低碳鋼淬火發(fā)藍(lán)工藝及膜層性能研究

葛龍桂

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214429）

發(fā)藍(lán)工藝（Bluingprocess）是指將鋼材或鋼件在空氣-水蒸氣或化學(xué)藥物中加熱到適當(dāng)溫度，使其表面形成一層藍(lán)色或黑色氧化膜的工藝。也稱發(fā)黑工藝。金屬表面經(jīng)“發(fā)藍(lán)”處理后所形成的氧化膜，其外層主要是四氧化三鐵，內(nèi)層為氧化亞鐵，可提升抗氧化性能。

1 低碳鋼淬火發(fā)藍(lán)工藝

1.1 主要方法與價(jià)值

低碳鋼淬火發(fā)藍(lán)工藝主要方法包括高溫堿性發(fā)藍(lán)和常溫酸性發(fā)藍(lán)兩種。高溫堿性發(fā)藍(lán)出現(xiàn)的時(shí)間較晚，其主要特色是氧化膜制成后呈現(xiàn)黑色，具有耐磨度高、抗氧化能力強(qiáng)、外觀精美的優(yōu)勢(shì)，但高溫堿性發(fā)藍(lán)方法能耗較大，工藝流程比較復(fù)雜、造價(jià)較高、污染較大，因此未能大規(guī)模推廣，主要用于一些特殊構(gòu)件的制備中。

1.2 工藝流程

低碳鋼淬火發(fā)藍(lán)工藝的工藝流程為：打磨—除油—酒精清洗—清水清洗—表面檢查—發(fā)藍(lán)處理—清水清洗—皂化處理—清水清洗—浸油處理。其中的打磨、除油、酒精清洗、清水清洗、表面檢查屬于準(zhǔn)備工作，發(fā)藍(lán)處理為工藝核心，皂化處理、清水清洗、浸油處理屬于后期工作。發(fā)藍(lán)處理階段，將材料置入馬弗爐中進(jìn)行加熱，溫度在560～610K，加熱持續(xù)15min，之后取出淬火，要求應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)淬火液，包括：NaNO3（70g/L）+NaNO2（230g/L）+KNO3（35g/L）。材料放置于淬火液中時(shí)間不得少于4min，之后取出，以清水沖洗。皂化處理是后期工作的第一步，一般應(yīng)用肥皂水作為主要材料，溫度應(yīng)在350～360K，時(shí)間為15～18min。肥皂水與氧化膜之間的部分物質(zhì)共同發(fā)揮作用，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)藍(lán)膜表面空隙的堵塞，提升處理效果，尤其是耐腐蝕性。皂化處理后，繼續(xù)應(yīng)用清水沖洗，最后進(jìn)行浸油。一般應(yīng)用溫度為370～390K的機(jī)油，浸油處理時(shí)間在8min左右，不宜超過(guò)10min。

2 低碳鋼發(fā)藍(lán)工藝膜層性能測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了解低碳鋼發(fā)藍(lán)工藝膜層性能，采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)試。選取Q235號(hào)低碳鋼，借助馬弗爐作為加熱工具，保持加熱溫度恒定于570～610K，加工時(shí)間8min，淬火液成分以 NaNO3、NaNO2、KNO3組成，材料標(biāo)準(zhǔn)分別為70g/L、230g/L和35g/L。于材料表面進(jìn)行發(fā)藍(lán)工藝處理，默認(rèn)其表面藍(lán)色氧化膜采取常規(guī)酸性發(fā)藍(lán)方法進(jìn)行制備，稱為四氧化三鐵（Fe3O4），厚度默認(rèn)2μm。以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)性氧化膜孔隙率、延續(xù)性等方面的檢驗(yàn)，借助電化學(xué)等方法測(cè)試材料的抗腐蝕性能。

2.2 觀察指標(biāo)

本次實(shí)驗(yàn)主要觀察指標(biāo)包括加工質(zhì)量和耐腐蝕性兩大方面，其中加工質(zhì)量包括氧化膜孔隙率、延續(xù)性和耐磨性三個(gè)方面。另外對(duì)加工后材料的外觀、結(jié)構(gòu)及厚度進(jìn)行分析，按照GB/T15519-2002《化學(xué)轉(zhuǎn)化膜鋼鐵氧化膜規(guī)模和試驗(yàn)方法》作為基準(zhǔn)，行外觀檢測(cè)；發(fā)藍(lán)膜厚度方面，應(yīng)用電子顯微鏡進(jìn)行分析。結(jié)構(gòu)分析使用X射線衍射儀進(jìn)行分析，設(shè)備為日本制D/max-2005型。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

選光照充足的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)完成淬火后的試件進(jìn)行觀察，記錄其表面色澤、均勻性態(tài)勢(shì)，結(jié)果如圖1所示。

圖 1 試件表面觀察結(jié)果

從結(jié)果上看，試件表面均勻性良好，色澤理想，滿足GB/T15519-2002《化學(xué)轉(zhuǎn)化膜鋼鐵氧化膜規(guī)模和試驗(yàn)方法》及結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)。氧化膜的厚度平均為2.0±0.1μm，滿足國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，且在光照下呈現(xiàn)自然藍(lán)色，試件各處連接緊密，外觀上無(wú)明顯過(guò)渡層痕跡。借助設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)觀察，結(jié)果方面，氧化膜表面為四氧化三鐵（Fe3O4），內(nèi)部則以三氧化二鐵（Fe2O3）和氧化亞鐵（FeO）構(gòu)成，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。氧化膜內(nèi)部晶體排布穩(wěn)定、質(zhì)地致密。連續(xù)性和孔隙率方面，借助四硫化碳（CuSO4）作為試劑，持續(xù)滴注0.6mL后進(jìn)行觀察，30s后拭去試劑，發(fā)現(xiàn)試件表面情況良好，無(wú)銹蝕跡象，表明其表明連續(xù)性和孔隙率均較為理想。耐磨性方面，摩擦200次后，試件表明無(wú)明顯油污和未出現(xiàn)光澤下降問(wèn)題，利用顯微鏡發(fā)現(xiàn)氧化膜厚度為2.0±0.1μm，滿足國(guó)家耐磨性指標(biāo)。電化學(xué)測(cè)試所獲耐腐蝕性結(jié)果，以通過(guò)低碳鋼作為對(duì)比，利用氯化鈉溶液作為腐蝕用試劑進(jìn)行處理，結(jié)果見(jiàn)表1。

結(jié)果上看，經(jīng)發(fā)藍(lán)處理，試件膜層性能理想。

表1 耐腐蝕性測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對(duì)材料性能提出了更好要求，低碳鋼在現(xiàn)有基礎(chǔ)上也出現(xiàn)了更多優(yōu)化。淬火發(fā)藍(lán)工藝能夠加強(qiáng)低碳鋼的耐腐蝕性，且能提升其外觀精美度。膜層性能方面，經(jīng)過(guò)發(fā)藍(lán)工藝處理后，低碳鋼的耐磨性、耐腐蝕性均出現(xiàn)了明顯提高。后續(xù)工作中，可嘗試降低高溫堿性發(fā)藍(lán)成本，實(shí)現(xiàn)范圍推廣，提升材料性能。