Хромирование (реже хромирование ) - это метод гальванического нанесения тонкого слоя хрома на металлический объект. Последующий продукт хромирования называется хромом . Хромированный слой может быть декоративным, обеспечивать коррозионную стойкость, облегчать процедуру очистки или повышать твердость поверхности. Иногда в эстетических целях может использоваться менее дорогой имитатор хрома.
Процесс [ править ]
Хромирование компонента обычно включает следующие этапы:
- Обезжиривание для удаления сильных загрязнений
- Ручная очистка для удаления всех остаточных следов грязи и поверхностных загрязнений
- Различные виды предварительной обработки в зависимости от основания
- Помещение в ванну для хромирования, где дают нагреться до температуры раствора.
- Подача тока покрытия в течение необходимого времени для достижения желаемой толщины.
Есть много вариантов этого процесса, в зависимости от типа покрываемой подложки. Для разных подложек требуются разные растворы для травления, такие как соляная , фтористоводородная и серная кислоты . Хлорид железа также популярен для травления нимоновых сплавов. Иногда компонент попадает в ванну для хромирования, находясь под напряжением. Иногда компонент имеет соответствующий анод, сделанный из свинца / олова или платинированного титана. Типичные жесткие хромированные чаны со скоростью около 1 мил (25 мкм) в час.
При подготовке деталей к декоративному хромированию используются различные процессы отделки и полировки . Химические вещества для хромирования очень токсичны. Утилизация химикатов регулируется в большинстве стран.
Некоторые общие отраслевые спецификации, регулирующие процесс хромирования: AMS 2460, AMS 2406 и MIL-STD-1501.
Шестивалентный хром [ править ]
Для покрытия шестивалентным хромом , также известного как гексавалентный хром , Cr 6+ и хром (VI) ,в качестве основного ингредиентаиспользуется триоксид хрома (также известный как хромовый ангидрид). Раствор для покрытия шестивалентным хромом используется для декоративного и твердого покрытия, а также для блестящего погружения медных сплавов, анодирования хромовой кислотой и конверсионного хроматного покрытия . [1]
Типичный процесс покрытия шестивалентным хромом представляет собой: (1) ванна активации, (2) ванна хрома, (3) промывка и (4) ополаскивание. Активационная ванна обычно представляет собой резервуар с хромовой кислотой, через который проходит обратный ток. Это протравливает поверхность детали и удаляет окалину . В некоторых случаях этап активации выполняется в ванне с хромом. Хромовая ванна представляет собой смесь триоксида хрома (CrO 3 ) и серной кислоты ( сульфат , SO 4 ), соотношение которых сильно варьируется от 75: 1 до 250: 1 по весу. В результате получается очень кислая ванна (pH 0). Температура и плотность токав ванне влияет на яркость и окончательное покрытие. Для декоративного покрытия температура составляет от 35 до 45 ° C (от 100 до 110 ° F), а для твердого покрытия - от 50 до 65 ° C (от 120 до 150 ° F). Температура также зависит от плотности тока, потому что для более высокой плотности тока требуется более высокая температура. Наконец, всю ванну перемешивают для поддержания постоянной температуры и достижения равномерного осаждения. [1]
Недостатки [ править ]
Одним из функциональных недостатков шестивалентного хромирования является низкая эффективность катода, что приводит к плохой рассеивающей способности . Это означает, что он оставляет неоднородное покрытие с большим количеством краев и меньшим количеством внутренних углов и отверстий. Чтобы решить эту проблему, на деталь можно нанести избыточное покрытие и отшлифовать ее до нужного размера, либо можно использовать вспомогательные аноды вокруг участков, которые трудно покрыть пластиной. [1]
С точки зрения здоровья шестивалентный хром является наиболее токсичной формой хрома. В США это строго регулирует Агентство по охране окружающей среды . EPA перечисляет шестивалентный хром как опасный загрязнитель воздуха, поскольку он является канцерогеном для человека , «приоритетным загрязнителем» в соответствии с Законом о чистой воде и «опасным компонентом» в соответствии с Законом о сохранении и восстановлении ресурсов . Из-за низкой катодной эффективности и высокой вязкости раствора из ванны выделяется токсичный туман воды и шестивалентного хрома. Для контроля этих выбросов используются мокрые скрубберы . Слив из мокрых скрубберов обрабатывается для выпадения осадка.хром из раствора, потому что он не может оставаться в сточных водах. [1]
Поддержание поверхностного натяжения ванны ниже 35 дин / см требует частого цикла обработки ванны смачивающим агентом и подтверждения влияния на поверхностное натяжение. [2] Традиционно поверхностное натяжение измеряется сталагмометром . Однако этот метод утомителен и страдает неточностью (сообщалось об ошибках до 22 дин / см) и зависит от опыта и возможностей пользователя. [3]
Дополнительные токсичные отходы, образующиеся из ванн с шестивалентным хромом, включают хроматы свинца , которые образуются в ванне из-за использования свинцовых анодов. Барий также используется для контроля концентрации сульфата, что приводит к образованию сульфата бария (BaSO 4 ). [1]
Трехвалентный хром [ править ]
В трехвалентном хромировании , также известном как трехвалентный хром , Cr 3+ и хром (III) , в качестве основного ингредиента используется сульфат хрома или хлорид хрома . Трехвалентное хромирование является альтернативой шестивалентному хрому в определенных областях применения и определенных толщинах (например, декоративное покрытие). [1]
Процесс трехвалентного хромирования аналогичен процессу шестивалентного хромирования, за исключением химического состава ванны и состава анода. Существует три основных типа конфигураций ванн с трехвалентным хромом: [1]
- Ванна электролита на основе хлорида или сульфата с использованием графитовых или композитных анодов, а также добавок для предотвращения окисления трехвалентного хрома до анодов.
- Ванна на основе сульфата, в которой используются свинцовые аноды, окруженные ящиками, заполненными серной кислотой (известными как экранированные аноды), которые предотвращают окисление трехвалентного хрома на анодах.
- Ванна на основе сульфата, в которой используются нерастворимые каталитические аноды, которые поддерживают электродный потенциал , предотвращающий окисление.
Процесс трехвалентного хромирования позволяет обрабатывать детали при той же температуре, скорости и твердости, что и шестивалентный хром. Толщина покрытия составляет от 0,005 до 0,05 мил (от 0,13 до 1,27 мкм). [1]
Преимущества и недостатки [ править ]
Функциональные преимущества трехвалентного хрома - более высокая эффективность катода и лучшая рассеивающая способность. Лучшая мощность забрасывания означает более высокую производительность. Требуется меньше энергии из-за более низкой плотности тока. Этот процесс более надежен, чем шестивалентный хром, потому что он может выдерживать перебои с током. [1]
С точки зрения здоровья трехвалентный хром по своей природе менее токсичен, чем шестивалентный хром. Из-за более низкой токсичности он не регулируется столь строго, что снижает накладные расходы . Другие преимущества для здоровья включают более высокую эффективность катода, что приводит к меньшим выбросам хрома в атмосферу; более низкие уровни концентрации, что приводит к меньшему количеству хрома и анодов, которые не разлагаются. [1]
Одним из недостатков, когда этот процесс был впервые представлен, было то, что покупатели декоративных изделий не одобряли различия в цвете. Теперь компании используют добавки для корректировки цвета. При нанесении твердых покрытий коррозионная стойкость более толстых покрытий не так хороша, как у шестивалентного хрома. Стоимость химикатов выше, но это обычно компенсируется более высокой производительностью и меньшими накладными расходами. В общем, процесс должен контролироваться более тщательно, чем при нанесении шестивалентного хромирования, особенно в отношении металлических примесей. Это означает, что процессы, которые трудно контролировать, такие как нанесение покрытия на цилиндр, намного сложнее при использовании ванны с трехвалентным хромом. [1]
Типы [ править ]
Декоративный [ править ]
Декоративный хром призван быть эстетичным и долговечным. Толщина варьируется от 0,002 до 0,02 мил (от 0,05 до 0,5 мкм), однако обычно она составляет от 0,005 до 0,01 мил (0,13 и 0,25 мкм). Хромирование обычно наносится поверх блестящего никелирования . Типичные основные материалы включают сталь , алюминий , пластик , медные сплавы и сплавы цинка. [1] Декоративное хромирование также очень устойчиво к коррозии и часто используется на деталях автомобилей, инструментах и кухонной утвари.
Жесткий [ править ]
Твердый хром , также известный как промышленный хром , хром-гона или технический хром , используется для уменьшения трения, повышения долговечности за счет устойчивости к истиранию и износостойкости в целом, минимизации истирания или заедания деталей, увеличения химической инертности, чтобы включить более широкий набор условий (например, стойкость к окислению) и наполнитель для изношенных деталей для восстановления их первоначальных размеров. [4] Он очень твердый, его толщина составляет от 65 до 69 HRC (также в зависимости от твердости основного металла). Твердый хром, как правило, толще декоративного хрома, и его стандартная толщина в неавтоматических целях составляет от 0,02 до 0,04 мм (от 20 до 40 мкм), [5]но он может быть на порядок толще для требований экстремальной износостойкости, в таких случаях 0,1 мм (100 мкм) или больше обеспечивает оптимальные результаты. К сожалению, такая толщина подчеркивает ограничения процесса, которые преодолеваются путем нанесения покрытия большей толщины, а затем шлифовки и притирки для удовлетворения требований или для улучшения общей эстетики «хромированной» детали. [1] Увеличение толщины покрытия приводит к пропорциональному увеличению дефектов поверхности и шероховатости, поскольку твердый хром не оказывает выравнивающего эффекта. [6]Детали, которые не имеют идеальной формы с точки зрения геометрии электрического поля (почти каждая деталь, отправляемая на покрытие, за исключением сфер и предметов в форме яйца), требует еще более толстого покрытия, чтобы компенсировать неравномерное осаждение, и большая часть этого теряется при шлифовании детали вернуться к желаемым размерам.
Современные "инженерные покрытия" не обладают такими недостатками, которые часто приводят к снижению твердого хрома только из-за затрат на рабочую силу. Технологии замены твердого хрома превосходят твердый хром по износостойкости, коррозионной стойкости и стоимости. Твердость 80 по Роквеллу не является чем-то необычным для таких материалов. При использовании напыления равномерная толщина, часто не требующая дополнительной полировки или механической обработки, является стандартной характеристикой современных инженерных покрытий. Эти покрытия часто представляют собой композиты из полимеров, металлов и керамических порошков или волокон в качестве патентованных вариантов, защищенных патентами или коммерческой тайной, и поэтому обычно известны под торговыми марками. [7]
К твердому хромированию предъявляются различные требования к качеству в зависимости от области применения; например, покрытие штоков гидравлических поршней испытывается на коррозионную стойкость с помощью испытания в солевом тумане .
Использование в автомобилях [ править ]
Самые яркие декоративные элементы, прикрепляемые к автомобилям, называются «хромом», что означает сталь, подвергшуюся нескольким процессам гальванизации, чтобы выдержать перепады температуры и погодные условия, которым подвержен автомобиль на открытом воздухе (хотя этот термин затем был передан для обозначения любых похожих на вид блестящие декоративные автозапчасти, в том числе серебристые пластиковые накладки, в повседневной терминологии. Тройное покрытие - самый дорогой и долговечный процесс, который включает покрытие стали сначала медью, а затем никелем перед нанесением хромирования.
До применения хрома в 1920-х годах применялось гальваническое покрытие никелем . За короткий период производства до вступления США во Вторую мировую войну правительство запретило нанесение покрытия для экономии хрома, и производители автомобилей раскрасили декоративные элементы в дополнительный цвет. В последние годы Корейской войны США подумывали о запрете хрома в пользу нескольких более дешевых процессов (таких как покрытие цинком, а затем покрытие блестящим пластиком).
В 2007 году была издана Директива об ограничении использования опасных веществ (RoHS), запрещающая использование нескольких токсичных веществ в автомобильной промышленности в Европе, включая шестивалентный хром, который используется при хромировании. Однако хромирование является металлическим и не содержит шестивалентного хрома после ополаскивания, поэтому хромирование не запрещено.
См. Также [ править ]
- Нержавеющая сталь
- Токсичность металлов
Ссылки [ править ]
- ^ a b c d e f g h i j k l m Профиль технологии предотвращения загрязнения Замены трехвалентного хрома для покрытия шестивалентным хромом (PDF) , Северо-восточная ассоциация должностных лиц по обращению с отходами, 2003-10-18, архивировано с оригинала (PDF) на 2011-07-20.
- ^ "Архивная копия" . Архивировано 30 ноября 2010 года . Проверено 20 августа 2010 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ "Центр экологических ресурсов технологии поверхности - STERC" . Архивировано из оригинала на 2010-07-07 . Проверено 20 августа 2010 .
- ^ "QQ-C-320B" (PDF) . everyspec.com . Архивировано (PDF) из оригинала 16 августа 2017 года . Проверено 3 мая 2018 .
- ^ «Рекомендации по дизайну для жесткого хромирования» . Корпорация хрома США. Архивировано 16 августа 2017 года . Проверено 16 августа 2017 года .
- ^ Дегармо, Э. Пол; Black, J T .; Козер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, стр. 793, ISBN 0-471-65653-4.
- ^ Vernhes, Люк (2013). «Альтернативы твердому хромированию: наноструктурированные покрытия для клапанов, работающих в тяжелых условиях». Химия и физика материалов . 140 (2–3): 522–528. DOI : 10.1016 / j.matchemphys.2013.03.065 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- SAE AMS 2406
- SAE AMS 2438
- SAE AMS 2460 - Покрытие, хром
