一种降低不锈钢中铬析出水平的表面处理方法
【专利摘要】本发明提供了一种降低不锈钢中Cr析出水平的表面处理方法，在对现有不锈钢餐具加工流程不作较大改动，同时不用更换材料的前提下，通过控制机械打磨的粗糙度，并采用特定的浸泡溶液进行浸泡、煮沸处理，来降低其重金属特别是铬的析出水平，且成本低。本发明的处理方法获得的表面处理后的不锈钢，其Cr析出浓度小于0.4mg/dm2。
【专利说明】一种降低不锈钢中铬析出水平的表面处理方法 【技术领域】
[〇〇〇1] 本发明涉及不锈钢表面处理技术，尤其涉及一种降低不锈钢中铬析出水平的表面 处理方法。 【背景技术】
[0002] 随着生活水平的日益提高，人们对日常生活用品也有了更高的要求，餐具便是与 人们生活息息相关的用品之一。从古代的银器、青铜器到近代的铁器、铝器，再到现代木器、 陶器、塑料等等，在满足人们功能性需求的同时，对其方便性、美观性、实用性也提出了更高 的要求。不锈钢问世以后，因其表面光亮，给人以洁净的感觉，且具有良好的耐腐蚀性、高强 度、质地坚硬等优点，逐渐成为餐具制品的优良原材料。
[0003] 不锈钢是由铁铬合金再掺入镍、钥、钛、锰等微量金属元素而制成。如果选用劣质 不锈钢或者处理、使用不当，不锈钢中的微量金属元素会慢慢析出、污染食物，从而在人体 内慢慢累积，当累积的数量达到某一限度时，就会危害人体健康。随着医学界就环境中的 微量金属元素对人体健康影响的深入研究，现已证实了许多金属元素如铬、镍、钥、铅、砷、 镉等及其化合物对人体健康有着不同性质和程度的危害。以Cr为例，虽然其为人体必需 元素，但过多的Cr摄入也会危害人体健康，美国相关机构就建议成人每天的Cr摄入量为 50-200 μ g，世界卫生组织（WHO)规定饮用水中Cr含量的上限为50 μ g/L。
[0004] 目前，国内外都有关于不锈钢餐具重金属析出限量的标准或者法律、法规，如：国 内新版的不锈钢食具容器卫生标准GB9684-2011就规定了不锈钢餐具的Cr、Ni、Pb、Cd、As 析出限量；德国LFGB是德国食品卫生管理方面最重要的基本法律文件，是其它专项食品卫 生法律、法规制定的准则和核心，其中第30和31条明确规定了餐具类食品接触器皿所必需 通过的重金属析出检测项目；意大利的Ministerial Decree of21Marchl973 (Italy)对金 属元素的总迁移量和单个元素的析出量也有明确规定；欧盟关于儿童用餐具还有专门的法 律：EN14372:2004Child use care articles---Cutlery and feeding utensils---Safety requirements and tests。国内不少不锈钢餐具出口时就因重金属离子析出超标而引起退 货。
[0005] 特别要指出的是，一些不锈钢餐具厂家为降低成本，赢得订单，获取利润，大量使 用低成本不锈钢，这就大大增加了有害金属元素析出的风险。如果能在不提高材料成本的 前提下，通过控制不锈钢的后续加工、处理过程来降低其重金属析出水平，必将继续促进不 锈钢在餐具制品行业中的应用，提高人们的健康生活水平。
[0006] 关于不锈钢后处理的专利很多，特别是关于不锈钢的表面处理，内容涉及光亮处 理、美观处理、硬化处理、耐指纹处理、特殊行业应用等等，但就降低不锈钢重金属析出水平 方面，还没有专门的表面处理方法。
[0007] 目前，不锈钢餐具的加工过程为：机械落料一加工成型一机械打磨一除油清洗一 漂洗、烘干包装。其中机械打磨的目的是消除机械加工过程中所产生的表面缺陷，使表面平 整、光滑，得到合适的餐具外观。除油清洗则是为了消除机械加工过程中所使用的油脂类污 物，使表面干净、光洁。还没有降低不锈钢餐具重金属析出水平的特殊加工处理方法。当企 业遇到餐具重金属析出超标时，一般就是更换材料，这样不但增加了材料成本，当遇到更严 格的标准时，还需重新更换材料，给加工工艺也带来了麻烦。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种降低不锈钢中Cr析出水平的表面处理方法，在对现 有不锈钢餐具加工流程不作较大改动，同时不用更换材料的前提下，通过控制后续的表面 加工、处理过程，来降低其重金属特别是铬的析出水平。
[0009] 为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
[0010] 一种降低不锈钢中铬析出水平的表面处理方法，包括如下步骤：
[0011] (1)机械打磨：将不锈钢采用由粗到细的砂纸依次打磨，然后采用棉布轮进行抛光 处理，控制抛光后的不锈钢的表面粗糙度Ra在0.01?0.05 μ m范围内；
[0012] (2)浸泡：将步骤（1)打磨、抛光后获得的不锈钢采用浸泡溶液在室温下浸泡45? 90min，以达到强制钝化、形成钝化膜的目的，所述浸泡溶液含有如下浓度的成分：
[0013] 硝酸 20 ?40g/L;
[0014] 铬酸盐 2 ?10g/L;
[0015] 酒精 10 ?30g/L;
[0016] 碳酸钠 10 ?20g/L;
[0017] 咪唑啉 1?3g/L ;
[0018] 钥酸铵 0.5 ?1.5g/L;
[0019] 上述浸泡溶液的pH值为3?5,溶剂采用纯净水最佳；
[0020] (3)煮沸处理：将经过浸泡处理的不锈钢放入1?3wt%的硅酸钠水溶液中煮沸 3?lOmin ;上述煮沸处理过程可以使不锈钢表面的氧化膜更加的致密、完整；
[0021] (4)漂洗、烘干：将煮沸处理后的不锈钢依次漂洗、烘干，获得铬析出水平降低的不 锈钢，Cr析出浓度小于0. 4mg/dm2。
[0022] 本发明机械打磨过程的砂纸可以选用150#、400#、800#、1200#的砂纸由粗到细依 次打磨。
[0023] 不锈钢表面的钝化膜不但决定了其耐腐蚀能力，也有助于阻挡其内部的金属元素 析出。不锈钢的合金水平是影响其钝化能力的主要因素，但表面状态也对其钝化膜的形成 有着重要影响。表面越光滑越有助于形成完整的钝化膜，而粗糙的表面则不利钝化膜的形 成。本发明首先控制机械打磨后的粗糙度在一定的范围，为阻挡重金属析出的钝化膜的形 成创造基础条件。理论上粗糙度越小越好，但要得到低于0. 01 μ m的粗糙度会大幅度增加 打磨、抛光的难度，并提高成本。
[0024] 本发明采用的浸泡溶液中各成份的主要作用如下：
[0025] 硝酸：强氧化剂，氧化不锈钢基体形成钝化膜；同时也是强腐蚀剂，含量过高容易 侵蚀不锈钢基体；
[0026] 铬酸盐：高价位的铬酸根离子具有强氧化性，可以氧化不锈钢基体形成氧化膜，同 时自身被还原补充氧化膜；但含量过高容易使不锈钢表面发黑；较佳的，步骤（2)中的铬酸 盐如可采用铬酸的钠盐、钾盐等中性铬酸盐。
[0027] 酒精：与硝酸共同作用侵蚀不锈钢表面的尖锐棱角，平滑不锈钢表面，同时起到清 洗表面的作用；
[0028] 碳酸钠：主要起到化学除油污的作用；
[0029] 咪唑啉：作为缓蚀剂，减缓硝酸对不锈钢基体的侵蚀，防止过腐蚀发生；
[0030] 钥酸铵：少量添加，起到光亮不锈钢表面的作用。
[0031] 因此，不锈钢餐具的整个加工过程变为：机械落料一加工成型一物理打磨：按本 发明要求控制打磨过程，使最终表面粗糙度在0. 01?0. 05 μ m范围一浸泡处理：按本发明 提供的方法浸泡一煮沸处理：按本发明提供的方法煮沸处理一漂洗、烘干、包装即可。
[0032] 经过上述各过程处理的不锈钢餐具，其Cr析出水平大大降低，Cr析出浓度小于 0· 4mg/dm2〇
[0033] 与现有技术相比，本发明的优点在于：
[〇〇34] 本发明在原有不锈钢餐具加工流程的基础上，通过控制机械打磨的粗糙度，并采 用特定的浸泡溶液进行浸泡、煮沸处理，这一综合的表面处理方式，大大降低了不锈钢中金 属Cr的析出水平。
[0035] 本发明的降低不锈钢铬析出水平的表面处理方法，实用、可行、成本低，最重要的 是Cr析出水平大大降低，特别是随着不锈钢餐具逐渐普及到人们的日常生活，加之各生产 企业对材料成本的严格控制，不锈钢餐具的安全性越来越引起人们的重视，其必将促进不 锈钢在餐具行业的应用，提升人们的健康生活水平。 【具体实施方式】
[0036] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细描述。
[0037] 以下各实施例与各对比例中的不锈钢材料为餐具行业中常用的低Cr系不锈钢 410s ;重金属析出测试采用GB9684-2011中规定的方法：不锈钢试样在体积分数为4%乙酸 的水溶液中煮沸〇. 5h，在室温浸泡24h，溶液量按2ml/cm2来确定，浸泡液在电感耦合等离 子光谱仪上测定金属浓度，其中GB9684-2011中规定的Cr析出限量为0. 4mg/dm2。
[0038] 实施例1
[0039] 将0. 8mm厚的410s不锈钢2B板冲压落料成直径为120mm的圆盘，并冲压成型为 底部直径为50mm的杯体，然后依次用150#、400#、800#、1200#的SiC砂纸进行打磨，最后采 用棉布轮进行抛光处理，整个过程保证杯体内外表面的粗糙度Ra都为0. 025 μ m ;将打磨好 的杯子放入浸泡液中室温浸泡60min，其中浸泡液的组成为：25g/L硝酸，6g/L铬酸盐，15g/ L酒精，12g/L碳酸钠，2g/L咪唑啉，lg/L钥酸铵，用氢氧化钠调节溶液的pH值为4. 0 ;浸泡 完成后将杯子取出，再放入质量分数为2%浓度的硅酸钠溶液煮沸7min ;最后将杯子用清水 漂洗、热风吹干。上述过程的工艺参数如表1所示。
[0040] 重金属Cr析出量评价：将上述处理好的杯子放入226ml体积分数为4%的乙酸水 溶液中煮沸30min，再室温浸泡24h，整个过程要防止溶液大量挥发；取少量浸泡液在电感 耦合等离子光谱仪（ICP)上分析出重金属元素 Cr的浓度为1. 3 μ g/ml，换算成单位面积的 不锈钢析出量为〇. 26mg/dm2,在GB9684-2011规定限量0. 4mg/dm2以内，表明该不锈钢制品 的金属Cr析出量对人体安全。
[0041] 实施例1获得的经过表面处理后的不锈钢，其表面粗糙度如表1所示。
[0042] 实施例2?15的不锈钢处理过程和评价方法与实施例1 一致，其各处理步骤的具 体工艺参数、经过表面处理后的不锈钢的Cr析出量评价和表面粗糙度影响如表1所示。
[0043] 从实施例1?15和对比例1?8中可以看出：按本发明的降低不锈钢铬析出水平 的表面处理方法进行表面处理过的不锈钢制品，其Cr析出水平均在国标限量范围以内，对 人体安全，且对样品表面的影响小，参见实施例1?15中经过表面处理后的不锈钢的表面 粗糙度，Ra在0. 047 μ m以下。但是，只控制粗糙度不做浸泡处理(对比例1?2)，或者粗糙 度没有控制在本发明要求范围内（对比例2?6)、仅作浸泡处理等没有严格按照本发明方 法处理的不锈钢制品（对比例7?8)，其Cr析出水平都超出了国标限量，有的甚至超出很 多，使用对比例1?8的不锈钢一旦接触食物，将对人体健康存在安全隐患。
[0044] 因此，采用本发明的降低不锈钢铬析出水平的表面处理方法处理不锈钢餐具制 品，近则可以使不锈钢餐具满足相关卫生安全标准，远则可以提升人们的健康生活水平，具 有良好的经济、社会效益。
[0045] 表 1
[0046]
【权利要求】
1. 一种降低不锈钢中铬析出水平的表面处理方法，包括如下步骤： (1) 机械打磨：将不锈钢采用由粗到细的砂纸依次打磨，然后采用棉布轮进行抛光处 理，控制抛光后的不锈钢的表面粗糙度Ra在0.01?0.05 μ m范围内； (2) 浸泡：将步骤（1)打磨、抛光后获得的不锈钢采用浸泡溶液在室温下浸泡45? 90min，所述浸泡溶液含有如下浓度的成分 ： 硝酸 20?40g/L ; 铬酸盐 2?10g/L ; 酒精 10?30g/L ; 碳酸钠 10?20g/L ; 咪唑啉 1?3g/L ; 钥酸铵 0. 5?1. 5g/L ; 上述浸泡溶液的pH值为3?5,溶剂为纯净水； (3) 煮沸处理：将经过浸泡处理的不锈钢放入浓度为1?3wt%的硅酸钠水溶液中煮沸 3 ?lOmin ; (4) 漂洗、烘干：将煮沸处理后的不锈钢依次漂洗、烘干，获得铬析出水平降低的不锈 钢，Cr析出浓度小于0. 4mg/dm2。
2. 如权利要求1所述的降低不锈钢铬中析出水平的表面处理方法，其特征在于，步骤 (2)浸泡溶液中的铬酸盐采用中性盐铬酸盐。
【文档编号】C23C22/82GK104060256SQ201310093643
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年3月21日 优先权日:2013年3月21日
【发明者】王如萌, 张鑫, 骆素珍, 江来珠 申请人:宝钢不锈钢有限公司