不锈钢电化学着彩色方法 技术领域
本发明涉及用于建筑、家电、汽车和装潢的不锈钢电化学着色技术领域，具体是指一种不锈钢电化学着彩色方法。
背景技术
彩色不锈钢的工业化生产最早起源于1973年英国的INCO公司，该公司主要采用在高浓度铬酸和硫酸溶液中及在80℃的中温下浸渍不锈钢，通过控制浸渍时间长短，在其表面生成不同厚度的Cr2O3氧化膜。这种膜本身是半透明的，其表面反射的光波与通过膜层再由不锈钢表面反射回的光波产生干涉，有效控制膜厚度就可以生产不同干涉颜色(Interference Color)的产品。日本彩色不锈钢主要生产厂家之一的新日铁南洋制作所也是采用这种方法。
很多学者对INCO公司的上述方法进行了改进研究，在着色液中加入多种添加剂，改善了着色膜的质量，着色温度在50℃以上，着色后还是需进行着色膜强化的工序。还有些学者采用交流方波电解法来研究彩色不锈钢的着色工艺，因为使用对称交流方波，着色温度在50～55℃之间，着色后同样需要进行膜强化的工序。
目前，不锈钢化学着色方法得到彩色膜层薄的着色工艺主要为碱性含亚硝酸盐高温法和酸性含铬酸法。碱性高温化学法要在高达100℃以上的温度着色，溶液蒸发快，生产环境恶劣，且含有毒物质亚硝酸盐和高浓度热碱，对工人健康造成严重威胁；酸性化学着色法也需在80℃以上的高温，采用2.5mol·L-1铬酸+5.0mol·L-1硫酸的混酸溶液进行着色处理，存在生产环境恶劣、处理溶液失效快和废酸处理费用大等问题。
无论是化学着色法还是电化学着色法，若是含铬酸的着色工艺均存在六价铬的污染问题：在漂洗过程中形成大量废水，六价铬对人体的皮肤、粘膜和呼吸系统有很大的刺激性和腐蚀性，对中枢神经具有毒害作用，并有强致癌性，严重影响工作人员的身体健康。世界各国对六价铬的排放标准做出了更严格的规定，一些发达国家甚至已经开始在法律上规定取缔六价铬电镀。我们国家同样也面临着六价铬污染地问题，随着政府对铬酸使用的控制，不锈钢酸性含铬酸着色法将必然遭到淘汰。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种不锈钢电化学着彩色方法。该方法工艺简单，使用的着色溶液污染少、价格便宜、着色稳定，可生产满足性能要求的颜色和色调一致的高品质不锈钢产品。
本发明的目的通过下述技术方案实现：所述不锈钢电化学着彩色方法包括将不锈钢半成品进行前处理(包括除油、热水洗、流动冷水洗、活化、流动冷水洗)，还包括如下步骤和工艺条件：
第一步 含量为5.0～200g/L的钼酸盐水溶液作为着色溶液置于电解池中，将不锈钢半成品放在浸入着色溶液进行着色处理，控制着色电流0.02～0.6A/dm2；着色时间10秒～60分钟；着色温度15～60℃；
第二步 着色后的不锈钢半成品进行水洗，干燥后得到着色的不锈钢成品。
为了更好地实现本发明，所述着色溶液中添加磷酸盐、磷酸二氢盐、表面活性剂中一种或一种以上混合物；所述磷酸盐的添加量为2.5～40g/L，磷酸二氢盐的添加量为5.0～50g/L，表面活性剂的添加量为10～20ml/L；所述着色溶液的pH值为5.0～7.0，调节pH值所用试剂包括磷酸、硫酸；所述表面活性剂包括十二烷基硫酸盐、十二烷基磺酸盐；所述电解池的阳极包括不锈钢或石墨，阴极包括着色的不锈钢半成品。
本发明中不锈钢电化学着色膜的形成过程是一个阴极沉积成膜过程，其中可能有反应为：
内层膜： (1)
外层膜： (2)
不锈钢在溶液中形成的干涉膜厚与着色时间有关，不锈钢膜的彩色效果与膜成分和膜厚有着密切关系，因此，严格控制膜的厚度，可以得到所需要的膜颜色、颜色的均匀性和要求的亮度。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明的着色溶液不含铬酸，给环境造成的污染小，没有毒性，而且反应温度低，在低温下便可着色，在室温下也可以达到满意效果，可以得到多种颜色、均匀和亮度高的产品，节约能耗，降低溶液蒸发，有利于操作工人的健康。
2、本发明的着色方法成本低，几乎没有废液的污染，工艺简单，着色稳定，可靠性高，可生产满足性能要求的多种颜色(蓝色、蓝紫、银灰色、紫红、金黄、绿色、黄绿、黑色以及彩虹干涉色等)和色调一致的高品质不锈钢产品。
3、本发明通过调节控制电化学着色的工艺参数，使电化学着色膜的颜色更稳定，亮度更高，更均匀，满足产品的更高要求。
附图说明
图1是不锈钢着色膜形成彩色的原理图；
图2是本发明着色方法的工艺流程图；
图3是不锈钢电化学着色膜观察角度示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步地详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，不锈钢着色膜形成彩色的原理是：由于空气1中可见光4入射到着色膜2的表面，产生反射和折射现象，产生折射光6和反射光5，折射光6经过不锈钢3的反射和着色膜2的再次折射，形成的折射光7与反射光5产生干涉条纹，从而形成彩色效果。
如图3所示，本发明采用不同角度观察来说明膜层的干涉色彩。不锈钢经着色处理后，所显示的彩色并非是由于不锈钢表面形成了彩色的着色膜，而是由于形成的透明着色膜产生了干涉作用，由于不锈钢表面着色膜表面的反射光线与透过表面着色膜的折射光线产生干涉，因而显示出各种不同的颜色。不同不锈钢由于成分不同，形成着色膜的成分液不同，产生干涉色的色彩会不同；相同不锈钢由于形成着色膜的厚度不同，折射率不同，产生干涉色的色彩也会不同。即使相同的不锈钢和着色膜的厚度一样，随着入射光角度的改变，不锈钢表面干涉色的色彩也会发生相应的变化。当90°垂直观察、45°观察、约180°水平观察时不锈钢表面干涉色的色彩相应的发生变化。
如图2所示，本发明有如下实施例。
实施例一
第一步 将装饰用的1Cr18Ni9奥氏体不锈钢板进行前处理，包括除油；热水洗；流动冷水洗；活化；流动冷水洗；
第二步 着色溶液置于电解池中，将不锈钢半成品放在浸入着色溶液进行着色处理，阳极为不锈钢，阴极为着色的不锈钢半成品。控制着色电流0.06A/dm2；电解着色时间4分钟；在恒温水浴中加热到所需着色温度42℃(控温仪控制)；着色溶液为含量为25g/L的钼酸盐水溶液，并按12.5g/L添加磷酸二氢盐，用硫酸调节着色溶液的pH值为6.5；
第三步 着色后的不锈钢半成品进行冷水洗，凉风吹干处理后得到着色的不锈钢成品。
对本实施例所得不锈钢成品进行颜色观测和评定。1Cr18Ni9不锈钢成分如下表：
表1 1Cr18Ni9奥氏体不锈钢化学成分(重量百分比含量) C Si Mn Ni Cr Cu Mo N 0.068 0.57 1.08 8.64 18.36 0.08 0.04 0.027
S＞0.007，P＜0.025。
1Cr18Ni9不锈钢中各金属在着色过程中沉积反应式如(1)、(2)式，在不锈钢表面形成各自的金属氧化膜，通过沉积过程形成了彩色膜，膜厚范围为10～150nm，色彩随着膜厚不同而呈现各种色彩。电解着色后的1Cr18Ni9不锈钢成品得到多彩色干涉的膜层，当90°垂直观察为绿色，45°角观察为紫红色，约180°水平观察为蓝色。
实施例二
按实施例一的工艺条件进行电化学着色。当着色时间为7.0分钟，得到的颜色为均匀和光亮的棕色；当着色时间为10.0分钟，得到的颜色为均匀和光亮的棕黑色；当着色时间为15.0分钟，得到的颜色为均匀和光亮的乌黑；当着色时间为60.0分钟，得到的颜色为均匀和光亮的深黑色。该膜层用橡皮45°角用力擦，1500次以上不褪色，且越擦越亮。
实施例三
调节着色电流密度为0.10A/dm2，其余按实施例一的工艺条件进行电化学着色。当着色时间为10秒，得到均匀和光亮的蓝紫色；当着色时间为20秒，得到均匀和光亮的银灰色；着色时间为30秒，得到均匀和光亮的金黄色；当着色时间为40秒，得到均匀和光亮的彩色干涉膜，垂直观察为黄绿色，45°角观察为蓝色，约180°水平观察为紫红；当着色时间为50秒，得到均匀和光亮的彩色干涉膜，垂直观察为金黄色，45°角观察为蓝色，约180°水平观察为紫红色。可以看出，着色的颜色种类要比常规着色的颜色种类多，膜颜色的均匀性和光亮度比常规的都要好。
实施例四
第一步 将1Cr17Ni8奥氏体不锈钢板进行前处理，包括除油；热水洗；流动冷水洗；活化；流动冷水洗；
第二步 着色溶液置于电解池中，将不锈钢半成品放在浸入着色溶液进行着色处理，阳极为石墨，阴极为着色的不锈钢半成品。控制着色电流0.08A/dm2；电解着色时间27分钟；着色温度25℃；着色溶液为含量为25g/L的钼酸盐水溶液，并按5g/L添加磷酸盐，用磷酸调节着色溶液的pH值为6.4；
第三步 着色后的不锈钢半成品进行冷水洗，干燥处理后得到着色的不锈钢成品。
对本实施例所得不锈钢成品进行观测，不锈钢成品表面有均匀和光亮黑色的干涉膜。该膜层用橡皮45°角用力擦，1500次以上不褪色，且越擦越亮。
实施例五
第一步将1Cr17Ni7奥氏体不锈钢板进行前处理，包括除油；热水洗；流动冷水洗；活化；流动冷水洗；
第二步 着色溶液置于电解池中，将不锈钢半成品放在浸入着色溶液进行着色处理，阳极为石墨，阴极为着色的不锈钢半成品。控制着色电流0.4A/dm2；电解着色时间12分钟；着色温度42℃；着色溶液为含量为25g/L的钼酸盐水溶液，并按5g/L添加磷酸盐、按10ml/L添加十二烷基硫酸盐，用磷酸调节着色溶液的pH值为5.5；
第三步 着色后的不锈钢半成品进行冷水洗，干燥处理后得到着色的不锈钢成品。
对本实施例所得不锈钢成品进行观测，不锈钢成品表面有均匀和光亮黑色的干涉膜。该膜层用橡皮45°角用力擦，1500次以上不褪色，且越擦越亮。
实施例六
第一步 将1Cr17Ni8奥氏体不锈钢板进行前处理，包括除油；热水洗；流动冷水洗；活化；流动冷水洗；
第二步 着色溶液置于电解池中，将不锈钢半成品放在浸入着色溶液进行着色处理，阳极为石墨，阴极为着色的不锈钢半成品。控制着色电流0.05A/dm2；电解着色时间12分钟；在恒温水浴中加热到所需着色温度15℃；着色溶液为含量为5g/L的钼酸盐水溶液，并按2.5g/L添加磷酸盐、按5.0g/L添加磷酸二氢盐、按10ml/L添加十二烷基磺酸盐，用磷酸和硫酸调节着色溶液的pH值为5.0；
第三步 着色后的不锈钢半成品进行水洗，干燥后得到着色的不锈钢成品。
对本实施例所得不锈钢成品进行观测，不锈钢成品表面有均匀和光亮黑色的干涉膜。该膜层用橡皮45°角用力擦，1500次以上不褪色，且越擦越亮。
实施例七
第一步 将1Cr17Ni8奥氏体不锈钢板进行前处理，包括除油；热水洗；流动冷水洗；活化；流动冷水洗；
第二步 着色溶液置于电解池中，将不锈钢半成品放在浸入着色溶液进行着色处理，阳极为石墨，阴极为着色的不锈钢半成品。控制着色电流0.6A/dm2；电解着色时间50分钟；在恒温水浴中加热到所需着色温度60℃；着色溶液为含量为200g/L的钼酸盐水溶液，并按40g/L添加磷酸盐、按50g/L添加磷酸二氢盐、按20ml/L添加十二烷基磺酸盐，用磷酸和硫酸调节着色溶液的pH值为7.0；
第三步 着色后的不锈钢半成品进行水洗，干燥后得到着色的不锈钢成品。
对本实施例所得不锈钢成品进行观测，不锈钢成品表面有均匀和光亮黑色的干涉膜。该膜层用橡皮45°角用力擦，1500次以上不褪色，且越擦越亮。
实施例八
第一步 将装饰用的1Cr18Ni9奥氏体不锈钢板进行前处理，包括除油；热水洗；流动冷水洗；活化；流动冷水洗；
第二步 着色溶液置于电解池中，将不锈钢半成品放在浸入着色溶液进行着色处理，阳极为不锈钢，阴极为着色的不锈钢半成品。控制着色电流0.02A/dm2；电解着色时间60分钟；在恒温水浴中加热到所需着色温度60℃；着色溶液为含量为100g/L的钼酸盐水溶液，用硫酸调节着色溶液的pH值为6.5；
第三步 着色后的不锈钢半成品进行冷水洗，凉风吹干处理后得到着色的不锈钢成品。