钢的氧化处理应用研究

摘 要：钢铁产业是国民经济的支柱产业，但在使用中钢铁的腐蚀现象非常普遍，因此通过改变钢铁表面的性能，防止钢铁材料的浪费就显得犹为重要。目前对钢铁表面进行的处理方法是很多。而常温发蓝是一种非常有效的钢铁表面处理方法。

关键词：钢；腐蚀；常温；氧化。

中图分类号：TF089+.5 文献标识码：A

表面工程技术实质就是使材料得到一种特殊的表面功能，并使表面和基体性能达到最佳的配合。机械零件在使用过程中，除了力学性能、工艺性能要满足要求外，还要求其表面具有一定的耐磨性、耐蚀性，并且美观。而机械零件的失效，很多情况下与其表面产生的磨损和腐蚀有关。为了提高零件的表面质量，必须对零件进行表面改性处理。表面改性处理是指改变零件的表面质量或表面状态，使其达到耐磨、耐蚀、美观及精度要求的工艺，包括转化膜处理、电镀、离子沉积、喷涂、涂装等。钢的氧化处理（又称发蓝或发黑）：钢铁在含有氧化剂的溶液中进行处理，使其表面生成一层均匀的蓝黑到黑色膜层的过程。 氧化的方法很多，有碱性氧化法，无碱氧化法和电解氧化法.根据处理温度的高低，钢铁的化学氧化可分为高温化学氧化法和常温化学氧化法。各种处理方法所用处理液成分不同，膜的组成不同，成膜机理也不同。膜的颜色一般为蓝色或黑色。

1氧化机理

钢铁的氧化是指材料表面的金属层转化为稳定的氧化物Fe3O4的过程， 钢铁氧化方法是在添有氧化剂的强碱溶液里，在100度以上的温度进行处理。其机理如下：1）钢铁氧化是个电化学过程，在微观阳极上，发生铁的溶解；2）在有氧化剂存在的强碱溶液里，Fe2+转化成氢氧化铁；3）在微观阴极上，这种氢氧化物可能被还原；4）因为氢氧化亚铁的酸性明显低于氢氧化铁的的酸性，继而发生中和及脱水反应；5）另一部分氢氧化亚铁可以在微观阴极上直接转化为Fe3O4，

氧化过程的速度，取决于能氧化二价铁离子的亚硝基化合物的形成速度。从氧化膜的生成过程来看，在开始时，金属铁在碱性溶液里溶解，在金属铁和溶液的接触面处，形成了氧化铁的过饱和溶液，然后，在金属表面上的个别点生成了氧化物的晶胞。这些晶胞的逐渐增长，导致在金属铁表面形成一层连续成片的氧化膜。而在氧化膜完全覆盖在金属表面之后，就将使溶液与金属隔绝，铁的溶解速度与氧化膜的生成速度随之降低。

氧化膜的生长速度以及其厚度，取决于晶胞的形成速度和单个晶胞长大的速度之比当晶胞形成速度很快时，金属表面上晶胞数多，各晶胞相互结合而形成一层致密的氧化膜。若晶胞形成速度慢，待到各晶胞相互结合的时候，晶胞已经长大。这样形成的氧化膜较厚，甚至形成疏松的氧化膜。

2氧化膜的性质

钢铁的氧化膜是由四氧化三铁组成的，它不能被水化。膜的结构和防护性都随氧化膜的厚度的变化而变化。很薄的膜（2～4nm）对工件的外观无影响，但也无防护作用。厚的膜（超过2μm）是无光泽的，呈黑色或灰黑色，耐机械磨损性能差。厚度为0.6～0.8μm的膜有最好的防护性能和耐磨损性能。无附加保护的钢铁氧化膜的耐蚀性低，并与操作条件有关。如果工件氧化处理后，在涂覆油或蜡，其抗盐雾性能从几个小时增加至24～150h。

对膜性能影响较大的是氧化时的温度和碱的浓度。

在溶液的温度接近沸点时，碱的浓度影响膜的厚度。在很浓的碱溶液（超过1500g/L）里，没有膜的形成，这是由于氢氧化亚铁在这样高浓度的强碱溶液中，不会发生水解反应。氧化剂的影响随着溶液里氧化剂质量浓度的增加，氧化膜的厚度逐步降低，但是在超过氧化剂的临界浓度后，厚度不再受其影响。这可能是氧化剂通过膜孔隙对钢铁表面的钝化作用所致。

3各种因素的影响

影响氧化膜的因素很多，如溶液成分的含量、温度、材料以及合金成分等

（1）碱含量的影响。在溶液里，碱的含量增高时，相应地升高溶液温度，所获得的氧化膜厚度增加。但当增加溶液中碱的含量时，氧化膜表面易出现红褐色的氢氧化铁。过高时所生成的氧化膜被碱溶解，不能生成膜。当溶液碱含量低时，金属表面氧化膜薄，发花，过低时不生成氧化膜。（2）氧化剂的影响。氧化剂含量越高，生成的亚铁酸钠和铁酸钠越多反应速度加快，这样生成的氧化膜速度也快，而且膜层致密和牢固。相反膜疏松且厚。（3）温度的影响。氧化溶液温度增高时，相应的氧化速度加快，生成的晶胞多，使氧化膜变得致密而且薄。但温度升得过高时，氧化膜在碱溶液的溶解速度同时增加，致使氧化速度变慢。因此，在氧化初开始时温度不要太高，否则氧化膜晶粒减少，会使氧化膜变得疏松。氧化溶液的温度，在进槽时温度应在下限，出槽时温度应在上限。（4）铁离子的影响。氧化溶液里的铁离子是在氧化反应过程中，从工件上逐渐溶解下来的，它的含量对氧化膜的生成是有影响的。在初配槽的溶液里铁离子含量低，会生成很薄且疏松的氧化膜，膜与基体金属的结合不牢，容易擦去。（5）氧化时间与工件含碳量的关系。钢铁工件含碳量高时容易氧化，氧化时间要短。合金钢含碳量低，不易氧化，氧化时间要长。可见氧化时间的长短决定于钢铁的含碳量。

4氧化膜的质量检验。

钢铁氧化膜的检验，主要是用肉眼观察氧化膜的外观和耐腐蚀检测。

钢铁的合金成分不同，其氧化膜在色泽上有所差异，碳素钢和低合金钢工件在氧化后颜色呈黑色和黑蓝色；铸钢呈暗褐色；高合金钢呈紫红色。但氧化膜应是均匀致密的。氧化膜的表面不允许有未氧化上的斑点，不应有易擦去的红色挂灰和抛光膏残迹、针孔、裂纹、花斑点、机械损伤等缺陷。工件表面允许有因工件喷砂、铸造、渗碳、淬火、焊接等工艺处理不同，所引起的氧化膜色泽差异。

另外我们可以根据使用要求来进行氧化膜的耐蚀性试验，其方法如下：（1）将氧化的工件浸泡在质量分数为3%的硫酸铜溶液里，在室温下保持40s后将工件取出，用水洗净表面，不出现红色接触点为合格。（2）用酒精擦净表面，滴上硫酸铜溶液若干点，同时开动秒表计时，20s后不出现铜的红点为合格。硫酸铜溶液的配制方法：将3g分析纯硫酸铜晶体溶于97mL蒸馏水里后，再加少量的氧化铜仔细搅拌均匀，然后将剩余的氧化铜过滤掉。

对于不合格的膜层，在酸洗溶液里除去，应重新进行氧化处理。弹簧钢和不允许酸洗的合金钢，应用机械方法除去旧氧化膜。

参考文献

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[2]、昊庆余等.钢铁常温发黑[J].材料保护1995（7）.

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