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鋼鐵表面發(fā)黑作為各種鋼鐵制品的防腐及裝飾 處理工藝，被廣泛應(yīng)用于航空、電子、儀表、軍工等領(lǐng) 域，尤其道用于不能電鍍和涂裝的精密器械中。目 前，鋼鐵發(fā)黑主要有高溫堿性發(fā)黑、常溫曬化物體系 發(fā)黑、常溫?zé)o毒發(fā)黑、黑色電鍍以及黑色磷化等方 法，但上述方法均存在明顯缺點。所以研制工藝穩(wěn) 定、操作簡單、成本低廉、不污染環(huán)境且轉(zhuǎn)化膜性能 優(yōu)良的黑化技術(shù)，具有很重要的現(xiàn)實意義。
本文通過正交實驗和對黑化膜的綜合評定方法 優(yōu)化了各組分的最佳組成配比，并對各影響因素進 行了系統(tǒng)的分析，研制出了一種能使膜層致密、結(jié)合 力好的金屬常溫元毒黑化工藝。
1 實驗
1.1 主要試劑及材料 實驗所用藥品:三氯化鎊，硫酸鋁，酒石酸，錮酸鋁，鹽酸，偏硅酸鈾，硫酸銅，氯化鈾，明膠，聚乙二醇 (4000) ，LS-209 除油除銹劑(廊坊市海寰化工有限 公司提供)。以上試劑除 LS-209 除油除銹劑外，均 為分析純，配制和稀釋均使用蒸錮水。實驗所用材料為 50 mm X 30 mm X 2 mm 的A3 型冷軋鋼板試片。
1.2 基礎(chǔ)液成分
黑化液組成 :Mn2+ 0.5 2.4 g/L，Sb3+ 0.84.2 g/L ，F(xiàn)e3+ l.7 4. 2 g/L ，P043 - 30 60 g/L， Cl一 20 50 g/L，Mo042一 O. 41.5 g/L ，酒石酸根 離子1.8 5. 8 g/L。
1.3 工藝步驟
(1)黑化液的配制
用天平稱取一定量的硫酸鋁、三氧化錦于 200mL 燒杯中，加入一定量的鹽酸，不斷攪拌使之溶 解;然后加入一定量的錮酸鈾、酒石酸、偏硅酸鍋，加 水配制成 100 mL 溶液，充分?jǐn)嚢枰约铀俑鞒煞秩?解。各成分的加入量由初步實驗和正交實驗確定。
(2) 封閉劑的制備
稱取 30.0 g 明膠，加入 1 L 蒸鋪水，加熱直至 全部溶解;再稱取 10.0 g 聚乙二醇(4 000) ，使之溶 于明膠溶液中，待用。
(3) 黑化膜的制備及封閉
將試片在室溫下浸入 LS-209 除油除銹劑中 10 mln ，取出水洗;然后浸入體積比為 1 : 3 的鹽酸溶 液中活化 5 min ，取出水洗;將巳處理的試片置于配制好的黑化液中，待出現(xiàn)均勻、致密的黑化膜后，取出水洗;再將其浸入封閉劑中封閉 15 min ，取出自 然晾干。
2 結(jié)果與討論
2.1 單因素實驗及影晌因素分析
根據(jù)初步實驗確定的黑化工藝條件為:黑化時間 9 min ，三氯化錦1.2 g/L ，硫酸鋁 0.8 g/L，鹽酸70.0 mL/L，偏硅酸鈾 2.0 g/L，鋁酸鈾 0.8 g/L ，酒 石酸 5.0 g/Lo 固定其他影響因素不變，只改變一 種影響因素進行單因素實驗。
2. 1.1 黑化時間的影響
黑化時間是影響黑化膜的主要因素之一。黑化時間過長，形成的膜層疏松;過短，則膜層黑色較淺。 固定其他因素不變，改變試片在黑化液中的處理時 間，測試了黑化時間對耐硫酸銅點滴時間的影響，實 驗結(jié)果，如圖 1 所示。結(jié)果表明:黑化時間為 9 min時，所得黑化膜的耐硫酸銅點滴時間最長。
2. 1.2 三氯化錫的影響
三氯化錦是成膜的主要因素。三氯化錦的加入量直接影響黑化膜的各種性能，其能使晶粒細(xì)致，加 深顏色，增強膜與基體的結(jié)合力，提高耐蝕性[汀，但 應(yīng)控制好加入量。固定其他因素不變，改變蘭氧化錦的加入量，測試了其對耐硫酸銅點滴時間的影響，實驗結(jié)果，如圖2 所示。結(jié)果表明:當(dāng)其加入量小于0.8 g/L 時，不能夠很好地起到耐蝕作用;當(dāng)其加入量為1.6 g/L 時，所得黑化膜的耐硫酸銅點滴時間最長;大于1.6 g/L 時，又會影響黑化膜的質(zhì)量。
2. 1.3 硫酸鋁的影響
硫酸鋁也是成膜的成分之一，硫酸鋁的加入，可以提高膜的均勻程度和耐蝕時間。固定其他因素不 變，改變硫酸鋁的加入量，測試了其對耐硫酸銅點滴時間的影響，實驗結(jié)果，如圖3所示。結(jié)果表明:當(dāng)其加入量小于 0.6 g/L 時，效果不明顯;當(dāng)其加入 量為1.0 g/L 時，所得黑化膜的耐硫酸銅點滴時間 最長;大于1.0 g/L 時，隨著硫酸鋁的加入量的增 加，所得黑化膜的耐蝕性能總體呈下降趨勢。
2.1.4 鹽酸的影響
鹽酸在黑化液中起穩(wěn)定黑化液的作用。三氯化錦和三氯化鐵都具有很強的水解性，所以應(yīng)加入一定量的鹽酸抑制其水解。同時鹽酸還具有調(diào)節(jié)酸 度、維持黑化液 pH 值的作用。固定其他因素不變， 改變鹽酸的加入量，測試了其對耐硫酸銅點滴時間 的影響，實驗結(jié)果，如圖4 所示。結(jié)果表明:鹽酸的 加入量為 70.0 mL/L 時，所得黑化膜的耐硫銅點滴 時間最長。
2. 1.5 偏硅酸鈾的影響
偏硅酸鈾提供的硅離子，與黑化液中的雜多酸 形成配位化合物兇，提高黑化液的穩(wěn)定性，同時二氧 化硅也是形成黑化膜的主要成分之一。固定其他因 素不變，改變偏硅酸鈾的加入量，測試了其對耐硫酸 銅點滴時間的影響，實驗結(jié)果，如圖 5 所示。結(jié)果表 明:偏硅酸鈾的加入量為1.5 g/L 時，所得黑化膜的 耐硫酸銅點滴時間最長。
2.1.6 氯酸鈾的影響
鋁酸鈾在酸性介質(zhì)中會形成縮合度不等的多錮酸，多錮酸可以和偏硅酸分子縮水生成雜多酸配位 化合物，將硅穩(wěn)定在黑化液中，以阻止硅酸鋁在溶液 中形成沉淀。使用錮酸鹽有穩(wěn)定溶液、增強黑化液 使用壽命、易調(diào)整、減少沉渣等優(yōu)點問。但另一方 面，加入量過多會使所生成的黑化膜變薄，顏色較 淺，表面分布不均，漏底現(xiàn)象嚴(yán)重。因此錮酸鈾的加 入量應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)，過多或過少都不利于 成膜。固定其他因素不變，改變鋁酸鈾的加入量，測 試了其對耐硫酸銅點滴時間的影響，實驗結(jié)果，如圖6 所示。結(jié)果表明:錮酸鈾的加入量為1.3 g/ L 時， 所得黑化膜的耐硫酸銅點滴時間最長。
2. 1.7 酒石酸的影響
發(fā)黑速率過快或黑化時間過長是造成膜層疏松、與基體結(jié)合力減弱、耐磨性及防護性降低的主要 原因。酒石酸作為配位劑能在黑化過程中與鐵離子 形成穩(wěn)定的配位物，能有效防止沉渣生成，提高黑化 液的穩(wěn)定性，使所得黑化膜結(jié)晶細(xì)化、均勻陽，對穩(wěn) 定黑化液，改善黑化質(zhì)量有較為明顯的效果。另外， 酒石酸還有利于鋼鐵表面晶界完全暴露，增多有效 成核活性點，形成晶粒細(xì)致、均勻的黑化膜。固定其 他因素不變，改變酒石酸的加入量，測試了其對耐硫 酸銅點滴時間的影響，實驗結(jié)果，如圖 7 所示。結(jié)果 表明:當(dāng)其加入量小于 5.0 g/ L 時，不能起到穩(wěn)定黑化液的作用;大于 5.0 g/L 時，隨著加入量的增加，黑化效果改善不明顯。
2.2 正交實驗
根據(jù)單因素實驗確定的黑化工藝，選取黑化時間、三氯化錦、硫酸鋁、鹽酸、偏硅酸鈾、鋁酸納、酒石 酸為 7 個因素，根據(jù)各因素用量范圍進行正交實驗。 根據(jù)實驗實際篩選出的最佳工藝為:黑化時間9 min.三氯化錦1. 8 g/ L.硫酸鋁 0.8 g/ L.鹽酸80.0 mL/ L.偏硅酸鍋 2.0 g/ L.錮酸鈾1.2 g/ L.酒 石酸 7.0 g/ L。
3 結(jié)論
(1)通過單因素和正交實驗研究，研發(fā)了一種 鋼鐵常溫黑化的新工藝。最終確定黑化的最佳工藝 為:黑化時間 9 min.三氯化錦1.8 g/ L，硫酸鋁 0.8 g/ L.鹽酸 80.0 mL/L.偏硅酸鈾 2.0 g/ L.錮酸鈾1.2 g/ L，酒石酸 7.0 g/L。
(2) 在最優(yōu)黑化工藝條件下得到的黑化膜致密、 均勻、完整，外觀黑亮，耐硫酸銅點滴時間達 90 S 。
