專利名稱：鋼的抗腐蝕及氧化著色復(fù)合表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鋼的抗腐蝕及氧化著色復(fù)合表面處理方法，屬金屬材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
鋼鐵材料或鋼鐵零部件表面的改性處理有多種方法，其目的主要是為了提高鋼鐵材料的耐磨性和耐蝕性。常用的處理技術(shù)有發(fā)藍(lán)、磷化、表面鍍鉻法、鹽浴氮化或氮碳共滲法、氣體滲氮法等。發(fā)藍(lán)、磷化等屬于傳統(tǒng)的表面處理技術(shù)，主要靠氧化形成的多孔Fe3O4膜來提供抗腐蝕及耐磨性能，但其對鋼鐵性能的提高有限，不能滿足人們對鋼鐵性能日益提高的要求。鍍鉻法分為鍍硬鉻和裝飾鍍鉻法兩種，鍍硬鉻法主要是用來提高零件的耐磨性，而裝飾鍍鉻則是為了獲得外型美觀、耐蝕性能優(yōu)良的鋼鐵零件，是目前廣泛應(yīng)用的表面處理技術(shù)。目前常用的鍍鉻工藝都使用Cr6+進(jìn)行電鍍，而含Cr6+的廢液、廢氣、廢渣均屬于高毒性、可致癌物質(zhì)，將給環(huán)境帶來嚴(yán)重污染。在美國、加拿大、歐盟等發(fā)達(dá)國家現(xiàn)已明文規(guī)定禁止使用Cr6+，而我國也在推行“中國ROHS”計劃，限制Cr6+的使用。
鹽浴氮化及氣體氮化或氮碳共滲法的原理都是通過化學(xué)熱處理的方法，在鋼鐵表面形成一層厚約10～50微米的氮化或氮碳共滲物或碳氮化或氮碳共滲合物(俗稱白亮層)，經(jīng)過處理后的表面具有硬度高、疲勞性能和耐蝕性能優(yōu)異、形變小的優(yōu)點。同時，鹽浴氮化和氣體氮化或氮碳共滲法主要使用尿素、氨氣、氮?dú)?、乙醇等低污染物質(zhì)，其在生產(chǎn)過程產(chǎn)生的廢料如碳酸鈉、氨氣等對環(huán)境的污染也很低。
兩者相比，鹽浴氮化具有生產(chǎn)效率高、工藝流程短、質(zhì)量穩(wěn)定、成本低的優(yōu)勢，但其工作環(huán)境相對惡劣，由于使用了氰酸鈉等有毒物質(zhì)，鹽浴氮化法對環(huán)境的污染比氣體氮化或氮碳共滲法要高，同時鹽浴氮化法獲得的白亮層通常在15～25微米之間，厚度再大的話性能無法保證。而氣體氮化或氮碳共滲法由于只使用氮?dú)?、氨氣等氣體，其生產(chǎn)過程對環(huán)境幾乎沒有影響，同時用氣體氮化或氮碳共滲法可以獲得更厚的白亮層，滿足更高性能的需求，但其工藝流程比鹽浴氮化或氮碳共滲長，滲層厚度的均勻性亦不如前者。目前，這兩種工藝在國內(nèi)均以得到廣泛應(yīng)用，對其工藝技術(shù)的進(jìn)一步開發(fā)也是當(dāng)前的熱點。
鹽浴氮化或氮碳共滲法及氣體氮化或氮碳共滲法雖然可以獲得優(yōu)異的耐磨及抗腐蝕性能，但是其處理后的表面顏色單一，裝飾性差，同時產(chǎn)品的抗腐蝕性能也需要進(jìn)一步提高，這是制約其大規(guī)模應(yīng)用的主要原因之一。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種鋼的抗腐蝕及氧化著色復(fù)合表面處理方法，以用于對普通碳鋼或合金鋼進(jìn)行著色，降低材料成本，并增加產(chǎn)品著色性能。
本發(fā)明提出的鋼的抗腐蝕及氧化著色復(fù)合表面處理方法，包括以下步驟 (1)除銹和拋光將金屬坯料浸入一定濃度的稀鹽酸溶液中，浸泡5～10分鐘，或使用砂輪、砂帶清除表面的銹斑，使表面粗糙度小于Ra3.2；將上述處理過的坯料進(jìn)行拋光，使粗糙度小于Ra0.8； (2)預(yù)氧化將上述處理好的坯料在320～380℃下預(yù)熱10-30分鐘； (3)氮碳共滲將上述預(yù)熱的坯料放入鹽浴爐中反應(yīng)，溫度為560～580℃，反應(yīng)時間為1.5～2小時，反應(yīng)結(jié)束后用水冷卻，然后用水溫為40～80℃的溫水對坯料進(jìn)行清洗，洗去表面殘留的共滲鹽； 或氣體氮化將上述預(yù)熱的坯料放入氣氛爐中反應(yīng)，反應(yīng)氣氛由氨氣及乙醇構(gòu)成，氨氣流量為0.6～1.6立方米/小時，乙醇滴量為80滴/分鐘，反應(yīng)溫度為550～650℃，反應(yīng)時間為0.6～4小時，反應(yīng)結(jié)束后用水冷卻； (4)精拋將上述共滲處理的坯料振動拋光5～10分鐘，用麻輪和布輪先后拋光，使表面粗糙度小于Ra0.4，然后清除表面的拋光蠟或油脂； (5)氧化著色將上述拋光后的坯料放入回火氣氛中，在氮?dú)夂脱鯕獾幕旌蠚怏w中，200～450℃反應(yīng)5～10分鐘，氮?dú)夂脱鯕獾幕旌象w積比為氮?dú)狻醚鯕猓?～10∶1； 或?qū)⑸鲜鰭伖夂蟮呐髁辖霘溲趸c及亞硝酸鈉的水溶液中反應(yīng)，水溶液的濃度為每1000克水中含有100～700克氫氧化鈉和100～250克亞硝酸鈉，100～200℃，反應(yīng)5～120分鐘 (6)封閉處理將上述氧化著色后的坯料放入pH值為7～8.5、溫度為80～90℃、容積濃度為30～50克/升的肥皂水中皂化5～10分鐘，封閉著色的坯料表面。
本發(fā)明提出的鋼的抗腐蝕及氧化著色復(fù)合表面處理方法，其優(yōu)點是 1、利用本發(fā)明方法對鋼的表面進(jìn)行著色處理后，鋼表面的復(fù)合膜具有良好的耐磨性和抗腐蝕性能； 2、利用本發(fā)明方法對鋼的表面進(jìn)行著色處理后，由鋼材料制備的產(chǎn)品具有優(yōu)良的裝飾性。
3、本發(fā)明方法工藝簡單，可操作性強(qiáng)，與已有的不銹鋼著色技術(shù)相比，在同樣的著色效果下，由于原材料成本低，因而產(chǎn)品成本低； 4、本發(fā)明方法的各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，不使用普通電鍍或不銹鋼著色時使用的含鉻固體或液體，因而無環(huán)境污染； 5、本發(fā)明方法屬于微變形的加工工藝，因此使用本發(fā)明方法對產(chǎn)品著色，基本不改變產(chǎn)品的外型尺寸； 6、本發(fā)明方法適應(yīng)范圍廣，可用于各種碳鋼及合金鋼的著色處理。



圖1是45號鋼樣品處理后，截面上從表面到芯部的硬度變化曲線。
圖2是45鋼處理后的表面顯微組織圖。

具體實施例方式 本發(fā)明提出的抗腐蝕及氧化著色復(fù)合表面處理方法，首先除銹和拋光將金屬坯料浸入重量百分比濃度為2～10％的稀鹽酸溶液中，浸泡5～10分鐘，或使用砂輪、砂帶清除表面的銹斑，使表面粗糙度達(dá)到小于Ra3.2；將上述處理過的坯料進(jìn)行拋光，使粗糙度小于Ra0.8；預(yù)氧化將處理好的坯料在320～380℃加熱30分鐘；氮碳共滲將上述預(yù)熱的坯料放入鹽浴爐中反應(yīng)，溫度為560～580℃，反應(yīng)時間為1.5～2小時，反應(yīng)結(jié)束后用水冷卻，用水溫為40～80℃的溫水對坯料進(jìn)行清洗，洗去表面殘留的共滲鹽；氣體氮化將上述預(yù)熱的坯料放入井式氣氛爐中反應(yīng)，反應(yīng)氣氛由氨氣及乙醇構(gòu)成，以25千瓦的井式反應(yīng)爐為例，氨氣流量為0.6～1.6立方米/小時，乙醇滴量為80滴/分鐘反應(yīng)溫度為550～650℃，反應(yīng)時間為0.6～4小時，反應(yīng)結(jié)束后用水冷卻；氣體氮化也可采用氣氛為NH3、N2和CO2的混合氣體，其比例為NH3∶N2∶CO2＝50∶45∶5，反應(yīng)溫度為550～570℃，反應(yīng)時間為2～4小時；對于氣體氮化而言，為了確保ε相有良好的致密性，氨的分解率或應(yīng)控制在適當(dāng)?shù)姆秶?，一般氨的分解率不?yīng)超過60％～70％。分解率太高會增加氮化層的孔隙度，降低抗蝕性，此外還會減少表面的氮濃度。過低的分解率會使ε相氮濃度過高，造成滲氮層變脆，因此為獲得致密且脆性小的ε相層，氨分解率應(yīng)控制在40％～60％；精拋將上述坯料振動拋光5～10分鐘，然后用麻輪和布輪先后拋光，使表面粗糙度小于Ra0.4；除油除脂精拋后零件表面會殘存有拋光蠟或油脂，需清除干凈才可確保氧化工序的質(zhì)量穩(wěn)定，根據(jù)零件表面的油脂多少，選擇下列方法之一或者聯(lián)合除油?；瘜W(xué)除油氫氧化鈉60～80g/l，磷酸鈉20～40g/l，硅酸鈉3～10g/l，總堿度(相當(dāng)于NaOH)65～100g/l，溫度70～90℃，除盡為止，或者使用商用金屬除脂劑處理；氧化著色對于高溫回火氧化著色而言，溫度宜控制在200～450℃為佳，氮?dú)夂脱鯕獾幕旌象w積比為氮?dú)狻醚鯕猓?～10∶1，氧化時間宜控制在5～10分鐘之間，具體步驟為先通氮?dú)獗Ｗo(hù)，升溫至設(shè)定溫度，保溫30～60分鐘，使零件受熱均勻，通氮?dú)饧把鯕饣旌蠚怏w進(jìn)行氧化5～10分鐘，通氮?dú)獗Ｗo(hù)，冷卻至150℃以下出爐，回火氧化的溫度以及混合氣體的組分因顏色不同而變化，以金黃色為例，溫度為240～280℃，氣體成分為N2∶O2＝3∶1～5∶1；或?qū)⑸鲜雠髁辖霘溲趸c及亞硝酸鈉的水溶液反應(yīng)，水溶液的濃度為每1000克水中含有200～700克氫氧化鈉和100～250克亞硝酸鈉，100～200℃，浸泡5～120分鐘；對于水浴氧化法而言，顏色由時間、濃度及溫度共同決定，以藍(lán)黑色為例500g氫氧化鈉，125g亞硝酸鈉，130℃，10分鐘；封閉處理將上述氧化著色的坯料放入pH值為7～8.5、溫度為80～90℃、容積濃度為30～50克/升的肥皂水中皂化5～10分鐘，封閉坯料表面。
以下是
具體實施例方式 實施例1藍(lán)色鋼管 1、將45號鋼管坯料浸入5％的稀鹽酸中浸泡10分鐘除銹，然后打磨拋光，使其表面粗糙度小于Ra0.8； 2、放入回火爐內(nèi)預(yù)熱至320攝氏度，保溫30分鐘； 3、放入25KW的井式氣氛爐中，氨氣流量為1.2立方米/小時，乙醇滴量為80滴/分鐘反應(yīng)溫度為570℃，反應(yīng)時間為2小時，出爐水冷； 4、精拋，先振動拋光，然后用麻輪+布輪精拋使表面粗糙度小于Ra0.4，除油脂，用氫氧化鈉60～80g/l，磷酸鈉20～40g/l，硅酸鈉3～10g/l，總堿度(相當(dāng)于NaOH)65～100g/l，溫度70～90℃，除盡為止； 5、回火氧化著色，充氮?dú)忸A(yù)熱至350攝氏度保溫20分鐘，空氣環(huán)境下保溫5分鐘，獲得深藍(lán)色表面； 6、封閉處理將氧化好的零件放入pH值為7～8.5，溫度為80～90℃，濃度為30～50g/l的肥皂水中皂化5～10分鐘； 圖1是實施例1的樣品截面，從表面到芯部的顯微硬度變化圖，圖2是其顯微組織圖，從圖中可以看出，白亮層厚度約為15微米，白亮層的硬度大于500HV，基體硬度大于250HV。
對實施例1的樣品進(jìn)行的中性鹽霧試驗數(shù)據(jù)，說明該樣品起始生銹時間為90小時。
實施例2金黃色沙發(fā)腳 1、獲得的坯料已經(jīng)經(jīng)過除銹處理，故省略了除銹工序，首先將23號鋼沖壓坯料表面進(jìn)行打磨拋光，獲得平整，使表面粗糙度小于Ra0.8； 2、放入回火爐內(nèi)預(yù)熱至320攝氏度，保溫30分鐘； 3、放入鹽浴爐中，進(jìn)行570度1.5小時氮化處理，出爐水冷，然后放入60度的溫水中清洗，除去表面殘留的氮化鹽； 4、精拋，先振動拋光，然后用麻輪+布輪精拋使表面粗糙度小于Ra0.4，除油脂，用氫氧化鈉60～80g/l，磷酸鈉20～40g/l，硅酸鈉3～10g/l，總堿度(相當(dāng)于NaOH)65～100g/l，溫度70～90℃，除盡為止； 5、回火氧化著色，將坯料放入充氮?dú)忸A(yù)熱至260攝氏度保溫20分鐘，空氣環(huán)境下保溫5分鐘，獲得金黃色表面； 6、封閉處理將氧化好的坯料放入pH值為8，溫度為80℃，濃度為40g/l的肥皂水中皂化8分鐘。
實施例2的樣品經(jīng)測試，其技術(shù)性能如下 白亮層深度～25um，表面硬度≥400HV，芯部硬度≥150HV，中性鹽霧腐蝕實驗≥80小時。
實施例3金黃色沙發(fā)腳 1、獲得的坯料已經(jīng)經(jīng)過除銹處理，故省略了除銹工序，首先將23號鋼沖壓坯料表面進(jìn)行打磨拋光，獲得平整，使表面粗糙度小于Ra0.8； 2、放入回火爐內(nèi)預(yù)熱至320攝氏度，保溫30分鐘； 3、放入鹽浴爐中，進(jìn)行570度1.5小時氮化處理，出爐水冷，然后放入60度的溫水中清洗，除去表面殘留的氮化鹽； 4、精拋，先振動拋光，然后用麻輪+布輪精拋使表面粗糙度小于Ra0.4，除油脂，用氫氧化鈉60～80g/l，磷酸鈉20～40g/l，硅酸鈉3～10g/l，總堿度(相當(dāng)于NaOH)65～100g/l，溫度70～90℃，除盡為止； 5、水浴氧化處理，將坯料放入氫氧化鈉和亞硝酸鈉的水溶液中，溶液的濃度為每1000水中含有200～250克氫氧化鈉，100～120克亞硝酸鈉，溶液溫度為100攝氏度，保溫1個小時，可獲得金黃色的表面； 6、封閉處理將氧化好的零件放入pH值為8.5，溫度為85℃，濃度為45g/l的肥皂水中皂化6分鐘。
實施例4藍(lán)黑色鋼管 1、將45號鋼管坯料浸入5％的稀鹽酸中浸泡10分鐘除銹，然后打磨拋光，使其表面粗糙度小于Ra0.8； 2、放入回火爐內(nèi)預(yù)熱至320攝氏度，保溫30分鐘； 3、放入25KW的井式氣氛爐中，氨氣流量為1.2立方米/小時，乙醇滴量為80滴/分鐘反應(yīng)溫度為570℃，反應(yīng)時間為2小時，出爐水冷； 4、精拋，先振動拋光，然后用麻輪+布輪精拋使表面粗糙度小于Ra0.4；除油脂，用氫氧化鈉60～80g/l，磷酸鈉20～40g/l，硅酸鈉3～10g/l，總堿度(相當(dāng)于NaOH)65～100g/l，溫度70～90℃，除盡為止； 5、水浴氧化處理，將坯料放入氫氧化鈉和亞硝酸鈉的水溶液中，溶液的濃度為每1000水中含有500～700克氫氧化鈉，200～250克亞硝酸鈉，溶液溫度為130～140攝氏度，保溫10分鐘，可獲得藍(lán)黑色表面； 6、封閉處理將氧化好的零件放入pH值為7～8.5，溫度為80～90℃，濃度為30～50g/l的肥皂水中皂化5～10分鐘。
權(quán)利要求
1、一種鋼的抗腐蝕及氧化著色復(fù)合表面處理方法，其特征在于該方法包括以下步驟
(1)除銹和拋光將金屬坯料浸入一定濃度的稀鹽酸溶液中，浸泡5～10分鐘，或使用砂輪、砂帶清除表面的銹斑，使表面粗糙度小于Ra3.2；將上述處理過的坯料進(jìn)行拋光，使粗糙度小于Ra0.8；
(2)預(yù)氧化將上述處理好的坯料在320～380℃下預(yù)熱10-30分鐘；
(3)氮碳共滲將上述預(yù)熱的坯料放入鹽浴爐中反應(yīng)，溫度為560～580℃，反應(yīng)時間為1.5～2小時，反應(yīng)結(jié)束后用水冷卻，然后用水溫為40～80℃的溫水對坯料進(jìn)行清洗，洗去表面殘留的共滲鹽；
或氣體氮化將上述預(yù)熱的坯料放入氣氛爐中反應(yīng)，反應(yīng)氣氛由氨氣及乙醇構(gòu)成，氨氣流量為0.6～1.6立方米/小時，乙醇滴量為80滴/分鐘，反應(yīng)溫度為550～650℃，反應(yīng)時間為0.6～4小時，反應(yīng)結(jié)束后用水冷卻；
(4)精拋將上述共滲處理的坯料振動拋光5～10分鐘，用麻輪和布輪先后拋光，使表面粗糙度小于Ra0.4，然后清除表面的拋光蠟或油脂；
(5)氧化著色將上述拋光后的坯料放入回火氣氛中，在氮?dú)夂脱鯕獾幕旌蠚怏w中，200～450℃反應(yīng)5～10分鐘，氮?dú)夂脱鯕獾幕旌象w積比為氮?dú)狻醚鯕猓?～10∶1；
或?qū)⑸鲜鰭伖夂蟮呐髁辖霘溲趸c及亞硝酸鈉的水溶液中反應(yīng)，水溶液的濃度為每1000克水中含有100～700克氫氧化鈉和100～250克亞硝酸鈉，100～200℃，反應(yīng)5～120分鐘
(6)封閉處理將上述氧化著色后的坯料放入pH值為7～8.5、溫度為80～90℃、容積濃度為30～50克/升的肥皂水中皂化5～10分鐘，封閉著色的坯料表面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鋼的抗腐蝕及氧化著色復(fù)合表面處理方法，屬金屬材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域。首先對鋼材料進(jìn)行除銹和拋光，使材料表面粗糙度達(dá)到要求，將處理好的坯料進(jìn)行預(yù)氧化；將預(yù)氧化的坯料放入鹽浴爐中反應(yīng)，然后洗去表面殘留的共滲鹽，或?qū)㈩A(yù)熱的坯料放入由氨氣及乙醇?xì)夥罩蟹磻?yīng)，將共滲處理的坯料振動拋光，清除表面的拋光蠟或油脂；將上拋光后的坯料放入回火氣氛中著色，或浸入氫氧化鈉及亞硝酸鈉的水溶液著色，最后進(jìn)行封閉處理。本發(fā)明方法使鋼表面的著色復(fù)合膜具有良好的耐磨性和抗腐蝕性能，由鋼材料制備的產(chǎn)品具有優(yōu)良的裝飾性。本發(fā)明方法工藝簡單，產(chǎn)品成本低，而無環(huán)境污染，不改變產(chǎn)品的外型尺寸，可用于各種碳鋼及合金鋼的著色處理。
文檔編號C23F17/00GK101353801SQ20081011994
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日
發(fā)明者煌 余 申請人:煌 余