TW201313955A - 不銹鋼表面之處理方法 - Google Patents

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Abstract

一種不銹鋼表面處理之方法，包含下列步驟。首先製備酸性混合溶液，其鎂離子與鐵離子([Mg2+]/[Fe3+])之莫耳比為40至70，再將不銹鋼樣品浸入酸性混合溶液中，之後持續通入二氧化碳氣體於酸性混合溶液中，以於不銹鋼樣品之表面形成微細結晶層。在形成微細結晶層的同時，製備鹼性碳酸水；再將具微細結晶層之不銹鋼樣品浸入鹼性碳酸水中，使微細結晶層成長、厚度增加。不銹鋼表面的保護層為無機層狀雙層氫氧化物，其中無機層狀雙層氫氧化物為鎂-鐵層狀雙層氫氧化物，且無機層狀雙層氫氧化物之中間層離子為碳酸根。

Description

不銹鋼表面之處理方法
本發明是有關於一種鋼鐵表面之處理方法，特別是有關於一種利用無機層狀雙層氫氧化物(layered double hydroxide；LDH)處理不銹鋼表面之方法。
不銹鋼具有獨特的強度、較高的耐磨性、優越的防腐性能及不易生銹等優良的特性，故廣泛應用於化工、食品機械、機電、環保、家用電器及家庭裝潢等行業。
由於不銹鋼具有特殊的金相組織和表面鈍化膜，使其在一般情況下較難與介質發生化學反應而被腐蝕，但若在腐蝕介質和誘因(如劃傷、飛濺、割渣等)存在的條件下，不銹鋼還是會與腐蝕介質發生緩慢的化學和電化學反應而被腐蝕。
在不銹鋼產品的加工作業過程中，可藉由表面處理的方法以減少腐蝕的情況產生。目前常見的不銹鋼表面處理方法有表面本色白化處理、表面鏡面光亮處理和表面著色處理等方法。其中，表面著色處理不僅賦予不銹鋼製品各種顏色，增加產品的花色品種，並可提高產品耐磨性和耐腐蝕性。
不銹鋼著色方法有化學氧化著色法、電化學氧化著色法、離子沉積氧化物著色法、高溫氧化著色法和氣相裂解著色法等。化學氧化著色法係在特定溶液中，透過化學氧化形成膜的顏色，有重鉻酸鹽法、混合鈉鹽法、硫化法、酸性氧化法和鹼性氧化法。電化學著色法是在特定溶液中，透過電化學氧化形成膜的顏色。離子沉積氧化物著色法化學法是將不銹鋼工件放在真空鍍膜機中進行真空蒸發鍍，此種方法適用於大批量產品加工。高溫氧化著色法則是在特定的熔鹽中，浸入不銹鋼並保持一定的工藝參數，使工件形成一定厚度氧化膜，而呈現出各種不同色澤。氣相裂解著色法因較為複雜，在工業中的應用較少。
不銹鋼的表面處理技術發展可影響不銹鋼的應用，因此，發展良好的表面處理方法使不銹鋼具更佳的抗腐蝕性，可增長不銹鋼的使用時間，也可擴展其應用層面。
因此，本發明之一態樣是在提供一種不銹鋼表面處理之方法。首先製備酸性混合溶液，酸性混合溶液之鎂離子與鐵離子([Mg2+]/[Fe3+])的莫耳比為40至70，再將不銹鋼樣品浸入酸性混合溶液中，之後持續通入二氧化碳氣體於酸性混合溶液中，於50℃至75℃反應0.5至3小時，以於不銹鋼樣品之表面形成微細結晶層。
在反應的同時，製備鹼性碳酸水，其中鹼性碳酸水之pH值為8.0至10.0。接著，將形成微細結晶層之不銹鋼樣品浸入鹼性碳酸水中，於50℃至75℃反應10至22小時，使微細結晶層成長、增厚並緻密化。最終，於不銹鋼樣品之表面形成無機層狀雙層氫氧化物，其中此無機層狀雙層氫氧化物為鎂-鐵層狀雙層氫氧化物，且無機層狀雙層氫氧化物之中間層離子為碳酸根。
依照本發明之一實施方式，上述酸性混合溶液包括氫氧化鎂及三氯化鐵。
依照本實施方式之一實施例，上述製備酸性混合溶液之步驟更包含利用鹽酸調整酸性混合溶液之pH值，使酸性混合溶液之pH值為0.2至1.5。
依照本實施方式之一實施例，上述形成微細結晶層之步驟係使不銹鋼樣品在酸性混合溶液中於70℃反應2小時。
依照本實施方式之一實施例，上述二氧化碳氣體係以2.0 kPa至4.5 kPa之壓力通入酸性混合溶液中。
依照本實施方式之一實施例，上述製備鹼性碳酸水之步驟更包含通入二氧化碳氣體於去離子水中，以形成pH 4.0至4.5之碳酸水，再調整碳酸水之pH值達8.0至10.0，以形成鹼性碳酸水。
依照本實施方式之一實施例，其中上述碳酸水係利用氫氧化鈉水溶液調整，以形成鹼性碳酸水。
依照本實施方式之一實施例，其中上述酸性混合溶液之鎂離子與鐵離子([Mg2+]/[Fe3+])之莫耳比為51.78。
本發明之另一態樣是在提供一種具有無機層狀雙層氫氧化物之不銹鋼，其係利用上述方法所製得。
根據上述可知，本發明之特點在於利用鎂-鐵層狀雙層氫氧化物形成於不銹鋼之表面而產生保護層，使不銹鋼具有良好的抗腐蝕特性。
本發明是以含鎂離子和鐵離子的酸性混合溶液作為使層狀雙層氫氧化物形成於不銹鋼之表面而產生耐腐蝕層的處理液；不銹鋼置入上述溶液後，再開始通入大量的二氧化碳氣體，增加不銹鋼表面所形成的層狀雙層氫氧化物，使得不銹鋼的抗腐蝕性提高。
請參照第1圖，為依照本發明一實施例之不銹鋼表面之處理方法100的步驟流程圖。
步驟110為製備酸性混合溶液，此酸性混合溶液之鎂離子與鐵離子([Mg2+]/[Fe3+])的莫耳比為40至70。
根據本發明之一實施例，此酸性混合溶液包括氫氧化鎂及三氯化鐵，更包含添加鹽酸調整酸性混合溶液之pH值為0.2至1.5，可促進氫氧化鎂之溶解。
步驟120為將不銹鋼樣品浸入酸性混合溶液中之後，再開始通入二氧化碳氣體於此酸性混合溶液中以進行反應，使不銹鋼樣品之表面形成微細結晶層。
根據本發明之一實施例，二氧化碳氣體係以2.0 kPa至4.5 kPa之壓力通入酸性混合溶液中，使不銹鋼樣品於50℃至75℃反應0.5至3小時，以在不銹鋼樣品的表面形成微細結晶層。
二氧化碳氣體可提供碳酸根離子(CO3 2-)，此時所形成之微細結晶層包含鎂離子(Mg2+)、鐵離子(Fe3+)和碳酸根離子，其形成於不銹鋼樣品之表面，而為一層黑色的表面膜，可參照第2圖，其為依照本發明一實施例之不銹鋼表面形成微細結晶層圖。
步驟130為製備鹼性碳酸水，此鹼性碳酸水之pH值為8.0至10.0。
根據本發明之一實施例，製備鹼性碳酸水之步驟更包含通入二氧化碳氣體於去離子水中，以形成pH 4.0至4.5之碳酸水。之後，再調整此碳酸水之pH值達8.0至10.0，而形成鹼性碳酸水。在一例示中，係利用氫氧化鈉水溶液調整碳酸水，以形成鹼性碳酸水。
步驟140為將形成微細結晶層之不銹鋼樣品浸入鹼性碳酸水中，使微細結晶層成長、增厚，而成為具備抗腐蝕能力的保護層。此保護層為無機層狀雙層氫氧化物。
根據本發明之一實施例，將上述不銹鋼樣品浸入鹼性碳酸水中，於50℃至75℃反應10至22小時，其中上述無機層狀雙層氫氧化物為透明的鎂-鐵層狀雙層氫氧化物，且此無機層狀雙層氫氧化物之中間層離子為碳酸根。
根據本發明之不銹鋼表面處理方法，持續通入二氧化碳氣體於酸性混合溶液，二氧化碳氣體所提供的碳酸根離子會影響其後於不銹鋼表面所形成之無機層狀雙層氫氧化物的保護層，進而影響不銹鋼的抗腐蝕性。
請參照表一，為經表面處理前後之不銹鋼極化測試結果。其係利用動電位極化法測試不銹鋼的抗腐蝕性，此技術為習知評估材料抗腐蝕性的方法，故在此不另加贅述。
以SUS-316L型不銹鋼為樣品，0.5M硫酸水溶液為極化溶液，掃描速率為0.5 mV/sec進行抗腐蝕性的測試。表一中不銹鋼樣品的表面處理流程為先溶解14克的氫氧化鎂及1.26克的三氯化鐵於350毫升的去離子水中，並添加鹽酸調整pH值至0.5以促進氫氧化鎂溶解，而形成酸性混合溶液，其中鎂離子與鐵離子([Mg2+]/[Fe3+])之莫耳比為51.78。接著，將不銹鋼樣品浸入酸性混合溶液，分別持續通入不同壓力(例如0 kPa、2.5 kPa、3.5 kPa和4.0 kPa)之二氧化碳氣體，於70℃反應2小時，以於不銹鋼樣品之表面形成微細結晶層。
在形成微細結晶層的同時，製備鹼性碳酸水，其係通入二氧化碳氣體於去離子水中，直至形成pH值為4.3的碳酸水。接著，加入氫氧化鈉水溶液，調整碳酸水的pH值達9.5，而形成鹼性碳酸水。
將形成微細結晶層之不銹鋼樣品浸入鹼性碳酸水中，於70℃反應20小時後，晾乾即完成表面處理。
表一中腐蝕電流的大小表示不銹鋼腐蝕速率的快慢。由表一可知，二氧化碳通氣量增高，會使經表面處理後的不銹鋼樣品於0.5M硫酸溶液中的腐蝕速率明顯降低。其中，通入4.0 kPa二氧化碳的不銹鋼樣品，其腐蝕速率較未經表面處理之SUS-316L不銹鋼低約1個數量級。
由本發明上述實施方式可知，應用本發明的不銹鋼表面處理方法，其優點在於利用鎂-鐵層狀雙層氫氧化物形成於不銹鋼之表面，而產生一保護層，使不銹鋼在嚴苛的環境下，仍具有良好的抗腐蝕特性。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100．．．不銹鋼表面之處理方法
110．．．步驟
120．．．步驟
130．．．步驟
140．．．步驟
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：
第1圖為依照本發明一實施例之不銹鋼表面之處理方法100的步驟流程圖。
第2圖為依照本發明一實施例之不銹鋼表面形成微細結晶層圖。
100．．．不銹鋼表面之處理方法
110．．．步驟
120．．．步驟
130．．．步驟
140．．．步驟

Claims (11)

  1. 一種不銹鋼表面處理之方法，包含：製備一酸性混合溶液，其中該酸性混合溶液之鎂離子與鐵離子([Mg2+]/[Fe3+])之莫耳比為40至70；將一不銹鋼樣品浸入該酸性混合溶液後，持續通入二氧化碳氣體於該酸性混合溶液中，於50℃至75℃反應0.5至3小時，以於該不銹鋼樣品之一表面形成微細結晶層；製備一鹼性碳酸水，其中該鹼性碳酸水之pH值為8.0至10.0；以及將形成該微細結晶層之該不銹鋼樣品浸入該鹼性碳酸水中，於50℃至75℃反應10至22小時，使該微細結晶層形成無機層狀雙層氫氧化物，其中該無機層狀雙層氫氧化物為鎂-鐵層狀雙層氫氧化物，且該無機層狀雙層氫氧化物之一中間層離子為碳酸根。
  2. 如請求項1所述不銹鋼表面處理之方法，其中該酸性混合溶液之鎂離子與鐵離子([Mg2+]/[Fe3+])之莫耳比為51.78。
  3. 如請求項1所述不銹鋼表面處理之方法，其中該酸性混合溶液包括氫氧化鎂及三氯化鐵。
  4. 如請求項3所述不銹鋼表面處理之方法，其中製備該酸性混合溶液之步驟更包含：利用鹽酸調整該酸性混合溶液之pH值，使該酸性混合溶液之pH值為0.2至1.5。
  5. 如請求項1所述不銹鋼表面處理之方法，其中形成該微細結晶層之步驟係使該不銹鋼樣品在該酸性混合溶液中於70℃反應2小時。
  6. 如請求項1所述不銹鋼表面處理之方法，其中該二氧化碳氣體係以2.0 kPa至4.5 kPa之壓力通入該酸性混合溶液中。
  7. 如請求項1所述不銹鋼表面處理之方法，其中製備該鹼性碳酸水之步驟更包含：通入二氧化碳氣體於去離子水中，以形成pH 4.0至4.5之碳酸水；以及調整該碳酸水之pH值達8.0至10.0，以形成該鹼性碳酸水。
  8. 如請求項7所述不銹鋼表面處理之方法，其中該碳酸水之pH值為4.3。
  9. 如請求項7所述不銹鋼表面處理之方法，其中該鹼性碳酸水之pH值為9.5。
  10. 如請求項7所述不銹鋼表面處理之方法，其中該碳酸水係利用氫氧化鈉水溶液調整，以形成該鹼性碳酸水。
  11. 一種具有無機層狀雙層氫氧化物之不銹鋼，其係利用請求項1至請求項10之任一項所述的方法製得。
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