郭皓旭开题报告4(1)

指导文件5：

毕业设计（论文）开题报告

化学与环境工程 系（院） 2012 届

题 目（中文）常温无毒发蓝液的配制与性能研究

（英文）The Preparation and Properties of Room Temperature Non-toxic Hair Blue Liquid 课题类型 研究课题 课题来源 老师指导 学生姓名 郭皓旭 专业班级 化学工程与工艺二班 指导教师 张 艳 维 职 称 讲 师

填写日期： 年 月 日

一、本课题研究的主要内容、目的和意义 发蓝是钢铁零件维护中不可缺少的重要工序之一，其目的是抑制金属表面的腐蚀，使其外表美观，同时又可作为某些油漆和电镀表面的代用品。 碱性氧化工艺特别适合于处理需要用黑色进行装饰的并在良好条件下使用的精密机械产品零件，例如，精密机床零件，光学产品零件，仪器仪表零件，液压控制系统器件等。由于膜层很薄，因此不会影响产品的装配。 无论是高温氧化还是常温发蓝[1]，膜层的厚度一般只有0.6~1.5um,最后的也只有2.5um,故对零件的尺寸和精度几乎没有影响，同时氧化过程中不析氢，不会产生氢脆，成本低，所以广泛用于机械，精密仪器，仪表，弹簧及兵器等的一般防护层装饰。 钢铁件氧化处理后虽可提高耐蚀性，但效果较差，故氧化后需进行后处理，可采用皂化处理或铬酸盐钝化填充或涂油脂等，可明显提高耐蚀性和润滑性。 本试验目的是研究一种无毒，稳定，膜层性能优良的钢铁常温发黑工艺。 采用碱性氧化法或酸性氧化法，使金属表面形成一层氧化膜，以防止金属表面被腐蚀，此处理过程称为“发蓝”。 它是将钢材或钢件在空气-水蒸气或化学药物中加热到适当温度使其表面形成一层蓝色或黑色氧化膜的工艺[2]，也称发黑。将钢铁零件放入含NaOH和NaNO2等药品的浓溶液中，在一定温度范围内使零件表面生成一层很薄（0.5～1.5μm）的蓝黑色氧化膜[3]。黑色金属表面经“发蓝bluing”处理后所形成的氧化膜，其外层主要是四氧化三铁，内层为氧化亚铁。 笔者将经过试验研究出一种较为理想的钢铁常温无毒发蓝液，并对其影响因素和性能进行了综合分析与测试。常温“无毒”发蓝，是指发蓝液中不含剧毒，对环境有严重污染的重金属离子如硒离子，汞离子，六价铬离子等。 发蓝液配方由硫酸铜，葡萄糖，钼酸铵，磷酸二氢钾，硫酸镍，冰醋酸，聚乙二醇2000，OP-10乳化剂，柠檬酸钠等组成。采用正交实验方法选择最佳配比。膜层检测采用下列三种耐蚀性测定以及磨蹭耐磨试验： (1) 浸渍试验 将待测试片浸入3%NaCl溶液中（25±1℃），10小时后取出，洗净吹干，目视检查其表面是否出现锈斑。 （2）点滴实验 试液为3%CuSO4·5H2O和5%H2C2O4溶液，在15~20℃下将试液逐滴滴在待测试片上，观察记录液滴变红（即出现铜色）时间，以此时间长短判断膜层的耐蚀性优劣。

（3）挂片试验 将待测试片吊挂在空气中氧化，观察其表面开始出现锈点时间。 （4）磨蹭耐磨性 采用滤纸或白布用力反复擦拭法进行测定，记录反复擦拭的次数，观察滤纸或白布表面有无灰（黑）迹，药酒擦拭次数必须大于200次，滤纸或白布表面不能见灰迹，试片表面无变化。亦即附着力不应低于高温“煮”黑氧化膜。 二、文献综述（国内外相关研究现况和发展趋向） 1. 国内外研究现状 基于其有限的实用性，关于石墨流态床发蓝和电阻加热发蓝的研究不是很多。目前，人们研究得比较多的是其余的几种工艺，尤其是热碱发蓝和常温发蓝[4]。 1．就热碱发蓝而言，其工艺十分古老且成熟。现在的研究重点一方面是通过降低碱或亚盐的浓度，从而达到节约能源、保护设备、减少污染的目的[5]；另一方面是采用二次发蓝工艺来克服发蓝膜产生的某些缺陷[6]。此外，传统的前处理除油工序一般采用碱性脱脂，效率较低，时间长，现在已经开始尝试酸性脱脂的研究。酸性脱脂剂成本低、污染较小、脱脂效率高，同除锈工序相匹配，并且可以节约能源[7]。 最具代表性的配方是2003年姜贵田教授的研究：取分析纯NaOH 300 g，分析纯NaNO2 100 g，在玻璃烧杯中用蒸馏水配成500 mL 溶液（可以认为溶液中不含铁离子），加热至沸腾。将试片发蓝50min，试片色泽，附着性及硫酸铜点滴实验均合格 [8]。 2005年江西宜春三九宜工生化股份有限公司的张晓成工程师又对现有的热碱发蓝工艺提出改进。使用常温酸性脱脂剂取代碱性发蓝工艺中常用的汽油和高温碱性脱脂剂，除油效果好，并可节约能源，减少水洗工序，有利酸洗步骤的进行。工件经碱性氧化发蓝后，用脱水油进行常温处理，脱水效果好，工艺简便，取代了烘干和高温浸油工序，省时节能，并提高了工件的防锈能力[9]。 2．常温发蓝工艺是从20世纪80年代发展起来的表面处理工艺，从长远看，因其具有成本低、高效、节能、污染小等优点，必将逐渐取代热碱发蓝[10]。，常温发蓝液的配方相对比较复杂，除了亚硒酸、铜盐外，还包括磷酸盐、盐、磺基水杨酸盐、络合剂、缓冲剂等。发蓝时溶液的pH值必须准确调节，PH过低，氧化力强，反应速度过快，膜层疏松，附着力不牢，耐蚀能力下降；pH值过高，反应速度慢，膜层不连续，外观不理想。因此，pH一般维持在2～2.5之间。发蓝温度一般控制在15～35℃之间。温度过低，反应速度慢，黑度和均匀性差；温度过高，膜结合力不好。发蓝时间依溶液种类和使用温度而定，一般为4～8min。时问太短，膜不连续，黑度不足；时间太长，膜厚而疏松，结合力不好

[11]。 2006年山东华源莱动内燃机公司的姜美红，赵庶江等将常温发蓝工艺运用到生产实践中，采用以亚硒酸，硫酸铜为主要成分的发蓝液。常温发蓝的黑色成膜是一种双层结构的覆层，底层是致密的以铁氧化合物为主的黑色层，通过X—射线衍射测定，其主要组成为四氧化三铁(Fe3O4)、硒化铜(CuSe)和氧化亚铁(FeO)等。常温发蓝的工艺流程为：去油→溢流漂洗→除锈→溢流漂洗→发蓝→溢流漂洗→封闭→上油。常温发蓝与碱性发蓝相比，预处理要求更为严格些，不仅发蓝工件表面应清洁无污，而且有较高的化学活性，这是获得光亮、均匀、耐久外观成膜的关键，因此，对各预处理工序必须严格控制[12]。 目前的研究热点主要集中在如下几个方面：一是发蓝机理的研究。常温发蓝过程比较复杂，其发蓝机理至今尚未弄清，对工艺的开发产生了不利的影响。因而，通过多种手段进行成膜机理研究是非常重要的[13]。二是开发新型低毒或无毒的发蓝液。传统的发蓝成膜剂主要集中在硒--铜体系，由于硒为有毒物质，易对环境造成污染，所以，无硒常温发蓝必将是未来研究的中心[14]。此外，对于添加剂中的辅助成膜剂、pＨ缓冲剂、络合剂、表面活性剂也有较多的研究[14]。三是与其它工艺有机结合，取长补短，改善发蓝膜的性能[15]。 3．铅浴加热发蓝在德国等欧洲国家曾经非常流行，但由于存在严重的环境污染问题，世界上已有部分发达国家禁止使用铅浴。目前主要采用铅铋合金或纯铋对带钢进行热处理。铋与铅的熔点、沸点、比重、比热相近，但导热能力更强，可在保证调质产品力学性能的前提下，有效降低污染物排放，减少占地面积，降低用量，节约能源。实验表明，使用20％Bi＋80％Pb合金在267℃左右进行调质，其效果最佳[20]。 4．电磁感应加热发蓝虽然出现较晚，但由于其具有热利用效率高、温度精确控制、操作简单、污染少等优点，在调质和发蓝效果上有明显改善，因而发展迅速，应该是未来捆带钢发蓝工艺的发展方向[20]。当然，如何降低设备装置的复杂性，是一个重要的研究课题。 5．含氧蒸汽发蓝在20世纪中期在美国钢铁企业非常流行[17-19]。Katashnias等人设计了一种新的连续退火——发蓝工艺，以97～90％N2＋3～10％ H2为退火介质，以不同浓度的H2O蒸汽为发蓝介质，考察了带钢在不同尺寸、不同运行速度、不同压力、不同温度等工艺参数下的发蓝效果[18]。Sea--Bold等人同样设计了一种全新的发蓝工艺系统，对影响发蓝效果的各种参数进行了更加详细和全面的研究[19]。Ebert等人在发蓝炉中通人N2＋H2O气体混合物，其露点在-8～32℃之间，并把该气体混合物加热到550－750℃之间，

使之与钢铁零件接触足够的时间，结果发现在零件表面产生了一层附着力很强的深黑色氧化膜，彩电显像管可以通过这种方法来发黑[16]。 2.发蓝工艺的发展趋势 从长远说，含氧蒸汽发蓝工艺的发展方向应是如何设计出更符合实际、简单、高效、稳定、经济、安全和环保的生产线。发蓝工艺应用效果对比：上述7种发蓝工艺各有特点，原理、流程、设备、操作等均不同，因而应用效果也不同。 1．热碱发蓝和常温发蓝比较适合尺寸较小的钢铁零件和工件。热碱发蓝生产周期长、碱雾大、设备腐蚀严重、劳动条件差、能耗大、且含有致癌物亚盐；常温发蓝大大缩短了生产周期，设备简单、投资少、节省了大量能源，污染小。热碱发蓝对操作要求不高，而常温发蓝对操作要求非常严格。热碱发蓝不需要专门的热处理退火程序，能起到补充低温回火的作用，达到减少淬火应力引起的脆裂、断纹等不合格品目的。发蓝膜的耐蚀性能高，外观好；常温发蓝必需增加一道热处理回火程序，才能消除淬火造成的内应力，以减少不合格产品：发蓝膜的附着力较差，耐磨性不够，脆断、裂纹等不合格产品增多。热碱发蓝液的稳定性较高，而常温发蓝液的稳定性较差，对溶液的酸度要求高，使用过程中易发生沉淀。通过比较得出常温发蓝更有发展前途。 2．石墨流态床发蓝和电阻加热发蓝也比较适合零部件等小尺寸钢铁制品，但两者的实用性都不强。前者具有稳定可靠、适应性强、无公害、产品质量高、能耗和成本低、经济效益显著等特点。但由于需要多台流态床，操作相对复杂。加之发蓝和淬火温度较高，因而会影响工件的力学性能。后者在温度精确控制、响应时间、运行成本，能耗等方面存在诸多问题，发蓝效果不稳定。两种工艺都需要改进。

三、拟采取的研究方法（方案、技术路线等）和实现的可行性论证 1、确定试验方案 1.1发蓝液的配制 在锥形瓶中注入总体积100mL的水，加入计算量的硫酸铜、钼酸铵和添加剂(注意搅拌均匀)，然后分别加入冰醋酸、硫酸镍和磷酸二氢钾等，搅拌至全部溶解后，稀至总体积，搅匀，调整pH值后即可使用。 1.2 钢铁氧化前处理 发蓝件表面必须光洁，不得有油脂、金属氧化物或其它污物，以免在发蓝中生成不均匀、不连续的氧化膜，甚至不生成氧化膜。因此，发蓝零件表面必须彻底清理，清理包括机械清理、除油和酸洗。 (1)机械清理：零件表面锈迹多时，可用细砂纸仔细擦拭，直至表面光洁。 (2)除油：把工件放入除油液中20min左右，然后拿出用流动清水冲洗，以除净残碱液，必须彻底除尽。 (3)酸洗除锈：零件放入15～30％的HCl溶液里（含0.5～1％的甲醛缓蚀剂），浸泡5～10 min，取出在流动清水中洗净残酸。 1.3氧化处理阶段 将清洗后无油垢、无锈斑的零件迅速浸入发黑工作液中，间隙上下提动2-3次，浸3-8分钟后取出（初始浓度的溶液以1分钟左右为好），视黑膜均匀呈灰黑色即可，发黑件出槽后，在空气中停留1~2分钟再水洗，可充分利用表面的残液，减少发黑剂的消耗。再用自来水冲洗和漂洗。 1.4氧化后的辅助加工阶段 1.4.1封闭 由硒酸盐氧化得到的黑色覆层是多孔膜，在未经封闭处理前其抗蚀性是不高的。用封闭剂(皂液)填充微孔后，可提高发蓝膜的抗蚀性能。 1.4.2上油 将经封闭处理的工件放入110～1200℃的机油中浸泡2分钟，其目的是提高发蓝膜的抗蚀性能和光泽。 1.5发蓝处理后的质量检查 质量检查包括：氧化膜的外观色泽、致密性、抗蚀性和耐磨性，以及清洗质量和工件尺寸。

氧化膜的色泽根据工件材料成分不同，可以是深蓝色、蓝黑色，若是铸铁工件和高合金工件可呈现棕黑色。 氧化膜致密性检查，是把未浸油的工件浸入3％的中性%CuSO4溶液中1 min，以工件表面上不出现铜色斑点为合格（工件棱边除外）。 氧化膜抗蚀性检查，点滴实验 试液为3%CuSO4·5H2O和5%H2C2O4溶液，在15~20℃下将试液逐滴滴在待测工件上，观察记录液滴变红（即出现铜色）时间，以此时间长短判断膜层的耐蚀性优劣。 1.6 数据处理 以以上1.5所述膜层检验方法为评价指标，通过正交试验L9（33）考察各原料对发蓝的影响，并确定最佳配方。 Table1 Factors in the table 序号 因素名称 水平1 水平2 水平3 1 2 3 柠檬酸钠(g/L) 0.1 0.2 0.3 pH 1 2 3 4 CuSO4·5H2O(g/L) KH2PO4 (g/L) 0.35 0.45 0.55 0.9 1.2 1.5 2.可行性论证 常温无毒发蓝基本原理 在钼系发黑液中，由于铁的电极电位较负，Cu2+和钼酸铵较正，发黑件在发黑液中将形成铁与铜离子、铁与黑化剂的微观腐蚀电池，也分三步进行反应： Cu2+在铁基表面沉积生成活性铜粒子，同时铁溶解成Fe2+： 负极反应： Cu2+十2e——[Cu] 正极反应： Fe——Fe2++2e (2)沉积的活性铜粒子成为铁与钼酸铵微电池的阴极，加速反应．铁基不断溶解，钼酸铵在活性铜粒子上发生还原反应释教出活性氧。吸附在活性铜粒子上，同时自身被还原成它的某种黑色化合物参与成膜。 正极反应：R(氧化态)——R(还原态)十[O] 负极反应：Fe——Fe2+十2e 测试表明：膜层约需72小时达到平衡。 通过查阅文献确定发蓝液原料，采用正交设计优化各原料配比。按照比例配制好发蓝液用于A4钢的发蓝处理，发蓝膜用点滴试验和摩擦试验评价。

四、预期结果（或预计成果） 观察到金属表面形成一层蓝黑色的薄膜，点滴实验中，30秒后出现铜色，白布反复擦拭超过200次，白布上面有灰迹.

五、研究进度安排 1．1月份选题。 2．1-2月份查阅相关资料，制定实验方案。 3．3.01-3.03查看仪器，准备实验。 4. 3.04-4.04进行实验。 5. 4.05-4.11处理数据，整理实验记录。 6. 4.12-4.22写论文。 7. 4.23-5.10修改论文。 8. 5.15确定论文。 9. 5.17-5.25准备答辩。 10．5.26 -5.27答辩。

六、主要参考文献 参考文献 [1]. 王爱珍等. 钢铁常温快速发黑剂的研制及质量控制［J］. 郑州轻工业学院学报，l997,l2（1）：59~6l [2]. 王建江. 钢铁材料发黑处理的现状与未来［J］.材料保护，l994，27（7）：11-l3 . [3]. 表面处理编写组. 表面处理（上、下册）［M］.北京：国防工业学院，1973 [4]. 陈匡民. 化工机械材料腐蚀与防护［M］ 北京.化学工业出版社，1988 [5]. 吴双成．低浓度碱性发蓝工艺[J]．表面技术，1998，27(5)：38～40． [6]. 郭京华．钢铁零件发蓝膜产生红色挂灰的预防处理方法[J]．导航与控制．2003，(2)：70-72． [7]. 张晓成．钢铁碱性发蓝工艺的改进[J]．电镀与精饰.2004，26(5)：22—23． [8]. 电镀手册编写组. 电镀手册［M］. 北京：国防工业出版社，1977.520. [9]. 黄菲.胡敏.郑华.张万灵.刘吉斌.匡伟.余晓静 高强捆带钢发蓝工艺研究[期刊论文]--武汉工程职业技术学院学报 2010(4) [10]. 罗宏，刘剑．钢铁常温发黑工艺及其生产应用[J]．电镀与涂饰.2003，22(2)：22-24． [11]. 奚兵．常温发黑工艺及影响质量因素[J]．表面技术，1994，23(3)：136—138． [12]. 黄亚军，左禹，熊金平 锌-铁系蓝色磷化工艺参数对膜外观及耐蚀性能的影响[期刊论文]-材料保护 2010(6) [13]. 杨志敏．钢铁常温发黑技术的现状和进展[J]．电大理工.2001，(2)：45—47． [14]. 张忠诚,刘嘉丽．钢铁发黑技术的现状和展望[J]．电镀与涂饰.2002，21(2)：51-56． [15]. 何新快，陈白珍．周宁波．等．钢铁化学磷化发黑工艺研究[J]．湖南有色金属,2003，19(6)：37—39． [16]. Ebert C W，Thall ES．Method of blackening surfaces of steel parts with wet nitrogeon：USA，4448612[P]．1984． [17]. Von Ende H L．Bluing steel：USA，2283109[P]．1949． [18]. Katsahnias TG．Continuous bluing and annealing process：USA，3307981[P]．1967． [19]. Seabold EJ，Dowler L K．Continuous bluing system for fer—rOllS strip：USA，27616[P]．1956． [20]. 马列，沈莹峰．钢质捆带生产新技术[J]．轧钢，2003，20(4)：25—26．

2、外文参考文献翻译（译文大于5000汉字） 见附件“毕业设计（论文）外文参考文献翻译” 七、审核意见 指导教师对开题的意见： 指导教师签字： 年 月 日 系（院）审核意见： 审核人签字： 年 月 日 说明：1、该表每生一份，系（院）妥善存档；

2、课题来源填：“自选”或“教师指定”或“其它”，课题类型填：“理论研究”或“应用研究”或“技术开发”或“实验设计”或“其它”。

附件：

毕业设计（论文）外文参考文献翻译

化学与环境工程 系（院） 2008 届

题 目（中文）常温发蓝处理后金属的抗氧化性

（英文）Blue room temperature oxidation resistance of the treated

metal 学生姓名 郭皓旭 专业班 化学工程与工艺二班

完成日期：2011年11月 1日

目 录

（本页及以下为文献翻译正文，外文文献可1-3篇，译文应大于5000汉字以上。每篇外文参考文献原文后排列其对应译文。正文编排页码，装订时连同其封面、目录一起装订。正文字体、字号自定。）

钢铁发蓝工艺研究

黄菲张万灵涂元强

(武钢研究院湖北武汉：430080)

摘 要 对几种常见的钢铁发蓝工艺的原理、流程、应用效果、研究现状及发展趋势进行了简要评述，介绍了几种常见发蓝工艺的原理、应用效果和研究现状，指出经济节能，高效稳定，安全环保的发蓝新工艺是未来的发展趋势。 关键词发蓝工艺：研究现状；发展趋势

中图分类号：TGl74 文献标识码：A 文章编号：1671—3524(2010)02—0014-04

发蓝工艺是一种材料保护技术，其实质是使钢铁表面通过化学反应，生成一种均匀致密、有一定厚度、附着力强、耐蚀性能好的蓝黑色氧化膜，起到美化和保护工件的作用，广泛用于机械零部件和钢带的表面处理，该工艺又称发黑。根据其原理和工艺流程的不同，一般分为热碱发蓝、常温发蓝、石墨流态床发蓝,电阻加热发蓝、铅浴加热发蓝、电磁感应加热发蓝、含氧蒸汽发蓝等7种工艺。本文拟对上述几种发蓝工艺进行简要评述。

1 常用发蓝工艺

1．1热碱发蓝 钢铁在140℃左右，在一定浓度的NaOH和NaNO2混合溶液中，通过反应形成Fe3O4氧化膜。膜的厚度和致密性与氧化时NaOH和NaNO2的浓度、温度及处理时间有关。其一般工艺流程如下：碱洗除油一流水冲洗一酸洗除锈一流水冲洗一发蓝一流水冲洗一皂化一晾干一浸油。除油采用一定浓度的稀碱液在90～100℃洗去零件表面的保护油脂，使零件表面均匀润水、无水珠。除油的时间与温度和搅拌情况有关。除锈一般采用10～15％的HCl，在室温下进行，以除去零件表面的锈层，酸洗时间应严格控制，以零件表面刚呈均匀的银灰色为准，酸洗后的零件必须立即用清水洗干净。发蓝液中，Na0H起到腐蚀铁、提高沸点温度及补充去油的作用，而NaNO2起上色、钝化、去极化的作用。两者比例要严格控制，一般在3：1～3．5：1之间比较好。低于3：1成膜速度慢，高于3．5：1则膜薄色浅，且碱雾较大，操作环境恶劣。发蓝温度一般控制在140℃左右。温度过低，则Fe304的形核率和增长速度低，氧化膜难以形成；温度过高，氧化膜容易被溶解。发蓝时间随钢种而异，以生成一定厚度的氧化膜为准。将发蓝后的零件置于3～5％的肥皂水(80～90℃)中浸泡5 min左右，肥皂就会与氧化膜微孔中的铁反应，生成连续的亲油厌水的硬脂酸铁薄膜，将氧化膜的微孔堵塞起来，这种处理叫皂化，它极大地提高了零件的耐蚀性能。皂化后的零件浸入到110℃左右的机油中，上油3～5min，既可以彻底除去零件表面残留的水分，增强抗潮湿性能，又可以增加表面光泽。

1．2常温发蓝

常温发蓝过程比较复杂，一般认为在钢铁表面发生氧化还原一沉积反应，又称溶解一沉积过程。在酸性条件下，钢铁基体与亚硒酸和铜盐发生氧化还原反应，而钢铁表面的Fe2+、Cu2+与Se2-发生沉积反应，生成黑色膜。其一般工艺流程如下：碱洗除油一溢流漂洗一酸洗除锈一溢流漂洗一发蓝一溢流漂洗一皂化封闭一晾干一上油。常温发蓝对预处理的要求比较严

格，不仅发蓝工件表面应清洁无污，而且要有较高的化学活性，这是获得光亮、均匀、耐久外观成膜的关键。此外，常温发蓝液的配方相对比较复杂，除了亚硒酸、铜盐外，还包括磷酸盐、盐、磺基水杨酸盐、络合剂、缓冲剂等。发蓝时溶液的pH值必须准确调节，PH过低，氧化力强。反应速度过快，膜层疏松，附着力不牢，耐蚀能力下降；pH值过高，反应速度慢，膜层不连续，外观不理想。因此，pH一般维持在2～2．5之间。发监温度一般控制在15～35℃之间。温度过低，反应速度慢，黑度和均匀性差；温度过高，膜结合力不好。发蓝时间依溶液种类和使用温度而定，一般为4～8min。时问太短，膜不连续，黑度不足；时间太长，膜厚而疏松，结合力不好。

I．3石墨流态床发蓝

流态化是一种强化流体(气体或液体)与固体颗粒间相互作用的操作，一般指固体流态化，又称假液化。石墨流态床中的石墨粒子和不断从炉底部送入的大量空气相接触，在一定的温度下，碳粒子和空气中的氧化合成一定比例的CO2和CO，其中CO2和O。呈现一定的氧化性。经过表面净化的钢铁工件在500～600℃的石墨粒子炉加热时，表面能生成致密的Fe304蓝黑色氧化膜。该工艺只适合调质、退火和正火状态的工件。其一般工艺流程如下：机加工一表面净化一粒子炉预热发蓝一粒子炉加热淬火一回火一皂化一涂油。一般来说，发蓝温度控制在570～590℃之间，这样既可以保证生成高质量的Fe304保护膜，又有足够快的生成速度。温度过低，炉内氧化剂的浓度也低，氧化膜形成慢而得到疏松的不完整的膜；温度过高，虽氧化剂浓度增大，氧化速度加快，但生成的氧化膜疏松，致密性大大降低。发蓝时间一般为20～25 min，这是因为当膜生成到一定厚度，再延长时间，厚度增加不太明显。对于淬火温度，一般选择850～980℃，因为随温度降低，炉气氧化性增强，可能会破坏Fe3O4膜的致密性和色泽，过高的温度易造成增碳。淬火时间控制在10～15 min之间。对于那些正常淬火温度不在此温区的材料，可采用快速加热淬火或亚温淬火的方法，适当调整淬火加热温度，进行发蓝淬火复合处理。回火温度按要求设定，时间一般控制在30 min左右。而皂化温度则选择80～90℃，室温状态下涂油。

1．4电阻加热发蓝

电阻加热发蓝主要通过多组电源来加热一个小的环境，然后钢带在此高温环境下进行发蓝，但该工艺未得到广泛应用。

I．5铅浴加热发蓝

铅浴加热发蓝是一种比较成熟的工艺，一般用于高强度搁带钢的发蓝。其发蓝流程一般包括调质和发蓝两大阶段：冷带在进行完必要的表面预处理后，首先进入铅浴，使其预热，预热时问一般为10s，进入感应器，经过数次感应加热后，使拥带均匀地达到奥氏体化温度860～880℃，再进入铅浴于450℃进行等温淬火，淬火时间一般小于l min。等温淬火完成后，进入带有木炭的密封槽，最后进人到45～70℃的清水中，达到清洗的目的。调质完成后，半成品的捆带钢在经过焊接、分条、清除毛刺等工序后，再次进入铅浴，在440℃左右发蓝。在该工艺中，如何合理地控制铅浴温度、长度和机组速度，如何彻底消除发蓝前钢带表面的挂铅现象，就显得尤为重要。

I．6 电磁感应加热发蓝

电磁感应加热发蓝是近年来发展出来的一种新工艺，主要是利用“电磁感应”“涡流发热”“磁滞发热”等物理现象以及交变电在导体中的分布特征，使 得通过某一磁场的钢带发热来实现发蓝工艺目标。

1．7含氧蒸汽发蓝

含氧蒸气发蓝也是一种比较成熟的工艺，其核心是让钢带在进行必要的表面预处理后，在非氧化性气氛下，如N2+H2和H2，先在退火炉里进行退火调质，在退火达到一定温度后，迅速向退火炉通人含氧蒸汽如N2+02、N2+H20(汽)等，使钢带表面发生氧化反应，从而生成蓝黑色的Fe3O4氧化膜。在这种工艺中，如何控制和优化气体的浓度、露点、分压、流量、反应温度、反应时间、钢带运行速度等工艺参数显得十分关键，直接决定了发蓝效果的好坏。一

般来说，发蓝温度控制在400～700℃之间，蒸汽的露点控制在-10～+10℃之间。

2 发蓝工艺研究现状和发展趋势

基于其有限的实用性，关于石墨流态床发蓝和电阻加热发蓝的研究不是很多。目前，人们研究得比较多的是其余的几种工艺，尤其是热碱发蓝和常温发蓝。

1．就热碱发蓝而言，其工艺十分古老且成熟。现在的研究重点一方面是通过降低碱或亚盐的浓度，从而达到节约能源、保护设备、减少污染的目的；另一方面是采用二次发蓝工艺来克服发蓝膜产生的某些缺陷。此外，传统的除油工序一般采用碱性脱脂，效率较低，时间长，现在已经开始尝试酸性脱脂的研究。酸性脱脂剂成本低、污染较小、脱脂效率高，同除锈工序相匹配，并且可以节约能源。

2．常温发蓝工艺是从20世纪80年代发展起来的表面处理工艺，从长远看，因其具有成本低、高效、节能、污染小等优点，必将逐渐取代热碱发蓝。目前的研究热点主要集中在如下几个方面：一是发蓝机理的研究。常温发蓝过程比较复杂，其发蓝机理至今尚未弄清，对工艺的开发产生了不利的影响。因而，通过多种手段进行成膜机理研究是非常重要的。二是开发新型低毒或无毒的发蓝液。传统的发蓝成膜剂主要集中在硒一铜体系，由于硒为有毒物质，易对环境造成污染，所以，无硒常温发蓝必将是未来研究的中心。此外，对于添加剂中的辅助成膜剂、pH缓冲剂、络合剂、表面活性剂也有较多的研究。三是与其它工艺有机结合，取长补短，改善发蓝膜的性能。

3．铅浴加热发蓝在德国等欧洲国家曾经非常流行，但由于存在严重的环境污染问题，世界上已有部分发达国家禁止使用铅浴。目前主要采用铅铋合金或纯铋对带钢进行热处理。铋与铅的熔点、沸点、比重、比热相近，但导热能力更强，可在保证调质产品力学性能的前提下，有效降低污染物排放，减少占地面积，降低用量，节约能源。实验表明，使用20％Bi+80％Pb合金在267℃左右进行调质，其效果最佳。

4．电磁感应加热发蓝虽然出现较晚，但由于其具有热利用效率高、温度精确控制、操作简单、污染少等优点，在调质和发蓝效果上有明显改善，因而发展迅速，应该是未来捆带钢发蓝工艺的发展方向。当然，如何降低设备装置的复杂性，是一个重要的研究课题。

5．含氧蒸汽发蓝在20世纪中期在美国钢铁企业非常流行。Katsahnias等人设计了一种新的连续退火一发蓝工艺，以97～90％N2+3～10％H2为退火介质，以不同浓度的H2O蒸汽为发蓝介质，考察了带钢在不同尺寸、不同运行速度、不同压力、不同温度等工艺参数下的发蓝效果。Sea—bold等人同样设计了一种全新的发蓝工艺系统，对影响发蓝效果的各种参数进行了更加详细和全面的研究。Ebert等人在发蓝炉中通人N2+H2O气体混合物，其露点在-8～+32℃之间，并把该气体混合物加热到550--750℃之间，使之与钢铁零件接触足够的时间，结果发现在零件表面产生了一层附着力很强的深黑色氧化膜，揭示了彩电显像管可以通过这种方法来发黑瞵。从长远说，含氧蒸汽发蓝工艺的发展方向应是如何设计出更符合实际、简单、高效、稳定、经济、安全和环保的生产线。

发蓝工艺应用效果对比

上述7种发蓝工艺各有特点，原理、流程、设备、操作等均不同，因而应用效果也不同。 1．热碱发蓝和常温发蓝比较适合尺寸较小的钢铁零件和工件。热碱发蓝生产周期长、碱雾大、设备腐蚀严重、劳动条件差、能耗大、且含有致癌物亚盐；常温发蓝大大缩短了生产周期，设备简单、投资少、节省了大量能源，污染小。热碱发蓝对操作要求不高，而常温发蓝对操作要求非常严格。热碱发蓝不需要专门的热处理退火程序，能起到补充低温回火的作用，达到减少淬火应力引起的脆裂、断纹等不合格品目的。发蓝膜的耐蚀性能高，外观好；常温发蓝必需增加一道热处理回火程序，才能消除淬火造成的内应力，以减少不合格产品：发蓝膜的附着力较差，耐磨性不够，脆断、裂纹等不合格产品增多。热碱发蓝液的稳定性较高，而常温发蓝液的稳定性较差，对溶液的酸度要求高，使用过程中易发生沉淀。

2．石墨流态床发蓝和电阻加热发蓝也比较适合零部件等小尺寸钢铁制品，但两者的实用性都不强。前者具有稳定可靠、适应性强、无公害、产品质量高、能耗和成本低、经济效益显著等特点。但由于需要多台流态床，操作相对复杂。加之发蓝和淬火温度较高，因而会影响工件的力学性能。后者在温度精确控制、响应时间、运行成本，能耗等方面存在诸多问题，发蓝效果不稳定。

3．铅浴加热发蓝、电磁感应加热发蓝、含氧蒸汽发蓝这三种工艺比较适合高速连续化的钢带生产线，发蓝效果稳定，其工程规模在生产上很容易实现，实用性强。铅浴加热发蓝的主要问题是铅对环境的污染很大，使得这种工艺的上升空间有限。含氧蒸汽发蓝的主要问题是需要调节和控制的工艺参数太多，操作相对复杂。电磁感应加热发蓝的效果相对稳定，污染少，热利用效率高，温度精确控制，但设备可能相对复杂，经济成本偏高。

4 发蓝工艺在捆带行业中的应用

捆带钢，又称包装用钢带，广泛应用于钢铁、有色金属、造纸、玻璃、建材、烟草和轻纺加工等工业领域。目前。我国钢铁工业是应用捆带钢最多、承载安全级数最高的行业，其大量用于轧钢和成品包装单元。一方面，发达国家的钢铁企业都非常重视钢卷包装，将其提高到“保证安全储运，提升产品档次”的高度，对高强度、特别是超高强度的捆带钢的需求在不断增加，市场前景极为广阔。但目前，世界上能稳定生产高强度或超高强度捆带钢的企业却寥寥无几。另一方面，虽然生产出来的大多数高强度捆带钢产品的力学性能已基本达标，但表面性能却存在着严重的不足，主要体现在色泽暗、均匀性差、防腐耐蚀性能不佳，其主要根源在于发蓝工艺不过关，因而严重地影响了产品质量。一般来说，国内外大多数捆带钢生产企业所采用的发蓝工艺应不外乎铅浴加热发蓝、电磁感应加热发蓝、含氧蒸汽发蓝三种，或者它们之间的组合。宝钢的发蓝生产线就有两条：一条采用电磁感应加热发蓝；另一条采用铅浴加热发蓝。就后者而言，它采用两个的单元，一个是调质单元，即原料一开卷一铅浴调质一卷取一半成品；另一个是纵剪涂漆单元，即半成品一开卷一焊接一剪切一去毛刺一铅浴发蓝一涂漆一涂蜡一卷取一成品捆带。国内的主要思路是将2个单元合并成1个，提倡节约性概念。其工艺实现上主要是将调质单元的功能并入到纵剪单元中，用一个慢速(<10 m／min)的淬火或退火工艺段来取代，但两者速度不匹配。绝大多数尤其是对产能要求较高的厂家，还是倾向于采用的2个单元。当然，有的企业也可能会采用诸如“铅浴调质一含氧蒸汽发蓝”的模式，如何选择，应视实际情况而定。

5 结语

发蓝工艺在钢铁行业，尤其是捆带行业中得到了广泛应用，在材料保护中起到非常重要的作用。不同的发蓝工艺，原理、流程、设备、操作等均不相同，因而其应用效果也不相同。当前国内外对发蓝工艺的研究呈现出了全方位、多层次的特点，其总体发展趋势应是开发符合实际情况，经济节能、高效稳定、操作简单、安全环保的钢铁发蓝新工艺。