黑色氧化處理是化學表面處理的一種常用手段，原理是使金屬表面產生一層氧化膜，以隔絕空氣，達到防鏽目的。外觀要求不高時可以採用發黑處理，鋼製件的表面發黑處理，也有被稱之為發藍的。黑色氧化處理因其可以消除反光，是指一種軍用刀具普遍使用的表面塗層處理方法。
基本介紹
- 中文名：黑色氧化處理
- 外文名：Black Oxide
- 屬性：金屬表面處理工藝
- 領域：熱處理
- 別名：發黑（藍）處理
原理,工藝流程,缺陷及解決措施,溶液成分測定,
原理
為了提高鋼件的防鏽能力，用強的氧化劑將鋼件表面氧化成緻密、光滑的四氧化三鐵。這種四氧化三鐵薄層能有效地保護鋼件內部不受氧化。在高溫下（約550℃）氧化成的四氧化三鐵呈天藍色，故稱發藍處理。在低溫下（約350℃）形成的四氧化三鐵呈暗黑色，故稱發黑處理。在兵器製造中，常用的是發藍處理；在工業生產中，常用的是發黑處理。
工藝流程
黑色氧化處理的操作流程：
工件裝夾→去油→清洗→酸洗→清洗→氧化→清洗→皂化→熱水煮洗→檢查。
（1）工件裝夾：要根據工件的形狀、大小，設計專門的夾具或吊具。目的是使工件之間留有足夠的間隙，工件間不能相互接觸，要使每個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。經過機加工後（發藍、發黑是最後一道工序），工件表面難免不留下油污，用防鏽油作工序間防鏽的更是這樣。任何油污，都會嚴重影響四氧化三鐵的生成，所以必須在發藍、發黑之前除去。常用的除油溶液配方，見表1。
表1 常用的除油溶液配方
將除油溶液加熱至80～90℃，然後將工件浸入，浸入時間為30min左右，若油污較多，還得延長除油時間，以除油徹底為準。
（3）酸洗：酸洗的目的是除去工件表面的銹跡。因為銹跡、銹斑會阻礙生成緻密的四氧化三鐵層。即使工件無銹跡，也應進行酸洗，因為它使油污進一步去除乾淨，而且酸洗會提高工件表面分子的活化能，有利於下一工序的氧化，能生成較厚的四氧化三鐵層。
酸洗溶液一般是10～15%濃度的硫酸溶液，溫度是70～80℃，將工件浸入硫酸溶液中，浸入時間為30min左右，鏽蝕較輕的鋼件可浸20min，鏽蝕嚴重者，則需要浸40min以上。
（4）氧化：氧化是發藍、發黑的主要工序。四氧化三鐵膜層是否緻密、是否光滑、是否有足夠的厚度，取決於氧化階段。
發藍的工藝溫度是550℃。發黑的工藝溫度是130～145℃。浸入時間是50～80min。含碳量高的高碳鋼，氧化速度較快，浸入時間可短些。含碳量低的低碳鋼，氧化速度慢，浸入時間需要長些。合金鋼特別是高合金鋼，工件表面有一定的殘餘奧氏體，對鹼溶液有較強的抗抵作用，不易生成Fe3O4，因而浸入時間需更長一些。表2列出了有關鋼種氧化（發黑）時溶液的溫度及浸入時間。
表2 不同鋼件氧化溫度與時間
鋼種 | 入槽溫度（℃） | 出槽溫度（℃） | 處理時間（min） |
120～125 | 125～130 | 40 | |
低、中碳鋼 | 125～130 | 130～135 | 50 |
鉻矽鋼 | 125～130 | 130～140 | 60 |
高合金鋼 | 130～135 | 135～145 | 70 |
高速鋼 | 135～140 | 140～150 | 80 |
槽液的正常顏色是白色。如果槽液呈紅色或棕色，表示亞硝鈉濃度過大，應及時調整槽液的成分。如果溶液呈綠色，則表示鐵離子濃度過大，應及時更新溶液。
（5）皂化：所謂皂化，是用肥皂水溶液在一定溫度下浸泡工件。目的是形成一層硬脂酸鐵薄膜，以提高工件的抗腐蝕能力。常用的皂化液濃度是30～50g（肥皂）/L。把皂化液加熱至80～100℃，將氧化後的工件放入皂化液浸泡10min左右。
（6）檢查：氧化完畢後，要對工件進行檢查，看Fe3O4膜層是否合格。檢查的方法是：任意抽取三件工件，置於濃度為2%的硫酸銅溶液中浸泡20s，不退黑色者為合格。三件工件中有一件以上不合格，則整槽工件視為不合格，需再氧化一次，以加深四氧化三鐵的厚度。
缺陷及解決措施
鋼件發黑工藝，在操作過程中，可能會出現如下一些缺陷。
（1）氧化膜疏鬆：氧化膜應很緻密，與基本結合很牢固。如果生成的氧化膜疏鬆，容易擦掉，這是不正常的現象。出現這種情況，主要是由於新配製的氧化溶液缺少鐵離子引起的。解決辦法，是加入一些舊的氧化溶液，或者加入一些乾淨的鋼屑，煮沸30min，以增加氧化溶液的鐵離子濃度，這現象就會消除。
（2）工件表面呈紅褐色銹斑：氧化膜應呈深黑色，光亮且平滑。如果工件表面出現紅褐色斑點或連成一片，這主要是由於氧化溶液中氫氧化鈉過濃、生成氧化鐵過多所致。解決辦法是調整溶液成分，補充加入一些亞硝酸鈉和水，以降低NaOH濃度。
（3）工件表面呈淡灰色：工件表面失去烏黑光澤，呈淡灰色，這是由於氧化溶液中氫氧化鈉濃度過低引起的。解決辦法，補充加入適量的氫氫化鈉。
（4）不生成氧化膜：經處理40～50min後，工件表面仍不上色（生成氧化膜），這主要是由於溶液溫度過低，亞硝酸鈉濃度不足引起的。解決辦法是提高溶液溫度，適當增加亞硝酸鈉量。
（5）氧化膜表面發花：工件在黑色基體上出現零星的白點，有時白點還較密集，這種現象工人稱之為“發花”。發花原因主要是氧化時間不夠引起的。解決辦法，是延長氧化時間（即浸泡時間），還可以補充加入少量氫氧化鈉。
（6）工件表面呈綠色：如果工件表面的氧化膜不是烏黑色，而是綠色，這是工件過氧化的結果，是由於氧化溶液溫度過高、亞硝酸鈉濃度過高引起的。解決辦法是加入適量冷水（注意：加水時必須穿戴好保護具，緩緩加入，以免槽液飛濺，造成灼傷事故）和加入少量氫氧化鈉，以降低溶液溫度及亞硝酸鈉的濃度。
溶液成分測定
氧化溶液成分的測定
從以上氧化膜缺陷分析中可知，當氧化溶液成分出現波動時，就會造成氧化膜的缺陷，至使發黑操作失敗。氧化溶液成分，主要指氫氧化鈉濃度和亞硝酸鈉濃度。在發黑過程中，水分不斷被蒸發，亞硝酸鈉和氫氧化鈉又非等比消耗，所以，此消彼長，濃度變化是必然的。操作時間越長，變化就越大。
為了不使氧化溶液的成分出現大的波動，應該每隔2～3h，就取樣測定它們的濃度，以便及時計算並補充添加有關原料。
除油溶液成分的測定
除油與氧化有著密切關係，除油不徹底，很難獲得高質量的四氧化三鐵層膜。所以，除油溶液也要經常測定其成分，以便及時補充添加有關原料，以保證除油效果。
