不銹鋼電化學著色膜層顏色控制方法

李夢然， 鞠洪斌， 薛永強， 夏曉艷， 崔子祥

（太原理工大學 化學化工學院，山西 太原030024）

0 前言

不銹鋼的著色方法主要有兩種：化學著色法和電化學著色法［1-3］。化學著色法的著色溫度較高，污染環境。隨著社會的發展，該方法正逐漸被無毒無污染的其他著色方法替代。與化學著色法相比，電化學著色法具有污染小、著色溫度低的優點［4］，有些工藝甚至可以在室溫下進行。但工件不能太復雜，否則會因電力線分布不規則導致色彩的均勻性差；此外，顏色控制手段單一，顏色重現性不夠理想［5-6］。針對此類問題，本文從膜層顏色控制和膜層均勻性出發，旨在探求一種顏色控制和膜層顏色均優良的電化學著色方法。

1 實驗

1.1 材料與試劑

304 不銹鋼，型號為0Cr18Ni9，尺寸為30.0 mm×70.0mm×0.5mm；雷磁213型鉑電極（上海精密科學儀器有限公司）；BK-POLR 型偏光顯微鏡（重慶奧斯特光學儀器有限公司）；KQ5200DB 型超聲波發生器（昆山市超聲儀器有限公司）；UNIT56D 型數字萬用表（優利德集團有限公司）；所用化學試劑均為分析純。

1.2 工藝流程

1.2.1 電化學著色

1.2.2 超聲波電化學著色

1.3 主要工序說明

1.3.1 除油

除油液的組成為：NaOH 80g／L，Na2CO350 g／L，Na3PO4·12H2O 40g／L，十二烷基苯磺酸鈉5g／L。除油溫度為75～85℃，除油時間為15min。

1.3.2 活化

活化液采用質量分數為10%的硫酸溶液，活化時間為5min。

1.3.3 著色

著色液的組成為：CrO3100～239g／L，H2SO4165～350g／L，其他添加劑。

電化學著色和超聲波電化學著色的顏色控制采用三電極體系，以鉑電極為測量電極，以不銹鋼工件為工作電極，以鉛板為對電極。通過數字萬用表測得的不銹鋼的著色電位來控制膜層顏色。電化學著色的三電極體系及超聲波電化學著色的三電極體系，分別如圖1和圖2所示。

圖1 電化學著色的三電極體系

圖2 超聲波電化學著色的三電極體系

1.3.4 堅膜

堅膜液的組成為：CrO3250g／L，H2SO42.5 g／L。溫度為室溫，時間為5 min，電流密度為0.23 A／dm2。

1.3.5 封閉

在質量分數為1%的Na2SiO3溶液中煮沸10 min后即完成封閉處理。

1.3.6 干燥

采用天津泰達101-1A 型鼓風干燥箱，在80°C下干燥5min。

2 結果與討論

2.1 電流密度對膜層顏色的影響

在著色時間7 min，著色溫度60℃的條件下，研究電流密度對膜層顏色的影響，結果如表1所示。

表1 電流密度對膜層顏色的影響

由表1可知：隨著電流密度的增大，膜層顏色的變化規律為灰→藍→綠→黃→紫。當電流密度小于0.2A／dm2時，不銹鋼彩色膜表面的光亮度優異，基本無腐蝕現象。但是當電流密度增大時，不銹鋼會發生強烈的腐蝕現象，此時出現的灰色是強烈腐蝕后的顏色，而非正常的電化學著色的顏色。因此，不銹鋼電化學著色的電流密度應不大于0.2 A／dm2。

2.2 著色時間對膜層顏色的影響

在電流密度0.005A／dm2和0.030A／dm2，著色溫度60℃的條件下，研究著色時間對膜層顏色的影響，結果如表2和表3所示。

表2 著色時間對膜層顏色的影響（0.005A／dm2）

由表2和表3可知：不銹鋼表面彩色膜的顏色隨著色時間的延長而變化。不同電流密度下膜層顏色的變化規律均為棕→藍→黃→紅→綠。這與化學著色時的顏色變化規律是一致的。當電流密度不同時，相同時間下的膜層顏色也是不同的。

表3 著色時間對膜層顏色的影響（0.030A／dm2）

2.3 著色溫度對膜層顏色的影響

在電流密度0.1A／dm2，著色時間10min的條件下，研究了著色溫度對膜層顏色的影響，結果如表4所示。

表4 著色溫度對膜層顏色的影響

由表4可知：著色溫度的變化對膜層顏色的影響很小。當著色溫度逐漸升高時，得到的膜層顏色是固定的，而且在0.1A／dm2下不銹鋼表面不會發生腐蝕現象。

電流密度、著色時間、著色溫度是影響不銹鋼電化學著色的主要因素。其中，電流密度影響不銹鋼表面的光亮度，電流密度過高時會發生腐蝕現象，使光亮度下降；著色時間起控制顏色的作用，著色時間不同，彩色膜的顏色不同；著色溫度對電化學著色的影響較小。

2.4 不銹鋼電化學著色曲線分析

通過自制的三電極體系，選取著色溫度為60℃，電流密度分別為0.025A／dm2、0.050A／dm2、0.100A／dm2。得到的電化學著色曲線，見圖3。

由圖3可知：電化學著色曲線中電位的變化規律與化學著色曲線的是一致的，均存在從最高點下降到最低點的著色區間。另外，隨著電流密度的增大，電化學著色曲線的斜率增大，坡度變陡，著色電位下降加快。這可能是因為電流密度的增大，使不銹鋼表面的金屬元素失電子加快，更容易變成Mn+，從而更容易形成氧化膜。

圖3 不同電流密度下得到的電化學著色曲線

2.5 三電極體系對膜層顏色的控制

研究表明，三電極體系對不銹鋼電化學著色膜的顏色控制有較好的重現性。電化學著色時，不銹鋼表面存在電化學極化，但是該極化只與電流密度的大小有關，特定的著色電位差應有其固定的顏色。例如，當著色溫度為60℃，電流密度為0.1A／dm2時，電化學著色的總電位差為16.5mV。著色電位差與膜層顏色的對應關系見表5。

表5 著色電位差與膜層顏色的對應關系

由表5可知：在不銹鋼電化學著色中，當電流密度恒定時，特定的電位差與膜層顏色有固定的對應關系，并且重現性良好。因此，三電極體系是一種可靠的膜層顏色控制方法。

2.6 超聲波對電化學著色的影響

在電化學著色的同時附加超聲波的作用。實驗選取著色溫度為60℃，電流密度為0.025A／dm2，附加超聲波頻率為40kHz，功率為260 W，強度為30 W／dm2，結果如圖4所示。

由圖4可知：超聲波對不銹鋼電化學著色的影響很大，超聲波使著色曲線的斜率降低，電化學著色的總電位差由24.3mV 減小到17.9mV，起始電位由0.186 8V 下降到0.170 8V。這可能是因為超聲波減小了電化學過程的濃差極化和活化極化，從而使電位降低。

圖4 超聲波對電化學著色的影響

著色溫度為60℃，電流密度為0.01 A／dm2時，不加超聲波和加超聲波的紅色膜的偏光顯微鏡照片，如圖5所示。

圖5 紅色膜的偏光顯微鏡照片（100×）

由圖5可知：超聲波對不銹鋼電化學著色膜的均勻性有一定影響，超聲波能夠明顯增加著色膜的均勻性。其原因可能是：超聲波的空化作用使不銹鋼表面更清潔（相當于提高了表面預處理效果），表面狀態更趨于一致；另外，超聲波還可以減小極化過程，使表面不同部位的電化學反應速率的差別減小。這兩種作用使著色膜的均勻性顯著增加。

3 結論

（1）三電極體系在電化學著色控制中是可行的，在固定的電流密度下能夠通過著色電位差準確地控制著色膜的顏色，使重現性得到顯著提高。

（2）在電化學著色中附加超聲波作用，可以顯著提高著色膜的均勻性。

［1］南紅艷，張躍敏，尹新斌，等.電化學不銹鋼著色工藝的研究［J］.表面技術，2006，32（5）：41-42.

［2］KIKUTI E，CONRRADO R，BOCCHI N，etal.Chemical and electrochemical coloration of stainless steel and pitting corrosion resistance studies［J］.Journal of the Brazilian Chemical Society，2004，15（4）：472-480.

［3］胡俊利，滿瑞林，梁永煌，等.不銹鋼表面化學著色的研究進展［J］.電鍍與環保，2013，32（3）：4-6.

［4］梁永煌，滿瑞林，胡俊利，等.304 不銹鋼化學著黑色的研究［J］.電鍍與環保，2012，32（3）：36-39.

［5］李廣武，張忠誠，鄭淑娟.不銹鋼表面著色工藝研究［J］.表面技術，2004，33（5）：57-59.

［6］張述林，王曉波，陳世波.不銹鋼著色的研究進展［J］.電鍍與精飾，2007，29（1）：36-39.