CN1584128A

CN1584128A - 一种不锈钢电化学着色工艺及所用的着色溶液

Info

Publication number: CN1584128A
Application number: CN 200410027649
Authority: CN
Inventors: 罗韦因; 刘钧泉; 徐金来
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2004-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2005-02-23

Abstract

本发明涉及用于建筑、家电、汽车和装潢的不锈钢电化学着色工艺及所用的着色溶液。本发明着色工艺包括有如下步骤：1)将不锈钢半成品进行前处理；2)将不锈钢半成品放在着色溶液中进行着色处理，控制着色电位、电流、时间及着色时间；3)着色后进行水洗干燥，得到成品。步骤2)中控制的着色电流I_max为1.0mA/cm²～3.0mA/cm²；I_min为－0.81mA/cm²～2.0mA/cm²；两电流三角波峰或波谷的时间间隔て为25.0s～250.0s；着色时间为2min～40min；温度为5℃～90℃。着色过程的电极材料为1Cr18Ni9、1Cr17Ni8和1Cr17Ni7等不锈钢。本发明着色工艺所用的着色溶液包括有H₂SO₄、CrO₃。H₂SO₄与CrO₃的比例为H₂SO₄∶CrO₃＝1∶0.1～2.5。本发明着色工艺简单，着色稳定，可靠性和控制精度高，所用的着色溶液价格便宜，污染少。

Description

一种不锈钢电化学着色工艺及所用的着色溶液

1、技术领域：

本发明涉及用于建筑、家电、汽车和装潢的不锈钢电化学着色工艺及所用的着色溶液，属于不锈钢电化学着色工艺及所用的着色溶液的创新技术。

2、背景技术：

彩色不锈钢的工业化生产最早是起源于1973年英国INCO公司，该公司主要采用在高浓度铬酸和硫酸溶液中及在80℃的中温下浸渍不锈钢，通过控制浸渍时间长短，在其表面生成不同厚度的Cr₂O₃氧化膜。这种膜本身是半透明的，其表面反射的光波与通过膜层再由不锈钢表面反射回的光波产生干涉，有效控制膜厚度就可以生产不同干涉颜色(Interference Color)的产品。日本彩色不锈钢主要生产厂家之一的新日铁南洋制作所也是采用这样方法生产的。由于该法需在80℃的中温下，采用2.5mol·L^-1铬酸+5.0mol·L^-1硫酸的混酸溶液进行着色处理，存在生产环境恶劣、处理溶液失效快和废酸处理费用大等问题，着色后尚需进行整膜强化工艺(通称二步法，即先着色后整膜的二道工序)。

很多学者对INCO公司的上述方法进行了改进研究，在着色液中加入多种添加剂，改善了着色膜的质量。着色温度在50℃以上，着色后还是需进行着色膜强化的工序。还有些采用交流方波电解法来研究彩色不锈钢的着色工艺，因为使用对称交流方波，着色温度在50～55℃之间，着色后同样需要进行膜强化的工序。

上述不锈钢着色方法得到的彩色膜层薄，硬度低而疏松，不能满足耐磨性和耐蚀性要求，而且出现显色范围窄和生产控制颜色不稳定等缺点，难以生产颜色和色调一致的高品质不锈钢产品。

3、发明内容：

本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种工艺简单、小污染，着色稳定，可靠性和控制精度高的不锈钢电化学着色工艺。用本发明的着色工艺可生产满足性能要求的颜色和色调一致的高品质不锈钢产品。

本发明的另一目的在于提供一种价格便宜，污染少的不锈钢电化学着色工艺所用的着色溶液。

本发明的工艺流程图如图2所示，本发明的不锈钢电化学着色工艺包括有如下步骤：

1)将不锈钢半成品进行前处理；

2)将不锈钢半成品放在着色溶液中进行着色处理，控制着色电位、电流、时间及着色时间；

3)着色后进行水洗干燥，得到成品。

上述步骤2)中控制的着色电流I_max为1.0mA/cm²～3.0mA/cm²；I_min为-0.81mA/cm²～2.0mA/cm²；两电流三角波峰或波谷的时间间隔て为25.0s～250.0s；着色时间为2min～40min；温度为5℃～90℃。

上述着色过程的电极材料为不锈钢。

本发明不锈钢电化学着色工艺所用的着色溶液，包括有H₂SO₄、CrO₃。

上述H₂SO₄与CrO₃的比例为H₂SO₄∶CrO₃＝1∶0.1～2.5。

本发明的不锈钢电化学着色工艺，在着色过程中已经包含硬化的处理操作，不需要另设常规工艺的着色膜硬化处理工序，大大简化了生产工艺程序，节省投资和降低磷酸废液的处理费用，减小废液的污染。另外，本发明着色液混合酸浓度低，给环境造成的污染减少，毒性降低，而且反应温度低，在低温下便可着色，甚至在室温下就可以达到满意效果，可以得到颜色均匀和亮度高的产品，从而节约能耗，降低溶液蒸发，有利于操作工人的健康。本发明还通过调节电化学着色的其它工艺参数，使电化学着色膜的颜色更稳定，亮度更高，更均匀，以满足产品的更高要求。本发明的着色工艺简单、小污染，着色稳定，可靠性和控制精度高，用本发明的着色工艺可生产满足性能要求的颜色和色调一致的高品质不锈钢产品。本发明的不锈钢电化学着色工艺所用的着色溶液价格便宜，污染少。

4、附图说明：

图1是不锈钢着色膜形成彩色的原理图；

图2是不锈钢电化学着色工艺的流程图；

图3是不锈钢在溶液中着色过程的原理图；

图4是干涉膜厚与着色时间的关系曲线。

5、具体实施方式：

本发明不锈钢着色膜形成彩色的原理图如图1所示，由于光入射到膜表面，产生反射和折射，折射光经过不锈钢基材的反射，与膜的反射光产生干涉条纹，从而形成彩色效果。

图2是本发明不锈钢电化学着色工艺流程图，包括有如下步骤：

1)将不锈钢半成品进行前处理；

2)将不锈钢半成品放在着色溶液中进行着色处理，控制着色电位、电

流、时间及着色时间；

3)着色后进行水洗干燥，得到成品。

本发明不锈钢电化学着色工艺中使用包含多参数的电源和控温仪。

上述着色过程的电极材料为1Cr18Ni9、1Cr17Ni8和1Cr17Ni7等常用奥氏体不锈钢。

本发明不锈钢电化学着色工艺所用的着色溶液包括有H₂SO₄、CrO₃。

上述H₂SO₄与CrO₃的比例为H₂SO₄∶CrO₃＝1∶0.1～2.5。

图3是不锈钢在溶液中着色过程的原理图。其中有反应为：

(反应式1)

(反应式2)

(反应式3)

M为Fe、Ni、Mn、Mo、Cu等。

不锈钢在溶液中形成的干涉膜厚与着色时间有关，不锈钢膜的彩色效果与膜成分和膜厚有着密切关系，因此，严格控制膜的厚度，可以得到所需要的膜颜色、颜色的均匀性和要求的亮度。

图4是干涉膜厚与着色时间关系曲线。由于本发明不锈钢电化学着色膜的形成过程是一个溶解和着色沉积同时存在的过程。控制着色沉积速度大于溶解速度，则形成着色膜；控制溶解速度大于着色沉积速度，则基材溶解，起到抛光作用。对于需要反着色的工件可以开始时溶解速度大于着色沉积速度，一定时间后再调节着色沉积速度大于溶解速度，进行着色。这样溶解—着色沉积同时存在得到的着色膜厚在相同时间下，比常规工艺得到膜厚要薄，但着色膜附着力和亮度更好。因为此过程得到的膜形成速度慢，致密；常规工艺的着色过程只是着色沉积过程，没有溶解过程，形成膜速度快，但比本发明着色膜的结合力要弱，颜色深浅差异明显。

图4中，曲线1是常规着色的干涉膜厚与时间关系，曲线2是0.5mol/L CrO₃+5.0mol/L H₂SO₄在60度下的干涉膜厚与时间关系，曲线3是2.5mol/L CrO₃+2.5mol/L H₂SO₄在60度下的干涉膜厚与时间关系，曲线4是2.5mol/L CrO₃+5.0mol/L H₂SO₄在25度下的干涉膜厚与时间关系，曲线5是0.5mol/L CrO₃+5.0mol/L H₂SO₄在25度下的干涉膜厚与时间关系。着色电流均为I_max，2.0mA/cm²；Imin，-0.81mA/cm²；两电流三角波峰(谷)之间时间间隔て，2.5s。可看到，常规工艺在15min左右就达到膜厚的最大值，达到250nm，随时间延长，膜逐渐减薄。而本发明的不同溶液组成和条件下的着色膜随时间增加，膜厚增加幅度没有常规工艺的快，到35min还没有达到最大值。

实施例1：

本发明用于手表外部装饰用的1Cr18Ni9不锈钢彩色着色，将溶液配制好后，在恒温水浴中加热到所需温度，按照上述工艺完成着色过程。干燥后进行颜色观测和评定。

1Cr18Ni9不锈钢成分如下表：

表1 1Cr18Ni9奥氏体不锈钢化学成分(wt％)

C Si Mn Ni Cr Cu Mo N

0.068 0.57 1.08 8.64 18.36 0.08 0.04 0.027

a)S＞0.007，P＜0.025。

不锈钢中各金属在着色过程中溶解的反应式如上述反应式2，在不锈钢表面形成各自的金属氧化膜(M_pCr_qO_r)，形成了彩色膜以后也是溶解与形成存在的过程。

本实施例按图4曲线1的电化学着色工艺参数对手表外部装饰用的不锈钢进行电化学着色。着色时间为5.0min得到的颜色为不均匀的中蓝色，着色时间为7.5min得到的颜色为深蓝色，着色时间为10.0min得到的颜色为不均匀的中金色，着色时间为15.0min得到的颜色为浅蓝色，着色时间为17.5min得到的颜色为中蓝色，着色时间为20.0min得到的颜色为不均匀浅金色，着色时间为25.0min得到的颜色为中蓝色，着色时间为30.0min得到的颜色为深蓝色，着色时间为35.0min得到的颜色为中蓝色。着色颜色有呈现周期出现的特征，但周期重现性差，而且颜色不均匀，彩色膜颜色较暗。

实施例2：

本实施例按图4曲线2的电化学着色工艺参数对手表外部装饰用的不锈钢进行电化学着色。着色时间为5.0min得到的颜色为不均匀的浅蓝色，着色时间为10.0min得到的颜色为均匀和光亮的深蓝色，着色时间为15.0min得到的颜色为均匀和光亮的中蓝色，着色时间为20.0min得到的颜色为均匀和光亮的浅蓝色，着色时间为25.0min得到的颜色为均匀和光亮的浅金色，着色时间为30.0min得到的颜色为均匀的浅红色，着色时间为35.0min得到的颜色为均匀和光亮的中红色。可以看出，着色的颜色种类要比常规着色的多，膜颜色的均匀性和光亮度比常规的都要好，而且，颜色重现的周期要长，这样颜色变化的慢，有利于控制所需的颜色。

实施例3：

本实施例的电化学着色溶液为2.5mol/L CrO₃+5.0mol/L H₂SO₄；着色电流I_max为2.0mA/cm²；I_min为-0.81mA/cm²；着色时间为10min；温度为25度。当两电流三角波峰(谷)之间时间间隔て为125.0s时，得到金色的着色膜；当两电流三角波峰(谷)之间时间间隔て为25.0s时，得到也是金色的着色膜；当两电流三角波峰(谷)之间时间间隔て为2.50s时，得到金色的着色膜，略带红色；当两电流三角波峰(谷)之间时间间隔て为1.25s时，得到红色的着色膜；

不锈钢经着色处理后，所显示的彩色并非是由于不锈钢表面形成了彩色的着色膜，而是由于形成的透明着色膜产生了干涉作用，由于不锈钢表面着色膜表面的反射光线与透过表面着色膜的折射光线产生干涉，因而显示出各种不同的颜色。不同不锈钢由于成分不同，形成着色膜的成分液不同，产生干涉色的色彩会不同；相同不锈钢由于形成着色膜的厚度不同，折射率不同，产生干涉色的色彩也会不同。即使相同的不锈钢和着色膜的厚度一样，随着入射光角度的改变，不锈钢表面干涉色的色彩也会发生相应的变化。

本发明不锈钢电化学着色是溶解与着色沉积同时存在的过程。本发明的不锈钢电化学着色多参数电源装置通过调节输出波形、波形频率和波形高度，控制着色电位和电流。着色时电位和电流控制在着色电位和电流振动范围内，保证溶解的小于着色沉积的，达到不锈钢的彩色着色目的。若溶解的大于着色沉积的，起到表面抛光作用；本发明得到的这个电位和电流振动范围是较宽的，易于控制的。这样就大大提高了着色控制的可靠性和可操作性。

Claims

1、一种不锈钢电化学着色工艺，其特征在于包括有如下步骤：

1)将不锈钢半成品进行前处理；

3)着色后进行水洗干燥，得到成品。

2、根据权利要求1所述的不锈钢电化学着色工艺，其特征在于上述步骤2)中控制的着色电流I_max为1.0mA/cm²～3.0mA/cm²；I_min为-0.81mA/cm²～2.0mA/cm²；两电流三角波峰或波谷的时间间隔て为25.0s～250.0s；着色时间为2min～40min；温度为5℃～90℃。

3、根据权利要求1所述的不锈钢电化学着色工艺，其特征在于上述着色过程的电极材料为1Cr18Ni9、1Cr17Ni8和1Cr17Ni7等不锈钢。

4、根据权利要求1所述的不锈钢电化学着色工艺所用的着色溶液，其特征在于包括有H₂SO₄、CrO₃。

5、根据权利要求1所述的不锈钢电化学着色工艺所用的着色溶液，其特征在于上述H₂SO₄与CrO₃的比例为H₂SO₄∶CrO₃＝1∶0.1～2.5。