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HH902钢铁常温发黑剂配套工艺研究
未知 2010/8/7 11:57:39

1、前言

钢铁常温发黑处理,能在不改变被处理件尺寸精度的情况下形成黑色氧化膜。这层氧化膜可减少滑动面或支撑面的磨擦,有装饰及减少光反射作用,经过防腐处理能提高机械零件防腐性能,是机械、兵器等行业应用普遍的一种表面处理技术。

   传统钢铁发黑是在135~150高温下处理30~90min,生产周期长,能耗大,劳动条件差,环境污染严重。许多研究者对钢铁发黑工艺做了很多研究工作,也相继出现了一些产品,由于该工艺在常温下操作,无高温碱性蒸汽影响环境,又节约能源,发黑速度快而受到市场的欢迎,由于发黑膜结合力不牢,使这一工艺不能迅速推广。

   我们在研究了国内外经验的基础上,针对以上问题,经过多年的反复研究与生产考验,于90年推出HH902钢铁常温发黑剂,并接着研究出清洁生产、节能的配套工艺及产品,使我国的常温发黑技术向前推进了一大步。

2、常温发黑成膜机理

常温发黑机理目前尚无统一意见,由于发黑膜很薄(通常不超过2µm),用X光衍射仪和电镜扫描分析,也难以作出准确的判断,电镜扫描测得膜层成分为:

se:  37.11%      s:  1.26%     Cr:  0.74% (钢铁含Cr)

Fe:  20.33%     Cu: 11.63%     O:  28.91%

从这些成份中可以看出,常温发黑膜成分不是如碱性发黑膜Fe3O4,而是成分较为复杂的膜层,对成膜机理推断为:

2.1钢铁基体与铜离子发生置换反应,析出的铜吸咐在基体表面,形成Fe-Cu电池,加速成膜速度。

Fe+Cu2+ Cu+Fe2+

2.2在弱酸条件下与FeCu反应生成黑色物质形成黑膜。

 3Cu+3H2SeO32CuSeO3+CuSe+3H2O

H2SeO3+3Fe+4H+3Fe2++Se2-+3H2O

 Cu2++Se2-CuSe(黑色)

2.3反应生成的Fe2+被空气中的O2氧化生成Fe3+转化为Fe2(SeO3)3参加成膜

 4Fe2++O2+4H+4Fe3++2H2O

  2Fe3++3SeO32-Fe2(SeO3)3

2.4与此同时,还会在铁和空气中氢氧的伴生下产生Fe3O4

  2Fe3++Fe2++8OH-Fe3O4+4H2O

上述反应发生很快,从边缘向中心推移2~5分钟形成一层致密连续的黑色氧化膜。值得注意的是:发黑工件从槽内取出后氧化反应并末结束,在空气中氧的作用下继续缓慢的进行,延续时间可达数十小时至一百小时才能结束。这就是所谓的“后效”作用。

3HH902常温发黑剂的基本特点

钢铁表面要获得良好的常温发黑膜,首先必须要有一种优质的发黑剂,这是常温发黑的物质基础,HH902除具备一般常温发黑剂、节能、环保、投资少见效快的工艺特点外,其可靠性、先进性表现于:

3.1使用性能优越:对各种钢号适应性强,除能处理高、中碳钢、低合金钢外,还能处理包括08F冷轧钢板在内的低碳钢,解决了常温发黑技术中普通存在的一个难题;

3.2储存性能稳定,单组份溶液贮存两年以上;

3.3发黑件外观和耐蚀性符合Q/OJB001-2005WJ535-82DIN50938(德国标准)及本企业参加制定的GB/T15519-2002国家标准;

3.4发黑膜耐蚀性检查可在生产过程完成后随即进行,无需等待长时间后效;

3.5发黑膜结合力好,耐磨性优于国内同类产品性能;

3.6配套工艺较为完善,适应清洁生产要求,工作环境清新。

4、清洁生产、节能工艺流程

4.1、典型工艺流程:

除油→水洗→除锈活化→水冲洗→漂洗→常温发黑→漂洗→无铬钝化→漂洗→浸脱水防锈油

以上工艺流程可概括为:前处理→常温发黑→后处理三个阶段

4.2前处理:

包括除油和除锈活化两道工序,这是常温发黑成败的关键,总的要求是被处理件除油务必彻底,表面活化要好,前者一般都比较重视,而对表面活化往往重视不够。表面活化程度与膜的结合力成正比,若要得到好的发黑膜,必须使零件表面具有很好的活性,显露出新鲜的基体,才能使钢铁表面在常温条件下发生黑色氧化反应,而且要在2~5分钟的短时间内形成高质量的黑色氧化膜,针对目前用户的实际情况,推荐以下工艺流程可供选择:

流程一:HH922A中温除油→水洗→HH942常温除锈活化→水冲洗→水漂洗→常温发黑

此流程适合于油污不多,也无厚氧化皮的零件,只要各道工序处理时间到位,质量稳定,成本低。HH942具有抑雾、缓蚀作用,工作环境无酸雾。

流程二、喷砂→水洗→常温发黑

此工艺流程适合零件表面有厚氧化皮、厚油污及难以用酸活化的高硅钢、高锰钢、高铬钢等零件。喷砂机可选用密封式或水性喷砂机,以保护环境,实现清洁生产。目前喷砂机生产厂家已推出各种型号的产品,性能都考虑了适用清洁生产的要求。

流程三、超声波除油→水洗→除锈活化→水洗→常温发黑

些流程适用于有深孔、盲孔和形状复杂的零件。超声波除油已在珠江三角地区、长江三角地区应用于发黑工艺,如果酸洗活化也能用超声波设备,即效果是又快又好。

4.3常温发黑处理:

经前处理好的工件即可转入常温发黑处理

4.3.1配制槽液:成品HH902为浓缩液,加4~6倍水(不能用井水)稀释成工作液,铸铁、铸钢、粉末冶金等材质疏松的零件,工作液要加5~6倍水,其它钢材加4倍水,工作液宜淡勿浓,少加水反而不好。

4.3.2发黑处理:工件进入常温发黑槽1分钟后,可将工件上、下抖动数次,使表面充分接触发黑剂,时间2~5分钟,活化好的零件表面很快就形成黑膜,视黑膜均匀呈灰黑色即可,发黑件出槽后,在空气中停留1~2分钟再水洗,可充分利用表面的残液,减少发黑剂的消耗。

4.3.3槽液维护与调整:

a、保持槽液清洁:进入发黑槽之前,工件一定要流动水清洗两道,避免将上道工序的残液带到发黑槽中,使发黑液提前老化,降低发黑量,增加成本。

b、注意PH值:使用中发黑液组份不断消耗,PH值会渐渐升高,当PH值升到2.5应加以调整。先将溶液过滤去沉淀,再加入HH902浓缩液,适量加入清洁水搅拌,使PH值恢复到2~2.5之间,可继续使用,调整2~3次需要换槽液。

c、小批量生产:可采用一次按需要量配好,新配工作液发黑时间为1~2分钟,随着PH值上升,发黑时间适当延长,直到不能用为止,一般最长发黑时间6~7分钟。

d、利用“后效”:常温发黑工件完成操作过程后,表层中的化学反应并未最后完成,在空气中氧的作用下,还会缓慢进行,时间达到数十小时至一百小时,这一转化过程能提高膜的强度和附着力,黑度、均匀性也有所提高,充分利用“后效”作用,可减少发黑时间,降低成本。

由于发黑剂为酸性,发黑过程中铁基体被溶解,生成铁和盐类的沉淀物,必须即进清除,可用沉淀法或过滤法,保持槽液清澈,性能稳定。

4.4后处理:

HH902常温发黑后处理有三种方法可供选择,后处理目的在于加强装饰及防腐。

4.4.1发黑工件水洗→沥水片刻→浸脱水防锈油。此工艺常温下使用,节能、环保、防锈期一年以上。

4.4.2发黑工件水洗→沥水片刻→无铬钝化→脱水防锈油。此工艺常温操作节能、环保、防锈二年。

4.4.3发黑件洗净→无铬钝化→水溶性封闭剂→干燥→再浸一次水溶性封闭剂→烘干。此工艺适合不能浸油的工件,防锈期半年以上,一年以内。

5、发黑处理质量检测

HH902常温发黑后的工件生产过程完成后,即可进行检验。原检验方法是按兵器部WJ535-82标准。2002121国家质检总局颁布实施GB/T15519-2002国家标准,该标准内容与国际接轨,适应我国加入WTO后,机械加工件黑氧化膜产品的出口检验,有了国标依据。

长沙军工民用产品研究所是该标准的制定单位之一,笔者也是起草人之一。对标准的执行,宣贯有一定的责任。

5.1检测内容

5.1.1外观和表面质量有一系列明确规定(请参见标准)这里不详细论述。

5.1.2耐草酸试验:将50g草酸溶于1L蒸馏水或去离子中,室温下在覆盖黑色氧化膜表面的一个平整部位上滴三滴(约0.2ml)这种溶液30S8min内应发生反应。8min后对表面进行清洗,干燥,并将其与图1至图3进行比较,判断是否合格。

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