Хромирование

 Общие сведения

Электролитическое хромирование существенно отличается от дру­гих гальванических процессов. Выделение хрома производится из растворов хромовых кислот  а не из солей хрома. При этом в растворе обязательно должны присутствовать в небольшом количестве добавки активных анионов, без которых хром не выделяется из хромовой кислоты. Электролиты, основанные на солях хрома, широко изу­чаются,   но до   сих пор   не   получили   промышленного   применения.

Важной особенностью хромирования является более легкое вы­деление водорода на катоде, чем хрома; водород начинает выде­ляться при более положительном потенциале, чем хром, и выход по току при хромировании намного (в три — пять раз) меньше, чем при осаждении других металлов. На выход хрома по току существенно влияют плотность тока и температура электролита.

Показатели процесса и качества покрытия при хромировании и значительно большей степени зависят от режима электролиза (плотности тока и температуры электролита), чем при других гальванических процессах.

Рассеивающая и кроющая способности хромовых электролитов в отличие от других процессов низки, что заставляет применять при хромировании особые приемы для повышения равномерности покрытия. Низкая кроющая способность связана с сравнительно высокой минимальной плотностью тока, при которой начинается выделение хрома.

В хромировочных ваннах применяются только нерастворимые аноды, что требует периодического пополнения убыли хромовой кисло­ты путем ее непосредственного введения в электролит в необходи­мых количествах.

Растворы хромовой кислоты токсичны, они увлекаются выделяющимися при электролизе газами. Эго создает необходимость принятия мер предосторожности для оздоровления условий труда при работе на хромировочных ваннах.

2. Катодный процесс

Во время хромирования на катоде происходят следующие основ­ные процессы:

осаждение хрома;

выделение водорода;

восстановление аниона хромовой кислоты, где хром шестивалентен, до соединений, в которых хром имеет меньшую валент­ность, в основном, трехвалентного хрома;

образование на поверхности катода тонкой пленки, состоящей из активного аниона и продуктов восстановления хромовой кислоты.

Большое влияние на эти процессы оказывает количество и род активных анионов, содержащихся в электролите.

Износостойкость хромовых покрытий в значительной степени за­висит от их прирабатываемости. При недостаточно хороших условиях для приработки (местной шишковатости покрытия, неравномерном нагрузке на его поверхность и др.) возможны схватывания и за­диры трущихся поверхностен. Для улучшения прирабатываемости кроме устранения указанных недостатков, рекомендуют сопряженную с хромом деталь оксидировать или фосфатировать. а деталь, покры­тую пористым хромом, электролитически покрывать тонким слоем олова.

Высокая износостойкость хромовых покрытий полностью реали­зуется при трении по стали и чугуну. Имеются данные, что в паре с алюминиевыми сплавами и алюминиевыми бронзами при недостат­ке смазки хромовые покрытия изнашиваются значительно больше, чем по стали и чугуну.

11. Влияние хромирования на механические свойства основного металла

В зависимости от рода нагрузки, вызывающей разрушение ме­талла, различают механические характеристики, определяемые при растяжении образца до его разрыва (пределы прочности и текучести, относительные удлинение и сужение поперечного сечения) и его вы­носливость (время до разрушения) при циклически меняющейся нагрузке (предел усталости). Возможны два вида нагрузок, от которых зависит время до разрушения: нагрузки, при которых циклические деформации металла не выходят за пределы упругой деформации, и нагрузки, при максимальных значениях которых возможна обычно небольшая пластическая деформация образца. В первом случае образец разрушается после воздействия миллионов циклов нагрузки (многоцикловая усталость), во втором случае разрушение происходит после нескольких тысяч циклов (малоцикловая усталость).

Особенно важными для надежности современных машин яв­ляются показатели прочности при циклически меняющейся нагрузке. Наиболее значительное влияние хромирование оказывает именно на эти показатели.

Хромирование может оказывать воздействие на механические свойства основного металла по следующим причинам:

хромовое покрытие отличается исключительно высокой проч­ностью сцепления с основным металлом, поэтому хромированную деталь необходимо рассматривать как систему, свойства поверхности которой определяются свойствами хромового покрытия;

в хромовых покрытиях имеются значительные напряжения рас­тяжения, распространяющиеся по поверхности хромированной де­тали;

твердые хромовые покрытия не выдерживают пластической де­формации основного металла, растрескиваются и эти трещины яв­ляются концентраторами напряжения для основного металла;

в процессе электроосаждения хрома выделяется относительно большое количество водорода, который, проникая в основной металл, вызывает его охрупчивание.

Прочность и пластичность хромированной стали. Предел проч­ности стали, определяемый при статическом растяжении, практически не изменяется после хромирования. 

Хромирование цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Уве­личение износостойкости трущейся пары цилиндр — поршневые коль­ца осуществляется применением пористых хромовых покрытии. Как указывалось, пористый хром применяется для тяжелонагруженных де­талей машин, работающих при высоких давлениях, повышенных температурах и недостаточно хорошей смазке. Гладкие хромовые покрытия в таких условиях, характерных для нормальной работы цилиндров и поршневых колец двигателей, недостаточно стойки. Практикой установлено, что зеркало цилиндра двигатели, покрытое гладким хромом, после 3—5 ч испытания на стенде оказывалось разрушенным.

Вследствие недостатка смазки происходит сильное мест­ное разогревание и выкрашивание частичек хрома, влекущее за собой появление на зеркале цилиндра глубоких царапин. При пористом хромировании эти недостатки исключаются.

Увеличение срока службы цилиндра обычно достигается двумя путями. Первый состоит В' пористом хромировании внутренней по­верхности цилиндра, работающего в паре с чугунными поршневыми кольцами. При этом многократное увеличение общего срока службы цилиндра возможно за счет проведения повторного хромирования цилиндра. Второй путь заключается в пористом хромировании порш­невых колец, которые, работая в паре с нехромированным ци­линдром, способствуют уменьшению его износа. Износостойкость дета­ли, покрытой пористым хромом, возрастает в три — пять раз, срок службы сопряженно работающей детали увеличивается примерно в полтора — два раза. Выбор того или иного пути зависит от произ­водственных возможностей.

В практике пористого хромирования шлифование хромируемой поверхности производится перед анодным травлением. После создания сетки каналов пористого хрома, при необходимости, производится приработка хромированной поверхности п масле (например, при беспритирочном пористом хромировании поршневых колец).

Применение для сглаживания пористого хрома хонингования или притирки абразивными порошками не допускается. При такой обработке сошлифовывается значительная часть пористого слоя покрытия, а частички абразива внедряются в каналы пористого хрома. В этом случае рекомендуется хромирование производить на реверсивном токе или после хромирования производить шлифо­вание хрома до нанесения сетки пор.

При подготовке к хромированию имеющиеся на цилиндрах окна и смазочные отверстия необходимо заделать свинцом. Эту операцию следует выполнять так, чтобы свинец выступал над хромируемой поверхностью примерно на 0,5 мм. При этом выступающая часть свинца несколько экранирует края отверстия, и хром на них осаждает­ся значительно меньшим слоем. Если заделку отверстия произвести заподлицо с поверхностью детали, то хром отложится на острых краях отверстия, и вследствие этого при работе цилиндра возможно его скалывание.

Повышение производительности ванн. Для этого необходимо рационально загрузить ванны деталями, полностью загрузить их током, сократить продолжительность хромирования за счет умень­шения расчетного слоя хрома, увеличения выхода по току, повы­шения равномерности покрытия. Для рациональной загрузки ванн деталями целесообразно распределить их по группам таким образом, чтобы в каждой группе были детали однотипные: по габа­ритным размерам, толщине слоя хрома, величине хромируемой по­верхности и форме. Для каждого типа деталей разработать рацио­нальные приспособления для завешивания в ванну.

Величина поверхности загруженных в ванну деталей опреде­ляется значением полной токовой нагрузки ванны, т. е. силой тока, при которой заданная температура электролита поддерживается за счет джоулевой теплоты, без подачи пара (для горячих электро­литов).

Если по габаритным размерам детали загружают ванну пол­ностью, а по величине поверхности загрузка недостаточна, то повы­шают плотность тока по возможности до достижения полной токовой нагрузки. Такое повышение плотности тока с сохранением требуе­мого качества покрытия достигается на основе изложенных ранее закономерностей, определяющих рабочий интервал. Хромирование при возможно более высоком выходе хрома по току связано с выбором состава электролита и режима осаждения. Выход по току наиболь­ший (до 40 %) в тетрахроматных холодных электролитах, затем в сульфатно-кремнефторндных (17—19 %) и в сульфатных (13—15 %)

Выход по току возрастает с увеличением плотности тока, что особенно проявляется в малоконцентрированных сульфатных электро­литах; в этом случае при «„ = 45 А/дм2 выход по току 15%, а при iK = 80 А/дм2 выход по току достигает 20 % (< = 55°С). При­менение высоких плотностей тока в пределах сохранения требуе­мого качества покрытия возможно в проточном электролите с неко­торым повышением выхода по току.

Выход хрома по току является важным показателем эффективно­сти электролита, однако при технико-экономическом анализе для вы­бора электролита учитываются и другие его особенности: потери хромового ангидрида, зависящие от его концентрации в электроли­те, необходимость специальных установок для охлаждения электро­лита при низких температурах, химическая агрессивность электроли­та, сложность его состава и др.

При нанесении толстых покрытий значительное повышение произ­водительности ванн может быть достигнуто за счет мероприятий, повышающих равномерность покрытия (см. гл. I). Скорость наращи­вания покрытия определяется на том участке поверхности, где тол­щина покрытия наименьшая. Поэтому, чем более равномерно покры­тие, тем выше расчетная скорость наращивания при той же заданной средней плотности тока. Сокращение продолжительности хромиро­вания, и довольно значительное, дает также применение размерного хромирования, при котором покрытие наносится без припуска на шлифование. Толщина этого припуска примерно 0,1—0,15 мм и его наращивание требует продолжительности хромирования при плот­ности тока 60 А/дм2 1.5—2,0 ч.