一种钢铁常温速效环保型发黑剂及其应用制造技术

本发明专利技术涉及金属表面处理技术领域，公开了一种钢铁常温速效环保型发黑剂及其应用，黑化剂包括：硫酸铜1‑3%，硫酸镍0.5‑4%，多羟基醛0.5‑3%，植酸3‑8%，柠檬酸0.5‑3%，无机酸2‑5%，烷基酚聚氧乙烯醚0.5‑2%，钼酸铵1‑3%，水余量。黑化方法包括S1、除油；S2、清洗；S3、发黑；S4、水洗中和；S5、浸油封闭。本发明专利技术的发黑剂不含硒，其在应用时可在常温下对钢铁表面进行快速黑化处理，处理后所得黑化膜平整、均匀、耐摩擦。

A Quick-acting Environmental-friendly Blackening Agent for Iron and Steel at Room Temperature and Its Application

【技术实现步骤摘要】
一种钢铁常温速效环保型发黑剂及其应用
本专利技术涉及金属表面处理
，尤其涉及一种钢铁常温速效环保型发黑剂及其应用。
技术介绍
传统的钢铁表面发黑是在135～150℃高温下处理30～90min，生产周期长，能耗大，劳动条件差，环境污染严重。而钢铁表面的常温发黑是在不改变被处理件尺寸精度的情况下形成黑色氧化膜。这层氧化膜可减少滑动面或支撑面的磨擦，有装饰及减少光反射作用，经过防腐处理能提高机械零件防腐性能，是机械、兵器等行业应用普遍的一种表面处理技术。显而易见，常温发黑工艺是在常温条件下操作，既无高温、碱性蒸汽而影响环境，又节约能源、发黑速度快，符合国家的环保政策。常温发黑又分为盐发黑体系和非盐发黑体系。含硒发黑所成膜的物质为硒化铁、硒化铜、铁等黑色物质，其成分组成一般为硫酸铜和亚主盐、络合剂、稳定剂、缓冲剂，处理时间较短，远小于碱性高温发黑的处理时间。但含硒发黑剂不仅硒化物价格昂贵，且毒性大，长期使用会造成严重的环境污染。在日益重视环境保护的今天，无毒无害、低能耗的非硒发黑剂的研发就变得非常迫切。申请号为2017100580509的中国专利公开了一种用于钢铁的常温发黑液及其应用，其发黑液包含硒脲酸、硫酸铜、硫酸镍、磷酸二氢锌、磷酸、柠檬酸、辛基苯酚聚氧乙烯醚和水，其中：每1L常温发黑液中含有1～6g硒脲酸、1～10g硫酸铜、1～2g硫酸镍、1～5g磷酸二氢锌、1～10mL磷酸、1～5g柠檬酸和1～4mL辛基苯酚聚氧乙烯醚，余量为水。该专利技术的常温发黑液配方合理，成膜效率高，改善了发黑膜的光泽度、结合力、致密性等性能。但是该发黑液在实际发黑应用时的温度为40-60℃，发黑时间为10-20分钟，温度较高，且时间较长。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种钢铁常温速效环保型发黑剂及其应用，本专利技术的发黑剂不含硒，其在应用时可在常温下对钢铁表面进行快速黑化处理，处理后所得黑化膜平整、均匀、耐摩擦。本专利技术的具体技术方案为：一种钢铁常温速效环保型发黑剂，包括以下质量百分数的组分：硫酸铜1-3％，硫酸镍0.5-4％，多羟基醛0.5-3％，植酸3-8％，柠檬酸0.5-3％，无机酸2-5％，烷基酚聚氧乙烯醚0.5-2％，钼酸铵1-3％，水余量。本专利技术配方中各组分的作用如下：硫酸铜是作为主盐其Cu2+都是成膜的关键组分。硫酸镍主要起催化作用，能提高反应成膜速度。多羟基醛的主要作用是络合铜，控制其置换速度，以保障结合力。柠檬酸作为辅助络合剂，本专利技术团队发现其与多羟基醛按特定比例复配后能够协同增效。烷基酚聚氧乙烯醚主要使钢铁基体表面润滑、发黑膜均匀一致，可消除发花、浮灰现象。无机酸的作用是保持发黑剂pH值的稳定性，确保常温发黑操作正常稳定。植酸在本专利技术中既有络合作用、又有防腐的作用，它与金属络合后，易在金属表面形成一层致密的单分子保护膜，能有效阻止氧气与金属基体接触，从而达到耐蚀的目的。钼酸铵主要起到钝化、催化的作用，易于调整、稳定、沉渣少，能快速形成膜且致密。在上述各物质的协同作用下，能够在常温下快速成膜且成膜质量较好。本专利技术发黑剂的发黑成膜机理如下：钢铁常温发黑的原理比较复杂，涉及许多氧化还原反应和原电池反应，无硒常温发黑膜成分不是如碱性发黑膜Fe3O4，而是黑色的氧化铜。从理论上分析，主要如下反应发生：钢铁基体与铜离子发生置换反应，析出的铜吸咐在基体表面，形成Fe-Cu电池，加速成膜速度：Fe+Cu2+→Cu↓+Fe2+在铁和空气中氢氧的伴生下产生Fe3O4：2Fe3++Fe2++8OH-→Fe3O4↓+4H2O铜盐终变成黑色的氧化铜：Cu2++O2-→CuO(黑)上述反应发生很快，从边缘向中心推移1-5分钟形成一层致密连续的黑色氧化膜。值得关注的是：发黑钢铁从槽液内取出后氧化反应并未结束，其在空气中氧的作用下仍可继续缓慢进行(即使进行油封后也会缓慢进行反应)，延续时间可达数十小时才结束，可减少发黑时间。且这一转化过程能提高膜的强度和附着力，黑度、均匀性也有所提高，作为优选，所述无机酸为硼酸、磷酸、磷酸缓冲液、磷酸二氢盐中的至少一种。上述钢铁常温速效环保型发黑剂在钢铁表面黑化中的应用，包括以下步骤：S1、除油：对钢铁表面进行除油。S2、清洗：对钢铁表面用40-60℃热水洗→常温水洗→60-70℃酸洗→常温水洗→常温水洗。与普通的水洗、酸洗等方法相比，本专利技术采用特定组合方式的清洗工艺。钢铁表面先用热水冲洗有利于进一步清除残留在钢铁表面的少量油污及除油剂，然后用常温流水作进一步冲洗后，再进行酸洗除去钢铁表面的氧化皮，二次水洗可将钢铁表面残留的酸液清洗干净，有利于下一步作发黑处理。在上述热→冷→热→冷的特定组合下，钢铁表面的温度历经多个反差，能够有效去除钢铁表面杂质，清洗效果出众。S3、发黑：将钢铁浸渍于含有发黑剂溶液的容器中发黑处理，发黑剂溶液温度为15-35℃，处理时间为1-5min，溶液pH维持在1.5-3.5。S4、水洗中和：水洗→水洗→中和→水洗。S5、浸油封闭。作为优选，S1中，采用化学除油，采用3-10wt％的金属除油剂溶液对钢铁表面进行除油。作为优选，S1中，所述金属除油剂的配方为：氢氧化钠13-17wt％，磷酸三钠18-22wt％，碳酸钠13-17wt％，三聚磷酸钠3-7wt％，无水偏硅酸钠8-12wt％，六偏磷酸钠3-7wt％，壬基酚聚氧乙烯醚8-12wt％，元明粉18-22wt％。本专利技术采用自制的金属除油剂，除油效果明显，且速度快、清洗干净，使用方便。作为优选，在除油时，对钢铁表面进行喷砂处理。喷砂处理可进一步有利于除油效果。作为优选，S2中，采用15-20wt％的硫酸溶液酸洗，酸洗时间为25-35min。作为优选，S3中，所述发黑剂溶液为发黑剂与水按质量比1∶4-6配制所得。作为优选，S4中，采用3-5wt％的碳酸钠溶液进行中和。作为优选，S3中，所述钢铁及发黑剂溶液处于磁场中，发黑处理时间为1-2min，发黑温度为15-20℃；磁场强度由0-150mT递增，到达峰值后重新由0-150mT递增，以此循环；磁场递增速率为4-6mT/sec。为了进一步缩减黑化处理时间，本专利技术对发黑剂溶液及钢铁进行磁场处理，在磁场作用下，金属、黑化剂中有效试剂以及水的活性能够被大幅增强，从而促进黑化膜的生成。例如金属在磁场下反应活泼度更高，表面活性剂在磁场作用下活性更强，对钢铁表面的浸润性更好；而水经过磁化后可由大分子团转化为小分子团，表面张力发生改变，活性更高。本专利技术团队通过进一步研究发现，并非任意地施加磁场都能够获得很好的技术效果，在经过一系列研究后得出，在上述特定磁场强度范围内按一定规律进行磁场强度递增循环，效果最佳。需要注意的是加磁场时发黑温度不可过高，需要控制在15-20℃，若温度过高则会造成反应速率过快，导致氧化膜附着力不高。与现有技术对比，本专利技术的有益效果是：本专利技术无硒的发黑剂及工艺属环保型、无污染，常温条件下可快速处理钢表面，其上色均匀、速度快、固色力强、耐摩擦。经现场应用和测试，逐步解决了工业使用的工艺、条件、包装配套等，对钢铁表面起到了防锈、防腐的作用。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的描述。总实施例一种钢铁常温速效环保型发黑剂，包括以下质量百分数的组分：硫酸铜1-3％，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钢铁常温速效环保型发黑剂，其特征在于，包括以下质量百分数的组分：硫酸铜1‑3%，硫酸镍0.5‑4%，多羟基醛0.5‑3%，植酸3‑8%，柠檬酸0.5‑3%，无机酸2‑5%，烷基酚聚氧乙烯醚0.5‑2%，钼酸铵1‑3%，水余量。

【技术特征摘要】
1.一种钢铁常温速效环保型发黑剂，其特征在于，包括以下质量百分数的组分：硫酸铜1-3%，硫酸镍0.5-4%，多羟基醛0.5-3%，植酸3-8%，柠檬酸0.5-3%，无机酸2-5%，烷基酚聚氧乙烯醚0.5-2%，钼酸铵1-3%，水余量。2.如权利要求1所述的一种钢铁常温速效环保型发黑剂，其特征在于，所述无机酸为硼酸、磷酸、磷酸缓冲液、磷酸二氢盐中的至少一种。3.如权利要求1所述的钢铁常温速效环保型发黑剂在钢铁表面黑化中的应用，其特征在于包括以下步骤：S1、除油：对钢铁表面进行除油；S2、清洗：对钢铁表面用40-60℃热水洗→常温水洗→60-70℃酸洗→常温水洗→常温水洗；S3、发黑：将钢铁浸渍于含有发黑剂溶液的容器中发黑处理，发黑剂溶液温度为15-35℃，处理时间为1-5min，溶液pH维持在1.5-3.5；S4、水洗中和：水洗→水洗→中和→水洗；S5、浸油封闭。4.如权利要求3所述的应用，其特征在于，S1中，采用化学除油，采用3-10wt%的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈洁琼，
申请(专利权)人：浙江机电职业技术学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33