鋼鐵高溫氧化發(fā)黑原理與效果

時間：2019-06-24作者：溫州薏境清洗劑有限公司瀏覽：241

鋼鐵高溫氧化發(fā)黑




當鋼鐵處于潮濕的大氣中時，在它的表面上形成了微電池，在氧的作用下鋼鐵表面上就形成了鐵銹。由于它非常疏松并且易吸濕，因而促使潮濕的大氣繼續(xù)對鋼鐵進行腐蝕，直至破壞。如果在鋼鐵表面上形成一層致密的磁性氧化鐵(Fe3O4)薄膜，就能使鋼鐵具有一定

鋼鐵表面上的磁性氧化鐵(Fe3O4)薄膜，可以通過多種途徑獲得。

       將鋼鐵表面置于溫度高達570℃以上的過熱蒸汽中進行化學反應、將鋼鐵放在高溫鹽浴爐中加熱、將鋼鐵放在含氧化劑的濃堿溶液中進行處理，均可以在鋼鐵表面上形成一層磁性氧化鐵薄膜。

      為了對鋼鐵零件表面進行裝飾防護，采用在含氧化劑的濃堿溶液中進行化學處理的工藝，比使用其他方法較易實施，工藝過程易于質量控制。表面處理工藝習慣將該工藝稱為“堿性氧化”。由于磁性氧化鐵薄膜(Fe3O4)呈藍黑色或黑色，所以，也有人稱該工藝為“發(fā)黑”或“發(fā)藍”工藝。

堿性氧化膜層的結構、外觀和防護性能，在很大程度上是隨著它的厚度不同而變化的。當膜層非常薄(0.02μm～0.04μm)的時候，對于鋼鐵表面的外觀和抗大氣腐蝕性能沒有任何作用。當膜層的厚度**過2.5μm時，顏色發(fā)暗，有時呈灰黑色。由于膜層與基體的結合力差，所以膜層的抗擦拭能力很差。較適宜的膜層厚度通常在0.6μm-lμm的范圍內。這時的膜層外觀呈藍黑色或黑色，有光澤，與基體結合牢固，有很好的抗擦拭能力。

如果鋼鐵零件堿性氧化之后再浸防銹油脂或蠟，那末膜層的抗鹽霧試驗能力就可以提高到24h～150h。堿性氧化工藝特別適合于處理需要用黑色進行裝飾的、并在良好條件下使用的精密機械產品零件，例如，精密機床零件、光學產品零件、產品零件、儀器儀表零件、液壓控制系統(tǒng)器件等。由于膜層很薄，因此不會影響產品的裝配。

鋼鐵零件的堿性氧化是在處于沸騰溫度條件下含有硝酸鹽和亞硝酸鹽的濃堿溶液中進行處理的。溶液中堿的濃度和零件處理時溶液的溫度是否處于微沸條件下，對膜層的成膜過程、外觀、抗大氣腐蝕性能起著決定性的影響。

    鋼鐵堿性氧化成膜過程的機理比較復雜，前蘇聯科學 

                           曾對此提出了一個簡易明了的見解。他認為鋼鐵的堿性氧化是一個電化學過程，由于鋼鐵表面微電池的作用，使鐵溶解成為二價鐵離子，并在鋼鐵表面附近含有氧化劑的溶液中發(fā)生下面的化學反應，生成亞鐵酸鈉鹽：

    3Fe＋5NaOH＋NaNO2→3Na2FeO2＋H2O＋NH3↑

鐵酸鈉鹽在溶液中被氧化劑繼續(xù)氧化,生成高鐵酸鈉鹽：

    6Na2FeO2＋NaNO2＋5N2O → 3Na2Fe2O4＋7NaOH＋NH3↑

     有人認為，亞鐵酸鹽被氧化成高鐵酸鹽是通過形成一種鐵的亞硝基中間化合物Fe(NO)m，過渡完成的，氧化的速度受制于Fe(NO)m生成的速度，氧化劑含量高，則Fe(NO)m，的生成速度加快。通常亞鐵酸鹽只能部份的被氧化成高鐵酸鹽。

由于零件表面附近的溶液中既含有亞鐵酸鈉又含有高鐵酸鈉，因此二者又通過下列化學反應，相互作用生成磁性氧化鐵(Fe3O4)。          

    Na2FeO2 + Na2Fe2O4+2H2O → Fe3O4 + 4NaOH

     當溶液中的磁性氧化鐵達到過飽和狀態(tài)時，磁性氧化鐵晶體就開始在零件的表面上沉積出來并形成晶核，通過晶核的成長形成了致密的磁性氧化鐵膜層。

    高鐵酸鈉一方面會與亞鐵酸鈉反應生成磁性氧化鐵，同時也會通過水解生成三價鐵的氧化物，通常稱為紅色氧化物：

    Na2Fe2O4 + (m+1)H2O → Fe2O3mH2O + 2NaOH

    生成的紅色氧化物一般都沉于槽底。

由于在通常的條件下生成磁性氧化鐵的反應速度慢于高鐵酸鈉水解生成三氧化二鐵紅色氧化物的速度，因此生成紅色氧化物是不可避免的。如果高鐵酸鈉水解的反應控制不當的話，紅色氧化物就可能隨磁性氧化鐵一起沉積于零件的表面上，一方面影響了磁性氧化鐵膜層的致密性，另一方面因很難從零件表面上將其擦掉，從而損壞了磁性氧化鐵膜層的外觀，造成不合產品。

膜層的厚度隨著溶液中堿的濃度升高而有所增加。由于溶液中堿的濃度與溶液的沸點具有對應的關系，因此也可以說，膜層的厚度將隨著堿性氧化溶液沸騰溫度的升高而有所增加。

    

     隨著溶液沸騰溫度的升高，高鐵酸鹽與亞鐵酸鹽反應生成磁性氧化鐵的速度相應的減慢，同時磁性氧化鐵在堿溶液中的溶解度也在增加，零件表面附近溶液中的磁性氧化鐵就不像溫度低一些的時候那樣容易達到過飽和狀態(tài)，因此在零件表面上沉積出來的晶核相應要少，晶核要生長得大一些才能較終形成比較致密的氧化膜，所以膜層就會增厚。當鋼鐵堿性氧化的工藝溫度**過175℃時，鋼鐵表面上已不能生成磁性氧化鐵膜層。

在堿性氧化溶液中通常使用硝酸鈉、硝酸鉀、作為氧化劑。硝酸鈉可以與儀器使用，也可以單獨使用。如果單獨使用硝酸鹽時，常使用硝酸鉀。

    為氧化劑時，膜層色澤呈藍黑色，有光澤；

    硝酸 鹽為氧化劑時，膜層色澤偏黑，略暗。

    膜層色澤與鋼鐵的成分也有較大關系，含碳量低，較難成黑色，反之容易成黑色。




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