Gekleurd roestvast staal

Sinds de introductie in 1972 blijkt gekleurd roestvast staal volgens het lnco proces een duurzaam corrosiebestendig materiaal te zijn, dat geschikt is voor het aanbrengen van kleurpatronen. Gekleurd roestvast staal wordt wereldwijd in de architectuur en op andere terreinen toegepast. Dit artikel geeft een overzicht van de procestechnologie, de fysische achtergrond van de kleur en de eigenschappen en toepassing van gekleurd roestvast staal.

M.J. Fleetwood


(artikel gepubliceerd in Roestvast Staal nummer 1, 1991- artikel 133)

Oxydefilms, die het oppervlak van roestvast staal kleur verlenen, kunnen worden gevormd door een verscheidenheid aan thermische en chemische methodes, hetgeen al sinds 1926 wordt gedaan. Wanneer de oxydelaag de juiste samenstelling en dikte heeft, treedt er interferentie op tussen licht dat wordt weerkaatst aan de boven-en onderlaag van de oxydefilm hetgeen de karakteristieke kleur geeft. De dikte van de oxydefilm moet nauwkeurig worden gecontroleerd wil de kleur helder en egaal zijn [1]. Een commercieel succesvol proces werd pas in 1972 ontwikkeld, het destijds door lnco gepatenteerde proces van gecontroleerde produktie en harding van de oxydefilm [2,3]. De kleur verandert van brons via blauw, goud en rood naar groen naarmate de dikte van de oxydelaag toeneemt. Omdat de kleur niet afhangt van verfstoffen en pigmenten, maar alleen van de oxydelaag, is de kleur bijzonder stabiel en wordt niet aangetast door ultra-violet licht. De corrosiebestendigheid van gekleurd roestvast staal wordt nog versterkt door de kleurbehandeling en blijft  gedurende vele jaren gehandhaafd zelfs in agressieve industriële en maritieme milieus. De consequentie hiervan is dat het materiaal met name is toegepast in de architectuur, zowel binnen als buiten. De toepassing van gekleurd roestvast staal varieert van industriële bevestigingsmaterialen tot badkamerbekleding en van carrosserieonderdelen tot zonnecollectoren.

Het proces

De kleur wordt aangebracht door het roestvast staal onder te dompelen in een hete waterige oplossing van zwavel-en chroomzuur [2,4]. De tijd nodig om een specifieke kleur te ontwikkelen hangt af van de temperatuur van het bad, de samenstelling, voorbehandeling en de oppervlakteafwerking van het staal. Na het kleuren is de oxydehuid zacht en poreus en moet worden gehard door een kathodische behandeling in een andere zure oplossing [3.4]. Het verloop van de kleuring kan worden gevolgd door meting van het potentiaal van het staal ten opzichte van een verzadigde calomei-of platinareferentie-elektrode (5]. Typische potentiaalvariaties uitgezet tegen de tijd voor spiegelgepolijst roestvast staal type AISI 304 zijn weergegeven in afbeelding 1. Na een aanvankelijke inductieperiode waarin de potentiaal stijgt tot een constante of buigpuntwaarde, volgt een constante stijging van de potentiaal. De potentiaalstijging boven de constante waarde bepaalt de uiteindelijke kleur. In geval van afbeelding 1 werd er een bronskleur verkregen bij 5 mV boven het constante niveau, blauw bij 6 mV, goud bij 13 mV, rood bij 16,5 mV en groen bij 19,5 mV. Deze relatie tussen kleur en potentiaal wordt gebruikt als produktiecontrole [2]. Goede reproduceerbaarheid van de kleur kan alleen worden bereikt indien de platen van éénzelfde produktiecharge zijn.


Afbeelding 1. Typische potentiaalvariaties uitgezet tegen de tijd voor spiegelgepolijst roestvast staal type AISI 304.
 

Produkten

Het volledige kleurenspectrum kan worden verkregen op austenitisch en ferritisch roestvast staal. Austenitisch roestvast staal uit de AISI 300 serie vormt bijzonder attractieve, heldere spectraalkleuren. Omdat ferritisch roestvast staal zoals de types 430 en 434 een lagere corrosiebestendigheid bezitten, ondergaan ze meer oplossing en verruwing van het oppervlak waardoor de verkregen kleur doffer is. Nog meer oppervlakteaantasting doet zich voor bij martensitisch roestvast staal. vooral bij de types met meer dan 0,1% C, zodat bij deze types alleen een zwarte film wordt verkregen. De oppervlakteafwerking heeft een aanzienlijke invloed. Alhoewel het volledige kleurenspectrum wordt verkregen op mechanisch gepolijste, elektrolytisch gepolijste en gewalste oppervlakken, geven de gepolijste soorten de helderste kleuren en matte oppervlakken resulteren in matte kleuren.


Foto: lnco Engineering Products Ltd, Melbourne, UK


Gekleurd en gehard roestvast staalplaat kan in vorm worden gebracht of kan een reliëftextuur worden gegeven zonder dat de oxydefilm wordt beschadigd en derhalve zonder dat de kleur wordt beïnvloedt. Het verdient de voorkeur de gekleurde plaat vorm te geven in plaats van het kleuren van reeds in vorm gebrachte objecten, omdat de mate van koude vervorming de kleuring beïnvloedt, waardoor ongelijkmatig gekleurde objecten worden verkregen. Het wegbeitsen van de oxydefilm door een anodische behandeling in zure oplossingen kan worden gecombineerd met maskeren, zeefdrukken of fotoweerstandtechnieken om patronen en afbeeldingen te maken. Deze methoden worden gebruikt om een scherp contrast te krijgen tussen gekleurde en ongekleurde oppervlakken of door het geven van opvolgende kleurbehandelingen om veelkleurige effecten te verkrijgen. Andere technieken om een roestvast staaloppervlak te verfraaien zijn:

• etsen om de kleur te beïnvloeden;
• selectief etsen om een veelkleurig effect te verkrijgen; structuur-of basreliëfs
• inwalsen van patronen;
• het wegpolijsten van de kleur van de toppen van reliëfs.

Al deze methoden vergroten de mogelijkheden bij het ontwerpen in gekleurd roestvast staal.

Aard van de kleurfilm

De aard van de film die het roestvast staal zijn kleur verschaft is bestudeerd door de gekleurde maar nietgeharde film aanwezig op roestvast staaltype 304 te analyseren met een verscheidenheid aan  technieken [5,6,7,8], waaronder atoom-absorptie-en infraroodanalyse, röntgen-en elektrondiffractie, röntgenmicroanalyse, röntgen foto-elektronenspectroscopie en Augeranalyse. De kleurfilm bestaat uit een chroomrijk gehydrateerd spineloxyde met een benaderde samenstelling van [CrFe]2O3.[FeNi]O.xH2O. De structuur bestaat uit zeer fijne kristallen van 5-14 nm groot, met 20-30% kronkelige poriën met diameters tot maximaal 20 nm die overal in de laag aanwezig zijn. De laagdikte neemt toe met de kleurtijd tot een maximum van 4 µm. Een hardingsbehandeling sluit de poriën, waardoor de film sterker wordt en bestendiger tegen vlekken en vingerafdrukken.

Eigenschappen van gekleurd roestvast staal

Spectraalreactie

Kenmerkende variaties in totale reflectie als functie van de golflengte zijn weergegeven in afbeelding 2. Weerspiegeling is maximaal in het zichtbare spectrum en daalt dan tot een minimum alvorens
in het infra-rode gebied weer te stijgen. In dit voorbeeld treedt er een piek op bij 0,7 [.tm en het roestvast staal heeft dan een gouden tint. Ofschoon niet van belang voor het visuele uiterlijk van het roestvast staal heeft de reflectietoename in het infra-rode gebied geleid tot gebruik van blauwgekleurd roestvast staal voor zonnecollectoren [9]. Lage reflectie bij golflengten in het zichtbare spectrum zorgt voor 90 % absorptie van het invallende zonlicht, terwijl hoge reflectie bij langere golflengten het warmteverlies als gevolg van opnieuw uitstralen in het infra-rode gebied tot 15% beperkt. Van dit 'selectieve oppervlak' wordt veelal gebruik gemaakt bij de fabricage van hoogrendements zonneboilers [10].


Afbeelding 2. Kenmerkende variaties in totale reflectie als functie van de golflengte.


Bestendigheid tegen slijtage en abrasie

Bij laboratoriumproeven bleek als gevolg van een hardingsbehandeling de bestendigheid van de oxydefilm tegen slijtage toe te nemen [8]. Evalu atie tijdens gebruik heeft laten zien dat de weerstand tegen slijtage acceptabel is bij normaal gebruik van gebruiksvoorwerpen, bouwmaterialen en decoratieve voorwerpen. Echter gekleurd roestvast staal is niet geschikt voor sterk schurende omstandigheden en er mogen bij het schoonmaken geen schurende middelen worden gebruikt.

Vervormbaarheid

Gekleurd en gehard roestvast staal kan worden onderworpen aan aanzienlijke deformatie zonder dat het uiterlijk hieronder leidt. Er kan worden diepgetrokken, gerekt, onder scherpe hoeken worden omgezet en worden verstevigd door profielwalsen; alleen als het wordt vervormd tot het punt van breuk neemt de kleurintensiteit af en zelfs dan blijft de kleurlaag nog op het oppervlak hechten.

Kleurstabiliteit

Hittebestendigheid

De kleur blijft onveranderd bij alle temperaturen waarbij de spineloxydefilm stabiel is. Bij voldoende hoge temperaturen veroorzaakt oxydatie van het staal in de lucht een langzame toename van de laagdikte, waardoor er kleurveranderingen optreden.

Continue blootstelling in kokend water gedurende 28 dagen veroorzaakte geen verandering in kleur [4]. Verhitting in droge lucht gedurende 20 dagen bij 200° C bracht aanvankelijk een lichte nuanceverandering teweeg, waarschijnlijk door wat dehydratie. Tabel 1 geeft een opsomming van de invloed van 8-16 weken continue expositie op 150-200° C op het uiterlijk van blauwgekleurd roestvast staal van verschillende types [9]. Type 444 heeft de meest stabiele oxydefilm maar vertoonde zeer weinig verandering in kleur zelfs na 16 weken op 200° C. Het 17Cr staal is het minst oxydatiebestendig en toonde dan ook de sterkste kleurverandering : van blauw tot de volgende kleur in de reeks, goud. Bij andere proeven op goudgekleurd roestvast staal AISI 316 deed verhitten in een oven gedurende 138 dagen op een temperatuur van 205° C de dikte van de oxydefilm toenemen van 0,16 tot 0,21 ~m, maar echter zonder kleurverandering.


Tabel 1 geeft een opsomming van de invloed van 8-16 weken continue expositie op 150-200°C op het uiterlijk van diverse soorten blauwgekleurd roestvast staal.


Corrosiebestendigheid

Sinds het allereerste bestaan heeft gekleurd roestvast staal bewezen een goede corrosiebestendigheid te bezitten in versnelde proeven en kortdurende atmosferische expositie [4,9]. Recentelijk zijn er resultaten verkregen van 10 jaar atmosferische expositie van gekleurd en gehard roestvast staal van het type 304 in het LaQue Centre for Corrosion Technology (LCCT)in North Carolina en in Kearney, New Yersey, USA. Vlakke panelen, verstijfde panelen en geëmbosseerde wandplaten, met de kleuren brons, blauw, goud, rood en groen werden geëxposeerd in de met zout beladen atmosfeer 250 m van de Atlantische Oceaan bij LCCT en in het industriële milieu van Kearney. De panelen, geëxposeerd in het maritieme milieu van LCCT waren niet schoongemaakt en werden beoordeeld op corrosiebestendigheid volgens de ASTM-norm, deze geeft een maat van het oppervlaktepercentage dat is aangetast door corrosie. De kleur werd beoordeeld door vergelijking met niet geëxposeerde controlepanelen. Tabel 2 geeft de beoordeling op corrosie van drie series glad gepolijste panelen, in vergelijking met ongekleurd roestvast staal. Alle gekleurde panelen waren aanzienlijk minder gecorrodeerd dan het ongekleurde staal. Afgezien van de corrosievlekken, bleken de kleuren niet te verschieten of volledig te veranderen. Het uiterlijk van de panelen is weergegeven in afbeelding 3. Van de kleinere duplicaat panelen in het midden van de afbeelding zijn de vier aan de linkerkant de niet geëxposeerde controlepanelen. Het spiegelbeeld van de duinen, die 200 m verwijderd lagen is te zien op het onderste gedeelte van de grotere panelen, hetgeen een bewijs vormt voor de blijvende goede oppervlaktetoestand. De kleine corrosiepuntjes zijn zelfs minder duidelijk op de verstijfde panelen en op de panelen die van een patroon zijn voorzien. Afbeelding 4b toont de uitstekende conditie van de goud en groen gekleurde wandplaten. Na 10 jaar in de atmosfeer van Kearney waren de testpanelen bedekt met industriële verontreinigingen maar hadden desondanks hun volledig originele kleur behouden, nadat ze schoon waren gewreven met een vochtige doek. Afbeelding 4a laat het geëxposeerde oppervlak zien van de goud (links)en blauw gekleurde verstijfde panelen. De extreem agressieve atmosferische omstandigheden van deze maritieme en industriële testplaatsen in aanmerking nemend, is het effect van 10 jaar expositie opmerkelijk gering. Zoals gevonden bij de kortdurende proeven blijkt de corrosieweerstand van gekleurd en gehard roestvast staal beter te zijn dan die van ongekleurd roestvast staal en de kleur blijft ongewijzigd. Voor minder agressieve atmosferische milieus, die kenmerkend zijn voor het overgrote merendeel van installaties en bouwwerken, mag worden geconcludeerd dat gekleurd roestvast staal een lange levensduur zal hebben. Deze conclusie wordt krachtig ondersteund door het goede gedrag van dit materiaal bij gebruik over de afgelopen 15 jaar. Als voorbeeld mogen de 18.500 m2 zwart gekleurde panelen dienen, die sinds 1975 op het dak liggen van de Shakadentempel in Tokio, die nog steeds hetzelfde glanzende uiterlijk vertonen, zonder verwering of corrosie door de atmosfeer van Tokio.


Afbeelding 3. Het uiterlijk van een aantal panelen.


Afbeelding 4a. Het geëxposeerde oppervlak van goud (links) en blauw gekleurde verstijfde panelen.


Afbeelding 4b. De conditie van goud en groen gekleurde panelen.


Tabel 2. De beoordeling op corrosie van drie series glad gepolijste panelen, in vergelijking met ongekleurd roestvast staal.
 

Toepassingen

Architectonische toepassingen

Door de uitstraling welke verkregen wordt door de toepassing van grote vlakken gekleurd roestvast staal , wordt het materiaal voornamelijk toegepast voor gebouwen, zowel binnen als buiten. Blauw, goud en zwart staal wordt op grote schaal gebruikt voor dak-en gevelbekleding van kantoren, hotels, sporthallen, woonhuizen en industriële gebouwen. De afbeeldingen 5a en 5b laten het blauwgekleurde dak zien van een sportinstituut te Tokai-Mara, Japan en de gekleurde bekleding van een vi ervoudige schoorsteen in Berlijn.




Afbeelding 5a en b. Het blauwgekleurde dak van een sportinstituut en de gekleurde bekleding van een viervoudige schoorsteen.


Voor ramen en deuren wordt ook van het attractieve van dit materiaal gebruik gemaakt. Binnenin gebouwen kunnen plafonds worden aangetroffen die zijn bekleed met gekleurd roestvast stalen tegels, platen of schroten en verder deuren, balies, trapleuningen, enz. in gekleurd roestvast staal. Veel van deze binnentoepassingen maken gebruik van een contrastrijke finish, gedeeltelijk gekleurd roestvast staal en veelkleurige effect en, die worden verkregen door middel van maskeren en etsen.


Foto: lnco Engineering Products Ltd, Melbourne, UK.


Zonnecollectoren

Door zijn selectieve refl ect ie-ei gensc happen en goede weerstand tegen corrosie en warmte wordt diep blauw gekleurd roestvast staal gebruikt voor wanden en daken voor het passief verzamelen van zonne-energie en voor zonneboilers [9, 11 ). Een geschikte methode om een zonne-absorptiepaneel te maken, is het aan elkaar naadlassen en puntlassen van twee platen blauwgekleurd roestvast staal, waarna door middel van een inwendige druk de los van elkaar liggende plaatdelen worden opgeblazen zodat er doorstroomkanalen voor water ontstaan (ongeveer vergelijkbaar met een opgeblazen luchtbed). Dergelijke boilers blij ken efficiënter te zijn dan zwartgeverfde panelen naarmate de werktemperatuur toeneemt [9, 10], waardoor de aanzienlijk hogere materiaalkosten meer dan gecompenseerd worden door het veel hogere rendement.


Foto: Inca Engineering Products Ltd, Melbourne, UK.


Overige toepassingen

Gekleurd roestvast staal kan worden gebruikt voor consumenten toepassingen zoals decoratieve vazen en bestek, hang-en sluitwerk, bijouterieën en badkameronderdelen. Er is een groeiend aantal van functionelere toepassingen zoals zwarte ruitewisserarmen, brandstofpomp-behuizingen, aanwijzings-en uithangborden. Er zijn ook  toepassingen voor grote hoeveelheden kleine gekleurde en zwarte onderdelen zoals bevestigingsmateriaal voor het vastmaken van geanodiseerde aluminiumpanelen en kunststofspuitgietstukken en apparatuur waarvoor niet-reflecterend materiaal nodig is.