專利名稱：一種不銹鋼電化學(xué)著色工藝及所用的著色溶液的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于建筑、家電、汽車和裝潢的不銹鋼電化學(xué)著色工藝及所用的著色溶液，屬于不銹鋼電化學(xué)著色工藝及所用的著色溶液的創(chuàng)新技術(shù)。
背景技術(shù)：
彩色不銹鋼的工業(yè)化生產(chǎn)最早是起源于1973年英國(guó)INCO公司，該公司主要采用在高濃度鉻酸和硫酸溶液中及在80℃的中溫下浸漬不銹鋼，通過控制浸漬時(shí)間長(zhǎng)短，在其表面生成不同厚度的Cr2O3氧化膜。這種膜本身是半透明的，其表面反射的光波與通過膜層再由不銹鋼表面反射回的光波產(chǎn)生干涉，有效控制膜厚度就可以生產(chǎn)不同干涉顏色(Interference Color)的產(chǎn)品。日本彩色不銹鋼主要生產(chǎn)廠家之一的新日鐵南洋制作所也是采用這樣方法生產(chǎn)的。由于該法需在80℃的中溫下，采用2.5mol·L-1鉻酸+5.0mol·L-1硫酸的混酸溶液進(jìn)行著色處理，存在生產(chǎn)環(huán)境惡劣、處理溶液失效快和廢酸處理費(fèi)用大等問題，著色后尚需進(jìn)行整膜強(qiáng)化工藝(通稱二步法，即先著色后整膜的二道工序)。
很多學(xué)者對(duì)INCO公司的上述方法進(jìn)行了改進(jìn)研究，在著色液中加入多種添加劑，改善了著色膜的質(zhì)量。著色溫度在50℃以上，著色后還是需進(jìn)行著色膜強(qiáng)化的工序。還有些采用交流方波電解法來研究彩色不銹鋼的著色工藝，因?yàn)槭褂脤?duì)稱交流方波，著色溫度在50～55℃之間，著色后同樣需要進(jìn)行膜強(qiáng)化的工序。
上述不銹鋼著色方法得到的彩色膜層薄，硬度低而疏松，不能滿足耐磨性和耐蝕性要求，而且出現(xiàn)顯色范圍窄和生產(chǎn)控制顏色不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，難以生產(chǎn)顏色和色調(diào)一致的高品質(zhì)不銹鋼產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述缺點(diǎn)而提供一種工藝簡(jiǎn)單、小污染，著色穩(wěn)定，可靠性和控制精度高的不銹鋼電化學(xué)著色工藝。用本發(fā)明的著色工藝可生產(chǎn)滿足性能要求的顏色和色調(diào)一致的高品質(zhì)不銹鋼產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種價(jià)格便宜，污染少的不銹鋼電化學(xué)著色工藝所用的著色溶液。
本發(fā)明的工藝流程圖如圖2所示，本發(fā)明的不銹鋼電化學(xué)著色工藝包括有如下步驟1)將不銹鋼半成品進(jìn)行前處理；2)將不銹鋼半成品放在著色溶液中進(jìn)行著色處理，控制著色電位、電流、時(shí)間及著色時(shí)間；3)著色后進(jìn)行水洗干燥，得到成品。
上述步驟2)中控制的著色電流Imax為1.0mA/cm2～3.0mA/cm2；Imin為-0.81mA/cm2～2.0mA/cm2；兩電流三角波峰或波谷的時(shí)間間隔て為25.0s～250.0s；著色時(shí)間為2min～40min；溫度為5℃～90℃。
上述著色過程的電極材料為不銹鋼。
本發(fā)明不銹鋼電化學(xué)著色工藝所用的著色溶液，包括有H2SO4、CrO3。
上述H2SO4與CrO3的比例為H2SO4∶CrO3＝1∶0.1～2.5。
本發(fā)明的不銹鋼電化學(xué)著色工藝，在著色過程中已經(jīng)包含硬化的處理操作，不需要另設(shè)常規(guī)工藝的著色膜硬化處理工序，大大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝程序，節(jié)省投資和降低磷酸廢液的處理費(fèi)用，減小廢液的污染。另外，本發(fā)明著色液混合酸濃度低，給環(huán)境造成的污染減少，毒性降低，而且反應(yīng)溫度低，在低溫下便可著色，甚至在室溫下就可以達(dá)到滿意效果，可以得到顏色均勻和亮度高的產(chǎn)品，從而節(jié)約能耗，降低溶液蒸發(fā)，有利于操作工人的健康。本發(fā)明還通過調(diào)節(jié)電化學(xué)著色的其它工藝參數(shù)，使電化學(xué)著色膜的顏色更穩(wěn)定，亮度更高，更均勻，以滿足產(chǎn)品的更高要求。本發(fā)明的著色工藝簡(jiǎn)單、小污染，著色穩(wěn)定，可靠性和控制精度高，用本發(fā)明的著色工藝可生產(chǎn)滿足性能要求的顏色和色調(diào)一致的高品質(zhì)不銹鋼產(chǎn)品。本發(fā)明的不銹鋼電化學(xué)著色工藝所用的著色溶液價(jià)格便宜，污染少。


圖1是不銹鋼著色膜形成彩色的原理圖；圖2是不銹鋼電化學(xué)著色工藝的流程圖；圖3是不銹鋼在溶液中著色過程的原理圖；圖4是干涉膜厚與著色時(shí)間的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明不銹鋼著色膜形成彩色的原理圖如圖1所示，由于光入射到膜表面，產(chǎn)生反射和折射，折射光經(jīng)過不銹鋼基材的反射，與膜的反射光產(chǎn)生干涉條紋，從而形成彩色效果。
圖2是本發(fā)明不銹鋼電化學(xué)著色工藝流程圖，包括有如下步驟1)將不銹鋼半成品進(jìn)行前處理；2)將不銹鋼半成品放在著色溶液中進(jìn)行著色處理，控制著色電位、電流、時(shí)間及著色時(shí)間；3)著色后進(jìn)行水洗干燥，得到成品。
上述步驟2)中控制的著色電流Imax為1.0mA/cm2～3.0mA/cm2；Imin為-0.81mA/cm2～2.0mA/cm2；兩電流三角波峰或波谷的時(shí)間間隔て為25.0s～250.0s；著色時(shí)間為2min～40min；溫度為5℃～90℃。
本發(fā)明不銹鋼電化學(xué)著色工藝中使用包含多參數(shù)的電源和控溫儀。
上述著色過程的電極材料為1Cr18Ni9、1Cr17Ni8和1Cr17Ni7等常用奧氏體不銹鋼。
本發(fā)明不銹鋼電化學(xué)著色工藝所用的著色溶液包括有H2SO4、CrO3。
上述H2SO4與CrO3的比例為H2SO4∶CrO3＝1∶0.1～2.5。
圖3是不銹鋼在溶液中著色過程的原理圖。其中有反應(yīng)為(反應(yīng)式1)(反應(yīng)式2)(反應(yīng)式3)M為Fe、Ni、Mn、Mo、Cu等。
不銹鋼在溶液中形成的干涉膜厚與著色時(shí)間有關(guān)，不銹鋼膜的彩色效果與膜成分和膜厚有著密切關(guān)系，因此，嚴(yán)格控制膜的厚度，可以得到所需要的膜顏色、顏色的均勻性和要求的亮度。
圖4是干涉膜厚與著色時(shí)間關(guān)系曲線。由于本發(fā)明不銹鋼電化學(xué)著色膜的形成過程是一個(gè)溶解和著色沉積同時(shí)存在的過程?？刂浦练e速度大于溶解速度，則形成著色膜；控制溶解速度大于著色沉積速度，則基材溶解，起到拋光作用。對(duì)于需要反著色的工件可以開始時(shí)溶解速度大于著色沉積速度，一定時(shí)間后再調(diào)節(jié)著色沉積速度大于溶解速度，進(jìn)行著色。
這樣溶解—著色沉積同時(shí)存在得到的著色膜厚在相同時(shí)間下，比常規(guī)工藝得到膜厚要薄，但著色膜附著力和亮度更好。因?yàn)榇诉^程得到的膜形成速度慢，致密；常規(guī)工藝的著色過程只是著色沉積過程，沒有溶解過程，形成膜速度快，但比本發(fā)明著色膜的結(jié)合力要弱，顏色深淺差異明顯。
圖4中，曲線1是常規(guī)著色的干涉膜厚與時(shí)間關(guān)系，曲線2是0.5mol/L CrO3+5.0mol/L H2SO4在60度下的干涉膜厚與時(shí)間關(guān)系，曲線3是2.5mol/L CrO3+2.5mol/L H2SO4在60度下的干涉膜厚與時(shí)間關(guān)系，曲線4是2.5mol/L CrO3+5.0mol/L H2SO4在25度下的干涉膜厚與時(shí)間關(guān)系，曲線5是0.5mol/L CrO3+5.0mol/L H2SO4在25度下的干涉膜厚與時(shí)間關(guān)系。著色電流均為Imax，2.0mA/cm2；Imin，-0.81mA/cm2；兩電流三角波峰(谷)之間時(shí)間間隔て，2.5s?？煽吹?，常規(guī)工藝在15min左右就達(dá)到膜厚的最大值，達(dá)到250nm，隨時(shí)間延長(zhǎng)，膜逐漸減薄。而本發(fā)明的不同溶液組成和條件下的著色膜隨時(shí)間增加，膜厚增加幅度沒有常規(guī)工藝的快，到35min還沒有達(dá)到最大值。
實(shí)施例1本發(fā)明用于手表外部裝飾用的1Cr18Ni9不銹鋼彩色著色，將溶液配制好后，在恒溫水浴中加熱到所需溫度，按照上述工藝完成著色過程。干燥后進(jìn)行顏色觀測(cè)和評(píng)定。
1Cr18Ni9不銹鋼成分如下表表1 1Cr18Ni9奧氏體不銹鋼化學(xué)成分(wt％)CSi Mn Ni Cr Cu MoN0.068 0.57 1.08 8.64 18.360.08 0.040.027a)S＞0.007，P＜0.025。
不銹鋼中各金屬在著色過程中溶解的反應(yīng)式如上述反應(yīng)式2，在不銹鋼表面形成各自的金屬氧化膜(MpCrqOr)，形成了彩色膜以后也是溶解與形成存在的過程。
本實(shí)施例按圖4曲線1的電化學(xué)著色工藝參數(shù)對(duì)手表外部裝飾用的不銹鋼進(jìn)行電化學(xué)著色。著色時(shí)間為5.0min得到的顏色為不均勻的中藍(lán)色，著色時(shí)間為7.5min得到的顏色為深藍(lán)色，著色時(shí)間為10.0min得到的顏色為不均勻的中金色，著色時(shí)間為15.0min得到的顏色為淺藍(lán)色，著色時(shí)間為17.5min得到的顏色為中藍(lán)色，著色時(shí)間為20.0min得到的顏色為不均勻淺金色，著色時(shí)間為25.0min得到的顏色為中藍(lán)色，著色時(shí)間為30.0min得到的顏色為深藍(lán)色，著色時(shí)間為35.0min得到的顏色為中藍(lán)色。著色顏色有呈現(xiàn)周期出現(xiàn)的特征，但周期重現(xiàn)性差，而且顏色不均勻，彩色膜顏色較暗。
實(shí)施例2本實(shí)施例按圖4曲線2的電化學(xué)著色工藝參數(shù)對(duì)手表外部裝飾用的不銹鋼進(jìn)行電化學(xué)著色。著色時(shí)間為5.0min得到的顏色為不均勻的淺藍(lán)色，著色時(shí)間為10.0min得到的顏色為均勻和光亮的深藍(lán)色，著色時(shí)間為15.0min得到的顏色為均勻和光亮的中藍(lán)色，著色時(shí)間為20.0min得到的顏色為均勻和光亮的淺藍(lán)色，著色時(shí)間為25.0min得到的顏色為均勻和光亮的淺金色，著色時(shí)間為30.0min得到的顏色為均勻的淺紅色，著色時(shí)間為35.0min得到的顏色為均勻和光亮的中紅色?？梢钥闯?，著色的顏色種類要比常規(guī)著色的多，膜顏色的均勻性和光亮度比常規(guī)的都要好，而且，顏色重現(xiàn)的周期要長(zhǎng)，這樣顏色變化的慢，有利于控制所需的顏色。
實(shí)施例3本實(shí)施例的電化學(xué)著色溶液為2.5mol/L CrO3+5.0mol/L H2SO4；著色電流Imax為2.0mA/cm2；Imin為-0.81mA/cm2；著色時(shí)間為10min；溫度為25度。當(dāng)兩電流三角波峰(谷)之間時(shí)間間隔て為125.0s時(shí)，得到金色的著色膜；當(dāng)兩電流三角波峰(谷)之間時(shí)間間隔て為25.0s時(shí)，得到也是金色的著色膜；當(dāng)兩電流三角波峰(谷)之間時(shí)間間隔て為2.50s時(shí)，得到金色的著色膜，略帶紅色；當(dāng)兩電流三角波峰(谷)之間時(shí)間間隔て為1.25s時(shí)，得到紅色的著色膜；不銹鋼經(jīng)著色處理后，所顯示的彩色并非是由于不銹鋼表面形成了彩色的著色膜，而是由于形成的透明著色膜產(chǎn)生了干涉作用，由于不銹鋼表面著色膜表面的反射光線與透過表面著色膜的折射光線產(chǎn)生干涉，因而顯示出各種不同的顏色。不同不銹鋼由于成分不同，形成著色膜的成分液不同，產(chǎn)生干涉色的色彩會(huì)不同；相同不銹鋼由于形成著色膜的厚度不同，折射率不同，產(chǎn)生干涉色的色彩也會(huì)不同。即使相同的不銹鋼和著色膜的厚度一樣，隨著入射光角度的改變，不銹鋼表面干涉色的色彩也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。
本發(fā)明不銹鋼電化學(xué)著色是溶解與著色沉積同時(shí)存在的過程。本發(fā)明的不銹鋼電化學(xué)著色多參數(shù)電源裝置通過調(diào)節(jié)輸出波形、波形頻率和波形高度，控制著色電位和電流。著色時(shí)電位和電流控制在著色電位和電流振動(dòng)范圍內(nèi)，保證溶解的小于著色沉積的，達(dá)到不銹鋼的彩色著色目的。若溶解的大于著色沉積的，起到表面拋光作用；本發(fā)明得到的這個(gè)電位和電流振動(dòng)范圍是較寬的，易于控制的。這樣就大大提高了著色控制的可靠性和可操作性。
權(quán)利要求
1.一種不銹鋼電化學(xué)著色工藝，其特征在于包括有如下步驟1)將不銹鋼半成品進(jìn)行前處理；2)將不銹鋼半成品放在著色溶液中進(jìn)行著色處理，控制著色電位、電流、時(shí)間及著色時(shí)間；3)著色后進(jìn)行水洗干燥，得到成品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼電化學(xué)著色工藝，其特征在于上述步驟2)中控制的著色電流Imax為1.0mA/cm2～3.0mA/cm2；Imin為-0.81mA/cm2～2.0mA/cm2；兩電流三角波峰或波谷的時(shí)間間隔て為25.0s～250.0s；著色時(shí)間為2min～40min；溫度為5℃～90℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼電化學(xué)著色工藝，其特征在于上述著色過程的電極材料為1Cr18Ni9、1Cr17Ni8和1Cr17Ni7等不銹鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼電化學(xué)著色工藝所用的著色溶液，其特征在于包括有H2SO4、CrO3。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的不銹鋼電化學(xué)著色工藝所用的著色溶液，其特征在于上述H2SO4與CrO3的比例為H2SO4∶CrO3＝1∶0.1～2.5。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于建筑、家電、汽車和裝潢的不銹鋼電化學(xué)著色工藝及所用的著色溶液。本發(fā)明著色工藝包括有如下步驟1)將不銹鋼半成品進(jìn)行前處理；2)將不銹鋼半成品放在著色溶液中進(jìn)行著色處理，控制著色電位、電流、時(shí)間及著色時(shí)間；3)著色后進(jìn)行水洗干燥，得到成品。步驟2)中控制的著色電流I
文檔編號(hào)C25D11/38GK1584128SQ200410027649
公開日2005年2月23日 申請(qǐng)日期2004年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月16日
發(fā)明者羅韋因, 劉鈞泉, 徐金來 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)