鋼鐵件常溫快速發(fā)黑工藝及其維護(hù)

王宗雄，儲榮邦

（1.寧波市電鍍行業(yè)協(xié)會，浙江 寧波 315016；2.南京虎踞北路4號6幢501室，江蘇 南京 210013）

鋼鐵件常溫快速發(fā)黑工藝及其維護(hù)

王宗雄1,*，儲榮邦2

（1.寧波市電鍍行業(yè)協(xié)會，浙江 寧波 315016；2.南京虎踞北路4號6幢501室，江蘇 南京 210013）

論述了常溫發(fā)黑的基本原理，介紹了一種鋼鐵件常溫快速發(fā)黑的工藝，其流程主要包括：化學(xué)除油，強(qiáng)腐蝕，再次化學(xué)除油，弱腐蝕，常溫發(fā)黑及后處理。發(fā)黑液配方為：五水合硫酸銅20 g/L，硝酸鉀3 g/L，亞硒酸20 g/L，六水合硝酸鎳5 g/L，85%磷酸5 mL/L，一水合檸檬酸12.5 g/L，二水合鉬酸鈉15 g/L，氯酸鉀1 g/L。探討了溫度、pH和處理時間對發(fā)黑質(zhì)量的影響。指出了發(fā)黑液日常維護(hù)應(yīng)注意的問題，并給出了常見故障(如膜層不連續(xù)、疏松、色淡、光澤差、有銹斑、發(fā)花等)的處理方法。

鋼鐵；常溫發(fā)黑；前處理；后處理；故障排除

1 前言

目前，鋼鐵氧化發(fā)黑(發(fā)藍(lán))的處理方法有高溫氧化法和常溫氧化法。常溫氧化法具有節(jié)能、工效高、成本低、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、操作條件友善等特點。然而，很多生產(chǎn)廠家在應(yīng)用常溫快速發(fā)黑時仍會遇到各種問題，質(zhì)量不穩(wěn)定。

常溫快速發(fā)黑工藝包括前處理、發(fā)黑和后處理3個主要工序。每一個工序只要都能認(rèn)真對待，黑膜的結(jié)合力就能與高溫發(fā)黑一樣，而且常溫發(fā)黑液的穩(wěn)定性也能得到控制。

常溫發(fā)黑液以硫酸銅和亞硒酸為基本成分，再輔以配位化合物、穩(wěn)定劑等來改善成膜條件和提高成膜質(zhì)量。在酸性條件下，首先發(fā)生金屬鐵和銅離子置換反應(yīng)，銅在鐵表面上析出，并與鋼鐵基體形成微電池(Fe + Cu2+→ Cu↓ + Fe2+)，從而加速后續(xù)成膜過程。在溶液中，亞硒酸與金屬鐵和銅離子反應(yīng)形成黑色膜：

溶解在溶液中的 Fe2+被進(jìn)一步氧化成 Fe3+，并與反應(yīng)，生成黑色的Fe2(SeO3)3結(jié)晶而參與成膜。在有磷酸鹽和氧化劑存在的條件下，還可能有FeHPO4和 FePO4參與成膜，從而進(jìn)一步提高鍍層的抗腐蝕性及其與基體之間的結(jié)合力。

2 常溫快速發(fā)黑工藝

化學(xué)除油─熱水洗─水洗─強(qiáng)腐蝕─水洗 2道─二次化學(xué)除油─熱水洗─水洗─弱腐蝕─水洗 2道─常溫發(fā)黑─后處理。

2. 1 前處理工序

由于常溫發(fā)黑液呈酸性，不像高溫發(fā)黑液(為濃堿液)那樣還有除油功能，因此常溫發(fā)黑前，工件表面要求全潤水，才能保證后續(xù)黑膜的牢固度，否則，即便選用最好的常溫發(fā)黑劑，也不能生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。因此，鋼鐵常溫快速發(fā)黑的前處理工藝要求應(yīng)比高溫發(fā)黑更高。

生產(chǎn)經(jīng)驗證明，無論是單獨(dú)用除油劑，還是用添加了除油劑的低濃度三大堿除油液，都要在50 °C左右進(jìn)行操作，以加快除油速度。另外，采用3 ～ 5 min短時間除油、除銹交叉作業(yè)，能充分保證前處理的質(zhì)量。

2. 2 常溫發(fā)黑工序

2. 2. 1 常溫發(fā)黑濃縮液配方

配制時的注意事項：

(1) 氯酸鉀最后加入，目的是防止亞硒酸還原成紅色。

(2) 二氧化硒可代亞硒酸，配方量相同。

(3) 在1 L濃縮液中加入硝酸10 mL可使膜層更光亮、細(xì)致(經(jīng)試驗決定)。

(4) 在工作液中加入P(聚乙二醇)0.2 g/L效果更佳(經(jīng)試驗決定)。

2. 2. 2 發(fā)黑工作液的操作條件

將清洗后無油污、無銹斑的工件浸入發(fā)黑工作液中(用4份清潔水稀釋1份濃縮液)，浸泡4 ～ 8 min，其間每隔1.5 min上下抖動1次(切不可頻繁抖動)，待取得均勻一致的黑膜后取出，用流動水沖洗干凈。發(fā)黑液的使用溫度為15 ～ 35 °C。

2. 2. 3 發(fā)黑液的維護(hù)

(1) 新配發(fā)黑液使用一段時間后，溶液的藍(lán)綠色逐漸退去，pH由2.0 ～ 2.5逐漸上升到2.8 ～ 3.0，發(fā)黑所需時間逐漸延長，溶液逐漸變渾濁，并拌有白色沉淀產(chǎn)生，表明溶液已老化。此時可過濾澄清，分離沉淀物，然后添加濃縮液，待溶液pH恢復(fù)到2.0 ～ 2.5的范圍(可用0.5?5.0的pH精密試紙測量)內(nèi)，可繼續(xù)使用，實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。發(fā)黑工件生產(chǎn)數(shù)量大時，最好采用雙槽制：一槽生產(chǎn)，另一槽清理沉淀。

(2) 發(fā)黑槽停工時，用塑料蓋將溶液蓋嚴(yán)，防止空氣入內(nèi)，以減慢Fe3+生成速度而減少沉淀物的形成。

(3) 如果不是批量生產(chǎn)，發(fā)黑液配制以每批零件量計算，以一次性用完為好。這樣不但保證黑膜均勻、結(jié)合力好，而且避免發(fā)黑液存放過久而自我消耗、變質(zhì)。

(4) 在生產(chǎn)線設(shè)計中，發(fā)黑槽前的 2只清洗水槽要用硬塑板或鋼板槽內(nèi)襯軟塑料板制作，以防鐵槽生銹而污染清洗水，避免Fe2+被帶入發(fā)黑槽內(nèi)與反應(yīng)，從而延長發(fā)黑液的使用壽命。

(5) 小批量時用塑料籃，批量較大時用鈦籃、鈦框、鈦滾桶等，應(yīng)杜絕用鋼制籃，因其在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生 Fe2+而消耗發(fā)黑劑。鈦制品雖一次性投資大，但耐酸堿，又不與發(fā)黑劑起反應(yīng)，使用壽命10年以上，綜合核算之下還顯著降低了生產(chǎn)成本。

2. 2. 4 操作條件對常溫發(fā)黑質(zhì)量的影響

2. 2. 4. 1 pH

pH控制在2.0 ～ 2.5為宜。pH過低時氧化力強(qiáng)，反應(yīng)速度快，但鍍層疏松、結(jié)合不牢，抗腐蝕性能下降。另外，酸度高則鐵的溶解多，沉渣也多。

在反應(yīng)過程中，pH會逐漸上升，當(dāng)pH達(dá)2.8 ～ 3.0時，反應(yīng)速度變慢，膜層不連續(xù)，外觀差。此時發(fā)黑液已老化，需補(bǔ)充濃縮液來調(diào)整pH。

2. 2. 4. 2 溫度

最佳使用溫度范圍是15 ～ 35 °C。溫度低時，反應(yīng)速度慢，膜層的黑度和均勻性都差。此時可將發(fā)黑液溫度適當(dāng)提高。

溫度高于40 °C時，反應(yīng)速度過快，黑膜與基體的結(jié)合力不好。

2. 2. 4. 3 時間

時間長短應(yīng)視工件材質(zhì)、發(fā)黑液新老程度和使用溫度而定。一般新配發(fā)黑液的處理時間為3 ～ 5 min。隨著發(fā)黑液成分的消耗和pH的升高，發(fā)黑時間要適當(dāng)延長到4 ～ 8 min。

發(fā)黑時間太短則膜不連續(xù)，且黑度不足；時間過長，膜厚而疏松，結(jié)合力差。

2. 3 發(fā)黑后處理

根據(jù)工件需要，可從以下4種工序中選擇：

(1) 常溫發(fā)黑─水洗2道─浸脫水防銹油(浸泡1 ～ 2 min)。

(2) 常溫發(fā)黑─水洗 2道─沸水脫水[加入 0.1% (質(zhì)量分?jǐn)?shù))十二烷基硫酸鈉，可增強(qiáng)抗蝕性]─根據(jù)需要可浸涂或噴涂封閉劑(如過氯乙烯防腐清漆、丙烯酸清漆、聚氨酯清漆等)。浸封閉劑后，能提高黑膜的黑度、光澤和耐磨性。

(3) 常溫發(fā)黑─水洗2道─浸皂液(3 ～ 5 g/L香皂、溫度＞90 °C)─浸20#機(jī)油(溫度＞115 °C)。

(4) 常溫發(fā)黑─水洗─浸 30 ～ 40 g/L磷酸三鈉(pH = 8 ～ 9，可提高結(jié)合力)─水洗─浸油。

注意事項：

(1) 零件發(fā)黑后要經(jīng)清水反復(fù)清洗干凈，否則發(fā)黑膜的耐蝕性會下降。

(2) 發(fā)黑零件經(jīng)充分清洗后，應(yīng)立即浸入脫水防銹油中，浸泡時間至少2 min，并且一定要抖動幾次，使油完全浸潤零件表面，起到封閉和防銹的作用。也可在含肥皂3 ～ 5 g/L的溶液中浸泡，干燥后浸熱機(jī)油。

3 發(fā)黑中常見故障的產(chǎn)生原因及排除方法

3. 1 發(fā)黑膜層不連續(xù)

(1) 工件去油不徹底，應(yīng)加強(qiáng)去油。(2) 清洗不徹底，應(yīng)以熱水洗。

(3) 工件重疊，應(yīng)從夾具設(shè)計上解決。

3. 2 發(fā)黑膜疏松、浮色嚴(yán)重

(1) 零件表面有油膜，應(yīng)加強(qiáng)除油處理；或酸洗質(zhì)量差，應(yīng)加強(qiáng)酸洗處理。

(2) 發(fā)黑液濃度過高，應(yīng)加水稀釋。

(3) 發(fā)黑時間太長，應(yīng)縮短發(fā)黑時間。

3. 3 黑膜太淡

(1) 發(fā)黑時間太短，應(yīng)延長發(fā)黑時間。

(2) 發(fā)黑液太稀，應(yīng)添加濃縮液。

3. 4 膜層光澤差、有銹斑

(1) 發(fā)黑后清洗不徹底，膜層中有殘余發(fā)黑液，應(yīng)加強(qiáng)清洗。

(2) 脫水油中水分多，應(yīng)排除水分。

(3) 脫水時間短，應(yīng)延長時間。

(4) 脫水油溫低，應(yīng)提高溫度。

3. 5 膜層發(fā)花

(1) 前處理不徹底，應(yīng)加強(qiáng)前處理。(2) 發(fā)黑時間短，應(yīng)延長發(fā)黑時間。

4 其他說明

(1) 發(fā)黑件膜層的附著力隨著存放時間的延長而提高。發(fā)黑工件用脫水防銹油封閉后，最好存放24 h后才使用。

(2) 一般碳鋼和合金鋼件表面的膜層呈黑色或藍(lán)色，鑄鐵件上呈褐色。

(3) 該發(fā)黑液不僅適用于一般零部件的浸泡發(fā)黑，也適用于大型零件的涂刷發(fā)黑。

(4) 該發(fā)黑液在發(fā)黑過程中會有少量沉淀產(chǎn)生，但不影響發(fā)黑質(zhì)量。

(5) 發(fā)黑件浸油放置24 h后，用手稍用力擦拭時有輕微浮色是正?，F(xiàn)象。如發(fā)現(xiàn)浮色嚴(yán)重，應(yīng)檢查前處理是否徹底，或者發(fā)黑液是否過濃。

(6) 根據(jù)經(jīng)驗，1 kg濃縮液可處理60 ～ 100 kg鋼鐵件(與表面積有關(guān))。

(7) 不合格發(fā)黑膜的返修，可用 10%(體積分?jǐn)?shù))的稀硝酸去除黑膜后重新發(fā)黑。

Rapid blackening process at room temperature for steel and iron workpiece and its maintenance //

WANG Zong-xiong*, CHU Rong-bang

The principle of blackening at room temperature was described. A room-temperature blackening process for steel and iron workpiece was introduced. The process flow mainly consists of chemical degreasing, strong etching, secondary chemical degreasing, slight etching, blackening, and post-treatment. The blackening bath is composed of CuSO4·5H2O 20 g/L, KNO33 g/L, H2SeO320 g/L, Ni(NO3)2·6H2O 5 g/L, 85% H3PO45 mL/L, C6H8O7·H2O 12.5 g/L, Na2MoO4·2H2O 15 g/L, and KClO31 g/L. The effects of temperature, pH, and treatment time on the quality of blackened coating were discussed. Some items needing attention during routine maintenance of the blackening bath were pointed out. The countermeasures for common faults, such as nonintegrated or loose coating, insufficient blackness, poor luster, rusty spot, and blurring, were given.

steel and iron; room-temperature blackening; pretreatment; post-treatment; troubleshooting

Ningbo Electroplating Industry Association, Ningbo 315016, China

TG174.451; TG178

A

1004 – 227X (2011) 12 – 0045 – 03

2011–06–22

王宗雄（1937–），男，浙江紹興人，中專，工程師，主要從事電鍍工藝、電鍍助劑的研發(fā)。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) nbeaw@126.com，(Tel) 0574–87395506。

[ 編輯：溫靖邦 ]