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1、第八章 金属表面着色,8.1 金属表面着色原理,给金属着色后一般都增加了防腐能力，有的还增加了抗磨能力。但表面彩色技术主要的应用还在装饰领域，即用来美化生活，美化社会。 铝是最容易着色的金属之一，现以此为例说明金属的着色原理。 铝氧化膜着色的方法主要有电解发色法、化学染色法和电解着色法。这三种方法的着色机理不同，发色体沉积的部位也互不相同。,1.电解发色法,电解发色是阳极氧化合着色过程在同一溶液中完成，在铝合金上直接形成彩色的氧化膜。因此，电解发色法也称为电极着色一步法。发色体在多孔层的夹壁中或发色体的胶体粒子分布在多孔层的夹壁中，如图81A、B所示。 电解发色是由于光线被膜层选择吸收了某些特
2、定的波长，剩余波长部分被反射引起的。选择吸收与合金元素在膜层中的氧化状态或电解液成分与氧化膜中物质结合的状态有关。 电解发色膜产生颜色的原因，虽然有种种解释，但似乎无明确结论。材料成分、溶液种类、氧化膜厚度以及操作条件等都对它有重要影响。,2.化学染色法,铝制品的阳极氧化膜用无机或有机染料都能进行浸渍着色。发色体沉积在氧化膜孔隙的上部。如图81C。 最适合于染色的氧化膜，是经硫酸阳极氧化而得到的氧化膜。被浸渍着色的膜厚应为1015微米。用于日用零件的装饰或防护时，在化学或电化学抛光后产生的膜（35微米）也能进行着色处理。 关于有机染料着色机理有三种解释:有机染料分子与膜内铅的化合物发生化学结合
3、；膜的主要成分氧化铝物理吸附，即氧化膜孔隙中物理吸附了沉淀的色料；机械填充于膜的微孔之中。 有机染料浸渍着色的氧化膜产生的颜色时由于光的吸收产生的。,3.电解着色法（电解着色二部法）,铝或铝合金经过阳极氧化后，浸入更贵的金属盐溶液粒里，通过使用交流电进行极化或用直流电进行阴极极化来进行着色。在电场作用下，使金属离子在氧化膜孔隙的底部被还原沉积，结果使铝及其合金着色。所以，金属发色体沉积在多孔层的孔隙底部。如图81D和图82所示。,电解着色法产生颜色的原因是由于氧化膜孔里沉积的镍、钴、锡、铜、银等金属颗粒直径不均匀造成的。由于这些颗粒的分布，使得散射光的波长范围很宽，因此氧化膜看起来呈棕色。在着
4、色时间较长时，有更多的金属沉积，且金属胶体的粒径分布更广，氧化膜呈黑色。在金属胶体粒径分布很狭窄时，可以产生像蓝、绿或红这样的基色。另外，电沉积金属的粒径分布随着金属的种类不同而不同，用硫酸镍可以得到粉红色、绿色、紫色和蓝色。铝在较低电压下进行硫酸阳极氧化时，阻挡层薄，阻挡层厚度差别也小，这时电沉积的粒度均匀，散射光的波长范围很窄，氧化膜呈粉红、红、绿或蓝色。,8.2 铝及铝合金的表面着色,8.2.1化学染色 为使铝制品获得良好的染色效果，氧化膜应该具有以下条件:有一定的孔隙率合吸附性；有适当的厚度，厚度不同所染出的色调就不一样。当要求染深色时，膜就应该厚些；氧化膜本身是无色透明的；膜层不应有
5、划痕、洞穴等弊病。 用硫酸或硫酸和草酸混合酸所得阳极氧化膜：孔隙多，吸附性能强，膜层无色透明，故最适合化学染色，可染成各种鲜艳的色彩；用草酸所得阳极氧化膜:由于本身略带黄色，且孔隙率低，故只能染深色；用铬酸所得阳极氧化膜：孔隙少，且本身带灰色或深灰色，而且膜薄，故很少用来染色。,1.化学染色的染料,氧化膜的染色可以用有机染料，也可以用无机染料。它们各有特点： 有机染料：从品种种类，色泽鲜艳程度，染色的牢固程度，上色速度和操作方法等方面考虑，有机染料都比无机染料优越得多，因此，实际生产中大多使用有机染料。 使用时应选用耐磨，耐晒，色牢度好的染料。对氧化膜有破坏作用的硫化染料不易使用，阳离子型染料
6、不易上色也不宜使用。,染色应在氧化处理以后立即进行，不得将已氧化好的工件浸泡在水中，染色前不允许用热水清洗（以免氧化膜被封闭），不允许用手触摸氧化膜，任何污染都会影响染色质量。氧化好的工件上若残留有未洗净的酸性溶液，可在体积分数12的稀氨水中进行中和0.51分钟，经冷水洗净后再染色。,无机染料,色泽鲜艳度较差，而且因染料的颗粒度较大，不易进入膜孔深处，难以染成较深色泽。此外，无机染料的透明度差，对膜层表面光亮度有一定的影响，故应用面不广，但无机染料的耐晒性比有机染料好，因此在建筑材料铝型材阳极氧化膜的染色上得到一定作用。 大多数无机染料需经过两次互浸才能显色。首先将已氧化好的铝制品浸入第一种无
7、机盐溶液中，该溶液借毛细作用进入膜孔中，再将铝制品转移到第二种溶液中，在膜孔中进行化学反应，生成带颜色的难溶于水的无机化合物色素体，积聚于膜孔中而显色。,注：质量浓度GL-1；温度；时间MIN。 染色过程中，染色液宜加热到一定温度。温度较高有利于溶液中离子向膜孔深处扩散，提高色牢度和深色调，但不宜超过70。温度过高对膜孔起封闭作用，不利于着色的顺利进行。染色后要彻底清洗干净，然后封孔处理。,8.2.2电解着色法(电解着色二步法),将经过常规硫酸阳极氧化的工件再浸入含有贵金属盐的溶液中进行交流电解着色处理，在电场的作用下，使金属离子在氧化膜孔隙的底部还原沉积。 金属的盐类不同，所得的颜色也不同；
8、电解着色的时间、电流和电压不同，颜色的深浅也不一样。,注:交流电压采用50HZ交流电源。一般随着着色电压的升高，着色速度加快，当电压大于20V时，由于析出气体压力大，将导致阻挡层被击穿，造成着色膜斑落现象。着色电压范围可选择阳极氧化电压的1/22/3之间，即1016V。随着色液温度的升高，溶液导电性能增强，亚锡离子迁移速度提高，着色速度快。温度控制在2040之间着色效果好，生产上一般控制在（255）。采用恒电压，控制着色时间，以保持着色膜色调的重现性，同时温度也要控制在某一定值。着色时间及色调控制：在恒电压和恒温下，随着色时间的延长，金属的沉积量增加，色调由浅变深。,可采用保持恒电压和恒温的情
9、况下控制着色时间来实现色调控制。着色一定时间后，切断电源，提起工件，用标准色板对照，若色浅可再继续通电着色一段时间；若色深，放回镀槽不通电静置一会儿，让金属沉淀物溶解掉一部分，使色变浅。 在电解着色液中，必须加入添加剂，主要稳定电解着色液，促进着色膜色泽均匀，延长电解液着色寿命。广泛应用的有：硫酸铝、葡萄糖、EDTA、硫酸铵，酒石酸、邻苯三酚，以及市场供应组合添加剂GKC等。,操作条件的影响,温度：随着溶液温度升高，离子扩散速度加快，色调加深；温度低，则着色速度慢。但温度过高，会加速亚锡盐水解。 搅拌：采用机械搅拌，色调均匀性和重现性要好。不宜采用空气搅拌，它将导致亚锡盐氧化和沉渣泛色，影响着
10、色稳定性。,8.3 不锈钢的着色,不锈钢由于具有高的力学强度，硬度，耐磨性，耐蚀性以及易加工等优良性能，在各行各业中被广泛采用，随着其用途的多样化，高级化，并不断向装饰性和艺术性方向发展，不锈钢的彩色化受到了人们的重视，其较高的装饰功能正得到日益广泛的应用。 在不锈钢表面形成彩色的技术很多，大体有以下六种：化学着色法、电化学着色法、高温氧化法、有机物涂覆法、气相裂解法及离子沉积法。本文将着重介绍不锈钢的化学着色法。,化学着色法就是将不锈钢零件浸在一定的溶液（如热的铬酸-硫酸溶液）中，发生化学反应而使不锈钢表面呈现出色彩的方法。 化学着色法制备彩色不锈钢的过程包括前处理、化学着色和后处理等三部分
11、。工艺流程为：清洗-碱性除油-清洗-电解抛光-清洗-活化-清洗-坚膜-清洗-封闭-清洗-热风吹干-成品。 不锈钢化学氧化前的预处理非常重要，预处理的好坏将明显影响到彩色氧化膜的结合力，色彩的均匀性和制件的光洁程度。,8.3.1不锈钢化学着色,1.不锈钢黑色氧化,2.不锈钢的彩色化学氧化,不锈钢彩色化学着色的发色机理是：经氧化后使不锈钢表面形成透明氧化膜，由于光线通过不锈钢表面氧化膜发生折射后，入射光与反射光在膜层中会产生干涉，从而显示出某种色光。 膜的颜色随着氧化时间的不同而不同。这是由于氧化时间不同，氧化膜的厚度不同，所以对光线的折射也不一样，因而产生不同的颜色。,由配方1处理的膜层，随着膜
12、厚的增加所显示的色彩变化为：棕色-蓝色-金黄色-红色-绿色。 由配方2处理的膜层，随着膜厚的增加所显示的色彩变化为：浅棕-深棕-浅蓝（或浅黑）-深蓝（或深黑）色。 由配方3得到的是金黄色的膜。,8.3.2不锈钢彩色化学氧化后处理工艺,1.坚膜处理 不锈钢经化学着色处理后，虽然获得了鲜艳的彩色膜，但获得的彩色膜层组织疏松、多孔（孔隙率为2030），膜层也很薄，且柔软而不耐磨，容易被污物玷污，所以，必须进行坚膜处理，使着色后松散的膜层硬化，提高其耐磨性，耐蚀性和耐污性。 为尽量避免膜层污损，最好在着色后立即进行硬化处理。应注意的是：电解坚膜时要及时调整电流密度，防止在端部和棱角部位析出金属。另外，切勿对溶液进行剧烈搅拌，并需注意保持均一的温度,2.封闭,着色膜经坚膜处理后，其硬度、耐磨、耐蚀性能得到改善，但表面仍为多孔，容易被污物沾污。若着色后，先经电解坚膜处理，随后再用1的硅酸盐水溶液在沸腾条件下浸渍5分钟，将使多孔膜封闭，且耐磨性能得到进一步提高。 坚膜和封闭处理是使彩色不锈钢具备耐磨、耐蚀和耐沾污等性能的重要步骤。,
