304不銹鋼黑化工藝的研究

張慶芳， 邵忠財， 吳 凱

（沈陽理工大學環境與化學工程學院，遼寧沈陽110159）

304不銹鋼黑化工藝的研究

張慶芳， 邵忠財， 吳 凱

（沈陽理工大學環境與化學工程學院，遼寧沈陽110159）

將304不銹鋼加熱至300℃并迅速浸沒于硫代硫酸鈉溶液中，可制得具有裝飾效果的黑化膜。通過草酸點滴試驗、Tafel曲線和交流阻抗等方法檢測黑化膜的耐蝕性，并通過掃描電子顯微鏡觀察黑化膜的表面形貌。結果表明：黑化膜呈片狀緊密覆蓋在304不銹鋼基體表面，有效提高了304不銹鋼基體的耐蝕性。

不銹鋼；黑化；耐蝕性

0 前言

發黑的不銹鋼不僅裝飾效果好，還具有優良的吸光性和吸熱性。因此，不銹鋼的發黑成為不銹鋼著色研究的一個重要內容［1-2］。不銹鋼發黑的方法大致可分為化學法、電化學法及高溫法三大類［3-4］。其中化學著色法和電化學著色法使用較普遍。著色處理后的不銹鋼色澤鮮明且持久不變，同時不銹鋼的其他性能不受影響［5-7］。

1 實驗

1.1 實驗材料

實驗材料為304不銹鋼件，將其切割成尺寸為2.5 cm×2.5 cm的片狀試樣。先將試樣進行堿性除油（NaOH 70 g／L，90℃），再進行電化學拋光（磷酸10%，濃硫酸10%，2 A／dm2，35℃）。將前處理后的不銹鋼放入恒溫馬弗爐中加熱至300℃，之后將試樣迅速浸入硫代硫酸鈉中5 min進行黑化處理，烘干后待測。

1.2 性能檢測

在同一試片的五個位置用5%的草酸溶液進行點滴，記錄每個點的變色時間，最終計算平均變色時間。時間越長，表明黑化膜的耐蝕性越好。

以3.5%的NaCl溶液為腐蝕介質，以飽和KCl甘汞電極為參比電極，以鉑電極為輔助電極，將有效面積為1 cm2的待測不銹鋼試樣作為工作電極，組成三電極體系進行電化學測試。掃描速率為0.005 V／s，頻率范圍為10-2～10-5Hz。

釆用掃描電子顯微鏡觀察黑化膜的表面形貌。

2 結果與討論

2.1 硫代硫酸鈉對黑化膜的影響

在其他前處理條件不變的情況下，硫代硫酸鈉的質量分數分別選取1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%，將處理后的膜層進行草酸點滴試驗并觀察其外觀顏色，結果如表1所示。

由表1可知：硫代硫酸鈉的質量分數為3%時，黑化膜的耐草酸點滴時間最長，外觀最佳。因此，硫代硫酸鈉的質量分數為3%時的黑化效果最好。

2.2 試樣溫度對黑化膜的影響

試樣溫度對膜層性能起著不可忽視的作用。試樣溫度分別取20℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃，將處理后的膜層進行草酸點滴試驗并觀察其外觀顏色，結果如表2所示。

由表2可知：試樣溫度低于100℃時，無法得到黑化膜；試樣溫度達到100℃時，不銹鋼表面開始出現膜層，耐草酸點滴時間先延長后縮短；當試樣溫度達到300℃時，膜層的耐草酸點滴時間最長為32.0 min，且膜層呈黑色；當試樣溫度達到350℃時，膜層顏色雖然為黑色，但是耐草酸點滴時間有所下降。因此，最佳的試樣溫度為300℃。

2.3 處理時間對黑化膜的影響

不銹鋼的成膜過程需要進行化學反應，化學反應時間直接影響黑化膜的性能。時間過短，反應不徹底，膜層無法很好地覆蓋在不銹鋼基體表面；時間太長，膜層會出現裂紋，甚至脫落，不利于黑化膜的制備。為此，處理時間分別選取30 s、60 s、120 s、 180 s、240 s、300 s、360 s、420 s，將處理后的膜層進行草酸點滴試驗并觀察其外觀顏色，結果如表3所示。

由表3可知：處理時間對膜層顏色的影響不大。這就意味著黑化膜的形成過程非?？臁?00℃的膜層一接觸轉化液時，黑化膜便迅速生成。隨著時間的延長，膜層的成膜速率有所下降，但是膜層仍在生長。只有生長到一定程度，對基體的防護效果才是最優的，最佳時間為300 s。

2.4 耐蝕性測試

圖1為不銹鋼基體與最佳工藝條件下所得黑化膜的交流阻抗圖。

由圖1可知：不銹鋼的交流阻抗圖主要以電化學容抗為主。容抗弧半徑越大，意味著膜層的耐蝕性越好。黑化膜的容抗弧半徑明顯大于基體的，表明黑化膜的耐蝕性比不銹鋼基體的強。

2.5 Tafel曲線測試

對最佳工藝條件下得到的黑化膜進行Tafel曲線測試，將其與基體的進行對比，結果如圖2和表4所示。

結合圖2和表4可知：不銹鋼經黑化處理后，自腐蝕電位正移，自腐蝕電流密度降低，耐蝕性提高。

2.6 SEM測試

將最佳工藝下得到的黑化膜與基體進行SEM測試?；w與膜層的SEM圖（放大到5 000倍），分別如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知：在基體表面形成了一層均勻、致密的黑化膜。該膜層呈片狀緊密覆蓋在基體表面，對基體起到了裝飾和防護效果。

3 結論

在試樣溫度為300℃，硫代硫酸鈉的質量分數為3%，轉化時間為300 s的條件下，制備了不銹鋼黑化膜。該膜層呈片狀緊密覆蓋在不銹鋼基體表面，有效提高了不銹鋼基體的裝飾性和防護性。

［1］ 胡俊利，滿瑞林，梁永煌，等.不銹鋼表面化學著色的研究進展［J］.電鍍與環保，2012，32（3）：4-6.

［2］ 鞠洪斌，張曉麗，薛永強，等.不銹鋼純黑色轉化膜的制備工藝及性能表征［J］.電鍍與涂飾，2012，32（3）：33-36.

［3］ 何新快.不銹鋼電化學著黑色工藝與成膜機理研究［J］.腐蝕科學與防護技術，2010，22（2）：104-108.

［4］ 王海人，王宜民，屈鈞娥，等.不銹鋼著色方法及表征技術［J］.材料保護，2012，45（12）：38-45.

［5］ 王鵬程，韓文生.添加劑在不銹鋼著色中的應用［J］.電鍍與涂飾，2008，27（10）：26-28.

［6］ 王海人，李艷，屈鈞娥，等.電位標準判斷不銹鋼著色中化學活化前處理質量的研究［J］.材料工程，2012（3）：89-96.

［7］ MANNA M.Effect of steel substrate for phosphate treatment：An option to simulate TMT rebar surface［J］.Corrosion Scienc，2009，51（3）：451-457.

Research on Blackening Process for 304 Stainless Steel

ZHANG Qing-fang， SHAO Zhong-cai， WU Kai
（School of Environmental and Chemical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China）

304 stainless steel was heated to 300℃and immersed in sodium thiosulfate solution promptly，and then the decorative blackening film was prepared.Corrosion resistance of the blackening film was detected by oxalic acid dripping test，Tafel curve，electrochemical impedance spectroscopy and other methods，and the surface morphology was observed by scanning electron microscope.Results showed that blackening film in the form of sheets and connect to 304 stainless steel matrix compactly，effectively improving the corrosion resistance of 304 stainless steel.

stainless steel；blackening；corrosion resistance

TG 174 文獻標志碼：A 文章編號：1000-4742（2015）06-0027-03

2013-11-20