鋼鐵高溫堿性氧化常見缺陷及糾正方法

王洪奎

(天津自行車三廠，天津 300163)

鋼鐵高溫堿性氧化常見缺陷及糾正方法

王洪奎

(天津自行車三廠，天津 300163)

鋼鐵堿性氧化處理是防止零件銹蝕的防護(hù)手段之一。氧化膜具有防腐蝕和修飾零件功能。由于氧化處理工藝過程和對設(shè)備的要求都比較簡單、生產(chǎn)效率很高，被許多制造行業(yè)廣泛采用。從生產(chǎn)實(shí)踐出發(fā)，對氧化處理工藝中氧化膜的常見缺陷進(jìn)行初步分析，提出操作環(huán)節(jié)中的解決方法。關(guān) 鍵 詞:鋼鐵零件;氧化處理;氧化膜;缺陷;糾正方法

引 言

鋼鐵在自然環(huán)境中由于空氣中氧的作用會(huì)自然生成氧化物薄膜。自然形成的氧化膜會(huì)使金屬表面具有一定的鈍化性質(zhì)，但不能可靠地防止銹蝕，這是由于氧化膜多孔、疏松和不均勻。

為提高鋼鐵零件的防護(hù)性能，可以采取化學(xué)和電化學(xué)方法使鋼鐵表面形成一層人工氧化膜。該方法即為鋼鐵件的氧化處理(又稱發(fā)藍(lán)或煮黑處理)。目前采用最多的是堿性氧化。鋼鐵件在氫氧化鈉和亞硝酸鈉組成的溶液中在適宜的溫度下能生成Fe3O4(磁性氧化鐵)的連續(xù)、致密的氧化膜［1］。氧化膜具有一定的防腐蝕能力。其厚度很薄(約0.6～1.5μm)，不會(huì)影響零件的配合尺寸。因此在機(jī)械、兵器、電子、儀表及日用五金等領(lǐng)域生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。

本文擬對氧化處理工藝中常見缺陷，從工藝流程和操作環(huán)節(jié)提出一些應(yīng)對方法。供業(yè)內(nèi)同行借鑒與交流。

1 氧化膜生成緩慢或膜薄

氧化液的主要成分是NaOH和NaNO2。NaOH是主要成膜物質(zhì)，氧化處理是在沸騰溶液中進(jìn)行的，溶液沸點(diǎn)通常在130～150℃范圍內(nèi)，溶液沸點(diǎn)主要隨ρ(NaOH)而變化，因此ρ(NaOH)是調(diào)節(jié)氧化處理操作溫度規(guī)范的主要因素，ρ(NaOH)與溶液沸點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系如表1所示［2］。

表1 NaOH質(zhì)量濃度與氧化液沸點(diǎn)對照表

ρ(NaOH)過低會(huì)造成氧化膜生成緩慢或膜薄，當(dāng)氧化液加熱到某種鋼鐵材料的氧化規(guī)范溫度時(shí)溶液沒有達(dá)到沸騰狀態(tài)，就說明NaOH不足。

氧化液中的氧化劑為NaNO2，ρ(NaNO2)過低會(huì)造成氧化膜疏松、顏色及光澤均不良。為使氧化膜成膜快、膜層正常，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1)新配制氧化液采用合理的工藝配方，無論采用哪種配方，ρ(NaOH)應(yīng)高于 650g/L，ρ(NaNO2)應(yīng)高于150g/L。

2)為使新溶液正常投產(chǎn)，可在溶液中加一些舊液或鐵屑;如配液采用工業(yè)級(jí)NaOH，只須用廢件試煮1～2槽即可。

3)為使溶液沸點(diǎn)迅速提高，可向氧化液中補(bǔ)加NaOH，以粒狀或棒狀原料最好;工業(yè)級(jí)原料應(yīng)砸成小塊，以便于溶解。從實(shí)踐可知，ρ(NaOH)增加15g/L，氧化液沸點(diǎn)升高1℃左右。

4)溫度是氧化處理最重要的工藝參數(shù)，一定要準(zhǔn)確掌控。為此，氧化槽應(yīng)配備熱電偶溫度顯示器。也可以用普通玻璃溫度計(jì)測量溫度，為了防止溫度計(jì)被堿蝕及損壞，可將0～300℃玻璃溫度計(jì)放在細(xì)鐵管內(nèi)，鐵管浸入槽內(nèi)的一端封閉，管內(nèi)灌裝防銹油，置于槽內(nèi)一側(cè)便于觀察的地方。

2 氧化膜呈紅色或表面有紅色掛灰

造成氧化膜是紅色的原因是溶液濃度過高;氧化膜上有紅色掛灰則是由溶液中雜質(zhì)含量過高所致［3］。應(yīng)采取以下措施:

1)ρ(NaOH)和ρ(NaNO2)過高時(shí)，通過加水稀釋溶液調(diào)整至正常規(guī)范。

2)及時(shí)撈出掉落在槽中的零件，防止溶液中鐵離子積累過多。

3)面積較大的工件表面輕微發(fā)紅色，可能是由于Fe3O4生成的同時(shí)，有Fe2O3·xH2O沉淀，可在零件完成浸油處理后，用刷子將紅色膜刷掉。

4)氧化液長期工作，F(xiàn)e(OH)3逐漸升高，ρ(Fe3+)＞2g/L時(shí)應(yīng)清理溶液。方法是稀釋溶液，使θ沸點(diǎn)降至于115～120℃，靜置使Fe(OH)3沉淀，然后傾倒上部溶液，除去沉淀物，再補(bǔ)加NaOH提高θ沸點(diǎn)至工藝要求。

5)對氧化膜色澤和厚度均要求較高的零件(如某些軍品生產(chǎn)零件)采取二次氧化(雙槽氧化)。零件先在規(guī)范溫度下限槽中進(jìn)行第一次氧化，時(shí)間5～10min(形成氧化膜晶核)，然后不經(jīng)清洗立即轉(zhuǎn)入第二槽繼續(xù)氧化(使氧化膜成片并加厚)，第二次氧化的溫度高于第一次氧化，直至氧化到規(guī)范溫度的上限時(shí)出槽。二次氧化是防止氧化膜帶紅色掛灰的有效辦法。

3 氧化膜色澤不均勻或出現(xiàn)花斑

產(chǎn)生此類缺陷的原因主要是前處理不良及氧化過程中零件相互遮掩或粘連等。糾正方法:

1)氧化工藝的前處理與電鍍是相同的，不容忽視，除油、去氧化皮和酸浸蝕工序一定要到位，保證前處理質(zhì)量。

2)經(jīng)常用帶小孔的漏勺或鐵絲網(wǎng)布將氧化液雜質(zhì)和污物清除，防止沾附在工件上。

3)在氧化過程中，盡量不要中途加水或補(bǔ)充NaOH，以免引起溫度較大波動(dòng)，影響氧化膜質(zhì)量。

4)形狀復(fù)雜工件氧化時(shí)應(yīng)用專用掛具，注意裝卡位置，不能使零件的凹進(jìn)部位滯留空氣形成氣袋。

5)較小的零件裝載在籃筐內(nèi)氧化時(shí)，裝載量不能過大，氧化過程中應(yīng)操動(dòng)天車使零件在氧化槽中上下移動(dòng)數(shù)次，促使溶液充分流動(dòng)，防止零件互相粘連或重疊在一起。

6)在氧化過程中，每隔5～10min從氧化槽中提出掛具或籃筐在冷、熱水槽中清洗一下再繼續(xù)氧化。

4 零件氧化后或庫存期間表面泛白斑

產(chǎn)生原因?yàn)?氧化后清洗不良;干燥不徹底;皂化及浸油處理溫度低或有雜物。糾正辦法:

1)加強(qiáng)氧化后清洗，對形狀復(fù)雜或有窄縫、盲孔的零件不易清洗的部位，用熱風(fēng)吹出殘留堿液，然后清洗干凈。

2)皂化處理液用純凈水配制，用3%～5%肥皂液，θ皂化為85～90℃，皂化后將零件徹底晾干再浸油。皂液中如凝結(jié)棉絮狀渾濁物應(yīng)及時(shí)更換新液。

3)浸油處理要使用純凈的中性防銹油，10#機(jī)油或變壓器油，θ浸油為105 ～110℃，t浸油為5 ～10min，油中不能含氧化物質(zhì)。

5 氧化膜耐蝕性差，局部容易產(chǎn)生銹跡

造成氧化膜耐蝕性能較差的原因很多，除以上指出的影響因素外，氧化處理的時(shí)間是主要因素。從生產(chǎn)中觀察到，碳鋼材料的零件在氧化處理時(shí)氧化膜生成速度較快，只需10～15min表面已經(jīng)形成了藍(lán)黑色的膜層。再繼續(xù)氧化，膜層顏色變化不大;但經(jīng)3%CuSO4·5H2O溶液點(diǎn)滴試驗(yàn)，就可以明顯看到:t氧化為40min比t氧化為15min的氧化膜耐腐蝕性能要高得多。在生產(chǎn)實(shí)踐中，操作者往往只注重氧化膜的生成速度和顏色，而忽略其耐蝕性，t氧化不足是常有的事。這就導(dǎo)致零件使用過程中氧化膜容易銹蝕。因此只有足夠的氧化處理時(shí)間，才能保證氧化膜有優(yōu)良的耐腐蝕能力。

另外還應(yīng)指出，不同含碳量和合金成分的鋼鐵材料氧化處理的溫度和時(shí)間及氧化膜的色澤也有不同［4］。表2列出了不同鋼鐵材料的氧化規(guī)范及色澤，只有遵循正確的操作規(guī)范，才能獲得理想的氧化膜。至于外觀顏色有輕微差異，是允許的，因?yàn)檫@并不影響氧化膜的抗腐蝕能力。

表2 不同鋼鐵材料的氧化處理規(guī)范與外觀顏色

6 結(jié)語

鋼鐵零件氧化處理的關(guān)鍵是掌控好ρ(NaOH)和ρ(NaNO2)及相互間的比例。提高除油、除銹、氧化、皂化及浸油工序的質(zhì)量是獲得優(yōu)良氧化膜的保證。相對于其它表面處理工藝，氧化處理雖不復(fù)雜，但更較多地依賴操作者的專業(yè)技能和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。有的資料介紹在堿性氧化處理液中加入硝酸鈉、硝酸鉀、鉻酸鉀及磷酸鈉等成分，目的是改善氧化膜的外觀及性能，但實(shí)踐證明效果并不明顯，過多成分的加入反而使溶液的管理復(fù)雜化。還有的添加氰化鈉和亞鐵氰化鉀，因有毒更不宜提倡。本文作為氧化處理操作實(shí)踐的小結(jié)，偏頗之處，望同行指正。

［1］覃奇賢，郭鶴桐，張宏祥，等.電鍍原理與工藝［M］.天津:天津科學(xué)技術(shù)出版社，1993:390-391.

［2］陳其忠.333例電鍍故障排除法［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1998:372.

［3］李才紅.鋼鐵緊固件氧化發(fā)紅故障分析及解決方法［J］.電鍍與精飾，2008，30(4):18-19.

［4］表面處理工藝手冊編審委員會(huì).表面處理工藝手冊［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1991:383-384.

Common Defects and Their Correction Methods in High Temperature Alkaline Oxidation of Iron and Steel Articles

WANG Hong-kui

TG174.451

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1001-3849(2010)12-0027-04

2010-07-09