Виды, польза и риски хромирования деталей

Свойства хрома и покрытых им предметов

Хромирование увеличивает твёрдость, долговечность и коррозионную стойкость, а также создает блестящую и гладкую поверхность, которую легче обрабатывать: мыть или чистить.

Когда требуются улучшенная износостойкость и коррозионная стойкость, трудно найти процесс лучше хромирования. Всё это означает, что детали, обработанные по данной технологии, прослужат дольше даже в условиях интенсивного механического контакта и износа, сопровождающегося фрикционным трением. Хромированная поверхность также противостоит коррозии, что делает ее пригодной для использования в суровых условиях или там, где другие гальванические материалы могут изнашиваться, подвергая металл подложки коррозионному воздействию.

Есть и другие эксплуатационные преимущества:

1. Слой хрома можно наносить практически на все металлы и сплавы, включая нержавеющую сталь, медь, латунь и др.
2. Хромирование можно производить при низких температурах внешнего воздуха – свойства подложки практически не изменяются.
3. Процесс подходит для обработки сложных и нестандартных геометрических форм, включая отверстия или пазы.
4. Обработанная хромом поверхность характеризуется отличной адгезией, что означает низкий риск отслаивания во время эксплуатации изделия.

Реагенты, применяемые для хромирования, недефицитны, но токсичны.

Виды хромирования

Процессы хромирования разнятся технологией нанесения тонкого слоя хрома на подложку (металл или сплав). Выбор вида определяется желаемой производительностью, реальными эксплуатационными условиями и безопасностью для окружающей среды.

Электролитическое хромирование

Наиболее распространённый способ, в котором для извлечения растворённого металлического хрома из ванны для нанесения покрытия и нанесения его тонким слоем на подложку, используется электрический ток. Благодаря точному составу ванны и контролю расхода тока удаётся нанести слой хрома нужной толщины. При необходимости получения более гладкой поверхности дополнительно производится шлифовка и полировка.

Гальваническое покрытие достигается пропусканием электрического тока между двумя электродами, которые погружены в ванну с электролитом, который содержит хромовую кислоту. Один из электродов будет покрываемой подложкой. Во время прохождения электричества между двумя электродами атомы хрома осаждаются слоем на покрываемом электроде.

Аноды из металлического хрома не были бы ни экономичными в производстве, ни технически нецелесообразными для ванн электролитического хромирования, поскольку они растворялись бы примерно со 100% эффективностью и, следовательно, быстро увеличивали бы содержание хрома в ваннах. Поэтому используются только нерастворимые аноды - свинцовые сплавы, содержащие 6…8% сурьмы или 4…6% олова9. Когда-то использовался исключительно первый сплав, но когда были введены катализаторы фторидного типа, выяснилось, что он довольно сильно корродирует.

Более стойким является свинцово-оловянный сплав. Он также подходит для ванн, содержащих только сульфат хромовой кислоты, как менее токсичный электролит. Сейчас свинцово-сурьмянистые сплавы в качестве обычного анодного материала практически не применяют.

В процессе электролитического хромирования аноды покрыты шоколадно-коричневой пленкой пероксида свинца PbO₂. В этих условиях они способны к повторному окислению трёхвалентного хрома (который образуется на катоде) до шестивалентного хрома. В результате устанавливается равновесия между катодным восстановлением шестивалентного хрома и его анодным окислением с результирующей концентрацией трёхвалентного хрома. Интенсивность процесса определяется относительной площадью поверхности катода и анода. Эту особенность можно использовать для повторного окисления избыточных количеств трёхвалентного хрома путем использования в качестве катода металлического лома металла с достаточно большой площадью поверхности анода.

В длительном пребывании в растворе на анодах из свинцовых сплавов постепенно формируется электроизоляционный слой свинца, на который осаживаются соли хромовой кислоты. Поэтому хромирование деталей в электролите нужно проводить непрерывно, вплоть до истощения рабочего раствора.

Диффузное хромирование

Процесс обычно выполняется при повышенных температурах в контролируемой камере.

Материалы подложки, которые покрываются чаще всего, включают:

• суперсплавы на основе кобальта и никеля;
• стали (включая углеродистые, легированные и нержавеющие);
• тугоплавкие металлы.

В результате диффузного хромирования основной металл приобретает исключительную стойкость к коррозии, окислению и эрозии в тяжелых условиях эксплуатации. Это делает процесс очень надёжным. Поэтому данный способ обычно используется для обработки компонентов газотурбинных двигателей (лопастей, лопаток и корпусов), рабочих колёс насосов, задвижек и других деталей энергетических установок.

Процесс часто называют поверхностным легированием, хотя на уровне микроструктурных изменений это не так, ибо хром создаёт интерметаллидные соединения и карбиды лишь в хромсодержащих сталях.

Основной технологией хромирования является диффузия в жидком состоянии. Процесс ведётся в баковых печах, где диффундирующий металл взаимодействует с поверхностью основного металла при температуре от 800°C до 1300°C. Возможности метода позволяют получать сложные диффузионные покрытия - калоризацию хрома, хромоникелевые слои и пр.

Вакуумное хромирование

Многие люди совершают ошибку, полагая, полагая, что хромирование пригодно лишь для продукции, изготовленной из металла. Между тем при хромировании в вакууме различных пластиковых предметов удаётся добиться такой же гладкости и точности обработки, как общепринятых способах твёрдого хромирования.

Хромирование пластиковой продукции с применение вакуумной технологии производится по следующей технологии:

1. Сначала деталь покрывается слоем никелевой меди, что обеспечивает нужные показатели электропроводности.
2. Далее изделие погружается в раствор протравливающей жидкости, обычно эта смесь включает в себя высококонцентрированную серную и хромовую кислоты. В результате на поверхности образуются многочисленные микроскопические отверстия, где и будет находиться металлическое покрытие.
3. На этапе нейтрализации происходит удаление остатков кислот, которые могут способствовать разъеданию пластика.
4. На поверхность пластмассовой детали наносится каталитическую пленка. Это готовит поверхность к вакуумному хромированию.
5. Из вакуумной камеры, куда помещают заготовку, откачивается воздух, и туда вводятся высокотемпературные пары хрома, атомы которого равномерно оседают на поверхность.

Охлаждение хромированной детали производится естественным путём или под струёй воздуха комнатной температуры.

Химическое хромирование

Наиболее доступный способ обработки, используемый преимущественно в декоративных целях. Суспензия соли хромовой кислоты наносится как тонкий (0,25…0,8 мкм) слой поверх основного металла, создавая экономичное и высококоррозийное покрытие. В большинстве случаев используются химические соединения шестивалентного хрома, однако более предпочтительными считаются соли трехвалентного хрома. Нанесение выполняется кистью, после чего изделие тщательно (в течение суток) высушивается при положительной температуре и нормальной влажности.

Хромирование металла таким способом характерно для бытового применения.

Гидрофобизация

Гидрофобизация - это процесс образования водоотталкивающего слоя хрома на материале. Важно, чтобы материал был пористым и впитывал гидрофобизатор. Он бесцветен и не имеет специфического запаха. Покрытие можно наносить распылением или, в случае небольших объектов, окунанием. Незначительной проблемой может быть различная окраска обработанного материала, который контактировал с водой, однако во время высыхания эта проблема исчезает. Продолжительность действия гидрофобизирующего агента различна для отдельных материалов, но обычно, когда используются высококачественные растворы, это десятилетия.

Возможные риски и их устранение

К сожалению, с хромированием есть несколько проблем: процесс вреден для окружающей среды, использует ванны с токсичными кислотами и может вызвать различные заболевания. Серьёзной проблемой является загрязнение окружающей среды, поскольку побочные продукты хромирования являются опасными веществами. Наиболее безопасным считается вакуумное и диффузное хромирование.

Основные риски технологии:

• Шестивалентный хром является известным канцерогеном.
• В процессе нанесения покрытия часто используется свинец, который может всасываться через кожу и вызывать повреждение печени, органов и головного мозга.
• В процессе хромирования используются очень токсичные цианиды, которые смертельны для человека.
• Кадмий, входящий в состав рабочих жидкостей, может вызвать рак, почечную и легочную недостаточность.

Негативное воздействие на окружающую среду оказывает и сам хром: он может вызвать развитие рака у людей, а также способствовать почечной и лёгочной недостаточности, повреждениям мозга и печени.

Необходимо изолировать промышленные производства, где используют хромирование, а также развивать наиболее безопасные его технологии – вакуумное и диффузное. Следует помнить и о том, что соединения трёхвалентного хрома намного менее токсичны, чем шестивалентного.