一種雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法

2023-05-16 14:17:56 2

專利名稱：：一種雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法
技術領域：
：本發明涉及材料表面改性領域，特指一種雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法。
背景技術：
：不鏽鋼在現代工業中是一種重要的應用材料，因其具有高強度、抗腐蝕、易加工和表面具有光澤等許多優異的特性，在航空航天、石油化工、汽車、機械、儀器儀表、醫藥、能源以及建築裝飾等方面得到了廣泛的應用。隨著社會進步和各行各業經濟的迅速發展以及人民生活水平的提高，不鏽鋼單一的色調已不能滿足需求，不鏽鋼的色彩多樣性已成必然。為此，人們積極研究著色處理技術，力求得到色彩豐富的不鏽鋼，以擴大其使用範圍。彩色不鏽鋼的研究最早可追溯到1927年由W.H.Hatfield和H.Green提出的第一個專利，但該專利在當時沒有進入實用化階段。而真正有實用價值的工藝是1972年由英國歐洲有限公司提出的酸性水溶液浸漬法，又稱酸性氧化法，俗稱"Inco"法，主要用於金屬材料的表面著色。該工藝是將拋光後的不鏽鋼浸入鉻酐-硫酸混合溶液中，隨時間的變化，在不鏽鋼表面氧化生成不同厚度的氧化膜，這層透明薄膜由於光的幹涉能夠產生不同的顏色，因而主要用於製造彩色不鏽鋼。然而，當溶液的組成和溫度稍有變化時，通過控制時間來控制氧化膜的厚度，不能得到重現性很好的氧化膜顏色。為了對著色過程的顏色進行有效的控制，T.E.Evans等用飽和甘汞電極作參比電極，測量了著色過程中不鏽鋼試樣的電位_時間曲線，可以得到重現性好的顏色。國內的彩色不鏽鋼生產目前處於起步階段，據國內期刊的有關報導，不少技術問題尚處於探討研究階段，在著色方法上大多採用Inco法。雖然Inco法工藝成熟、溶液配方簡單、使用廣泛，但由於使用大量的003和112504，六價鉻有致癌作用，112504具有相當強的腐蝕性，其廢液的排放對環境造成極大危害。另外，現有的表面著色方法(包括化學著色法和電化學著色法)均存在一定的缺陷，如(l)表面膜耐磨性能不夠強；(2)反應溫度比較高，能源消耗大，顏色易不均勻，酸霧揮發大；(3)必須三道工序化學著色、電解固膜、封閉以及(4)耗電多等，這都導致彩色不鏽鋼的生產在我國及國際上發展比較緩慢，而且較高表面光潔度的要求也是限制其應用的主要障礙之一。基於種種原因，眾多表面精飾學者一直在尋找其他使不鏽鋼著色的研究方法，也有必要尋求一種新的綠色環保技術對不鏽鋼進行著色處理。中國發明專利200310103374.8公開的陽極氧化著色，該製備方法是將經前處理好的金屬或合金放入陽極氧化著色溶液中，著色一定時間獲得的帶有色澤的氧化膜層。但是這種方法只能生成單一的著色效果，而且當不同厚度的氧化膜疊加時會造成色澤不均勻，給後續氧化膜的固著和使用帶來了困難。雷射由於具有良好的單色性、方向性和相干性等特點，所以自從其產生以來就得到了廣泛的應用。其中，雷射氧化技術乾淨無汙染、工藝參數便於調節以及後處理簡單等獨特的優勢，使其成為近幾年氧化領域最為活躍的分支之一。本發明利用雷射的光_熱_化3學效應在不鏽鋼表面氧化生成不同種類與不同厚度的氧化物薄膜，通過氧化物本身的顏色與薄膜的幹涉作用共同使不鏽鋼表面著色，同時通過連續雷射工藝參數的改變與光斑能量的調製，採用特製的旋轉雷射頭製備大面積的曲面或平面彩色不鏽鋼。本發明製得的大面積彩色不鏽鋼色膜層比較穩定，色彩豐富，重現性好，硬度高，耐磨性好，而且工藝簡單、易操作，無汙染，適於大規模批量生產。目前，國內外尚無採用連續雷射氧化對不鏽鋼進行著色處理製備大面積高性能彩色不鏽鋼的相關報導。
發明內容本發明的目的是為克服現有表面著色技術的不足，提供一種雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法，其特徵在於利用雷射的光_熱_化學效應在不鏽鋼表面氧化生成不同種類與不同厚度的氧化物薄膜，通過氧化物本身的顏色與薄膜的幹涉作用共同使不鏽鋼表面著色，同時通過連續雷射工藝參數的改變與光斑能量的調製，採用特製的旋轉雷射頭製備大面積的曲面或平面彩色不鏽鋼。該方法包括如下步驟1)將線切割後的不鏽鋼採用280-1400號水磨砂紙打磨至粗糙度小於Ra3.0ym，再用金相砂紙對上述處理後的不鏽鋼進行精細研磨至粗糙度小於Ra2.0iim，然後用酒精在20°C_60°〇的超聲波中清洗10min-25min，取出後在熱空氣中快速乾燥；2)將經步驟1)處理後的不鏽鋼放置在X-Y計算機控制的工作檯上，採用不同雷射工藝參數及工作檯速度進行雷射氧化著色大面積處理，通過雷射的光_熱_化學作用獲得帶有不同顏色的不鏽鋼表面氧化物薄膜；3)將步驟2)處理後的彩色不鏽鋼在20°C_60°C的超聲波中用酒精清洗10min-25min，製得乾淨、穩定、高性能的大面積彩色不鏽鋼。所述的X-Y計算機控制的工作檯移動速度為2mm/s-20mm/s，連續雷射功率為50W-500W，雷射矩形光斑尺寸為0.5mmXlmm-4mmX5mm，雷射作用時間為ls-5s，離焦量為0.Olmm-lOmm，光斑搭接率10%-50%。所述的雷射器採用連續雷射器，氧氣採用同軸輸送，氧氣流量為lL/min-3L/min，或直接採用空氣中的氧氣。所述的雷射光斑為調製後能量均勻的矩形光斑。所述的表面氧化物薄膜為單氧化物膜或各種氧化物構成的氧化物複合薄膜，複合薄膜的存在使不鏽鋼表面呈現出更加豐富多彩的顏色。所述的不鏽鋼為Fe-Cr-Ni系的不鏽鋼材料。所述的雷射氧化著色後的彩色不鏽鋼只需進行簡單的後續處理，無需複雜的封閉處理。本發明提出的雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法，具有如下優點1)本發明方法工藝步驟簡單，易於操作，綠色無汙染，成本低，適於批量生產；2)本發明方法是在不鏽鋼熔點以下對其進行氧化著色，基本不改變不鏽鋼的形狀和尺寸；3)本發明方法製得的彩色不鏽鋼色膜層比較穩定，色彩豐富，重現性好，並且與基體結合牢固，表面硬度、耐磨性等都有顯著提高；44)本發明方法製得的大面積彩色不鏽鋼具有良好的裝飾和美化作用。具體實施例方式本發明提出的雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法，其原理是通過改變不鏽鋼表面粗糙度、雷射工藝參數或工作檯的速度，在連續雷射氧化後獲得不同的氧化物(Fe、Cr、Ni、Mn等的氧化物)及不同厚度的氧化物薄膜，即不鏽鋼表面氧化膜為單氧化物薄膜或各種氧化物構成的氧化物複合薄膜，複合薄膜的存在使不鏽鋼表面呈現出更加豐富多彩的顏色。不鏽鋼表面的顏色是由連續雷射處理後形成氧化物的顏色以及不同厚度氧化膜通過光的幹涉作用共同形成的。根據光的幹涉原理可知，在不改變氧化物膜厚度的情況下，如果表面氧化物膜的成分改變，一方面氧化物自身的顏色會改變，另一方面也會改變其折射率，從而使幹涉後的顏色也發生變化。如果不改變表面氧化膜成分，而只改變氧化膜厚度，也會因此而呈現不同的顏色。以上氧化物膜的成分以及氧化物膜的厚度均是通過改變雷射工藝參數(功率、光斑尺寸、離焦量、作用時間及光斑搭接率等)等來實現的，同時採用特製的旋轉雷射頭製備大面積的曲面或平面彩色不鏽鋼。以下是具體實施例方式實施例1:1、步驟1)將線切割後的不鏽鋼在預磨機上採用280-1000號砂紙打磨至粗糙度Ra3.0iim，再用金相砂紙對上述處理後的不鏽鋼進行精細研磨至粗糙度Ral.5ym，然後用酒精在2(TC的超聲波中清洗10min，取出後在熱空氣中快速乾燥；2)將經步驟1)處理後的不鏽鋼放置在X-Y計算機控制的工作檯上，在氧氣流量為1L/min的環境中進行雷射氧化著色處理X-Y計算機控制的工作檯移動速度為2mm/s，連續雷射功率為50W，雷射矩形光斑尺寸為0.5mmXlmm，雷射作用時間為ls，離焦量為0.Olmm，光斑搭接率10%，獲得藍黑色的不鏽鋼表面氧化膜；3)將步驟2)處理後的彩色不鏽鋼在2(TC的超聲波中用酒精清洗10min，取出後在熱空氣中快速乾燥，製得乾淨、穩定的彩色不鏽鋼。2、性能1)採用劃痕法測定不鏽鋼表面著色膜與基體的結合性能，依據參考國家標準GB5270-85。2)採用HXD-1000型顯微硬度計測試彩色不鏽鋼表面顯微硬度，實驗載荷為200g，加載時間為15s。表面顯微硬度測試是雷射氧化著色處理後在彩色不鏽鋼表面不同地方平行等距測試五個點，取平均值，結果如表1所示。表1雷射氧化著色處理後不鏽鋼表面氧化膜的尺寸及性能顏色厚度結合力顯微硬度藍奧10nm合格193HV02實施例2:1、步驟1)將線切割後的不鏽鋼在預磨機上採用280-1200號砂紙打磨至粗糙度5Ra2.0m，再用金相砂紙對上述處理後的不鏽鋼進行精細研磨至粗糙度Ral.0Pm，然後用酒精在3(TC的超聲波中清洗15min，取出後在熱空氣中快速乾燥；2)將經步驟1)處理後的不鏽放置在X-Y計算機控制的工作檯上，在氧氣流量為2L/min的環境中進行雷射氧化著色處理X_Y計算機控制的工作檯移動速度為5mm/s，連續雷射功率為150W，雷射矩形光斑尺寸為lmmXlmm，雷射作用時間為2s，離焦量為5mm，光斑搭接率20%，獲得金黃色的不鏽鋼表面氧化膜；3)將步驟2)處理後的彩色不鏽鋼在3(TC的超聲波中用酒精清洗15min，取出後在熱空氣中快速乾燥，製得乾淨、穩定、高性能的彩色不鏽鋼。2、性能不鏽鋼表面著色膜與基體的結合性能以及顯微硬度測試方法同實施例1，結果如表2所示。表2雷射氧化著色處理後不鏽鋼表面氧化膜的尺寸及性能顏色厚度結合力顯微硬度金黃合格216HV02實施例3:1、步驟1)將線切割後的不鏽鋼在預磨機上採用280-1400號砂紙打磨至粗糙度Ral.5iim，再用金相砂紙對上述處理後的不鏽鋼進行精細研磨至粗糙度RaO.8ym，然後用酒精在4(TC的超聲波中清洗20min，取出後在熱空氣中快速乾燥；2)將經步驟1)處理後的不鏽鋼放置在X-Y計算機控制的工作檯上，在氧氣流量為3L/min的環境中進行雷射氧化著色處理X-Y計算機控制的工作檯移動速度為10mm/s，連續雷射功率為300W，雷射矩形光斑尺寸為1.5mmX2mm，雷射作用時間為3s，離焦量5mm，光斑搭接率30%，獲得鮮豔紫紅色的不鏽鋼表面氧化膜；3)將步驟2)處理後的彩色不鏽鋼在4(TC的超聲波中用酒精清洗20min，取出後在熱空氣中快速乾燥，製得乾淨、穩定、高性能的彩色不鏽鋼。2、性能不鏽鋼表面著色膜與基體的結合性能以及顯微硬度測試方法同實施例l，結果如表3所示。表3雷射氧化著色處理後不鏽鋼表面氧化膜的尺寸及性能顏色厚度結合力顯微硬度紫紅17|am合格24證02實施例4:1、步驟1)將線切割後的不鏽鋼在預磨機上採用280-1200號砂紙打磨至粗糙度Ra2.0iim，再用金相砂紙對上述處理後的不鏽鋼進行精細研磨至粗糙度Ral.0Pm，然後用蒸餾水、酒精在5(TC的超聲波中清洗25min，取出後在熱空氣中快速乾燥；62)將經步驟1)處理後的不鏽鋼放置在X-Y計算機控制的工作檯上，在空氣中進行雷射氧化著色處理X-Y計算機控制的工作檯移動速度為15mm/s，連續雷射功率為400W，雷射矩形光斑尺寸為2mmX3mm，雷射作用時間為4s，離焦量5mm，光斑搭接率40%，獲得淺黃色的不鏽鋼表面氧化膜；3)將步驟2)處理後的彩色不鏽鋼在5(TC的超聲波中清洗25min，取出後在熱空氣中快速乾燥，製得乾淨、穩定、高性能的彩色不鏽鋼。2、性能不鏽鋼表面著色膜與基體的結合性能以及顯微硬度測試方法同實施例l，結果如表4所示。表4雷射氧化著色處理後不鏽鋼表面氧化膜的尺寸及性能tableseeoriginaldocumentpage7實施例5:1、步驟1)將線切割後的不鏽鋼在預磨機上採用280-1400號砂紙打磨至粗糙度Ral.5iim，再用金相砂紙對上述處理後的不鏽鋼進行精細研磨至粗糙度RaO.8ym，然後用酒精在6(TC的超聲波中清洗25min，取出後在熱空氣中快速乾燥；2)將經步驟1)處理後的不鏽鋼放置在X-Y計算機控制的工作檯上，在空氣中進行雷射氧化著色處理X-Y計算機控制的工作檯移動速度為20mm/s，連續雷射功率為500W，雷射矩形光斑尺寸為4mmX5mm，雷射作用時間為5s，離焦量10mm，光斑搭接率50%，獲得紫和淺綠多種顏色的不鏽鋼表面氧化膜；3)將步驟2)處理後的彩色不鏽鋼在6(TC的超聲波中用酒精清洗25min，取出後在熱空氣中快速乾燥，製得乾淨、穩定、高性能的彩色不鏽鋼。2、性能不鏽鋼表面著色膜與基體的結合性能以及顯微硬度測試方法同實施例1，結果如表5所示。表5雷射氧化著色處理後不鏽鋼表面氧化膜的尺寸及性能顏色厚度結合力顯微硬度紫+淺綠21|jm合格289HV02權利要求一種雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法，其特徵在於，利用雷射的光-熱-化學效應在不鏽鋼表面氧化生成不同種類與不同厚度的氧化物薄膜，通過氧化物本身的顏色與薄膜的幹涉作用共同使不鏽鋼表面著色，同時通過連續雷射工藝參數的改變與光斑能量的調製，採用特製的旋轉雷射頭製備大面積的曲面或平面彩色不鏽鋼。2.根據權利要求1所述的一種雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法，其特徵在於，具體步驟如下1)將線切割後的不鏽鋼採用280-1400號水磨砂紙打磨至粗糙度小於Ra3.0iim，再用金相砂紙對上述處理後的不鏽鋼進行精細研磨至粗糙度小於Ra2.0i！m，然後用酒精在20°C_60°〇的超聲波中清洗10min-25min，取出後在熱空氣中快速乾燥；2)將經步驟l)處理後的不鏽鋼放置在X-Y計算機控制的工作檯上，採用不同雷射工藝參數及工作檯速度進行雷射氧化著色大面積處理，通過雷射的光_熱_化學作用獲得帶有不同顏色的不鏽鋼表面氧化物薄膜；3)將步驟2)處理後的彩色不鏽鋼在20°C-e(TC的超聲波中用酒精清洗10min-25min，製得乾淨、穩定、高性能的大面積彩色不鏽鋼。3.根據權利要求2所述的一種雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法，其特徵在於，所述的X-Y計算機控制的工作檯移動速度為2mm/s-20mm/s，連續雷射功率為50W-500W，雷射矩形光斑尺寸為0.5mmXlmm-4mmX5mm，雷射作用時間ls-5s，離焦量0.Olmm-lOmm，光斑搭接率10%-50%。4.根據權利要求2所述的一種雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法，其特徵在於，所述的雷射器採用連續雷射器，氧氣採用同軸輸送，氧氣流量為lL/min-3L/min，或直接採用空氣中的氧氣。5.根據權利要求2所述的一種雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法，其特徵在於，所述的雷射光斑為調製後能量均勻的矩形光斑。6.根據權利要求2所述的一種雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法，其特徵在於，所述的表面氧化物薄膜為單氧化物膜或各種氧化物構成的氧化物複合薄膜。7.根據權利要求2所述的一種雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法，其特徵在於，所述的不鏽鋼為Fe-Cr-Ni系的不鏽鋼材料。8.根據權利要求2所述的一種雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法，其特徵在於，所述的雷射氧化著色後的彩色不鏽鋼只需進行簡單的後處理，無需複雜的封閉處理。全文摘要本發明公開了一種雷射氧化著色製備大面積高性能彩色不鏽鋼的方法，涉及材料表面改性領域。其步驟為1)將不鏽鋼加工成一定尺寸；2)將加工好的不鏽鋼進行前處理；3)將前處理後的不鏽鋼進行雷射氧化大面積著色處理；4)氧化著色的不鏽鋼經過簡單後處理，製得大面積高性能的彩色不鏽鋼。本發明利用雷射的光-熱-化學效應在不鏽鋼表面氧化生成不同種類與不同厚度的氧化物薄膜，通過氧化物本身的顏色與薄膜的幹涉作用共同使不鏽鋼表面著色，採用特製的旋轉雷射頭製備大面積的曲面或平面彩色不鏽鋼。本發明製得的大面積彩色不鏽鋼色膜層比較穩定，色彩豐富，重現性好，硬度高，耐磨性好，而且工藝簡單、易操作，無汙染，適於大規模批量生產。文檔編號C23C8/14GK101775570SQ201010107718公開日2010年7月14日申請日期2010年2月9日優先權日2010年2月9日發明者崔承雲,崔熙貴,張朝陽,張永康,管海兵,錢曉明,魯金忠申請人:江蘇大學