鋼鐵表面處理工藝選擇與研究

宋曉虹， 裴爽， 張銀玲

（黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱 150040）

0 引言

本文研究了金屬高溫堿性氧化發黑工藝，包括前處理、氧化劑用量、溫度、時間、pH值等對氧化發黑工藝的影響，尋找替代氫氧化鈉和亞硝酸鈉的氧化劑，并對常溫氧化工藝進行了初步探索和對比。

1 試驗機理與試驗方法

初步確定發黑工藝流程如圖1所示。

圖1 發黑工藝流程圖

1）著色機理。金屬堿性發黑工藝主要有以下幾個步驟：

a.鋼鐵開始溶解，生成亞鐵酸鈉和鐵酸鈉：

Fe+［O］+2NaOH=Na2FeO2+H2O；

2Fe+［O］+2NaOH=Na2Fe204+H2O。

b.亞鐵酸鈉和鐵酸鈉再相互作用，生成磁性氧化鐵：

Na2FeO2+Na2Fe204+2H2O=Fe3O4+4NaOH。

c.鐵氧化物發生水解反應，生成沉淀物。

Na2Fe2O4+（m+1）H20=Fe2O3·mH2O+2NaOH；

Fe2O3·mH2O=Fe2O3（m-n）H2O+nH2O。

2）溫度的選擇。根據文獻選擇溫度應在140℃左右，方案如表1所示。

3）氫氧化鈉的選擇。根據文獻選擇氫氧化鈉含量應在650 g/L左右，方案如表2所示。

4）亞硝酸鈉的選擇。根據文獻選擇亞硝酸鈉含量應在200 g/L左右，方案如表3所示。

5）其他氧化劑的選擇。根據文獻選擇其他氧化劑含量應在40 g/L左右，方案如表4所示。

6）時間的選擇。根據文獻時間應在30～45 min左右，方案如表5所示。

表1 溫度的選擇

表2 氫氧化鈉的選擇

表3 亞硝酸鈉的選擇

表4 其他氧化劑的選擇

表5 時間的選擇

表6 鐵銹對發黑性能的影響

2 實驗結果與分析

1）鐵銹對發黑膜的影響，如表6所示。

由表6可知，該發黑液只能對生銹的Q235鋼進行處理，無鐵銹鋼件處理效果較好。

2）油污對發黑膜層的影響，如表7所示。

從表7結果可知油污對鋼件發黑膜的影響不大。

3）溫度對發黑性能的影響。在氫氧化鈉750 g·L-1、亞硝酸鈉 200 g·L-1、硝酸鈉 40 g·L-1、時間為45 min工藝條件下，選擇不同的發黑時間，考察處理時間對發黑膜的外觀、耐腐蝕性和耐磨性的影響，結果如表8所示。由表8可知，鋼在不同溫度下用發黑液進行表面處理，可以得出結論：不同溫度測試，溫度升高，耐蝕性和耐磨性都有所提高。

4）時間對發黑性能的影響，如表9所示。

由表9實驗結果可知，在發黑液中浸漬長時間后，膜層質量差，因此，金屬表面處理時間以45 min為宜。

表7 油污對發黑膜的影響

表8 溫度對發黑性能的影響

表9 時間對發黑性能的影響

表10 氫氧化鈉對發黑性能的影響

表11 氧化劑對發黑性能的影響

5）氫氧化鈉對發黑性能的影響。在高溫堿性發黑中氫氧化鈉是主要成膜劑，在溫度為145℃、亞硝酸鈉 200 g·L-1、硝酸鈉40 g·L-1、時間為 45 min工藝條件下，測定不同氫氧化鈉含量對工藝的影響。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。堿含量過高時所生成的氧化膜被堿溶解，不能成膜。當溶液堿含量低時，金屬表面氧化膜薄，發花，過低時不能形成氧化膜，結果如表10所示。表10表明NaOH濃度增高則反應式Na2FeO2+Na2Fe2O4+2H2O=Fe3O4+4NaOH向左進行加快，堿性過高，反應被抑制。氫氧化鈉850 g·L-1為宜。

6）氧化劑對發黑性能的影響，如表11所示。由表11可知，隨著氧化劑含量增高，金屬表面處理膜的耐蝕性和耐磨性增加。

3 常見缺陷分析

1）氧化膜生成緩慢或膜薄。苛性鈉是主要金屬防腐膜的促進劑，反應是在130～150℃溶液中進行的，苛性鈉的含量直接影響金屬膜形成質量。由如圖2、圖3可知苛性鈉過低會造成金屬氧化膜生成較緩慢且生成的膜較薄。

圖2 成膜不均勻

圖3 未完全成膜

2）氧化膜呈紅色或表而有紅色掛灰。造成金屬氧化膜不呈現黑色原因是溶液濃度過高；氧化膜上有掛灰則是由試劑中雜質含量過高所致，如圖4、圖5所示。

圖4 工件表面紅色掛灰

圖5 氧化膜呈紅色

3）氧化膜色澤不均勻或出現花斑。金屬氧化膜產生此類缺陷的原因主要是前處理的效果不良及表面處理過程中零件與發黑液接觸面積不足等，如圖6、圖7所示。

圖6 出現花斑

圖7 色澤不均勻

4 發黑膜的性能檢測及分析

1）耐腐蝕性檢測結果。經用硫酸銅法檢驗：處理的金屬的耐蝕性達125 s，而此時發黑膜的附著力為200次。

2）極化曲線檢測結果。分別對發黑前和發黑后的鋼片在3%氫氧化鈉，3%鹽酸條件下進行極化曲線測試。測試結果如圖8、圖9所示。由圖可知，經表面處理后的金屬防腐蝕性能更好。極化曲線測試結果表明，發黑膜的存在阻礙了金屬電化學腐蝕中的陽極氧化反應，從而有效地提高金屬基體的耐腐蝕性能。

3）摩擦因數檢測結果。高溫發黑常用于螺栓標準件等，采用對磨來檢測摩擦發黑膜是否起到提高螺栓預緊力的作用。基體為45鋼片，時間3 min，4 N作用力下的摩擦因數測試如圖10、圖11所示。由圖10、圖11可知發黑后工件相同條件下摩擦因數增高，結果表明，發黑膜不僅提高了耐蝕性，而且對螺栓螺母的聯接預緊力也有所提高。

5 結論

本文對高溫堿性發黑工藝配方實驗所得出的最佳性能的工藝如下：

通過單因素實驗，確定高溫堿性發黑液各組分的含量范圍為：氫氧化鈉 750 g·L-1、亞硝酸鈉 200 g·L-1、硝酸鈉 40 g·L-1，時間 45 min ，溫度 145℃。

用硫酸銅點滴法檢驗發黑膜的耐蝕性，其平均耐蝕性達120 s，附著力為200次，有較強的耐蝕性和結合力。極化曲線表明，金屬發黑膜能延長金屬的使用壽命。摩擦因數實驗表明，發黑膜能顯著提高螺栓螺母間鏈接的預緊力。

圖8 3%氫氧化鈉條件下

圖9 3%鹽酸條件下

圖10 未發黑工件對磨

圖11 發黑后工件對磨