CN100526505C - 一种碳钢表面发黑的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳钢表面发黑的方法。利用碳钢衬底在亚铁盐、强碱和水合肼的混合溶液中的水热反应，反应温度为100～250℃，在碳钢衬底表面生成一层由超细Fe3O4颗粒组成的黑色致密保护涂层，涂层厚度为1～10微米，且该涂层与碳钢衬底相互融合。采用常用的化学药品(如亚铁盐、强碱和水合肼)，利用水热反应在碳钢表面生成致密的Fe3O4保护涂层。与传统的高温碱性氧化工艺相比，本方法无需使用亚硝酸钠等致癌的高毒物质，即可实现高质量的发黑处理，涂层厚度可控制在1～10微米范围内。本发明可用于各种碳钢的表面发黑处理。

Description

一种碳钢表面发黑的方法
技术领域
本发明涉及黑色金属的处理，尤其是涉及一种碳钢表面发黑的方法。
背景技术
据统计，全世界因腐蚀而造成的钢铁损耗每年达1亿吨以上，仅美国1975年因钢铁腐蚀所造成的直接经济损失，高达700多亿美元，约占美国当年国民生产总值的4.2％(以上均不含间接的经济损失)。我国统计部门的资料表明，我国每年因钢铁腐蚀，所造成的直接经济损失约占国民生产总值的4％。碳钢是使用量最大的一类钢铁，但相对于不锈钢和铸铁，碳钢的防腐能力较差。为节约资源，保护环境，降低经济损失，开发与应用有效的碳钢防腐技术是解决钢铁腐蚀问题的关键。
目前，常用的钢铁防腐技术采用在钢铁表面形成致密的保护层，即钢铁表面涂层技术。目前常用涂层技术主要包括喷漆、电镀与发黑等，其中表面发黑技术因成本低、效率高、操作简单而成为碳钢表面处理中最常用的技术之一，主要包括常温发黑工艺与高温碱性氧化工艺两大类。虽然常温发黑工艺相对高温碱性氧化工艺成本更低，操作更简单，但高温碱性氧化工艺处理的质量明显好于常温发黑工艺。因此，直到如今高温碱性氧化工艺还在被广泛采用。高温碱性氧化工艺主要是把氢氧化钠、硝酸钠、亚硝酸钠和其它一些添加剂等原料按比例组合起来，配成溶液，然后在140℃左右的温度下将钢铁浸入溶液中表面处理，得到Fe3O4黑色涂层。但不幸的是，高温碱性氧化工艺采用的亚硝酸钠是一种致癌的高毒物质。因此，开发新型无亚硝酸钠的发黑技术已成为今后发黑技术发展的方向。
水热法是指在特制的密闭反应器(高压釜)中，采用水溶液作为反应体系，通过将反应体系加热至临界温度(或接近临界温度)，在反应体系中产生高压环境而进行无机合成与材料制备的一种有效方法。目前，水热法已成为合成纳米结构材料最常用的的制备方法之一，具有操作简单、反应条件温和、产物细小均匀、成本低廉、易实现大规模生产等优点。利用水热法特殊的反应条件，让在水热溶液中生成的纳米颗粒不断地生长到衬底材料上，即可实现高质量致密超细薄膜的制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳钢表面发黑的方法，使碳钢在亚铁盐、强碱和水合肼的混合溶液中经水热反应，在其表面形成黑色致密的Fe3O4涂层。
本发明采用的技术方案步骤如下：
1)将亚铁盐溶于水中，控制其摩尔浓度在0.005～0.1摩尔/升，搅拌；再加入摩尔数为亚铁盐0～50倍的强碱和1～10倍的水合肼，继续搅拌；将最终配好的溶液转移至高压釜中，保持填充度为80～90％。
2)将碳钢衬底放入上述高压釜中并密封，在100～250℃温度范围内处理4～100小时，即可在碳钢表面形成黑色致密的Fe3O4涂层。
所述的亚铁盐为硫酸亚铁或氯化亚铁。
所述的强碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
所述的涂层由超细的Fe3O4颗粒组成，Fe3O4粒径为200～800纳米，厚度为1～10微米，且涂层与碳钢表面相互融合。
本发明具有的有益效果是：采用常用的化学药品(如亚铁盐、强碱和水合肼)，利用水热反应在碳钢表面生成致密的Fe3O4保护涂层。与传统的高温碱性氧化工艺相比，本方法无需使用亚硝酸钠等致癌的高毒物质，即可实现高质量的发黑处理，涂层厚度可控制在1～10微米范围内，本发明可用于各种碳钢的表面发黑处理。
附图说明
图1是实施例1所得发黑样品的宏观照片。
图2是实施例1所得发黑样品及其碳钢衬底的XRD图谱：(a)碳钢衬底，(b)发黑样品。
图3是实施例1所得样品涂层表面的场发射扫描电镜照片及其截面图：(a)一万倍下扫描电镜照片及其截面图，(b)十万倍下扫描电镜照片。
具体实施方式
实施例1：
将0.222克硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)溶于160毫升去离子水中，硫酸亚铁的摩尔浓度0.005摩尔/升，搅拌5分钟后；再加入0.128克氢氧化钠，氢氧化钠的摩尔浓度为0.02摩尔/升，搅拌5分钟后；再向上述溶液中加入0.047克质量浓度为85％的水合肼溶液，最终溶液中水合肼摩尔浓度为0.005摩尔/升，继续搅拌10分钟后，把上述配好的溶液放入高压釜的聚四氟乙烯内衬里，保持填充度为80％；最后将尺寸为10毫米的碳钢方片放入上述溶液中，该方片经金相砂纸抛光。上述溶液在150℃下处理8小时，即可在碳钢表面形成黑色致密Fe3O4保护涂层。图1为本实施例所得涂层的宏观照片，为了能清晰辨别涂层和衬底，样品的右半部分经砂纸打磨去掉涂层，从图1中看出经水热处理后的碳钢表面形成黑色致密的保护涂层。图2a为碳钢衬底XRD图谱，与铁的标准卡片JCPDS no.87-0721完全吻合，图2b为黑色涂层样品的XRD图谱，图2b中除了铁的XRD衍射峰，其它所有的峰均与Fe3O4的标准卡片JCPDS no.88-0866完全吻合。由此可以表明，黑色涂层物质为Fe3O4。图3为本实施例所得涂层表面的场发射扫描电镜照片及截面图，图3表明黑色涂层由超细Fe3O4粒子组成，粒径约500nm，且粒子间紧密排列。从其截面图中可看出涂层厚度为3微米，且涂层与碳钢衬底相互融合。
实施例2：
将2.502克硫酸亚铁(FeSO4·7H2O)溶于180毫升去离子水中，硫酸亚铁的摩尔浓度0.05摩尔/升，搅拌5分钟后；再加入9克氢氧化钠，氢氧化钠的摩尔浓度为1.25摩尔/升，搅拌5分钟后；再向上述溶液中加入2.647克质量浓度为85％的水合肼溶液，最终溶液中水合肼摩尔浓度为0.005摩尔/升，继续搅拌10分钟后，把上述配好的溶液放入高压釜的聚四氟乙烯内衬里，保持填充度为90％；最后将尺寸为10毫米的碳钢方片放入上述溶液中，该方片经金相砂纸抛光。上述溶液在100℃下处理100小时，即可在碳钢表面形成黑色致密的Fe3O4保护涂层。该黑色涂层由超细Fe3O4粒子组成，粒径约600nm，且粒子间紧密排列，涂层厚度为3微米，且涂层与碳钢衬底相互融合。
实施例3：
将3.378克氯化亚铁(FeCl2·4H2O)溶于170毫升去离子水中，氯化亚铁的摩尔浓度0.1摩尔/升，搅拌5分钟后；再加入10克质量浓度为85％的水合肼溶液，最终溶液中水合肼摩尔浓度为1摩尔/升，继续搅拌10分钟后，把上述配好的溶液放入高压釜的聚四氟乙烯内衬里，保持填充度为85％；最后将尺寸为10毫米的碳钢方片放入上述溶液中，该方片经金相砂纸抛光。上述溶液在250℃下处理4小时，即可在碳钢表面形成黑色致密的Fe3O4保护涂层。该黑色涂层由超细Fe3O4粒子组成，粒径约200nm，且粒子间紧密排列，涂层厚度为5微米，且涂层与碳钢衬底相互融合。
实施例4：
将0.318克氯化亚铁(FeCl2·4H2O)溶于160毫升去离子水中，氯化亚铁的摩尔浓度0.01摩尔/升，搅拌5分钟后；再加入4.488克氢氧化钾，氢氧化钾的摩尔浓度为0.5摩尔/升，搅拌5分钟后；再向上述溶液中加入0.941克质量浓度为85％的水合肼溶液，最终溶液中水合肼摩尔浓度为0.1摩尔/升，继续搅拌10分钟后，把上述配好的溶液放入高压釜的聚四氟乙烯内衬里，保持填充度为80％；最后将尺寸为10毫米的碳钢方片放入上述溶液中，该方片经金相砂纸抛光。上述溶液在250℃下处理100小时，即可在碳钢表面形成黑色致密的Fe3O4保护涂层。该黑色涂层由超细Fe3O4粒子组成，粒径约800nm，且粒子间紧密排列，涂层厚度为10微米，且涂层与碳钢衬底相互融合。

Claims (4)

1、一种碳钢表面发黑的方法，其特征在于该方法的步骤如下：
1)将亚铁盐溶于水中，控制其摩尔浓度在0.005～0.1摩尔/升，搅拌；再加入摩尔数为亚铁盐0～50倍的强碱和1～10倍的水合肼，继续搅拌，将最终配好的溶液转移至高压釜中，保持填充度为80～90％；
2)将碳钢衬底放入上述高压釜中并密封，在100～250℃温度范围内处理4～100小时，即可在碳钢表面形成黑色致密的Fe3O4涂层。
2、根据权利要求1所述的一种碳钢表面发黑的方法，其特征在于：所述的亚铁盐为硫酸亚铁或氯化亚铁。
3、根据权利要求1所述的一种碳钢表面发黑的方法，其特征在于：所述的强碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
4、根据权利要求1所述的一种碳钢表面发黑的方法，其特征在于：所述的涂层由超细的Fe3O4颗粒组成，Fe3O4粒径为200～800纳米，厚度为1～10微米，且涂层与碳钢表面相互融合。
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