一种基于离子注入的彩色不锈钢及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于离子注入的彩色不锈钢及其制备方法。其技术方案是：将待着色的不锈钢置入离子注入机真空室中，抽真空至０．１Ｐａ～１×１０－５Ｐａ，在不锈钢表面进行离子注入，离子注入的加速电压为１０～１００ＫＶ，离子注入剂量为１×１０１７～１×１０１９ｉｏｎｓ／ｃｍ２，制得彩色不锈钢；或将待着色的不锈钢置入离子注入机真空室中，抽真空至０．１Ｐａ～１×１０－５Ｐａ，在不锈钢表面进行离子注入，离子注入的加速电压为１０～１００ＫＶ，离子注入剂量为５×１０１５～５×１０１９ｉｏｎｓ／ｃｍ２；取出后进行热处理，随炉冷却至室温，得到彩色不锈钢。本发明专利技术工艺简单、环境洁净，所制得的彩色不锈钢颜色种类多、重现性好、色泽均匀、美观耐用和无脱落现象；其表面硬度和耐腐蚀性能与制备前的不锈钢相比有明显提高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于彩色不锈钢
，具体涉及一种基于离子注入的彩色不锈钢及 其制备方法。
技术介绍
不锈钢具有优越的耐蚀性、耐磨性、强韧性和工艺性能，因而广泛应用于宇 航、海洋、能源、建筑、家用器具等领域。不锈钢表面的自然色彩可以提供美和清洁的 印象。随着经济的发展和生活水平的提高，人们迫切要求不锈钢的颜色多样化。因此， 不锈钢表面处理技术得到广泛关注。自1972年国际镍公司(INCO)宣布研制出世界上第 1块由不锈钢化学着色而得到的彩色不锈钢时起，各国纷纷开始了不锈钢着色的研究，并 迅速进入工业化生产。化学着色法的优点是着色工件的形状可以很复杂，而且得到的颜色均勻，但较 难控制的是颜色的重现性，着色温度也较高。目前对于化学着色法的研究工作基本上 是在INCO法的基础上进行一些改进，着色基础液的组成为CrO3和H2SO4,温度80 90°C。不锈钢浸在这种溶液中，表面就会被氧化形成铬、铁、镍的氧化物，颜色随着表 面膜厚度的改变而变化。例如“彩色不锈钢制作方法及所得产品”(CN200610123981.4) 专利技术，着色溶液为铬酸酐和硫酸体系，将不锈钢电极与参考电极分别用导线连接至 模数转换电路，并将两极电位差以数值形式输入电脑，研究不同电位差值下不锈钢的着 色情况。实验证明所获得的转化膜具有良好的附着性和延展性。可通过电脑控制程序监 控电位差的变化，当电位差值达到预定值时，将不锈钢从着色池中取出来得到特定厚度 的色膜，从而达到控制颜色的目的。采用此方法，颜色的重现性虽有所提高，但是所得 表面彩色膜颜色不均勻，容易剥落，且反应在铬酸酐和硫酸体系下75 90°C之间进行， 酸雾发挥大，生产环境恶劣，环境污染严重。“一种激光氧化着色制备大面积高性能彩色不锈钢的方法 (” CN201010107718.2)专利技术专利技术，利用激光的光-热-化学效应在不锈钢表面氧化 生成彩色薄膜。激光着色技术是在高温条件下进行，其能量消耗大，具有热辐射危害， 在给物质着色同时也会因为高热而使物质受损；此技术处理速度以及光-热-化学效应不 易控制，颜色重现性差，所处理的工件形状不能太复杂，否则受热不均勻，就会导致颜 色的不均勻。离子注入技术已经在很多领域里获得了广泛的应用，取得了明显的经济效益和 技术成果。离子注入技术研究可以注入各种金属离子以及气体离子，元素种类不受冶金 学的限制。注入元素数量可精确控制和测量，注入的深度可控制；注入束在注入表面上 均勻分布；离子注入具有直进性、横向扩展小的特点，也适合微细加工的要求；注入时 的靶温可控制在低温、室温及高温；可注入离子团和多种离子；离子注入能消除膜与基 体间连接较弱的界面，附着力强，镀层牢固，不易脱落且镀层均勻，致密；绕射性好， 可在材料上成膜，镀各种硬质膜，抗磨损性强。但目前尚未采用离子注入技术制备彩色不锈钢。
技术实现思路
本专利技术旨在克服已有技术缺陷，目的是提供一种工艺简单、环境洁净的基于离 子注入的彩色不锈钢的制备方法，用该方法制备的彩色不锈钢膜层均勻牢固、颜色种类 多、重现性好、美观耐用、无脱落现象、耐腐蚀性强和硬度高。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是或将待着色的不锈钢置入离子注入机真空室中，抽真空至O.lPa lX10_5Pa， 在不锈钢表面进行离子注入，离子注入的加速电压为10 100KV，离子注入剂量为 1 X IO17 1 X 1019ions/cm2,制得彩色不锈钢。或将待着色的不锈钢置入离子注入机真空室中，抽真空至O.lPa lX10_5Pa， 在不锈钢表面进行离子注入，离子注入的加速电压为10 100KV，离子注入剂量为 5X1015 5X1019ionS/Cm2;取出后进行热处理，随炉冷却至室温，制得彩色不锈钢。其中的热处理的工艺是热处理温度为200 1000°C，热处理时间为0.5 24h,热处理气氛或为空气或为氧气或为含氧的混合气体；含氧的混合气体或为氧气和氮 气的混合物，或为氧气和氩气混合物，或为氧气、氮气和氩气的混合物，其中的氧气体 积含量为5%以上。在本专利技术所采用的技术方案中离子或为金属离子中的1 3种，或为非金属离子中的1 3种，或为金属离子 中的1 2种和非金属离子中的1 2种；待着色的不锈钢是经除油除尘和清洗干燥后的不锈钢。由于采用上述方案，本专利技术利用离子注入技术，在不锈钢表面注入金属离子或 非金属离子，制得彩色不锈钢；或在不锈钢表面注入金属离子或非金属离子，再经过热 处理制得彩色不锈钢。注入离子在基体中与基体原子混合，无明显截面，不易脱落， 此薄膜反射光与通过表面透明膜的折射光的干涉光共同使不锈钢表面着色，并且通过调 控加速电压、注入剂量、热处理时间、热处理温度和热处理氛围，获得各种颜色的不锈 钢。故本专利技术具有以下优点1)本专利技术工艺步骤简单，工艺环境洁净，没有环境污染；2)本专利技术不改变不锈钢制品的表面形状和尺寸，能保持原有材料的尺寸精度和 表面粗糙度，并且可对大面积、形状复杂的不锈钢制品进行彩色处理；3)本专利技术工艺参数可精确控制，通过调控加速电压、注入剂量、热处理时间、 热处理温度及热处理气氛，制备的彩色不锈钢颜色种类多，颜色重现性高；4)本专利技术直接对不锈钢进行表面改性，彩色膜层为金属或金属化合物，硬度 高，耐腐蚀性强，且附着均勻牢固，无凸起或凹陷区域，非常平滑，无脱落现象；5)本专利技术制备的彩色不锈钢美观耐用。因此，本专利技术工艺简单、环境洁净和工艺参数可精确控制；所制备的彩色不 锈钢颜色种类多、重现性好、色泽均勻、无色差现象和美观耐用，彩色膜层与不锈钢基 体结合均勻牢固、无凸起或凹陷区域且无脱落现象，其表面硬度和耐腐蚀性能与制备前 的不锈钢相比有明显提高，表面硬度亦明显高于化学着色、电化学着色法所得的彩色涂层。具体实施例方式下面结合具有实施方式对本专利技术作进一步的描述，并非对其保护范围的限制。为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的技术参数统一描述如下待着色的 不锈钢是经除油除尘和清洗干燥后的不锈；表面硬度为维氏硬度。实施例1。将待着色的不锈钢置入离子注 入机真空室中，抽真空至O.lPa lX10_5Pa，在不锈钢表面进行Au离子注入；Au离子 注入的加速电压为60 90KV，Au离子注入剂量为5X1017 lX1018ions/cm2，制得色 度值位于L 85 99，a: -17 0，b 60 100的黄色不锈钢。本实施例所制得的黄色不锈钢的表面硬度为HV317 397，制备前的不锈钢表 面硬度为HV200 230。实施例2—种基于离子注入的彩色不锈钢及其制备方法。将待着色的不锈钢置入离子注 入机真空室中，抽真空至O.lPa lX10_5Pa，在不锈钢表面进行O离子注入；O离子注 入的加速电压为80 100KV，O离子注入剂量为IXlO17 3X1017ions/cm2，制得色度 值位于L 90 99，a _7 0，b 40 60的浅黄色不锈钢。本实施例所制得的浅黄色不锈钢的表面硬度为HV377 473，制备前的不锈钢 表面硬度为HV243 278。实施例3。将待着色的不锈钢置入离子注 入机真空室中，抽真空至O.lPa lX10_5Pa，在不锈钢表面进行Ti和Ag离子注入；Ti和 Ag离子注入的加速电压为40 6本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于离子注入的彩色不锈钢的制备方法，其特征在于将待着色的不锈钢置入离子注入机真空室中，抽真空至０．１Ｐａ～１×１０↑［－５］Ｐａ，在不锈钢表面进行离子注入，离子注入的加速电压为１０～１００ＫＶ，离子注入剂量为１×１０↑［１７］～１×１０↑［１９］ｉｏｎｓ／ｃｍ↑［２］，制得彩色不锈钢；所述的离子或为金属离子中的１～３种，或为非金属离子中的１～３种，或为金属离子中的１～２种和非金属离子中的１～２种。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：倪红卫，詹玮婷，陈荣生，邰军凯，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]