不銹鋼電化學(xué)著色膜層顏色控制方法

李夢(mèng)然， 鞠洪斌， 薛永強(qiáng)， 夏曉艷， 崔子祥

（太原理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原030024）

0 前言

不銹鋼的著色方法主要有兩種：化學(xué)著色法和電化學(xué)著色法［1-3］?；瘜W(xué)著色法的著色溫度較高，污染環(huán)境。隨著社會(huì)的發(fā)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(xué)著色法相比，電化學(xué)著色法具有污染小、著色溫度低的優(yōu)點(diǎn)［4］，有些工藝甚至可以在室溫下進(jìn)行。但工件不能太復(fù)雜，否則會(huì)因電力線分布不規(guī)則導(dǎo)致色彩的均勻性差；此外，顏色控制手段單一，顏色重現(xiàn)性不夠理想［5-6］。針對(duì)此類問題，本文從膜層顏色控制和膜層均勻性出發(fā)，旨在探求一種顏色控制和膜層顏色均優(yōu)良的電化學(xué)著色方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與試劑

304 不銹鋼，型號(hào)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(xué)儀器有限公司）；BK-POLR 型偏光顯微鏡（重慶奧斯特光學(xué)儀器有限公司）；KQ5200DB 型超聲波發(fā)生器（昆山市超聲儀器有限公司）；UNIT56D 型數(shù)字萬用表（優(yōu)利德集團(tuán)有限公司）；所用化學(xué)試劑均為分析純。

1.2 工藝流程

1.2.1 電化學(xué)著色

1.2.2 超聲波電化學(xué)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(shí)間為15min。

1.3.2 活化

活化液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的硫酸溶液，活化時(shí)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(xué)著色和超聲波電化學(xué)著色的顏色控制采用三電極體系，以鉑電極為測(cè)量電極，以不銹鋼工件為工作電極，以鉛板為對(duì)電極。通過數(shù)字萬用表測(cè)得的不銹鋼的著色電位來控制膜層顏色。電化學(xué)著色的三電極體系及超聲波電化學(xué)著色的三電極體系，分別如圖1和圖2所示。

圖1 電化學(xué)著色的三電極體系

圖2 超聲波電化學(xué)著色的三電極體系

1.3.4 堅(jiān)膜

堅(jiān)膜液的組成為：CrO3250g／L，H2SO42.5 g／L。溫度為室溫，時(shí)間為5 min，電流密度為0.23 A／dm2。

1.3.5 封閉

在質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(dá)101-1A 型鼓風(fēng)干燥箱，在80°C下干燥5min。

2 結(jié)果與討論

2.1 電流密度對(duì)膜層顏色的影響

在著色時(shí)間7 min，著色溫度60℃的條件下，研究電流密度對(duì)膜層顏色的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 電流密度對(duì)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(guī)律為灰→藍(lán)→綠→黃→紫。當(dāng)電流密度小于0.2A／dm2時(shí)，不銹鋼彩色膜表面的光亮度優(yōu)異，基本無腐蝕現(xiàn)象。但是當(dāng)電流密度增大時(shí)，不銹鋼會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的腐蝕現(xiàn)象，此時(shí)出現(xiàn)的灰色是強(qiáng)烈腐蝕后的顏色，而非正常的電化學(xué)著色的顏色。因此，不銹鋼電化學(xué)著色的電流密度應(yīng)不大于0.2 A／dm2。

2.2 著色時(shí)間對(duì)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(shí)間對(duì)膜層顏色的影響，結(jié)果如表2和表3所示。

表2 著色時(shí)間對(duì)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(shí)間的延長而變化。不同電流密度下膜層顏色的變化規(guī)律均為棕→藍(lán)→黃→紅→綠。這與化學(xué)著色時(shí)的顏色變化規(guī)律是一致的。當(dāng)電流密度不同時(shí)，相同時(shí)間下的膜層顏色也是不同的。

表3 著色時(shí)間對(duì)膜層顏色的影響（0.030A／dm2）

2.3 著色溫度對(duì)膜層顏色的影響

在電流密度0.1A／dm2，著色時(shí)間10min的條件下，研究了著色溫度對(duì)膜層顏色的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 著色溫度對(duì)膜層顏色的影響

由表4可知：著色溫度的變化對(duì)膜層顏色的影響很小。當(dāng)著色溫度逐漸升高時(shí)，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(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象。

電流密度、著色時(shí)間、著色溫度是影響不銹鋼電化學(xué)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(shí)會(huì)發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，使光亮度下降；著色時(shí)間起控制顏色的作用，著色時(shí)間不同，彩色膜的顏色不同；著色溫度對(duì)電化學(xué)著色的影響較小。

2.4 不銹鋼電化學(xué)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(xué)著色曲線，見圖3。

由圖3可知：電化學(xué)著色曲線中電位的變化規(guī)律與化學(xué)著色曲線的是一致的，均存在從最高點(diǎn)下降到最低點(diǎn)的著色區(qū)間。另外，隨著電流密度的增大，電化學(xué)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?yàn)殡娏髅芏鹊脑龃?，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(xué)著色曲線

2.5 三電極體系對(duì)膜層顏色的控制

研究表明，三電極體系對(duì)不銹鋼電化學(xué)著色膜的顏色控制有較好的重現(xiàn)性。電化學(xué)著色時(shí)，不銹鋼表面存在電化學(xué)極化，但是該極化只與電流密度的大小有關(guān)，特定的著色電位差應(yīng)有其固定的顏色。例如，當(dāng)著色溫度為60℃，電流密度為0.1A／dm2時(shí)，電化學(xué)著色的總電位差為16.5mV。著色電位差與膜層顏色的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表5。

表5 著色電位差與膜層顏色的對(duì)應(yīng)關(guān)系

由表5可知：在不銹鋼電化學(xué)著色中，當(dāng)電流密度恒定時(shí)，特定的電位差與膜層顏色有固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且重現(xiàn)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(duì)電化學(xué)著色的影響

在電化學(xué)著色的同時(shí)附加超聲波的作用。實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度為30 W／dm2，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：超聲波對(duì)不銹鋼電化學(xué)著色的影響很大，超聲波使著色曲線的斜率降低，電化學(xué)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?yàn)槌暡p小了電化學(xué)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(duì)電化學(xué)著色的影響

著色溫度為60℃，電流密度為0.01 A／dm2時(shí)，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(duì)不銹鋼電化學(xué)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(dāng)于提高了表面預(yù)處理效果），表面狀態(tài)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(xué)反應(yīng)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(jié)論

（1）三電極體系在電化學(xué)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(zhǔn)確地控制著色膜的顏色，使重現(xiàn)性得到顯著提高。

（2）在電化學(xué)著色中附加超聲波作用，可以顯著提高著色膜的均勻性。

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