CN110724902A

CN110724902A - 一种无污染的钢铁气体发黑工艺

Info

Publication number: CN110724902A
Application number: CN201911130022.9A
Authority: CN
Inventors: 徐德照
Original assignee: Huizhou Xinhongbai Precision Hardware Co Ltd
Current assignee: Huizhou Xinhongbai Precision Hardware Co Ltd
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2020-01-24

Abstract

本发明公开一种无污染的钢铁气体发黑工艺，包括如下步骤：零件清理；零件装炉，同时往炉内装入催化剂；抽真空排出炉内空气；充入氮基保护性气氛，加热到500～600℃，转入脉冲抽排气，加热时间为60～120min；降温到氧化处理温度400～500℃，将炉内的氮基保护性气氛转换为氧化性气氛，保温持续时间为30～300min；抽去氧化性气氛，充入氮气，降温到200～480℃；零件出炉并浸油；零件冷却后出油。与普通碱性发黑相比，本发明可以使零件耐腐蚀性能提高50％～200％。本发明工艺过程加入的原料为氮气、氨气和氧气，最终排放的气体为氮气、氧气和少量氢气，这是一个无污染工艺。

Description

一种无污染的钢铁气体发黑工艺

技术领域

本发明涉及钢铁表面保护技术，特别是涉及一种无污染的钢铁气体发黑工艺。

背景技术

碱性溶液发黑技术，是对钢铁表面进行发黑(实质是氧化过程)处理，是目前保护钢铁表面减少氧化生锈的一种常用的工艺方法，该方法工艺简单，容易获得均匀的黑色或蓝黑色表面。这种方法也是所有钢铁表面保护处理中最廉价、最实用的方法，因此在机械、电器等许多行业得到广泛的应用。

碱性溶液加热发黑技术，它是用氢氧化钠、亚硝酸钠和水组成的高浓度溶液在150℃左右的温度下煮沸10～100min而获得。

碱性发黑通常的工艺流程为：碱溶液除锈→冷热水交换清洗→酸溶液除油→冷热水交换清洗→碱性氧化溶液发黑处理→冷热水肥皂水交换清洗→烘干→热浸油。

现有碱性溶液发黑技术存在如下问题：

(1)污染问题

A.工艺过程中的除锈、除油会造成大量需废弃的化工溶液，直接排放会造成污染，如要处理则代价较高；

B.碱性发黑液一般使用数月后就需更换或大比例置换，这个过程出现的大量的高浓度化工废液更是难以处理；

(2)工作环境恶劣，高温蒸汽和完全暴露的作业环境使工作条件恶化；

(3)高浓度的高温碱液极易造成人员伤害。

碱性发黑工艺的最新发展：

(1)常温发黑，这是近年来开发的一种新工艺，目的是改善作业条件，其使用原料仍为高浓度碱性溶液，但由于这种发黑工艺极不稳定，目前尚未被市场接受。

(2)余热发黑，它是利用中温回火零件的回火余热，将零件直接投入发黑溶液而完成发黑，它使用的溶液虽然是中性溶液，但这种方法应用的局限性很大，只能在中温回火的连续炉上应用。

除了上述的碱性溶液发黑技术，还有一种是QPQ技术。该技术是在氮碳共渗获得的硬化层的表面再加上表面氧化，增加氧化的目的是提高表面的耐腐蚀性能和色泽均匀性。这是一项硬化表面为主要目的的技术。

QPQ分为盐浴和气体二种：

1、盐浴QPQ：

(1)它采用高温熔化状态的氮碳共渗盐和氧化盐分别实现氮碳共渗和氧化；

(2)氮碳共渗盐槽使用温度为560℃，处理时间以产品要求的氮化层的厚度不同而不同，一般不少于2h；氧化盐槽使用温度为390℃，处理时间一般为30～40min；

(3)工艺过程如下：零件清洗，一般采用挥发性溶剂→预热，温度为380℃→盐浴氮碳共渗→转入氧化槽氧化→热水反复浸泡清洗→烘干浸油→检验包装；

(4)盐浴QPQ的优点：该技术可以在较低的温度下使零件表面获得一定厚度的承载层和高耐磨层，由于处理温度低，变形小(可以说是各种热处理硬化工艺中变形最小的一种)，因此在各种轻负荷的精密零件中得到广泛应用；

(5)盐浴QPQ的缺点：a.费用较高，由于盐浴原料过于专业化，一般采用专业的商品盐或进口盐，同时在处理过程中由于盐浴温度低，会有大量熔盐随零件带出造成成本增加，目前市场上盐浴QPQ的处理价位一般为15～30元/kg，高于大多数热处理工艺种类；b.处理过程是有毒的，虽然专业的商品盐可以做到无毒无污染，但在处理过程中，一是会产生大量氨气，二是熔化的盐浴中会产生氰酸根，这是一种毒性较大的物质；c.废盐和清洗零件的废液需要环保处理；

2、气体氧氮化(亦称气体QPQ)

(1)它是在气体氮化中表面获得一定厚度的承载层和耐磨层后，再增加表面氧化工序，最终获得蓝黑色的氧化表面，它可以进一步提高表面的耐腐蚀性；

(2)处理温度为560℃；

(3)工艺过程如下：零件清洗，一般采用挥发性溶剂→装炉(气体氮化炉)→抽真空→充氮气保护升温→转换为氮化气氛→氮化→转换为氧化气氛→氧化→降温至一定温度→出炉浸油→检验包装；

(4)工艺时间：氮化工艺与普通气体氮化相似，需要较长的工艺时间，根据不同的硬化层要求，工艺时间通常为6～20h；

(5)气体氧氮化的优点：a.可以在较低的温度下使零件表面获得一定厚度的承载层和高耐磨层，变形小；b.可以在同一炉体内完成主体工艺，操作简便；

(6)气体氧氮化的缺点：a.费用较高，正因为工艺时间较长，其成本也是比较高的，目前市场价位一般为12～20元/kg，高于大多数热处理工艺种类；b.氮化过程会有一定量的残余氨气排放，必须进行适当处理，否则对环境有一定影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种无污染的钢铁气体发黑工艺。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种无污染的钢铁气体发黑工艺，包括如下步骤：

S01、零件清理；

S02、零件装炉，同时往炉内装入催化剂；

S03、抽真空排出炉内空气；

S04、充入氮基保护性气氛，加热到500～600℃，转入脉冲抽排气，加热时间为60～120min；

S05、降温到氧化处理温度400～500℃，将炉内的氮基保护性气氛转换为氧化性气氛，保温持续时间为30～300min；

S06、抽去氧化性气氛，充入氮气，降温到200～480℃；

S07、零件出炉并浸油；

S08、零件冷却后出油。

在其中一个实施例中，在步骤S01中，机加工的零件用清洁的干布擦去表面油迹。

在其中一个实施例中，在步骤S01中，生锈及铸造的零件表面进行喷丸处理。

在其中一个实施例中，在步骤S02中，所述催化剂为固体结晶氯化铵。

在其中一个实施例中，结晶氯化铵的加入量为：炉膛有效体积(m³)×(12～30g)/m³。

在其中一个实施例中，在步骤S02中，所述催化剂为气体催化剂氨气。

在其中一个实施例中，在步骤S04中，所述氮基保护性气氛为氮气或者氮气和氨气的混合气体。

在其中一个实施例中，在步骤S02中所加入的气体催化剂氨气与步骤S04所加入的氮气的用量为1：1。

在其中一个实施例中，在步骤S05中，所述氧化性气氛的组成为：80～95％的氮气、5～20％的氧气。

仅使用固体催化剂氯化铵时，对零件进行盐雾试验生锈时间24～48h；同时使用固体催化剂氯化铵和气体催化剂氨气时，盐雾试验生锈时间72～100h；而目前普通碱性发黑零件盐雾试验生锈时间仅为6～15h；与普通碱性发黑相比，本发明可以使零件耐腐蚀性能提高50％～200％。

本发明工艺过程加入的原料为氮气、氨气和氧气，最终排放的气体为氮气、氧气和少量氢气，因此这是一个无污染工艺。工艺过程中加入的催化剂，一是量少，二是在工艺过程中，大部已经分解，即使有部分未分解的(主要是氨气)在排出炉体后还经过一道密封水箱的过滤，或经过一道裂解装置，最终排出的只有氮气、氧气和氢气了。

本发明采用了自动化程度较高的程序控制设备，工人操作时只需按一个按钮，整个流程就会自动走到底，一个工人可以管理2～4台设备，由于用工较少，清洁无污染，带来了生产成本的下降；工艺过程除装炉和出炉外，全部在真空密封的炉体内进行，整体工作环境良好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一实施例的无污染的钢铁气体发黑工艺的步骤流程图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明公开了一种无污染的钢铁气体发黑工艺，包括如下步骤：

S01、零件清理；

一般机加工的零件用清洁的干布擦去表面油迹，而生锈及铸造的零件表面进行喷丸处理；在本发明中，处理的零件为钢铁，颜色为蓝黑色，与普通碱性发黑处理的零件色泽相似。

S02、零件装炉，同时往炉内装入催化剂；

在这一过程中，催化剂优选为固体结晶氯化铵，结晶氯化铵的加入量为：炉膛有效体积(m³)×(12～30g)/m³，其中，在本实施例中，炉膛有效体积采用立方米为计算单位。结晶氯化铵的加入是利用氯化铵高温会分解产生氯离子，氯离子可以进一步清洁零件表面，从而获得较均匀的蓝黑色表面色泽。

另外，还可以选择气体催化剂氨气，氨气的加入是为了活化零件表面，它的活化过程是这样的：氨气在高温下会分解成H₂和活性氮离子，活性氮离子会与铁原子生成铁氮化合物，也就是初期的氮化层，由于作用时间短，它们不能形成有效的白亮层，并在后面的氧化过程中由氧原子置换氮原子，从而获得致密的Fe₃O₄保护层，可进一步提高处理后零件的耐腐蚀性能。

进一步地，还可以将固体催化剂结晶氯化铵和气体催化剂氨气同时加入到炉内。

S03、抽真空排出炉内空气；

这一步骤，其主要目的是排出零件上所挥发出来的油蒸汽；在步骤S02所加入的催化剂主要用于这一真空加热除油阶段，目的是清洁和活化零件表面；

要说明的是，在这一过程中，脉冲抽排气是一边不断的往炉内充入氮基保护性气氛，一边不断的将炉内的氮基保护性气氛抽出，利用真空脉冲技术使零件表面接触的氮基保护性气氛保持一定的新鲜度，这对零件表面获得均匀的色泽至关重要。

在本实施例中，所述氮基保护性气氛为氮气或者氮气和氨气的混合气体，并且，在步骤S02中所加入的气体催化剂氨气与步骤S04所加入的氮气的用量为1：1。

在这一过程中，利用真空技术实现炉气的快速置换，尤其是将氮基保护性气氛快速转换为氧化性气氛。

在本实施例中，所述氧化性气氛的组成为：80～95％的氮气、5～20％的氧气。

S06、抽去氧化性气氛，充入氮气，降温到200～480℃；

S07、零件出炉并浸油；

S08、零件冷却后出油。

要说明的是，仅使用固体催化剂氯化铵时，对零件进行盐雾试验生锈时间24～48h；同时使用固体催化剂氯化铵和气体催化剂氨气时，盐雾试验生锈时间72～100h；而目前普通碱性发黑零件盐雾试验生锈时间仅为6～15h；与普通碱性发黑相比，本发明可以使零件耐腐蚀性能提高50％～200％。

本发明工艺过程加入的原料为氮气、氨气和氧气，最终排放的气体为氮气、氧气和少量氢气，因此这是一个无污染工艺。工艺过程中加入的催化剂，一是量少，二是在工艺过程中，大部已经分解，即使有部分未分解的(主要是氨气)在排出炉体后还经过一道密封水箱的过滤，或经过一道裂解装置，最终排出的只有氮气和氧气了。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种无污染的钢铁气体发黑工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S01、零件清理；

S02、零件装炉，同时往炉内装入催化剂；

S03、抽真空排出炉内空气；

S06、抽去氧化性气氛，充入氮气，降温到200～480℃；

S07、零件出炉并浸油；

S08、零件冷却后出油。

2.根据权利要求1所述的无污染的钢铁气体发黑工艺，其特征在于，在步骤S01中，机加工的零件用清洁的干布擦去表面油迹。

3.根据权利要求1所述的无污染的钢铁气体发黑工艺，其特征在于，在步骤S01中，生锈及铸造的零件表面进行喷丸处理。

4.根据权利要求1所述的无污染的钢铁气体发黑工艺，其特征在于，在步骤S02中，所述催化剂为固体结晶氯化铵。

5.根据权利要求4所述的无污染的钢铁气体发黑工艺，其特征在于，结晶氯化铵的加入量为：炉膛有效体积(m³)×(12～30g)/m³。

6.根据权利要求1所述的无污染的钢铁气体发黑工艺，其特征在于，在步骤S02中，所述催化剂为气体催化剂氨气。

7.根据权利要求6所述的无污染的钢铁气体发黑工艺，其特征在于，在步骤S04中，所述氮基保护性气氛为氮气或者氮气和氨气的混合气体。

8.根据权利要求7所述的无污染的钢铁气体发黑工艺，其特征在于，在步骤S02中所加入的气体催化剂氨气与步骤S04所加入的氮气的用量为1：1。

9.根据权利要求1所述的无污染的钢铁气体发黑工艺，其特征在于，在步骤S05中，所述氧化性气氛的组成为：80～95％的氮气、5～20％的氧气。