NO130690B

NO130690B -

Info

Publication number: NO130690B
Application number: NO02215/72A
Authority: NO
Inventors: A Hart; V Smith; A Skedgell
Original assignee: Int Nickel Ltd
Priority date: 1971-06-22
Filing date: 1972-06-21
Publication date: 1974-10-14
Also published as: NL7208471A; DE2230157B2; NO130690C; DK136623B; AU4349572A; NL147790B; IE36418B1; FI53136C; SE373883B; BE785277A; FI53136B; DK136623C; FR2143231B1; JPS5225817B1; IL39698A0; LU65545A1; IT958597B; AT313013B; IE36418L; AU462078B2

Description

Fremgangsmåte for regulering av farging av overflaten Procedure for regulating the coloring of the surface

av en kromholdig legering. of a chromium-containing alloy.

Foreliggende oppfinnelse angår farging av rustfritt stål og av andre korrosjonsmotstandsdyktige kromholdige legeringer på basis av jern, kobolt eller nikkel ved enkel neddypping i vandige oppløsninger av kromsyre og svovelsyre med eller uten andre til-setninger, så som mangansulfat, f.eks. som beskrevet i brit. pat. The present invention relates to the coloring of stainless steel and other corrosion-resistant chromium-containing alloys based on iron, cobalt or nickel by simple immersion in aqueous solutions of chromic acid and sulfuric acid with or without other additives, such as manganese sulphate, e.g. as described in Brit. pat.

nr. 1 122 172 og nr. 1 122 17J. I disse prosesser blir forskjel-lige farger suksessivt dannet på metalloverflaten under proses- No. 1 122 172 and No. 1 122 17J. In these processes, different colors are successively formed on the metal surface during the process

sen., og fargene er avhengige av sammensetningen av legeringen. Således er fargen ved austenitiske nikkel-krom-stål og ferritiske kromstål typisk blå-gullaktig - magenta-grønn, mens man med marten-•sitiske stålarter bare får en begrenset rekke av mørke farger. sen., and the colors depend on the composition of the alloy. Thus, the color of austenitic nickel-chromium steel and ferritic chrome steel is typically blue-golden - magenta-green, while with martensitic steels you only get a limited range of dark colours.

Likegyldig hvilken fargerekke man får, er det funnet i praksis at det er vanskelig å fremstille reproduserbart en bestemt farge under hvilke som helst gitte betingelser da ikke bare fargen forandrer seg med neddyppingstiden av metallet i oppløsningen, men da også tiden som er nødvendig for at det skal dannes en bestemt farge, varierer under tilsynelatende uendrede betingelser. På grunn av den dype farging av selve de fargegivende oppløsninger er vir suell kontroll av fargingsprosessen upraktisk. Regardless of which color sequence is obtained, it has been found in practice that it is difficult to reproducibly produce a specific color under any given conditions, as not only does the color change with the immersion time of the metal in the solution, but also the time required for it to is to form a particular colour, varies under apparently unchanged conditions. Due to the deep staining of the staining solutions themselves, virtual control of the staining process is impractical.

Det er nå funnet at prosessen kan styres på en slik måte It has now been found that the process can be controlled in such a way

at man oppnår reproduserbart en ønsket farge ved å benytte seg av potensialforskjellen mellom overflaten av metallet som skal belegges, og en referanseelektrode. Denne potensialforskjell skal for enkelhets skyld betegnes som potensialet for metallet. that one achieves a desired color reproducibly by using the potential difference between the surface of the metal to be coated and a reference electrode. For the sake of simplicity, this potential difference shall be referred to as the potential for the metal.

Nærmere bestemt er det funnet at etter at metallet er neddyppet i fargningsoppløsningen, blir metallet i økende grad elektropositivt, slik at potensialet av metallet når det måles mot en mindre elektropositiv referanseelektrode, f.eks. en mettet kalomelelektrode eller en kvikksølvsulfat-elektrode, begynner å More specifically, it has been found that after the metal is immersed in the dye solution, the metal becomes increasingly electropositive, so that the potential of the metal when measured against a less electropositive reference electrode, e.g. a saturated calomel electrode or a mercuric sulphate electrode, begins to

øke. Fargingen begynner imidlertid ikke med en gang, men bare etter et tidsrom som kan variere fra noen få minutter til en halv time eller mere, og som representerer en slags innlednings- increase. However, the staining does not begin immediately, but only after a period of time that can vary from a few minutes to half an hour or more, and which represents a kind of initial

tid. Umiddelbart før filmen som er ansvarlig for fargens opp- time. Immediately before the film responsible for the color up-

treden, begynner å danne seg på metalloverflaten, passerer poten- the thread, begins to form on the metal surface, passes poten-

sialet eller potensialforandringen pr. tidsenhet gjennom et minimum. Potensialet ved hvilket dette skjer, vil for enkelhets skyld bli betegnet som infleksjonspotensial (potensial-vendepunkt), the sial or potential change per unit of time through a minimum. The potential at which this occurs will, for simplicity's sake, be termed the inflection potential (potential turning point),

da en kurve som viser forandringen av metallpotensialet med tiden vanligvis har et infleksjonspunkt ved dette punkt. I mange tilfeller synker graden av potensialforandringen til null, og potensialet kan til og med forbli konstant i flere minutter, hvil- as a curve showing the change of metal potential with time usually has an inflection point at this point. In many cases the rate of potential change drops to zero, and the potential may even remain constant for several minutes, rest-

ket gir en flat, rett linje i potensial-tid-kurven. ket gives a flat, straight line in the potential-time curve.

Hvis fargingen fortsetter over den fargerekke som er karakteristisk for det metall som farges, fortsetter potensialet å stige, og det når et maksimum som for enkelhets skyld betegnes som sluttpotensialet når fargingsprosessen er fullført. Deretter synker potensialet med noen få millivolt til en vesentlig konstant verdi. Hvis man lar metallet forbli i oppløsningen inntil dette If the dyeing continues over the color range characteristic of the metal being dyed, the potential continues to rise, and it reaches a maximum which, for convenience, is termed the final potential when the dyeing process is complete. Then the potential drops by a few millivolts to an essentially constant value. If one allows the metal to remain in the solution until this

punkt er nådd, finner man at overflatefilmen er forverret og blir pulverformet, og at det har funnet sted en alvorlig korrosjon av metalloverflaten. For rustfritt stål er forskjellen mellom inflek-sjonspotensielt og sluttpotensialet vanligvis mellom 25 og 35 millivolt. point is reached, it is found that the surface film has deteriorated and becomes powdery, and that severe corrosion of the metal surface has taken place. For stainless steel, the difference between the inflection potential and the final potential is usually between 25 and 35 millivolts.

Tre typiske kurver som viser forandringen med tiden av potensialet av tre prøver av l8# Cr - 8fo Ni-rustfritt stål, rnålt mot en mettet kalomelelektrode, er illustrert på fig. 1. Kurven 1 angår en prøve som ble elektropolert før neddyppingen, kurve 2 en prøve som ble utsatt for atmosfæren, og kurve J en prøve som ble termisk oskydert. Infleksjonspotensialet er definert av mini-mumet (A l) i kurven 1 og infleksjonspunktet av infleksjonen (A 2, A 3) i kurve 2 og 3. Skjønt kurvenes form er forskjellig, og skjønt verdien av infleksjonspotensialet og sluttpotensialet i forhold til referanseelektroden kan variere, er forskjellen mellom verdien av infleksjonspotensialet og sluttpotensialet den samme for hver prøve. Mellom infleksjonspotensialet og sluttpotensialet blir potensialet av metallet progressivt mere positivt mens fargingen skrider frem, og for en gitt kombinasjon av metallfargings-oppløsning og temperatur er økningen av potensialet fra infleksjonspotensialet til opptredenen av en bestemt farge konstant. Three typical curves showing the change with time of the potential of three samples of 18# Cr - 8fo Ni stainless steel, measured against a saturated calomel electrode, are illustrated in fig. 1. Curve 1 relates to a sample that was electropolished before immersion, curve 2 a sample that was exposed to the atmosphere, and curve J a sample that was thermally oxidized. The inflection potential is defined by the minimum (A l) in curve 1 and the inflection point of the inflection (A 2, A 3) in curves 2 and 3. Although the shape of the curves is different, and although the value of the inflection potential and the end potential in relation to the reference electrode may vary , the difference between the value of the inflection potential and the end potential is the same for each sample. Between the inflection potential and the end potential, the potential of the metal becomes progressively more positive as the dyeing proceeds, and for a given combination of metal staining solution and temperature, the increase in potential from the inflection potential to the appearance of a particular color is constant.

På grunnlag av disse oppdagelser bestemmer man først ifølge oppfinnelsen i et gitt system forandringen av potensialet fra infleksjonspotensialet til dannelsen av den ønskede farge ved å bruke en forsøksprøve av metallet som skal belegges. Deretter bestemmes potensialet av ytterligere prøver mens de belegges, og de fjernes fra oppløsningen når denne forhåndsbestemte potensial-forandring har funnet sted. On the basis of these discoveries, one first determines, according to the invention, in a given system the change of the potential from the inflection potential to the formation of the desired color by using a test sample of the metal to be coated. Then the potential of additional samples is determined as they are coated, and they are removed from the solution when this predetermined potential change has taken place.

Referanseelektroden kan være en kalomelelektrode eller en hvilken som helst standard referanseelektrode med en bro som er kjemisk stabil i kontakt med fargingsoppløsningen, f.eks. kvikk-sølv Avikksølvsulfat/5 molarsvovelsyre, men man foretrekker å bruke en referanseelektrode bestående av et stykke platinaark neddyppet i fargningsoppløsningen. Elektroden kan også bestå av titan. En del av metallet som farges og som har passert sluttpotensialet og nådd et stabilt potensial, kan også hensiktsmessig brukes som referanseelektrode, skjønt slike elektroder er utsatt for potensi-alf orandringer på ca. 1 millivolt og for alvorlig korrosjon. The reference electrode may be a calomel electrode or any standard reference electrode with a bridge that is chemically stable in contact with the staining solution, e.g. mercury Silver mercury sulphate/5 molar sulfuric acid, but one prefers to use a reference electrode consisting of a piece of platinum sheet dipped in the staining solution. The electrode can also consist of titanium. A part of the metal which is colored and which has passed the final potential and reached a stable potential, can also be suitably used as a reference electrode, although such electrodes are exposed to potential-alpha changes of approx. 1 millivolt and for severe corrosion.

Det vil forstås at skjønt potensialet av rustfritt stål er mer positivt enn potensialet av en mettet kalomelelektrode, er potensialet av en platinaelektrode ca. 150 millivolt mer positivt enn potensialet av rustfritt stål, slik at når man bruker en slik referanseelektrode, vil potensialet av metallet, som definert ovenfor, minske når metallet blir mer positivt, og de på It will be understood that although the potential of stainless steel is more positive than the potential of a saturated calomel electrode, the potential of a platinum electrode is approx. 150 millivolts more positive than the potential of stainless steel, so that when using such a reference electrode, the potential of the metal, as defined above, will decrease as the metal becomes more positive, and those on

fig. 1 viste kurver vil bli snudd om. Likegyldig hvilken elek- fig. 1 curves shown will be reversed. Regardless of which elec-

trode som brukes, er det meget viktig for måling av potensial-forsk jellen mellom referanseelektroden og prøven som skal farges, probe used, it is very important for measuring the potential difference between the reference electrode and the sample to be stained,

å bruke et voltmeter med en så høy impedans, f.eks. over IO<10> S\ to use a voltmeter with such a high impedance, e.g. over IO<10> S\

at strømmen bare er neglisjerbar da til og med en liten strøm- that the current is only negligible then even a small current-

mengde påvirker fargen av filmen som dannes på metallet. amount affects the color of the film that forms on the metal.

I det følgende gis et eksempel for bruken av oppfinnelsen In the following, an example is given for the use of the invention

til regulering av fargingen av rustfritt stål. for regulating the coloring of stainless steel.

En prøve bestående av en plate av rustfritt stål av type A sample consisting of a plate of stainless steel of type

304 ble neddyppet i en vandig -oppløsning inneholdende 250 g/l kromsyre, boeregnet som Cr(X, og 500 g/l svovelsyre ved en tempe- 304 was immersed in an aqueous solution containing 250 g/l chromic acid, calculated as Cr(X), and 500 g/l sulfuric acid at a temperature

råtur av 70 C. Potensialforskjellen mellom prøven og en referanseelektrode av platina neddyppet i oppløsningen, ble målt med et digital-voltmeter med høy impedans under gjennomføringen av fargingsprosessen. De observerte potensialforskjeller ble tegnet inn i forhold til tiden for å gi den på fig. 2 viste kurve. Som nevnt ovenfor, er denne kurve snudd om i forhold til fig. 1, og den viser klart infleksjonspotensialet ved A og sluttpotensialet ved B. temperature of 70 C. The potential difference between the sample and a platinum reference electrode immersed in the solution was measured with a high-impedance digital voltmeter during the dyeing process. The observed potential differences were plotted in relation to time to give it in fig. 2 curve shown. As mentioned above, this curve is reversed in relation to fig. 1, and it clearly shows the inflection potential at A and the end potential at B.

Samtidig observerte man fargene som ble dannet på over- At the same time, the colors that formed on the surface were observed

flaten av rustfritt stål, og de er også vist på tegningen. Det kan ses at ved et potensial fra 6 til 8 mV under punktet A dannet det seg en rekke blå-farger, fra 11 til 14 mV en rekke gull- surface of stainless steel, and they are also shown in the drawing. It can be seen that at a potential from 6 to 8 mV below point A a series of blue colors formed, from 11 to 14 mV a series of gold

farger, ved 15 mV en magentafarge og ved 17 mV en påfuglgrønn farge. colors, at 15 mV a magenta color and at 17 mV a peacock green color.

Når man erstattet det første stålstykke med en annen lign- When replacing the first piece of steel with another equal-

ende prøve som ble neddyppet inntil de viste potensialforandrin- end sample that was immersed until they showed potential changes

ger fra punktet A har funnet sted, fant man at 'de dannede farger var som forutsagt, skjønt den aktuelle potensialforskjell mellom metalloverflaten og referanseelektroden svarende til punkt A ikke var nøyaktig den samme i de to tilfeller. ger from point A has taken place, it was found that the colors formed were as predicted, although the relevant potential difference between the metal surface and the reference electrode corresponding to point A was not exactly the same in the two cases.

Formen av kurven er ikke avhengig av referanseelektroden, The shape of the curve does not depend on the reference electrode,

men med forandringen av elektroden kan hele kurven bevege seg opp og ned langs ordinatskalaen, eller den kan være.snudd om, som nevnt tidligere, skjønt potensialforandringen fra punktet A for dannelsen av en gitt farge forblir den samme. 'Små forandringer but with the change of the electrode the whole curve may move up and down along the ordinate scale, or it may be reversed, as mentioned before, though the change of potential from the point A for the formation of a given color remains the same. 'Small changes

av sammensetningen og arbeidstemperaturen av en oppløsning av den art som kan forekomme under den daglige bruk av oppløsningen, har ingen eller liten virkning på potensialforandringen som er knyt- of the composition and working temperature of a solution of the kind that can occur during the daily use of the solution, has no or little effect on the potential change that is associated

tet til en bestemt farge, men formen av kurven kan variere bety- to a certain color, but the shape of the curve can vary significantly

delig med slike forandringer. happy with such changes.

Farger erholdt nær enden av fargerekken, dvs. nær sluttpotensialet (punkt B), er vanskeligere reproduserbare da fargen forandrer seg hurtigere når potensialet over infleksjonspunktet (punkt A) øker. Dessuten begynner filmen å gå i stykker når man nærmer seg sluttpotensialet, med det resultat at man får et dår-ligere produkt. Colors obtained near the end of the color range, i.e. near the final potential (point B), are more difficult to reproduce as the color changes more rapidly when the potential above the inflection point (point A) increases. Also, the film begins to break down as you approach the end potential, resulting in a poorer product.

Under gjennomføringen av oppfinnelsen bør man registrere potensialet av metallet kontinuerlig ved hjelp av et registrerings-apparat forbundet med voltmeteret. Infleksjonspotensialet kan da bestemmes visuelt på grunnlag av registreringen. Infleksjonspotensialet kan også bestemmes direkte ved hjelp av et passende voltmeter. During the implementation of the invention, the potential of the metal should be recorded continuously by means of a recording device connected to the voltmeter. The inflection potential can then be determined visually on the basis of the recording. The inflection potential can also be determined directly using a suitable voltmeter.

Dersom infleksjonen i potensialforandringen i forhold til tiden er uklar, kan det være fordelaktig å utsette metallet for en behandling som fjerner overflatefilmen, f.eks. en anodisk behandling i en syreelektrolytt, f.eks. fortynnet svovelsyre, If the inflection in the potential change in relation to time is unclear, it may be advantageous to subject the metal to a treatment that removes the surface film, e.g. an anodic treatment in an acid electrolyte, e.g. dilute sulfuric acid,

før man begynner med fargingsprosessen. before starting the dyeing process.

Generelt omfatter de kromholdige metaller som kan farges In general, they include chrome-containing metals that can be colored

i samsvar med oppfinnelsen, både kromholdig rustfritt stål og korrosjonsmotstandsdyktige, kromholdige legeringer utenom stål på hvilke det kan dannes filmer som deretter kan herdnes til-fredsstillende ad katodisk vei. Disse legeringer inneholder vanligvis ca. 12,5 vektprosent krom og omfatter jernbaserte nikkel-krom-molybdenlegeringer, så som en legering inneholdende 37$ nikkel, 18$ krom, 5$ molybden, 1,2$ titan og 1,2$ aluminium, koboltbaserte legeringer så som en legering inneholdende 21$ in accordance with the invention, both chromium-containing stainless steel and corrosion-resistant, chromium-containing alloys other than steel on which films can be formed which can then be hardened satisfactorily by cathodic means. These alloys usually contain approx. 12.5 weight percent chromium and includes iron-based nickel-chromium-molybdenum alloys, such as an alloy containing 37$ nickel, 18$ chromium, 5$ molybdenum, 1.2$ titanium and 1.2$ aluminum, cobalt-based alloys such as an alloy containing 21$

krom, 21$ nikkel og 13$ molybden, og nikkel-kromlegeringer, så chromium, 21$ nickel and 13$ molybdenum, and nickel-chromium alloys, so

som en legering inneholdende 30$ krom og 1$ titan, idet resten er nikkel. Betegnelsen "rustfritt stål" omfatter i beskrivel- as an alloy containing 30$ chromium and 1$ titanium, the rest being nickel. The term "stainless steel" includes descriptive

sen og i patentkravene jernbaserte legeringer som inneholder mer enn ca. 11$ og opp til ca. 30$ krom. late and in the patent claims iron-based alloys containing more than approx. 11$ and up to approx. 30$ chrome.

Hvis den elektriske forbindelse mellom metallet som farges, og voltmeteret er utsatt for fargingsoppløsningen, må den selv-sagt ha den samme sammensetning som det fargede metall,og hver-ken den elektriske forbindelse eller utliggeren som bærer prøven, kan ha en ved prosessen dannet fargefilm, da dette ville gjøre avlesningen av potensialet uriktig. Hvis flere gjenstander av samme materiale og med samme overflatetilstand skal farges samtidig i ett bad, kan de forbindes med rene ledere med den samme sammensetning, f.eks. med en felles utligger, og det blir da bare nødvendig å registrere potensialet av hele gjenstand-aggre-gatet. If the electrical connection between the metal being colored and the voltmeter is exposed to the coloring solution, it must of course have the same composition as the colored metal, and neither the electrical connection nor the cantilever carrying the sample can have a color film formed by the process , as this would make the reading of the potential incorrect. If several objects of the same material and with the same surface condition are to be dyed at the same time in one bath, they can be connected with clean conductors of the same composition, e.g. with a common outrigger, and it then only becomes necessary to register the potential of the entire object-aggre street.

Det ble i visse fersk-fremstilte kromsyre/svovelsyre-fargingsoppløsninger konstatert at forholdet mellom potensialet og tiden ikke er så jevnt som på vedføyde tegninger. Ved ut-førelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen bør man derfor "innkjøre" fargingsbadet ved å farge skrapmetallprøver eller ved direkte elektrolyse inntil man oppnår en jevn kurve. It was found in certain freshly prepared chromic acid/sulphuric acid staining solutions that the relationship between potential and time is not as uniform as in the attached drawings. When carrying out the method according to the invention, one should therefore "run in" the dyeing bath by dyeing scrap metal samples or by direct electrolysis until a smooth curve is obtained.

Claims

1. Method for regulating the coloring of the surface of a chromium-containing alloy, e.g. stainless steel, by immersion in an aqueous solution of chromic acid and sulfuric acid, characterized by recording the potential difference between the surface of the alloy to be colored and a reference electrode, of e.g. platinum or titanium, and that the alloy is removed from the solution when this potential difference has changed from the inflection potential by a predetermined value associated with the desired color.

2. Method according to claim 1, characterized in that the potential difference between the surface of the alloy and the reference electrode is continuously recorded.