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1、摘 要本文综述了不锈钢着色技术的现状及目前国内外的发展动态，分析了现有不锈钢着色技术的优缺点。运用单变量实验法对304不锈钢化学法着金色工艺进行了优化设计，确定了最佳着金色溶液的配方：267ml/L H2SO4、200ml/L HNO3、26g/L MnSO4、153.3g/L Cr2O3、2.67g/L Z-1(添加剂A)、2g/L Z-2(添加剂B)、2g/L Z-3(添加剂C)，着色时间为1719min，着色温度为8793。在分析了不锈钢的显色原理和该着色液着色的反应机理的基础上，着重讨论了该配方中不同添加剂对着色过程和色膜的影响，实验结果表明：该工艺具有着色时间易于掌握、环境污染小、色
2、膜附着力强、光泽性好等特点，同时该膜提高了304不锈钢的耐磨性和耐蚀性。关键词 不锈钢；化学法；着金色；着色机理；影响因素ABSTRACTThis paper generally introduced the present situation. And it also introduced domestic and abroad developing trends of surface treatment of stainless steel at present, analyzed the advantages and disadvantages of existing surface t
3、reatment technologies of stainless steel. The black chemical coloring technology parameters were optimized by designing orthogonal tests in this article. It has been determined that the best technological formulation is 67g/L NaNO3、67g/L NH4NO3、70g/L MnSO4、250ml/L H2SO4、40g/L CrO3、20g/L addition A、4
4、0g/L addition B; the coloring time is 810min and the coloring temperature is 90100. The mechanism of manifestation of color and blackening process of stainless steel was analyzed. All kinds of factors of blackening quality and the function of its components were discussed. And thus parameters and co
5、nditions for blackening process were determined and established. The experiments have proved that oxidizing-blackening film has strong adhesion, excellent luster and decorative properties, uniform color, better corrosion resistance. Key words Stainless steel; Chemical method; Blacking coloring; Colo
6、ring mechanism; Affecting factors 前 言不锈钢，因其有优良的耐蚀性、耐磨性、韧性、加工性能、精美的外观及无毒等特性，在海洋、宇航、石油化工、家用设备、交通车辆等方面的应用日益广泛。随着广大用户对装潢的表面色彩要求的不断提高，且彩色不锈钢及其制品有比普通不锈钢更出色的耐蚀性、耐磨性和优良的装饰性，因此彩色不锈钢逐渐向高档次及多样化装饰性方面发展。在彩色不锈钢的各种颜色中，金色304不锈钢显得高雅华贵，多用于替代仿金材料。本文主要研究的是金色304不锈钢在包装防护与装饰方面的应用，它在工业设备、橱卫用具、餐具、器皿、工艺品等方面具有很大的潜在市场。早在1927年，
7、HATFIELDWH.和GREENH.就将不锈钢的着色工艺申请了专利。此后又有许多学者进行了许多这方面的研究工作，但所得到的色膜是疏松的，其耐磨性及耐蚀性很差。1972年，英国INCO欧州有限公司研究出一种实用的工艺(称为“INCO”法)，对彩色不锈钢的发展起了很大的推动作用。目前对不锈钢着色技术的研究已有不少，主要有化学着色法、电化学着色法、高温氧化法、气相裂解法和离子沉积法等。化学法着色和电化学法着色因其工艺简单、成本较低、流程易于控制等优点而被广泛采纳。彩色不锈钢表面显示出的各种色泽并不是着色过程中形成的有色的表面覆盖层，而是由于表面形成的无色氧化膜对光的干涉所致，其表面色泽主要取决于表
8、面膜的化学成分、组织结构、表面光洁度以及膜的厚度等因素。近年来，我国对不锈钢着色技术已经做了大量的研究，但不锈钢的着色处理还存在着色膜附着力不强、着色不均匀和着色不稳定等问题。本文通过大量实验来研究不锈钢着金色工艺，并利用单变量实验法对不锈钢化学法着金色的工艺参数进行了优化设计，确定了最佳着色液的配方。并在分析了不锈钢的显色原理和着色液着色的反应机理的基础上，着重讨论了该配方中各成分对着色过程和色膜的影响。 目 录一、文献综述 61.1不锈钢着色的意义 61.2不锈钢着色技术的分类6 1.2.1 化学着色法 6 1.2.2 电化学着色法 7二、实验材料和方法 8 2.1 实验材料 82.1.1
9、 实验仪器 82.1.2 化学药品及规格 82.1.3 试样材料及规格 92.2 304不锈钢着金色工艺流程 92.3 着色处理 92.4 后处理 10三、304不锈钢着金色工艺研究 11 3.1不锈钢显色原理 113.2着色液着色机理 123.3发黑液主要组份的作用及其对成膜的影响 133.4添加剂的作用及其影响 163.4.1添加剂A对不锈钢表面颜色的影响 163.4.2添加剂B对不锈钢表面颜色的影响 173.4.3添加剂C对不锈钢表面颜色的影响 173.5不锈钢发金的后处理的影响 183.6温度与时间的影响 183.6.1着色温度的影响 183.6.2着色时间的影响 18四、结论 19五
10、、参考文献 20六、后记 21一、文献综述 1.1不锈钢着色的意义不锈钢，因其有优良的耐蚀性、耐磨性、韧性、加工性能、精美的包装外观及无毒等特性，在海洋、宇航、石油化工、家用设备、交通车辆等方面的应用日益广泛。随着广大用户对包装装潢的表面色彩要求的不断提高，外观单一的铬白色和原不锈钢已经不能满足人们的需求，且着色处理之后的不锈钢及其制品比普通不锈钢有更出色的耐蚀性、耐磨性和优良的装饰性，因此彩色不锈钢逐渐向高档次及多样化装饰性方面发展。由于彩色不锈钢主要应用于包装装潢方面，在彩色不锈钢的各种颜色中，金色不锈钢显得高雅华贵，多用于替代仿金材料。本文主要研究的是金色304不锈钢在包装防护与装饰方面
11、的应用，它在工业设备、橱卫用具、餐具、器皿、工艺品等方面具有很大的潜在市场。因此，研究不锈钢的着色技术以满足市场需求就是不锈钢着色的意义所在。1.2不锈钢着色技术的分类目前对不锈钢着色技术的研究已有不少，不锈钢表面成色法（如图1）主要有气相裂解法、离子沉积法、表面着色法、预涂层不锈钢板法、干式图层法等。其中，表面着色法可分为化学着色法和电化学着色法，且这两种方法因其工艺简单、成本较低等优点而被广泛使用，因此本文在这里着重介绍。不锈钢表面成色法的常用方法如图1所示。不锈钢表面成色法离子沉积氮化法气相裂解氧化法电化学着色法化学着色法电位着色法激光脉冲照射法二步法氧化着色法硫化法重铬酸盐氧化法脉冲电
12、位着色法碱性氧化着色法干式涂层法预涂层不锈钢板法表面着色法电流着色法酸性氧化着色法(INCO法)脉冲电流着色法恒定电流着色法恒定电位着色法 图1 不锈钢表面成色法1.2.1化学着色法化学着色法在国外发展历史悠久，方法较为成熟，应用较为普遍。化学着色法是将不锈钢浸在化学溶液中，基于表面被浸蚀、整平并形成新的无色透明氧化膜， 该膜对光干涉的结果形成各种颜色，根据氧化时间的长短、使用溶液的不同，形成膜的厚度、成分、色泽也不同。由于化学着色法是生产彩色不锈钢的主要工业化生产方法，所以本文研究的方向就是根据这几种工业常用的不锈钢表面处理方法进行比较，选出最合适、最实用的不锈钢着色方法。 1、重铬酸盐氧化
13、法： 将不锈钢置于熔融态的重铬酸钾 （钠） 中进行氧化，获得黑色的氧化膜。然而这一经典方法还是存在不足之处：回流装置占的实验空间大，水、电消耗较大，试剂用量大，操作不便，难以大批量快速测定，固应用较少。 2、 硫化法： 将不锈钢在 10% 的草酸溶液中浸渍， 清洗干燥后再浸在 1% 的硫化钠溶液中， 得到一层 黑色的膜 （由 Fe2 S3 和 Ni、Cr 等金属盐组成） 。此膜美观， 装饰效果好。然而，虽然国内外许多学者都在研究硫化法，但此类研究多集中在实验室规模制备单件样品，大规模生产相关产品存在困难。 3、氧化着色法：是在特定的熔盐中，浸入工件保持在一定的工艺参数，使工件形成一定厚度氧化膜
14、，而呈现出各种不同色泽。（1）碱性着色法： 在含有氧化剂和还原剂的强碱性水溶液中使不锈钢着色， 其特点是利用自然成长 的薄膜 （不必除去钝化膜） 再生长不同厚度的氧化膜。此法的优点是免去了不锈钢着色前去除表面自然生成的氧化膜的前处理步骤，且着色中不使用铬盐。其缺点是反应过程中多用参比电极控制，工艺相对复杂，且着色温度偏高。 （2）酸性氧化着色法：把不锈钢浸渍于着色溶液中，通过化学反应在不锈钢表面形成无色透明氧化膜对光干涉而成色。此种方法实验方案较难掌握，但对生产条件要求相对较低，适合工厂批量生产。1972年英国INCO欧洲有限公司提出Inco着色法和新日铁公司提出的新日铁着色法就属于酸性着色法
15、。4、二步法：先在不锈钢表面沉积铜、钛、锌、镍或其他合金层后， 利用沉积层容易着色的特点， 再在沉积金属上进行化学着色。该方法着色宽广，色质鲜明美观，易控制， 操作方便，能制作复杂的图案，且能套色。目前国内采用此类工艺可得到黑、白、瓷质多种色彩，以及美丽的山水花鸟图案风景等，深受欢迎。但是此种方法表面色膜易褪色，耐腐蚀及耐磨损度相对较低。5、 脉冲激光照射法： 先将不锈钢板浸渍于硝酸溶液中， 然后用脉冲激光照射， 通过控制时间使钢板 表面呈现各种颜色。该方法由新日本制铁公司研制，是一种很有发展潜力的方法，但工艺条件要求较高，适合做精工产品，在工厂大规模生产中应用较少。综上所述：本文选用了化学着
16、色法中的酸性氧化着色法对不锈钢进行着金色，其优点有以下几点：1、此法能保证一批产品色泽的一致性，实验方案一旦确定，过程容易控制；2、此法对生产条件的要求较低，可以减少实验及生产成本，适合工厂批量生产；3、此法相对其他方法来说比较简单，应用相对广泛，在工业大批量生产中能大量减少生产占地面积及工序间的运输量，提高包装工效。 1.2.2电化学着色法按不锈钢工件在电解中作电极的作用，它可分为电解阳极氧化法和电解阴极沉积法两种。无论是采用哪一种方法，其成膜的机理可以用下列反应式描述：在电化学着色的过程中，试片上施加阳极电流或阳极电位时发生的反应为：M=Mn+ne- 这里M代表不锈钢中的成分，如Fe、Cr
17、、Ni等金属，试片上施加阴极电流或阴极电位时发生如下反应：HCrO4-+7H+3e-=Cr3+4H2O或Cr2O72-+14 H+6e-=2Cr3+7H2O或H2O+ H+2e-= H2+OH-,随后阳极和阴极中生成的金属离子在表面发生水解反应形成色膜pMn+qCr3+rH2O=MpCrqOr+2rH+。电化学的溶液主要成分与化学着色法一样，基本上是CrO3和H2SO4体系。1 电解阳极氧化法电解阳极氧化法着色，就是在酸性或碱性电解质水溶液中，以待着色不锈钢工件为阳极，用铅类金属板(也可利用着色电解槽的铅板衬里)作阴极，电解时由于在阳极上产生的活性氧使工件表面氧化形成不同厚度的透明氧化膜而显示
18、出不同的色彩。2 电解阴极沉积法电解阴极沉积法着色，就是将抛光活化处理好的不锈钢工件浸入含无水铬酸并添加有适量Cr3+的稀铬酸-硫酸溶液中，以不锈钢工件作阴极，在一定的温度条件下电解一段时间，将工件表面预先镀上一层致密的金属铬，然后在一定的阴极电流密度条件下的含无水铬酸的电解液中，进行电解着色处理一段时间，就可获得彩色氧化膜。二、实验药品和方法2.1实验仪器与药品2.1.1实验器材 可控电炉、恒温水浴、烧杯(数个)、移液管、电子天平、温度计、搅拌棒、砂纸、镊子、物品夹等2.1.2化学药品及规格浓硫酸、浓硝酸、铬酐、硫酸锰、硫酸铈、硫酸镧等均为分析纯。2.1.3 试样材料及规格 试样材料采用的不锈钢为06Cr19Ni10，其化学组成见表2.1，试样规格为30mm20mm1mm，着色区域为试样的正面（覆膜面）。表2.1 06Cr19Ni10化学组成(wt%)16元素 C Si Mn P S Cr Ni Fe组成 0.08 1.00 2.00 0.05 0.03 18.00 8.00 余量2.2不锈钢着黑色工艺流程本文确定的着色工艺流程：不锈钢试样自来水冲洗化学除油自来水冲洗抛光活化液处理自来水冲洗氧化发黑处理自来水冲洗封闭处理沸水干燥。
