黑色氧化处理

钢件发黑工艺，在操作过程中，可能会出现如下一些缺陷。

(1)氧化膜疏松 氧化膜应很致密，与基本结合很牢固。如果生成的氧化膜疏松，容易擦掉，这是不正常的现象。出现这种情况，主要是由于新配制的氧化溶液缺少铁离子引起的。解决办法，是加入一些旧的氧化溶液，或者加入一些干净的钢屑，煮沸30min，以增加氧化溶液的铁离子浓度，这现象就会消除。

(2)工件表面呈红褐色锈斑 氧化膜应呈深黑色，光亮且平滑。如果工件表面出现红褐色斑点或连成一片，这主要是由于氧化溶液中氢氧化钠过浓、生成氧化铁过多所致。解决办法是调整溶液成分，补充加入一些亚硝酸钠和水，以降低NaOH浓度。

(3)工件表面呈淡灰色 工件表面失去乌黑光泽，呈淡灰色，这是由于氧化溶液中氢氧化钠浓度过低引起的。解决办法，补充加入适量的氢氢化钠。

(4)不生成氧化膜 经处理40~50min后，工件表面仍不上色(生成氧化膜)，这主要是由于溶液温度过低，亚硝酸钠浓度不足引起的。解决办法是提高溶液温度，适当增加亚硝酸钠量。

(5)氧化膜表面发花 工件在黑色基体上出现零星的白点，有时白点还较密集，这种现象工人称之为"发花"。发花原因主要是氧化时间不够引起的。解决办法，是延长氧化时间(即浸泡时间)，还可以补充加入少量氢氧化钠。

(6)工件表面呈绿色 如果工件表面的氧化膜不是乌黑色，而是绿色，这是工件过氧化的结果，是由于氧化溶液温度过高、亚硝酸钠浓度过高引起的。解决办法是加入适量冷水(注意：加水时必须穿戴好保护具，缓缓加入，以免槽液飞溅，造成灼伤事故)和加入少量氢氧化钠，以降低溶液温度及亚硝酸钠的浓度。

从以上氧化膜缺陷分析中可知，当氧化溶液成分出现波动时，就会造成氧化膜的缺陷，至使发黑操作失败。氧化溶液成分，主要指氢氧化钠浓度和亚硝酸钠浓度。在发黑过程中，水分不断被蒸发，亚硝酸钠和氢氧化钠又非等比消耗，所以，此消彼长，浓度变化是必然的。操作时间越长，变化就越大。

为了不使氧化溶液的成分出现大的波动，应该每隔2~3h，就取样测定它们的浓度，以便及时计算并补充添加有关原料。

下面介绍氢氧化钠、亚硝酸钠浓度的测定方法。

(1)氢氧化钠浓度的测定 吸取氧化溶液10ml，置于量瓶中，加蒸馏水至500ml，摇匀，这便是稀释液。

吸取稀释液5ml置于锥瓶中，加蒸馏水100ml，加酚酞1~2滴，溶液变为红色。用0.1N的盐酸标准溶液进行滴定，滴至红色消失，记下盐酸消耗量V1(ml)。

再加甲基橙2滴，溶液变为黄色。继续用0.1N的盐酸进行滴定，滴至黄色转变为红色为止，记下盐酸的消耗量V2(ml)。按下式计算氢氧化钠的浓度(g/l)：

或按下式计算氢氧化钠的百分浓度：(%)

(2)亚硝酸钠浓度的测定 吸取氧化溶液10ml，置于量瓶中，加蒸馏水至500ml刻度处，摇匀，这便是稀释的氧化溶液。

吸取0.1N 的标准高锰酸钾溶液10ml，置于锥形瓶中，加蒸馏水100ml，硫酸10ml，加热至50℃左右。这时溶液呈红色。用稀释的氧化溶液进行滴定，至红色消失为止，记下稀释氧化溶液的消耗量V(ml)。

按下式计算亚硝酸钠的浓度(g/l)：

(g/l)

或按下式计算亚硝酸钠的百分浓度：

(%)

式中V-滴定时用去的稀释氧化液的ml数;14-10ml氧化溶液的质量。

一种军用刀具普遍使用的表面涂层处理方法，因其可以消除反光。

为了提高钢件的防锈能力，用强的氧化剂将钢件表面氧化成致密、光滑的四氧化三铁。这种四氧化三铁薄层能有效地保护钢件内部不受氧化。在高温下(约550℃)氧化成的四氧化三铁呈天蓝色，故称发蓝处理。在低温下(约3 50℃)形成的四氧化三铁呈暗黑色，故称发黑处理。在兵器制造中，常用的是发蓝处理;在工业生产中，常用的是发黑处理。

能否把钢铁表面氧化致密、光滑的四氧化三铁，关键是选择好强的氧化剂。强氧化剂是由氢氧化钠、亚硝酸钠、磷酸三钠组成。发蓝时用它们的熔融液去处理钢件;发黑时用它们的水溶液去处理钢件。常用的发黑溶液成分见表10-7。

表10-7 常用的氧化(发黑)溶液成分

此溶液的密度是1.4g/cm，沸点是130℃。在此溶液的作用下，铁的氧化过程是这样的：

Fe→Na2FeO2→Na2Fe2O4→Fe3O4

具体的化学反应是：

3Fe+NaNO2+5NaOH=3Na2FeO2+NH3+H2O

6Na2FeO2+NaNO2+5H2O=3Na2Fe2O4+NH3+7NaOH

Na2FeO2+Na2Fe2O4+2H2O=Fe3O4↓+4NaOH

生产实践经验证明，要获得光亮、致密的四氧化三铁膜层，氧化溶液中亚硝酸钠与氢氧化钠的比例，要保持在1:3~3.5之间。

发蓝(发黑)的操作流程：

工件装夹→去油→清洗→酸洗→清洗→氧化→清洗→皂化→热水煮洗→检查。

(1)工件装夹 要根据工件的形状、大小，设计专门的夹具或吊具。目的是使工件之间留有足够的间隙，工件间不能相互接触，要使每个工件都能完全浸入氧化液中被氧化。

(2)去油 目的是除去工件表面的油污。经过机加工后(发蓝、发黑是最后一道工序)，工件表面难免不留下油污，用防锈油作工序间防锈的更是这样。任何油污，都会严重影响四氧化三铁的生成，所以必须在发蓝、发黑之前除去。常用的除油溶液配方，见表10-8。

表10-8 常用的除油溶液配方

将除油溶液加热至80~90℃，然后将工件浸入，浸入时间为30min左右，若油污较多，还得延长除油时间，以除油彻底为准。

(3)酸洗 酸洗的目的是除去工件表面的锈迹。因为锈迹、锈斑会阻碍生成致密的四氧化三铁层。即使工件无锈迹，也应进行酸洗，因为它使油污进一步去除干净，而且酸洗会提高工件表面分子的活化能，有利于下一工序的氧化，能生成较厚的四氧化三铁层。

酸洗溶液一般是10~15%浓度的硫酸溶液，温度是70~80℃，将工件浸入硫酸溶液中，浸入时间为30min左右，锈蚀较轻的钢件可浸20min，锈蚀严重者，则需要浸40min以上。

(4)氧化 氧化是发蓝、发黑的主要工序。四氧化三铁膜层是否致密、是否光滑、是否有足够的厚度，取决于氧化阶段。

发蓝的工艺温度是550℃。发黑的工艺温度是130~145℃。浸入时间是50~80min。含碳量高的高碳钢，氧化速度较快，浸入时间可短些。含碳量低的低碳钢，氧化速度慢，浸入时间需要长些。合金钢特别是高合金钢，工件表面有一定的残余奥氏体，对碱溶液有较强的抗抵作用，不易生成Fe3O4，因而浸入时间需更长一些。表10-9列出了有关钢种氧化(发黑)时溶液的温度及浸入时间。

表10-9 不同钢件氧化温度与时间

槽液的正常颜色是白色。如果槽液呈红色或棕色，表示亚硝钠浓度过大，应及时调整槽液的成分。如果溶液呈绿色，则表示铁离子浓度过大，应及时更新溶液。

(5)皂化 所谓皂化，是用肥皂水溶液在一定温度下浸泡工件。目的是形成一层硬脂酸铁薄膜，以提高工件的抗腐蚀能力。常用的皂化液浓度是30~50g(肥皂)/L。把皂化液加热至80~100℃，将氧化后的工件放入皂化液浸泡10min左右。

(6)检查

氧化完毕后，要对工件进行检查，看Fe3O4膜层是否合格。检查的方法是：任意抽取三件工件，置于浓度为2%的硫酸铜溶液中浸泡20s，不退黑色者为合格。三件工件中有一件以上不合格，则整槽工件视为不合格，需再氧化一次，以加深四氧化三铁的厚度。

除油与氧化有着密切关系，除油不彻底，很难获得高质量的四氧化三铁层膜。所以，除油溶液也要经常测定其成分，以便及时补充天加有关原料，以保证除油效果。

(1)氢氧化钠的测定 吸取除油溶液5ml置于锥形瓶中，加蒸馏水100ml，摇均匀。加酚酞指示剂2~3滴，用0.1N的盐酸标准溶液进行滴定，滴至红色消失为终点，记录盐酸消耗量V1(ml)。

在此溶液中加入甲基橙指示剂2滴，溶液变为黄色。用0.1N盐酸标准溶液进行滴定，至黄色变为粉红色为终点，记录盐酸消耗量V2(ml)(不包括V1量)。

在两次滴定后，将溶液煮沸5~10min，待冷到常温后，加酚酞指示剂2~3滴，用0.1N氢氧化钠标准溶液进行滴定，滴至玫瑰红色为终点，记录氢氧化钠消耗量V3(ml)。

按下式计算氢氧化钠的浓度(g/l)：

(g/l)

或按下式计算氢氧化钠的百分浓度：

(%)

式中 V1-第一次滴定时用去的盐酸ml数;

V2-第二次滴定时用去的盐酸ml数;

NA- 滴定用盐酸的标准当量浓度，在这里是0.1;

0.040-是NaOH分子里与1000的比值(40÷1000=0.040);

5-吸取的除油液ml数;

1000--1L的ml数;

1100--1L除油溶液的质量。

(2)碳酸钠的测定 按下式计算碳酸钠的浓度(g/l)：(g/l)：

或按下式计算碳酸钠的浓度：

(%)

式中

V2-第二次滴定时用去的盐酸ml数;

NA- 滴定用盐酸的标准当量浓度，在这里是0.1;

V3--第三次滴定用的氢氧化钠的ml数;

Nb--滴定用的氢氧化钠的标准当量浓度，这里是0.1;

0.106-是碳酸钠分子量与1000的比值(106/1000=0.106)。

(3)磷酸三钠的测定

按下式计算磷酸三钠的浓度(g/l)：

(g/l)

或按下式计算磷酸三钠的百分浓度：

(%)

式中 0.380-是磷酸三钠及十二个结晶水的分子量与1000的比值(380/1000=0.380)。

(4)水玻璃(硅酸钠)的测定 吸取除油溶液20ml置于烧怀中，加1%浓度的盐酸20ml，摇匀后，加热蒸发至干，待冷却后，再加1%浓度的盐酸10ml，加蒸馏水100ml，加热使盐类溶解，用滤纸过滤，并用1%盐酸洗涤烧怀和沉淀物7~8次，将沉淀和滤纸移于已知重量的瓷坩锅中，在950~1000℃的高温电阻电炉中灼烧10~20min，出炉后置于干燥器中冷却，然后称量，获得沉淀物的质量(g)。

按下式计算水玻璃的浓度(g/l)：

(g/l)

或按下式计算水玻璃的百分浓度：

(%)

式中： G-灼烧后沉淀物的质量(g)

V-吸收的除油溶液ml数;

2.03-Na2SiO2的分子量与SiO2分子量的比值;

1000-1L的ml数;

1100-1L的除油溶液的质量。