鋼的氧化處理應用研究

摘 要：鋼鐵產業是國民經濟的支柱產業，但在使用中鋼鐵的腐蝕現象非常普遍，因此通過改變鋼鐵表面的性能，防止鋼鐵材料的浪費就顯得猶為重要。目前對鋼鐵表面進行的處理方法是很多。而常溫發藍是一種非常有效的鋼鐵表面處理方法。

關鍵詞：鋼；腐蝕；常溫；氧化。

中圖分類號：TF089+.5 文獻標識碼：A

表面工程技術實質就是使材料得到一種特殊的表面功能，并使表面和基體性能達到最佳的配合。機械零件在使用過程中，除了力學性能、工藝性能要滿足要求外，還要求其表面具有一定的耐磨性、耐蝕性，并且美觀。而機械零件的失效，很多情況下與其表面產生的磨損和腐蝕有關。為了提高零件的表面質量，必須對零件進行表面改性處理。表面改性處理是指改變零件的表面質量或表面狀態，使其達到耐磨、耐蝕、美觀及精度要求的工藝，包括轉化膜處理、電鍍、離子沉積、噴涂、涂裝等。鋼的氧化處理（又稱發藍或發黑）：鋼鐵在含有氧化劑的溶液中進行處理，使其表面生成一層均勻的藍黑到黑色膜層的過程。 氧化的方法很多，有堿性氧化法，無堿氧化法和電解氧化法.根據處理溫度的高低，鋼鐵的化學氧化可分為高溫化學氧化法和常溫化學氧化法。各種處理方法所用處理液成分不同，膜的組成不同，成膜機理也不同。膜的顏色一般為藍色或黑色。

1氧化機理

鋼鐵的氧化是指材料表面的金屬層轉化為穩定的氧化物Fe3O4的過程， 鋼鐵氧化方法是在添有氧化劑的強堿溶液里，在100度以上的溫度進行處理。其機理如下：1）鋼鐵氧化是個電化學過程，在微觀陽極上，發生鐵的溶解；2）在有氧化劑存在的強堿溶液里，Fe2+轉化成氫氧化鐵；3）在微觀陰極上，這種氫氧化物可能被還原；4）因為氫氧化亞鐵的酸性明顯低于氫氧化鐵的的酸性，繼而發生中和及脫水反應；5）另一部分氫氧化亞鐵可以在微觀陰極上直接轉化為Fe3O4，

氧化過程的速度，取決于能氧化二價鐵離子的亞硝基化合物的形成速度。從氧化膜的生成過程來看，在開始時，金屬鐵在堿性溶液里溶解，在金屬鐵和溶液的接觸面處，形成了氧化鐵的過飽和溶液，然后，在金屬表面上的個別點生成了氧化物的晶胞。這些晶胞的逐漸增長，導致在金屬鐵表面形成一層連續成片的氧化膜。而在氧化膜完全覆蓋在金屬表面之后，就將使溶液與金屬隔絕，鐵的溶解速度與氧化膜的生成速度隨之降低。

氧化膜的生長速度以及其厚度，取決于晶胞的形成速度和單個晶胞長大的速度之比當晶胞形成速度很快時，金屬表面上晶胞數多，各晶胞相互結合而形成一層致密的氧化膜。若晶胞形成速度慢，待到各晶胞相互結合的時候，晶胞已經長大。這樣形成的氧化膜較厚，甚至形成疏松的氧化膜。

2氧化膜的性質

鋼鐵的氧化膜是由四氧化三鐵組成的，它不能被水化。膜的結構和防護性都隨氧化膜的厚度的變化而變化。很薄的膜（2～4nm）對工件的外觀無影響，但也無防護作用。厚的膜（超過2μm）是無光澤的，呈黑色或灰黑色，耐機械磨損性能差。厚度為0.6～0.8μm的膜有最好的防護性能和耐磨損性能。無附加保護的鋼鐵氧化膜的耐蝕性低，并與操作條件有關。如果工件氧化處理后，在涂覆油或蠟，其抗鹽霧性能從幾個小時增加至24～150h。

對膜性能影響較大的是氧化時的溫度和堿的濃度。

在溶液的溫度接近沸點時，堿的濃度影響膜的厚度。在很濃的堿溶液（超過1500g/L）里，沒有膜的形成，這是由于氫氧化亞鐵在這樣高濃度的強堿溶液中，不會發生水解反應。氧化劑的影響隨著溶液里氧化劑質量濃度的增加，氧化膜的厚度逐步降低，但是在超過氧化劑的臨界濃度后，厚度不再受其影響。這可能是氧化劑通過膜孔隙對鋼鐵表面的鈍化作用所致。

3各種因素的影響

影響氧化膜的因素很多，如溶液成分的含量、溫度、材料以及合金成分等

（1）堿含量的影響。在溶液里，堿的含量增高時，相應地升高溶液溫度，所獲得的氧化膜厚度增加。但當增加溶液中堿的含量時，氧化膜表面易出現紅褐色的氫氧化鐵。過高時所生成的氧化膜被堿溶解，不能生成膜。當溶液堿含量低時，金屬表面氧化膜薄，發花，過低時不生成氧化膜。（2）氧化劑的影響。氧化劑含量越高，生成的亞鐵酸鈉和鐵酸鈉越多反應速度加快，這樣生成的氧化膜速度也快，而且膜層致密和牢固。相反膜疏松且厚。（3）溫度的影響。氧化溶液溫度增高時，相應的氧化速度加快，生成的晶胞多，使氧化膜變得致密而且薄。但溫度升得過高時，氧化膜在堿溶液的溶解速度同時增加，致使氧化速度變慢。因此，在氧化初開始時溫度不要太高，否則氧化膜晶粒減少，會使氧化膜變得疏松。氧化溶液的溫度，在進槽時溫度應在下限，出槽時溫度應在上限。（4）鐵離子的影響。氧化溶液里的鐵離子是在氧化反應過程中，從工件上逐漸溶解下來的，它的含量對氧化膜的生成是有影響的。在初配槽的溶液里鐵離子含量低，會生成很薄且疏松的氧化膜，膜與基體金屬的結合不牢，容易擦去。（5）氧化時間與工件含碳量的關系。鋼鐵工件含碳量高時容易氧化，氧化時間要短。合金鋼含碳量低，不易氧化，氧化時間要長。可見氧化時間的長短決定于鋼鐵的含碳量。

4氧化膜的質量檢驗。

鋼鐵氧化膜的檢驗，主要是用肉眼觀察氧化膜的外觀和耐腐蝕檢測。

鋼鐵的合金成分不同，其氧化膜在色澤上有所差異，碳素鋼和低合金鋼工件在氧化后顏色呈黑色和黑藍色；鑄鋼呈暗褐色；高合金鋼呈紫紅色。但氧化膜應是均勻致密的。氧化膜的表面不允許有未氧化上的斑點，不應有易擦去的紅色掛灰和拋光膏殘跡、針孔、裂紋、花斑點、機械損傷等缺陷。工件表面允許有因工件噴砂、鑄造、滲碳、淬火、焊接等工藝處理不同，所引起的氧化膜色澤差異。

另外我們可以根據使用要求來進行氧化膜的耐蝕性試驗，其方法如下：（1）將氧化的工件浸泡在質量分數為3%的硫酸銅溶液里，在室溫下保持40s后將工件取出，用水洗凈表面，不出現紅色接觸點為合格。（2）用酒精擦凈表面，滴上硫酸銅溶液若干點，同時開動秒表計時，20s后不出現銅的紅點為合格。硫酸銅溶液的配制方法：將3g分析純硫酸銅晶體溶于97mL蒸餾水里后，再加少量的氧化銅仔細攪拌均勻，然后將剩余的氧化銅過濾掉。

對于不合格的膜層，在酸洗溶液里除去，應重新進行氧化處理。彈簧鋼和不允許酸洗的合金鋼，應用機械方法除去舊氧化膜。

參考文獻

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