一种不锈钢复合材料及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种不锈钢复合材料，还涉及该不锈钢复合材料的制备方法。
背景技术
传统的不锈钢表面装饰采用抛光、拉丝、缎面和喷砂等方法，此类方法均能在一定程度上改变不锈钢的外观，使不锈钢表面具有一定的美观效果。还可以采用不锈钢着色技术使不锈钢表面具有各种各样的颜色，一般的不锈钢着色技术可以采用直接氧化不锈钢表面着色、薄膜干涉、喷涂、丝印等技术，但采用直接氧化不锈钢表面着色以及采用薄膜干涉虽然能够得到表面为彩色的不锈钢材料，但其工艺的稳定性较差、较难实现颜色的重复性。采用喷涂、丝印等方法所得到的不锈钢产品的耐磨性较差，颜色及美观性均不理想。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不锈钢产品的耐磨性较差的缺陷，提供一种耐磨性较好的不锈钢复合材料，还提供了该不锈钢复合材料的制备方法。
本发明提供了一种不锈钢复合材料，该复合材料包括不锈钢基材，其中，该复合材料还包括位于该不锈钢基材表面的含金属钛层和位于含金属钛层表面的含氧化钛层。
本发明还提供了一种不锈钢复合材料的制备方法，该方法包括在不锈钢基材表面形成含金属钛层，在所述含金属钛层表面形成含氧化钛层。
根据本发明提供的不锈钢复合材料及其制备方法，使不锈钢复合材料表面获得各种需要的色彩，且耐磨性很好。并且通过本发明的制备方法，在优选情况下，通过调节操作条件，可以使不锈钢复合材料表面获得各种需要的色彩，使不锈钢基材可以获得更好的装饰效果，从而可以提高产品的价值。
【具体实施方式】
本发明提供的不锈钢复合材料包括不锈钢基材，其中，该复合材料还包括位于该不锈钢基材表面的含金属钛层和位于含金属钛层表面的含氧化钛层。
本文所描述的“不锈钢基材”表示不锈钢材料，当所述“不锈钢基材”存在于所述不锈钢复合材料中时，所述“不锈钢基材”表示在不锈钢材料表面形成含金属钛层后的不含金属钛的不锈钢材料部分；当所述“不锈钢基材”存在于所述不锈钢复合材料的制备方法中时，所述“不锈钢基材”表示未形成含金属钛层的初始不锈钢材料或者在不锈钢材料表面形成含金属钛层后的不含金属钛的不锈钢材料部分。
根据本发明提供的不锈钢复合材料，优选情况下，所述含金属钛层的厚度为20-80微米，所述含氧化钛层的厚度为0.05-1微米。
根据本发明提供的不锈钢复合材料，优选情况下，所述含金属钛层为不锈钢的渗金属钛层。由于该含金属钛层为不锈钢的渗金属钛层，因此本发明不锈钢复合材料中与不锈钢基材的结合力非常好。
根据本发明提供的不锈钢复合材料，优选情况下，距离所述含金属钛层和含氧化钛层的接触表面3微米以内的含金属钛层的钛含量至少为70重量％，所述含氧化钛层的氧化钛含量至少为85重量％。
本发明提供的不锈钢复合材料的制备方法包括，在不锈钢基材表面形成含金属钛层，在所述含金属钛层表面形成含氧化钛层。
根据本发明提供的制备方法，所述含金属钛层可以采用各种方法来形成，优选情况下，所述在不锈钢基材表面形成含金属钛层的方法包括对不锈钢基材表面进行离子渗金属钛，且离子渗金属钛的条件使所述含金属钛层的厚度为20-81微米。
根据本发明提供的制备方法，在优选情况下，离子渗金属钛的条件使所述含金属钛层表面3-4微米以内的含金属钛层的钛含量至少为70重量％，更优选所述含金属钛层表层3微米内的最低含钛量为85％；并且优选含金属钛层表面的钛含量至少为95重量％，最优选含金属钛层表面为纯金属钛层。
根据本发明提供的制备方法，所述离子渗金属钛的方法为本领域技术人员公知的。优选情况下，离子渗金属的条件包括电压为200-1000伏、温度为300-1200℃、惰性气体地绝对压力为10-1000Pa、时间为3-15小时。所述惰性气体可以采用氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氡气中的一种或几种，并优选采用氩气。
所述离子渗金属方法优选采用双辉离子渗金属方法，该方法的具体过程及操作方法为采用氩气真空低压辉光放电使金属钛受激发变为离子及原子，渗入到不锈钢基材表面，形成钛合金层，并且在优选情况下，随着离子渗钛的不断进行，金属钛沉积在不锈钢基材表面，从而在不锈钢基材即钛合金表面形成纯金属钛层。在本发明的此优选情况下，将钛合金层和纯金属钛层统称为含金属钛层。
根据本发明提供的制备方法，所述含氧化钛层可以采用各种本领域技术人员公知的方法来形成，优选采用阳极氧化的方法形成，且阳极氧化的条件使所述含氧化钛层的厚度为0.05-1微米。
根据本发明提供的制备方法，由于阳极氧化不能在不锈钢基材上进行，因此对于表面形成有20-81微米的含金属钛层的阳极氧化是将该含金属钛层中的金属钛进行阳极氧化，本发明的发明人发现，通过保证距离所述含金属钛层和含氧化钛层的接触表面3微米以内的含金属钛层的含钛量至少为70重量％时，即可有效提高含氧化钛层的附着力，因此，本发明优选将上述的离子渗金属的条件限制在距离所得含金属钛层和含氧化钛层的接触表面3微米以内的含金属钛层的含钛量至少为70重量％，更优选至少为85％。
根据本发明提供的制备方法，所述阳极氧化的条件为本领域技术人员公知的。通过控制阳极氧化的操作条件可以获得不同厚度的含氧化钛层，而由于不同厚度的含氧化钛层具有不同的颜色，从而可以使本发明的不锈钢复合材料获得不同的颜色。例如，含氧化钛层的厚度为0.78微米左右时，本发明的不锈钢复合材料表面具有红黄色；厚度再少许增大，颜色变为玫瑰红，厚度少许减小，颜色变为黄色或浅黄绿。
例如，阳极氧化的条件可以包括，使表面形成有含金属钛层的不锈钢基材作为阳极与电解液接触，以不与电解液反应的导电材料为阴极，电压为1-110伏，电流密度为0.05-0.8A/dm2，电解液的温度为15-35℃，阳极氧化的时间为5-50分钟。所述阴极可以采用不锈钢、铂、铅板、石墨等，优选采用不锈钢作为阴极。可以通过控制上述条件中的电压、时间控制含氧化钛层的厚度，从而可以获得需要的颜色。
根据本发明提供的制备方法，所述阳极氧化所使用的电解液可以为本领域技术人员公知的各种电解液，一般为酸性电解液。在本发明中，优选采用含有磷酸、草酸和氟化氢等弱酸的电解液，亦可采用硫酸等强酸。例如，本发明所采用的电解液为含有磷酸50-180g/L、草酸5-20g/L、氟化氢5-30g/L的水溶液。
根据本发明提供的制备方法，如果需要获得预定的图案，可以将具有该图案的模覆盖在不锈钢材料上或者在不锈钢材料表面用模将该图案的外部覆盖，然后依次进行离子渗金属和阳极氧化，即可获得所需要的图案。
根据本发明提供的制备方法，在优选情况下，本发明的制备方法还包括对不锈钢材料进行前处理，对不锈钢材料所进行的前处理通常包括抛光和清洗或者仅进行清洗。抛光可以采用本领域技术人员公知的各种抛光方法，例如可以采用机械抛光、化学抛光和电解抛光。清洗可以采用本领域技术人员公知的各种方法，可以直接采用厂家配置的金属清洗剂，也可以直接配制，例如可采用含有NaOH 10-15克/升、Na2CO3 10-20克/升、Na3PO4·12H2O50-70克/升和水玻璃5-10克/升的水溶液的清洗液进行清洗，优选还可以配合超声波振动进行清洗。
下面采用实施例的方式对本发明进行进一步详细地描述。
实施例1
工件：已冲压成型的不锈钢(北美不锈钢公司，304)手机外壳
1、前处理
(1)机械抛光
采用东莞市晶密机械设备有限公司生产的抛光机(JM-101型)用江门杰利信抛磨材料有限公司生产的黄色中粗抛光油膏(SBT-600型)在抛光轮的转速为2840转/分钟的条件下对工件进行粗抛10分钟，再用白色精抛油膏(SBW-804型号)在抛光轮的转速为2840转/分钟的条件下对工件进行精抛10分钟。
(2)清洗
对上述抛光后的工件依次浸泡在常温除腊水、除油粉溶液及70℃的去离子水中进行超声波清洗，清洗时间依次为5分钟、5分钟、10分钟，各步之间均用水洗涤。其中除腊水和除油粉均为麦德美精细化工有限公司产品。清洗完毕后烘干。
2、离子渗金属
将上述前处理后的工件放入离子渗金属设备(多功能等离子体表面改性设备，武汉首发表面工程有限公司，型号LDMC-15A/LD-15A)中进行离子渗钛，所采用的电压为500±50伏，氩气的绝对压力为30±10帕，温度为300-650℃，渗钛时间为5小时。
金相组织检测(德国ZEISS金相显微镜，型号Axio Imager.A 1m)测试出，在不锈钢基材表面获得厚度为50微米的含金属钛层，用能谱仪检测分析(日本ULVAC-PHI公司1800型光电子能谱仪)测试出，含金属钛层表面3微米内的钛含量90重量％。
然后，对所得离子渗金属后的工件进行粗抛并使用超声波用乙醇(浓度99.9重量％，天津化学试剂厂)进行除油清洗。
3、阳极氧化
将上述进行前处理后的不锈钢基材浸入电解槽的电解液中，以工件为阳极，以不锈钢板为阴极，在电压为30V，电流密度为0.2A/dm2，且在电解液的温度为25℃的条件下进行阳极氧化，阳极氧化的时间为20分钟。
电解液为含有磷酸100ml/L、草酸15g/L、比重为1.13g/cm3的氢氟酸15ml/L，pH值为3的水溶液。
取出工件清洗干净并在50-75℃下烘干，最终得到表面为深蓝色的不锈钢手机外壳产品。
测得该产品的含氧化钛层的厚度为0.5微米，氧化钛含量为92重量％，含金属钛层的厚度为50微米，且含金属钛层表层3微米内的钛含量为88％。
实施例2
工件：300×60×0.5mm的不锈钢板(通用不锈钢合金，304)
1、前处理
清洗
对上述抛光后的工件依次浸泡在常温除腊水、除油粉溶液及70℃的去离子水中进行超声波清洗，清洗时间依次为5分钟、5分钟、10分钟，各步之间均用水洗涤。其中除腊水和除油粉均为麦德美精细化工有限公司产品。清洗完毕后烘干。
2、离子渗金属
将上述前处理后的钢板放入离子渗金属设备(多功能等离子体表面改性设备，武汉首发表面工程有限公司，型号LDMC-15A/LD-15A)中进行离子渗钛，所采用的电压为600±50伏，氩气的绝对压力为50帕，温度为750±25℃，渗钛时间为8±0.5小时。
金相组织检测(德国ZEISS金相显微镜，型号Axio Imager.A 1m)测试出，在不锈钢基材表面获得厚度为30微米的含金属钛层，用能谱仪检测成(日本ULVAC-PHI公司1800型光电子能谱仪)测试出，含金属钛层表面3微米内的钛含量92％。
然后，对所得离子渗金属后的工件进行粗抛并使用超声波用丙酮(浓度99.9重量％，天津化学试剂厂)进行除油清洗。
3、阳极氧化
将上述进行前处理后的不锈钢基材浸入电解槽的电解液中，以工件为阳极，以不锈钢板为阴极，在电压为10V，且在电解液的温度为25℃的条件下进行阳极氧化，阳极氧化的时间为20分钟。
电解液为浓度为0.8体积％的氢氟酸(比重为1.13g/cm3)水溶液。
取出工件清洗干净并在65℃下烘干，最终得到表面为金黄色的不锈钢复合材料产品。
测得该产品的含氧化钛层的厚度为0.7微米，氧化钛含量为94％，含金属钛层的厚度为30微米，且含金属钛层表层3微米内的钛含量为90重量％。
对比例1
工件：300×60×0.5mm的不锈钢板(通用不锈钢合金，304)
按照实施例1的方法进行前处理。
然后采用喷涂工艺，喷涂距离为20cm、喷枪直径为1.2mm、喷涂压力为0.2MPa、烘烤温度为150℃、烘烤时间为18分钟。涂料为亚加力烤漆(2000系列，东莞威霸实业有限公司、搭配厂家#201溶剂稀释至40-60体积％)。最终在不锈钢基材表面得到厚度为10微米的涂层。
性能测试
1、结合力
测试所采用的标准：ISO 2409。
测试步骤：
在待测试的样品表面划出100个1mm×1mm的格子，划格的深度至露出样品底材，用美国3M公司生产的型号为600的透明胶带粘贴在划好的格子上，并使胶带与格子完全粘贴，不可有折皱气泡等现象。然后从胶带单边以180°水平方向迅速拖起胶带。
评价标准为：
5B切割边缘完全光滑，格子的四角没有变形；
4B覆膜内部有小的剥落，小于5％的区域受到影响；
3B覆膜边缘和内部有小的剥落，格子有5-15％的区域受到影响；
2B覆膜的边缘和部分平面有脱落，影响的区域占格子的15-30％；
1B覆膜的切割边缘剥落，并有大面积的带和整块分离，影响区域在35-65％；
0B脱落和分离超过1B级要求。
2、耐磨性
使用型号为F350008的RCA纸带耐磨仪，在175克力下磨擦样品表面，至样品表面磨至露底时，记录橡胶轮转动的圈数。
采用上述测试方法对实施例1-2和对比例1所得到的不锈钢复合材料进行性能测试，所得结果列于表1中。
表1
实施例1 实施例2 对比例1 结合力 5B 5B 4B 耐磨性 84 75 35
从上述实施例1-2和表1的数据可以看出，根据本发明的方法所得到的不锈钢复合材料可以具有鲜艳的色彩，耐磨性很好，并且在不锈钢复合材料中与不锈钢基材的结合力也很好，在现代不锈钢材料的装饰领域中有很大的应用前景。