钢铁高温碱性氧化常见缺陷及纠正方法

王洪奎

(天津自行车三厂，天津 300163)

钢铁高温碱性氧化常见缺陷及纠正方法

王洪奎

(天津自行车三厂，天津 300163)

钢铁碱性氧化处理是防止零件锈蚀的防护手段之一。氧化膜具有防腐蚀和修饰零件功能。由于氧化处理工艺过程和对设备的要求都比较简单、生产效率很高，被许多制造行业广泛采用。从生产实践出发，对氧化处理工艺中氧化膜的常见缺陷进行初步分析，提出操作环节中的解决方法。关 键 词:钢铁零件;氧化处理;氧化膜;缺陷;纠正方法

引 言

钢铁在自然环境中由于空气中氧的作用会自然生成氧化物薄膜。自然形成的氧化膜会使金属表面具有一定的钝化性质，但不能可靠地防止锈蚀，这是由于氧化膜多孔、疏松和不均匀。

为提高钢铁零件的防护性能，可以采取化学和电化学方法使钢铁表面形成一层人工氧化膜。该方法即为钢铁件的氧化处理(又称发蓝或煮黑处理)。目前采用最多的是碱性氧化。钢铁件在氢氧化钠和亚硝酸钠组成的溶液中在适宜的温度下能生成Fe3O4(磁性氧化铁)的连续、致密的氧化膜［1］。氧化膜具有一定的防腐蚀能力。其厚度很薄(约0.6～1.5μm)，不会影响零件的配合尺寸。因此在机械、兵器、电子、仪表及日用五金等领域生产中被广泛应用。

本文拟对氧化处理工艺中常见缺陷，从工艺流程和操作环节提出一些应对方法。供业内同行借鉴与交流。

1 氧化膜生成缓慢或膜薄

氧化液的主要成分是NaOH和NaNO2。NaOH是主要成膜物质，氧化处理是在沸腾溶液中进行的，溶液沸点通常在130～150℃范围内，溶液沸点主要随ρ(NaOH)而变化，因此ρ(NaOH)是调节氧化处理操作温度规范的主要因素，ρ(NaOH)与溶液沸点的对应关系如表1所示［2］。

表1 NaOH质量浓度与氧化液沸点对照表

ρ(NaOH)过低会造成氧化膜生成缓慢或膜薄，当氧化液加热到某种钢铁材料的氧化规范温度时溶液没有达到沸腾状态，就说明NaOH不足。

氧化液中的氧化剂为NaNO2，ρ(NaNO2)过低会造成氧化膜疏松、颜色及光泽均不良。为使氧化膜成膜快、膜层正常，应注意以下几点。

1)新配制氧化液采用合理的工艺配方，无论采用哪种配方，ρ(NaOH)应高于 650g/L，ρ(NaNO2)应高于150g/L。

2)为使新溶液正常投产，可在溶液中加一些旧液或铁屑;如配液采用工业级NaOH，只须用废件试煮1～2槽即可。

3)为使溶液沸点迅速提高，可向氧化液中补加NaOH，以粒状或棒状原料最好;工业级原料应砸成小块，以便于溶解。从实践可知，ρ(NaOH)增加15g/L，氧化液沸点升高1℃左右。

4)温度是氧化处理最重要的工艺参数，一定要准确掌控。为此，氧化槽应配备热电偶温度显示器。也可以用普通玻璃温度计测量温度，为了防止温度计被碱蚀及损坏，可将0～300℃玻璃温度计放在细铁管内，铁管浸入槽内的一端封闭，管内灌装防锈油，置于槽内一侧便于观察的地方。

2 氧化膜呈红色或表面有红色挂灰

造成氧化膜是红色的原因是溶液浓度过高;氧化膜上有红色挂灰则是由溶液中杂质含量过高所致［3］。应采取以下措施:

1)ρ(NaOH)和ρ(NaNO2)过高时，通过加水稀释溶液调整至正常规范。

2)及时捞出掉落在槽中的零件，防止溶液中铁离子积累过多。

3)面积较大的工件表面轻微发红色，可能是由于Fe3O4生成的同时，有Fe2O3·xH2O沉淀，可在零件完成浸油处理后，用刷子将红色膜刷掉。

4)氧化液长期工作，Fe(OH)3逐渐升高，ρ(Fe3+)＞2g/L时应清理溶液。方法是稀释溶液，使θ沸点降至于115～120℃，静置使Fe(OH)3沉淀，然后倾倒上部溶液，除去沉淀物，再补加NaOH提高θ沸点至工艺要求。

5)对氧化膜色泽和厚度均要求较高的零件(如某些军品生产零件)采取二次氧化(双槽氧化)。零件先在规范温度下限槽中进行第一次氧化，时间5～10min(形成氧化膜晶核)，然后不经清洗立即转入第二槽继续氧化(使氧化膜成片并加厚)，第二次氧化的温度高于第一次氧化，直至氧化到规范温度的上限时出槽。二次氧化是防止氧化膜带红色挂灰的有效办法。

3 氧化膜色泽不均匀或出现花斑

产生此类缺陷的原因主要是前处理不良及氧化过程中零件相互遮掩或粘连等。纠正方法:

1)氧化工艺的前处理与电镀是相同的，不容忽视，除油、去氧化皮和酸浸蚀工序一定要到位，保证前处理质量。

2)经常用带小孔的漏勺或铁丝网布将氧化液杂质和污物清除，防止沾附在工件上。

3)在氧化过程中，尽量不要中途加水或补充NaOH，以免引起温度较大波动，影响氧化膜质量。

4)形状复杂工件氧化时应用专用挂具，注意装卡位置，不能使零件的凹进部位滞留空气形成气袋。

5)较小的零件装载在篮筐内氧化时，装载量不能过大，氧化过程中应操动天车使零件在氧化槽中上下移动数次，促使溶液充分流动，防止零件互相粘连或重叠在一起。

6)在氧化过程中，每隔5～10min从氧化槽中提出挂具或篮筐在冷、热水槽中清洗一下再继续氧化。

4 零件氧化后或库存期间表面泛白斑

产生原因为:氧化后清洗不良;干燥不彻底;皂化及浸油处理温度低或有杂物。纠正办法:

1)加强氧化后清洗，对形状复杂或有窄缝、盲孔的零件不易清洗的部位，用热风吹出残留碱液，然后清洗干净。

2)皂化处理液用纯净水配制，用3%～5%肥皂液，θ皂化为85～90℃，皂化后将零件彻底晾干再浸油。皂液中如凝结棉絮状浑浊物应及时更换新液。

3)浸油处理要使用纯净的中性防锈油，10#机油或变压器油，θ浸油为105 ～110℃，t浸油为5 ～10min，油中不能含氧化物质。

5 氧化膜耐蚀性差，局部容易产生锈迹

造成氧化膜耐蚀性能较差的原因很多，除以上指出的影响因素外，氧化处理的时间是主要因素。从生产中观察到，碳钢材料的零件在氧化处理时氧化膜生成速度较快，只需10～15min表面已经形成了蓝黑色的膜层。再继续氧化，膜层颜色变化不大;但经3%CuSO4·5H2O溶液点滴试验，就可以明显看到:t氧化为40min比t氧化为15min的氧化膜耐腐蚀性能要高得多。在生产实践中，操作者往往只注重氧化膜的生成速度和颜色，而忽略其耐蚀性，t氧化不足是常有的事。这就导致零件使用过程中氧化膜容易锈蚀。因此只有足够的氧化处理时间，才能保证氧化膜有优良的耐腐蚀能力。

另外还应指出，不同含碳量和合金成分的钢铁材料氧化处理的温度和时间及氧化膜的色泽也有不同［4］。表2列出了不同钢铁材料的氧化规范及色泽，只有遵循正确的操作规范，才能获得理想的氧化膜。至于外观颜色有轻微差异，是允许的，因为这并不影响氧化膜的抗腐蚀能力。

表2 不同钢铁材料的氧化处理规范与外观颜色

6 结语

钢铁零件氧化处理的关键是掌控好ρ(NaOH)和ρ(NaNO2)及相互间的比例。提高除油、除锈、氧化、皂化及浸油工序的质量是获得优良氧化膜的保证。相对于其它表面处理工艺，氧化处理虽不复杂，但更较多地依赖操作者的专业技能和实践经验。有的资料介绍在碱性氧化处理液中加入硝酸钠、硝酸钾、铬酸钾及磷酸钠等成分，目的是改善氧化膜的外观及性能，但实践证明效果并不明显，过多成分的加入反而使溶液的管理复杂化。还有的添加氰化钠和亚铁氰化钾，因有毒更不宜提倡。本文作为氧化处理操作实践的小结，偏颇之处，望同行指正。

［1］覃奇贤，郭鹤桐，张宏祥，等.电镀原理与工艺［M］.天津:天津科学技术出版社，1993:390-391.

［2］陈其忠.333例电镀故障排除法［M］.上海:上海科学技术文献出版社，1998:372.

［3］李才红.钢铁紧固件氧化发红故障分析及解决方法［J］.电镀与精饰，2008，30(4):18-19.

［4］表面处理工艺手册编审委员会.表面处理工艺手册［M］.上海:上海科学技术出版社，1991:383-384.

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

WANG Hong-kui

TG174.451

B

1001-3849(2010)12-0027-04

2010-07-09