304不锈钢无铬电解着色前处理的工艺研究毕业论文设计(编辑修改稿)

304不锈钢无铬电解着色前处理的工艺研究毕业论文设计(编辑修改稿)内容摘要：

CrO3 溶液中添加少量钼酸铵可以提高不锈钢着色膜光亮性； 1968 年杰姆斯等获得在不锈钢上形成多种色彩的专利；同年伊万 斯 T E 等发现在着色溶液中添加 MnSO4 可使着色膜形成加速 [18]。 上述方法获得的色彩膜是疏松多孔的，且耐磨性和耐污性较差，还达不到工业化生产的要求。 1972 年英国国际镍公司提出了 INCO 法：首先，表面预处理，在 70~90℃的H2SO4CrO3 溶液中浸泡不同时间而获得不同颜色，即化学着色。 该工艺最初采用时间控制法，一旦溶液组成或温度发生变化时，重现性较差。 为此， INCO 公司又探究了电位差控制法，重现性令人满意。 电解硬化处理方法为：电解液组成为 240～ 260g/L 南昌航空大学科技学院 2020届毕业论文 4 CrO3与 ～ ，温度控制在 25～ 40℃，电流密度为 ～ ，电解时间为 2～ 30min[19]。 一些论文中还提出用磷酸代替硫酸作为催化剂，在含 250g/L CrO3和 ，以铅板为阳极，以不锈钢为阴极在 ～ 密度下，电解 10min 即可充分硬化着色膜。 1973 年伊万斯 T E 等用饱和甘汞电极作参比电极，测量了着色过程中的电位变化，控制着色不锈钢表面和参比电极之间的电位变化量的测量系统成为 INCO 法的关键，被列入绝密级技术范畴。 80 年代以来许 多研究者对不锈钢着色进行了深入的研究，对 Inco 法作了进一步的完善。 1989 年印度的 venkatachalam R 等人在铬酸和硫酸的溶液中制得了蓝色的不锈钢，发现其具有α =，ε =（通常用的黑漆其α =，ε =）的光学性质，用于太阳能吸收器取得了良好的效果。 印度的 Nomurak, Takahashik, Takedam 等人研究出了“ CSL”工艺，该工艺包括表面预处理和着色膜的形成及硬化两步，并发现其着色过程与铬着色膜中的水分有关，颜色的均匀性与表面的前处理工艺有关。 2020年 Rosangela Conrrado， Nerilso Bocchi， Romeu C. RochaFilho， Sonia R. Biaggio[20]等人研究了 304 不锈钢选择性脉冲电位下 ， 能够得到多种颜色的着色膜 ； 在含铬电解着色液中不同着色电位下着色膜的耐蚀性 ， 最终结果电位差为 下的蓝色着色膜耐蚀性最差。 2020 年 Karina de Oliveira Vasconcelos, Nerilso Bocchi, Romeu C. RochaFilhoand Sonia R. Biaggio [21]在 不同的温度下，运用三角波电流扫描的方法，在硫酸浓度为5mol/L，在 50℃，最小电流密度 ，最大电流密度为 ，时间为 的条件下获得的 304 不锈钢氧化膜。 该膜厚在通电时间为 20~60min 内增加到100~270nm，主要的颜色为金黄色，红色，蓝色。 该方法仅为硫酸的水溶液，避免了铬酸的使用，且成功的应用到不锈钢着色领域。 不锈钢表面极易生成肉眼看不见的薄氧化膜 (10nm)，这层致密的氧化膜影响不锈钢基体与其着色膜之间的结合力，将导致表面状况和生成膜的速度不一致， 着色不均匀，产生条纹和多种颜色等。 着色前，首先要去掉这一层氧化膜，使表面处于活化状态，获得新鲜的表面，提高着色层的附着力和色彩的均匀性。 人们早已发现活化对不锈钢着色有重要的影响。 1995 年刘萍等 [22]研究了只进行除油、除油后活化 10 min 和除油后进行电化学抛光的不锈钢片，即使电位差相等，着色样品表面颜色也不一样。 1999 年谷春瑞等 [2]研究了前处理及后处理对不锈钢化学着色的影响，发现凡是能够使不锈钢基体表面活化的因素均可加速着色过程。 南昌航空大学科技学院 2020届毕业论文 5 2020 年欧阳贵等 [23]发现如果不进行活化或活化不 理想，将导致表面状况和生成膜的速度不一致，着色不均匀，产生条纹和多种颜色等。 2020 年吴昊 [24]研究了电抛光后再进行阳极处理的前处理方法，可加快着色速度。 2020 年陈海燕 [25]通过测定不锈钢在各活化液中的稳态电位、腐蚀速度和阳极极化曲线，结合镀层综合性能的检验，获得最佳活化液配方： 98~102 g/L (NH4)2SO85~90 g/LH2SO4(分析纯 )、 5~6 g/LH3PO4(分析纯 )、 5~6 g/LH2SiF6。 2020 年程作慧、薛永强 [26]等人研究了 6 种不同活化方法即 HCl 室温活化 、 H2SO4室温活化、 H2SO4阳极活化、 H2SO4阴极活化、 H2SO4高温活化、 H2SO4CrO3阳极活化。 结果表明， H2SO4阳极电解活化的效果最好。 2020 年张书 [27] 采用正交试验优化了该不锈钢的电刷镀前处理工艺，研究了三种活化方法分别是 （ 98%）、 (NH4)2SO4； 21ml/LHCl（ 37%）； 、 2H2O、 3g/LNiCl2 6H2O。 本课题研究意 义及目的 不锈钢在生活当中的应用是越来越广泛，伴随着人们对不锈钢的认知也越来越多，不锈钢的着色研究也倍受关注。 在日益发展的今天，人们对环保的理念也变得积极起来，早期人们研究的不锈钢着色液是以铬酐和硫酸或磷酸为基础配方的体系，对环境的污染很大，研究无铬绿色着色体系成了未来的重大发展方向。 然而不锈钢无铬着色工艺还是一个不太成熟的研究，并且无铬着色工艺不管是在耐蚀性、耐磨性都没有达到含铬工艺那么高的性能要求，在彩色不锈钢需求越来越大的今天，如何通过前处理工艺改善不锈钢无铬电解着色膜的各项性能将是本课题的重 点研究，这也是未来的发展趋势。 南昌航空大学科技学院 2020届毕业论文 6 2 实验部分 实验原理 电解抛光的原理：电解抛光是金属阳极溶解的独特电解过程，它受众多可变因素的影响。 根据阳极金属的性质、电解液组成、浓度及工艺条件的不同，在阳极表面上可能发生下列一种或几种反应 [28]： （ 1）金属氧化成金属离子溶入到电解液中。 (M 为铁铬镍等金属离子 ) M = M2++ 2e （ 2）阳极表面生成钝化膜。 xM +yH2O =MxOy +2yH++ 2ye （ 3）气态氧的析出。 2H2O=O2+4H++4e （ 4）电解液中各组分在阳极表面的氧化。 电解抛光后的阳极表面状态主要取决于上述 4 种反应的强弱程度。 然而，由于电解抛光过程的复杂性，至今提出的各种电解抛光机制均存在一定的局限性。 钝化膜理论 [29]认为，在电解抛光过程中，阳极极化其表面生成钝化膜，只有致密的钝化膜才能抑制表面的结晶学腐蚀。 由于阳极表面上凸起和凹陷部位的钝化程度不同，其中凸起部位的化学活性较大，且开始形成的钝化膜往往不完整呈多孔性，而凹陷部位处于更为稳定的钝化状态。 因此，凸起部位钝化膜的溶解破坏程度比凹处的要大，其结果是凸起部位被腐蚀。 如此反复，直至获得稳定致密的钝化膜层，这使电 化学抛光效果可达极值。 该理论虽在微观抛光上获得了较完善的解释，但又不能较好地说明电解抛光的全过程。 由 JacguetP A 提出的粘膜理论认为：当电流通过电解液时，在阳极表面生成一层由阳极溶解产物组成的粘性液膜，它有较高的黏度和较大的电阻，而其厚度在粗糙表面的各个部分是不相等的，在凹陷部位的厚度大于凸起部位的厚度。 由于阳极表面的“绝缘”程度不同，因而阳极表面上的电流分布不均匀，凸起部位的电流较凹陷部位的电流大。 所以 ，凸起部位的溶解相对较快，结果便导致粗糙表面被宏观 抛光。 该理论的局限性在于不能回答电解抛光过程中 是否发生阳极金属的钝化氧化问题，也不能解释电解抛光过程中所特有的阳极极化问题。 活化原理：在电解活化液中含有盐酸和氯化镍，在活化液中氯离子浓度很高。 在电解活化时，首先对不锈钢表面钝化膜进行阳极活化，阳极的电极过程为： 南昌航空大学科技学院 2020届毕业论文 7 M → M n+ + ne （ M 代表 Cr、 Ni、 Fe） 2Cl — 2e→ 2Cl → Cl2 在阳极活化过程中，初生态氯原子有很强的氧化性，它不断氧化形成新的表面金属铁等离子。 氯离子与不 锈钢钝化膜表面形成的铁、铬、镍离子的配位体的稳定常数又较高，因此易生成配阴离子而不断溶解，于是溶解过程易于进行，起到了阳极活化作用。 不锈钢表面极易生成肉眼看不见的薄氧化膜 (10nm)，这层致密的氧化膜影响不锈钢基体与其着色膜之间的结合力，将导致表面状况和生成膜的速度不一致，着色不均匀，产生条纹和多种颜色等。 着色前，首先要去掉这一层氧化膜，使表面处于活化状态，获得新鲜的表面，提高着色层的附着力和色彩的均匀性。 实验材料、仪器设备及药品 实验材 料 本试验采用 304 不锈钢为研究对象， 具有良好的机械特性和强度，具体化学 成分见表 21。 表 21 304 不锈钢的化学成分 主要成分 重量百分比 原子百分比 C Cr Ni Fe Si 试验材料的具体规格如下： （ 1） LWH = 25mm30mm S=25mm30mm2=1500mm2= （ 2）试样准备：试验材料为市售经过机械抛光的 细长板材，一面为机械抛光面，一面为亚光面。 用防水绝缘胶带封装试样，使不锈钢只露出前端 30mm， 其余部分用胶带做密封处理，从而得到标准的试样尺寸。 在裁剪试样过程如果裁剪处不平整应将试样尖端的倒角 用砂纸打磨圆滑，防止 倒角会在着色的过程中产生尖端放电现象，从而导致着色膜的颜色不均匀。 南昌航空大学科技学院 2020届毕业论文 8 实验仪器设备 本课题所用的实验仪器均是实验室所提供， 如 表 22 所示。 表 22 主要实验仪器 仪器名称 规格 生产厂家 直流稳压电源 WLS 上海电光器件厂 数字万用表 DT9203 滨江仪表厂 电热恒温水浴锅 HH—4 国华电器有限公司 直流数字电压表 PZ28c 上海电表厂 铂电极 E—201—C 上海仪电有限公司 旋转式电阻箱 ZX21 上海市杨浦电表厂 电化学分析仪 CHI606C 上海希艾曲仪器经营部 架盘药物天平 BP—Ⅱ 上海医疗器械八厂 秒表 —— 实验室提供 电热吹风机 奥尔斯 850 实验室提供 光泽度仪 MN268 天津其立有限公司 实验药品 实验室所用的主要材料和药品 如 表 23 所示。 表 23 主要实验材料与试剂 药品名称 纯度 药品生产单位 柠檬酸 分析纯 AR 西陇化工股份有限公司 硫酸 分析纯 AR 西陇化工股份有限公司 硫酸铵 分析纯 AR 西陇化工股份有限公司 硫酸锌 分析纯 AR 西陇化工股份有限公司 磷酸 分析纯 AR 西陇化工股份有限公司 乙醇 分析纯 AR 西陇化工股份有限公司 氢氧化钠 分析纯 AR 西陇化工股份有限公司 钼酸钠 分析纯 AR 国药集团化学试剂有限公司 碳酸钠 分析纯 AR 上海实验试剂有限公司 磷酸钠 分析纯 AR 上海试四赫维化工有限公司 南昌航空大学科技学院 2020届毕业论文 9 硅酸钠 分析纯 AR 上海试四赫维化工有限公司 氟硅酸 分析纯 AR 西陇化工股份有限 公司 糖精 分析纯 AR 西陇化工股份有限公司 硫酸镍 分析纯 AR 西陇化工股份有限公司 丙三醇 分析纯 AR 西陇化工股份有限公司 乌洛托品 分析纯 AR 上海实验试剂有限公司 硫酸锰 分析纯 AR 西陇化工股份有限公司 氯化铁 分析纯 AR 西陇化工股份有限公司 研究内容 本项目针对 304 不锈钢无铬电解着色工艺中的电解抛光、活化等工艺进行研究，同时还对材料的表面状态对着色膜性能的影响进行研究，获取一种适应 304 不锈钢无铬电解着色的前处理工艺，具体内容如下： 电解抛光工艺对着色膜性能的 影响研究 利用正交试验和单因素试验研究电解抛光工艺中的硫酸浓度、糖精浓度、槽液温度、甘油浓度、电流密度、抛光时间等参数对 304 不锈钢无铬电解着色膜性能的影响，分析影响膜层各性能的主要因素，确定最佳电解抛光工艺。 活化工艺对着色膜性能的影响研究 通过对不同活化体系进行塔菲尔曲线测试确定初始活化体系，利用正交试验和单因素试验研究该体系磷酸浓度、氟硅酸浓度、硫酸浓度、硫酸铵浓度、电流密度、活化时间等参数对 304 不锈钢无铬电解着色膜性能的影响，分析影响膜层各性能的主要因素，确定最佳活化工艺。 材 料表面状态对着色膜性能的影响研究 目前， 304 不锈钢材料表面有抛光面、亚光面两种表面状态，因此研究不同的表面状态对无铬电解着色膜性能的影响。 利用电化学分析仪对不锈钢基材不同表面状态测试塔菲尔曲线，研究材料表面状态对膜层耐蚀性的影响，为以后的生产应用提供依据。 南昌航空大学科技学院 2020届毕业论文 10 实验装置图及工艺流程 实验装置图 实验装置图见图 21。