سیاه کاری (اکسید مشکی) بر خلاف هر نوع پوشش دیگری است. هیچ فرآیند دیگری همان پرداخت و ترکیبی از خواص را با هزینه کمتر تولید نمی کند. اکسید سیاه دارای خواص و ویژگی های خاصی است که آن را برای کاربردهای خاص ایده آل می کند.

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 این رو، 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(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.

انواع پوشش های سیاه کاری مطابق با استاندارد نظامی MIL-DTL-13924D

مطابق با استاندارد فوق، پوشش های سیاه کاری به 4 نوع زیر تقسیم می شوند:

نوع1: فرایند اکسیداسیون قلیایی(برای آهن خام، چدن های مالیبل، فولاد ساده کربنی و کم آلیاژ)

نوع2: فرایند اکسیداسیون قلیایی کروماتی(مخصوص فولادهای آلیاژی مقاوم به خوردگی که دمای تمپر آنها کمتر از 482⁰C است)

نوع3: فرایند اکسیداسیون نمک مذاب(مخصوص فولادهای آلیاژی مقاوم به خوردگی با دمای تمپر بیشتر از 482⁰C)

نوع4: فرایند اکسیداسیون قلیایی( برای سایر فولادهای آلیاژی مقاوم به خوردگی)

عیوب سیاه کاری فولادهای کم آلیاژ

– تشکیل اکسید قرمز رنگ ضعیف و بدون چسبندگی که با پاک کردن برطرف می شود.

علل ایجاد و راه حل آنها:

  • باقی ماندن پوسته یا رسوبات ضعیف و سست مرحله عملیات حرارتی بر روی قطعه
  • زمان طولانی جابجایی یا حمل و نقل قطعات به خط پوشش دهی
  • به دلیل وجود مقادیر زیاد آهن کلوییدی به رکتیفایر نیاز دارد
  • بالا بودن بیش از حد دما
  • خشک شدن محلول بر روی قطعه

– اکسید قرمز رنگی که از روی قطعه پاک نمی شود.

علل ایجاد و راه حل آنها:

  • زمان طولانی جابجایی یا حمل و نقل قطعات به خط پوشش دهی
  • بالا بودن بیش از حد دما
  • باقی ماندن پوسته یا رسوبات ضعیف و سست مرحله عملیات حرارتی بر روی قطعه
  • آلیاژهای با مقادیر بالای Si(>3%)
  • آلیاژهای پر کربن(>1%)

– قطعه قرمز رنگ شده است.

علل ایجاد و راه حل آنها:

  • مشکلات گالوانیکی
  • آلیاژهای با کروم زیاد
  • زمان غوطه وری طولانی تر شود
  • بالا بودن بیش از حد دما

– زمینه قهوه ای

علل ایجاد و راه حل آنها:

  • پایین بودن دمای حمام
  • نمک سیاه کاری اضافه نمایید
  • دما را تا حد جوشش محلول افزایش دهید
  • وجود زنگ پیش از فرایند سیاه کاری

– عدم یکنواختی پوشش سیاه(خال خال بودن)

علل ایجاد و راه حل آنها:

  • تمیزکاری نامناسب
  • هم زدن محلول را افزایش دهید
  • کافی نبودن ماده تمیز کننده
  • زمان طولانی جابجایی یا حمل و نقل قطعات به خط پوشش دهی

– سیاه لک دار(از روی قطعه پاک می شود)

علل ایجاد و راه حل آنها:

  • وجود کربن بر روی سطح
  • وجود زنگ یا لکه های سیاه بر روی سطح پیش از سیاه کاری
  • طولانی بودن بیش از حد زمان اسید شویی
  • ارجاع قطعات به مرحله تمیزکاری جهت زنگ برداری 

– عدم سیاه شدن قطعه

علل ایجاد و راه حل آنها:

  • آلودگی کروم یا سایر فلزات
  • تهی شدن محلول از ماده اکسید کننده

عیوب سیاه کاری فولادهای زنگ نزن

– عدم سیاه شدن قطعه

علل ایجاد و راه حل آنها:

  • سیم یا سبد را از جنس فولاد نرم قرار دهید.
  • عدم فعال بودن سطح فولاد
  • زمان اسید شویی را افزایش دهید
  • اسید شویی ضعیف
  • تخریب حمام سیاه کاری بواسطه گرم شدن بیش از حد
  • پوسته نرم- نیاز به پسیو سازی دارد

– سیاه لک دار

علل ایجاد و راه حل آنها:

  • طولانی بودن زمان اسید شویی
  • فعال شدن بیش از حد سطح
  • لجن کف حمام فیلتر شود
  • سطح حمام باید تمیز شود
  • قطعات باید پسیو شوند
  • بالا بودن دمای حمام 

– پوشش لکه لکه و غیر یکنواخت

علل ایجاد و راه حل آنها:

  • تمیزکاری نامناسب
  • قطعات را آبکشی نمایید
  • ضعیف بودن فرایند نهایی خط پوشش
  • باید به حمام فولاد نرم اضافه شود.

تست های کنترل کیفی قطعات سیاه کاری

  • بازرسی چشمی: پوشش سیاه کاری باید ظاهری یکنواخت داشته باشد. کل سطح قطعه را پوشانده باشد و رنگ سیاه ایجاد شده کاملا یکنواخت باشد. هیچگونه اثری از خوردگی حفره ای، خوردگی های بین دانه ای یا اچ شدگی نباید مشاهده شود. لازم به ذکر است که پوشش سیاه کاری صافی سطحی نظیر فرایندهای رنگ کاری و آبکاری را ایجاد نمی کند. خراش های پیش از پوشش دهی، علایم ابزارآلات، حفرات، خطوط علامت گذاری و پانچ، و سایر عیوب سطحی نیز بعد از این فرایند بر روی سطح باقی می مانند.
  • تست لک کردن یا دوده ای شدن سطح پوشش(Smut Test): پسماند تیره رنگ پودری شکلی که با کشیدن دست بر روی قطعات سیاه کاری شده، بدست می چسبد. این تست باید قبل از هر گونه عملیات نهایی نظیر روغن کاری پوشش انجام شود.
  • تست رطوبت نسبی: مطابق با استاندارد ASTM D 2247، مقاومت پوشش های سیاه کاری در برابر آب در رطوبت 100% بررسی می شود.

کاربردهای سیاه کاری

پوشش های سیاه کاری کاربردهای زیادی دارند. از این نوع پوشش ها در ابزارهای ماشینکاری، گیج ها، قطعات دستگاه ها، ابزارهای برشی، ابزارهای ماشینی، قطعات ماشین، شمع های خوردو، قطعات نظامی، فنرها، بیرینگ ها، شافت موتور، رینگ پیستون، قطعات موتور، بوش ها، چرخ دنده ها، والوها، قید و بست ها، قطعات دوربین، تجهیزات اپتیکی و تجهیزات اداری استفاده می شود.

این پوشش ها برای شرایط خورنده شدید مناسب نبوده و به هیچ وجه نمی توانند جایگزین پوشش هلای فسفاته یا آبکاری شوند. مگر مواردی که مقاومت به خوردگی کمتر مورد تایید باشد.

کاربردهای خودروسازی

کاربردهای نظامی

کاربردهای صنعتی