普通鋼鐵的電解著色

(一)普通鋼鐵的電解著色工藝普通鋼鐵電解著藍色的工藝如下：

(二)鋼在銅鹽溶液電解著彩色

    1．普通鋼鐵在銅鹽電解液中著色工藝流程

    鋼鐵制件→除油→水洗→除銹→水洗→電解拋光→水洗→弱浸蝕(活化) →水洗→電解著色→水洗→干燥→成品。

    2．電解拋光液配方及工藝條件

3．電解著色溶液的配方及工藝條件

4．工藝參數(shù)對顏色的影響

(1)電解著色溶液pH值溶液在室溫及電流密度為lomA／dm2的操作條件下，溶液的pH不同，所得的色澤也不同。pH低于l2時，電解不上顏色，pH為12時，可以得到棕黑色；pH值為l2．5時，可以得到多種顏色，但色澤不均勻，pH為13時，才可以得到各種均勻的顏色。見表4—14。

    (2)電解著色時間的影響  在同一種溶液(pH相同)、室溫以及電解電流密度為10mA／dm2的條件下，電解著色的時間不同，也可以得到不同的顏色。時間由短到長時，出現(xiàn)的顏色由藍到黃再到紫色，后又再到藍色。見表4—15。

表4一l4溶液的pH值對著色的影響

表4·l5  著色時間對顏色的影響

    三、不銹鋼電解著色的機理

    有人用1Crl8Ni9Ti不銹鋼在100mL／L硫酸、50g／L鉻酐、少量表面活性劑和少量添加劑的電解液中進行了電解著銀灰色的研究，對不銹鋼著色按Evans等提出的原理做了解釋。當(dāng)不銹鋼浸入電解著色液后，發(fā)生下列反應(yīng)。

在陽極區(qū)：M →Mⁿ⁺+ne(M代表Fe、Cr、Ni等)

在陰極區(qū)：cr20^2-7 +14H+4-6e→ 2cr³⁺+7H₂0

浸漬一段時間后，在金屬溶液界面上金屬離子水解生成氧化膜：

    xCr³⁺+yMⁿ⁺+zH₂0→Cr_xM_y0₄·(z-4)H₂0+8H⁺3x+ny=8

    此時陽極反應(yīng)在氧化膜的孔底部進行，陰極反應(yīng)在膜表面進行，陽極反應(yīng)產(chǎn)物通過孔向外擴散，在孔口和孔底之間建立了擴散電位。隨著膜的加厚，擴散電位增大。因此，無論對于脈沖或直流著色，電流密度對成膜和著色起了重要的作用。

    用SEM以及表面能譜分析不銹鋼著色前后的表面形貌和成分發(fā)現(xiàn)，著色后的表面晶粒尺寸變小，著色前的表面成分中鐵含量占絕對優(yōu)勢，幾乎不含鈦，而鎳、鉻含量也很少，但著色后表面成分中的鐵含量明顯降低，而鉻、鎳、鈦則增加。可見著色后的表面為致密的鐵、鎳、鉻、鈦氧化物膜(表4-16)。圖4-5 為不銹鋼著色前后的掃描電鏡照片。從圖4-5可看出，著色后的表面比不著色前要致密和平滑，色澤更為均勻。

表4-16 SEM分析不銹鋼著色前后的表面成分

(一)影響不銹鋼電解著色成膜的因素

1．電流密度關(guān)系

影響不銹鋼電解著色成膜的因素很多，但在相同的著色溶液及相同的操作條件下，影響著色成膜的主要因素有電流密度及著色液主要成分的濃度。圖4-6為電流密度與失重的關(guān)系  硫酸一鉻酐電解著色液中不銹鋼的失重和電流密度的關(guān)系。由圖4-6可看出，隨著電流密度的增加，不銹鋼的失重在增加。不銹鋼的失重和電流密度成直線關(guān)系。當(dāng)觀察不銹鋼表面顏色時，發(fā)現(xiàn)電流密度增加，膜層的顏色更為均勻一致，膜層也更加致密。由此可見電流密度對于成膜著色起到最重要的作用，從圖4—5的照片也可以證實。雖然增大電流密度可以提高著色膜的性能，但是基體的耗損也大，且消耗的電能也增加。可以通過試驗得到較合理的電流密度作為控制的參數(shù)值。

2．著色溶液主要成分

    電解著色液中主要成分鉻酐的濃度對成膜的影響見圖4-7。著色液的鉻酐濃度對成膜的影響  無論是交流著色或是直流著色，鉻酐濃度越高，不銹鋼的失重越少。對于交流著色，當(dāng)鉻酐濃度達到70g／L后，鉻酐濃度再增加對于失重的變化不大。直流著色則隨著鉻酐濃度的增加，失重則呈線性減少。從圖4-7也可看出脈沖著色的失重比直流的略高，從而使得基體成膜的晶粒細小致密。脈沖電解著色膜的性能優(yōu)于直流著色，但對于濃度的最佳量也應(yīng)當(dāng)是通過試驗優(yōu)選。

3．膜層顏色與J、T、N的關(guān)系

有人研究認為，不銹鋼著色膜的顏色和電流密度．廠、方波周期T及周期數(shù)N有密切的關(guān)系。將lCrl8Ni9Ti不銹鋼放在250g／L鉻酐、490g／L硫酸的著色液中，以交流方波作電源，膜層顏色由電流密度．J、方波周期丁及周期數(shù)N來控制，得到的膜層顏色重現(xiàn)性好，著色的范圍寬，而且顏色的種類多。表4-l7表示1Crl8Ni9Ti不銹鋼表面所得的顏色與J、T、N的關(guān)系。

表4-17  不銹鋼表面所著顏色與J、T、N的關(guān)系

    (二)不銹鋼的其他電解著色方法

    不銹鋼電解著其他顏色的電解溶液配方及工藝條件見表4-18。表4-18中配方3著色時，溫度對電解著色有一定的影響，溫度升高，色彩逐步加深，最佳溫度范圍應(yīng)該是80～85℃。著色時間也有較大影響，5min便開始著上顏色，隨著時間增加，色澤逐步加深。到20min后顏色基體穩(wěn)定。硫酸對鉻酐的濃度比例對著

表4-18不銹鋼電解著色溶液配方及工藝條件

色也有很大影響。鉻酐濃度高時，為金黃色，如果濃度更高，則變成紫紅色，電流密度對著色也有很大影響，當(dāng)陽極電流密度為0．03A／dm²時，為玫瑰色，為0.05A／dm²時，則為l8K金色。

    (三)不銹鋼著色后的處理

    不銹鋼著色的膜層很薄，耐磨性及耐蝕性較差，為了提高不銹鋼著色膜的硬度、耐磨性及耐蝕性，著色后緊接著要進行封閉處理。封閉處理有化學(xué)法、電解法和涂有透明涂料等。

    1．化學(xué)封閉法

    化學(xué)封閉就是將著色后的不銹鋼工件水洗干凈，然后放進化學(xué)封閉溶液中浸泡，要嚴格控制封閉溫度，當(dāng)溫度大于80℃時，零件易變成紫色。而溫度低于60℃，則封閉效果差。化學(xué)封閉溶液配方及工藝條件如下：

    2．電解封閉法

    (1)不銹鋼著色膜電解封閉液的配方及工藝條件見表4—19。

表4-19不銹鋼著色膜電解封閉液的配方及工藝條件

    (2)影響不銹鋼著色膜封閉效果的因素

    ①促進劑的影響表4-19配方中的二氧化硒、硫酸及磷酸都是作為促進劑用的，對穩(wěn)定顏色起重要作用，對色彩的穩(wěn)定效果不錯，其中以配方1最好。   

    ②封閉溶液的溫度  當(dāng)溶液溫度高時，封閉的速度快，效果好，顏色很易變深，但色調(diào)不易控制；溫度低時，硬化速度慢，效果差。

    ③電流密度的影響  電流密度高，則封閉速度快，但顏色變

深，一般控制在0.2～O.5A／din²的范圍比較好。

    ④處理時間  處理時間太短，達不到封閉的好效果，太長，顏色會變，而且消耗能源，一般是控制在3～5min范圍內(nèi)。

    3．有機高分子涂料封閉

著色的不銹鋼工件可以涂覆透明的高分子涂料，以增加表面耐磨性和耐蝕性，同時又保持顏色的色彩及光澤，保護著色的膜層。

(四)不銹鋼電解著色的應(yīng)用

不銹鋼不僅在一般的環(huán)境介質(zhì)中具有優(yōu)良的耐蝕性和耐磨性，而且經(jīng)電解氧化后表面還可以著上多種顏色，使其再添光亮華麗的外表，成為高檔的裝飾材料和日常生活用品。不銹鋼經(jīng)過表面著色處理后得到的著色膜不同于鋁合金表面的著色膜，它并非形成有色的表面覆蓋膜，而是生成的無色透明膜對光干涉色的結(jié)果。表面顯示的色澤與表面膜的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、膜的厚度及表面光潔度等因素有關(guān)。一般來說，薄氧化膜顯示出藍色或棕色，中等厚度膜顯示金黃色或紅色，較厚的氧化膜則顯示綠色或深色。某單位用SUS304不銹鋼做了電解著金黃色的應(yīng)用研究，有一定的參考作用。

1．不銹鋼著色工藝流程

    不銹鋼工件→機械拋光→水洗→化學(xué)除油→水洗→電解拋光→水洗→酸洗活化→陽極氧化著色→水洗→電解硬化處理→封閉→水洗→干燥→成品。

    2．氧化著色前處理

    (1)除油  除油主要是清除機械拋光后殘留在不銹鋼表面的油膏，主要看油漬的情況，可以用化學(xué)法，也可以用其他方法。化學(xué)除油溶液的配方及工藝條件如下：

(2)電解拋光  可采用磷酸一硫酸型混合液進行電解拋光，可獲得光亮平整的表面。電解拋光溶液的配方及工藝條件如下：

(3)酸洗活化不銹鋼工件在陽極氧化著色前必須經(jīng)過酸洗活

化處理，酸洗活化溶液配方及工藝條件如下：

    3．不銹鋼陽極氧化著色

    (1)著色液配方及工藝  陽極氧化著色采用酸性氧化方法，其溶液配方及工藝條件如下：   

    (2)影響著色效果的因素  在電解著色溶液配方穩(wěn)定的情況下，著色的工藝條件如溶液溫度、電流密度及著色的時間對不銹鋼表面的色澤有較大的影響，具體如下。

    ①溫度與著色效果的關(guān)系  著色溶液溫度升高，著色膜加厚，氧化膜的色調(diào)加深。同時著色膜的耐磨性和耐蝕性均有提高，但表面光潔度變差，光澤也稍差。對于金黃色，應(yīng)控制在50℃左右為最佳的操作溫度。

    ②電流密度與著色效果的關(guān)系  一般來說，隨著電流密度的升高，著色膜加厚，氧化膜的色調(diào)加深，同時著色膜的耐磨性和耐蝕性也有所提高，但電流密度不能過大，因為電流密度大會導(dǎo)致著色膜的溶解而且速度隨著電流密度的增大而增大，導(dǎo)致膜層反而變薄，膜的光澤及光潔度變差。對于金黃色膜，最佳的電流密度在0．4～o．5A／dm2范圍之內(nèi)。

    ③著色時間對著色質(zhì)量的影響  在選擇了最佳溫度及最佳電流密度操作的情況下，最初是隨著著色時間的增加，膜層厚度增加，其耐蝕性和耐磨性也增加，但是時間過長，也會引起過腐蝕，使膜變薄，而且光潔度和光澤都變差。因此，著色時間應(yīng)控制在3min左右，所得的金黃色膜最好。

    4．不銹鋼陽極氧化著色后的處理

    (1)著色膜的硬化處理經(jīng)過陽極氧化生成的著色膜有許多小孔隙，所以膜層疏松，不耐磨、耐擦。因此，必須經(jīng)過硬化處理，以填滿小孔隙，提高膜層的硬度及耐磨性。硬化處理有化學(xué)浸泡法和電解法兩種，電解法質(zhì)量較好，且溶液成分較簡單。電解硬化液的配方及工藝條件如下：

    (2)電解硬化工藝對色膜性能的影響

    ①鉻酐濃度對硬化效果的影響  電解硬化主要是利用陰極沉積法使形成尖晶石結(jié)構(gòu)的鉻氧化物填充氧化膜的小孔隙，以提高膜的硬度及耐磨、耐蝕性能。因此，電解溶液中鉻酐含量的大小直接影響硬化膜的質(zhì)量。一般來說濃度低，沉積與填充的數(shù)量少，速度較慢。濃度較高，則硬化速度快，質(zhì)量稍高，膜的耐磨、耐蝕性提高較大，但也并非越大越好，經(jīng)試驗Cr0₃濃度在180g／L為最佳值，基本保持色膜的金黃色，耐磨性及耐蝕性均有提高，電解硬化液的使用壽命也較長。

    ②操作溫度對硬化效果的影響  隨著溫度的升高，著色膜的顏色加深，耐磨、耐蝕性也有提高，但并不十分明顯，從環(huán)保及節(jié)能考慮，在室溫(20～30℃)下操作能滿足條件。

    ③電流密度對硬化效果的影響  電流密度太小，硬化的效果不明顯，膜的耐磨、耐蝕性不夠好，但是電流密度太大時，陽極會析出大量的氣泡，也使氧化膜疏松，而降低膜的耐磨、耐蝕性能。因此，電流密度控制在0.1A／dm²比較好。

    ④處理時間對硬化效果的影響  由于硬化過程中發(fā)生的反應(yīng)

較快，當(dāng)反應(yīng)物填充滿膜的小孔隙后，時間再長也不會再產(chǎn)生影響。因此處理時間不必太長，大約8～10min即可完成并取得很好的硬化效果。

    (3)不銹鋼著色膜的封閉處理  為了進一步提高著色膜的質(zhì)量，可以通過封閉進一步獲得更好的效果。封閉是在1％亞硫酸鈉(Na₂ s0₃)沸騰溶液中，將經(jīng)過硬化處理的不銹鋼制品進行浸漬5min。經(jīng)過上述工藝處理的不銹鋼制品其表面呈金黃色，且膜層光亮美觀，具有良好的耐磨性及耐蝕性能。當(dāng)改變工藝操作條件，如溫度、電流密度及著色時間等情況下，可以得到其他顏色和不同厚度的色膜。