CN101775570B - 一种激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法，涉及材料表面改性领域。其步骤为：1)将不锈钢加工成一定尺寸；2)将加工好的不锈钢进行前处理；3)将前处理后的不锈钢进行激光氧化大面积着色处理；4)氧化着色的不锈钢经过简单后处理，制得大面积高性能的彩色不锈钢。本发明利用激光的光-热-化学效应在不锈钢表面氧化生成不同种类与不同厚度的氧化物薄膜，通过氧化物本身的颜色与薄膜的干涉作用共同使不锈钢表面着色，采用特制的旋转激光头制备大面积的曲面或平面彩色不锈钢。本发明制得的大面积彩色不锈钢色膜层比较稳定，色彩丰富，重现性好，硬度高，耐磨性好，而且工艺简单、易操作，无污染，适于大规模批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面改性领域，特指一种激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法。
背景技术
不锈钢在现代工业中是一种重要的应用材料，因其具有高强度、抗腐蚀、易加工和表面具有光泽等许多优异的特性，在航空航天、石油化工、汽车、机械、仪器仪表、医药、能源以及建筑装饰等方面得到了广泛的应用。随着社会进步和各行各业经济的迅速发展以及人民生活水平的提高，不锈钢单一的色调已不能满足需求，不锈钢的色彩多样性已成必然。为此，人们积极研究着色处理技术，力求得到色彩丰富的不锈钢，以扩大其使用范围。
彩色不锈钢的研究最早可追溯到1927年由W.H.Hatfield和H.Green提出的第一个专利，但该专利在当时没有进入实用化阶段。而真正有实用价值的工艺是1972年由英国欧洲有限公司提出的酸性水溶液浸渍法，又称酸性氧化法，俗称“Inco”法，主要用于金属材料的表面着色。该工艺是将抛光后的不锈钢浸入铬酐-硫酸混合溶液中，随时间的变化，在不锈钢表面氧化生成不同厚度的氧化膜，这层透明薄膜由于光的干涉能够产生不同的颜色，因而主要用于制造彩色不锈钢。然而，当溶液的组成和温度稍有变化时，通过控制时间来控制氧化膜的厚度，不能得到重现性很好的氧化膜颜色。为了对着色过程的颜色进行有效的控制，T.E.Evans等用饱和甘汞电极作参比电极，测量了着色过程中不锈钢试样的电位-时间曲线，可以得到重现性好的颜色。
国内的彩色不锈钢生产目前处于起步阶段，据国内期刊的有关报道，不少技术问题尚处于探讨研究阶段，在着色方法上大多采用Inco法。虽然Inco法工艺成熟、溶液配方简单、使用广泛，但由于使用大量的CrO3和H2SO4，六价铬有致癌作用，H2SO4具有相当强的腐蚀性，其废液的排放对环境造成极大危害。另外，现有的表面着色方法(包括化学着色法和电化学着色法)均存在一定的缺陷，如：(1)表面膜耐磨性能不够强；(2)反应温度比较高，能源消耗大，颜色易不均匀，酸雾挥发大；(3)必须三道工序：化学着色、电解固膜、封闭以及(4)耗电多等，这都导致彩色不锈钢的生产在我国及国际上发展比较缓慢，而且较高表面光洁度的要求也是限制其应用的主要障碍之一。基于种种原因，众多表面精饰学者一直在寻找其他使不锈钢着色的研究方法，也有必要寻求一种新的绿色环保技术对不锈钢进行着色处理。
中国发明专利200310103374.8公开的阳极氧化着色，该制备方法是将经前处理好的金属或合金放入阳极氧化着色溶液中，着色一定时间获得的带有色泽的氧化膜层。但是这种方法只能生成单一的着色效果，而且当不同厚度的氧化膜叠加时会造成色泽不均匀，给后续氧化膜的固着和使用带来了困难。
激光由于具有良好的单色性、方向性和相干性等特点，所以自从其产生以来就得到了广泛的应用。其中，激光氧化技术干净无污染、工艺参数便于调节以及后处理简单等独特的优势，使其成为近几年氧化领域最为活跃的分支之一。本发明利用激光的光-热-化学效应在不锈钢表面氧化生成不同种类与不同厚度的氧化物薄膜，通过氧化物本身的颜色与薄膜的干涉作用共同使不锈钢表面着色，同时通过连续激光工艺参数的改变与光斑能量的调制，采用特制的旋转激光头制备大面积的曲面或平面彩色不锈钢。本发明制得的大面积彩色不锈钢色膜层比较稳定，色彩丰富，重现性好，硬度高，耐磨性好，而且工艺简单、易操作，无污染，适于大规模批量生产。目前，国内外尚无采用连续激光氧化对不锈钢进行着色处理制备大面积高性能彩色不锈钢的相关报道。
发明内容
本发明的目的是为克服现有表面着色技术的不足，提供一种激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法，其特征在于利用激光的光-热-化学效应在不锈钢表面氧化生成不同种类与不同厚度的氧化物薄膜，通过氧化物本身的颜色与薄膜的干涉作用共同使不锈钢表面着色，同时通过连续激光工艺参数的改变与光斑能量的调制，采用特制的旋转激光头制备大面积的曲面或平面彩色不锈钢。该方法包括如下步骤：
1)将线切割后的不锈钢采用280-1400号水磨砂纸打磨至粗糙度小于Ra3.0μm，再用金相砂纸对上述处理后的不锈钢进行精细研磨至粗糙度小于Ra2.0μm，然后用酒精在20℃-60℃的超声波中清洗10min-25min，取出后在热空气中快速干燥；
2)将经步骤1)处理后的不锈钢放置在X-Y计算机控制的工作台上，采用不同激光工艺参数及工作台速度进行激光氧化着色大面积处理，通过激光的光-热-化学作用获得带有不同颜色的不锈钢表面氧化物薄膜；
3)将步骤2)处理后的彩色不锈钢在20℃-60℃的超声波中用酒精清洗10min-25min，制得干净、稳定、高性能的大面积彩色不锈钢。
所述的X-Y计算机控制的工作台移动速度为2mm/s-20mm/s，连续激光功率为50W-500W，激光矩形光斑尺寸为0.5mm×1mm-4mm×5mm，激光作用时间为1s-5s，离焦量为0.01mm-10mm，光斑搭接率10％-50％。
所述的激光器采用连续激光器，氧气采用同轴输送，氧气流量为1L/min-3L/min，或直接采用空气中的氧气。
所述的激光光斑为调制后能量均匀的矩形光斑。
所述的表面氧化物薄膜为单氧化物膜或各种氧化物构成的氧化物复合薄膜，复合薄膜的存在使不锈钢表面呈现出更加丰富多彩的颜色。
所述的不锈钢为Fe-Cr-Ni系的不锈钢材料。
所述的激光氧化着色后的彩色不锈钢只需进行简单的后续处理，无需复杂的封闭处理。
本发明提出的激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法，具有如下优点：
1)本发明方法工艺步骤简单，易于操作，绿色无污染，成本低，适于批量生产；
2)本发明方法是在不锈钢熔点以下对其进行氧化着色，基本不改变不锈钢的形状和尺寸；
3)本发明方法制得的彩色不锈钢色膜层比较稳定，色彩丰富，重现性好，并且与基体结合牢固，表面硬度、耐磨性等都有显著提高；
4)本发明方法制得的大面积彩色不锈钢具有良好的装饰和美化作用。
具体实施方式
本发明提出的激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法，其原理是：通过改变不锈钢表面粗糙度、激光工艺参数或工作台的速度，在连续激光氧化后获得不同的氧化物(Fe、Cr、Ni、Mn等的氧化物)及不同厚度的氧化物薄膜，即不锈钢表面氧化膜为单氧化物薄膜或各种氧化物构成的氧化物复合薄膜，复合薄膜的存在使不锈钢表面呈现出更加丰富多彩的颜色。不锈钢表面的颜色是由连续激光处理后形成氧化物的颜色以及不同厚度氧化膜通过光的干涉作用共同形成的。根据光的干涉原理可知，在不改变氧化物膜厚度的情况下，如果表面氧化物膜的成分改变，一方面氧化物自身的颜色会改变，另一方面也会改变其折射率，从而使干涉后的颜色也发生变化。如果不改变表面氧化膜成分，而只改变氧化膜厚度，也会因此而呈现不同的颜色。以上氧化物膜的成分以及氧化物膜的厚度均是通过改变激光工艺参数(功率、光斑尺寸、离焦量、作用时间及光斑搭接率等)等来实现的，同时采用特制的旋转激光头制备大面积的曲面或平面彩色不锈钢。
以下是本发明的实施例：
实施例1：
1、步骤
1)将线切割后的不锈钢在预磨机上采用280-1000号砂纸打磨至粗糙度Ra3.0μm，再用金相砂纸对上述处理后的不锈钢进行精细研磨至粗糙度Ra1.5μm，然后用酒精在20℃的超声波中清洗10min，取出后在热空气中快速干燥；
2)将经步骤1)处理后的不锈钢放置在X-Y计算机控制的工作台上，在氧气流量为1L/min的环境中进行激光氧化着色处理：X-Y计算机控制的工作台移动速度为2mm/s，连续激光功率为50W，激光矩形光斑尺寸为0.5mm×1mm，激光作用时间为1s，离焦量为0.01mm，光斑搭接率10％，获得蓝黑色的不锈钢表面氧化膜；
3)将步骤2)处理后的彩色不锈钢在20℃的超声波中用酒精清洗10min，取出后在热空气中快速干燥，制得干净、稳定的彩色不锈钢。
2、性能
1)采用划痕法测定不锈钢表面着色膜与基体的结合性能，依据参考国家标准GB5270-85。
2)采用HXD-1000型显微硬度计测试彩色不锈钢表面显微硬度，实验载荷为200g，加载时间为15s。表面显微硬度测试是激光氧化着色处理后在彩色不锈钢表面不同地方平行等距测试五个点，取平均值，结果如表1所示。
表1 激光氧化着色处理后不锈钢表面氧化膜的尺寸及性能
实施例2：
1、步骤
1)将线切割后的不锈钢在预磨机上采用280-1200号砂纸打磨至粗糙度Ra2.0μm，再用金相砂纸对上述处理后的不锈钢进行精细研磨至粗糙度Ra1.0μm，然后用酒精在30℃的超声波中清洗15min，取出后在热空气中快速干燥；
2)将经步骤1)处理后的不锈放置在X-Y计算机控制的工作台上，在氧气流量为2L/min的环境中进行激光氧化着色处理：X-Y计算机控制的工作台移动速度为5mm/s，连续激光功率为150W，激光矩形光斑尺寸为1mm×1mm，激光作用时间为2s，离焦量为5mm，光斑搭接率20％，获得金黄色的不锈钢表面氧化膜；
3)将步骤2)处理后的彩色不锈钢在30℃的超声波中用酒精清洗15min，取出后在热空气中快速干燥，制得干净、稳定、高性能的彩色不锈钢。
2、性能
不锈钢表面着色膜与基体的结合性能以及显微硬度测试方法同实施例1，结果如表2所示。
表2 激光氧化着色处理后不锈钢表面氧化膜的尺寸及性能
实施例3：
1、步骤
1)将线切割后的不锈钢在预磨机上采用280-1400号砂纸打磨至粗糙度Ra1.5μm，再用金相砂纸对上述处理后的不锈钢进行精细研磨至粗糙度Ra0.8μm，然后用酒精在40℃的超声波中清洗20min，取出后在热空气中快速干燥；
2)将经步骤1)处理后的不锈钢放置在X-Y计算机控制的工作台上，在氧气流量为3L/min的环境中进行激光氧化着色处理：X-Y计算机控制的工作台移动速度为10mm/s，连续激光功率为300W，激光矩形光斑尺寸为1.5mm×2mm，激光作用时间为3s，离焦量5mm，光斑搭接率30％，获得鲜艳紫红色的不锈钢表面氧化膜；
3)将步骤2)处理后的彩色不锈钢在40℃的超声波中用酒精清洗20min，取出后在热空气中快速干燥，制得干净、稳定、高性能的彩色不锈钢。
2、性能
不锈钢表面着色膜与基体的结合性能以及显微硬度测试方法同实施例1，结果如表3所示。
表3 激光氧化着色处理后不锈钢表面氧化膜的尺寸及性能
实施例4：
1、步骤
1)将线切割后的不锈钢在预磨机上采用280-1200号砂纸打磨至粗糙度Ra2.0μm，再用金相砂纸对上述处理后的不锈钢进行精细研磨至粗糙度Ra1.0μm，然后用蒸馏水、酒精在50℃的超声波中清洗25min，取出后在热空气中快速干燥；
2)将经步骤1)处理后的不锈钢放置在X-Y计算机控制的工作台上，在空气中进行激光氧化着色处理：X-Y计算机控制的工作台移动速度为15mm/s，连续激光功率为400W，激光矩形光斑尺寸为2mm×3mm，激光作用时间为4s，离焦量5mm，光斑搭接率40％，获得浅黄色的不锈钢表面氧化膜；
3)将步骤2)处理后的彩色不锈钢在50℃的超声波中清洗25min，取出后在热空气中快速干燥，制得干净、稳定、高性能的彩色不锈钢。
2、性能
不锈钢表面着色膜与基体的结合性能以及显微硬度测试方法同实施例1，结果如表4所示。
表4 激光氧化着色处理后不锈钢表面氧化膜的尺寸及性能
实施例5：
1、步骤
1)将线切割后的不锈钢在预磨机上采用280-1400号砂纸打磨至粗糙度Ra1.5μm，再用金相砂纸对上述处理后的不锈钢进行精细研磨至粗糙度Ra0.8μm，然后用酒精在60℃的超声波中清洗25min，取出后在热空气中快速干燥；
2)将经步骤1)处理后的不锈钢放置在X-Y计算机控制的工作台上，在空气中进行激光氧化着色处理：X-Y计算机控制的工作台移动速度为20mm/s，连续激光功率为500W，激光矩形光斑尺寸为4mm×5mm，激光作用时间为5s，离焦量10mm，光斑搭接率50％，获得紫和浅绿多种颜色的不锈钢表面氧化膜；
3)将步骤2)处理后的彩色不锈钢在60℃的超声波中用酒精清洗25min，取出后在热空气中快速干燥，制得干净、稳定、高性能的彩色不锈钢。
2、性能
不锈钢表面着色膜与基体的结合性能以及显微硬度测试方法同实施例1，结果如表5所示。
表5 激光氧化着色处理后不锈钢表面氧化膜的尺寸及性能
Claims (6)
1.一种激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法，其特征在于，利用激光的光-热-化学效应在不锈钢表面氧化生成不同种类与不同厚度的氧化物薄膜，通过氧化物本身的颜色与薄膜的干涉作用共同使不锈钢表面着色，同时通过连续激光工艺参数的改变与光斑能量的调制，采用旋转激光头制备大面积的曲面或平面彩色不锈钢。其具体步骤如下：
1)将线切割后的不锈钢采用280-1400号水磨砂纸打磨至粗糙度小于Ra3.0μm，再用金相砂纸对上述处理后的不锈钢进行精细研磨至粗糙度小于Ra2.0μm，然后用酒精在20℃-60℃的超声波中清洗10min-25min，取出后在热空气中快速干燥；
2)将经步骤1)处理后的不锈钢放置在X-Y计算机控制的工作台上，采用不同激光工艺参数及工作台移动速度进行激光氧化着色大面积处理，通过激光的光-热-化学作用获得带有不同颜色的不锈钢表面氧化物薄膜；所述的X-Y计算机控制的工作台移动速度为2mm/s-20mm/s，连续激光功率为50W-500W，激光矩形光斑尺寸为0.5mm×1mm-4mm×5mm，激光作用时间1s-5s，离焦量0.01mm-10mm，光斑搭接率10％-50％；所述激光器采用连续激光器；
3)将步骤2)处理后的彩色不锈钢在20℃-60℃的超声波中用酒精清洗10min-25min，制得干净、稳定、高性能的大面积彩色不锈钢。
2.根据权利要求1所述的一种激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法，其特征在于，氧气采用同轴输送，氧气流量为1L/min-3L/min，或直接采用空气中的氧气。
3.根据权利要求1所述的一种激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法，其特征在于，所述的激光光斑为调制后能量均匀的矩形光斑。
4.根据权利要求1所述的一种激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法，其特征在于，所述的表面氧化物薄膜为单氧化物膜或各种氧化物构成的氧化物复合薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法，其特征在于，所述的不锈钢为Fe-Cr-Ni系的不锈钢材料。
6.根据权利要求1所述的一种激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法，其特征在于，所述的激光氧化着色后的彩色不锈钢只需进行简单的后处理，无需复杂的封闭处理。
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