基本信息
- 项目名称：
- 钢铁防腐发黑液的制备及应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 利用金属热处理过程中的余热进行表面防腐发黑的新技术钢铁防锈（高分子）发黑剂，利用余热——节电；不需清洗——节水、环保；发黑剂利用率高。该技术具有独特的优越性，在许多领域将得到应用和推广。
- 详细介绍：
- ■作品概述 据估算，世界钢产量约有十分之一损耗于腐蚀、锈蚀。腐蚀对我国造成的经济损失每年至少在400亿元以上。弹簧、标准件、铁路弹条扣件等表面的防腐、装饰急需提档升级，而目前普遍应用的碱性煮黑等工艺对人体有害、对环境污染严重，质量不稳定。节约资源、保护环境、可持续发展是我国发展经济急需解决的关键问题。 铁路提速,城市地铁的发展,对铁路弹条扣件等连接件的防腐蚀要求越来越高,目前还没有合适的既对环境无污染又节水、节电、防腐蚀性能高的清洁生产技术。此技术的研制成功将大大提高我国铁路器材的技术水平。所以针对防腐发黑液进行了技术的研究和应用开发,利用金属热处理过程中的余热进行表面防腐发黑的新技术钢铁防锈（高分子）发黑剂，利用余热——节电；不需清洗——节水、环保；发黑剂利用率高。该技术具有独特的优越性，在许多领域将得到应用和推广。 ■关键技术 钢铁发黑保护膜的制备是利用钢铁件本身的余热进行成膜的。具体方法是首先将工件加热到160℃—600℃，保温使工件热透，取出工件浸入含环氧树脂、固化剂、着色剂、分散剂等的水溶液中，保持10——30秒取出，即得到一层环氧树脂保护底膜，这层膜的厚度较薄，保护性还比较弱，耐酸耐碱性不强。为了增加保护膜的耐酸耐碱性及耐候性，将已成膜的工件重新加热到160℃——350℃，保温20——30分钟，取出工件浸入含丙烯酸树脂、固化剂、着色剂、分散剂等的水溶液中，保持10——30秒取出，并使工件表面的水分蒸发后，再次将两次成膜的工件加热到180℃——250℃，保温30——40分钟，取出水冷，最终获得的有机高分子树脂保护膜具有非常高的耐酸耐碱性。 该技术、产品可以单独使用，也可以复合使用来满足不同要求. ■科学性与先进性 为了防止钢铁零件的腐蚀生锈 ，增加零件表面的美观，传统方法一直延用低温碱性煮黑工艺，此工艺若干年来虽然应用广泛，但存在操作繁琐，劳动强度大、生产成本高、环境污染严重等缺点。钢铁发黑剂是在发黑剂与金属接触的瞬间先进行金属表面清洗，同时利用工件上存在的回火余热使发黑剂中的有机化合物成膜材料反应沉积在金属表面而形成一层含有着色物质的高分子材料的保护膜，通过该有机物包腹膜的附着和封闭作用起到有效的防腐防锈作用。 ■优点 1、使用简便、着色容易、与热处理工艺形成连续性作业，使回火发黑一次完成质量稳定。 2、水溶性乳化液操作，无火害危险。 3、一般情况下发黑前不必酸洗，发黑后不需冲洗，无废水排放。 4、提高产品质量，可减轻或避免工件的回火脆性。发黑工件带有光泽，可改善结合部分的染色不良，工件放置一天后色泽更佳。形成的高分子有机保护膜耐腐蚀性能优于碱性发黑膜和其它常温发黑膜。 5、能代替传统的碱性煮黑工艺，消除污染，排除了亚硝酸钠等有害物质，安全可靠。 6、降低成本、节约能源、增加利润、提高生产率。 ■技术成果 本项目完成后，为标准件、铁路弹条扣件、垫板等的高性能复合保护膜的生产提供可靠的发黑液配方、工艺路线、技术参数。发表论文1-2篇。 ■作品创新特点 利用回火余热，发黑液为水溶性，膜层为高分子复合材料，防护性能高。环保、节水、节电，无排放，属洁净生产技术。 ■推广及应用 钢铁发黑剂可利用工件本身的回火余热发黑，有其独特优越性钢铁发黑剂所形成的保护膜不仅不受合金元素的影响，且适应性好。经处理过的钢件可减少由环境作用而产生的变质及破坏，绿色环保充分利用能源节约能源减少了对环境的损害，减少经济损失促进了国民经济的可持续发展。低碳排放符合我国所走的可持续发展道路，在消除污染方面为人类做出贡献，具有很大的现实意义和经济意义。 发黑溶液具有稳定性，防腐性强，发黑后工件沉积层与集体结合力有优异的牢固度。可广泛应用于铸件、各种碳钢及合金钢的机械零件、弹簧类零件、标准件、铁路弹条扣件等各种钢铁件和高频局部淬火等的热处理工艺后的回火发黑。 ■检测数据 1、在5%的盐酸溶液中浸泡3天而不起皮，腐蚀点小于1个/平方厘米。在5%氢氧化钠水溶液中浸泡10天无异样。在5%的氯化钠溶液中浸泡20天而不起皮，腐蚀点小于1个/平方厘米。 2、高温350℃短时间不会变性起皮。 3、有机物降解据以往经验推算8年左右。 4、正常条件下使用寿命可长达五年。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的和基本思路： 世界钢产量约有十分之一损耗于腐蚀、锈蚀。腐蚀对我国造成的经济损失每年至少在400亿元以上。弹簧、标准件、铁路弹条扣件等表面的防腐、装饰急需提档升级，而目前普遍应用的碱性煮黑等工艺对人体有害、对环境污染严重，质量不稳定。节约资源、保护环境、可持续发展是我国发展经济急需解决的关键问题。 目前还没有合适的既对环境无污染又节水、节电、防腐蚀性能高的清洁生产技术。所以针对防腐发黑液进行了技术的研究和应用开发。 技术关键和主要技术指标： 钢铁发黑保护膜的制备是利用钢铁件本身的余热进行成膜的。具体方法是首先将工件加热到160℃—600℃，保温使工件热透，取出工件浸入含环氧树脂、固化剂、着色剂、分散剂等的水溶液中，保持10——30秒，取出水冷，最终获得的有机高分子树脂保护膜具有非常高的耐酸耐碱性。 创新点： 该技术、产品可以单独使用，也可以复合使用来满足不同要求。 钢铁发黑剂是在发黑剂与金属接触的瞬间先进行金属表面清洗，同时利用工件上存在的回火余热使发黑剂中的有机化合物成膜材料反应沉积在金属表面而形成一层含有着色物质的高分子材料的保护膜，通过该有机物包腹膜的附着和封闭作用起到有效的防腐防锈作用。 该技术把金属的防腐蚀与材料（金属、有机高分子等）、工艺、洁净生产等有机结合在一起，制备的保护膜兼顾美观和性能。 利用回火余热，发黑液为水溶性，膜层为高分子复合材料，防护性能高。环保、节水、节电，无排放，属洁净生产技术。
科学性、先进性
- 1、为了防止钢铁零件的腐蚀生锈 ，增加零件表面的美观，传统方法一直延用低温碱性煮黑工艺，此工艺若干年来虽然应用广泛，但存在操作繁琐，劳动强度大、生产成本高、环境污染严重等缺点。钢铁发黑剂是在发黑剂与金属接触的瞬间先进行金属表面清洗，同时利用工件上存在的回火余热使发黑剂中的有机化合物成膜材料反应沉积在金属表面而形成一层含有着色物质的高分子材料的保护膜，通过该有机物包腹膜的附着和封闭作用起到有效的防腐防锈作用。使用简便、着色容易、与热处理工艺形成连续性作业，使回火发黑一次完成质量稳定。 降低成本、节约能源、增加利润、提高生产率。 2、在5%的盐酸溶液中浸泡3天而不起皮，腐蚀点小于1个/平方厘米。在5%氢氧化钠水溶液中浸泡10天无异样。在5%的氯化钠溶液中浸泡20天而不起皮，腐蚀点小于1个/平方厘米。 高温350℃短时间不会变性起皮。 有机物降解据以往经验推算8年左右。 正常条件下使用寿命大概可长达五年。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 合作或一次性转让
作品可展示的形式
- 实物
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1、被处理工件加热恒温后陆续掉入发黑液中5—20秒，带出干燥即可。 2、在使用过程中，如因溶液温度偏高而产生液面飘浮物，应定期除去。 3、稀释发黑剂的水，宜用自来水或高品质水，勿使酸、碱、盐、油等物混入液中。 4、使用简便、着色容易、与热处理工艺形成连续性作业，使回火发黑一次完成，质量稳定。 5、水溶性乳化液操作，无火害危险。 6、一般情况下发黑前不必酸洗，发黑后不需冲洗，无废水排放。 7、形成的高分子有机保护膜耐腐蚀性能优于碱性发黑膜和其它常温发黑膜。 8、能代替传统的碱性煮黑工艺，消除污染，排除了亚硝酸钠等有害物质，安全可靠。 9、降低成本、节约能源、增加利润、提高生产率。 可广泛应用于铸件、各种碳钢及合金钢的机械零件、弹簧类零件、标准件、铁路弹条扣件等。由于同类产品的急需换代升级，本品污染小、实用性强、成本底的特点，将会获得广阔市场。
同类课题研究水平概述
- 据文献和研究结果表明：钢铁常温无毒发黑的研究起步晚,目前虽有一定的成效,但因该类工艺或多或少与硒系常温发黑工艺同样存在着“对发黑件前处理要求苛刻、发黑膜无光泽、膜结合力不好、耐蚀性差、发黑液不稳定、难以维护，等问题,尚未大量应用和推广。 对几种不同类型无毒发黑配方的研究测试,不同体系的配方有着各自的特点,在膜层性能、发黑处理工艺上体现出不同的优势与不足: (1) 钼系发黑液 该系发黑膜一般耐蚀性都很强,黑色度好,但附着力、光泽度稍差,膜层表面易形成细小皱裂,且黑色膜层中的含钼化合物不太稳定,氧化后深黑色膜逐渐变棕黑。以及某些含还原剂的配方的发黑液不够稳定等问题。该类配方的成本主要由钼系化合物组分含量的多少决定,应尽量减少钼酸铵等含钼组分的用量。 (2) 铜硫系发黑液 该系发黑膜耐蚀性、附着力都很强,光泽度好,但黑色度较差,呈深棕黑色,这与其成膜机理有关,一般较难改善,在处理对黑度要求不太高的材料时是一种很好的选择。该配方成本低,但发黑液不稳定,可通过调节pH 值、密封等方式稳定发黑液。 (3) 锰系发黑液 该系发黑膜有较强的耐蚀性,膜层呈深棕黑色,光泽度好,但与铜硫系发黑相比,发黑时间较长,膜层附着力较差,发黑液成本稍高。该发黑液稳定性较差。 (4) 黑磷化系 该类发黑有一步法成膜和两步成膜两种方式,它结合了发黑与磷化的优势,膜层附着力、耐蚀性强是该工艺的最大特点,且黑度高、色泽度好,通常不需要特别的后处理。但由于磷化组分的引入,使该工艺存在沉渣的问题,同时发黑液各组分的利用率下降。对两步法工艺,因步骤增加生产成本上升。 可见,各类发黑配方都有需要改善的方面,对此更应通过加强对机理的探讨、对膜层结构的分析,研究可改善成膜微观结构的方法,寻找新的成膜剂或辅助成膜剂,开发更经济、更利于环保、更实用的发黑技术。总之,钢铁无毒常温发黑工艺是一项具有显著经济和环保效益的新技术新工艺,值得积极探索和推广。
