最新技术解析:金属转化膜工艺

第一章 钢铁的氧化处理

钢铁的氧化处理俗称发蓝(发黑)，因为氧化处理后的零件表面生成的氧化膜呈黑色而得名。现代工业上钢铁发蓝采用高温型和常温型两种工艺。无论高温氧化还是常温发黑，膜层厚度均只有0.6μm～1.5μm，故不影响零件的精度。钢铁经发蓝处理后虽可提高耐蚀性，但效果均不及金属镀层，也不如磷化层。氧化后的工件经适当的后处理，可明显提高其耐蚀性和润滑性。

钢铁氧化成本较低、工效高、保持精度，又无氢脆危险，常用作机械、精密仪器、兵器和日常用品的一般防护、装饰。一些对氢脆很敏感的弹簧钢、细铁丝和薄钢片也常用发蓝膜作防护层。

第一节钢铁高温氧化法

一、基本原理

高温发蓝是将钢铁浸入浓氢氧化钠溶液中，在大于l00℃的高温下氧化处理，氧化膜的主要成分是磁性氧化铁(fe3o4)。其实膜层颜色并非都是蓝黑色，它取决于钢铁材料的成分、表面状态和氧化工艺规范。一般钢铁呈黑色和蓝黑色；铸铁和含硅较高的钢呈黑褐色。

高温发蓝的机理相当复杂，目前尚无定论，有化学反应和电化学反应两种假说。

(i)化学成膜假说。钢铁表面在热碱溶液和氧化剂作用下生成亚铁酸钠：

亚铁酸钠进一步与溶液中的氧化剂反应生成铁酸钠：

na2fe02和na2fe2o4在浓碱中有较大的溶解度，但当两者混合在一起时会互相作用生成四氧化三铁：

四氧化三铁在溶液中溶解度小，当浓度达到饱和时结晶出来，先形成晶核，再长大成晶体，最终连成一片完整的膜。当钢铁表面被氧化膜完全覆盖后，溶液与基体被隔开，铁的溶解和氧化膜的形成都随之降低。在形成四氧化三铁的同时，铁酸钠容易发生水解变成氢氧化铁，称为红色挂灰，部分存在于溶液中，部分粘附于零件上不易洗脱，影响外观质量。

(2)电化学学说。钢铁氧化是一个电化学过程，即在微阳极区发生铁的溶解反应fe-2e→fe2+，在有氧化剂存在下的强碱溶液中生成铁酸：

而另一方面，在微阴极上feooh被还原：

feooh和hfe02发生中和及脱水反应生成fe3o4：

但并不排除部分fe(oh)2在微阴极上氧化的可能性：

钢铁的氧化速度与化学成分和金相组织有关，通常含碳量高的氧化速度快，氧化温度可低一点，时间可缩短，低碳钢则相反。为获得较高的耐蚀性和无红色挂灰的氧化膜可采用两槽法，第一槽主要形成晶种，进而形成致密氧化膜，在第二槽中加厚。

二、高温氧化处理工艺

(1)高温氧化工艺规范。见表9-1-1。

表9-1-1 高温氧化工艺规范

(2)溶液的配制。在氧化槽内先加入2/3总体积的水，将计算量的氢氧化钠在搅拌下慢慢加入槽内，反应剧烈放出大量的热，要防止溅出。待其溶解后，在搅拌下加入亚硝酸钠或硝酸钠。全部溶解后稀至总体积搅匀。新配的溶液要进行“铁屑处理”，或加入20%以下的旧溶液，使溶液中含有一定量的铁，否则对氧化膜的附着力和均匀产生不良影响。

(3)高温氧化工艺流程。碱性化学除油→热水洗→冷水洗→酸洗→冷水洗两次→氧化处理→回收→温水洗→冷水洗_浸肥皂水或重铬酸钠溶液填充→干燥→浸油。氧化处理完经水洗干净后，在常温下浸脱水防锈油。

(4)各成分和工艺参数的影响。

①氢氧化钠。氢氧化钠含量影响钢铁的氧化速度，高碳钢氧化速度快，可采用较低的浓度(550g/l～650g/l)；而低碳钢或合金氧化速度慢，故采用较高浓度(600g/l～700g/l)。当氢氧化钠浓度较高时氧化膜较厚，但膜层疏松多孔易出现红色挂灰，如果氢氧化钠超过ll00g/l，则磁性氧化铁被溶解而不能成膜；氢氧化钠浓度太低则氧化膜薄且表面发花，保护性能差。

②氧化剂。提高氧化剂的浓度可加快氧化速度，获得的膜层致密牢固；当氧化剂不足时氧化膜厚而疏松。通常采用亚硝酸钠作氧化剂，所获得的膜呈蓝黑色，光泽较好。

③铁离子。氧化液中需要一定量的铁离子以获得致密而结合力好的膜层，一般控制在0.5g/l～2g/l之间。当铁含量过高时会影响氧化速度且易出现红色挂灰。

④氧化温度、时间与钢铁含碳量的关系(见表9-1-2)钢铁含碳量不同氧化速度也不同，含碳高者易氧化，故所需温度较低、时间较短，反之亦然。

表9-1-2氧化温度、时间与含碳量的关系

(5)高温氧化常见故障及纠正方法。见表9-1-3。

表9-1-3高温氧化常见故障及纠正方法

(6)氧化处理。为提高氧化膜的耐蚀性，钢铁氧化后要进行肥皂或重铬酸盐填充处理(见表9-1-4)，然后清洗干燥，最后在105℃～il0℃机油、锭子油或变压器油中浸泡5min～10min，也可不经填充处理直接浸入脱水防锈油中。