于该染色溶液31内；

(22)如图2b所示，连接该染色槽3至阴极，且连接金属基材12至阳极，使该染色槽3、该染色溶液31及该微弧处理金属工件1形成一第二回路，

(23)如图2c和2d所示，对该第二回路施以一正向电压，此时正电荷会在该金属基材12与该微弧氧化层11的交界处形成正电场，在正电场的作用下，染色溶液31中阴离子染料粒子32会被吸附在具有电荷通道111的开放性孔洞中，由于具有电荷通道111的开放性孔洞可借由正电场有效率的吸引阴离子染料粒子32，且使阴离子染料粒子32带有动能的被吸附于具有电荷通道111的开放性孔洞中，因此阴离子染料粒子32与具有电荷通道111的开放性孔洞中之间具有相当好的附着性，将该微弧处理金属工件1具有一第二颜色。也就是说，制备上可透过不同的操作参数来控制所形成的电荷通道111数量与染色的时间，进而就可控制吸附阴离子染料粒子32的量，根据产生的饱和度不同，染色后的颜色外观就会不一样。

进一步地，染色溶液的浓度为3至15克/升。

进一步地，该染色溶液包含阴离子型有机染料。

图3为本发明公开的较佳实施例中微弧处理金属工件染色前的状态示意图；此实施例以铝合金做为金属基材12进行微弧处理金属工件1的染色。

首先进行微弧氧化层11染色前处理工作，此实施例以铝合金做为金属基材12，将微弧处理金属工件1置入304SS不锈钢材质的反应槽2中，以该反应槽2作为对电极，连接至阳极。反应槽2中的前处理溶液21为一电解质溶液，包括大多数可溶性盐类、酸类或硷所组成的电解质溶液。在本实施例中使用氯化钠溶液，其浓度在0.01至0.1M，电解质溶液借由温度控制系统设定在摄氏15至40度。并对该电解质溶液进行搅拌。采用直流电源时，将该微弧处理金属工件1设定输入为逆向电压10至30伏特，反应时间为5至15秒。经过上述步骤可使微弧氧化层11表层活化，并于微弧氧化层11中形成大量电荷通道111。反应完成后取出该微弧处理金属工件1进行水洗、脱水、烘干。

接着在染色溶液中进行微弧氧化层11的染色工作，染色溶液31的成分为染料(非颜料)，可为任何种类的有色染料，如有机染料或无机染料等，本实施例以304SS不锈钢槽做为染色槽31，该染色槽31中配置红色阴离子型有机染料，浓度为3至15克/升。将前一个阶段完成的该微弧处理金属工件1置入该染色槽3中，连接该染色槽3至阴极，且连接该金属基材12至阳极，将该微弧处理金属工件1设定输入为正向电压2至10伏特，操作温度为摄氏20至60度，染色时间为60至300秒。染色完成后取出水洗、脱水、烘干，完成微弧氧化层11的染色，如图4a及表一所示。经过红色阴离子型有机染料处理的微弧处理金属工件1a染色效果可透过色度分析测验标准(CIE 1976Lab)来鉴定，未染色的微弧氧化层的Lab值为(L*a*b*)＝(83.08,-0.58,1.09)，经过红色染料染色后色度值为(L*a*b*)＝(65.54,24.05,11.32)。

表一

具体实施例2

与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于使用绿色阴离子型有机染料，依照具体实施例1的方法进行微弧处理金属工件的染色，染色结果如图4b及表一所示，经过绿色阴离子型有机染料处理的微弧处理金属工件1b的色度值(L*a*b*)＝(75.93,-2.59,35.63)。

具体实施例3

与具体实施例1大致相同，区别仅仅在于使用蓝色阴离子型有机染料，依照实施例1的方法进行微弧处理金属工件的染色，染色结果如图4c及表一所示，使用蓝色阴离子型有机染料处理的微弧处理金属工件1c的色度值为(L*a*b*)＝(52.48,2.98,-36.48)。

综上所述，本发明提出微弧处理金属工件的染色方法，期望借由此着色技术为产业在应用上提供一种不同思维与做法。本发明的技术方案包括前处理与染色处理，透过此两种步骤即可有效的使染料附着于微弧氧化层上，以达到染色的效果。

但是以上所述者，仅为本发明的较佳实施例，但不能以此限定本发明实施之范围；故，凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作的简单的等效改变与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims

1.微弧处理金属工件的染色方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)前处理

(11)先向反应槽中加入前处理溶液，然后将该微弧处理金属工件置入反应槽中，且将该微弧处理金属工件全部没入该前处理溶液内，其中：

(12)连接反应槽至阳极，且连接微弧处理金属工件的金属基材至阴极，使该反应槽、该前处理溶液及该微弧处理金属工件形成第一回路；

(2)染色处理

(21)向染色槽中加入染色溶液，然后取出步骤(13)得到的微弧处理金属工件并置于染色槽中，且将该微弧处理金属工件全部没入该染色溶液内；

(23)对该第二回路施以一正向电压，且在微弧处理金属工件的金属基材与该微弧氧化层的交界处形成正电场，正电场吸引阴离子染料粒子后，阴离子染料粒子被吸附于该微弧氧化层的电荷通道内，使该微弧处理金属工件具有第二颜色。

2.根据权利要求1所述的微弧处理金属工件的染色方法，其特征在于，步骤(13)的逆向电压为10至30伏特，逆向电压的维持时间为5至15秒。

3.根据权利要求1所述的微弧处理金属工件的染色方法，其特征在于，步骤(23)中的正向电压为2至10伏特，正向电压的维持时间为60至300秒。

4.根据权利要求1所述的微弧处理金属工件的染色方法，其特征在于，步骤(23)中对该第二回路施以该正向电压后，更包含维持一预定温度，该预定温度为20至60℃。

5.根据权利要求1所述的微弧处理金属工件的染色方法，其特征在于，步骤(11)中的前处理溶液为一电解质溶液，该电解质溶液为一可溶性盐类水溶液、一酸类水溶液及一碱类水溶液中的一种或几种。

6.根据权利要求5所述的微弧处理金属工件的染色方法，其特征在于，该电解质溶液的工作温度为15至40℃。

7.根据权利要求5所述的微弧处理金属工件的染色方法，其特征在于，该电解质溶液为一氯化钠水溶液，该氯化钠水溶液的摩尔浓度为0.01至0.1mol/L。

8.根据权利要求1所述的微弧处理金属工件的染色方法，其特征在于，该染色溶液的浓度为3至15克/升。

9.根据权利要求1所述的微弧处理金属工件的染色方法，其特征在于，该染色溶液包含一阴离子型有机染料。