Особенности и технология проведения химического хромирования

Хром — это металл, который отличается хорошей прочностью, приятным внешним видом и высокой защитой от коррозии. На практике изделия из чистого хрома применяются редко в связи с высокой стоимостью металла (сложная добыча, непростое обогащение). Поэтому этот химический элемент обычно наносят тонким слоем на другие металлы, камень, пластик, дерево и другие материалы. Это позволяет улучшить физико-химические и эстетические свойства обрабатываемой детали за сравнительно небольшую сумму. В металлургическом деле процедуру нанесения хрома тонким слоем называют — хромирование.

Покрываться хромом могут различные изделия — рабочие инструменты, диски для автомобилей, оборудование для кораблей, посуда, декоративные изделия. Хромирование может выполняться различными способами, а сегодня таких способов насчитывается более 10 штук (хотя на практике применяется 3-4 технологии хромирования). Но возможно ли хромирование в домашних условиях — или его проводят только на фабриках и заводах? Какими особенностями обладает хромирование пластика? И о каких правилах техники безопасности не нужно забывать? В статье эти вопросы будут рассмотрены.

Общие сведения

Толщина слоя покрытия обычно невелика — от 0,2 до 0,8 миллиметров (хотя встречаются изделия и с более толстым слоем). Хромированию могут подвергаться любые металлы и их сплавы (железо, чугун, сталь, алюминий, медь и другие), а также диэлектрики (пластик, камень, дерево, фарфор и другие).

Покрыть хромом можно посуду, украшения, детали автомобиля или мотоцикла, мебель. Помимо этого хромирование деталей и пластика выполняет следующие важные функции:

1. Термическая и механическая защита. Хром обладает плотной структурой и очень высокой температурой плавления. Поэтому при нагреве его химико-физические структура не изменяется. При механическом ударе вещество также сохраняет свою структуру, поэтому хромированные детали обладают более высокой механической устойчивостью.
2. Антикоррозийная защита. С химической точки зрения хром является инертным веществом. При нормальных условиях он не вступает в контакт с водой и атмосферным воздухом. Поэтому изделия с хромовым покрытием не покрываются коррозией длительное время. С кислотами, щелочами и солями хром также вступает в химические реакции неохотно.
3. Восстановление прочности запчасти. В случае длительной эксплуатации в запчастях появляются небольшие трещины и углубления, что негативно сказывается на их прочности, надежности. Нанесения хромового покрытия позволяет закрыть эти трещины и вмятины, что улучшит их практическое применение.
4. Защита от грязи и повышение отражательной способности. Хромовое покрытие надежно защищает деталь от грязи, пыли и органического мусора. Люди покрывает запчасти своих ТС, чтобы их транспорт был лучше виден в темноте (покрываются обычно диски, отдельные детали или весь кузов целиком).

Где проводят хромирование?

Большинство технологий хромирования являются сложными операциями, для проведения которых необходимо специальное оборудование. Во время нанесения покрытия в атмосферу могут выделяться вредоносные вещества, которые представляют опасность для человека при вдыхании. Небольшие дозы испарений слабо влияют на здоровье, однако покрытие наносится долго, поэтому о защите организма необходимо подумать в обязательном порядке. Обычно хромовое покрытие наносят в специальных технологических цехах, где установлено оборудование для удаления вредных испарений, а сами людям носят защитные костюмы.

Однако при соблюдении ряда правил можно выполнить хромирование в домашних условиях. Для проведения работ Вам понадобятся дополнительные средства и оборудование. Перечислим основные из них:

• Средства индивидуальной защиты. Это плотный защитный костюм, маска-респиратор и очки, которые плотно прилегают к лицу. Эти средства будут защищать тело от контакта с вредоносными веществами, которые находятся в воздуха. Защищается как кожа, так и слизистые оболочки, а также органы дыхания. После нанесения покрытия костюм, маску и очки нужно почистить, чтобы удалить частички вредных веществ, которые могли осесть на них.
• Вытяжное оборудование. Это могут быть вытяжные вентиляторы или схожее оборудование. Главная задача, которую выполняют такие вентиляторы, — это сбор и удаление из помещения вредных испарений, которые образуются во время хромирования. Мощность таких вентиляторов не должна быть слишком высокой, поскольку вредных веществ образуется не так много (за исключением обработки больших изделий сложной формы, когда требуется большое количество расходных материалов, выделяющих вредные испарения).

Катодно-механическое хромирование (гальвано-хонингование).

Анализ современных литературных источников, освещающих вопросы интенсификации процессов хромирования, а также современных российских технологий хромирования показал, что наносить блестящие хромовые покрытия на цилиндрические детали или детали типа «шток» из стандартного сульфатного электролита при плотностях тока 3000-6000 А/м2 и температурах электролита 45-70 °C позволяет технология катодно-механического хромирования (КМХ) или гальвано-хонингования. Данная технология разработана специалистами ФГУП «ЦНИИМ» (г. Санкт-Петербург).

Технология КМХ предполагает хромирование цилиндрических деталей с одновременным механическим (абразивным) воздействием на катодную поверхность, то есть совмещение процесса хромирования с хонингованием или притиркой поверхности специальными полирующими элементами. По оценкам разработчиков износостойкость хромовых покрытий, полученных с применением технологии КМХ, по сравнению с покрытиями, полученными стандартным хромированием цилиндрических деталей, возрастает в 2-4 раза [4]. Кроме того, применение катодно-механического хромирования позволяет получать толстослойные хромовые покрытия (толщиной свыше 100 мкм) с шероховатостью, соответствующей высоким классам чистоты обработки поверхности (не ниже 9 класса) без промежуточной механической обработки.

Суть процесса гальвано-хонингования — постоянная принудительная корректировка формирования поверхности в процессе хромирования полирующими элементами. Это позволяет предотвратить укрупнение неровностей с ростом толщины осадка на формируемой поверхности, предотвратить неравномерность распределения покрытия по толщине, сохранить мелкокристаллическую структуру осадка хрома (сохранение условий плоского фронта роста осадка). Другими словами, при технологии КМХ производят принудительное «выглаживание» формирующегося и растущего слоя осадка хрома на микроскопическом уровне.

Выводы специалистов-разработчиков КМХ из анализа существующих в России основных технологий хромирования цилиндрических длинномерных деталей типа «шток» свидетельствуют о следующем:

• При стандартном хромировании цилиндрических деталей для достижения необходимого класса чистоты обработки поверхности требуется механическая доводка поверхности по хрому (на дорогостоящем оборудовании), которая, как правило, снижает эксплуатационные характеристики хромового покрытия (пригары, задиры, трещины); • При КМХ формируется покрытие с шероховатостью, соответствующей классу чистоты обработки поверхности на 2-3 единицы выше исходной чистоты обработки подложки. При этой технологии не требуется дальнейшей механической обработки хромовых покрытий, предотвращается дендритообразование, соответственно сохраняются высокие функциональные свойства хрома.

Технологические параметры и состав электролита стандартной технологии хромирования деталей не противоречат принципам технологии КМХ. Следует отметить, что гальвано-хонингование не является одновременным совмещением процесса хромирования и шлифовки поверхности, так как притирочные блоки постоянно перемещают по катодной поверхности, периодически выравнивая и полируя катодную поверхность, не истирая часть слоя хрома как при шлифовке.

Технологии хромирования

В зависимости от способа нанесения хрома различают порядка 10 технологий хромирования, а основными технологиями являются гальванизация, химическое нанесение, вакуумное нанесение и другие. Ниже эти технологии будут рассмотрены более подробно.

Электролитическая гальваника

Гальваническое хромирование — простая технология, которая подходит для домашней обработки деталей. Обычно она используется для обработки металлических деталей небольшой формы, однако при необходимости ее можно адаптировать для обработки больших изделий и пластика. Гальваника работает за счет такого явления, которое физики называют электролизом. Электролитическая гальваника выполняется по такой схеме:

1. В электрически нейтральную ванночку помещается жидкость, называемую электролитом. В качестве электролита для хромирования используются вещества, содержащие хром. Это хромовая кислота, ангидрид и другие. В состав электролита могут входить вспомогательные вещества — скажем, серная кислота, едкий натр или сернокислый стронций.
2. К ванночке подключается источник постоянного тока (генераторы с переменным током не подходят из технических соображений). Анод имеет вид пластинки (обычно из свинца или хромсодержащего сплава), а опускается он в ванночку с электролитом. К катоду прикрепляется обрабатываемая деталь, которая тоже опускается в электролит.
3. После подготовки оборудования и детали электрическая цепь замыкается. Это приводит к тому, что электрический ток переходит от анода к катоду через электролитический раствор. Это приводит к ряду химических реакций, что приводит к высвобождению свободного хрома, который за счет прохождения тока переходит на поверхность обрабатываемой детали. В результате формируется тонкое покрытие, что нам и требовалось.

Химическое хромирование

Для нанесения тонкого защитного слоя может также применяться химическое хромирование. Эта технология не подразумевает использование электрического тока для перехода хромовых ионов — вместо этого защитный слой создается за счет ряда химических превращений. Поэтому химическая хромирование является более простой и безопасной, хотя для ее проведения понадобятся более дорогие реактивы. Технология проводится в два этапа: сперва наносится слой меди, а потом — хрома. Суть технологии кратко:

1. Рабочий очищает деталь от грязи и пыли, а также выполняет ее обезжиривание. После этого он готовит смесь для омеднения на основе сернокислой меди и концентрированной серной кислоты. При необходимости раствор нагревают до температуры 15-20 градусов (если в помещении низкая температура). Потом деталь помещается в раствор на 5-10 секунд — потом ее достают и промывают.
2. Рабочий высушивает деталь и готовит бета-версию раствора (без гипофосфита натрия). Рецептов таких растворов существует много, однако чего всего его готовят на основе фтористого хромила, лимонной и уксусной кислот. Такой раствор нагревают до температуры 80-90 градусов, потом всыпается гипофосфит натрия — в результате получается альфа-версия раствора, который нужен для обработки.
3. Запчасть помещается в приготовленный раствор на большое время — порядка 5-7 часов. Во время нанесения дополнительного слоя необходимо поддерживать постоянную температуру раствора (всю процедуру можно делать на электроплитке). По завершении процедуры деталь нужно достать, помыть в слабом растворе соды и высушить — после этого она готова к применению.

Вакуумное хромирование

Вакуумная технология позволяет получить тонкий однородный слой металла на поверхности любого вещества. Она является самой сложной с технологической точки зрения, поэтому выполнить вакуумное хромирование в домашних условиях сложно. Технология не подразумевает проведение сложных химических операций или использование электрического тока, что делает ее более безопасной и универсальной. Для проведения процедуры понадобится специальное оборудование, которое стоит достаточно дорого (вакуумные камеры, насосы, распылители).

Основные этапы нанесения покрытия вакуумным методом:

1. Металлическая основа (в нашем случае хром) помещается в специальную камеру, из которой откачивается воздух для создания вакуума. После этого выполняется нагрев металла до состояния пара.
2. Обрабатываемая деталь проходит предварительную обработку и очистку. Потом она помещается в отдельную камеру вакуумной установки (но не в тот же отсек, где находится нагретый до состояния пара хром).
3. В конце выполняется распыление газообразного хрома по всей поверхности обрабатываемой детали. Хромовые частички остывают и становятся твердыми, что приводит к формированию тонкого покрытия.

Что такое хром?

Хром — серебристо-белый металл с синеватым оттенком. Он обладает высокой твердостью и хорошо сопротивляется механическому износу.

Хром принадлежит к числу электроотрицательных металлов, его стандартный электродный потенциал E0 (Cr0/Cr3+) равен -0,74В. В атмосферных условиях хром сохраняет цвет и блеск длительное время, что объясняется образованием на его поверхности тонкой, но очень прочной оксидной пленки. Высокой склонностью к пассивации и наличием этой пленки объясняется значительная коррозионная стойкость хромовых покрытий. В окислительных средах хром пассивируется легче, чем на воздухе и его потенциал сдвигается от стандартного в анодную область до +0,2В. Стационарный электродный потенциал хрома положительнее, чем у железа. Поэтому хромовые покрытия по отношению к стальным изделиям являются катодом.

Хром устойчив во влажной атмосфере, в атмосфере сероводорода и сернистого газа, в растворах серной, азотной, фосфорной и органических кислот, щелочей. В растворах соляной кислоты и горячей концентрированной серной хром растворяется из-за разрушения оксидной пленки.

Хромирование — процесс нанесения на поверхность изделия тонкого слоя металлического хрома для придания требуемых характеристик. Если говорить о гальваническом хромировании, осаждение металла происходит из электролита под действием электрического тока.

Хромовые покрытия широко применяются для придания изделию исключительной износо- и жаростойкости, а также для уменьшения коэффициента трения. Часто используются для придания высокодекоративного внешнего вида.

В соединениях хром чаще всего трехвалентен и шестивалентен. Соединения шестивалентного хрома являются сильными окислителями. Хромовый ангидрид при растворении в воде образует смесь хромовых кислот H2CrO4 и H2Cr2O7. Именно из них чаще всего и производят хромирование деталей.

В растворе хромовой кислоты имеются анионы CrO42-, HCrO4-, Cr2O72-:

• при рН > 7–8 преобладают CrO42-;

• при рН < 2-3 – Cr2O72-.

Электрохимический эквивалент хрома в хромовой кислоте составляет 0,323 г/А*ч. Но, так как выход по току металла в таких электролитах часто не превышает 10-12 %, то фактически за 1 А*ч выделяется 0,032-0,038 г хрома, т.е. в 30 раз меньше, чем никеля, в 37 раз меньше, чем меди, в 125 раз меньше, чем серебра. Единственной возможностью некоторой компенсации этого недостатка является повышение плотности тока.

В растворах трехвалентного хрома электрохимический эквивалент хрома вдвое больше, выход по току — в 4-5 раз больше, чем в хромовой кислоте.

Многочисленные попытки использовать для промышленного применения электролиты на основе трехвалентных соединений, однако, не нашли успеха, особенно для осаждения толстых износостойких покрытий.

Далее будут рассмотрены только растворы на основе шестивалентного хрома.

Электрохимическое осаждение хрома существенно отличается от других гальванических процессов:

• В большинстве электролитов, применяемых в гальванотехнике, основным компонентом является соль осаждаемого металла. При хромировании главным компонентом является хромовая кислота. • В хромовом электролите должны присутствовать в определенном соотношении посторонние анионы: SO42-, F- или SiF62-. • Минимальная плотность тока, при которой начинается выделение хрома, в несколько сот раз выше, чем в других процессах электроосаждения металлов. • Электроосаждение хрома более чувствительно к изменению температуры и плотности тока по сравнению с другими гальваническими процессами. Изменение этих параметров оказывает существенное влияние не только на количественные показатели (выход по току и др.), но и на структуру и свойства осадков хрома. • В отличие от других процессов электроосаждения металлов выход по току при хромировании резко снижается по мере повышения температуры.

Итак, основными особенностями процесса хромирования являются высокий отрицательный потенциал восстановления дихромат-анионов, низкий выход металла по току, высокие рабочие плотности тока и очень низкая рассеивающая способность электролита.

Хромирование в домашних условиях

Выполнить хромирование можно в домашних условиях. Процедура состоит из нескольких этапов — подготовка помещения, покупка оборудования, зачистка детали и непосредственно хромирование. Ниже мы рассмотрим эти этапы более подробно.

Подготовка помещения и покупка оборудования

Гальванику стоит проводить в любом техническом помещении, где установлена вытяжка или вентилятор для откачки вредных испарений. Рабочему необходимо позаботиться о средствах индивидуальной защиты. Для проведения гальваники также понадобится подобрать следующее оборудование:

• Пластиковая или стеклянная ванночка (изделия из металла не допускаются). В ванночку будет помещаться обрабатываемое изделие, а также электролит и катод/анод.
• Компоненты для приготовления электролита. Это дистиллированная вода (1 л), хромовый ангидрид (250 г) и серная кислота (2-3 г). При необходимости концентрацию компонентов нужно пропорционально увеличить.
• Источник постоянного тока, а также два провода (анод и катод). К катоду будут прикрепляться запчасти, которые будут помещаться в электролит. Анод помещается непосредственно в электролит; оптимальной будет покупка провода-анода с пластинкой на конце (это увеличит интенсивность реакции).
• Нагревательный элемент. Электрическая плитка с датчиком температуры. Ванночку с электролитом можно ставить прямо на плитку.

Подготовка детали к работе

Перед нанесением хрома нужно выполнить зачистку и обезжиривание детали. Для зачистки необходимо вымыть и тщательно высушить требуемую деталь. Если на ее поверхности есть сильные шероховатости, то от них следует избавиться с помощью шлифовки. Также необходимо обезжирить деталь:

1. Возьмите 1 литр чистой воды, добавьте туда 50 кальцинированной соды, 150 г гидроксида натрия и 5 г силикатного клея, хорошенько перемешайте смесь.
2. Поставьте емкость с полученной смесью на плиту, нагрейте смесь до температуры 90 градусов, поместите туда деталь на 20-30 минут.
3. Достаньте деталь, промойте ее под водой и высушите ее. Обратите внимание — вытирать деталь можно только чистой тряпкой (в противном случае придется проводить обезжиривание заново).

Процедура хромирования

Итак, Вы подготовили помещение, надели защитную одежду и выполнили обезжиривание. Теперь можно выполнить гальваническое хромирование алюминия, стали или любого другого металла:

1. Поставьте ванночку на плитку, прикрепите к катоду запчасть, установите анод на ванночку, вылейте в ванночку электролит, включите вытяжку, нагрейте электролит до температуры 50-55 градусов.
2. Введите в ванночку катод с прикрепленной запчастью, чтобы жидкость полностью покрыла деталь, а потом увеличьте мощность вытяжки и включите источник постоянного тока.
3. Длительность обработки — 20-40 минут в зависимости от формы детали и интенсивности обработки. По завершении хромирования деталь высушивают 2-3 часа.

Хромирование пластика выполняется по иному сценарию. Для нанесения покрытия нужно изготовить пустотелую кисть, в которую будет заливаться электролит (сделать ее можно из оргстекла). К кисти следует присоединить токопроводящие щетинки, через которые будет проходить ток. К корпусу кисточки следует присоединить анод, а к металлическим щетинкам — катод. После запуска электрического тока будет проводиться распыление частичек хрома с конца щетинок кисточки. Для нанесения покрытия нужно 15-20 раз провести кисточкой по всей поверхности пластика. При необходимости процедуру нужно повторить 2-3 раза (зависит от типа пластика и качества кисточки).

Подготовка к хромированию металла

Подготовительный этап заключается в выполнении нескольких обязательных действий:

1. Подготовка поверхности заготовки посредством шлифовки и полировки.
2. Очистка от загрязнений с помощью специального средства и дистиллированной воды и протирка ветошью.
3. Полное изолирование поверхности, куда не нужно наносить хром, заделка отверстий (если не нужно покрывать внутренние полости).
4. Установка изделия на специальную подвеску.
5. Полное обезжиривание.
6. Промывка водой.
7. Декапирование.

Роль шестивалентного хрома выполняет хромовый ангидрид, трёхвалентного — сульфат или хлорид хрома.

Гальваническую ванну покрывают серной кислотой, а после помещения обрабатываемой заготовки в раствор поддают ток с определенными показателями плотности.

Также необходимо соблюдать подходящий температурный режим раствора в ванной, который устанавливается с учётом особенностей хромирования.

При использовании терморежима необходимо придерживаться одних и тех же температурных показателей на протяжении всего мероприятия. Любые отклонения от установленного стандарта могут привести к ухудшению адгезионных свойств покрытия, в результате чего гальваника потеряет правильную структуру, а на поверхностном слое появятся различные дефекты, такие как разводы, наросты и сталактиты.

Продолжительность гальванической обработки определяется требуемой толщиной хромированного слоя.

В процессе обработки из раствора выделяется ряд вредных паров, поэтому все мероприятия нужно проводить с учетом всех тонкостей техники безопасности и с использованиием средств персональной защиты.

В отдельных условиях металлизацию проводят лишь после травления или нанесения на заготовку другого металла, например, меди или никеля. Таким образом осуществляется укрепление полученного слоя.

Чтобы заделать образованные поры хрома, деталь дополнительно покрывают маслом или лаком. Образовавшуюся хромовую пленку дополнительно защищают термической обработкой, в процессе чего заготовку выдерживают под воздействием высоких температур (около двухсот градусов Цельсия) на протяжении некоторого времени.