黑色氧化处理

黑色氧化处理是化学表面处理的一种常用手段，原理是使金属表面产生一层氧化膜，以隔绝空气，达到防锈目的。外观要求不高时可以采用发黑处理，钢制件的表面发黑处理，也有被称之为发蓝的。黑色氧化处理因其可以消除反光，是指一种军用刀具普遍使用的表面涂层处理方法1。

原理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350℃）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。

工艺流程黑色氧化处理的操作流程：

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1。

表1 常用的除油溶液配方

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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2列出了有关钢种氧化（发黑）时溶液的温度及浸入时间。

表2 不同钢件氧化温度与时间

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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2。

缺陷及解决措施钢件发黑工艺，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1。

溶液成分测定氧化溶液成分的测定

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。

除油溶液成分的测定

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。

本词条内容贡献者为:

黎明 - 副教授 - 西南大学