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(一)概述
以上介紹的鋼鐵著色工藝是傳統(tǒng)的高溫氧化成膜工藝，但由于溫度高，能耗大，操作環(huán)境差，酸堿的消耗量大，成本也相對較大。20世紀(jì)80年代研究開發(fā)了一種鋼鐵常溫發(fā)黑工藝。這種工藝與高溫發(fā)黑工藝相比，具有不受鋼材種類限制、節(jié)能、高效、操作方便、無毒患、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)先后在南京及長江三角洲地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)、成都、重慶、自貢等地的廠家生產(chǎn)配制鋼鐵常溫發(fā)黑劑出售。有些用戶使用并取代原有的高溫氧化發(fā)黑工藝，用于工具、設(shè)備零配件、模具等鋼鐵制件的表面處理，取得了一定的經(jīng)濟(jì)、社會效益，但從多年的使用情況看也存在不少問題，與高溫氧化發(fā)黑相比，各有特點(diǎn)。
根據(jù)資料的報道，目前國內(nèi)外常溫發(fā)黑劑的配方主要有兩種類型。一種為SeO2和CuS04組成的酸性系列。另一種是不含Se02的無毒配方。含Se02和CuS04組成的體系是通過優(yōu)化催化劑、表面活性劑、絡(luò)合劑的種類和含量，以取得結(jié)合力好、耐磨性、耐蝕性能強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)膜層。不含SeOz的配方，則是選擇適當(dāng)?shù)拇呋瘎⒈砻婊钚詣┻_(dá)到發(fā)黑的要求。如文獻(xiàn)中提到的多雜酸-CuS04發(fā)黑工藝、Cu-S鋼鐵無毒化學(xué)發(fā)黑劑及CuS04-KCl03配方等。
(二)鋼鐵常溫發(fā)黑的原理
常溫發(fā)黑的過程比較復(fù)雜，成膜著色機(jī)理也未完全清楚。根據(jù)許多文獻(xiàn)資料報道認(rèn)為，Se-Cu系常溫成膜發(fā)黑過程中有氧化一還原反應(yīng)、擴(kuò)散沉淀反應(yīng)以及電化學(xué)反應(yīng)等。它的主要反應(yīng)首先是產(chǎn)生銅的置換反應(yīng)，然后銅再與硒鹽發(fā)生氧化一還原反應(yīng)，并生成一層黑色的硒化銅薄膜，覆蓋于鋼鐵的表面。
Fe+Cu2+ → Fe2++Cu
CuZ++Sd2-→ CuSe
Fe2++Se2-→ FeSe
從上述反應(yīng)可看出，著色的膜不是鋼鐵基體本身轉(zhuǎn)化而成，而是主要由CuSe沉積在工件表面構(gòu)成，因此常溫發(fā)黑的膜其附著力及耐磨性都低于高溫氧化生成的黑膜。要改善常溫發(fā)黑膜的性能，只能靠控制反應(yīng)速度、添加有利于增加表面結(jié)合力的活性劑等各項(xiàng)措施。
(三)常溫發(fā)黑的溶液配方及工藝
鋼鐵常溫發(fā)黑溶液的配方及工藝條件見表3-4。
表3-4鋼鐵常溫發(fā)黑溶液的配方及工藝條件
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溶液成分及操作條件 |
1 |
2 |
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硫酸銅／(g／L) 亞硒酸／(g／L) 磷酸 三乙醇胺／(mL／L) 磷酸二氫鉀／(g／L) 焦磷酸鉀／(g／L) 檸檬酸銨／(g／L) 有機(jī)酸／(g／L) 添加劑／(g／L) 表面活性劑／(g／L) 溶液pH 處理時間／min |
2～4 1.5～4 10～20mL／L 10～20 1～2 2～4 2～4 2～3.5 2.5～4.5 |
1～3 2～3 2～49／L 1～2 10～12 2～3 2～3 4～6 |
(四)鋼鐵常溫發(fā)黑的應(yīng)用實(shí)例
①某地東方鍋爐股份有限公司自1989年開始應(yīng)用常溫發(fā)黑工藝，先后使用了南京、重慶、成都等地廠家生產(chǎn)的鋼鐵常溫發(fā)黑劑，部分取代原有的堿性高溫發(fā)黑工藝，應(yīng)用于各種設(shè)備零配件、工具、模具等的表面發(fā)黑處理，根據(jù)多年來的統(tǒng)計結(jié)果表明，常溫工藝總成本能夠降低20％～30％，減少污染所帶來的社會效益是采用常溫法的重要原因，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，但也認(rèn)為有不少問題有待改進(jìn)。
②該公司采用的工藝流程為：除油→漂洗→酸洗→漂洗→發(fā)黑→漂洗→檢查→千燥→浸脫水防銹油→檢驗(yàn)。
常溫發(fā)黑和堿性發(fā)黑工藝比較，工藝流程中的前處理和后處理工序都相同，但是常溫發(fā)黑的要求更嚴(yán)格，必須保證發(fā)黑前除油、除銹徹底干凈，發(fā)黑后必須使用脫水的防銹油，否則會生銹。
③該公司使用的常溫發(fā)黑溶液配方及工藝見表3-4中配方2。將配制好的溶液以l：4的比例加水開槽，常溫下浸漬4～6min。
④生產(chǎn)應(yīng)用中需解決的問題及方法前處理方面，通過研制除油能力更強(qiáng)的油污清洗劑或加入表面活性劑用于除油工序；設(shè)計有利于除油的工裝和夾具；特別小的零件可用滾筒或其他專用設(shè)備清洗；適當(dāng)延長酸洗和漂洗的時間。
發(fā)黑工藝方面，要通過添加更有利于提高膜層結(jié)合力和耐磨性的催化劑、活性劑、絡(luò)合劑等，以進(jìn)一步提高膜層的質(zhì)量；通過研制綜合性能好的無毒常溫發(fā)黑劑以解決發(fā)黑劑的沉淀問題，使溶液的維護(hù)更簡單方便；還要進(jìn)一步降低發(fā)黑劑的成本；減少或不用有毒而昂貴的硒化物；發(fā)黑后的封閉浸脫水防銹油的時間控制在3～5min.
