不锈钢着色工艺技术研究进展

豆志朋 刘海华 宋鹏涛 龚翔 黄宝渝

摘  要：对不锈钢化学着色、真空离子着色、激光氧化着色、离子注入着色及新型超声波热浸着色工艺技术研究进展进行了综合研究分析。研究结果表明，不锈钢新型超声波热浸着色法，工艺简单、设备成熟，膜层致密，与基体结合力强。

关键词：不锈钢;表面处理;着色;超声波;氧化;镀层

中图分类号：TG177        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）05-0133-02

1 概述

不锈钢材料具有优越的耐蚀性、耐磨性、强韧性和工艺性能（防腐蚀、不易氧化等），故广泛应用于宇航、海洋、能源、建筑、化工行业，食品机械，机电行业，家用器具等行业。随着社会经济的不断发展和人民生活水平的逐步提高，人们迫切需要高档，多样化的不锈钢装饰色。因此，不锈钢表面处理技术受到了广泛的关注。自1972年国际镍公司（INCO）宣布开发出世界上第一种通过不锈钢化学着色获得的彩色不锈钢以来，各国已开始研究不锈钢着色并迅速进入工业生产。

2 化学着色法

不锈钢着色工艺应用最为广泛的是化学着色法。化学着色方法的优点在于着色工件的形状可以复杂，并且所获得的颜色是均匀的，但是难以控制颜色再现性并且着色温度也高。目前，化学着色方法的研究工作基本上是基于INCO方法的改进。将不锈钢浸入该溶液中，表面被氧化形成铬，铁和镍的氧化物，颜色随着表面膜厚度的变化而变化。例如，一种生产有色不锈钢的方法和由中国发明专利（CN200610123981.4）获得的产品，其中着色溶液是铬酐和硫酸体系，不锈钢电极和参比电极是将两极电位差以数字形式输入计算机，研究不同电位差下不锈钢的着色。实验证明，所获得的转化膜具有良好的粘附性和延展性，并且可以通过计算机控制程序监测电位差的变化，从而达到控制颜色的目的。利用这种方法，尽管改善了颜色的再现性，但所得表面的彩色薄膜颜色不均匀并且容易剥离。反应在75℃至90℃的铬酐和硫酸体系下进行，酸雾挥发，生产环境恶劣，环境污染严重。

3 真空离子着色法

真空离子镀技术不仅环境友好，而且采用该技术制备的镀层纯度高、厚度均一、致密性及结合力良好，因此目前已经广泛用于不锈钢零部件表面硬膜的批量化生产，并且真空离子镀层处理的不锈钢外壳具有很强的金属感和更好的外观装饰性;但是，该镀层颜色较为单调并且结合力及其色泽稳定性与重复性的控制工艺难度很高。为在普通碳钢表里获得彩色不锈钢效果，中国发明专利（CN201410057027.4）公开了一种彩色不锈钢薄膜的制备方法，将磁控溅射镀膜技术（在普通碳钢基体上溅射不锈钢膜）与化学着色技术相结合在普通碳钢或合金钢表面形成彩色不锈钢复合层，使普通碳钢或合金钢具有彩色不锈钢的效果。但是，磁控溅射镀膜设备等离子离化率低，导致成膜速度慢且膜层结合力不足。

4 激光氧化着色法

中国发明专利（CN201010107718.2）公开了一种激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法，利用激光的光-热化学效应在不锈钢表面氧化生成不同种类与不同厚度的氧化物薄膜，通过氧化物本身的颜色与薄膜的干涉作用共同使不锈钢表面着色。激光着色技术是在高温条件下进行的，其能耗高，具有散热危险。另外，该技术的加工速度和光热化学效应不易控制，颜色再现性差，并且可加工的工件形状不会太复杂;否则，加热不均匀会导致颜色不均匀。

5 离子注入着色法

离子注入可以在材料表面上注入各种金属离子和气体离子。还可以控制植入物的深度，并且注入的束均匀地分布在植入材料的表面上。因此，离子注入技术已在许多领域得到广泛应用，并取得了显着的经济和技术成果。例如，基于离子注入，薄膜与基板之间的界面减弱，附着力强，镀层坚固，涂层不易脱落，镀层均匀致密;离子注入具有良好的衍射性，可在材料上形成薄膜，镀各种硬质薄膜，并具有很强的抗磨損性能。中国发明专利（CN201010575231.7）公开了一种基于离子注入的彩色不锈钢及其制备方法，制得的彩色不锈钢颜色种类多、重现性好、色泽均匀、美观耐用和无脱落现象。然而，不锈钢离子注入彩色膜层的过程控制工艺复杂、设备成本高，并需后续热处理，造成其整体工艺耗时、耗能严重。

6 新型超声波热浸着色法

步骤S1：预处理不锈钢工件。预处理为抛光、清洗、除油等表面处理。

步骤S2：将预处理的不锈钢工件置于电镀助剂中并进行超声波电镀以辅助电镀，然后干燥。电镀助剂包含以下重量百分比的组分：硼砂7%～14%、柠檬酸9%～16%、硬脂酸5%～10%、草酸28%～40%，余量为水。所述助镀处理是将预处理后的不锈钢工件放入到70～90℃的助镀剂中并采用超声波震荡2分钟～5分钟，其中，超声波震荡的频率为80～120kHz。干燥处理温度为240℃至320℃，时间为4分钟至10分钟。助镀处理用于提高预镀不锈钢工件在进入热浸镀铝液之前的表面活性。经过碱洗和酸洗的不锈钢工件浸入助镀剂中使不锈钢工件表面发生化学和物理反应，当不锈钢工件取出干燥后，不锈钢工件表面形成一层均匀的保护膜，以便隔绝空气并增强表面活性，令热浸镀铝时获得最佳效果。助镀处理的质量直接影响钢材工件热浸镀铝镀层质量。助镀层均匀并在热浸镀时无污染铝浸镀液，则热浸镀铝镀层无漏镀、镀层均匀、结合力好。现存的工业化溶剂法热浸镀技术中常用助镀剂多为氯化锌、氯化铵、氯化钾和氯化钠及其他氟化物的混合水溶液。在使用上述氯化物助镀剂的钢件进行热浸镀时往往会释放出氨气、氯化氢、氯化铝气体，对人体和环境造成一定的危害。此外，采用氯化物助镀剂的钢件其镀铝层的均匀性、致密性及其与不锈钢基体结合力还是不够理想。本发明利用环保型水溶性助镀剂的材料配方，并利用超声分散进行工艺优化实现助镀层均匀有效的技术要求。

步骤S3：将干燥的不锈钢工件放入热浸镀铝液中，并通过超声波振动进行热浸镀铝处理，在不锈钢工件表面形成铝镀层。热浸镀铝溶液包含以下重量百分比的组分：铝96%～98.5%、硅1%～3%、Re稀土元素0.5%～1.0%，其中，Re稀土元素为La、Ce和Pr中的一种或几种元素的合金。所述热浸镀渗铝处理为将经过烘干处理后的不锈钢工件浸入到700℃～750℃热浸镀铝液中并采用超声波震荡4分钟～10分钟，其中，超声波震荡的频率为20kHz～40kHz。渗铝层的厚度为40微米至60微米。超声波振动不仅缩短了热浸镀铝的时间，而且由于液体中普遍存在的超声空化效应，可以有效地处理复杂工件的各个部位，如孔，间隙，内壁等，可以大大提高热浸。

步骤S4：将经过热浸镀铝处理的不锈钢工件置于氧化电解质中，并通过超声波振动进行硬质阳极氧化处理，使铝镀层氧化，形成多孔阳极氧化膜。阳极氧化处理是在热浸镀铝处理后将不锈钢工件浸入5℃至12℃的硫酸基氧化电解质中并超声振荡50分钟至90分钟，阳极氧化膜的厚度为30μm至50μm。本发明通过超声波的空化和声流效应来优化不锈钢工件表面热浸镀铝的硬质阳极氧化工艺，以达到阳极氧化陶瓷膜层进一步均匀致密、弥散强化。

步骤S5：对阳极氧化不锈钢工件进行着色，以在不锈钢工件的表面上获得所需的颜色。所述着色处理为将经过阳极氧化处理的不锈钢工件物理吸附有机染料。

步骤S6：将有色不锈钢工件置于密封处理液中，用超声波振动密封，然后干燥。封堵处理液含有以下重量百分比的组分：17%至28%的纳米氮化硅，45%至79%的纳米二氧化硅，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钠，所述封孔处理为将经过着色处理的不锈钢工件放入封孔处理液中并采用超声波震荡15分钟～30分钟，其中，超声波震荡的频率为120kHz～200kHz。干燥处理温度为80℃至120℃，时间为30分钟至50分钟。铝合金表面经过阳极氧化处理，形成厚而致密的氧化膜，必须密封才能有效提高铝及铝合金的耐腐蚀性，硬度和耐磨性。密封是通过氧化膜的水合，盐的水解和转化膜的形成，降低氧化膜的表面活性和改善氧化膜的抗粘附能力。防止腐蚀介质浸蚀，提高耐蚀性，以及提高着色膜的稳定性，耐光性和耐气候性，延长轮廓寿命的过程。本发明采用新型无机纳米材料水溶性环保型阳极氧化封孔处理液，既保证不锈钢工件表面热浸镀铝层的阳极氧化陶瓷膜的着色效果，又能满足其耐磨、耐蚀和高表面硬度的技术需求。

不锈钢新型超声波热浸着色法通过不锈钢表面处理方法采用超声波辅助热浸镀铝工艺，有效解决现有镀铝层与不锈钢基板之间粘接性差，基板过渡的问题。不仅不锈钢基材上镀铝的效率可以达到每分钟12微米以上，而且超声辅助的使用不仅缩短了热浸镀时间，而且缩短了复杂工件的各个部分，如孔可极大地提高热浸镀渗铝层的表面质量及其界面结合力，为后续实施阳极氧化着色提供了行之有效的前提与保障。新型超声波热浸着色法通过超声波辅助的硬质阳极氧化技术，并结合电解着色与封孔处理工艺，既有效地解决了现有阳极氧化工艺制得氧化铝陶瓷膜層表面孔隙率高、膜层不够均匀致密等技术缺陷，又克服了现存不锈钢表面离子镀硬膜的色泽单一以及离子注入着色技术的工艺控制难和设备投入成本高昂等不足。

7 结束语

不锈钢新型超声波热浸着色法，工艺简单、设备成熟，不仅有效克服了不锈钢传统化学着色工艺对人体与环境的危害，并通过优化设计热浸镀铝液和封孔处理液的材料组分配方，在不锈钢手表外观件表面热浸镀铝层致密且结合力强，进而阳极氧化高效合成了光泽度、硬度、耐磨、耐蚀性能良好的彩色氧化铝陶瓷膜。

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