環(huán)保發(fā)黑新工藝的研究與應(yīng)用

盧俊玲，劉敏

1.寧夏天地奔牛實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司 寧夏石嘴山 753001

2.寧夏天地重型裝備科技有限公司熱處理分廠 寧夏石嘴山 753001

1 序言

堿性發(fā)藍(lán)工藝在我公司應(yīng)用已有30多年的歷史，對(duì)機(jī)械零件的防銹起到了重要作用，但是隨著現(xiàn)代環(huán)保熱處理工業(yè)的發(fā)展，這種傳統(tǒng)的發(fā)藍(lán)工藝產(chǎn)生的“三廢”污染水體和土壤，刺激氣味對(duì)皮膚和呼吸道粘膜有刺激作用，生產(chǎn)效率低等問題越顯突出。

為實(shí)現(xiàn)“綠色制造”，通過搜集、調(diào)研、分析，認(rèn)為蒸汽發(fā)藍(lán)環(huán)保性強(qiáng)，但加熱溫度高，有60%數(shù)量的零件不適用，而余熱發(fā)黑技術(shù)，工藝環(huán)保，適用性廣，因此對(duì)其應(yīng)用做進(jìn)一步研究具有重要意義。

2 試驗(yàn)過程

鋼鐵余熱發(fā)黑，其原理是利用熱處理工藝過程中回火余熱，依據(jù)熱聚合反應(yīng)機(jī)理，在金屬表面形成一層黑色高分子材料保護(hù)膜，達(dá)到金屬工件發(fā)黑防銹防腐的目的[1]，選取某公司生產(chǎn)的兩種發(fā)黑劑試驗(yàn)可靠性和適用性。

2.1 試驗(yàn)方案

選擇典型的5種零件進(jìn)行發(fā)黑試驗(yàn)，方案見表1。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

（1）光亮性 360℃、420℃發(fā)黑零件外觀光亮、美觀，呈深黑色，1#發(fā)黑劑光亮性優(yōu)于2#，如圖1a~d所示，而堿性發(fā)藍(lán)呈灰黑色，光澤度較低，如圖1e所示。280℃發(fā)黑黑度淺、表面花，560℃發(fā)黑黑度深，但個(gè)別部位有少許膜脫落，如圖1f所示。

（2）牢固度 發(fā)黑零件沉積層與基體結(jié)合力要求有牢固度，待表面保護(hù)膜干透后，用棉紗用力擦拭[1]，發(fā)黑、發(fā)藍(lán)零件都不出現(xiàn)金屬光澤，是合格品，但發(fā)黑件牢固度高，如圖2 a、b所示。

（3）防銹性 工件的防銹性與耐蝕性是靠表面的有機(jī)沉積膜的包覆封閉起主要作用的[1]，選擇420℃發(fā)黑與發(fā)藍(lán)螺栓各1件，在自來水中浸泡24h后透過玻璃觀察，兩種零件都沒有生銹，48h后，將零件撈起烘干水分觀察，發(fā)黑件無銹跡，發(fā)藍(lán)件有輕微銹跡，如圖2c所示。

表1 試驗(yàn)方案

圖1 發(fā)黑劑光亮性對(duì)比

圖2 發(fā)黑后螺栓

通過試驗(yàn)可看出，余熱發(fā)黑工藝可靠，使用溫度完全適合我公司零件360~520℃回火，過程無刺激氣味，不需酸洗、沖洗，工藝環(huán)保、安全。

3 批量試制驗(yàn)證可行性

（1）工藝流程 適用于精加工直接發(fā)黑的零件的流程一：備料→清洗→加熱→發(fā)黑→烘干（晾干）→油封。適用于精加工后有淬火、調(diào)質(zhì)處理技術(shù)要求的零件，因260℃以上回火，可去除表面油份，淬火后可不清洗，流程二：備料→清洗→淬火→回火（預(yù)冷）→發(fā)黑→烘干（晾干）→油封。

（2）工藝配置 按流程二發(fā)黑的零件，淬火加熱時(shí)爐內(nèi)須嚴(yán)格保證碳勢(shì)的符合性以防止氧化，我公司有多臺(tái)可控氣氛多用爐及其配套的回火爐，只需配備發(fā)黑液槽及其冷卻、循環(huán)系統(tǒng)，保證使用溫度≤45℃，油槽（帶控油支架）一個(gè)，與多用爐形成流水線作業(yè)，就可實(shí)現(xiàn)發(fā)黑工藝操作，其優(yōu)點(diǎn)是配置簡化，提升效率，如圖3所示。

圖3 發(fā)黑工藝配置

（3）發(fā)黑溫度 按流程一發(fā)黑的零件，加熱至400~460℃保溫60~90min發(fā)黑；按流程二發(fā)黑的零件，高溫回火時(shí)則根據(jù)蓄熱量多少預(yù)冷至400~500℃發(fā)黑，中溫回火時(shí)可直接發(fā)黑。溫度選取的原則是：小零件取較高溫度，大零件取較低溫度，以發(fā)黑效果最佳來調(diào)整回火溫度，選擇光亮性優(yōu)的1#發(fā)黑劑試驗(yàn)。

（4）發(fā)黑液濃度 水與發(fā)黑劑按10%濃度配比，使用過程中通過觀察發(fā)黑零件表面狀況判斷發(fā)黑液濃度，發(fā)黑黑度淺且有輕微銹跡，則濃度低，需添加發(fā)黑劑；當(dāng)出現(xiàn)花斑或厚度不均勻的膜，則濃度偏高，需添加水[2]，如果一次發(fā)黑效果不佳，可二次發(fā)黑。

（5）烘干（晾干）、浸油 成膜是發(fā)黑工藝的重要環(huán)節(jié)，只有發(fā)黑成膜固化，才能真正實(shí)現(xiàn)防護(hù)和裝飾效果，控制零件出發(fā)黑液的余溫為70~90℃。因北方地區(qū)環(huán)境干燥，無積水或積水少的零件，在通風(fēng)的環(huán)境下放置或用軸流風(fēng)機(jī)吹干，原則是能自然晾干的就不烘干。無法晾干的零件，可在120~150℃下烘干，然后浸入N10全損耗系統(tǒng)用油，整筐零件在控油架上放置24h[1]完成油封工序，增加表面光亮性及膜牢固度，減少殘油。

（6）裝爐方式 銷軸、雙頭螺栓類零件，需用鐵絲網(wǎng)隔開且留有一定的間隙，避免大量堆積出現(xiàn)白點(diǎn)或白線。單頭螺栓類，采用散裝方式裝爐，控制裝爐量低于2/3料框高度，控制較高出水溫度以便于水分揮發(fā)，這是裝爐方式上的創(chuàng)新。

制定以上工藝參數(shù)，批量試制5000余件，效果見圖4。

圖4 試制后零件

4 推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“綠色制造”

余熱發(fā)黑工藝批量試制成功后，在推廣應(yīng)用過程中解決了四個(gè)方面的問題，從而替代堿性發(fā)藍(lán)，實(shí)現(xiàn)了“綠色制造”。

（1）發(fā)黑后氧化皮的問題 精加工螺栓發(fā)黑后表面出現(xiàn)嚴(yán)重氧化皮，影響發(fā)黑外觀，經(jīng)反查、跟蹤、分析，對(duì)因淬火加熱爐內(nèi)碳勢(shì)低而造成加熱氧化的問題，必須改變堿性發(fā)藍(lán)用酸洗去除氧化皮的傳統(tǒng)觀念，加強(qiáng)過程巡檢；對(duì)因其他零件高溫回火產(chǎn)生的氧化皮造成二次污染問題，裝爐前清理料框或其他高溫回火件表面氧化皮，防止二次污染，必須加強(qiáng)工藝管理。如加熱過程中出現(xiàn)不可控因素形成氧化皮，可用洗油清洗干凈方可發(fā)黑。

（2）原材料銹蝕、氧化皮的問題 發(fā)黑品種多，零件除加工面之外，還有板材、棒材、鑄件等不加工面，原始銹跡或氧化皮影響發(fā)黑外觀和防銹效果，對(duì)精度要求不高的零件，用機(jī)械噴丸的方法清理，精度要求高的零件，用機(jī)械加工方法去除。

（3）發(fā)黑后積水多的問題 由于發(fā)黑零件結(jié)構(gòu)多樣化，因此采用合理的裝爐方式，是發(fā)黑膜均勻、減少烘干工序的關(guān)鍵?？偨Y(jié)出的裝爐原則是：按照便于水分流出的方式裝爐。帶孔銷軸類，孔向下裝爐，發(fā)黑后水分流出可自然晾干；油堵類孔向下碼放整齊；盤蓋類立裝，減少積水，及時(shí)烘干。

（4）發(fā)黑效果不理想 在生產(chǎn)應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)某些工件發(fā)黑后色澤不理想，用力擦拭或成套產(chǎn)品試車時(shí)發(fā)黑膜脫落，或厚度為3~5mm的止退墊類等薄平面零件或小螺釘出現(xiàn)發(fā)黑膜不均勻，有花斑。

經(jīng)查閱資料[2]和實(shí)踐驗(yàn)證，減少工件在槽內(nèi)停留時(shí)間或縮短運(yùn)動(dòng)距離且要緩慢晃動(dòng)，從而促進(jìn)成膜和提高固化效果；對(duì)于厚度或直徑≤4mm的少量工件，配置濃度為15%~20%的發(fā)黑液單獨(dú)發(fā)黑，以上兩個(gè)措施取得了良好的效果。

5 效益產(chǎn)出

（1）環(huán)保、安全方面 余熱發(fā)黑工藝技術(shù)不用堿性“煮黑”，無三廢排放，無刺激性氣味，操作環(huán)保、安全，工藝流程簡化、適用性強(qiáng)，可替代堿性發(fā)藍(lán)，實(shí)現(xiàn)零件防銹技術(shù)的“綠色制造”。在生產(chǎn)過程中，應(yīng)適時(shí)維護(hù)工作液槽，過濾老化溶液，定期清理發(fā)黑槽污物，依據(jù)發(fā)黑液MSDS安全技術(shù)要求處理。

（2）生產(chǎn)效率 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，直接發(fā)黑件占發(fā)黑總數(shù)的26.2%，調(diào)質(zhì)、淬火件占73.8%，每天3班，產(chǎn)量0.6t/爐，而堿性發(fā)藍(lán)產(chǎn)量為0.2t/筐，最大產(chǎn)量為0.8t/班，每天1班； 配置的2臺(tái)回火爐可全部用于發(fā)黑回火，經(jīng)測(cè)算，效率提高200%。

（3）生產(chǎn)成本 以發(fā)藍(lán)最大產(chǎn)量296t/年測(cè)算，制造成本為717.3元/t，發(fā)黑為665.8元/t，降低51.5元/t，節(jié)約成本1.5萬元/年；零件不需從多用爐工段轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)藍(lán)工段，估測(cè)節(jié)約轉(zhuǎn)運(yùn)成本1萬元/年，以上兩項(xiàng)節(jié)約成本2.5萬元/年。

6 結(jié)束語

1）發(fā)黑外觀光亮，顏色呈深黑色，外觀、牢固度、防銹性優(yōu)于堿性發(fā)藍(lán)，工藝環(huán)保、安全，可替代堿性發(fā)藍(lán)推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)防銹技術(shù)的“綠色制造”，效率提高200%，成本降低。

2）余熱發(fā)黑工藝技術(shù)回火溫度完全適用我公司所有零件，低溫回火（≤300℃）發(fā)黑效果差，中溫回火發(fā)黑效果好，高溫回火零件需采取預(yù)冷措施，溫度選取和零件的蓄熱量有關(guān)。

3）實(shí)際生產(chǎn)中可通過觀察發(fā)黑件外觀來判斷發(fā)黑液濃度，小零件所需濃度較高，通過縮短發(fā)黑液槽停留時(shí)間、控制運(yùn)動(dòng)方式、適當(dāng)提高發(fā)黑余溫，可提升色澤效果。

4）采用有利于水分流出的方式裝爐，能自然晾干的就不烘干，積水較多不能晾干時(shí)應(yīng)及時(shí)烘干。

5）采取機(jī)械噴丸和機(jī)械加工方法去除原始表面銹跡或氧化皮，提高發(fā)黑防銹性。

6）發(fā)黑槽需配置冷卻、循環(huán)系統(tǒng)，發(fā)黑液槽需定期維護(hù)。