張慶芳， 邵忠財(cái)， 吳 凱

（沈陽(yáng)理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110159）

304不銹鋼黑化工藝的研究

張慶芳， 邵忠財(cái)， 吳 凱

（沈陽(yáng)理工大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110159）

將304不銹鋼加熱至300℃并迅速浸沒(méi)于硫代硫酸鈉溶液中，可制得具有裝飾效果的黑化膜。通過(guò)草酸點(diǎn)滴試驗(yàn)、Tafel曲線和交流阻抗等方法檢測(cè)黑化膜的耐蝕性，并通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察黑化膜的表面形貌。結(jié)果表明：黑化膜呈片狀緊密覆蓋在304不銹鋼基體表面，有效提高了304不銹鋼基體的耐蝕性。

不銹鋼；黑化；耐蝕性

0 前言

發(fā)黑的不銹鋼不僅裝飾效果好，還具有優(yōu)良的吸光性和吸熱性。因此，不銹鋼的發(fā)黑成為不銹鋼著色研究的一個(gè)重要內(nèi)容［1-2］。不銹鋼發(fā)黑的方法大致可分為化學(xué)法、電化學(xué)法及高溫法三大類［3-4］。其中化學(xué)著色法和電化學(xué)著色法使用較普遍。著色處理后的不銹鋼色澤鮮明且持久不變，同時(shí)不銹鋼的其他性能不受影響［5-7］。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為304不銹鋼件，將其切割成尺寸為2.5 cm×2.5 cm的片狀試樣。先將試樣進(jìn)行堿性除油（NaOH 70 g／L，90℃），再進(jìn)行電化學(xué)拋光（磷酸10%，濃硫酸10%，2 A／dm2，35℃）。將前處理后的不銹鋼放入恒溫馬弗爐中加熱至300℃，之后將試樣迅速浸入硫代硫酸鈉中5 min進(jìn)行黑化處理，烘干后待測(cè)。

1.2 性能檢測(cè)

在同一試片的五個(gè)位置用5%的草酸溶液進(jìn)行點(diǎn)滴，記錄每個(gè)點(diǎn)的變色時(shí)間，最終計(jì)算平均變色時(shí)間。時(shí)間越長(zhǎng)，表明黑化膜的耐蝕性越好。

以3.5%的NaCl溶液為腐蝕介質(zhì)，以飽和KCl甘汞電極為參比電極，以鉑電極為輔助電極，將有效面積為1 cm2的待測(cè)不銹鋼試樣作為工作電極，組成三電極體系進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。掃描速率為0.005 V／s，頻率范圍為10-2～10-5Hz。

釆用掃描電子顯微鏡觀察黑化膜的表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫代硫酸鈉對(duì)黑化膜的影響

在其他前處理?xiàng)l件不變的情況下，硫代硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別選取1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%，將處理后的膜層進(jìn)行草酸點(diǎn)滴試驗(yàn)并觀察其外觀顏色，結(jié)果如表1所示。

由表1可知：硫代硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，黑化膜的耐草酸點(diǎn)滴時(shí)間最長(zhǎng)，外觀最佳。因此，硫代硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)的黑化效果最好。

2.2 試樣溫度對(duì)黑化膜的影響

試樣溫度對(duì)膜層性能起著不可忽視的作用。試樣溫度分別取20℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃，將處理后的膜層進(jìn)行草酸點(diǎn)滴試驗(yàn)并觀察其外觀顏色，結(jié)果如表2所示。

由表2可知：試樣溫度低于100℃時(shí)，無(wú)法得到黑化膜；試樣溫度達(dá)到100℃時(shí)，不銹鋼表面開(kāi)始出現(xiàn)膜層，耐草酸點(diǎn)滴時(shí)間先延長(zhǎng)后縮短；當(dāng)試樣溫度達(dá)到300℃時(shí)，膜層的耐草酸點(diǎn)滴時(shí)間最長(zhǎng)為32.0 min，且膜層呈黑色；當(dāng)試樣溫度達(dá)到350℃時(shí)，膜層顏色雖然為黑色，但是耐草酸點(diǎn)滴時(shí)間有所下降。因此，最佳的試樣溫度為300℃。

2.3 處理時(shí)間對(duì)黑化膜的影響

不銹鋼的成膜過(guò)程需要進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)時(shí)間直接影響黑化膜的性能。時(shí)間過(guò)短，反應(yīng)不徹底，膜層無(wú)法很好地覆蓋在不銹鋼基體表面；時(shí)間太長(zhǎng)，膜層會(huì)出現(xiàn)裂紋，甚至脫落，不利于黑化膜的制備。為此，處理時(shí)間分別選取30 s、60 s、120 s、 180 s、240 s、300 s、360 s、420 s，將處理后的膜層進(jìn)行草酸點(diǎn)滴試驗(yàn)并觀察其外觀顏色，結(jié)果如表3所示。

由表3可知：處理時(shí)間對(duì)膜層顏色的影響不大。這就意味著黑化膜的形成過(guò)程非常快。300℃的膜層一接觸轉(zhuǎn)化液時(shí)，黑化膜便迅速生成。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，膜層的成膜速率有所下降，但是膜層仍在生長(zhǎng)。只有生長(zhǎng)到一定程度，對(duì)基體的防護(hù)效果才是最優(yōu)的，最佳時(shí)間為300 s。

2.4 耐蝕性測(cè)試

圖1為不銹鋼基體與最佳工藝條件下所得黑化膜的交流阻抗圖。

由圖1可知：不銹鋼的交流阻抗圖主要以電化學(xué)容抗為主。容抗弧半徑越大，意味著膜層的耐蝕性越好。黑化膜的容抗弧半徑明顯大于基體的，表明黑化膜的耐蝕性比不銹鋼基體的強(qiáng)。

2.5 Tafel曲線測(cè)試

對(duì)最佳工藝條件下得到的黑化膜進(jìn)行Tafel曲線測(cè)試，將其與基體的進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2和表4所示。

結(jié)合圖2和表4可知：不銹鋼經(jīng)黑化處理后，自腐蝕電位正移，自腐蝕電流密度降低，耐蝕性提高。

2.6 SEM測(cè)試

將最佳工藝下得到的黑化膜與基體進(jìn)行SEM測(cè)試?；w與膜層的SEM圖（放大到5 000倍），分別如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可知：在基體表面形成了一層均勻、致密的黑化膜。該膜層呈片狀緊密覆蓋在基體表面，對(duì)基體起到了裝飾和防護(hù)效果。

3 結(jié)論

在試樣溫度為300℃，硫代硫酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，轉(zhuǎn)化時(shí)間為300 s的條件下，制備了不銹鋼黑化膜。該膜層呈片狀緊密覆蓋在不銹鋼基體表面，有效提高了不銹鋼基體的裝飾性和防護(hù)性。

［1］ 胡俊利，滿瑞林，梁永煌，等.不銹鋼表面化學(xué)著色的研究進(jìn)展［J］.電鍍與環(huán)保，2012，32（3）：4-6.

［2］ 鞠洪斌，張曉麗，薛永強(qiáng)，等.不銹鋼純黑色轉(zhuǎn)化膜的制備工藝及性能表征［J］.電鍍與涂飾，2012，32（3）：33-36.

［3］ 何新快.不銹鋼電化學(xué)著黑色工藝與成膜機(jī)理研究［J］.腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)，2010，22（2）：104-108.

［4］ 王海人，王宜民，屈鈞娥，等.不銹鋼著色方法及表征技術(shù)［J］.材料保護(hù)，2012，45（12）：38-45.

［5］ 王鵬程，韓文生.添加劑在不銹鋼著色中的應(yīng)用［J］.電鍍與涂飾，2008，27（10）：26-28.

［6］ 王海人，李艷，屈鈞娥，等.電位標(biāo)準(zhǔn)判斷不銹鋼著色中化學(xué)活化前處理質(zhì)量的研究［J］.材料工程，2012（3）：89-96.

［7］ MANNA M.Effect of steel substrate for phosphate treatment：An option to simulate TMT rebar surface［J］.Corrosion Scienc，2009，51（3）：451-457.

Research on Blackening Process for 304 Stainless Steel

ZHANG Qing-fang， SHAO Zhong-cai， WU Kai
（School of Environmental and Chemical Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China）

304 stainless steel was heated to 300℃and immersed in sodium thiosulfate solution promptly，and then the decorative blackening film was prepared.Corrosion resistance of the blackening film was detected by oxalic acid dripping test，Tafel curve，electrochemical impedance spectroscopy and other methods，and the surface morphology was observed by scanning electron microscope.Results showed that blackening film in the form of sheets and connect to 304 stainless steel matrix compactly，effectively improving the corrosion resistance of 304 stainless steel.

stainless steel；blackening；corrosion resistance

TG 174 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-4742（2015）06-0027-03

2013-11-20