专利名称：钢的抗腐蚀及氧化着色复合表面处理方法
技术领域：
本发明涉及一种钢的抗腐蚀及氧化着色复合表面处理方法，属金属材料表面处理技术领域。
背景技术：
钢铁材料或钢铁零部件表面的改性处理有多种方法，其目的主要是为了提高钢铁材料的耐磨性和耐蚀性。常用的处理技术有发蓝、磷化、表面镀铬法、盐浴氮化或氮碳共渗法、气体渗氮法等。发蓝、磷化等属于传统的表面处理技术，主要靠氧化形成的多孔Fe3O4膜来提供抗腐蚀及耐磨性能，但其对钢铁性能的提高有限，不能满足人们对钢铁性能日益提高的要求。镀铬法分为镀硬铬和装饰镀铬法两种，镀硬铬法主要是用来提高零件的耐磨性，而装饰镀铬则是为了获得外型美观、耐蚀性能优良的钢铁零件，是目前广泛应用的表面处理技术。目前常用的镀铬工艺都使用Cr6+进行电镀，而含Cr6+的废液、废气、废渣均属于高毒性、可致癌物质，将给环境带来严重污染。在美国、加拿大、欧盟等发达国家现已明文规定禁止使用Cr6+，而我国也在推行“中国ROHS”计划，限制Cr6+的使用。
盐浴氮化及气体氮化或氮碳共渗法的原理都是通过化学热处理的方法，在钢铁表面形成一层厚约10～50微米的氮化或氮碳共渗物或碳氮化或氮碳共渗合物(俗称白亮层)，经过处理后的表面具有硬度高、疲劳性能和耐蚀性能优异、形变小的优点。同时，盐浴氮化和气体氮化或氮碳共渗法主要使用尿素、氨气、氮气、乙醇等低污染物质，其在生产过程产生的废料如碳酸钠、氨气等对环境的污染也很低。
两者相比，盐浴氮化具有生产效率高、工艺流程短、质量稳定、成本低的优势，但其工作环境相对恶劣，由于使用了氰酸钠等有毒物质，盐浴氮化法对环境的污染比气体氮化或氮碳共渗法要高，同时盐浴氮化法获得的白亮层通常在15～25微米之间，厚度再大的话性能无法保证。而气体氮化或氮碳共渗法由于只使用氮气、氨气等气体，其生产过程对环境几乎没有影响，同时用气体氮化或氮碳共渗法可以获得更厚的白亮层，满足更高性能的需求，但其工艺流程比盐浴氮化或氮碳共渗长，渗层厚度的均匀性亦不如前者。目前，这两种工艺在国内均以得到广泛应用，对其工艺技术的进一步开发也是当前的热点。
盐浴氮化或氮碳共渗法及气体氮化或氮碳共渗法虽然可以获得优异的耐磨及抗腐蚀性能，但是其处理后的表面颜色单一，装饰性差，同时产品的抗腐蚀性能也需要进一步提高，这是制约其大规模应用的主要原因之一。
发明内容
本发明的目的是提出一种钢的抗腐蚀及氧化着色复合表面处理方法，以用于对普通碳钢或合金钢进行着色，降低材料成本，并增加产品着色性能。
本发明提出的钢的抗腐蚀及氧化着色复合表面处理方法，包括以下步骤 (1)除锈和抛光将金属坯料浸入一定浓度的稀盐酸溶液中，浸泡5～10分钟，或使用砂轮、砂带清除表面的锈斑，使表面粗糙度小于Ra3.2；将上述处理过的坯料进行抛光，使粗糙度小于Ra0.8； (2)预氧化将上述处理好的坯料在320～380℃下预热10-30分钟； (3)氮碳共渗将上述预热的坯料放入盐浴炉中反应，温度为560～580℃，反应时间为1.5～2小时，反应结束后用水冷却，然后用水温为40～80℃的温水对坯料进行清洗，洗去表面残留的共渗盐； 或气体氮化将上述预热的坯料放入气氛炉中反应，反应气氛由氨气及乙醇构成，氨气流量为0.6～1.6立方米/小时，乙醇滴量为80滴/分钟，反应温度为550～650℃，反应时间为0.6～4小时，反应结束后用水冷却； (4)精抛将上述共渗处理的坯料振动抛光5～10分钟，用麻轮和布轮先后抛光，使表面粗糙度小于Ra0.4，然后清除表面的抛光蜡或油脂； (5)氧化着色将上述抛光后的坯料放入回火气氛中，在氮气和氧气的混合气体中，200～450℃反应5～10分钟，氮气和氧气的混合体积比为氮气∶氧气＝0～10∶1； 或将上述抛光后的坯料浸入氢氧化钠及亚硝酸钠的水溶液中反应，水溶液的浓度为每1000克水中含有100～700克氢氧化钠和100～250克亚硝酸钠，100～200℃，反应5～120分钟 (6)封闭处理将上述氧化着色后的坯料放入pH值为7～8.5、温度为80～90℃、容积浓度为30～50克/升的肥皂水中皂化5～10分钟，封闭着色的坯料表面。
本发明提出的钢的抗腐蚀及氧化着色复合表面处理方法，其优点是 1、利用本发明方法对钢的表面进行着色处理后，钢表面的复合膜具有良好的耐磨性和抗腐蚀性能； 2、利用本发明方法对钢的表面进行着色处理后，由钢材料制备的产品具有优良的装饰性。
3、本发明方法工艺简单，可操作性强，与已有的不锈钢着色技术相比，在同样的着色效果下，由于原材料成本低，因而产品成本低； 4、本发明方法的各生产环节中，不使用普通电镀或不锈钢着色时使用的含铬固体或液体，因而无环境污染； 5、本发明方法属于微变形的加工工艺，因此使用本发明方法对产品着色，基本不改变产品的外型尺寸； 6、本发明方法适应范围广，可用于各种碳钢及合金钢的着色处理。
图1是45号钢样品处理后，截面上从表面到芯部的硬度变化曲线。
图2是45钢处理后的表面显微组织图。
具体实施例方式 本发明提出的抗腐蚀及氧化着色复合表面处理方法，首先除锈和抛光将金属坯料浸入重量百分比浓度为2～10％的稀盐酸溶液中，浸泡5～10分钟，或使用砂轮、砂带清除表面的锈斑，使表面粗糙度达到小于Ra3.2；将上述处理过的坯料进行抛光，使粗糙度小于Ra0.8；预氧化将处理好的坯料在320～380℃加热30分钟；氮碳共渗将上述预热的坯料放入盐浴炉中反应，温度为560～580℃，反应时间为1.5～2小时，反应结束后用水冷却，用水温为40～80℃的温水对坯料进行清洗，洗去表面残留的共渗盐；气体氮化将上述预热的坯料放入井式气氛炉中反应，反应气氛由氨气及乙醇构成，以25千瓦的井式反应炉为例，氨气流量为0.6～1.6立方米/小时，乙醇滴量为80滴/分钟反应温度为550～650℃，反应时间为0.6～4小时，反应结束后用水冷却；气体氮化也可采用气氛为NH3、N2和CO2的混合气体，其比例为NH3∶N2∶CO2＝50∶45∶5，反应温度为550～570℃，反应时间为2～4小时；对于气体氮化而言，为了确保ε相有良好的致密性，氨的分解率或应控制在适当的范围，一般氨的分解率不应超过60％～70％。分解率太高会增加氮化层的孔隙度，降低抗蚀性，此外还会减少表面的氮浓度。过低的分解率会使ε相氮浓度过高，造成渗氮层变脆，因此为获得致密且脆性小的ε相层，氨分解率应控制在40％～60％；精抛将上述坯料振动抛光5～10分钟，然后用麻轮和布轮先后抛光，使表面粗糙度小于Ra0.4；除油除脂精抛后零件表面会残存有抛光蜡或油脂，需清除干净才可确保氧化工序的质量稳定，根据零件表面的油脂多少，选择下列方法之一或者联合除油。化学除油氢氧化钠60～80g/l，磷酸钠20～40g/l，硅酸钠3～10g/l，总碱度(相当于NaOH)65～100g/l，温度70～90℃，除尽为止，或者使用商用金属除脂剂处理；氧化着色对于高温回火氧化着色而言，温度宜控制在200～450℃为佳，氮气和氧气的混合体积比为氮气∶氧气＝0～10∶1，氧化时间宜控制在5～10分钟之间，具体步骤为先通氮气保护，升温至设定温度，保温30～60分钟，使零件受热均匀，通氮气及氧气混合气体进行氧化5～10分钟，通氮气保护，冷却至150℃以下出炉，回火氧化的温度以及混合气体的组分因颜色不同而变化，以金黄色为例，温度为240～280℃，气体成分为N2∶O2＝3∶1～5∶1；或将上述坯料浸入氢氧化钠及亚硝酸钠的水溶液反应，水溶液的浓度为每1000克水中含有200～700克氢氧化钠和100～250克亚硝酸钠，100～200℃，浸泡5～120分钟；对于水浴氧化法而言，颜色由时间、浓度及温度共同决定，以蓝黑色为例500g氢氧化钠，125g亚硝酸钠，130℃，10分钟；封闭处理将上述氧化着色的坯料放入pH值为7～8.5、温度为80～90℃、容积浓度为30～50克/升的肥皂水中皂化5～10分钟，封闭坯料表面。
以下是
具体实施例方式 实施例1蓝色钢管 1、将45号钢管坯料浸入5％的稀盐酸中浸泡10分钟除锈，然后打磨抛光，使其表面粗糙度小于Ra0.8； 2、放入回火炉内预热至320摄氏度，保温30分钟； 3、放入25KW的井式气氛炉中，氨气流量为1.2立方米/小时，乙醇滴量为80滴/分钟反应温度为570℃，反应时间为2小时，出炉水冷； 4、精抛，先振动抛光，然后用麻轮+布轮精抛使表面粗糙度小于Ra0.4，除油脂，用氢氧化钠60～80g/l，磷酸钠20～40g/l，硅酸钠3～10g/l，总碱度(相当于NaOH)65～100g/l，温度70～90℃，除尽为止； 5、回火氧化着色，充氮气预热至350摄氏度保温20分钟，空气环境下保温5分钟，获得深蓝色表面； 6、封闭处理将氧化好的零件放入pH值为7～8.5，温度为80～90℃，浓度为30～50g/l的肥皂水中皂化5～10分钟； 图1是实施例1的样品截面，从表面到芯部的显微硬度变化图，图2是其显微组织图，从图中可以看出，白亮层厚度约为15微米，白亮层的硬度大于500HV，基体硬度大于250HV。
对实施例1的样品进行的中性盐雾试验数据，说明该样品起始生锈时间为90小时。
实施例2金黄色沙发脚 1、获得的坯料已经经过除锈处理，故省略了除锈工序，首先将23号钢冲压坯料表面进行打磨抛光，获得平整，使表面粗糙度小于Ra0.8； 2、放入回火炉内预热至320摄氏度，保温30分钟； 3、放入盐浴炉中，进行570度1.5小时氮化处理，出炉水冷，然后放入60度的温水中清洗，除去表面残留的氮化盐； 4、精抛，先振动抛光，然后用麻轮+布轮精抛使表面粗糙度小于Ra0.4，除油脂，用氢氧化钠60～80g/l，磷酸钠20～40g/l，硅酸钠3～10g/l，总碱度(相当于NaOH)65～100g/l，温度70～90℃，除尽为止； 5、回火氧化着色，将坯料放入充氮气预热至260摄氏度保温20分钟，空气环境下保温5分钟，获得金黄色表面； 6、封闭处理将氧化好的坯料放入pH值为8，温度为80℃，浓度为40g/l的肥皂水中皂化8分钟。
实施例2的样品经测试，其技术性能如下 白亮层深度～25um，表面硬度≥400HV，芯部硬度≥150HV，中性盐雾腐蚀实验≥80小时。
实施例3金黄色沙发脚 1、获得的坯料已经经过除锈处理，故省略了除锈工序，首先将23号钢冲压坯料表面进行打磨抛光，获得平整，使表面粗糙度小于Ra0.8； 2、放入回火炉内预热至320摄氏度，保温30分钟； 3、放入盐浴炉中，进行570度1.5小时氮化处理，出炉水冷，然后放入60度的温水中清洗，除去表面残留的氮化盐； 4、精抛，先振动抛光，然后用麻轮+布轮精抛使表面粗糙度小于Ra0.4，除油脂，用氢氧化钠60～80g/l，磷酸钠20～40g/l，硅酸钠3～10g/l，总碱度(相当于NaOH)65～100g/l，温度70～90℃，除尽为止； 5、水浴氧化处理，将坯料放入氢氧化钠和亚硝酸钠的水溶液中，溶液的浓度为每1000水中含有200～250克氢氧化钠，100～120克亚硝酸钠，溶液温度为100摄氏度，保温1个小时，可获得金黄色的表面； 6、封闭处理将氧化好的零件放入pH值为8.5，温度为85℃，浓度为45g/l的肥皂水中皂化6分钟。
实施例4蓝黑色钢管 1、将45号钢管坯料浸入5％的稀盐酸中浸泡10分钟除锈，然后打磨抛光，使其表面粗糙度小于Ra0.8； 2、放入回火炉内预热至320摄氏度，保温30分钟； 3、放入25KW的井式气氛炉中，氨气流量为1.2立方米/小时，乙醇滴量为80滴/分钟反应温度为570℃，反应时间为2小时，出炉水冷； 4、精抛，先振动抛光，然后用麻轮+布轮精抛使表面粗糙度小于Ra0.4；除油脂，用氢氧化钠60～80g/l，磷酸钠20～40g/l，硅酸钠3～10g/l，总碱度(相当于NaOH)65～100g/l，温度70～90℃，除尽为止； 5、水浴氧化处理，将坯料放入氢氧化钠和亚硝酸钠的水溶液中，溶液的浓度为每1000水中含有500～700克氢氧化钠，200～250克亚硝酸钠，溶液温度为130～140摄氏度，保温10分钟，可获得蓝黑色表面； 6、封闭处理将氧化好的零件放入pH值为7～8.5，温度为80～90℃，浓度为30～50g/l的肥皂水中皂化5～10分钟。
权利要求
1、一种钢的抗腐蚀及氧化着色复合表面处理方法，其特征在于该方法包括以下步骤
(1)除锈和抛光将金属坯料浸入一定浓度的稀盐酸溶液中，浸泡5～10分钟，或使用砂轮、砂带清除表面的锈斑，使表面粗糙度小于Ra3.2；将上述处理过的坯料进行抛光，使粗糙度小于Ra0.8；
(2)预氧化将上述处理好的坯料在320～380℃下预热10-30分钟；
(3)氮碳共渗将上述预热的坯料放入盐浴炉中反应，温度为560～580℃，反应时间为1.5～2小时，反应结束后用水冷却，然后用水温为40～80℃的温水对坯料进行清洗，洗去表面残留的共渗盐；
或气体氮化将上述预热的坯料放入气氛炉中反应，反应气氛由氨气及乙醇构成，氨气流量为0.6～1.6立方米/小时，乙醇滴量为80滴/分钟，反应温度为550～650℃，反应时间为0.6～4小时，反应结束后用水冷却；
(4)精抛将上述共渗处理的坯料振动抛光5～10分钟，用麻轮和布轮先后抛光，使表面粗糙度小于Ra0.4，然后清除表面的抛光蜡或油脂；
(5)氧化着色将上述抛光后的坯料放入回火气氛中，在氮气和氧气的混合气体中，200～450℃反应5～10分钟，氮气和氧气的混合体积比为氮气∶氧气＝0～10∶1；
或将上述抛光后的坯料浸入氢氧化钠及亚硝酸钠的水溶液中反应，水溶液的浓度为每1000克水中含有100～700克氢氧化钠和100～250克亚硝酸钠，100～200℃，反应5～120分钟
(6)封闭处理将上述氧化着色后的坯料放入pH值为7～8.5、温度为80～90℃、容积浓度为30～50克/升的肥皂水中皂化5～10分钟，封闭着色的坯料表面。
全文摘要
本发明涉及一种钢的抗腐蚀及氧化着色复合表面处理方法，属金属材料表面处理技术领域。首先对钢材料进行除锈和抛光，使材料表面粗糙度达到要求，将处理好的坯料进行预氧化；将预氧化的坯料放入盐浴炉中反应，然后洗去表面残留的共渗盐，或将预热的坯料放入由氨气及乙醇气氛中反应，将共渗处理的坯料振动抛光，清除表面的抛光蜡或油脂；将上抛光后的坯料放入回火气氛中着色，或浸入氢氧化钠及亚硝酸钠的水溶液着色，最后进行封闭处理。本发明方法使钢表面的着色复合膜具有良好的耐磨性和抗腐蚀性能，由钢材料制备的产品具有优良的装饰性。本发明方法工艺简单，产品成本低，而无环境污染，不改变产品的外型尺寸，可用于各种碳钢及合金钢的着色处理。
文档编号C23F17/00GK101353801SQ20081011994
公开日2009年1月28日 申请日期2008年9月12日 优先权日2008年9月12日
发明者煌 余 申请人:煌 余