不銹鋼著色工藝技術(shù)研究進(jìn)展

豆志朋 劉海華 宋鵬濤 龔翔 黃寶渝

摘? 要：對不銹鋼化學(xué)著色、真空離子著色、激光氧化著色、離子注入著色及新型超聲波熱浸著色工藝技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了綜合研究分析。研究結(jié)果表明，不銹鋼新型超聲波熱浸著色法，工藝簡單、設(shè)備成熟，膜層致密，與基體結(jié)合力強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：不銹鋼;表面處理;著色;超聲波;氧化;鍍層

中圖分類號：TG177? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）05-0133-02

1 概述

不銹鋼材料具有優(yōu)越的耐蝕性、耐磨性、強(qiáng)韌性和工藝性能（防腐蝕、不易氧化等），故廣泛應(yīng)用于宇航、海洋、能源、建筑、化工行業(yè)，食品機(jī)械，機(jī)電行業(yè)，家用器具等行業(yè)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的逐步提高，人們迫切需要高檔，多樣化的不銹鋼裝飾色。因此，不銹鋼表面處理技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注。自1972年國際鎳公司（INCO）宣布開發(fā)出世界上第一種通過不銹鋼化學(xué)著色獲得的彩色不銹鋼以來，各國已開始研究不銹鋼著色并迅速進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)。

2 化學(xué)著色法

不銹鋼著色工藝應(yīng)用最為廣泛的是化學(xué)著色法?；瘜W(xué)著色方法的優(yōu)點在于著色工件的形狀可以復(fù)雜，并且所獲得的顏色是均勻的，但是難以控制顏色再現(xiàn)性并且著色溫度也高。目前，化學(xué)著色方法的研究工作基本上是基于INCO方法的改進(jìn)。將不銹鋼浸入該溶液中，表面被氧化形成鉻，鐵和鎳的氧化物，顏色隨著表面膜厚度的變化而變化。例如，一種生產(chǎn)有色不銹鋼的方法和由中國發(fā)明專利（CN200610123981.4）獲得的產(chǎn)品，其中著色溶液是鉻酐和硫酸體系，不銹鋼電極和參比電極是將兩極電位差以數(shù)字形式輸入計算機(jī)，研究不同電位差下不銹鋼的著色。實驗證明，所獲得的轉(zhuǎn)化膜具有良好的粘附性和延展性，并且可以通過計算機(jī)控制程序監(jiān)測電位差的變化，從而達(dá)到控制顏色的目的。利用這種方法，盡管改善了顏色的再現(xiàn)性，但所得表面的彩色薄膜顏色不均勻并且容易剝離。反應(yīng)在75℃至90℃的鉻酐和硫酸體系下進(jìn)行，酸霧揮發(fā)，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，環(huán)境污染嚴(yán)重。

3 真空離子著色法

真空離子鍍技術(shù)不僅環(huán)境友好，而且采用該技術(shù)制備的鍍層純度高、厚度均一、致密性及結(jié)合力良好，因此目前已經(jīng)廣泛用于不銹鋼零部件表面硬膜的批量化生產(chǎn)，并且真空離子鍍層處理的不銹鋼外殼具有很強(qiáng)的金屬感和更好的外觀裝飾性;但是，該鍍層顏色較為單調(diào)并且結(jié)合力及其色澤穩(wěn)定性與重復(fù)性的控制工藝難度很高。為在普通碳鋼表里獲得彩色不銹鋼效果，中國發(fā)明專利（CN201410057027.4）公開了一種彩色不銹鋼薄膜的制備方法，將磁控濺射鍍膜技術(shù)（在普通碳鋼基體上濺射不銹鋼膜）與化學(xué)著色技術(shù)相結(jié)合在普通碳鋼或合金鋼表面形成彩色不銹鋼復(fù)合層，使普通碳鋼或合金鋼具有彩色不銹鋼的效果。但是，磁控濺射鍍膜設(shè)備等離子離化率低，導(dǎo)致成膜速度慢且膜層結(jié)合力不足。

4 激光氧化著色法

中國發(fā)明專利（CN201010107718.2）公開了一種激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法，利用激光的光-熱化學(xué)效應(yīng)在不銹鋼表面氧化生成不同種類與不同厚度的氧化物薄膜，通過氧化物本身的顏色與薄膜的干涉作用共同使不銹鋼表面著色。激光著色技術(shù)是在高溫條件下進(jìn)行的，其能耗高，具有散熱危險。另外，該技術(shù)的加工速度和光熱化學(xué)效應(yīng)不易控制，顏色再現(xiàn)性差，并且可加工的工件形狀不會太復(fù)雜;否則，加熱不均勻會導(dǎo)致顏色不均勻。

5 離子注入著色法

離子注入可以在材料表面上注入各種金屬離子和氣體離子。還可以控制植入物的深度，并且注入的束均勻地分布在植入材料的表面上。因此，離子注入技術(shù)已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)成果。例如，基于離子注入，薄膜與基板之間的界面減弱，附著力強(qiáng)，鍍層堅固，涂層不易脫落，鍍層均勻致密;離子注入具有良好的衍射性，可在材料上形成薄膜，鍍各種硬質(zhì)薄膜，并具有很強(qiáng)的抗磨損性能。中國發(fā)明專利（CN201010575231.7）公開了一種基于離子注入的彩色不銹鋼及其制備方法，制得的彩色不銹鋼顏色種類多、重現(xiàn)性好、色澤均勻、美觀耐用和無脫落現(xiàn)象。然而，不銹鋼離子注入彩色膜層的過程控制工藝復(fù)雜、設(shè)備成本高，并需后續(xù)熱處理，造成其整體工藝耗時、耗能嚴(yán)重。

6 新型超聲波熱浸著色法

步驟S1：預(yù)處理不銹鋼工件。預(yù)處理為拋光、清洗、除油等表面處理。

步驟S2：將預(yù)處理的不銹鋼工件置于電鍍助劑中并進(jìn)行超聲波電鍍以輔助電鍍，然后干燥。電鍍助劑包含以下重量百分比的組分：硼砂7%～14%、檸檬酸9%～16%、硬脂酸5%～10%、草酸28%～40%，余量為水。所述助鍍處理是將預(yù)處理后的不銹鋼工件放入到70～90℃的助鍍劑中并采用超聲波震蕩2分鐘～5分鐘，其中，超聲波震蕩的頻率為80～120kHz。干燥處理溫度為240℃至320℃，時間為4分鐘至10分鐘。助鍍處理用于提高預(yù)鍍不銹鋼工件在進(jìn)入熱浸鍍鋁液之前的表面活性。經(jīng)過堿洗和酸洗的不銹鋼工件浸入助鍍劑中使不銹鋼工件表面發(fā)生化學(xué)和物理反應(yīng)，當(dāng)不銹鋼工件取出干燥后，不銹鋼工件表面形成一層均勻的保護(hù)膜，以便隔絕空氣并增強(qiáng)表面活性，令熱浸鍍鋁時獲得最佳效果。助鍍處理的質(zhì)量直接影響鋼材工件熱浸鍍鋁鍍層質(zhì)量。助鍍層均勻并在熱浸鍍時無污染鋁浸鍍液，則熱浸鍍鋁鍍層無漏鍍、鍍層均勻、結(jié)合力好?，F(xiàn)存的工業(yè)化溶劑法熱浸鍍技術(shù)中常用助鍍劑多為氯化鋅、氯化銨、氯化鉀和氯化鈉及其他氟化物的混合水溶液。在使用上述氯化物助鍍劑的鋼件進(jìn)行熱浸鍍時往往會釋放出氨氣、氯化氫、氯化鋁氣體，對人體和環(huán)境造成一定的危害。此外，采用氯化物助鍍劑的鋼件其鍍鋁層的均勻性、致密性及其與不銹鋼基體結(jié)合力還是不夠理想。本發(fā)明利用環(huán)保型水溶性助鍍劑的材料配方，并利用超聲分散進(jìn)行工藝優(yōu)化實現(xiàn)助鍍層均勻有效的技術(shù)要求。

步驟S3：將干燥的不銹鋼工件放入熱浸鍍鋁液中，并通過超聲波振動進(jìn)行熱浸鍍鋁處理，在不銹鋼工件表面形成鋁鍍層。熱浸鍍鋁溶液包含以下重量百分比的組分：鋁96%～98.5%、硅1%～3%、Re稀土元素0.5%～1.0%，其中，Re稀土元素為La、Ce和Pr中的一種或幾種元素的合金。所述熱浸鍍滲鋁處理為將經(jīng)過烘干處理后的不銹鋼工件浸入到700℃～750℃熱浸鍍鋁液中并采用超聲波震蕩4分鐘～10分鐘，其中，超聲波震蕩的頻率為20kHz～40kHz。滲鋁層的厚度為40微米至60微米。超聲波振動不僅縮短了熱浸鍍鋁的時間，而且由于液體中普遍存在的超聲空化效應(yīng)，可以有效地處理復(fù)雜工件的各個部位，如孔，間隙，內(nèi)壁等，可以大大提高熱浸。

步驟S4：將經(jīng)過熱浸鍍鋁處理的不銹鋼工件置于氧化電解質(zhì)中，并通過超聲波振動進(jìn)行硬質(zhì)陽極氧化處理，使鋁鍍層氧化，形成多孔陽極氧化膜。陽極氧化處理是在熱浸鍍鋁處理后將不銹鋼工件浸入5℃至12℃的硫酸基氧化電解質(zhì)中并超聲振蕩50分鐘至90分鐘，陽極氧化膜的厚度為30μm至50μm。本發(fā)明通過超聲波的空化和聲流效應(yīng)來優(yōu)化不銹鋼工件表面熱浸鍍鋁的硬質(zhì)陽極氧化工藝，以達(dá)到陽極氧化陶瓷膜層進(jìn)一步均勻致密、彌散強(qiáng)化。

步驟S5：對陽極氧化不銹鋼工件進(jìn)行著色，以在不銹鋼工件的表面上獲得所需的顏色。所述著色處理為將經(jīng)過陽極氧化處理的不銹鋼工件物理吸附有機(jī)染料。

步驟S6：將有色不銹鋼工件置于密封處理液中，用超聲波振動密封，然后干燥。封堵處理液含有以下重量百分比的組分：17%至28%的納米氮化硅，45%至79%的納米二氧化硅，1%至3%的硬脂酸，1%至3%的聚乙烯醇，1%至3%的聚乙二醇和十二烷基苯磺酸鈉，所述封孔處理為將經(jīng)過著色處理的不銹鋼工件放入封孔處理液中并采用超聲波震蕩15分鐘～30分鐘，其中，超聲波震蕩的頻率為120kHz～200kHz。干燥處理溫度為80℃至120℃，時間為30分鐘至50分鐘。鋁合金表面經(jīng)過陽極氧化處理，形成厚而致密的氧化膜，必須密封才能有效提高鋁及鋁合金的耐腐蝕性，硬度和耐磨性。密封是通過氧化膜的水合，鹽的水解和轉(zhuǎn)化膜的形成，降低氧化膜的表面活性和改善氧化膜的抗粘附能力。防止腐蝕介質(zhì)浸蝕，提高耐蝕性，以及提高著色膜的穩(wěn)定性，耐光性和耐氣候性，延長輪廓壽命的過程。本發(fā)明采用新型無機(jī)納米材料水溶性環(huán)保型陽極氧化封孔處理液，既保證不銹鋼工件表面熱浸鍍鋁層的陽極氧化陶瓷膜的著色效果，又能滿足其耐磨、耐蝕和高表面硬度的技術(shù)需求。

不銹鋼新型超聲波熱浸著色法通過不銹鋼表面處理方法采用超聲波輔助熱浸鍍鋁工藝，有效解決現(xiàn)有鍍鋁層與不銹鋼基板之間粘接性差，基板過渡的問題。不僅不銹鋼基材上鍍鋁的效率可以達(dá)到每分鐘12微米以上，而且超聲輔助的使用不僅縮短了熱浸鍍時間，而且縮短了復(fù)雜工件的各個部分，如孔可極大地提高熱浸鍍滲鋁層的表面質(zhì)量及其界面結(jié)合力，為后續(xù)實施陽極氧化著色提供了行之有效的前提與保障。新型超聲波熱浸著色法通過超聲波輔助的硬質(zhì)陽極氧化技術(shù)，并結(jié)合電解著色與封孔處理工藝，既有效地解決了現(xiàn)有陽極氧化工藝制得氧化鋁陶瓷膜層表面孔隙率高、膜層不夠均勻致密等技術(shù)缺陷，又克服了現(xiàn)存不銹鋼表面離子鍍硬膜的色澤單一以及離子注入著色技術(shù)的工藝控制難和設(shè)備投入成本高昂等不足。

7 結(jié)束語

不銹鋼新型超聲波熱浸著色法，工藝簡單、設(shè)備成熟，不僅有效克服了不銹鋼傳統(tǒng)化學(xué)著色工藝對人體與環(huán)境的危害，并通過優(yōu)化設(shè)計熱浸鍍鋁液和封孔處理液的材料組分配方，在不銹鋼手表外觀件表面熱浸鍍鋁層致密且結(jié)合力強(qiáng)，進(jìn)而陽極氧化高效合成了光澤度、硬度、耐磨、耐蝕性能良好的彩色氧化鋁陶瓷膜。

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