鋼材的表面發(fā)黑處理是怎么回事？
1．發(fā)藍(lán)（發(fā)黑）原理
為了提高鋼件的防銹能力，用強(qiáng)的氧化劑將鋼件表面氧化成致密、光滑的四氧化三鐵。這種四氧化三鐵薄層能有效地保護(hù)鋼件內(nèi)部不受氧化。
在高溫下（約550℃）氧化成的四氧化三鐵呈天藍(lán)色，故稱發(fā)藍(lán)處理。
在低溫下（約350℃）形成的四氧化三鐵呈暗黑色，故稱發(fā)黑處理。
在兵器制造中，常用的是發(fā)藍(lán)處理；在工業(yè)生產(chǎn)中，常用的是發(fā)黑處理。
能否把鋼鐵表面氧化致密、光滑的四氧化三鐵，關(guān)鍵是選擇好強(qiáng)的氧化劑。強(qiáng)氧化劑是由氫氧化鈉、亞硝酸鈉、磷酸三鈉組成。發(fā)藍(lán)時(shí)用它們的熔融液去處理鋼件；發(fā)黑時(shí)用它們的水溶液去處理鋼件。常用的發(fā)黑溶液成分見下表。
此溶液的密度是1.4g/cm3，沸點(diǎn)是130℃。在此溶液的作用下，鐵的氧化過程是這樣的：
Fe→Na2FeO2→Na2Fe2O4→Fe3O4
具體的化學(xué)反應(yīng)是：
3Fe+NaNO2+5NaOH=3Na2FeO2+NH3+H2O
6Na2FeO2+NaNO2+5H2O=3Na2Fe2O4+NH3+7NaOH
Na2FeO2+Na2Fe2O4+2H2O=Fe3O4↓+4NaOH
生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，要獲得光亮、致密的四氧化三鐵膜層，氧化溶液中亞硝酸鈉與氫氧化鈉的比例，要保持在1：3～3.5之間。
2．發(fā)藍(lán)（發(fā)黑）操作
發(fā)藍(lán)（發(fā)黑）的操作流程：
工件裝夾→去油→清洗→酸洗→清洗→氧化→清洗→皂化→熱水煮洗→檢查。
?。?）工件裝夾 要根據(jù)工件的形狀、大小，設(shè)計(jì)專門的夾具或吊具。目的是使工件之間留有足夠的間隙，工件間不能相互接觸，要使每個(gè)工件都能完全浸入氧化液中被氧化。
?。?）去油 目的是除去工件表面的油污。經(jīng)過機(jī)加工后（發(fā)藍(lán)、發(fā)黑是最后一道工序），工件表面難免不留下油污，用防銹油作工序間防銹的更是這樣。任何油污，都會(huì)嚴(yán)重影響四氧化三鐵的生成，所以必須在發(fā)藍(lán)、發(fā)黑之前除去。常用的除油溶液配方。
將除油溶液加熱至80～90℃，然后將工件浸入，浸入時(shí)間為30min左右，若油污較多，還得延長(zhǎng)除油時(shí)間，以除油徹底為準(zhǔn)。
?。?）酸洗 酸洗的目的是除去工件表面的銹跡。因?yàn)殇P跡、銹斑會(huì)阻礙生成致密的四氧化三鐵層。即使工件無(wú)銹跡，也應(yīng)進(jìn)行酸洗，因?yàn)樗褂臀圻M(jìn)一步去除干凈，而且酸洗會(huì)提高工件表面分子的活化能，有利于下一工序的氧化，能生成較厚的四氧化三鐵層。
酸洗溶液一般是10～15％濃度的硫酸溶液，溫度是70～80℃，將工件浸入硫酸溶液中，浸入時(shí)間為30min左右，銹蝕較輕的鋼件可浸20min，銹蝕嚴(yán)重者，則需要浸40min以上。
?。?）氧化 氧化是發(fā)藍(lán)、發(fā)黑的主要工序。四氧化三鐵膜層是否致密、是否光滑、是否有足夠的厚度，取決于氧化階段。
發(fā)藍(lán)的工藝溫度是550℃。發(fā)黑的工藝溫度是130～145℃。浸入時(shí)間是50～80min。含碳量高的高碳鋼，氧化速度較快，浸入時(shí)間可短些。含碳量低的低碳鋼，氧化速度慢，浸入時(shí)間需要長(zhǎng)些。合金鋼特別是高合金鋼，工件表面有一定的殘余奧氏體，對(duì)堿溶液有較強(qiáng)的抗抵作用，不易生成Fe3O4，因而浸入時(shí)間需更長(zhǎng)一些。
下表列出了有關(guān)鋼種氧化（發(fā)黑）時(shí)溶液的溫度及浸入時(shí)間。
槽液的正常顏色是白色。如果槽液呈紅色或棕色，表示亞硝鈉濃度過大，應(yīng)及時(shí)調(diào)整槽液的成分。如果溶液呈綠色，則表示鐵離子濃度過大，應(yīng)及時(shí)更新溶液。
?。?）皂化 所謂皂化，是用肥皂水溶液在一定溫度下浸泡工件。目的是形成一層硬脂酸鐵薄膜，以提高工件的抗腐蝕能力。常用的皂化液濃度是30～50g（肥皂）/L。把皂化液加熱至80～100℃，將氧化后的工件放入皂化液浸泡10min左右。
?。?）檢查
氧化完畢后，要對(duì)工件進(jìn)行檢查，看Fe3O4膜層是否合格。檢查的方法是：任意抽取三件工件，置于濃度為2％的硫酸銅溶液中浸泡20s，不退黑色者為合格。三件工件中有一件以上不合格，則整槽工件視為不合格，需再氧化一次，以加深四氧化三鐵的厚度。
3．可能出現(xiàn)的缺陷及解決措施
鋼件發(fā)黑工藝，在操作過程中，可能會(huì)出現(xiàn)如下一些缺陷。
（1）氧化膜疏松
氧化膜應(yīng)很致密，與基本結(jié)合很牢固。如果生成的氧化膜疏松，容易擦掉，這是不正常的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況，主要是由于新配制的氧化溶液缺少鐵離子引起的。解決辦法，是加入一些舊的氧化溶液，或者加入一些干凈的鋼屑，煮沸30min，以增加氧化溶液的鐵離子濃度，這現(xiàn)象就會(huì)消除。
?。?）工件表面呈紅褐色銹斑
氧化膜應(yīng)呈深黑色，光亮且平滑。如果工件表面出現(xiàn)紅褐色斑點(diǎn)或連成一片，這主要是由于氧化溶液中氫氧化鈉過濃、生成氧化鐵過多所致。解決辦法是調(diào)整溶液成分，補(bǔ)充加入一些亞硝酸鈉和水，以降低NaOH濃度。
?。?）工件表面呈淡灰色
工件表面失去烏黑光澤，呈淡灰色，這是由于氧化溶液中氫氧化鈉濃度過低引起的。解決辦法，補(bǔ)充加入適量的氫氫化鈉。
?。?）不生成氧化膜
經(jīng)處理40～50min后，工件表面仍不上色（生成氧化膜），這主要是由于溶液溫度過低，亞硝酸鈉濃度不足引起的。解決辦法是提高溶液溫度，適當(dāng)增加亞硝酸鈉量。
?。?）氧化膜表面發(fā)花
工件在黑色基體上出現(xiàn)零星的白點(diǎn)，有時(shí)白點(diǎn)還較密集，這種現(xiàn)象工人稱之為“發(fā)花”。發(fā)花原因主要是氧化時(shí)間不夠引起的。解決辦法，是延長(zhǎng)氧化時(shí)間（即浸泡時(shí)間），還可以補(bǔ)充加入少量氫氧化鈉。
?。?）工件表面呈綠色
如果工件表面的氧化膜不是烏黑色，而是綠色，這是工件過氧化的結(jié)果，是由于氧化溶液溫度過高、亞硝酸鈉濃度過高引起的。解決辦法是加入適量冷水（注意：加水時(shí)必須穿戴好老保護(hù)具，緩緩加入，以免槽液飛濺，造成灼傷事故）和加入少量氫氧化鈉，以降低溶液溫度及亞硝酸鈉的濃度。
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