钢铁的氧化

第十九章　钢铁的氧化

钢铁的氧化亦称“发蓝”或“发黑”。钢铁氧化后，表面生成一层Fe₂O₃，膜厚为0.6～1.5μm。氧化膜的色泽随钢铁组成的不同而变，一般呈蓝黑色或黑色。含硅高时，呈灰褐色或黑色。

钢铁氧化膜很薄，膜的耐蚀性较差，对尺寸不会有显著影响，因此，钢铁氧化一般用于对耐蚀性要求不高，或有特殊要求的钢铁件的表面处理。钢铁的氧化处理方法分为碱性氧化法和酸性氧化法。工业上常用碱性氧化法。

一、碱性氧化法

1．氧化膜形成原理

碱性氧化法又称高温氧化，一般温度在100℃以上。在碱性溶液中，溶液中的氧化剂与铁发生反应，生成亚铁酸钠(Na₂FeO₂)和铁酸钠(Na₂Fe₂O₄)，而后再生成磁性氧化铁。

当氧化膜全部覆盖在金属表面时，铁的溶解速度和氧化膜的生成速度降低，直至停止反应。Fe₃O₄水解生成水和Fe₂O₃，含水氧化铁在高温下脱去结晶水。含有少量结晶水的氧化铁在浓碱溶液中的溶解度很小，易在溶液中或钢铁表面生成红色沉淀物而影响氧化质量。遇到这种情况时，可进行二次氧化法消除。即在氢氧化钠较低的溶液中进行一次氧化，使金属表面形成氧化物晶核，得到薄而致密的氧化薄膜;第二次氧化时，采用高浓度的氢氧化钠溶液处理，即可得到较厚的氧化膜且除去了表面的红色沉淀。

2．钢铁碱性氧化工艺

钢铁碱性氧化工艺见表19－1。

表19－1　钢铁碱性氧化工艺

3．氧化液组成及工艺条件的影响因素

(1)氢氧化钠。提高氢氧化钠的浓度，氧化膜的厚度有所增加，但易出现结晶疏松、挂灰及多孔，甚至得不到氧化膜等缺陷。氢氧化钠浓度低，形成的氧化膜薄，表面发花。

(2)氧化剂。亚硝酸钠作为目前使用最多的氧化剂，形成的氧化膜呈蓝黑色，光泽好。但浓度高，反而得不到较厚的氧化膜，但可以加快氧化速度，氧化膜薄而致密;浓度低，氧化膜厚而疏松。

(3)Fe³⁺。溶液中必须含有一定量的Fe³⁺，才能获得致密且结合牢固的氧化膜，但含量过高，氧化速度降低，表面易挂灰。Fe³⁺含量一般控制在0.5～2.0g/L。在实际生产中，如Fe³⁺过量，应用水稀释，直至溶液的沸点降到120℃左右，沸腾后静置片刻，除去沉淀物，再将溶液加热浓缩到溶液达到工艺沸点，即可生产。

(4)温度。溶液沸点随氢氧化钠浓度的增加而升高。温度高，氧化速度快，氧化膜薄而致密。但温度过高，氧化膜溶解速度加快，成膜慢，膜层疏松。实际生产中，最好在低温下处理一段时间后，取出洗去沉淀物，再提高温度。

(5)氧化时间。与材料有关，含碳量高的工件易于氧化，氧化时间应缩短。含碳量低的工件不易于氧化，氧化时间应增长。

4．氧化溶液使用注意事项

(1)定期分析和调整溶液浓度。溶液沸点过高，表示溶液的氢氧化钠溶液浓度高，应加水稀释。相反则需加入氢氧化钠。氢氧化钠补加量按10～15g/℃计算。

(2)溶液使用过程中应定期清理沉渣。

清除方法:溶液温度低于100℃时，加入甘油5～10mL/L，加热至溶液使用温度，沉渣即漂浮在溶液表面，捞去即可。氧化过程中，如工件掉入溶液中，应打捞出去，以免增加溶液的Fe³⁺浓度。

(3)氧化膜中夹杂的红色挂灰，多是氧化初期形成的。应先检查在氧化初期有无此现象，如发现，应取出后用毛刷将灰擦掉，或将零件放入含有150～200g/L铬酐和10～15g/L硫酸的溶液中，浸1～1.5min。清洗后重新入槽。

5．氧化后处理

为提高膜的防锈能力，氧化后可进行皂化处理或填充处理。后处理工艺见表19－2。

表19－2　钢铁氧化后的后处理工艺

处理后的工件为了提高防锈能力，可在105～110℃的机油、锭子油、机械油中浸渍5～10min。

二、酸性氧化法

酸性氧化又称常温发蓝，具有节约能源，生产效率高，环境污染小等优点。但这种工艺存在膜的附着力不牢，耐蚀性差，预处理要求严格等缺点。

1．酸性氧化工艺配方(表19－3)

表19－3　钢铁的酸性氧化工艺

2．酸性氧化工艺

(1)预处理。预处理工艺包括脱脂和除锈，除锈也可用1∶1盐酸，如锈蚀严重，可用强酸侵蚀。

(2)常温发蓝。发蓝速度与材质有关，如铸铁最快，中低碳钢次之，合金钢最慢。通常用发蓝溶液的浓度来控制发蓝速度，铸铁发蓝液稀释比为1∶10，中低碳钢为1∶5，合金钢为1∶4左右。

(3)后处理。发蓝后零件应清洗干净，用热水烫干后进行封闭处理。先在1%的肥皂水中浸2min，再放入油中进行封闭。

三、其他氧化处理工艺(表19－4)

表19－4　其他氧化处理工艺