一種金屬鈦及鈦基合金電化學著色的方法與流程
2023-08-10 05:37:31 3
本發明涉及金屬鈦及鈦基合金的表面處理及著色的領域，具體涉及到鈦及鈦基合金表面著不同顏色的方法。
背景技術：
金屬鈦是一種銀灰色金屬，質地輕盈，機械強度高，由於表面易形成緻密氧化膜，具有優異的抗酸鹼腐蝕性、既耐高溫，又耐低溫。在工業換熱器、反應釜、建材、電子零件、精密儀器、高級相機、筆記本電腦等方面應用非常廣泛，當前已成為宇航工業中製做火箭發動機的殼體及人造衛星、宇宙飛船的重要材料。
由於鈦質地較軟，耐摩擦性差；顏色單一，美觀性差。因此改善鈦表面顏色成為當前重要研究課題。引入氮、氧、碳作為鈦金屬間隙雜質可大大提高鈦的強度，鈦表面電化學處理，不僅改善表面結構性能，也會產生不同的表面顏色。金屬鈦表面化學處理和電化學處理，是改善鈦金屬表面功能性及鈦金屬表面色彩的重要途徑。硼化處理法、表面氮化法、雷射熔化-粒子注入法、急冷硬化TiNi覆膜法、表面電鍍硬化法是增強鈦表面硬度的重要方法；大氣加熱氧化法、表面合金化、離子注入處理法、貴金屬塗層法是防止鈦腐蝕的重要措施；鋁擴散塗層技術是防止鈦高溫氧化及降低鈦吸氫脆變的重要措施。在眾多鈦表面處理工藝中，電化學陽極氧化工藝歷程簡單，獲得的表面膜層各方面性能優異。
其中鈦的化學氧化法、大氣加熱氧化法、陽極氧化法三種鈦表面著色方法比較,陽極氧化法無論從著色質量、表面結構、工藝安全、環境安全最具價值。通過陽極氧化著色可達到系列顏色鈦。隨著金屬鈦陽極氧化工藝推廣，鈦表面結構性、功能性、美觀性越來越高。
電化學陽極氧化處理法中，電解電壓是陽極氧化工藝參數中的主要影響因素,隨電解電壓的變化陽極氧化膜的顏色呈規律性變化。同時,電解液的成份、濃度都對色變時間都有不同程度的影響。
作為表面改性的一種方法, 陽極氧化工藝開創了一條改善材料功能性與美觀性的新途徑。陽極氧化著色所得到的氧化膜色彩豐富,膜層較薄, 晶型穩定，具備良好的表面抗腐蝕性、耐磨性、耐熱性。作為鈦著色的工藝，工藝簡單，實現了基材和膜層的有機結合，實現了鈦表面功能性的提高。
因此,選用陽極氧化工藝對鈦進行著色研究,主要是探討陽極氧化的工藝流程，包括鈦金屬表面預處理、電解液選擇、極板選擇、極板面積比確定、電解液溫度、電解電壓、氧化時間、色澤確定、膜層性能探討。優化工藝流程，確定最佳工藝方案。
技術實現要素：
本發明主要提供了一種金屬鈦的表面陽極氧化著色方法,其中金屬鈦的鈦含量大於等於99.99%。該方法成本低廉、操作簡單、控制方便、著色穩定，是一套完善的金屬鈦陽極氧化著色新工藝。該工藝在確定著色液的基礎上,僅通過恆定著色電壓、控制著色時間就可以在特定溫度範圍內獲得希望的鈦表面色彩，且表面色彩穩定,質量優異。用本發明的著色工藝可獲得滿足性能要求的顏色一致的高品質金屬鈦產品。
為了達到上述目的，本發明技術方案包括以下步驟：
本發明所採用的陽極氧化液以水為溶劑,且每升溶液中包括：
95%～98%H2SO4 20ml·L-1～100ml·L-1；KMnO4 30g·L-1～70 g·L-1；
85%H3PO415ml·L-1～100ml·L-1； Na3PO4 25g·L-1～80 g·L-1；
Na3C6H5O7·2H2O 50g·L-1～160g·L-1；MnSO4 20g·L-1～60 g·L-1；
CH3（CH2）11C6H4SO3Na 10g·L-1～30g·L-1。
本發明待著色鈦材需經純水洗——鹼洗——酸洗——純水洗，再進行陽極氧化處理。
本發明電解池的陰極極板為高密度石墨，陽極為預處理過的待著色鈦材，陰極極板面積與陽極板外形輪廓正投影面積比5︰1～1︰1，極板間距1～60mm。極板可間隔設置，第一塊極板和最末一塊極板均為陰極板，隨極板間電壓提高，極板間距相應增大。
本發明陽極氧化電壓1～36V，氧化時間時間30s-1200s。
本發明陽極氧化液可著色拋光、車削、噴砂等不同表面處理的鈦金屬工件,並能保持鈦表面原始狀態且能保證顏色均勻一致。
本發明電解氧化所得氧化膜與基體結合穩定, 色澤鮮豔,具有良好的外觀裝飾效果、較高的表面硬度、良好的耐蝕性，在空氣中溫度達200℃以下無色澤和結構性異變。
本發明在設定電解氧化電壓下，氧化時間、氧化溫度波動對色澤一致性影響很弱。
本發明的優良效果在於：
待著色件表面處理簡單，去油去汙去自然氧化膜層，保證原工件結構形貌不變。
電解液中不含重金屬元素，無有毒有害成分對環境汙染。工作環境安全性較好。
電解液成本低廉，氧化控制簡單，僅嚴格控制電解電壓和氧化時間，即可獲得理想的、一致性好的目的產品。
具體實施方式
實施例1
金黃色鈦樣品製備：
首先樣品鈦預處理流程：水洗-鹼洗–酸洗-水洗，清洗滌溫度均為26±1℃。
按下述組份配製成著色液：
H2SO4 25ml·L-1；H3PO4 30ml·L-1；Na3PO4 60g·L-1；
Na3C6H5O7·2H2O 100g·L-1；KMnO4 35g·L-1；MnSO4 8g·L-1；
CH3（CH2）11C6H4SO3Na 19g·L。
然後再將樣品浸入盛有上述著色液的電解池中。
電解設備主要結構參數和工藝參數：陽極為待著色樣品,陰極為石墨,陰陽極板間距設置10mm，陰陽極板面積比2︰1，著色電壓設置為5V,著色溫度為室溫25℃,著色時間為300s。
樣品氧化結束之後進行清洗,熱風烘乾,得到的樣品表面顏色為均勻且光亮的金黃色彩。
樣品性能檢測：風乾乾燥空氣中放置8小時後，用橡皮反覆摩擦無色褪；空氣氣氛升溫至 200℃，在降制室溫無色變。
實施例2
古銅色鈦樣品製備：
首先樣品鈦預處理流程：水洗-鹼洗–酸洗-水洗，清洗滌溫度均為26±1℃。
按下述組份配製成著色液：
H2SO4 40ml·L-1；H3PO4 30ml·L-1；Na3PO4 30g·L-1；
Na3C6H5O7·2H2O 100g·L-1；KMnO4 35g·L-1；MnSO4 25g·L-1；
CH3（CH2）11C6H4SO3Na 28g·L-1。
然後再將該樣品浸入盛有上述著色液的電解池中。
設備主要結構參數和工藝參數：陽極為待著色樣品,陰極為石墨,陰陽極板間距設置20mm，陰陽極板面積比2︰1，著色電壓設置為11V,著色溫度為室溫25℃,著色時間為450s。
樣品氧化結束之後進行清洗,熱風烘乾,得到的樣品表面顏色為均勻且光亮古銅色彩。
樣品性能檢測：風乾乾燥空氣中放置8小時後，用橡皮反覆摩擦無色褪；空氣氣氛升溫至 200℃，在降制室溫無色變。
實施例3
深藍色鈦樣品製備：
首先樣品鈦預處理流程：水洗-鹼洗–酸洗-水洗，清洗滌溫度均為26±1℃。
按下述組份配製成著色液：
H2SO4 40ml·L-1；H3PO4 40ml·L-1；Na3PO4 80g·L-1；
Na3C6H5O7·2H2O 120g·L-1；KMnO4 60g·L-1；MnSO4 60g·L-1；
CH3（CH2）11C6H4SO3Na 17g·L-1。
然後再將該樣品浸入盛有上述著色液的電解池中。
設備主要結構參數和工藝參數：陽極為待著色樣品,陰極為石墨,陰陽極板間距設置30mm，陰陽極板面積比3︰1，著色電壓設置為30V,著色溫度為室溫25℃,著色時間為400s。
樣品氧化結束之後進行清洗,熱風烘乾,得到的樣品表面顏色為均勻且光亮深藍色彩。
樣品性能檢測：風乾乾燥空氣中放置8小時後，用橡皮反覆摩擦無色褪；空氣氣氛升溫至 200℃，在降制室溫無色變。
實施例4
深棕色鈦樣品製備：
首先樣品鈦預處理流程：水洗-鹼洗–酸洗-水洗，清洗滌溫度均為26±1℃。
按下述組份配製成著色液：
H2SO4 30ml·L-1；H3PO4 30ml·L-1；Na3PO4 80g·L-1；
Na3C6H5O7·2H2O 150g·L-1；KMnO4 60g·L-1；MnSO4 60g·L-1；
CH3（CH2）11C6H4SO3Na 10g·L-1。
然後再將該樣品浸入盛有上述著色液的電解池中。
設備主要結構參數和工藝參數：陽極為待著色樣品,陰極為石墨,陰陽極板間距設置20mm，陰陽極板面積比3︰1，著色電壓設置為15V,著色溫度為室溫25℃,著色時間為300s。
樣品氧化結束之後進行清洗,熱風烘乾,得到的樣品表面顏色為均勻且光亮深藍色彩。
樣品性能檢測：風乾乾燥空氣中放置8小時後，用橡皮反覆摩擦無色褪；空氣氣氛升溫至 200℃，在降制室溫無色變。