改進鋼鐵常溫發黑質量工藝研究

宋曉虹， 徐健雄

（1.黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱150040；2.電子科技大學光電信息學院，成都611731）

1 引言

常溫發黑液對前處理要求嚴格。本文針對發黑液不穩定、發黑膜結合力不高、耐蝕性能不好的問題進行了如下探討：（1）為提高鋼鐵常溫發黑的結合力和耐蝕性，通過對鋼鐵常溫發黑的研究，優化常溫發黑液配方。（2）研究出一種鋼鐵常溫磷化發黑溶液，探究常溫磷化發黑和發黑工藝下膜層的各方面性能。（3）以發黑膜性能作考核標準，分析發黑膜的組織形貌、結合力、耐蝕性，對比不同工藝下發黑膜的各方面性能，通過多組實驗找出影響發黑膜性能的因素及這些因素綜合作用的數量關系。

2 實驗方法

2.1 發黑膜的制備

本實驗采用銅-硒系常溫發黑配方制備發黑膜，制備方法有多種。

（1）確定一種含有一定比例亞硒酸和硫酸銅的發黑液配方，對工件進行一定時間的有效發黑，制備常溫銅-硒系發黑膜。

（2）二步法制備常溫銅-硒系磷化發黑膜，首先選用一組基礎的磷化配方，配制成磷化液，進行磷化處理，將磷化處理后的工件用水仔細沖洗干凈，放入配制好的發黑液中進行發黑處理，處理后進行干燥。

2.2 發黑后的試樣后處理

（1）在相同發黑工藝處理下，將工件浸入機油中，浸油時間為4.5h，浸油后的工件分三組處理：自然干燥、用棉紗輕輕擦干、用蘸酒精的棉紗輕輕擦干。

（2）在相同發黑工藝處理下，將工件浸入煤油中，浸油時間為4.5h，然后自然干燥。

2.3 試樣檢測

（1）基本形貌檢測

外觀觀察：用肉眼觀察發黑膜形貌，檢測膜的均勻性，顏色。

金相觀察：用金相顯微鏡觀察工件表面成膜狀況，觀察成膜黑度、緊密程度等。

用干凈的棉紗在試樣表面用中等力度來回摩擦，直到某一點出現基體時記下摩擦次數。一般大于30次為合格。通過對比各組實驗，探討影響發黑膜結合力好壞的各種因素。

（2）硫酸銅點滴檢測

硫酸銅點滴試驗是一種測試工件耐腐蝕性的方法。采用5%的硫酸銅點滴，當硫酸銅溶液點滴到保護膜上時，硫酸銅將滲入到保護膜中，與基體中的鐵發生反應，反應式為：CuSO4+Fe＝Cu+FeSO4。當保護膜表面有褐色銅析出時，記下從點滴到銅析出的時間，時間的長短就說明了保護膜耐腐蝕性的好壞。

（3）鹽霧測試

鹽霧試驗的目的是為了考核產品或金屬材料的耐鹽霧腐蝕質量，其結果判定可以按照腐蝕物的特征進行表述或按照重量增減進行表述。

3 實驗內容

3.1 實驗配方

表1 一步法發黑液配方

三組配方中配方1是通過查閱資料得出的各藥品含量在合理范圍內的配方，而配方2、3是通過配方1的實驗進行的改良。

表2 二步法磷化發黑液配方

3.2 實驗不同工藝研究

由三組發黑液配方中選出一組最優配方，配方藥品為表1中的配方2：硫酸銅4，亞硒酸0.5，磷酸2，硝酸鈉2，檸檬酸鈉3，由此展開兩組實驗研究：第一組為相同發黑溫度（20℃）、不同發黑時間（5min、6min、7min、8min）處理；第二組為相同發黑時間（6min）、不同發黑溫度（20℃、25℃、30℃、35℃）處理，進而對實驗結果展開分析。

3.3 成膜工藝簡介

（1）一步法發黑處理：配制處理液→試樣前處理→發黑處理→試樣后處理→發黑膜檢測。

（2）二步法磷化發黑處理：分別配制磷化處理液和發黑處理液→試樣前處理→磷化處理→發黑處理→發黑膜檢測。

表3 一步法發黑膜表面形貌觀察結果1

4 實驗結果

4.1 發黑膜外觀形貌及組織觀察

圖1為宏觀外貌展示圖，發黑處理時間為5min的試樣見圖 1（a）、發黑處理時間為6min的試樣見圖1（b）、發黑處理時間為7min的試樣見圖 1（c）、發黑處理時間為8min的試樣見圖 1（d）。

圖1 試樣宏觀外貌

表4 一步法發黑膜表面形貌觀察結果2

表5 二步法磷化發黑膜表面形貌觀察結果

4.2 保護膜金相的觀察

圖2 金相觀察發黑膜表面

表6 一步法發黑液配方及各性能測試結果1

表7 一步法發黑液配方及各性能測試結果2

表8 二步法發黑液配方及各性能測試結果

表9 不同浸油方法處理后發黑膜的性能檢測

表10 不同浸油方法處理后發黑膜的鹽霧試驗耐腐蝕性能的檢測

采用金相顯微鏡觀察發黑后工件表面的形貌，并得到放大400倍的照片。發黑處理時間為5min的試樣見圖2（a）、發黑處理時間為6min的試樣見圖2（b）、發黑處理時間為7min的試樣見圖2（c）、發黑處理時間為8min的試樣見圖 2（d）。

4.3 保護膜耐腐蝕性能和結合力的測量

棉紗擦拭工件直至露出基體，記錄擦拭次數，測試發黑膜結合力；5%的硫酸銅溶液點滴，記下從點滴到銅析出的時間，測試其致密度。

4.4 工件后處理浸油前后保護膜耐蝕性能和結合力的測試

后處理對發黑膜起到保護作用，不同的浸油方法對發黑膜的保護效果不同。

4.5 工件后處理浸油前后保護膜鹽霧試驗耐蝕性能的測量

鹽霧試驗測試發黑膜耐腐蝕能力，觀察不同時間下表面變化情況及鹽霧試驗前后表面失重增重情況。表10所選用的試樣的發黑配方均為：硫酸銅4g/L，亞硒酸 0.5g/L，磷酸 2g/L，硝酸鈉 2g/L，檸檬酸鈉3g/L，發黑溫度為20℃，發黑時間為6min，主要檢測不同后處理對發黑膜耐腐蝕性能的影響。

5 結論

（1）經過試驗研究，得出最優發黑配方：硫酸銅4g/L，亞硒酸0.5g/L，磷酸2g/L，硝酸鈉2g/L，檸檬酸鈉3g/L；磷化發黑配方：磷酸二氫鋅60g/L，硝酸鋅 90g/L，亞硝酸鈉 0.6g/L，硫酸銅5g/L，亞硒酸 0.5g/L，磷酸 2g/L，硝酸鈉 2g/L，檸檬酸鈉3g/L。銅-硒系中，硫酸銅是主要發黑成分，含量在2～4g/L為宜。過低，黑度不好，含量大于5g/L，膜呈紅色，發黑效果較差。在保證較好成膜前提下，適當提高Cu/Se元素比，可充分利用價格較高的亞硒酸，并能提高發黑膜的結合力。

（2）對幾組經過不同發黑工藝處理的工件的研究，得出發黑溫度在20℃、發黑時間在6min工藝處理下的發黑膜性能最好。工藝中，發黑溫度對膜層性能有影響，但影響不大；但發黑時間對膜層形成質量影響較大，發黑時間在6～7min范圍內發黑膜厚度以及各方面性能最好，時間過長膜層結合力不好，過短發黑膜不均勻且膜層過薄。

（3）對發黑后的工件進行不同的后處理，結果是浸過煤油自然風干的工件的發黑膜性能、質量最好，其它依次為浸機油棉紗擦干的工件、浸機油酒精擦干的工件、浸機油自然風干的工件、無油處理的工件。