两步法钼系钢铁无毒常温发黑的研究

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两步法钼系钢铁无毒常温发黑的研究󰀁邓立元1,󰀁周书天2(1.湘潭师范学院化学系,湘潭,411201;2.湘潭大学化学化工学院,湘潭,411105)󰀁摘要󰀁󰀂优化了钢铁无毒常温发黑的钼系配方及工艺.试验表明,优化后的两步法无毒常温发黑可显著提高膜层的黑度和附着力,改善综合性能.主󰀁题󰀁词:钢铁;常温;;发黑;两步法中图分类号:TQ153.12󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:A󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:10005900(2000)02007804随着环保问题受到越来越多的关注,发黑工艺的无毒化研究也日益得到金属表面处理工作者们的重视.近几年来,已研制出了几十种采用无毒或低毒化合物作为常温发黑液组分的配方,以期替代污染严重、能耗大的高温发蓝工艺及使用价格昂贵、稀有且剧毒的硒化物的硒系常温发黑工艺.但由于常温发黑膜普遍存在着󰀁黑度不佳、无光泽、膜层结合力不好󰀁等不足[1,2],不能适应工业生产的要求,得不到有效的推广应用.为此,我们以改善膜层结合力及黑度为主要优化指标,筛选并改进已有配方,通过工艺的优化,使无毒常温发黑处理能得到黑亮、结合力好、耐蚀性强、经济实惠、性能稳定的发黑膜,让无毒常温发黑工艺发挥它的环保功效!1󰀁工󰀁艺1.1󰀁发黑步骤除油除锈󰀁水洗󰀁活化󰀁一步发黑󰀁二步发黑󰀁水洗󰀁后处理1.2󰀁除油除锈将试片(30󰀁30普通A3钢片)置于常温除油除锈二合一处理液[3]中浸泡约10min,流水冲洗2min,即可达到对发黑件表面除油除锈的要求.当油污较重时,则须加温至50~60󰀁.这种除油除锈二合一的处理方式简化了前处理工艺,与热碱除油相比,除油效果有很大提高.配方为:硫酸150~200mL/L;󰀁盐酸150~200mL/L;󰀁缓蚀剂4g/L;󰀁络合剂8g/L;󰀁OP乳化剂5~15mL/L1.3󰀁活化经对比实验发现,活化发黑件表面可明显提高发黑膜层的均匀性和附着力,膜层效果有较大改善,故设计了这道工序.配方为:硝酸150~200mL/L󰀁󰀁󰀁40%的氢氟酸200~220mL/L试片置于活化液中约5~8s即完成活化,活化后试片清水漂洗1min,置发黑槽发黑.1.4󰀁发黑发黑过程采用了两步法,这是工艺优化的主要内容.第一步为在pH值为1.0~1.5的发黑液中发黑2~5min,之后试片直接放入pH值为3~4的第二发黑液中约5min取出,两步之间第22卷第2期2000年6月󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁湘󰀁潭󰀁大󰀁学󰀁自󰀁然󰀁科󰀁学󰀁学󰀁报NaturalScienceJournalofXiangtanUniversity󰀁󰀁󰀁󰀁Vol.22No.2Jun.2000

󰀁收稿日期:19990922󰀁󰀁󰀁基金项目:湖南省教委资助项目(96HGY002)󰀁󰀁󰀁作者简介:邓立元(1968),女,湖南桃江人,讲师无须水洗.1.5󰀁后处理经两步发黑的试片充分水洗后,用60~70󰀁热水浸泡约30s晾干,在自配的无毒钝化液(含有机固化剂)中浸泡约1min,晾至完全干(6~8min)后,浸油、浸清漆或不作处理均可.2󰀁发黑实验2.1󰀁工艺的优化实验发现,改变发黑液pH值,同一配方得到性能差异很大的发黑膜.pH值3~4时,发黑膜结合力好,但色泽为深棕黑色,黑度达不到最佳效果.pH值2~3时,膜层色泽及附着力均不好.pH值1.0~1.5时,则能得到黑亮的发黑膜,但附着力不及pH值3~4的膜层,白纱布擦后有少许黑膜脱落,显微镜(100󰀁)下隐约可见膜层有皱裂的细纹,这应是膜附着力不强的原因.为了综合两者的优势,我们设计了两步法发黑工艺,经多次试验,确定了工艺步骤和条件,即先将试片在pH值1.0~1.5的发黑液中发黑,约2~5min,具体时间与发黑液效力有关.总之至发黑件表面形成黑、亮膜层即可.时间过长则一步膜过厚,影响第二步成膜,附着力下降,时间太短,膜层不均匀及黑度不够.一步发黑完成后,将发黑件置入pH值为3~4的第二发黑液中稳膜约5min.这样处理后,得到了既有很好的黑度、光泽度,附着力也很强的发黑膜.两步法发黑膜综合性能测试结果见表1.表1󰀁两步法发黑膜综合性能测试及对比试验结果测试项目测试及记分方式两步法测试结果及记分pH3~4的一步膜pH1.0~1.5一步膜黑度目测,按膜层色泽记分深黑色(100分)深棕黑色(70分)深黑色(100分)均匀度显微镜(100󰀁)观察,按膜层表面均匀程度记分很均匀(100分)很均匀(100分)较均匀(80分)附着力医用纱布来回擦试膜层表面,按现金属基底的次数记分.大于200次记满分>200次(100分)>200次(100分)约40次(60分)耐蚀性(1)3%硫酸铜点滴检验(QJ47-86标准,30s为合格),按发黑件表面现铜色的时间记分.5min记满分>5min(100分)>5min(100分)3-4min(90分)耐蚀性(2)5%草酸点滴检验(WJ/Z210-86标准,30s为合格),观察出基底的时间,5min记满分>5min(100分)>5min(100分)>5min(100分)耐蚀性(3)3%氯化钠溶液浸泡,观察出锈时间,4h记满分>4h(100分)约4h(100分)约3h(80分)󰀁󰀁从测试结果可知,两步法发黑在黑度、附着力、耐蚀性等方面克服了一步法的不足,提高了膜层的综合性能.2.2󰀁配方的优化经过对已有无毒发黑配方的筛选和多次的析因试验,在钼系常温发黑配方[4,5]的基础上,经正交试验确定了一组适于两步法发黑的配方.正交试验套用L9(34)正交表,以硫酸铜、钼酸铵、硫代硫酸钠浓度作为主要影响因素(有一空列).试验的评分标准参考表1,总分计算见下式:Z=(30%)󰀁H+(20%)󰀁J+(30%)󰀁F+(20%)󰀁N式中:Z󰀁总分,H󰀁黑度,J󰀁均匀度,F󰀁附着力,N󰀁耐蚀性(平均).因试验中发现钼系配方发黑膜的耐蚀性能均较好,黑度与附着力指标却差距较大,故加大了这两项所占比例.正交试验的结果见因素分析图图1和图2.79第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁邓立元等󰀁󰀁两步法钼系钢铁无毒常温发黑的研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁最优配方:CuSO4󰀁5H2O󰀁󰀁1.2~1.8g/L󰀁󰀁󰀁钼酸铵󰀁󰀁󰀁󰀁20~30g/LNa2S2O33.5~5.0g/L辅助成膜剂10~12g/LpH值(用盐酸调)1.0~1.5(第一步),󰀁3~4(第二步)配方中钼酸铵用量变化范围可较大.硫酸铜用量则应有较严格的控制,过低,膜层附着力

图1󰀁pH值3~4时发黑膜󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁图2󰀁pH值1.0~1.5时发黑膜󰀁󰀁󰀁性能与因素关系󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁性能与因素关系󰀁󰀁下降,过高,膜层泛铜色,黑度下降.硫代硫酸钠的浓度也不宜过高,否则不利于发黑液的存放.2.3󰀁两步法发黑机理探讨两步法发黑为何能结合两步的优势呢?初步分析认为,随着发黑液pH值的改变,参与成膜反应的主要组分也改变了.发黑液中的Cu2+是成膜的关键,在酸性环境下,Cu2+在发黑件表面与Fe发生氧化还原反应,并沉淀出具有催化活性的微铜粒子[Cu],在促进黑化成膜反应的同时,自身也将被氧化生成氧化铜参与成膜.Cu2++Fe󰀁Fe2++[Cu](1)󰀁󰀁因发黑液中MoO2-4离子的氧化性很弱,其标准电极电势值为H2MoO4+0.4MoO+20.0Mo3+-0.2Mo当pH值1.0~1.5时,在强酸性环境下,钼酸根缩合,H+浓度增大,由奈斯特方程可知钼酸盐的电极电势推算公式,其值的大小与H+浓度正相关,即H+浓度增大,钼酸盐的电极电势增大,氧化性增强,在还原剂Na2S2O3作用下能迅速参与成膜反应,分解出活性氧[O],与[Cu]生成CuO(主要成膜反应),自身被还原成黑度很高的低价含钼硫化物及其它化合物.但该类钼系化合物相互作用力较小,结合力较差,只能简单地沉积于发黑件表面,膜层易出现细小皱裂(高倍显微镜下可观察到),使膜层附着力下降,达不到生产应用的要求.而当pH值为3~4时,MoO2-4离子氧化性较弱,主要是S2O2-3离子参与一系列的成膜反应,得到󰀁结合力好、光滑度高、晶粒结构细致平整󰀁的发黑膜,结果类似未加钼盐的Cu-S系配方[6],膜也同样为深棕黑色,可能的成膜物有CuO、Cu2O、CuS、FeS等.[Cu]+[O]󰀁CuO(黑色)(2)󰀁󰀁采用两步法时,第一步得到的黑亮膜因存在着较多的微孔和皱裂,在二步发黑液中能继续铁的溶解及活性铜的沉积,同时发生Cu-S系成膜反应,既填补微孔和裂缝,又可通过系成膜反应产物将钼系黑色成膜物质稳定地结合在一起,形成综合两步优势的高性能膜层.3󰀁两步法发黑液的存放与重复使用该发黑液配制后(pH值5~6)置于密封容器中可长期存放无沉淀析出和有效成份的损80󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁湘󰀁潭󰀁大󰀁学󰀁自󰀁然󰀁科󰀁学󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2000年失,效力不会下降.不宜用敞口容器长期保存.使用过的药液,若pH值为1.0~1.5(第一发黑液),将于48h后出现黑色沉淀,深蓝色的发黑液变为透明浅绿色并失效.若pH值为3~4,置于密封容器中可存放半个月左右.故第一发黑液在存放时应先调高pH值至3~4.由实验可知,该配方发黑液每升可发黑0.5m2的发黑件表面.该发黑液可通过再生处理多次重复使用.再生方法为:调pH值󰀁4,加30%双氧水适量,并加入8g/L活性炭,充分搅拌,静置,过滤,吸附除去氢氧化铁胶体.双氧水处理[7]后可除去大部分铁离子和有机杂质,然后根据已发黑面积的大小,酌量添加硫酸铜、钼酸铵等添加剂.调pH值至1.0~1.5后,又可作为下次发黑的第一发黑液.通过这样的处理,可提高发黑液使用效率,减少发黑液用量,同时减少了污水的排放.4󰀁结束语两步法无毒常温发黑是改善发黑效果,减少环境污染的有效工艺,具有以下特点:a.无毒配方,对环境无污染;b.常温操作,工艺简单,操作环境好,能耗低;c.发黑效果好,能得到可与高温发兰媲美的发黑膜;d.可多次重复使用的发黑液,减少了发黑液用量和污水排放量.总之,该配方及工艺有一定的推广和应用价值.参󰀁考󰀁文󰀁献[1]󰀁杨勤俭.我国常温发黑的现状和发展[J].电镀与精饰.1996,18(3):30~31[2]󰀁周书天,杨润昌,刘咏东.化学镀黑镍工艺研究[J].湘潭大学自然科学学报,1999,21(2):39[3]󰀁郭良生.钢铁室温除油除锈二合一处理剂[J].材料保护.1992,25(2):35~37[4]󰀁周书天,杨润昌.Mo-Cu-S钢铁常温无毒化学发黑液[J].电镀与环保.1996,16(5):15~17[5]󰀁张安富.铜盐-钼酸铵体系常温发黑新工艺[J].材料保护.1996,29(3):16~17[6]󰀁周书天,杨润昌.Cu-S钢铁常温无毒化学发黑液[J].电镀与涂饰.1997,16(1):18~20[7]󰀁周长虹.双氧水在表面处理中的作用[J].电镀与环保.1995,15(6):9~11ARoomTemperatureTwoStep,Non-poisonousBlackeningTechniqueofsteelDENGLiyuan1󰀁ZHOUShutian2(1.DepartmentofChemistry,XiangtanNormalUniversity,Xiangtan,411201,China;2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,XiangtanUniversity,411105,China)󰀁Abstract󰀁󰀁Anon-poisonous,roomtemperatureblackeningtechniqueofsteelanditsmolybdenum-recipearepresentedinthispaper.Experimentsshowthatthisoptimizedtwosteptechniquecansignif-icantlyimprovethedarknessandadherenceofthefilm,providingbetteroverallperformance.Thislowcosttechniquedoesnotpollutetheenvironment.Subjectwords:steel,roomtemperature,blackening,twostepmethod81第2期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁邓立元等󰀁󰀁两步法钼系钢铁无毒常温发黑的研究󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁