sistema di colorazione di lamiere di acciaio inossidabile

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1 _ sistema di colorazione di lamiere di acciaio inossidabile Dr. Ing. Fausto Capelli - Centro Inox 1) Introduzione Quando si parla di acciaio inossidabile, di solito, viene subito alla mente un materiale estremamente freddo, lucente, con finlture a volte quasi speculari, ma soprattutto privo di un colore proprio caratteristico. Sono classici gli esempi delle pentole, della posateria in genere, di alcuni tipi di serbatoi, ecc, per i quali tanto più il materiale assume un aspetto acromatico e brillante, tanto più viene valorizzato il manufatto. A volte, tuttavia, per esigenze estetiche o per esigenze funzionali, si ricorre a sistemi di satinatura, sabbiatura o in generale a lavorazioni meccaniche che riescono ad opacizzare la lamiera di acciaio inossidabile in diversi gradi, a seconda del tipo di metodologia seguita per raggiungere lo scopo. In ogni caso, però, il materiale mantiene il classico aspetto metallico, pur non essendo più lucente. Nel caso in cui si volessero far assumere al materiale dei colori in superficie, si possono prendere in considerazione alcune tecnologie che si differenziano in maniera notevole l'ima dall'altra. La metodologia più semplice è quella della pitturazione che viene effet- (*) I brevetti sono deicnuii dalla dina inglese International Niekel Ltd. (British Patent e I e relative estensioni). La Poligrat GmbH, tedesca, ha introdotto nuovi accorgimenti, anch'essi brevettati, consistenti essenzialmente in processi di «stabilizzazione» della pellicola colorata. tuata prima preparando opportunamente la superficie dell'inox, tramite sgrassaggi accurati e filtri abrasivi, poi applicando un «primer» scelto in funzione del tipo di pittura ed infine verniciando seguendo le normali prescrizioni che ciascun tipo di vernice richiede. Anche per la smaltatura è necessario procedere prima ad una corretta preparazione superficiale poi all'applicazione dello smalto a secco ed infine al riscaldamento in atmosfera neutra o ossidante. Un altro sistema per colorare clementi di acciaio inossidabile consiste nel semplice riscaldamento in aria a temperature tali da consentire la formazione di ossidi e corrispondenti alle diverse temperature di rinvenimento; si possono così ottenere alcuni tipi di colorazioni, dal paglierino chiaro al blu scuro; tali colorazioni tuttavia, non si presentano omogenee in ogni punto della superficie. È possibile inoltre ottenere una brunitura sulla lamiera di acciaio inox, che in tal maniera acquista l'aspetto caraneristico tipo «canna di fucile», con attacco in soluzione acquosa di acido solforico e bicarbonato potassico ad una temperatura variabile da 90 a 100 C; oppure in bagni di dicromato di sodio a temperature però molto più elevate (circa 400 C). Infine esiste un sistema di colorazione per via chimica (*) che qui cercheremo di descrivere più diffusamente. 2) Descrizione del procedimento La colorazione dell'acciaio inossidabile si ottiene mediante immersione della lamiera o del generico manufatto in una soluzione acquosa di acido cromico e di acido solforico a temperature variabili da 65 C a 95 C. A parità di concentrazione degli acidi succitati nel bagno, la variazione dei due parametri temperatura e tempo di immersione, consente di realizzare differenti colorazioni, che vanno dal color bronzo al blu, al rosso, al verde, con diverse tonalità intermedie. La tecnologia realizzativa prevede tre fasi essenziali, che prenderemo in considerazione distintamente: a) - preparazione superficiale; b) - coloritura; e) - fissaggio. a) Prepara/ione superficiale Tale fase iniziale ha notevole, importanza ai l'ini dell'ottenimento di soddisfacenti risultati, sia come uniformità di colorazione, sia come tenuta nel tempo dello strato colorato. Per ciò che conccrne la preparazione meccanica delle superl'ici c'è da precisare che essa non è essenziale e l'operazione di coloritura su acciaio inox può essere condotta con le normali finiture delle lamiere o dei nastri forniti dalle acciaierie. È possibile pertanto utilizzare siala finitura tipo «2B», ottenuta mediante una laminazione pellicolare a freddo («skinpassatura»), eseguita Estratto da "Lamiera", Gennaio 1982

2 ss ~ «o 65 con cilindri lucidi su lamiere già precedentemente laminate a freddo, sia la finltura tipo «BA», ottenuta invece su lamiere e nastri laminati a freddo per trattamento termico in atmosfera inerte. Se si vuole spingere al massimo la levigatura o la lucidatura, si possono realizzare finiture per abrasione, utilizzando dischi o nastri abrasivi a differente granulometria, con l'avvertenza però di non surriscaldare parti superficiali dell'elemento da colorare, in modo da evitare disomogeneità di coloritura; questa avvertenza va considerata soprattutto per gli acciai inossidabili austenitici (della serie AISI 300) che hanno una bassa conducibilità termica. In ogni caso, per qualsiasi operazione di lucidatura è necessario utilizzare dischi o nastri che lavorino o che abbiano lavorato esclusivamente acciaio inossidabile, per evitare fenomeni di contaminazione superficiale da materiale meno nobile (ad esempio acciaio al carbonio), altrimenti si creerebbero le premesse per zone di attacco corrosivo preferenziale. Si procede quindi ad una accurata sgrassatura con solventi organici da eseguirsi a caldo per immersione oppure a spruzzo. blu 10 2o tempo (min.) verde giallo Fin. 1 - Curve che rappresentano le diverse colorazioni possibili su superfici di acciaio inossidabile, in l'unzione della temperatura del bagno e del tempo di immersione. 30 min is 30 - zs lo «io - verde rosso oro - giallo blu - marrone M i o 1IO 1TS (la a / r \ ^. 4S0 («S too 105 ZtO us tio "" tnv Fig. 2 - Curva che rappresenta la variazione del potenziale Ira un acciaio inossidabile AISI 304, immerso in bagno di colorazione e un elettrodo preso come riferimento, in funzione del tempo di trattamento, a = transitorio iniziale; b = formazione del colore; e = dissoluzione dello strato colorato. Per pezzi di forma molto complessa è possibile fare uso di lavaggi e pulizia con ultrasuoni che riescono ad eliminare la sporcizia che si potrebbe essere annidata in cavità, interstizi, forellini ecc. Lo sgrassaggio può essere concluso con un'azione elettrolitica che consente di ottenere una superficie completamente ed omogeneamente detersa in ogni punto. Essa è comunque consigliabile per pezzi particolarmente complessi. Si procede poi ad una neutralizzazione con immersione in una soluzione contenente piccole quantità di acido solforico che ha il compito di neutralizzare eventuali residui alcalini ed infine ad un lavaggio in acqua che consente anche di appurare se la fase di sgrassatura ha avuto una sufficiente efficacia: infatti se la superficie del metallo è completamente detersa, si deve formare su di essa un velo d'acqua continuo ed omogeneo, senza discontinuità locali. b) - Coloritura > e Si immerge la lamiera o, in generale, il manufatto di acciaio inossidabile in una vasca contenente una soluzione acquosa di acido cromico (Cr, O,) in ragione di g/l e di acido solforico (H SOJ) in ragione di 450 -^ 550 g/l, la soluzione viene portata ad una temperatura di 70 -f- 90 C. Come si può constatare il range di concentrazione dei due acidi e l'intervallo termico nei quali si può ottenere coloritura sono piuttosto ampi, anche se si è verificato che le condizioni ottimali, ai fini della riproducibilità dei risultati sono le seguenti: 250 g/l acido cromico 490 g/l acido solforico a temperatura di C. Il tempo di trattamento per poter realizzare un certo tipo di colorazione, dipende essenzialmente dalla temperatura del bagno; si è pertanto scelta quest'ultima in modo da ottenere dei tempi di trattamento sufficientemente contenuti e contemporaneamente in modo da evitare eccessiva formazione di fumi. In tal modo, inoltre, i tempi per la colorazione vera e propria vengono resi compatibili con quelli della fase successiva di indurimento. In figura 1 si sono riportate le curve di alcune delle colorazioni ottenibili in funzione delle temperature del bagno e dei tempi d'immersione.

3 L'elemento di acciaio inossidabile va immerso completamcnie nella soluzione; non esistono limiti di l'orma o di dimensioni (compatibilmente con quelli della vasca, naturalmente); è necessario solamente accertarsi che nel caso di immersione di più manufatti, non si producano «schermature», cioè zone in cui due supcrfici da trattare siano iroppo vicine tra loro. Inoltre è importante che la lamiera o, in genere, l'elemento inox non sia accoppiato con altri materiali metallici o che non presenti parti costituite di materiali diversi dall'acciaio inossidabile; in tal caso, per evitare fenomeni galvanici capaci di ostacolare il fenomeno di colorazione, è opportuno isolare dette parti in maniera tale che esse non siano bagnate dalla soluzione. Dopo un transitorio iniziale, comincia la colorazione: i colori si susseguono, nel tempo, nella seguente maniera: bronzo, viola, blu, oro, oro-scuro, rosso e verde. Naturalmente tra questi colori esistono poi diverse differenti tonalità intermedie. Data l'impossibilità di seguire visivamente la successione cromatica, durante l'immersione dell'elemento di acciaio inox, si è dotata la vasca adibita alla colorazione, di un millivoltmctro che registra i potenziali corrispondenti ad ogni colore. Si è constatato, infatti, che le differenze di potenziale tra la superficie inox ed un elettrodo preso come riferimento (ad cs. di platino, materiale più nobile dell'acciaio inossidabile), subiscono, durante il processo, variazioni anche sensibili: l'acciaio inossidabile tende a divenire più elettropositivo ed il potenziale dell'elettrodo si abbassa gradualmente. In tale maniera, osservando lo strumento, sarà possibile arrestare il procedimento nel momento in cui si sarà pervenuti al colore desideralo. Nella figura 2 è schematizzata la curva che evidenzia l'andamento della differenza di potenziale tra l'acciaio inox AIS1 304, durante la colorazione e un elettrodo di riferimento, in funzione del tempo di trattamento. Si osserva da tale curva il transitorio iniziale, l'ino al punto M, a partire dal quale si ha un innalzamento del potenziale con la formazione di colori, sino al punto M :, oltre al quale lo strato si dissolve e l'acciaio inossidabile risulta attaccato. e) Fissaggio Per far sì che la pellicola colorala possa garantire un sufficiente ancoraggio e resistere così alle azioni degli agenti esterni (sfregamento, variazioni lermiche, condizioni atmosleriche diverse, ccc), è necessario procedere ad un trattamento di «indurimento» o «fissaggio». L'acciaio inox dopo essere stato sciacquato in acqua viene sottoposto ad un trattamento catodico in un'altra soluzione acida, composta orientativamente nel semiente modo: 250 g/l acido cromico 2,5 g/l acido fosforico 11 trattamento va condotto, a temperatura ambiente, con densità di corrente pari a 0,2 ~ 0,4 A/dm, per una durata di 5 H- 10 minuti. Effettualo il «fissaggio», al quale può essere connesso, a seconda dei processi, anche un trattamento «stabilizzante», con bagni opportuni di composizione brevettata, si esegue un accurato lavaggio in acqua, preferibilmente calda e poi l'asciugatura. L'indurimento è preferibile eseguirlo immediatamente dopo la colorazione per evitare possibilità di decolorazione o di danneggiamento del film colorato. 3) Formazione del colore II processo di coloritura determina un fenomeno di conversione superficiale, in quanto sulla superficie metallica, avvengono dei mutamenti a livello molecolare che causano la formazione di strati di ossido successivi. In tali condizioni la formazione dei diversi colori avviene per «interferenza», sfruttando cioè la differenza di fase esistente tra i rag- Ut;. ì - Schema rappresentante le riflessioni e le rifrazioni subite da un generico l'astio di luce incidente ti), che colpisce lo strato coloralo. iti di OVSvda Ki)>. 4 - Schema rappresentante le riflessioni e le rifrazioni subite da un fascio di luce incidente, di lunghe/za d'onda X, che colpisce più strati di ossido. inox

4 Fig. 5 - tsempio di applicazione di lamiera di acciaio inossidabile colorato, utilizzala come rivestimento di una parete interna di un barpizzeria (esecuzione della ditta «Steel-color G.M.» via Matteotti - Cignone - Cremona). Fig. 6 - Esempio di applicazione di lamiera di acciaio inossidabile colorato per la costruzione di un collettore solare piano (esecuzione della ditta «ICOSS» via Monferrato - San Giuliano Milanese - Milano). gi di luce riflessi dalle diverse superfici di ossido formatesi nel trattamento e quelli riflessi invece dalla superficie del metallo sottostante. Se facciamo riferimento allo schema di figura 3, nel caso più semplice in cui si considera un solo strato di ossido, si può notare come il generico fascio di luce incidente (i) venga in parte riflesso dalla pellicola di ossido ed in parte rifratto all'interno della pellicola stessa. 11 raggio rifratto a sua volta viene riflesso dalla superficie metallica e dopo aver riattraversato lo strato di ossido viene di nuovo rifratto nel passaggio ossido-aria. Durante il processo, tuttavia, a seconda della durata e della temperatura del trattamento, possono formarsi diversi strati di ossido superficiale di differente spessore; in tal modo il generico fascio di luce bianca viene riflesso e rifratto più volte, con risultati cromatici differenti, a seconda del numero di strati e del loro spessore (v. esempio di figura 4). L'accrescimento ed il conseguente spessore raggiunto dallo strato di ossidi dipendono essenzialmente dal tempo e dalla temperatura del trattamento. È possibile rendersi conto dell'entità dello strato di ossidi mediante uno spettroscopio a rifrazione, valutando la rifrazione come funzione della lunghezza d'onda (X) della luce incidente. Misurando pertanto lo spessore ottico si riesce, servendosi dell'indice di rifrazione della pellicola (definito in 2,2), a calcolare lo spessore del film di ossidi che può variare da circa 0,02 firn per il colore bronzo, che è il primo colore nella formazione della gradazione cromatica, fino a circa 0,36 firn per il colore verde che è all'ultimo posto nella successione di colori. L'aumento dello spessore della pellicola porta di conseguenza una diminuzione in peso della lamiera di acciaio inossidabile (comunque del tutto trascurabile, valutata nell'ordine di 1 mg/cm-); è da pensare, pertanto, che il film non isoli completamente il metallo di base, ma lasci delle porosità in modo tale che l'acciaio prenda parte alla reazione e si dissolva parzialmente fino al completamento del procedimento. La dissoluzione, di tipo anodico, si verifica alla base delle porosità ed i prodotti di reazione migrano verso l'esterno. Per reazione catodica si verifica la riduzione dell'acido cromico sotto forma di ioni Cr. Se si effettua un'analisi dello strato colorato; si evidenzia la presenza di cromo, ferro e nichel in differenti percentuali ed è interessante constatare che la percentuale in peso del cromo risulta essere sempre superiore (anche se di poco) a quella dello stesso elemento contenuta nell'acciaio di base (ricordiamo che per un acciaio inossidabile austenitico AIS1 304 il cromo è presente in ragione del 18% circa). L'indagine sulla natura del film colorato, può essere condotta o mediante microanalisi con sonda elettronica, oppure prelevando un campione di strato a mezzo attacco anodico in soluzione al 50% di alcool etilico ed al 50% di acqua e contenente anche 100 g/1 di acido succinico. Riportiamo, a titolo orientativo, i risultati di due analisi condotte su alcuni campioni, la prima ottenuta con sonda elettronica, l'altra con attacco anodico: 1) 2) Cr 21, 2% 19, 6% Fé 11,5% 11,7% M 6,3% 2,1% (le percentuali si riferiscono ai valori in peso). Gli elementi chimici sopra riportati, si ritiene formino ossidi più o meno complessi il cui peso però si discosta non poco dal peso totale della pellicola che deve ritenersi pertanto fortemente idratata. La conferma dello

5 stato di idratazione del film colorato è stata data da analisi spettroscopica nell'infrarosso. 4) Caratteristiche dello strato colorato La peculiarità di tale trattamento consiste nel riuscire a modificare l'aspetto superficiale dell'acciaio inox, senza deposizione di strati di vernice o di ricoprimenti vari. Ciò porta di conseguenza indubbi vantaggi, come la resistenza della pellicola a fenomeni corrosivi, ad azioni abrasive ecc, in quanto rimane inalterata la caratteristica autopassivante dell'acciaio inossidabile e non si ostacola il suo meccanismo dinamico autoprotettivo. Per ciò che concerne la resistenza alla corrosione, si sono condotte prove di corrosione atmosferica in alcune località «tipo»: urbano - industriale, marina e rurale per periodi di tempo più o meno lunghi ; tali prove hanno dimostrato che lamierini di acciaio inossidabile AIS1 304, colorato, si sono comportati dal punto di vista della corrosione generalizzata, allo stesso modo di analoghi campioni non colorati. Essi, inoltre, non hanno fatto constatare alcuna alterazione cromatica. Si sono condotte anche prove di corrosione accelerata (tipo «CASS») e prove in soluzione di cloruro ferrico, per valutare la resistenza delle lamiere colorate alla corrosione localizzata per vaiolatura. In tali circostanze si è verificato che alcuni campioni di acciaio inox, AI- SI 304, sottoposti al trattamento di colorazione e fissaggio, si sono comportati meglio nei confronti di analoghi campioni colorati ma non fissati ed anche rispetto ad analoghi campioni non colorati. Il film colorato ha dimostrato anche discrete doti di idrorepellenza. Anche per valutare la resistenza all'usura, si sono condotte prove sperimentali, sebbene, in questo caso, sia molto difficile riuscire ad estrapolare dai risultati ottenuti, dei significativi valori da relazionare alle effettive condizioni di esercizio. Si sono utilizzate punte abrasive che fatte scorrere alternativamente sulla superficie metallica colorata della lamiera hanno fatto rilevare il numero di passaggi necessario per arrivare all'asportazione della pellicola. Tali prove hanno dimostrato che su provini sui quali viene condotto opportunamente il trattamento di fissaggio, si ottengono soddisfacenti risultati di resistenza all'usura. Per ciò che concerne la resistenza al calore si è notato che temperature dell'ordine di 150 H- 200 C possono causare un viraggio di tonalità cromatica che però poi non viene ulteriormente accentuato. Si sono condotte prove per tre settimane a 200 C e si è confermato tale fenomeno che, tuttavia, avviene in maniera uniforme su tutta la lamiera. La causa è probabilmente da ricercarsi nel fatto che a tali temperature, viene eliminato parte del contenuto acquoso presente nel film. Le lavorazioni meccaniche che possono eseguirsi su lamiere di acciaio inossidabile colorato senza alterazione cromatica sono quelle di piegatura a freddo oppure di imbutitura non molto profonda come, ad esempio, per la fabbricazione di vassoi, vasellame, ecc. In tali operazioni non si ha distacco della pellicola e non si notano sostanziali variazioni di colore, ciò sta a dimostrare che il film risulta possedere una notevole elasticità, nonché una notevole aderenza all'acciaio sottostante. 5) Acciai inossidabili adatti alla colorazione Si possono ottenere colorazioni sia su acciai inossidabili della serie austenitica, al Cromo-Nichel (tipo AI- Sl 304) o al Cromo-Nichel-Molibdeno (tipo AISI 316), sia su acciai inox della serie ferritica, al solo Cromo, (tipo AISI 430, 434 ecc); mentre sugli acciai martensitici al solo Cromo, (tipo AISI 410, 420, 440), a causa del forte attacco superficiale si possono ottenere, in generale, solamente pellicole scure, quasi nere. Esperienze pratiche hanno dimostrato che a parità di finiture superficiali, i colori ottenuti su acciai della serie 300 di uso corrente, risultano essere più brillanti di quelli ottenuti su acciai della serie 400 ferritici; ciò è da imputare essenzialmente alla presenza del nichel (dall'8 al 14% circa), contenuto negli austenitici. 6) Esempi applicativi Come esempi abbiamo riportato delle applicazioni che mostrano chiaramente come da un lato venga preso in considerazione soprattutto l'aspetto estetico, mentre dall'altro si badi per lo più alla funzionalità della lamiera di acciaio inossidabile colorata. Il primo esempio (fig. 5), mostra l'applicazione di lamiere di acciaio inox colorato per la realizzazione di pannellature utilizzate per l'arredamento di un bar. Le pannellature sono ottenute componendo opportunamente delle «piastrelle» quadrate, di acciaio inossidabile AISI 304, decorate in superficie con motivazioni geometriche policrome. Si può notare come si ottenga, in questo caso, un effetto piacevole e si compensi la freddezza del materiale base, pur lasciando intatte le caratteristiche di resistenza alla corrosione, agli urti e l'attitudine ad una facile manutenzione. Il secondo esempio (fig. 6) illustra l'applicazione di due lamiere di acciaio inossidabile AISI 304 per la costruzione di un collettore solare: dopo aver saldato per punti tra loro le due lamiere e dopo averle «gonfiate», in modo da costituire un circuito per il fluido termovettore, viene eseguita la coloritura per interferenza, secondo le modalità sopra descritte, in maniera tale da ottenere un colore caratteristico blu scuro. Prove effettuate hanno dimostrato che tale grado di colorazione risulta essere particolarmente indicato per la captazione dei raggi solari; infatti si sono misurati dei valori di assorbanza (a) molto elevati e dei valori

6 di emittanza (t) molto bassi. Applicazioni nel settore hanno confermato la veridicità delle prove sperimentali sia dal punto di vista del rendimento termico, sia dal punto di vista della stabilità nel tempo del colore. Si sono effettuate anche applicazioni su collettori solari parabolici, nei quali, al fuoco della parabola, si è collocato, il tubo captante, nel quale scorre il fluido termovettore, costruito in acciaio inossidabile e colorato, sempre al fine di migliorare l'assorbimento dei raggi solari ed ottimizzare il rendimento termico della parabola. Bibliografia 1) Gabriele Di Caprio: «Gli acciai inossidabili», 2 a ed. Hoepli, Milano ) Renato Fé nini: «La colorazione dell'acciaio inossidabile», in «Rivista di meccanica», n. 609/611, gennaio/febbraio ) Renato Fenini: «La colorazione dell'acciaio inossidabile - Presentazione, tecnologia, metodologie e applicazioni», relazione presentata alla FAST, Milano, 19 settembre ) R. Blower, T.E. Evans (INCO): «Introducing coloured stainless steel - a novel produet and a new process», in «Sheet Melai Industries», Voi. 51, n. 5, maggio ) Bruno Siegel (Poligrat): «Neue Farbeverfahren tur Edelstahl», Monaco, ) Robert Zapp: «Die Verarbeitung von Edelstahl Rostfrei» - Diisseldorf. 7) Samuel Spring: «Preparation of metals for painting», Reinhold pubblishing Corporation, New York ) James A, Murphy: «Surface preparation and finishes for metals», Me Gravv - Hill book company, New York

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