不銹鋼電化學(xué)著色工藝改進研究

禹練英，李忠英，李繼睿

(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412004)

隨著時代發(fā)展，彩色不銹鋼在人們生活中的應(yīng)用越來越廣泛，目前通過化學(xué)或電化學(xué)的方法使不銹鋼表面形成氧化膜層，達到提高表面裝飾性、提高耐磨性和耐腐蝕性能目的[1]。早期英國國際鎳公司以鉻酐-硫酸著色液體系對不銹鋼著色，即INCO 法，是最經(jīng)典的化學(xué)氧化著色法，該著色液鉻含量高，酸性強，后來化學(xué)著色及電化學(xué)著色的著色液的研究多是以此為基礎(chǔ)。電化學(xué)著色法是近年來快速發(fā)展的新方法，主要通過電化學(xué)反應(yīng)使不銹鋼表面快速氧化成膜，電化學(xué)著色由于顏色重復(fù)性好、易于控制，研究應(yīng)用日趨增多，在諸多不銹鋼電化學(xué)著色研究應(yīng)用中，逐漸形成了高鉻、低鉻及無鉻著色液中的電化學(xué)著色的研發(fā)進程。[2]電化學(xué)著色法出現(xiàn)不久就表現(xiàn)出很明顯的優(yōu)勢，含鉻著色液的不銹鋼彩色生產(chǎn)流水線已是成熟工藝，該工藝采用鉻酸和硫酸混合著色液，利用電流進行著色處理，不銹鋼顏色的可控性及重現(xiàn)性都較好，膜的機械性能、耐腐蝕性均高于原始不銹鋼表面膜層[3]，含鉻著色液電化學(xué)著色工藝在 2000 年以前已經(jīng)開始推廣，但是六價鉻對環(huán)境的污染限制了其發(fā)展。[4]環(huán)保型工藝研究主要在于對著色液環(huán)保性能的研究，電化學(xué)方法在不銹鋼表面形成穩(wěn)定致密、結(jié)合牢固、顏色多樣的氧化物層是不銹鋼著色的最終目的。[5]以硫酸銅、硫酸錳為有效組成的電解液是無鉻著色液的重要探索。[6]以硫酸作有效組成的酸性體系著色液比較常見，在無鉻的硫酸溶液中，用載波鈍化法對不銹鋼進行電解著色，可獲得多種彩色不銹鋼，不銹鋼表面膜層厚度隨時間增加而變厚，即著色膜顏色可以通過調(diào)整著色時間來控制[7]。電化學(xué)著色法一個很明顯的優(yōu)點，就是顏色的可控性及重現(xiàn)性都很好，受不銹鋼表面狀況的影響較小，且所需設(shè)備及操作簡單，得到了愈來愈廣泛的應(yīng)用[8]。

本研究擬探究一種新的電化學(xué)著色工藝，開發(fā)新的除油和著色劑，通過改變著色液的濃度變化及向著色夜中加入少量添加物(光亮劑)，然后采用鉬酸鹽進行電解著色，經(jīng)該工藝后著色膜色彩光亮，均勻性較好。

1 實驗方法

1.1 主要實驗藥品與器材

1.1.1 主要器材：201不銹鋼、304不銹鋼、電解池、鉛片、水浴衡溫槽、溫度計、電子天平等。

1.1.2 主要藥品：鉬酸鈉、硼酸、硫酸錳、硫酸、鹽酸、OP—10乳化劑(洗潔精)、光亮劑(硫酸鋅)等。

1.1.3 主要試劑配方

(1)除油液的配方：NaOH(40 g/L)、Na2CO360 g/L)、 OP-10洗潔精(5 mL/L)

(2)拋光液的配方：H2SO4(20%)

(3)活化液的配方：HCl 10%

(4)著色液的配方：鉬酸鈉30 g/L～100 g/L、硼酸10 g/L～18 g/L、硫酸錳0.5 g/L～5 g/L、

硫酸鋅0.1 g/L、硝酸銻2 g/L-15 g/L、硝酸鑭0.2 g/L-2 g/L、丙二酸鈉0.1 g/L-10 g/L。

1.2 不銹鋼著色的工藝流程

1.2.1 拋光條件：30% H2S04，室溫，5 min；

1.2.2 活化條件：HCl 10%，室溫，l min；

1.2.3 電化學(xué)著色條件：鉬酸鈉30 g/L～100 g/L，5 g/L添加劑，電流密度0.5 A/cm2-1.5 A/cm2，75 ℃，40 min～60 min。

1.3 電化學(xué)著色處理單因素研究

把經(jīng)過前處理的201不銹鋼片放入著色液中，同時測量并計算出不銹鋼浸入水中的正面面積，然后把電解池的正極連在不銹鋼片上，負極連在鉛片上，使它們形成回路，打開電解池電源，調(diào)節(jié)電流密度為(0.5 A/dm2、0.6 A/dm2、0.8 A/dm2、0.9 A/dm2、1.0 A/dm2、1.2 A/dm2、1.5 A/dm2)，著色溫度為(11 ℃、12 ℃、13 ℃、14 ℃)，通電時間為(3 min、5 min、10 min、15 min、16 min、20 min、25 min)。

1.4 性能檢測

外觀：在陽光下變換著色膜不同角度，觀察著色膜的光澤度，具體測試方法和評定等級見文獻[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)記錄

表1 電化學(xué)著色處理單因素研究數(shù)據(jù)

2.2 著色結(jié)果

2.2.1 在因素1條件下，電流密度為1.0/(A/dm2)、溫度為13 ℃時效果最好，著色均勻，不褪色，色彩光亮，見圖1。

圖1 電化學(xué)著色效果圖

2.2.2 其他因素電化學(xué)著色效果

3 結(jié)論

3.1 在預(yù)處理對著色影響的試驗中發(fā)現(xiàn)，不銹鋼著色膜的色彩隨著膜的厚度有較大的變化，而預(yù)處理的好壞又是決定膜厚和表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。如果預(yù)處理不當(dāng)，則會引起色彩不均勻、色彩暗淡或表面不平整，甚至不能著色。

表2 其他因素電化學(xué)著色效果及評價

3.2 在前處理除油過程中，不同的溫度和時間都會對其結(jié)果有一定的影響。最佳溫度是65 ℃，最佳時間是10 min。

3.3 著色后進行后處理可提高著色膜的耐蝕性和耐磨性，其中硬化封閉處理最為突出，但它會改變著色膜的顏色，制定工藝時必須加以注意。

3.4 著色液的濃度變化及向著色液中加入少量添加物(光亮劑)，對著色工藝及質(zhì)量有者明顯的影響。

3.5 在著色液中添加硫酸錳能加速著色過程，鉬酸鈉能提高顏色的光澤性，其最佳含量為：201不銹鋼：鉬酸鈉100 g/L，硼酸15 g/L，硫酸錳0.9 g/L，光亮劑0.1 g/L電流密度1.0 A/dm2。在此條件下，通過改變通電時間的變化能夠制備出金黃、綠、藍等不同顏色的不銹鋼表面，并且能夠降低不銹鋼著色的能耗和顯著提高不銹鋼著色膜的一些其它性能，具有工業(yè)化應(yīng)用前景。