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钢材的表面发黑处理是怎么回事?

 金属基陶瓷复合 2018-08-26

1.发蓝(发黑)原理

为了提高钢件的防锈能力,用强的氧化剂将钢件表面氧化成致密、光滑的四氧化三铁。这种四氧化三铁薄层能有效地保护钢件内部不受氧化。

在高温下(约550℃)氧化成的四氧化三铁呈天蓝色,故称发蓝处理。

钢材的表面发黑处理是怎么回事?

在低温下(约350℃)形成的四氧化三铁呈暗黑色,故称发黑处理。

钢材的表面发黑处理是怎么回事?

在兵器制造中,常用的是发蓝处理;在工业生产中,常用的是发黑处理。

能否把钢铁表面氧化致密、光滑的四氧化三铁,关键是选择好强的氧化剂。强氧化剂是由氢氧化钠、亚硝酸钠、磷酸三钠组成。发蓝时用它们的熔融液去处理钢件;发黑时用它们的水溶液去处理钢件。常用的发黑溶液成分见下表。

钢材的表面发黑处理是怎么回事?

钢材的表面发黑处理是怎么回事?

此溶液的密度是1.4g/cm3,沸点是130℃。在此溶液的作用下,铁的氧化过程是这样的:

Fe→Na2FeO2→Na2Fe2O4→Fe3O4

具体的化学反应是:

3Fe+NaNO2+5NaOH=3Na2FeO2+NH3+H2O

6Na2FeO2+NaNO2+5H2O=3Na2Fe2O4+NH3+7NaOH

Na2FeO2+Na2Fe2O4+2H2O=Fe3O4↓+4NaOH

生产实践经验证明,要获得光亮、致密的四氧化三铁膜层,氧化溶液中亚硝酸钠与氢氧化钠的比例,要保持在1:3~3.5之间。

2.发蓝(发黑)操作

发蓝(发黑)的操作流程:

工件装夹→去油→清洗→酸洗→清洗→氧化→清洗→皂化→热水煮洗→检查。

(1)工件装夹 要根据工件的形状、大小,设计专门的夹具或吊具。目的是使工件之间留有足够的间隙,工件间不能相互接触,要使每个工件都能完全浸入氧化液中被氧化。

(2)去油 目的是除去工件表面的油污。经过机加工后(发蓝、发黑是最后一道工序),工件表面难免不留下油污,用防锈油作工序间防锈的更是这样。任何油污,都会严重影响四氧化三铁的生成,所以必须在发蓝、发黑之前除去。常用的除油溶液配方。

钢材的表面发黑处理是怎么回事?

将除油溶液加热至80~90℃,然后将工件浸入,浸入时间为30min左右,若油污较多,还得延长除油时间,以除油彻底为准。

(3)酸洗 酸洗的目的是除去工件表面的锈迹。因为锈迹、锈斑会阻碍生成致密的四氧化三铁层。即使工件无锈迹,也应进行酸洗,因为它使油污进一步去除干净,而且酸洗会提高工件表面分子的活化能,有利于下一工序的氧化,能生成较厚的四氧化三铁层。

酸洗溶液一般是10~15%浓度的硫酸溶液,温度是70~80℃,将工件浸入硫酸溶液中,浸入时间为30min左右,锈蚀较轻的钢件可浸20min,锈蚀严重者,则需要浸40min以上。

(4)氧化 氧化是发蓝、发黑的主要工序。四氧化三铁膜层是否致密、是否光滑、是否有足够的厚度,取决于氧化阶段。

发蓝的工艺温度是550℃。发黑的工艺温度是130~145℃。浸入时间是50~80min。含碳量高的高碳钢,氧化速度较快,浸入时间可短些。含碳量低的低碳钢,氧化速度慢,浸入时间需要长些。合金钢特别是高合金钢,工件表面有一定的残余奥氏体,对碱溶液有较强的抗抵作用,不易生成Fe3O4,因而浸入时间需更长一些。

下表列出了有关钢种氧化(发黑)时溶液的温度及浸入时间。

钢材的表面发黑处理是怎么回事?

槽液的正常颜色是白色。如果槽液呈红色或棕色,表示亚硝钠浓度过大,应及时调整槽液的成分。如果溶液呈绿色,则表示铁离子浓度过大,应及时更新溶液。

(5)皂化 所谓皂化,是用肥皂水溶液在一定温度下浸泡工件。目的是形成一层硬脂酸铁薄膜,以提高工件的抗腐蚀能力。常用的皂化液浓度是30~50g(肥皂)/L。把皂化液加热至80~100℃,将氧化后的工件放入皂化液浸泡10min左右。

(6)检查

氧化完毕后,要对工件进行检查,看Fe3O4膜层是否合格。检查的方法是:任意抽取三件工件,置于浓度为2%的硫酸铜溶液中浸泡20s,不退黑色者为合格。三件工件中有一件以上不合格,则整槽工件视为不合格,需再氧化一次,以加深四氧化三铁的厚度。

3.可能出现的缺陷及解决措施

钢件发黑工艺,在操作过程中,可能会出现如下一些缺陷。

(1)氧化膜疏松

氧化膜应很致密,与基本结合很牢固。如果生成的氧化膜疏松,容易擦掉,这是不正常的现象。出现这种情况,主要是由于新配制的氧化溶液缺少铁离子引起的。解决办法,是加入一些旧的氧化溶液,或者加入一些干净的钢屑,煮沸30min,以增加氧化溶液的铁离子浓度,这现象就会消除。

(2)工件表面呈红褐色锈斑

钢材的表面发黑处理是怎么回事?

氧化膜应呈深黑色,光亮且平滑。如果工件表面出现红褐色斑点或连成一片,这主要是由于氧化溶液中氢氧化钠过浓、生成氧化铁过多所致。解决办法是调整溶液成分,补充加入一些亚硝酸钠和水,以降低NaOH浓度。

(3)工件表面呈淡灰色

工件表面失去乌黑光泽,呈淡灰色,这是由于氧化溶液中氢氧化钠浓度过低引起的。解决办法,补充加入适量的氢氢化钠。

(4)不生成氧化膜

经处理40~50min后,工件表面仍不上色(生成氧化膜),这主要是由于溶液温度过低,亚硝酸钠浓度不足引起的。解决办法是提高溶液温度,适当增加亚硝酸钠量。

(5)氧化膜表面发花

工件在黑色基体上出现零星的白点,有时白点还较密集,这种现象工人称之为“发花”。发花原因主要是氧化时间不够引起的。解决办法,是延长氧化时间(即浸泡时间),还可以补充加入少量氢氧化钠。

(6)工件表面呈绿色

钢材的表面发黑处理是怎么回事?

如果工件表面的氧化膜不是乌黑色,而是绿色,这是工件过氧化的结果,是由于氧化溶液温度过高、亚硝酸钠浓度过高引起的。解决办法是加入适量冷水(注意:加水时必须穿戴好老保护具,缓缓加入,以免槽液飞溅,造成灼伤事故)和加入少量氢氧化钠,以降低溶液温度及亚硝酸钠的浓度。

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