COLORAZIONE _
sistema di colorazione di lamiere
di acciaio inossidabile
Dr. Ing. Fausto Capelli - Centro Inox
1) Introduzione
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.
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, e c c , per i
quali tanto più il materiale assume
un aspetto acromatico e brillante,
tanto più viene valorizzato il manufatto.
A volte, tuttavia, per esigenze este- Un altro sistema per colorare cletiche o per esigenze funzionali, si ri- menti di acciaio inossidabile consicorre a sistemi di satinatura, sabbia- ste nel semplice riscaldamento in
tura o in generale a lavorazioni aria a temperature tali da consentire
meccaniche che riescono ad opaciz- la formazione di ossidi e corrisponzare la lamiera di acciaio inossidabi- denti alle diverse temperature di rinle in diversi gradi, a seconda del ti- venimento; si possono così ottenere
po di metodologia seguita per rag- alcuni tipi di colorazioni, dal pagliegiungere lo scopo. In ogni caso, pe- rino chiaro al blu scuro; tali colorarò, il materiale mantiene il classico zioni tuttavia, non si presentano
aspetto metallico, pur non essendo omogenee in ogni punto della superficie.
più lucente.
Nel caso in cui si volessero far assumere al materiale dei colori in su- È possibile inoltre ottenere una bruperficie, si possono prendere in con- nitura sulla lamiera di acciaio inox,
siderazione alcune tecnologie che si che in tal maniera acquista l'aspetto
differenziano in maniera notevole caraneristico tipo «canna di fucile», con attacco in soluzione acl'ima dall'altra.
quosa di acido solforico e bicarboLa metodologia più semplice è quel- nato potassico ad una temperatura
la della pitturazione che viene effet- variabile da 90 a 100 °C; oppure in
bagni di dicromato di sodio a temperature però molto più elevate (circa 400 °C).
(*) I brevetti sono deicnuii dalla dina inglese
International Niekel Ltd. (British Patent 1
222 172 e I 222 173 e relative estensioni).
La Poligrat GmbH, tedesca, ha introdotto
nuovi accorgimenti, anch'essi brevettati,
consistenti essenzialmente in processi di «stabilizzazione» della pellicola colorata.
Estratto da "Lamiera", Gennaio 1982
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
COLORAZIONE
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.
ss
~ «o
verde
blu
giallo
65
10
2o
tempo (min.)
30
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.
min
is 30 -
>
verde
rosso
zs
oro
l o - giallo
•
blu
- marrone
«
M
i
io
/
r
\ ^.
•
o
1 IO
—
1TS
(la
4S0
(«S
a
tOO
105
ZtO
us
tio "" tnV
e
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.
luzione acquosa di acido cromico
(Cr, O,) in ragione di 200 - 300 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 80 + 85 °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.
b) - Coloritura
In figura 1 si sono riportate le curve
di alcune delle colorazioni ottenibili
Si immerge la lamiera o, in genera- in funzione delle temperature del
le, il manufatto di acciaio inossida- bagno e dei tempi d'immersione.
bile in una vasca contenente una so-
COLORAZIONE
L'elemento di acciaio inossidabile rio iniziale, l'ino al punto M , a parva immerso completamcnie nella tire dal quale si ha un innalzamento
soluzione; non esistono limiti di del potenziale con la formazione di
l'orma o di dimensioni (compatibil- colori, sino al punto M : , oltre al
mente con quelli della vasca, natu- quale lo strato si dissolve e l'acciaio
ralmente); è necessario solamente inossidabile risulta attaccato.
accertarsi che nel caso di immersione di più manufatti, non si produca- e) Fissaggio
no «schermature», cioè zone in cui
due supcrfici da trattare siano irop- Per far sì che la pellicola colorala
po vicine tra loro.
possa garantire un sufficiente ancoInoltre è importante che la lamiera raggio e resistere così alle azioni deo, in genere, l'elemento inox non sia gli agenti esterni (sfregamento, vaaccoppiato con altri materiali me- riazioni lermiche, condizioni atmotallici o che non presenti parti costi- sleriche diverse, ccc), è necessario
tuite di materiali diversi dall'acciaio procedere ad un trattamento di «ininossidabile; in tal caso, per evitare durimento» o «fissaggio».
fenomeni galvanici capaci di osta- L'acciaio inox dopo essere stato
colare il fenomeno di colorazione, è
sciacquato in acqua viene sottopoopportuno isolare dette parti in masto ad un trattamento catodico in
niera tale che esse non siano bagnaun'altra soluzione acida, composta
te dalla soluzione.
orientativamente
nel semiente moDopo un transitorio iniziale, comindo:
cia la colorazione: i colori si susseguono, nel tempo, nella seguente — 250 g/l acido cromico
maniera: bronzo, viola, blu, oro,— 2,5 g/l acido fosforico
oro-scuro, rosso e verde. Natural- 11 trattamento va condotto, a temmente tra questi colori esistono poi peratura ambiente, con densità di
diverse differenti tonalità interme- corrente pari a 0,2 ~ 0,4 A/dm ,
die.
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 transito-
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
inox
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.
COLORAZIONE
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, va-
lutando 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
COLORAZIONE
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, AISI 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.
le 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 AISl 304) o al Cromo-Nichel-Molibdeno (tipo AISI 316), sia su acciai
Anche per valutare la resistenza inox della serie ferritica, al solo
all'usura, si sono condotte prove Cromo, (tipo AISI 430, 434 ecc);
sperimentali, sebbene, in questo ca- mentre sugli acciai martensitici al
so, sia molto difficile riuscire ad solo Cromo, (tipo AISI 410, 420,
estrapolare dai risultati ottenuti, dei 440), a causa del forte attacco susignificativi valori da relazionare al- perficiale si possono ottenere, in ge-
nerale, 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
COLORAZIONE
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.
6
Bibliografia
1) Gabriele Di Caprio: «Gli acciai
inossidabili», 2 a ed. Hoepli, Milano
1981.
2) Renato Fé nini: «La colorazione
dell'acciaio inossidabile», in «Rivista di meccanica», n. 609/611, gennaio/febbraio 1976.
3) Renato Fenini: «La colorazione
dell'acciaio inossidabile - Presentazione, tecnologia, metodologie e
applicazioni», relazione presentata
alla FAST, Milano, 19 settembre
1975.
4) 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 1974.
5) Bruno Siegel (Poligrat): «Neue
Farbeverfahren tur Edelstahl», Monaco, 1976.
6) Robert Zapp: «Die Verarbeitung
von Edelstahl Rostfrei» - Diisseldorf.
7) Samuel Spring: «Preparation of
metals for painting», Reinhold pubblishing Corporation, New York
1965.
8) James A, Murphy: «Surface preparation and finishes for metals»,
Me Gravv - Hill book company,
New York 1971.
•