專利名稱：：一種激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及材料表面改性領(lǐng)域，特指一種激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法。
背景技術(shù)：
：不銹鋼在現(xiàn)代工業(yè)中是一種重要的應(yīng)用材料，因其具有高強(qiáng)度、抗腐蝕、易加工和表面具有光澤等許多優(yōu)異的特性，在航空航天、石油化工、汽車(chē)、機(jī)械、儀器儀表、醫(yī)藥、能源以及建筑裝飾等方面得到了廣泛的應(yīng)用。隨著社會(huì)進(jìn)步和各行各業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展以及人民生活水平的提高，不銹鋼單一的色調(diào)已不能滿足需求，不銹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(shù)，力求得到色彩豐富的不銹鋼，以擴(kuò)大其使用范圍。彩色不銹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(gè)專利，但該專利在當(dāng)時(shí)沒(méi)有進(jìn)入實(shí)用化階段。而真正有實(shí)用價(jià)值的工藝是1972年由英國(guó)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，主要用于金屬材料的表面著色。該工藝是將拋光后的不銹鋼浸入鉻酐-硫酸混合溶液中，隨時(shí)間的變化，在不銹鋼表面氧化生成不同厚度的氧化膜，這層透明薄膜由于光的干涉能夠產(chǎn)生不同的顏色，因而主要用于制造彩色不銹鋼。然而，當(dāng)溶液的組成和溫度稍有變化時(shí)，通過(guò)控制時(shí)間來(lái)控制氧化膜的厚度，不能得到重現(xiàn)性很好的氧化膜顏色。為了對(duì)著色過(guò)程的顏色進(jìn)行有效的控制，T.E.Evans等用飽和甘汞電極作參比電極，測(cè)量了著色過(guò)程中不銹鋼試樣的電位_時(shí)間曲線，可以得到重現(xiàn)性好的顏色。國(guó)內(nèi)的彩色不銹鋼生產(chǎn)目前處于起步階段，據(jù)國(guó)內(nèi)期刊的有關(guān)報(bào)道，不少技術(shù)問(wèn)題尚處于探討研究階段，在著色方法上大多采用Inco法。雖然Inco法工藝成熟、溶液配方簡(jiǎn)單、使用廣泛，但由于使用大量的003和112504，六價(jià)鉻有致癌作用，112504具有相當(dāng)強(qiáng)的腐蝕性，其廢液的排放對(duì)環(huán)境造成極大危害。另外，現(xiàn)有的表面著色方法(包括化學(xué)著色法和電化學(xué)著色法)均存在一定的缺陷，如(l)表面膜耐磨性能不夠強(qiáng)；(2)反應(yīng)溫度比較高，能源消耗大，顏色易不均勻，酸霧揮發(fā)大；(3)必須三道工序化學(xué)著色、電解固膜、封閉以及(4)耗電多等，這都導(dǎo)致彩色不銹鋼的生產(chǎn)在我國(guó)及國(guó)際上發(fā)展比較緩慢，而且較高表面光潔度的要求也是限制其應(yīng)用的主要障礙之一?；诜N種原因，眾多表面精飾學(xué)者一直在尋找其他使不銹鋼著色的研究方法，也有必要尋求一種新的綠色環(huán)保技術(shù)對(duì)不銹鋼進(jìn)行著色處理。中國(guó)發(fā)明專利200310103374.8公開(kāi)的陽(yáng)極氧化著色，該制備方法是將經(jīng)前處理好的金屬或合金放入陽(yáng)極氧化著色溶液中，著色一定時(shí)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(dāng)不同厚度的氧化膜疊加時(shí)會(huì)造成色澤不均勻，給后續(xù)氧化膜的固著和使用帶來(lái)了困難。激光由于具有良好的單色性、方向性和相干性等特點(diǎn)，所以自從其產(chǎn)生以來(lái)就得到了廣泛的應(yīng)用。其中，激光氧化技術(shù)干凈無(wú)污染、工藝參數(shù)便于調(diào)節(jié)以及后處理簡(jiǎn)單等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使其成為近幾年氧化領(lǐng)域最為活躍的分支之一。本發(fā)明利用激光的光_熱_化3學(xué)效應(yīng)在不銹鋼表面氧化生成不同種類(lèi)與不同厚度的氧化物薄膜，通過(guò)氧化物本身的顏色與薄膜的干涉作用共同使不銹鋼表面著色，同時(shí)通過(guò)連續(xù)激光工藝參數(shù)的改變與光斑能量的調(diào)制，采用特制的旋轉(zhuǎn)激光頭制備大面積的曲面或平面彩色不銹鋼。本發(fā)明制得的大面積彩色不銹鋼色膜層比較穩(wěn)定，色彩豐富，重現(xiàn)性好，硬度高，耐磨性好，而且工藝簡(jiǎn)單、易操作，無(wú)污染，適于大規(guī)模批量生產(chǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)采用連續(xù)激光氧化對(duì)不銹鋼進(jìn)行著色處理制備大面積高性能彩色不銹鋼的相關(guān)報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有表面著色技術(shù)的不足，提供一種激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法，其特征在于利用激光的光_熱_化學(xué)效應(yīng)在不銹鋼表面氧化生成不同種類(lèi)與不同厚度的氧化物薄膜，通過(guò)氧化物本身的顏色與薄膜的干涉作用共同使不銹鋼表面著色，同時(shí)通過(guò)連續(xù)激光工藝參數(shù)的改變與光斑能量的調(diào)制，采用特制的旋轉(zhuǎn)激光頭制備大面積的曲面或平面彩色不銹鋼。該方法包括如下步驟1)將線切割后的不銹鋼采用280-1400號(hào)水磨砂紙打磨至粗糙度小于Ra3.0ym，再用金相砂紙對(duì)上述處理后的不銹鋼進(jìn)行精細(xì)研磨至粗糙度小于Ra2.0iim，然后用酒精在20°C_60°〇的超聲波中清洗10min-25min，取出后在熱空氣中快速干燥；2)將經(jīng)步驟1)處理后的不銹鋼放置在X-Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)上，采用不同激光工藝參數(shù)及工作臺(tái)速度進(jìn)行激光氧化著色大面積處理，通過(guò)激光的光_熱_化學(xué)作用獲得帶有不同顏色的不銹鋼表面氧化物薄膜；3)將步驟2)處理后的彩色不銹鋼在20°C_60°C的超聲波中用酒精清洗10min-25min，制得干凈、穩(wěn)定、高性能的大面積彩色不銹鋼。所述的X-Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)移動(dòng)速度為2mm/s-20mm/s，連續(xù)激光功率為50W-500W，激光矩形光斑尺寸為0.5mmXlmm-4mmX5mm，激光作用時(shí)間為ls-5s，離焦量為0.Olmm-lOmm，光斑搭接率10%-50%。所述的激光器采用連續(xù)激光器，氧氣采用同軸輸送，氧氣流量為lL/min-3L/min，或直接采用空氣中的氧氣。所述的激光光斑為調(diào)制后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(gòu)成的氧化物復(fù)合薄膜，復(fù)合薄膜的存在使不銹鋼表面呈現(xiàn)出更加豐富多彩的顏色。所述的不銹鋼為Fe-Cr-Ni系的不銹鋼材料。所述的激光氧化著色后的彩色不銹鋼只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的后續(xù)處理，無(wú)需復(fù)雜的封閉處理。本發(fā)明提出的激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明方法工藝步驟簡(jiǎn)單，易于操作，綠色無(wú)污染，成本低，適于批量生產(chǎn)；2)本發(fā)明方法是在不銹鋼熔點(diǎn)以下對(duì)其進(jìn)行氧化著色，基本不改變不銹鋼的形狀和尺寸；3)本發(fā)明方法制得的彩色不銹鋼色膜層比較穩(wěn)定，色彩豐富，重現(xiàn)性好，并且與基體結(jié)合牢固，表面硬度、耐磨性等都有顯著提高；44)本發(fā)明方法制得的大面積彩色不銹鋼具有良好的裝飾和美化作用。具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法，其原理是通過(guò)改變不銹鋼表面粗糙度、激光工藝參數(shù)或工作臺(tái)的速度，在連續(xù)激光氧化后獲得不同的氧化物(Fe、Cr、Ni、Mn等的氧化物)及不同厚度的氧化物薄膜，即不銹鋼表面氧化膜為單氧化物薄膜或各種氧化物構(gòu)成的氧化物復(fù)合薄膜，復(fù)合薄膜的存在使不銹鋼表面呈現(xiàn)出更加豐富多彩的顏色。不銹鋼表面的顏色是由連續(xù)激光處理后形成氧化物的顏色以及不同厚度氧化膜通過(guò)光的干涉作用共同形成的。根據(jù)光的干涉原理可知，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(huì)改變，另一方面也會(huì)改變其折射率，從而使干涉后的顏色也發(fā)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(huì)因此而呈現(xiàn)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(guò)改變激光工藝參數(shù)(功率、光斑尺寸、離焦量、作用時(shí)間及光斑搭接率等)等來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)采用特制的旋轉(zhuǎn)激光頭制備大面積的曲面或平面彩色不銹鋼。以下是具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:1、步驟1)將線切割后的不銹鋼在預(yù)磨機(jī)上采用280-1000號(hào)砂紙打磨至粗糙度Ra3.0iim，再用金相砂紙對(duì)上述處理后的不銹鋼進(jìn)行精細(xì)研磨至粗糙度Ral.5ym，然后用酒精在2(TC的超聲波中清洗10min，取出后在熱空氣中快速干燥；2)將經(jīng)步驟1)處理后的不銹鋼放置在X-Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)上，在氧氣流量為1L/min的環(huán)境中進(jìn)行激光氧化著色處理X-Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)移動(dòng)速度為2mm/s，連續(xù)激光功率為50W，激光矩形光斑尺寸為0.5mmXlmm，激光作用時(shí)間為ls，離焦量為0.Olmm，光斑搭接率10%，獲得藍(lán)黑色的不銹鋼表面氧化膜；3)將步驟2)處理后的彩色不銹鋼在2(TC的超聲波中用酒精清洗10min，取出后在熱空氣中快速干燥，制得干凈、穩(wěn)定的彩色不銹鋼。2、性能1)采用劃痕法測(cè)定不銹鋼表面著色膜與基體的結(jié)合性能，依據(jù)參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB5270-85。2)采用HXD-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)試彩色不銹鋼表面顯微硬度，實(shí)驗(yàn)載荷為200g，加載時(shí)間為15s。表面顯微硬度測(cè)試是激光氧化著色處理后在彩色不銹鋼表面不同地方平行等距測(cè)試五個(gè)點(diǎn)，取平均值，結(jié)果如表1所示。表1激光氧化著色處理后不銹鋼表面氧化膜的尺寸及性能顏色厚度結(jié)合力顯微硬度藍(lán)奧10nm合格193HV02實(shí)施例2:1、步驟1)將線切割后的不銹鋼在預(yù)磨機(jī)上采用280-1200號(hào)砂紙打磨至粗糙度5Ra2.0m，再用金相砂紙對(duì)上述處理后的不銹鋼進(jìn)行精細(xì)研磨至粗糙度Ral.0Pm，然后用酒精在3(TC的超聲波中清洗15min，取出后在熱空氣中快速干燥；2)將經(jīng)步驟1)處理后的不銹放置在X-Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)上，在氧氣流量為2L/min的環(huán)境中進(jìn)行激光氧化著色處理X_Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)移動(dòng)速度為5mm/s，連續(xù)激光功率為150W，激光矩形光斑尺寸為lmmXlmm，激光作用時(shí)間為2s，離焦量為5mm，光斑搭接率20%，獲得金黃色的不銹鋼表面氧化膜；3)將步驟2)處理后的彩色不銹鋼在3(TC的超聲波中用酒精清洗15min，取出后在熱空氣中快速干燥，制得干凈、穩(wěn)定、高性能的彩色不銹鋼。2、性能不銹鋼表面著色膜與基體的結(jié)合性能以及顯微硬度測(cè)試方法同實(shí)施例1，結(jié)果如表2所示。表2激光氧化著色處理后不銹鋼表面氧化膜的尺寸及性能顏色厚度結(jié)合力顯微硬度金黃合格216HV02實(shí)施例3:1、步驟1)將線切割后的不銹鋼在預(yù)磨機(jī)上采用280-1400號(hào)砂紙打磨至粗糙度Ral.5iim，再用金相砂紙對(duì)上述處理后的不銹鋼進(jìn)行精細(xì)研磨至粗糙度RaO.8ym，然后用酒精在4(TC的超聲波中清洗20min，取出后在熱空氣中快速干燥；2)將經(jīng)步驟1)處理后的不銹鋼放置在X-Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)上，在氧氣流量為3L/min的環(huán)境中進(jìn)行激光氧化著色處理X-Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)移動(dòng)速度為10mm/s，連續(xù)激光功率為300W，激光矩形光斑尺寸為1.5mmX2mm，激光作用時(shí)間為3s，離焦量5mm，光斑搭接率30%，獲得鮮艷紫紅色的不銹鋼表面氧化膜；3)將步驟2)處理后的彩色不銹鋼在4(TC的超聲波中用酒精清洗20min，取出后在熱空氣中快速干燥，制得干凈、穩(wěn)定、高性能的彩色不銹鋼。2、性能不銹鋼表面著色膜與基體的結(jié)合性能以及顯微硬度測(cè)試方法同實(shí)施例l，結(jié)果如表3所示。表3激光氧化著色處理后不銹鋼表面氧化膜的尺寸及性能顏色厚度結(jié)合力顯微硬度紫紅17|am合格24證02實(shí)施例4:1、步驟1)將線切割后的不銹鋼在預(yù)磨機(jī)上采用280-1200號(hào)砂紙打磨至粗糙度Ra2.0iim，再用金相砂紙對(duì)上述處理后的不銹鋼進(jìn)行精細(xì)研磨至粗糙度Ral.0Pm，然后用蒸餾水、酒精在5(TC的超聲波中清洗25min，取出后在熱空氣中快速干燥；62)將經(jīng)步驟1)處理后的不銹鋼放置在X-Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)上，在空氣中進(jìn)行激光氧化著色處理X-Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)移動(dòng)速度為15mm/s，連續(xù)激光功率為400W，激光矩形光斑尺寸為2mmX3mm，激光作用時(shí)間為4s，離焦量5mm，光斑搭接率40%，獲得淺黃色的不銹鋼表面氧化膜；3)將步驟2)處理后的彩色不銹鋼在5(TC的超聲波中清洗25min，取出后在熱空氣中快速干燥，制得干凈、穩(wěn)定、高性能的彩色不銹鋼。2、性能不銹鋼表面著色膜與基體的結(jié)合性能以及顯微硬度測(cè)試方法同實(shí)施例l，結(jié)果如表4所示。表4激光氧化著色處理后不銹鋼表面氧化膜的尺寸及性能<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)施例5:1、步驟1)將線切割后的不銹鋼在預(yù)磨機(jī)上采用280-1400號(hào)砂紙打磨至粗糙度Ral.5iim，再用金相砂紙對(duì)上述處理后的不銹鋼進(jìn)行精細(xì)研磨至粗糙度RaO.8ym，然后用酒精在6(TC的超聲波中清洗25min，取出后在熱空氣中快速干燥；2)將經(jīng)步驟1)處理后的不銹鋼放置在X-Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)上，在空氣中進(jìn)行激光氧化著色處理X-Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)移動(dòng)速度為20mm/s，連續(xù)激光功率為500W，激光矩形光斑尺寸為4mmX5mm，激光作用時(shí)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銹鋼表面氧化膜；3)將步驟2)處理后的彩色不銹鋼在6(TC的超聲波中用酒精清洗25min，取出后在熱空氣中快速干燥，制得干凈、穩(wěn)定、高性能的彩色不銹鋼。2、性能不銹鋼表面著色膜與基體的結(jié)合性能以及顯微硬度測(cè)試方法同實(shí)施例1，結(jié)果如表5所示。表5激光氧化著色處理后不銹鋼表面氧化膜的尺寸及性能顏色厚度結(jié)合力顯微硬度紫+淺綠21|jm合格289HV02權(quán)利要求一種激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法，其特征在于，利用激光的光-熱-化學(xué)效應(yīng)在不銹鋼表面氧化生成不同種類(lèi)與不同厚度的氧化物薄膜，通過(guò)氧化物本身的顏色與薄膜的干涉作用共同使不銹鋼表面著色，同時(shí)通過(guò)連續(xù)激光工藝參數(shù)的改變與光斑能量的調(diào)制，采用特制的旋轉(zhuǎn)激光頭制備大面積的曲面或平面彩色不銹鋼。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法，其特征在于，具體步驟如下1)將線切割后的不銹鋼采用280-1400號(hào)水磨砂紙打磨至粗糙度小于Ra3.0iim，再用金相砂紙對(duì)上述處理后的不銹鋼進(jìn)行精細(xì)研磨至粗糙度小于Ra2.0i！m，然后用酒精在20°C_60°〇的超聲波中清洗10min-25min，取出后在熱空氣中快速干燥；2)將經(jīng)步驟l)處理后的不銹鋼放置在X-Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)上，采用不同激光工藝參數(shù)及工作臺(tái)速度進(jìn)行激光氧化著色大面積處理，通過(guò)激光的光_熱_化學(xué)作用獲得帶有不同顏色的不銹鋼表面氧化物薄膜；3)將步驟2)處理后的彩色不銹鋼在20°C-e(TC的超聲波中用酒精清洗10min-25min，制得干凈、穩(wěn)定、高性能的大面積彩色不銹鋼。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法，其特征在于，所述的X-Y計(jì)算機(jī)控制的工作臺(tái)移動(dòng)速度為2mm/s-20mm/s，連續(xù)激光功率為50W-500W，激光矩形光斑尺寸為0.5mmXlmm-4mmX5mm，激光作用時(shí)間ls-5s，離焦量0.Olmm-lOmm，光斑搭接率10%-50%。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法，其特征在于，所述的激光器采用連續(xù)激光器，氧氣采用同軸輸送，氧氣流量為lL/min-3L/min，或直接采用空氣中的氧氣。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法，其特征在于，所述的激光光斑為調(diào)制后能量均勻的矩形光斑。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法，其特征在于，所述的表面氧化物薄膜為單氧化物膜或各種氧化物構(gòu)成的氧化物復(fù)合薄膜。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法，其特征在于，所述的不銹鋼為Fe-Cr-Ni系的不銹鋼材料。8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法，其特征在于，所述的激光氧化著色后的彩色不銹鋼只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的后處理，無(wú)需復(fù)雜的封閉處理。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種激光氧化著色制備大面積高性能彩色不銹鋼的方法，涉及材料表面改性領(lǐng)域。其步驟為1)將不銹鋼加工成一定尺寸；2)將加工好的不銹鋼進(jìn)行前處理；3)將前處理后的不銹鋼進(jìn)行激光氧化大面積著色處理；4)氧化著色的不銹鋼經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單后處理，制得大面積高性能的彩色不銹鋼。本發(fā)明利用激光的光-熱-化學(xué)效應(yīng)在不銹鋼表面氧化生成不同種類(lèi)與不同厚度的氧化物薄膜，通過(guò)氧化物本身的顏色與薄膜的干涉作用共同使不銹鋼表面著色，采用特制的旋轉(zhuǎn)激光頭制備大面積的曲面或平面彩色不銹鋼。本發(fā)明制得的大面積彩色不銹鋼色膜層比較穩(wěn)定，色彩豐富，重現(xiàn)性好，硬度高，耐磨性好，而且工藝簡(jiǎn)單、易操作，無(wú)污染，適于大規(guī)模批量生產(chǎn)。文檔編號(hào)C23C8/14GK101775570SQ201010107718公開(kāi)日2010年7月14日申請(qǐng)日期2010年2月9日優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日發(fā)明者崔承云,崔熙貴,張朝陽(yáng),張永康,管海兵,錢(qián)曉明,魯金忠申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)