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一、实验目的
1.了解钢铁发蓝的原理及处理方法。
2.了解铝阳极氧化的原理及处理方法。
3.了解钢铁磷化的原理及处理方法。
二、实验原理
表面处理技术是一门新兴的工业加工技术。对金属、非金属材料如塑料、陶瓷、玻璃等的表面进行物理化学处理，以改善金属与非金属的表面性能。从而大大提高了金属、非金属材料的应用范围，本实验将介绍钢铁发蓝、铝阳极氧化着色以及钢铁磷化等表面处理技术的一般原理和方法。
1.钢铁发蓝处理
利用氧化还原反应使钢铁的表面形成一层致密的氧化膜。由于形成的氧化膜通常呈黑色或蓝黑色，因此钢铁的氧化处理又称为发蓝。钢铁的发蓝处理不影响钢铁零件的精密度，但却可以提高钢铁零件的耐腐蚀性。
钢铁的发蓝处理通常采用碱性氧化法。碱性氧化法是在一定温度下，在含有氧化剂(NaNO3或NaNO2)的氢氧化钠溶液中进行。氧化剂和NaOH与金属铁作用生成亚铁酸钠(Na2FeO2)和铁酸钠(NaFeO2)，后二者再相互作用生成磁性氧化铁,反应方程式如下：
3Fe+NaNO2+5NaOH=3Na2FeO+H2O+NH3
6Na2FeO2+NaNO2+5H20=6NaFeO2+7NaOH+NH3
Na2FeO2+2NaFeO2+2H2O=Fe3O4↓+4NaOH
2.铁磷化处理
钢铁零件在含有锰、铁、锌的磷酸盐溶液中进行处理，使其表面生成一层难溶的磷酸盐防护膜的方法，称为磷化。
磷化膜的颜色随着基体材料及磷化工艺的不同可以由暗灰到黑灰，其厚度一般为5～20μm。磷化膜的主要成分是磷酸盐(Me3(PO4)2)和磷酸氢盐(MeHPO4)。
磷化膜在大气条件下较稳定，抗蚀能力是发蓝膜的2～10倍，具有较高的电绝缘性和润滑性，由于磷化膜对油类，漆类有良好的吸附能力，被广泛用作油漆的底层。
磷酸盐溶液中存在如下平衡
3Me(H2PO4)2=Me3(PO4)2+4H3PO4
式中Me代表Mn、Fe、Zn离子。经表面处理后的钢铁零件在磷化液中发生如下反应：
Fe+2H3PO4=Fe(H2PO4)2+H2↑
Fe+Fe(H2PO4)2=2FeHPO4+H2↑
Fe+2FeHPO4=Fe3(PO4)2 +H2↑
Me(H2PO4)2+2Fe=Me(FePO4)2+H2↑
生成的不溶性磷酸盐结晶沉积在金属表面。在磷化液中，硝酸盐作为催化剂，可以加速上述反应进行。
3.铝的阳极氧化色
将铝及铝合金置于适当的电解液中作为阳极进行通电处理，此过程称为阳极氧化。经过阳极氧化，铝表面能生成几十至几百微米的氧化膜。这层氧化膜的防腐性，耐磨性以及装饰性(新生成的氧化膜可以用有机或无机着色剂使铝的表面着色)等比原来的金属都有明显的改善与提高。
在铝的阳极氧化的工艺过程中，铅作为阴极，铝作为阳极，一定浓度的H2SO4溶液作为电解液，电解氧化过程发生的反应是
阴极2H++2e=
H2↑
阳极2OH－-2e=[O]+H2O
3[O]+2Al=Al2O3
在氧化过程中，由于生成Al2O3可以溶解于H2SO4溶液中，因此，要在铝表面形成致密的氧化膜必须使Al2O3的生成速度大于Al2O3的溶解速度。
铝的阳极氧化着色技术广泛应用于铝材加工，装饰材料，飞机、汽车及精密仪器零件制备上。
三、仪器与药品
直流稳压电源(15V)；直流伏特计(0～30V)；直流电流计(0～500mA)；滑线电阻；温度计；水浴；镊子，试管，表面皿；蒸发皿，烧杯；铅电极(铅棒)；铝片(作电极)；铁钉；电吹风(或烘箱)
H2SO4
15％(5mol·dm－3)；HNO3 10％；NaOH(2 mol·dm－3)；苯；无水乙醇；脱脂棉，砂纸，钢片发蓝液(36g NaOH+14g NaNO2+50g H2O)；变压器油；
无机着色液：
染出颜色 1号
2号
蓝或天蓝
1％亚铁氰化钾 10％氯化铁
橙黄色
10％铬酸钾
10％硝酸银
氧化膜质量检验液：(3g K2Cr2O7+25cm3 HCl(浓)+75 cm3 H2O)；
化学除油液(磷化用)：NaOH(60～100g·dm－3)；Na2CO3(30～60g·dm－3)
Na3PO4(40～50s·dm－3)；水玻璃(10～20g·dm－3)
硫酸洗液(磷化用)：H2SO4(180～240g·dm－3)
铬酸除渣液(磷化用)：CrO3(200～250g·dna－3)；NaCl(10～20g·dm－3 )，H2SO4(10～30g·
dm－3)
弱腐蚀液(磷化用)：HCl(120～180s·dm－3)
中和液(磷化用)：Na2CO3(15～30g·dm－3 )；肥皂(5～10g·dm－3”)
磷化液：磷酸锰铁盐(马日夫盐)(30～40g·dm－3)；Zn(NO3)2(70～100g·dm－3)；Mn(NO3)2
(25～4.0S·dm－3)
补充处理液：K2Cr2O7(30～50g·dm－3 )；Na2CO3(2~4g·dm－3 )
检验液(磷化用)CuSO4(0.25mol·dm－3)40cm3；NaCl(10％)20cm3，HCl(0.1mol·dm－3)0.8 cm3
四、实验内容
取两枚铁钉，用砂纸除锈后，放入加热至70℃左右的2mol·dm－3 NaOH溶液的试管中，约5min拿出用水冲洗干净，将其中的一枚铁钉放人蒸发皿中，加入少量发蓝液，盖上表面皿，加热至沸后，再使续加热3min，取出，水洗并与未经处理的铁钉比较，用少许变压器油浸泡已经发蓝处理的铁钉。
2.磷化
(1)准备工作：用砂纸磨掉钢铁件表面的铁锈，用自来水冲洗后，在85℃的化学除油液浸泡10min，用高于85℃的热水及冷水依次冲洗工件，在高于70℃的H2SO4酸洗液洗5min，冷水冲洗。在铬酸除渣液中浸2～4min，冷水洗，于弱腐蚀液中浸2～4min冷水冲洗。工件再放入中和液中(40～60℃)中浸泡1~2min，用冷水冲洗干净。
(2)磷化将磷化液加热至60～70℃，再将待磷化工件浸泡其中约7～15min，取出，依次用冷水和高于80℃的热水冲洗。
(3)补充处理，在加热至80℃的补充液中浸泡10～15min，取出，依次用冷水和热水洗净，烘干。
(4)抗腐蚀性能检验，用脱脂棉蘸上酒精后，擦试磷化后的工件，待工件表面酒精挥发后，在工件表面滴加数滴检验液，同时计时，记录检验液由蓝色变成土黄或土红色的时间，即为磷化膜抗蚀能力，一般以1min为合格。
(5)磷化膜的退除，当磷化工件的抗蚀能力小于lmin时，为不合格工件，这时应将磷化层退除，重新磷化，其操作是，将不合格工件在酸洗液中浸泡1～1.5min，经水洗及中和处理后再重新进行磷化。
3.铝的阳极氧化着色
(1)铝片的预处理，取出一定大小的铝片，依次用苯，酒精擦洗铝片的表面，以除去其表面的油污，然后用水冲洗(除油后，不能再用手触摸铝片的表面)。将除油后的铝片浸入60～70℃的2mol·dm-3的NaOH溶液中，约l min取出用水冲洗干净，再用10％ HNO3对铝中进行化学抛光10min，水洗，置于水中待用。
(2)阳极氧化，以铅为阴极，铝片为阳极，15％的H2SO4溶液为电解液，按照右图连接电解装置，调节滑线电阻。使电流密度保持在15～20mA·cm-3之间，电压为15V左右，电解40min，电解完毕后取出铝片，用水冲洗，浸泡在水中，并在30min内着色。
(3)氧化膜质量检查，从中中取出铝片，吸干表面的水，分别在已氧化和未氧化的之处各滴一滴氧化膜质量检验液，检查氧化膜质量。
(4)着色，经阳极氧化的铝片可以用无机化合物(或有机染料)着色
用无机物着色处理的步骤如下，室温下先将铝片在1号着色液中浸泡5～10min，取出，用水洗净，然后再放入2号着色液中浸泡5～10min，取出，用水洗净。
(5)封闭将已着色的铝片干燥后，放在水蒸汽中封闭处理20～30min，即可得到更加致密的氧化膜。
五、预见要求
1.了解钢铁发蓝，铝阳极氧化，着色和钢铁磷化的工艺过程及相应的原理。
2.进一步熟悉电解装置。
六、思考题
（1）简述钢铁发蓝的基本原理和应用。
（2）简述铝阳极氧化的基本原理和用途。
（3）如何评价铝阳极氧化膜的质量，写出相应的化学反应式。
（4）钢铁磷化在工业上有何用途，简述磷化的基本工艺过程。
（5）简述钢铁发蓝和磷化异同点。
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