سیاه کاری،Black Oxide Processes

اکسید سیاه بر روی آلیاژهای آهنی را می توان با استفاده از حمام نمک مذاب در دمای حدود 315⁰C یا بالاتر، محلول سیاه کاری سرد در دمای محیط و یا محلول قلیایی پایه آب جوشان در دما 135-148⁰C بدست آورد.

 کنترل حمام های مذاب در دماهای بالا بسیار مشکل است و از اینرو پوشش حاصل رنگی یکنواخت نخواهد داشت. محلول های سرد نیز اغلب بجای رنگ سیاه، رنگ خاکستری ایجاد می کنند و پوشش حاصل از این نوع حمام ها دوام  زیادی نخواهد داشت. از اینرو، از فرایندهای سیاه کاری سرد نمی توان پوشش اکسیدی با رنگ سیاه خالص و یکدست بدست آورد. این پوشش ها اغلب حاوی ترکیبی از مس و سلنیم بوده و بسیاری از مشخصه های فنی و استانداردهای بخش های خودرو سازی و نظامی را تامین می کنند. محلول های قلیایی جوشان بر پایه آب متداول ترین روش سیاه کاری می باشند. پوشش حاصل از این روش رنگ سیاه قوی تر و یکنواخت تری را ایجاد می کند.

پوشش اکسید سیاه اغلب برای فولادهای کربنی، فولادهای آلیاژی، فولادهای ابزار و قالب سازی و چدن ها بکار می رود. فولادهای زنگ نزن و آلیاژهای مسی را نیز می توان سیاه کاری نمود.

پوشش سیاه کاری فولاد از مگنتیت(اکسید آهن سه ظرفیتی)تشکیل می شود که نتیجه اکسیداسیون آهن و اکسیژن هوا  یا یون های اکسید کننده موجود در محلول های پایه آب یا نمک های مذاب است.

فرایند سیاه کاری در محلول قلیایی داغ

فرایند قلیایی داغ سبب تشکیل پوشش اکسیدی بر روی سطح قطعه غوطه ور در محلول قلیایی در حال جوش(135-148⁰C)حاوی نمک های اکسید کننده می شود. درجه حرارت جوشیدن بر پایه مقدار نمک های حمام تعیین می شود. در دماهای بالاتر از 148⁰C، اکسید ایجاد شده به قرمز تغییر رنگ داده و زنگ می زند. دماهای پایین تر از 135⁰C، که نشاندهنده غلظت پایین نمک های موجود در حمام است، سبب کاهش سرعت فرایند می شود. درجه حرارت جوش با افزودن نمک های مصرفی(افزایش دما)یا رقیق کردن محلول(کاهش دما)تنظیم می شود.

نمونه هایی از ترکیب شیمیایی محلول های قلیایی داغ

• سود یا هیدروکسید سدیم(600-700 g/l)+ نیتریت سدیم(200-250 g/l)
• سود(600-700 g/l)+ نیترات سدیم(250-400 g/l9
• سود(500 g/l)+ نیترات سدیم(500 g/l)
• سود(650-750 g/l)+ نیترات سدیم(100 g/l)+ نیتریت سدیم(100 g/l)
• پتاس یا هیدروکسید پتاسیم(1000-1200 g/l)+ نیترات پتاسیم(150-250 g/l)

مراحل فرایند قلیایی داغ

• تمیزکاری: قطعات به روش مکانیکی تمیز شده و در داخل محلول قلیایی چربی زدایی می شوند.
• شستشوی آب
• اسید شویی(تمیزکاری اسیدی): لایه های اکسیدی و زنگ ها موجود بر روی سطح در داخل اسید حل می شوند.
• شستشوی آب
• حمام سیاه کاری قلیایی داغ: قطعات به مدت 5-40 min در داخل حمام غوطه ور می شوند.
• شستشوی با جریان پرفشار آب
• خشک کردن
• عملیات نهایی: سطح لایه اکسیدی با روغن، واکس یا لاک آب بند می شود. این مرحله علاوه بر افزایش زیبایی و جلای ظاهری، باعث افزایش مقاومت به خوردگی و بهبود خواص روانکاری لایه اکسیدی نیز می شود. روغن های موجود از نوع حلال در آب یا جایگزین شونده آب بوده و لایه ضخیمی از روغن را بر روی سطح سیاه شده ایجاد می کنند. علاوه بر روغن می توان از واکس ها یا رزین های اکریلیکی شفاف استفاده نمود. البته این به شرطی است که در استاندارد استفاده از روغن قید نشده باشد.

 فرایند سیاه کاری سرد

در این فرایند یک پوشش سیاه غیر تبدیلی از محلول های اسید فسفریک حاوی ترکیبات سلنیم و مس بدست می آید. پوشش سیاه حاصل به واقع یک اکسید نیست. این پوشش نرم تر از پوشش های اکسیدی سیاه می باشد. رنگ پوشش های سرد پایدار نبوده و با مالش از روی سطح پاک می شود. روش سرد به عنوان جایگزینی ساده و کم خطر تر از محلول های قلیایی جوشان بکار می رود.

فرایند سیاه کاری در نمک مذاب

پروسه نمک مذاب شامل نمک های اکسید کننده مذاب است. اکسیژن حاصل از این نمک ها با اتم های آهن واکنش داده و لایه اکسید را ایجاد می کنند.

مخلوطی از نیترات و نیتریت سدیم به مقدار مساوی برای آماده سازی حمام های مذاب استفاده می شود. نقطه ذوب چنین ترکیب یوتکتیکی در حدود 250⁰C می باشد. محدوده دمایی حمام های مذاب 288-343 ⁰C می باشد. در مورد فولادهای زنگ نزن از دماهای بالاتر حدود 482⁰C استفاده می شود. 

مزایای سیاه کاری

• مقاومت خوردگی: افزایش عمر کاری و مدت زمان انبارداری قطعات
• مقاومت به سایش و داوم: پوشش های تبدیلی سخت در برابر پوسته شدن، ترک خوردن، سایش و خراش مقاومت خوبی دارند.
• ضد چسبندگی اصطکاکی: در مواردی که نیاز به تماس قطعات می باشد، سطوح مانع چسبندگی، لایه روانکار پوشش سیاه را در حین تماس و سایش فدا نموده و سطح قطعه را سالم نگه می دارند.
• روانکاری: عملیات های نهایی پایه روغن که بعد از فرایند سیاه کاری مرسوم می باشد، علاوه بر حفاظت سطح در برابر خوردگی، سطوح در تماس با هم را صاف تر می سازند.
• پایداری ابعادی: فرایندهای سیاه کاری اساسا سبب تغییرات ابعادی(ضخامت لایه پوشش در حد 3-2 میکرون است)نمی شوند که به این معنی است که سطوح سیاه کاری شده خواص سطحی خود را حفظ می کنند. سطوح پولیش شده جلا و پرداخت سطحی، و قطعات عملیات حرارتی شده سختی سطحی خود را حفظ می کنند. از این روش می توان برای پوشش دهی نهایی قطعات با ابعاد بحرانی و تلرانس های ابعادی بسیار اندک استفاده نمود.
• زیبایی ظاهری پوشش: این فرایند سبب ایجاد رنگ سیاه زیبا و تزیینی بر روی سطح قطعه شده و کیفیت سطحی ان را افزایش می دهد.
• کاهش براقیت قطعه: این فرایند براقیت قطعه را کاهش می دهد.
• جنبه های اقتصادی و بازدهی: فرایند سیاه کاری سبب صرفه جویی در زمان و هزینه در مقایسه با فرایندهای آبکاری و رنگ کاری می شود. این فرایند، روشی ساده و بصرفه برای تامین مقاومت خوردگی قطعات آهنی و فولادی است.
• آماده سازی سطحی: جهت بهبود چسبندگی رنگ و لاک های نهایی می توان از این پوشش به عنوان زیرلایه استفاده نمود.
• رسانایی: سیاه کاری، پوششی مناسب برای قطعات الکتریکی است، زیرا فقط در حدود 1% رسانایی قطعه بعد از اعمال این پوشش کاهش می یابد.
• مقاوم به تغییر رنگ در دماهای زیاد: پوشش اکسیدی قادر به تحمل درجه حرارتی بالغ بر 482⁰C پیش از تغییر رنگ می باشد.
• عدم تولید بخارات سمی در حین جوشکاری: بر خلاف قطعات رنگ یا آبکاری شده، قطعات سیاه کاری شده هیچگونه بخار سمی در هنگام جوشکاری تولید نمی کنند.
• فرایند عاری از تردی: فرایند های نرمال سیاه کاری سبب تردی هیدروژنی نظیر برخی فرایندهای آبکاری و رنگ کاری نمی شوند. این مطلب برای تمام قطعات به غیر قطعات با سختی 55 راکول یا بیشتر و نیز فنرهای بسیار نازک که به شدت به تردی قلیایی حساس می باشند، درست می باشد. این مشکل را می توان با کنترل زمان فرایند سیاه کاری به حداقل رساند.
• دوستدار محیط زیست: بطور معمول هیچ یون فلزی در آب شستشو وجود ندارد که نیازمند عملیات های تصفیه و. باشد. ولی استفاده از سبدها یا بارل هایی از جنس فولاد زنگ نزن نیازمند مراقبت بیشتر در خصوص غلظت کروم پساب می باشند. تنها محصول جانبی واکنش سیاه کاری، محصول بی ضرر کربنات سدیم است. مقداری از هیدروکسید سدیم نیز از طریق وان های سیاه کاری و تمیزکاری به وان های شستشو انتقال می یابد، ولی اسیدیته نهایی معمولا در محدوده مورد تایید قرار دارد. در غیراینصورت، اسدیته محلول را با اسید رقیق کاهش می دهیم.