中南大学冶金科学与工程学院不锈钢电化学着彩色酸性溶液成分和工艺条件

不锈钢电化学着彩色酸性溶液成分和工艺条件见表9-9。配方9 (见表9-9)的说明 。本配方由中南大学冶金科学与工程学院邓姝皓、龚竹青、柳勇提出。

1. 不锈钢着色生成亚光银灰色外观

  采用化学浸渍法或电解着色法均可将304不锈钢着色生成亚光银灰色外观。

  ①. 化学着色液组成。

    硫酸   100mL/L  、添加剂B   90~110mL/L  、添加剂A  40~60mL/L

  ②. 电解着色液主要组成。

     硫酸  100mL/L 、电流密度  0.4~0.6A/d㎡ 、铬酐  50~60g/L

2. 电流密度对着色膜的影响

  ①. 直流和脉冲电流在不锈钢成膜时，电流密度对成膜厚度和色泽均有影响。图9-18为电解电流密度与不锈钢失重的关系。由图9-18可见，随着电流密度的增加，不锈钢失重也在增加。电流密度和不锈钢失重呈一直线关系。观察着色膜的颜色可以发现，电解电流密度增加，膜层的颜色更加均匀一致，膜层也更加致密。可见电流密度对于着色膜起到了关键的作用。

  ②.  脉冲着色与直流着色的效果。结合SEM(扫描电镜）对着色膜分析，结果发现，脉冲着色膜比直流着色膜更加细致均匀，晶粒也较细小。因此，相同的电解电流密度下，脉冲着色的效果更好。

  ③.  氧化膜中镍、铬、钛等氧化物含量的分布。通过实验，发现不锈钢中的添加元素在不锈钢中呈一浓度梯度，深层的添加元素要高于表面。阳极氧化时，可以使表层逐渐溶解，电流密度越大，表层溶蚀越多，形成的氧化膜中镍、铬、钛等氧化物的含量越高，膜越致密。因此，增大电流密度可提高膜层性能，但是，不锈钢基体损耗加大。表面减薄程度增加，能耗增大。实验表明，电流密度在0.2~0.4A/d㎡为好。

3. 铬酐浓度对成膜的影响

 ①. 铬酐浓度与基体失重的关系

  图9-19为电解着色时铬酐浓度对成膜的影响。由图9-19可见，无论是脉冲着色或者是直流着色，铬酐浓度越高，基体失重越少。对于脉冲着色，当铬酐浓度达到70g/L后，铬酐浓度继续增加，对基体失重的变化已经影响不大了。直流着色随着铬酐浓度的增加，基体失重呈线性减少。

 ②. 脉冲着色膜的性能优于直流着色膜

  由图9-19可见，相同电流密度和相同的铬酐浓度下，脉冲着色对于基体的减薄要比直流的大。这是由于脉冲着色的峰电流密度远高于直流的平均电流密度，而且色膜中镍、铬、钛的氧化物也比直流着色膜略高。同时，脉冲着色电流密度大，使得基体成膜的晶粒细小、致密，脉冲着色膜的性能优于直流着色膜。

 ③. 铬酐适宜加入量。

  考虑到基体的损耗，六价铬离子的处理，铬酐加入量以50~60g/L为宜。

4. 着色膜结构、形貌和成分

 ①. 着色膜结构

    X射线衍射结果表明，着色前、后不锈钢在表面结构上发了很大的变化，形成了镍、铬、钛等的致密氧化膜（Ni₂O₃、Cr₂O₃、TiO)图9-20着色前后不锈钢的X射线衍射图所示。

  ②. 不锈钢浴色前、后的表面形貌

    采用SM扫描电镜以及表面能谱分析不锈钢着色前、后的表面形貌和成分，发现若色后的不锈钢表面晶粒尺寸变小。

  ③. 不锈钢着色前后的表面成分。

  表9-28为电镜扫描分析的表面成分。

  由表9-28可见，着色前表面成分中几乎不含有钛，铁含量占绝对优势，镍、铬含量很少。但着色后表面成分中铁含量明显降低，而镍、铬、钛含量增加。着色后的不锈钢表面为致密的镍、铬、钛氧化物膜。

 5. 不锈钢着色膜性能测试

 ①. 耐蚀性

    表9-29为不锈钢浸泡在3.5%(质量分数）氯化钠溶液中的浸泡实验结果。

    由表9-29可见，着色后的不锈钢较未着色的不锈钢的耐蚀性强。

 ②. 电化学腐蚀测试。

  表9-30、表9-31分别为不锈钢在10%(质量分数）氢氧化钠和1mol/L硫酸（相当于98g/L)中的电化学测结果。

 从表9-30、表9-31的比较可以看出，着色后的不锈钢在酸、碱中的耐蚀性与未着色的不锈钢相当，甚至更强。

 ③. 耐擦拭测试

  将着色不锈钢用滤纸往复擦拭，观察色膜褪去与擦拭次数的关系。结果列于表9-32.由表9-32可知，电解着色的不锈钢耐磨性明显优于化学着色的不锈钢。这是由于电解着色的不锈钢成膜更为致密、附着力更强。

④. 耐高温测试

  将着色和未着色不锈钢在烘箱中400℃下恒温2小时，观察不锈钢表面颜色，再在10%(体积分数）盐酸中浸泡几秒，并经水冲洗后观察颜色，结果见表9-33。

  由表9-33可见，着色后的不锈钢耐高温性要强于未着色的不锈钢。

6. 着色前处理

  304不锈钢→打磨（用0#、2#、4#、6#金相砂纸逐级打磨至镜面光亮）→除油（丙酮和酒精）→活化（10%盐酸）→着色。