不锈钢电解着色工艺研究

毕业设计（论文）开题报告题目304不锈钢电解着色工艺研究专业名称金属材料工程（腐蚀与防护）班级学号********学生姓名曾云辉指导教师周雅填表日期2012 年 2 月12 日目录1选题的依据及意义 (1)1.1选题依据 (1)1.2研究意义 (1)2国内外研究概况及发展趋势 (2)2.1国外彩色不锈钢研究概况 (2)2.2国内彩色不锈钢研究概况 (3)2.3彩色不锈钢着色发展趋势 (6)3研究内容及实验方案 (7)3.1研究内容 (7)3.2实验方案 (7)4课题目标、主要特色及工作进度 (8)4.1课题目标 (8)4.2主要特色 (9)4.3工作进度 (9)5参考文献 (10)1选题的依据及意义1.1选题依据不锈钢因其具有良好的耐腐蚀性、耐磨性和加工性能以及精美的外观和无毒等特性而被广泛应用于各种领域。

根据金相组织结构，不锈钢可分为：奥氏体不锈钢，铁索体不锈钢和马氏体不锈钢。

而在工程应用中奥氏体不锈钢最为广泛[1]。

本课题研究的304不锈钢为奥氏体型不锈钢，具体牌号为1Cr18Ni9Ti，其具体元素含量分别是：C≤0.12%、Si≤1.00%、Mn≤2.00%、P≤0.035%、S≤0.030%、Ni为8.00～11.00%、Cr为17.00～19.00%[2]。

它广泛应用于日用厨具、汽车工业、宇航、家用电器、建筑等领域。

不锈钢是一种华丽的工程材料，随着其要求领域的不断扩大，彩色不锈钢悄然问世。

五彩缤纷的彩色不仅增加了不锈钢的装饰性和艺术性而且也提高了不锈钢的耐蚀性和耐磨性，这也是我们选择此课题的一个重要基础。

彩色不锈钢使用寿命长并可以回收利用，所带来的成本效益明显，使它在工程材料领域的重要性经久不衰，而彩色不锈钢的应用前景更为诱人。

材料的初始费用稍高一点已经逐渐为人们所接受，因为它的外观性能要比涂层低碳钢保持的时间长得多，而且长期使用后具有很好的回收利用价值，寿命周期长，成本低，效益十分明显[1]。

不锈钢的应用和发展有了80多年的历史，但是它的着彩色处理工艺近20年来才广泛引起兴趣。

由早期的INCO法，以及其派生方法代表着化学着色方法的不断进步，到如今电化学着彩色，高温着彩色等多元化的发展，不锈钢着彩色正向着更完善方面前进[1]。

本课题选着电解着色即电化学着色，充分的考虑到了电化学着彩色的优缺点，电解着色法颜色可控性好，重现性较佳，以及溶液的工作寿命长等良好特性，当然鉴于使用的仪器设备，即电源的使用，电力线的分布将是影响着色后外观质量的重要因素。

采用何种电源，其电源工艺参数又是多少，将是本次课题研究的一个主要方向。

同时在着色液方面，现在比较常见的是使用硫酸铬酐体系，而且所用的温度一般较高，普遍在50℃以上，最高可达90℃，在这种环境下，溶液中铬酸挥发，不仅对环境有着严重的污染，同时对实验人员及生产人员的身体健康造成危害，所以本次课题的另一个研究方向就是探索出新的绿色的环保的电解着色液的配方，并尽可能的降低槽液温度，以降低能耗，这也将是，本次毕业设计的一个亮点。

总之，不锈钢着彩色不仅仅保持了不锈钢材料原有的各种优良传统，同时又以色彩漂亮的外观给人们的生活增添了情趣，本次课题研究旨在通过对电解着色方法进一步探索，力争在绿色工艺配方及电源选择参数方面取得一定的进展，这也是我们本次选题的基本依据，相信我们定能获得成功！1.2研究意义我们选择不锈钢电解着彩色，它的发展将不断地完善不锈钢这种作为工程材料中重要地位，彩色不锈钢的应用不仅是工业生产的需要，同时也将极大地丰富并美化人们的生活。

我们首先可以归纳一下彩色不锈钢的性能特点，主要有以下几点：（1）色彩丰富，灰度等级多；（2）彩色是由于化学反应形成的薄膜经过光干涉作用的结果，故不会产生脱落、褪色，始终保持鲜艳；（3）耐磨损，耐腐蚀，耐高温，耐风化；（4）能弯曲，可以拉伸，加工良性好。

因此彩色不锈钢是一种新型高品位性能优异的材料[3]。

目前它的主要具体用途包括（1）高档装饰材料，例如北京京伦饭店的八根柱子采用进口金黄色不锈钢装饰；2004年英国费尔什至福千年中心屋顶结构Colour Texo，彩色316不锈钢带有一定花纹的青铜色不锈钢，外观富丽堂皇，而且在一天的不同时间由于太阳光被拱形结构反射可显示出不同颜色，同时316不锈钢耐腐蚀性能好，尤其适用于英国恶劣的海洋性气候；（2）高档印刷图案，彩色不锈钢可用于各种图案的印刷，例如由伯明翰大学完成的一幅表现英勇行军的古希腊士兵的壁雕装饰艺术品，共采用了32种颜色的不锈钢制成；（3）其他用途，可以用于厨房用具，一些要求耐蚀而不反光的重要零件也可以用彩色不锈钢制作，例如黑色不反光的不锈钢渔具，此外还有人将彩色不锈钢用在光学仪器上[3]。

彩色不锈钢有许多优点和广阔的应用前景。

在发展历程中，国外用了45年时间完成了由实验研究到生产线的建立，而国内也正在由实验室研究阶段转化为工业生产阶段，值此发展的重要时机，对不锈钢的电解着色的更深入的探究将大大加快彩色不锈钢的工业化生产及应用，这也是随着国民经济发展的必然结果，我们也相信伴随着更多研究员，工程人员，甚至包括各层次的学生参与，不锈钢电解着彩色工艺定将日趋成熟和稳定。

2国内外研究概况及发展趋势2.1国外彩色不锈钢研究概况早在1927年哈耶德和格林就曾经或得在硫酸和铬酸溶液中进行不锈钢彩色处理的专利。

而后在其几十年的发展道路上，很多研究人员对其溶液配方进行了深入研究，1965年克勒格和格利宁发表了关于在硫酸铬酸体系中加入少量的钼酸铵，（最佳6.5～8g/L），可以提高着色膜的光泽专利。

1968年詹姆斯、斯密司和托特都提出在不锈刚上的专利。

但是他们在1968年以前都未获得广泛应用。

其主要原因有二个：一是以这些方法所获得彩色都不太美观，不符合装饰性要求；二是这些彩色膜耐磨性较差，容易脱落，因此，均未获得工业化生产[3]。

1972年，英国国际鎳公司欧洲研究和发展中心提出因科工艺法是经过改进后具有实用价值的工艺，该工艺是将抛光后的不锈钢浸入80～90℃的铬酸－硫酸混合液中，随时间的变化，表面生成不同厚度的氧化膜，由于光的干涉而产生不同的颜色。

最初该方法的缺点是采用时间来控制颜色。

当溶液的组成和温度稍有变化时，就不能得到重现性好的颜色，为克服这一缺点，因科公司后来又采用控制电位差的方法，伊万斯用饱和甘汞电极做参比电极测量着色过程中的电位变化，并对着色工艺及成膜机理进行了详细的研究[1]。

以上这些都是化学着色发展过程，但是为电化学着彩色的兴起打下了牢固的理论基石，随着人们对界面化学反应过程认识的更为深入认识，以及电源仪器的灵敏度增强，大家对电化学着彩色越来越有兴趣，由于采用电化学着色，颜色可控性好，时间范围宽并缩短，同时其颜色重现性较好，且受不锈钢表面状况的影响较小，改善了工作环境，且溶液成分波动较小。

C . J . 林和J . G . 杜研究用脉冲电流方法对不锈钢进行着色，同时研究膜的力学性能。

着色液位铬酐和硫酸体系，脉冲电流信号为矩形方波，通过改变参数I1（正电流值）、I2（负电流值）、T1（正电流持续时间）、T2（负电流持续时间），研究不同脉冲电流信号的变化下不锈钢的着色情况。

由脉冲获得的色膜具有良好的附着性和延展性。

色膜经SEM分析，其晶粒大小为5nm，显示出近乎非晶态组织。

在施加脉冲信号过程中，阳极电流伴随着阳极反应，阴极电流伴随着阴极反应，在特定的信号范围参数内，色膜的厚度与通入的总电量成正比。

因此，可以通过总电量来得到特定厚度的色膜，从而达到控制颜色的目的。

采用此种方法颜色的重现性好，此方法实在75℃下进行的[4,5]。

K . 奥格拉 . 劳W . 纳卡雅马M，尝试用三角电波脉冲法进行着色，着色可以在室温下进行[6]。

要获得特定颜色，必须调整好适当的Imax 、Imin和τ（三角波周期值）。

色膜的厚度与电解时间和τ对数成线性关系。

K . 奥格拉用紫外分光光度计测量了着色膜的厚度，色膜的厚度可用下式来估算：d = λλ，/ 4n（λ—λ，）式中λ－色膜的反射光谱中最大的反射系数对应的波长；λ，－色膜的反射光谱中最小的反射系数对应的波长；n －氧化膜的折射系数。

随着通电时间的延长，工件的颜色按照：褐色→黄色→红色→蓝色→绿色的顺序变化。

金 J . N .、欧S. J、李S. C等人研究在正弦波、正弦波+直流、正弦波+方波这3种电流信号作用下，得到不同类型的色膜，都具有良好的性能。

因科电解着色法，对铬－镍系不锈钢工件处理时，在含有碳酸钠、硅酸钠、铝酸钠等成分或含少量的硫酸中，在常温下，在32～107A/dm2电流密度下，进行交流电解，不同时间可获得褐色、金黄色、红色、绿色等不同色彩[3]。

2.2国内彩色不锈钢研究概况我国对不锈钢着彩色起步较晚，自1973年上海轻工业研究所介绍了T . E . EVams的不锈钢着色新工艺以来，我国已有40多个单位开展了彩色不锈钢的研究，发表论文数十篇。

王文静、李国彬等研究了电化学着色，并对着色膜进行了XPS研究，通过正交试验分析，在铬酸硫酸体系中，最佳着色的工艺为CrO3 228g/L、H2SO4483g/L、T为80℃，电流密度d=0.5 A/dm2，同时指出电流密度对实验影响最大。

着色膜经XPS分析，其中含有的元素有Cr、Fe、N、O、S等，着色膜的Cr可能以六价和三价同时存在，并以氧化物的形式或以与COOH相结合的形式存在[7]。

曹荣、陈文静在以对医用不锈钢着色工艺研究中谈到着色后膜的耐磨性问题，分析指出电解着色后，膜层的孔隙较大，疏松不牢靠，而需要进行固膜处理，但是在加固膜层的过层中一般会出现二个效应（1）固膜层在孔隙中形成，填补缩小原氧化膜；（2）固膜在原膜层表面成膜，使得膜层增厚，影响表面的性能和色彩。

同时也分析了着色时间、温度与槽液浓度对彩色膜的影响。

随着着色时间的增长，彩色膜层按蓝色→金黄色→红色→绿色变化。

但是当着色时间太长时，膜层会粗超甚至粉化，当着色电位与起始电位差超过30mv时，膜会发生溶解。

他们认为，在该体系中若温度低于55℃时，将不能着色，槽液处于80～95℃时为最佳，在温度升高的过程中，水分蒸发加快，氧化环境变强，着色周期将缩短，而不易控制，同时若槽液的浓度上升较多，反应将加快，着色将更难控制，且到某一时刻，溶液产生明显沉淀，CrO3浓度将急剧降低[8]。

他们得出的电位时间图如下图一，对应的颜色见表一。

表一电解着色与时间关系时间/min5 7 9 11 13 15 17所得颜色蓝色金黄色紫色蓝绿色绿色不均匀绿色杂色图一电位—时间关系图（参比Pt电极）中科院金属腐蚀与防护研究所于兴文对不锈钢着色技术的理论做了深一步的了解，其中包括不锈钢显彩色原理及着色膜生成原理[9]。