不銹鋼化學著色的研究進展

摘 要： 不銹鋼具有優異的耐蝕性、耐磨性、成型性、相容性以及在寬溫度范圍內的強韌性等特點，目前已在重工業、輕工業、生活用品及建筑裝飾等領域有著廣泛應用。分析了不銹鋼化學著色法的機理及彩色不銹鋼的顯色原理，介紹了目前不銹鋼化學著色的研究現狀和著色方法，由于在著色方法上大多采用INCO 法，此法雖工藝簡單，成本經濟，但著色溫度高，顏色重現性較難控制，對環境的污染嚴重，提出了不含鉻的綠色環保型著色法是當今不銹鋼化學著色的一種發展趨勢。

關鍵詞： 不銹鋼 化學著色 研究 進展

中圖分類號：TG177 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）01（a）-0000-00

作者簡介：張立杰（1981-）女，碩士，講師，主要從事材料表面改性方面的研究。

0 引言

不銹鋼具有優異的耐蝕性、耐磨性、成型性、相容性以及在寬溫度范圍內的強韌性等特點，因而廣泛應用于能源、石油、化工、機械、交通、海洋、生活用品及建筑裝飾等行業。 隨著生活水平的提高，單一色調的不銹鋼已不能滿足人們的需求，迫切要求不銹鋼色彩的多樣性。因此，彩色不銹鋼具有廣闊的應用前景，不銹鋼著色技術是一項有巨大開發潛力和良好應用前景的技術。

不銹鋼的著色方法很多，主要有以下幾種：離子沉積氧化物法、高溫氧化法、化學氧化法、電化學氧化法、氣相裂解法等。其中，化學氧化著色法具有工藝簡單、成本經濟等優點，因而使用較為廣泛。

1 化學著色原理

Evans[1]等提出了控制電位法著色原理，著色原理如圖1所示，當不銹鋼浸入著色液后，在其表面發生氧化和還原反應。

陽極反應： M → Mz+ + ze-

陰極反應： Cr2O72- + 14H+ + 6e- → 7H2O + 2Cr3+

當浸漬一段時間后，在金屬/溶液界面上，金屬離子水解形成氧化膜：

pMz+ + qCr3+ + rH2O = MpCrqO + 2rH+

3q + zp = 2r

此時，陽極反應在氧化膜的孔底部進行，陰極反應在膜表面進行。陽極反應的產物通過擴散達到膜表面，在膜孔的頂部和底部之間存在電勢差ΔE，隨著氧化膜厚度的增加，ΔE也隨之增大。曹國慶[2]等采用俄歇能譜測定了不銹鋼氧化膜厚度與著色電勢、不銹鋼顏色及著色時間之間的關系（見表1）。

表1 氧化物膜厚度與著色電勢、不銹鋼顏色及著色時間之間的關系

序號著色時間（T/min）著色電勢（Ez/mV）不銹鋼顏色氧化物膜厚（X/nm）

18.59藍80

29.915金黃110

310.919玫瑰紅140

411.522墨綠190

512.025黃綠240

612.928玫瑰紅260

2 彩色不銹鋼顯色原理

不銹鋼表面形成的氧化膜本身無色透明，由于光線照射到著色膜時會產生干涉現象，從而使不銹鋼顯示出各種顏色，其原理見圖2。由圖2可以看出，入射光I照射到氧化膜表面A處，一部分被反射回去成為反射光；另一部分成為折射光，沿AB方向折射到基體表面，在B處發生全反射，成為反射光，沿BC方向傳播，在氧化膜表面C處，一部分成為折射光，另一部分反射回氧化膜中。由于折射光和反射光存在位相差和光程差，當這兩束光相遇時，就會發生光的干涉現象，使不銹鋼顯示不同的顏色。不銹鋼顯示什么顏色取決于氧化膜的厚度，氧化膜的折射率和光的入射角三者之間的關系，當入射光固定時，隨氧化膜厚度的變化，不銹鋼表面會呈現出不同的顏色。

3 化學著色方法

3.1 酸性化學著色法

酸性化學著色法是在傳統INC0法的基礎上，采用硫酸-鉻酐體系，在80～90℃的條件下對不銹鋼進行表面改性。常采用的工藝流程如下：不銹鋼試樣→機械磨光→水洗→化學除油→水洗→電解拋光→水洗→活化 →水洗→化學著色→固化→水洗→封閉→水洗→熱風干燥→成品。

此方法不受工件形狀影響，形成的著色膜顏色均勻，但存在著色溫度高，色膜顏色重現性較難控制等不足之處。于是很多專家學者在INCO法的基礎上進行了改進性研究，并取得了一系列成果。趙春英[3]等發現在Cr03和H2S04·4H20著色液中加入適量的MnS04·4H20可加快著色速度，降低著色液的溫度，色彩的重現性良好。張穎[4]等發現在Cr03和H2S04·4H20著色液中加入適量鉬酸銨可使著色膜的光亮度得到提高。肖鑫[5]等通過向硫酸-鉻酐體系溶液中添加磷酸和過渡金屬無機鹽，研制出一種低鉻酸濃度的鉻酸-硫酸-磷酸體系不銹鋼著色技術。王鵬程[6]等通過向硫酸-鉻酐著色溶液中加入適量的鋅鹽、鉬酸鹽、稀土鹽和錳鹽4種添加劑，發現多種添加劑的搭配可大大降低著色溫度，并獲得了茶色、藍色、黃色、紅色和綠色五大色系的膜層，膜層的色澤度、光亮度、強度和耐蝕性也得到提高。范文琴[7]等將硫酸-鉻酐著色液放在水浴中加熱，嚴格控制著色時間和溫度，獲礙了金色膜層，從而較好地解決了膜層顏色的重現性問題。談華平[8]等通過測量著色過程中不銹鋼試件的電位-時間曲線，找出了轉化膜的著色時間、著色電位差和顏色的對應關系。

3.2 堿性化學著色法

堿性化學著色法采用含有氫氧化鈉和氧化劑與還原劑的堿性水溶液對不銹鋼進行著色，從而在自然生長的氧化膜上再生長氧化膜（即著色前不必去除氧化膜）。隨著氧化膜厚度的增加，表面顏色發生變化，由黃色→黃褐色→藍色→深藏青色。雖然堿性著色法較酸性著色法的毒性小、著色液中不含六價鉻，但由于著色溫度高、溶液易揮發、色彩難控制、色彩面窄，大家對此方面的研究較少。彭濱[9]等使用NaOH、KMnO4、NaNO2、NaCl及適量的Na2SO3等配制著色溶液，在溫度（120±2）℃下獲得了金黃、褐、藍及藍紫等多種色澤的彩色不銹鋼，并測定了不同溫度時著色過程中不銹鋼電勢與著色時間的關系。

3.3 綠色環保型著色法

酸性著色液中Cr03具有致癌作用，H2S04則具有很強的腐蝕性，導致廢液的排放對環境造成嚴重的污染，于是，近年來，有些研究者對不含鉻的環保型著色法進行了研究。張俊喜[10]等提出一種新型的綠色環保型不銹鋼著色工藝--載波鈍化著色，獲得了穩定性、耐磨性良好的鈍化膜，色膜顏色也可以精確控制。張述林[11]等提出了一種以硫酸亞鐵銨為主鹽的低溫、無鉻、環保的配方，采用微機控制著色時間，獲得了藍色、黃色、紫紅色、綠色和褐色膜層。

4 結語

國內的彩色不銹鋼工業化生產目前仍處于起步階段， 不少技術問題尚處于探討研究階段， 在著色方法上大多采用INCO 法，此法工藝簡單，成本經濟，但著色溫度高，顏色重現性較難控制，對環境的污染嚴重。目前，國內關于不銹鋼化學著色方面的研究主要集中在以下幾個方面：1）添加劑的研究，通過添加適量的添加劑降低著色溫度，提高顏色的重現度。2）研制著色用電子監測設備，通過精確控制電位實現顏色的重現性。3） 低鉻配方及不含鉻的綠色環保配方的研究，從而降低對環境的污染。隨著人們安全意識和環保意識的增強，綠色環保型化學著色法必將成為不銹鋼化學著色發展的方向。

參考文獻

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[4] 張穎.陶珍東等.不銹鋼著色研究[J].腐蝕與防護：1998，19（4）：175-177.

[5] 肖鑫.低鉻酸不銹鋼著色技術[J].電鍍與涂飾：2014，33（4）：158-161.

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