Хромирование твердое: ООО ПТФ КАМА — Твердый хром

Покрытие твердым хромом — ООО «ПП Салют»

     Покрытие твердым хромом (или твердый хром, хромирование) это очень распространенная технологическая операция. В станках, агрегатах, различного рода механизмах огромное количество деталей, подвергаемых интенсивному трению. Следовательно велика вероятность выхода их из строя ввиду износа и потери необходимых размеров. Актуальная задача – снизить трение и тем самым продлить срок эксплуатации деталей, подвергаемых интенсивному трению и максимально снизить возможность преждевременного износа. Есть несколько вариантов решения этой проблемы. Самый распространенный и востребованный – покрытие твердым хромом поверхности проблемных деталей.

В результате выполнения этой технологической операции детали получают:

• Новые физико-механические свойства. Значительно уменьшается коэффициент трения, увеличивает поверхностная прочность и твердость детали, механическая стойкость, высокая жаростойкость.
• Новые химические свойства, которыми основной (исходный) металл детали не обладал. Это эрозионностойкость и коррозионностойкость, химическая устойчивость.

К тому же значительно улучшается эстетическое восприятие хромированных деталей. Для покрытия деталей твердым хромом чаще всего используется такой гальванический процесс, как электротехническое хромирование. Приобретенные в результате покрытия твердым хромом свойства позволяют значительно продлить ресурс деталей, эксплуатирующихся в тяжелых условиях. Именно поэтому наибольшее распространение покрытие деталей твердым хромом получило в машиностроении.

Исходя из исключительно тяжелых и интенсивных условий эксплуатации покрытие твердым хромом обязательно для:

1. Валов любых форм и размеров.
2. Пресс-форм.
3. Матриц, дорнов и пуансонов
4. Гидроцилиндров.

Без выполнения этой ответственной операции перечисленные детали просто не будут работать.

Кроме использования в машиностроении для решения чисто технических задач по значительному улучшение физических и химических свойств деталей, нередко покрытие твердым хромом применяется для декоративной отделки, улучшения эстетического восприятия бытовых предметов и приборов.

• Врезных, накладных, навесных и прочих замков;
• Различного рода накладок;
• Кухонной утвари;
• Предметов и элементов декора и дизайна и т.п.

Но и в этом случае покрытие твердым хромом значительно продлевает срок эксплуатации и использования этих предметов.

Способы покрытия твердым хромом

Процесс покрытия твердым хромом поверхностей деталей может выполняться несколькими способами:

Во-первых, электролитическим.

Во-вторых, гальваническим.

В-третьих, химическим (каталитическим).

В-четвертых, диффузионным и т.д.

     Не будем останавливаться на каждом из них и описывать технологии этих процессов. Потребителю это не интересно, ему важен результат. А специалисты и так знают эти процессы, их достоинства и недостатки.

     Для хромирования деталей и изделий Производственное предприятие «Салют» использует один из самых популярных и надежных способов покрытия – гальванический. Мы готовы выполнить операцию покрытия деталей и изделий твердым хромом любому клиенту (заказчику). Но для выполнения этой технологической операции Клиент (заказчик) должен предоставить следующую информацию:

1. Чертеж, эскиз или фото детали (изделия) с указанием всех точных размеров.
2. Вес детали (изделия)
3. Желаемую толщину покрытия хромом (мы не знаем, в каких условиях будет работать деталь и какие требования к ней предъявляются конструкторской документацией).
4. Если не требуется нанесения на всю поверхность детали (изделия), указать поверхности, которые необходимо хромировать. Если на детали или изделии есть поверхности, имеющие предыдущие покрытия (возможно технологические) – уточнить, требуется ли снятие этих покрытий.
5. Указать шероховатость поверхностей, которые необходимо покрыть твердым хромом.

     При выполнении операции хромирования необходимы:

• Строгое и неукоснительное соблюдение технологии покрытия твердым хромом.
• Постоянный, непрерывный контроль за всеми параметрами на протяжении всего процесса хромирования.
• Квалификация и опыт работы исполнителей.
• Грамотный технический персонал, способный разработать технологию и задать необходимые параметры на операцию хромирования для конкретной детали (изделия).
• Специализированная аппаратура и технологическое оборудование.

Гальванический способ хромирования позволяет создать на поверхности детали (изделия) тонкий слой чистого хрома. Этот слой почти в два раза твёрже железа. Нанесенный на метал изделия чистый хром, это устойчивый к коррозии антифрикционный слой, хорошо удерживающий масло. Немаловажное значение имеет исключительно надежное сцепление хромового слоя со сталью, никелем и медью. Нанесенный на поверхность детали слой чистого хрома не окисляется и, что очень важно, не отслаивается от поверхности основного (базового) металла детали даже в условиях интенсивной и жесткой эксплуатации.

Почему покрытие твердых хромом заказывают в ООО «ПП Салют»?

Подведём итоги. Гальваническое покрытие твердым хромом имеет следующие достоинства:

Во-первых, прочное, равномерное нанесение слоя твердого хрома на поверхность детали. При этом не имеет никакого значения сложность рельефа поверхности.

Во-вторых, деталь с нанесенным слоем хрома приобретает отличные противокоррозионные качества.

В-третьих, деталь с нанесенным хромовым покрытием приобретает высокую устойчивость к механическим повреждениям.

В-четвертых, хромированная деталь надежно защищена от агрессивных факторов окружающей среды.

В-пятых, хромированная деталь становится значительно тверже и устойчивее к износу и истиранию.

В-шестых, нанесенный на поверхность детали слой твердого хрома обладает низкой пористостью и высокой плотностью.

В-седьмых, слой нанесенного твердого хрома очень прочно сцепляется с основным металлом детали, т.к. в процессе выполнения технологической операции молекулы хрома проникают в поверхностный слой исходного, основного металла детали.

В-восьмых, гальванический способ хромирования давно отработан производственниками и не представляет никаких технических проблем. Применяемая аппаратура и оборудование несколько дешевле, чем аппаратура и оборудование, применяемые при выполнении операции хромирования другими способами. Данный способ не требует больших финансовых затрат. Гальванический способ хромирования применим для деталей любых размеров и конфигураций.

В-девятых, технология гальванического покрытия твердым хромом позволяет без особых технических трудностей получать требуемую толщину хромового слоя.

     Гальваническое покрытие твёрдым хромом деталей практически не имеет недостатков (при условии, что не было допущено нарушений технологии при проведении операции гальванического хромирования). А вот с самим процессом выполнения хромирования дела обстоят иначе. Следует сразу сказать, что операция гальванического хромирования потенциально опасна для исполнителей и обслуживающего персонала. Основная опасность (и не только для персонала, но и для окружающей среды) исходит от хромового ангидрида. Это химическое соединение является основным компонентом при приготовлении рабочих электролитов. Этот компонент очень опасен сам по себе. А попадая в воду и растворяясь в ней, это соединение образует не менее опасные кислоты. Эти реагенты являются канцерогенами, очень токсичны и относятся к веществам первого класса опасности. В процессе гальванического хромирования образуются и другие токсичные вещества – хроматы свинца и сульфаты бария. Поэтому при выполнении этой операции следует неукоснительно соблюдать правила техники безопасности и охраны труда.

     Уважаемые предприниматели, руководители предприятий. Если Вам необходимо провести операцию хромирования деталей Вашего производства, наше предприятие сможет выполнить эту операцию на самом высоком уровне. Сроки исполнения и высокое качество гарантируем. Для этого есть специальная аппаратура и технологическое оборудование, квалифицированные исполнители с опытом работы и грамотный технический состав.

Холодное распыление как замена хромированию

Научно-исследовательская лаборатория сухопутных войск США в сотрудничестве с партнерами изучают возможность использования холодного распыления в качестве альтернативы электролитическому хромированию и никелированию.

Твердое хромирование более 60 лет применяется в коммерческом производстве и является одним из важнейших процессов, связанных с производством и техническим обслуживанием в таких сферах, как военная авиация, транспортные средства и военное снаряжение, включая шасси, гидравлические приводы, ступицы винтов, втулки винтов, валы, шлицевые соединения и ружейные стволы.

Министерство обороны США применяет твердое хромирование для восстановления размеров деталей, а также для получения износостойких, антикоррозионных поверхностей.

На данный момент при твердом хромировании используется шестивалентный хром, известный канцероген. Твердый хром по своей природе нетоксичен и обеспечивает идеальную износостойкость и защиту поверхности. Технологию холодного распыления можно использовать для замены твердого хромирования или для получения слоя твердого хрома без применения Cr6. Холодное хромирование позволяет Министерству обороны США соблюдать экологические стандарты (т.е. AERTA PP-2-02-04) и правительственные распоряжения (т. е. 13148), чтобы исключить использование в данном процессе хромовой кислоты и опасных веществ, содержащих Cr6, при выполнении стратегического плана по обеспечению устойчивости. Организация предпринимателей требует сокращения использования Cr6 на 50%.

При твердом хромировании основная проблема заключается в аэрозоле Cr6, для которого предельно допустимый уровень воздействия согласно Управлению по охране труда составляет 5 мкг-3 (усредненный по времени показатель при 8-часовом рабочем дне). Согласно Агентству по охране окружающей среды США предельно допустимый выброс Cr6+ составляет 6 мкг-3 для новых источников.

Для твердого хромирования зачастую используется стандартный твердый хром, а не высокоэффективное хромирование или трехвалентный хром, который на данный момент применяется только в декоративных целях. Наиболее серьезная проблема для Министерства обороны заключается в требованиях, установленных Управлением по охране труда (мытье, душ, смена одежды и т.д.), которые могут существенно сократить рабочий день с 8 часов до 7. Управление по охране труда также разрешает использовать Cr6 исключительно в регламентированных зонах цеха и требует проведения контрольных испытаний на наличие Cr6 во всех остальных зонах, таких как офисные помещения, комнаты отдыха и так далее.

ПРОЦЕСС ХОЛОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ

Холодное распыление — это процесс осаждения твердых материалов, при котором металлические, полимерные частицы и/или сочетание металлических и неметаллических частиц консолидируются для получения покрытия или детали с профилем, близким к заданному, посредством ударного воздействия на подложку. Используемые частицы — это имеющиеся в продаже порошки (как правило, диаметром от 5 до 100 мкм), которые разгоняются от 300 до 2500 м/с посредством впрыскивания в высокоскоростной поток газа.

Высокоскоростной поток газа создается в результате расширения предварительно нагретого газа, находящегося под давлением, при прохождении через сопло Лаваля. Подаваемый под давлением газ расширяется и достигает сверхзвуковой скорости, при этом его давление и температура падают. Частицы, изначально переносимые отдельным газовым потоком, впрыскиваются в сопло: либо до критического сечения сопла (впрыск против потока) либо после критического сечения сопла (впрыск по потоку).

После чего частицы разгоняются вместе с основным потоком газа в сопле и под большим давлением распыляются на подложку после выхода из сопла. При ударном воздействии твердые частицы деформируются и создают связь с подложкой. Поскольку процесс продолжается, частицы продолжают воздействовать на подложку и образуют металлургические и механические связи с ней, а затем уплотненный материал, в результате чего формируется равномерное покрытие с небольшой пористостью и высокой прочностью связи.

Если при ударе достигается критическая скорость ударного воздействия ускоряющихся частиц, твердые частицы деформируются и создают связь с подложкой. Для достижения оптимальной консолидации частиц и плотности покрытия необходима достаточная скорость. На скорость частиц влияет несколько важных параметров данного процесса, в том числе характеристики газа, характеристики частиц и геометрия сопла.

Также было установлено, что для осаждения частиц их скорость должна превышать критическую, в противном случае они могут отскочить от подложки. Величину критической скорости можно определить, используя эмпирические соотношения, которые обычно зависят от характеристик материала частиц, таких как плотность, предельная прочность, предел текучести и температура плавления, а также температура частиц. Усовершенствование процесса является важным аспектом холодного распыления.

ПРЕИМУЩЕСТВА ХОЛОДНОГО РАСПЫЛЕНИЯ

Уникальность холодного распыления заключается в его способности образовывать покрытие, выполнять восстановление исходных размеров и даже создавать детали с профилем, близким к заданному, при температуре значительно ниже температуры плавления применяемых порошков, тем самым, исключая или сводя к минимуму многие вредные высокотемпературные реакции, которые характерны для процессов горячего распыления.

Именно эта характеристика холодного распыления делает его столь привлекательным для использования в качестве метода нанесения покрытий или восстановления размеров с сохранением уникальных свойств материала порошка.

В процессе холодного распыления покрытия могут осаждаться со скоростью более 20 фунтов/ч (1 фунт — 450 грамм). За считанные секунды можно получить покрытие толщиной 0,030 дюйма (1 дюйм — 25,4 мм), в то время как нанесение гальванического покрытия такой же толщины займет более 30 часов.

Кроме того, холодное распыление позволяет использовать несколько материалов в одном процессе, обеспечивая возможность восстановления и получения твердого покрытия в одной операции.

Холодное распыление подходит для широкого спектра стандартных военных элементов и подложек, включая внутренние и внешние диаметры, поверхности и сложные профили, при этом метод достаточно экономичен.

Метод универсален тем, что может быть адаптирован для крупносерийного производства или использоваться в качестве портативного процесса для локального/точечного ремонта, а также может применяться в непредсказуемых полевых условиях, для работы требуется только воздушный компрессор и электроэнергия.

Во многих отраслях производства постоянно ведутся работы по замене хрома, поскольку стоимость процесса хромирования повышается в связи с увеличением затрат на соблюдение нормативных требований. В ходе этих разработок было установлено, что нельзя найти единое решение, подходящее для всех областей применения, в которых в настоящее время используется хром. Кроме того, стоимость, экологичность, скорость и качество покрытий, получаемых с помощью холодного распыления, выгодно отличаются от других конкурирующих технологий по замене хрома.

Разработки компаний ARL и UTRC включали в себя использование порошков, содержащих твердую и мягкую фазы, для получения покрытий с желаемой твердостью, адгезионными свойствами, износостойкостью и коррозионной стойкостью. Как правило, твердые частицы, такие как сферические плотные металлические частицы с твердостью 1200 HV, не осаждаются сами по себе из-за высокой твердости, которая ограничивает их способность к экстремальной пластической деформации в процессе холодного распыления, что является обязательным условием для образования плотного, адгезивного покрытия с минимальной пористостью. Для получения превосходного покрытия ключевым аспектом является деформация.

Решение заключается в сочетании высокотвердой фазы (например, карбиды или твердая металлическая фаза) и мягкой фазы (например, никель или кобальт) таким образом, чтобы мягкая фаза деформировалась и удерживала твердую фазу на достаточном уровне для получения покрытия с высокой твердостью. На данный момент исследуется и/или разрабатывается несколько традиционных и нетрадиционных методов создания таких порошков для холодного распыления.

К их числу относится механическое смешивание стандартных порошков, использование агломерированных металлокерамических порошков, грануляция твердых частиц с тонкодисперсным металлическим порошком, электроосаждение и химическое восстановление твердых частиц, высокоэнергетический помол и комбинации этих процессов.

В каждом методе важно правильно выбрать твердую и мягкую фазы, чтобы обеспечить максимальную совместимость, и определиться с необходимостью тепловой обработки для диффузионного взаимодействия двух фаз, чтобы они успешно прошли весь процесс холодного распыления.

Хромирование широко распространено благодаря относительно высокой твердости, оно применяется в самых разных ситуациях, связанных с износом, от абразивного износа до адгезионного износа и коррозионного истирания (фрикционная коррозия). В некоторых спецификациях по хромированию указывается требуемая твердость от 650 HV до 800 HV. Однако при типичном твердом хромировании твердость составляет примерно 850-900 HV. Это сравнительно высокая твердость; для холодного распыления она представляет собой наибольшую проблему, поэтому диапазону твердости было уделено особое внимание. Однако важно отметить особые характеристики хрома при определенных условиях. Износ можно оценить разными способами; как правило, лучшими методами считаются соответствующие реальным условиям эксплуатации компонента.

Типичные области применения:

• Вал с покрытием, вращающийся в бронзовом подшипнике со смазкой.
• Поршень с покрытием, скользящий по оси стеклонаполненного полимерного подшипника, и уплотнение вала в масляной пленке.
• Поверхность в неплотном контакте со сплавом инконель или сталью, которая испытывает колебательное движение при температуре от комнатной до повышенной в связи с вибрацией оборудования.
• Поверхность детали, которая соприкасается с гайкой или шайбой в процессе сборки или демонтажа.

Каждая из этих возможных ситуаций включает разный набор сопряженных поверхностей и видов движений и обычно оценивается с помощью полного испытания на уровне компонентов, которое входит в испытания подчиненных элементов, в соответствии с условиями эксплуатации. Для износостойкости важны также и другие аспекты, которые сокращают срок службы, что можно спрогнозировать, используя стандартные испытания. Наиболее критический и часто упускаемый из виду фактор, который, в конечном счете, приводит к отказу, это загрязнение в процессе эксплуатации. Это связано с тем, что хромирование не обеспечивает особой износостойкости в абразивной среде. С учетом этого факта и приведенного списка областей применения мы можем сравнить эти типы возможного износа:

• Износ при скольжении бронзы о постороннее загрязнение, а также загрязнения, включенные в сопряженные бронзовые поверхности.
• Истирание стекловолокна в подшипнике и внешние загрязнения между уплотнениями и подшипником, царапающие поршень и приводящие к дополнительному износу уплотнения и к утечке.
• Износ при вибрации металлических поверхностей при использовании сплава инконель или стали, приводящий к образованию стружки в процессе истирания, которая выступает в качестве постороннего абразивного элемента, а также высокая температура, контакт металлических поверхностей и коррозионное истирание.
• Соприкосновение с металлом при высокой нагрузке или высоком напряжении с возможным адгезионным износом или истиранием металлических поверхностей.

При проведении лабораторных испытаний на износ каждый из этих видов износа можно локализовать и классифицировать материалы относительно друг друга. Это позволяет определить конкретные плюсы и минусы выбранных материалов, но может и усложнить принятие решения. Необходимо найти разные материалы, которые имеют положительные показатели в нескольких типах испытаний, а затем провести эксперимент, более точно соответствующий сфере применения. Одним из примеров выступает испытание на износ в системе с возвратно-поступательным движением с помощью линейного механизма шар-по-плоскости по стандарту ASTM G133 с использованием шарикоподшипника диаметром 0,25 дюйма (6,3 мм) и образца с покрытием. При нанесении хромового покрытия на шарикоподшипник из стали M-50 в чистой, сухой окружающей среде износ крайне низкий.

Простая замена шарика из оксида алюминия более точно соответствует сочетанию материалов, которые могут присутствовать при загрязнении технической системы песком и/или подобными твердыми частицами. Это полностью меняет ситуацию, существенно увеличивая степень износа.

При нанесении металлокерамического покрытия методом высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF) с твердостью, близкой к хрому, показатели износа будут немного выше, чем у шарикоподшипника M-50, но существенно ниже, чем у глиноземного шарика.

В результате оценки микроструктуры десятков покрытий после холодного распыления, полученных из порошков ранее описанными методами, лучшие образцы с низкой пористостью, без трещин и расслоений из-за внутренних напряжений были выбраны для испытания на износ.

Была определена твердость 1362 HV200 и 904 HV200 для образцов CS-16-209-10 и CS-16-209-5, соответственно. Твердость обоих покрытий превысила стандартное пороговое значение твердости 850 HV200, выбранное для альтернативных хромированию методов.

Они были испытаны на износ согласно стандарту ASTM G133 и показали положительные результаты (результаты представлены на рисунке 3). На рисунке 4 показаны типичная микроструктура покрытия CrC-NiCr, полученного методом холодного распыления порошка от компании HC Stark, (порошок Amperit 587-074 -325+15 мкм).

Исходя из этих результатов, очевидно, что образцы, полученные методом холодного распыления WC-Co и Cr3C2-(Ni 20Cr), вполне сопоставимы с высококачественным покрытием, полученным методом HVOF. Различия, наблюдаемые между разными карбидными покрытиями, непосредственно связаны с соотношением карбида и металла в порошке. Если построить график зависимости от твердости, результаты будут схожими. Выпадающее значение показывает хромирование, которое эффективно в сочетании с таким материалом, как сталь, но дает плохой результат в сочетании с другими материалами, например, Al2O3.

ОБСУЖДЕНИЕ

Хромирование имеет множество свойств и широко применяется в самых разных технических областях благодаря относительной простоте и богатому опыту использования процесса.

Фактически, особые свойства хромирования могут не быть критическими факторами для всех областей применения, и понимание этого лежит в основе поиска соответствующих решений для его замены.

Например, хромированная поверхность, полностью погруженная в масляную ванну, может нуждаться в износостойкости хрома, но не в коррозионной стойкости. Равно как и в ситуации с восстановительным ремонтом, когда запрессованная поверхность имеет несоответствующий размер из-за некоторого повреждения, не связанного с эксплуатацией, и хромирование используется для восстановления размера поверхности, покрытие используется просто для заполнения пространства, а значит, не требуется твердость и, скорее всего, коррозионная стойкость хрома.

Последний пример: хром можно использовать для элементов, подверженных износу (например, абразивный износ), когда режим работы или износ не особенно благоприятны для хрома, но он был использован в связи с тем, что это известная технология. В связи с большим количеством полезных свойств хромирования, важно учитывать технические параметры материала, который его заменит.

Главная задача компании ARL состоит в том, чтобы сформировать несколько возможных решений и, в более широком смысле, изучить физические свойства материалов, из которых можно получить высокопрочные, высококачественные покрытия методом холодного распыления.

Таким образом, учитывая область применения и основные свойства, требуемые для этой области применения, можно выбрать один из нескольких вариантов, а в уникальных сферах применения, где можно извлечь особые преимущества из использования твердой или мягкой фазы, предоставляются инструменты, чтобы определить метод сочетания этих материалов для успешного выполнения холодного распыления.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Папырин А. Технология холодного распыления. Журнал Advanced Materials & Processes, сентябрь 2001 г., стр. 49.
2. Ван Стинкист Т.Х., Кинетика покрытий, нанесенных распылением. Журнал Surface & Coatings Technology,1999, 111, стр. 62
3. Столтенхофф T, Крив Х, Ричтер Х. Анализ процесса холодного распыления и полученных покрытий. Журнал Thermal Spray Technology, 2002, вып. 11(4), стр. 542.
4. Дикхуисен Р, Смит М. Газодинамические принципы холодного распыления. Журнал Thermal Spray Technology, 1998, 7(2), стр. 205.
5. Косарев В.Ф, Клинков С.В, Алхимов А.П, Папырин А.Н. Некоторые аспекты газодинамических принципов процесса холодного распыления. Журнал Thermal Spray Technology, 2003, вып. 12(2), стр. 265.
6. Груйикик M, Жао К.Л, Тонг К, ДеРозет В.С., Хелфритч Д. Анализ скорости удара частиц порошка в процессе динамического распыления холодного газа. Журнал Materials Science and Engineering A368, 2004, стр. 222.
7. Дикхуизен Р.К, Смит М.Ф., Гилмор Д.Л., Нейсер Р.А., Цзян К, Сэмпат С. Влияние высокоскоростного холодного распыления частиц. Журнал Thermal Spray Technology, 1999, вып. 8(4), стр. 559.
8. Груйикик М, Сэйлор Дж.Р., Бисли Д. Е., Дероссет В.С, Хелфритч Д. Вычислительный анализ межфазной связи между частицами порошка и подложкой в процессе динамического распыления холодного газа. Журнал Applied Surface Science, вып. 219, 2003, стр. 211.
9. Шампань В, редактор. Процесс осаждения материалов методом холодного распыления: основные принципы и области применения. Издательство Woodhead Publishing Limited, Абингтон-холл, Абингтон, Кембридж CB21 6AH, Великобритания, 2007, стр.57.
10. Шампань В.; Хелфритч Д.; Динавахи С.; Лейман П. Теоретическая и экспериментальная скорость частиц при холодном распылении. Журнал Thermal Spray Technology 2010 г. 6 августа. doi:10.1007/s11666-010-9530-z.

Хромирование

Химико-термические процессы насыщения поверхности деталей хромом называют хромированием. Различают твёрдое и декоративное хромирование. В первом случае обогащённый хромом слой создаёт износостойкую подложку, наличие которой увеличивает твёрдость и износостойкость основного материала.  Декоративное нанесение хрома на предметы своими руками больше используется дома, поскольку улучшает визуальное состояние объекта, придаёт ему блестящий вид.

Тэги:Химико-термическая обработка

Цели хромирования

В промышленности такая обработка заменяет металлизацию — поверхностное покрытие деталей и инструментов. Среди них:

• Сопловые устройства;
• Пильные цепи;
• Подвижные детали насосов и компрессоров;
• Детали автомобилей, прядильного оборудования;
• Паросиловая арматура;
• Штампы для холодной штамповки.

Подобные технологии распространены в автомобилестроении, авиакосмической промышленности, строительстве, используются при производстве мебели (см. рис. 1).

Для хромирования идеально подходят части оборудования, подвергающиеся воздействию едких элементов. Хромсодержащая поверхность снижает риск образования ржавчины и повышает прочность основного материала, улучшает смазывающую способность. Хром не только предотвращает износ машин, но и обеспечивает дополнительную производительность, поскольку меньшее трение устраняет риск перегрева длительно работающих деталей.

Обеспечивая лучшую функциональность, покрытие снижает вероятность заклинивания машины, а также восстанавливает размер изношенных деталей, в некоторых случаях возвращая им первоначальные размеры. Твёрдость и долговечность слоя являются залогом повышенной долговечности изделий, даже в условиях жёсткого механического контакта и износа.

Поверхность после обработки устойчива к коррозии, что делает её пригодной для использования в суровых условиях или там, где другие материалы/покрытия не отличаются требуемыми показателями износостойкости.

Для хромирования дома годятся любые стали (в том числе, нержавеющие), большинство чёрных и цветных металлов и сплавов. Исключениями являются магний, алюминий и титан, которые обычно требуют подслоя из цинка, меди или никеля, а также специальных методов покрытия. В последние годы новые процессы позволяют покрыть хромом изделия из пластика.

Технологии хромирования

Наибольшее распространение получили два вида процессов – диффузионный (см. рис. 2)

и хромированиегальваникой(см. рис. 3).

Цель — осаждение хрома гальванически на поверхности других материалов, прежде всего металлов, реализуется при преобразовании электрической энергии, подводимой к электродам в растворе (состоящем преимущественно из хромовой кислоты), в химическую энергию с образованием металлического хрома. Чтобы нанести хромовый слой на заготовку, необходимо подать электрический заряд к ванне или контейнеру, которые содержат хромовый ангидрид. Электрический заряд запускает химическую реакцию, при которой металл осаждается на объекте.

Хромирование можно сделать сплошным или прерывистым.Прерывистые отложения образуются путем осаждения хрома на микропористую никелевую пластину. Выбор вида покрытия зависит от требуемого уровня коррозионной стойкости. Выход из строя блестящей хромированной пластины часто происходит из-за коррозии, начинающейся в случайных трещинах или порах на поверхности хрома (см. рис. 4).

Поскольку эти трещины или поры расположены относительно широко, ток, развиваемый парой хром/никель, концентрируется в нескольких точках. В этих точках образуются глубокие микрополости, которые быстро проникают через никелевое покрытие и подложку компонента. Создание несплошностей на поверхности приводит к распространению тока коррозии и замедлению скорости коррозии.

Для хромирования электролитическим способом обычно используется электролиз:

• Шестивалентным хромом;
• Сульфатными катализаторами;
• Сульфатно-фторидными катализаторами;
• Сульфатно-фторидно-органическими катализаторами;
• Саморегулирующимися высокоскоростными катализаторами.

Основные характеристики электрохимического процесса:

1. Концентрация окиси хрома, г/л – от 180 до 500.
2. Соотношение количества окиси хрома к объёму серной кислоты – от 100:1 до 300:1.
3. Температура обработки, 0С – 100…115.
4. Катодная плотность тока, А/дм² – 60…110.

С ростом этих показателей качество улучшается.

В последнее время эффективно внедряется в производство вакуумное хромирование, КПД которого увеличивается из-за отсутствия потерь и загрязнений электролита. В домашних условиях часто используют химическую обработку, которую можно проводить при комнатной температуре.

Этапы проведения и используемое оборудование

Хромирование начинается с очистки и обезжиривания заготовки (см. рис. 5).

После того, как изделие тщательно очищено от загрязнений, его помещают в ванну/контейнер, наполненный ангидридом хрома. Затем к контейнеру прикладывается электрический заряд, тем самым запуская химическую реакцию, в результате которой хром осаждается или диффундирует в поверхность материала. В некоторых случаях, в зависимости от требований, покрытие далее шлифуют и полируют.

Состав оборудования для хромирования определяется видом процесса — декоративное или твёрдое, в зависимости от размеров слоя, содержащего хром.Захромировать с декоративными целями можно на толщину 0,05… 0,5 мкм. Слой диффузионного происхождения значительно толще своего декоративного аналога, и может достигать 1…3 мм.

Растворы обычно содержатся в резервуарах с ПВХ-футеровкой и нагреваются либо с помощью погружных электронагревателей с кварцевым или тефлоновым слоем, либо паровыми змеевиками.

Используются аноды из оловянно-свинцового сплава. В резервуаре они служат двум целям: в качестве положительного электрода, и для поддержания удовлетворительного баланса раствора по условию повторного окисления трёхвалентного хрома до хромовой кислоты. Площадь анода должна покрыть всю гальваническую нагрузку. При условии пропускания тока через раствор хрома происходит выделение газов на анодах, которые покрываются плёнкой темно-шоколадного цвета.

Источники питания обычно рассчитываются на напряжение до 15 В. Важно сделать хорошую изоляцию всех токопроводящих материалов от внешнего источника питания, чтобы снизить риск образования блуждающих токов. Исключение можно сделать для пластика (см. рис. 6).

Ограничения и дефекты

Компоненты, используемые в рассматриваемых процессах, токсичны, поэтому в составе промышленного оборудования должны входить устройства, обеспечивающие улавливание испарений (см. рис. 7).

Во время электролиза хромовой кислоты образуется туман, который необходимо контролировать с помощью средств подавления тумана, в сочетании с местной вытяжной вентиляцией. Запатентованные химические средства подавления тумана обычно основаны на перфтороктановых сульфонатах. Однако сами эти материалы также токсичны из-за их стойкости в окружающей среде и эффекта биоаккумуляции у млекопитающих.

Из-за плохой рассеивающей способности растворов для твердого хромирования обычным явлением считается использование вспомогательных анодов и экранов. Все варианты требуют наличия оборудования для экстракции. Дело в том, что твёрдое хромирование очень неэффективно с электрохимической точки зрения и генерирует значительное количество газообразного водорода на катоде. Для снижения поверхностного натяжения приходится применять поверхностно-активные вещества, которые неблагоприятно воздействуют на окружающую среду.

Все растворы хрома накапливаются в загрязняющих веществах, и важно свести их концентрацию к минимуму, поскольку они отрицательно влияют на качество покрытия и снижают его проводимость. Это приводит к увеличению напряжения, необходимого для поддержания плотности тока. Данный недостаток в большей степени относится к твердому, чем к декоративному хромированию.

Удаление металлических загрязнений можно сделать с помощью технологии пористых ёмкостей, электродиализа или ионного обмена. Ионный обмен необходимо использовать только с разбавленным раствором, чтобы избежать воздействия на покрытие ванны. Очищенный раствор затем возвращают в резервуар.

Недостатками процесса являются также:

• Ограничение по размерам обрабатываемых деталей;
• Энергозатратность;
• Цена.

Хромирование в домашних условиях

Хромирование своими руками можно выполнить несколькими способами. Самый простой — применение аэрозольной краски, которая содержит металлический хром, которой следует равномерно покрыть объект (например, фару или приборы). Другой вариант — приобрести набор, который включает деионизированную воду и состав для хромирования. Важно знать, что в обоих вариантах используются ядовитые химические вещества, поэтому дома следует соблюдать меры предосторожности и работать в хорошо вентилируемом помещении. В частности, обязательны маска, защитные очки и перчатки из кислотостойкой резины.

Этапы работ:

1. Сделать промывку объекта под струёй холодной воды.
2. Подготовка — обезжиривание и очистка от загрязнений.
3. Полировка поверхности при помощи жёсткой губки.
4. Распыление (согласно инструкции) хромсодержащего компонента из аэрозольного баллончика на поверхность.
5. Сушка на открытом воздухе. Через 2…3 часа хромированный предмет следует перевернуть.

Хромированная поверхность, созданная своими руками, обычно сохраняет стойкость в течение 6…8 месяцев, после чего объект можно вновь подвергать хромированию.

Твердое хромирование: продлевает срок службы вашего оборудования

Твердое хромирование: продлевает срок службы вашего оборудования

Вероятно, когда вы слышите термины «хромирование», «хромирование» или даже просто термин Вы визуализируете блестящую металлическую поверхность. Поп-культура перепрыгнула через всеобщее обозрение, поскольку выглядит круто и олицетворяет силу и долговечность. Но помимо эстетики, хром обладает уникальным набором характеристик, которые обеспечивают ценность во многих промышленных и коммерческих приложениях.

В этой статье мы рассмотрим краткую историю хромирования, что представляет собой процесс хромирования и как промышленность использует его многочисленные преимущества. Но прежде чем мы пойдем дальше, давайте ответим на самый популярный вопрос о хроме…

Жесткий хром — это то же самое, что декоративный хром?

Короткий ответ — нет. Самая большая разница заключается в наносимой толщине. Хотя процесс похож, твердое хромирование и декоративное хромирование выполняют разные функции:

Твердый хром используется в промышленных или коммерческих целях для увеличения срока службы и повышения производительности оборудования, особенно того, которое подвергается интенсивному многократному использованию или подвергается воздействию экстремальных температур или климата.
Декоративный хром в основном используется для эстетической привлекательности. Хотя он имеет те же преимущества, что и твердый хром, он наносится намного тоньше и не выдерживает тяжелого промышленного или коммерческого использования. Подумайте об автомобильной промышленности и классических автомобилях с хромированными бамперами и зеркалами и т. д.

Что такое твердое хромирование?

Твердое хромирование  – это форма гальванического покрытия, популярная благодаря использованию в качестве поверхностного покрытия. Его давно ценят за его твердость, способность минимизировать износ при скольжении, защиту от коррозии и продление срока службы металлических деталей. Его можно найти во многих областях применения, таких как гидравлические и пневматические цилиндры, валы и роторы насосов, поворотные стойки и корпуса, а также скважинные инструменты. . Во многих случаях он используется на компонентах, где есть контакт металл-металл между движущимися частями из-за его низкого коэффициента трения.

Термины «промышленный хром», «инженерный хром» и даже просто «твердый хром» взаимозаменяемы и описывают один и тот же процесс.

Твердый хром можно наносить толщиной от 0,0005” до 0,025” (0,012 мм – 0,635 мм) для широкого спектра применений. Твердое хромирование относится к «холодным» процессам, при которых рабочая температура 50 – 65 градусов Цельсия гарантирует отсутствие ухудшения физико-механических свойств основного материала.

Итак, почему Hard Chrome так популярен?

Успех твердого хромирования можно объяснить многочисленными преимуществами и уникальными характеристиками процесса. Одной только повышенной твердости было бы недостаточно для обеспечения широкого использования из-за большого количества доступных твердых материалов и процессов закалки. Именно сочетание перечисленных ниже улучшенных качеств дает хромированию такие замечательные результаты.

Повышенная твердость 

Электроосажденный хром чрезвычайно твердый, обычно 66–70 HRC. За счет твердого хромирования твердость поверхности вашего компонента увеличивается без изменения его свойств.

Низкое трение

Твердый хром имеет очень низкий коэффициент трения по сравнению со сталью. Это позволяет компоненту работать при более низкой температуре во время работы, продлевая срок службы вашего оборудования.

Износостойкость 

Высокая твердость и низкие фрикционные свойства твердого хрома обеспечивают превосходную стойкость к истиранию и механическому контакту.

Коррозионная стойкость

Твердый хром обладает очень высокой устойчивостью к атмосферному окислению и хорошей устойчивостью к большинству окислителей и восстановителей (за исключением хлоридов и других галогенидов).

Временный износостойкий слой 

Поскольку твердые хромовые отложения могут быть удалены с помощью химических растворителей без разрушения основного материала, деталь можно снимать и повторно наносить покрытие при износе.

Удержание смазки 

Характеристика микротрещин твердого хрома позволяет удерживать масло, что улучшает смазывающую способность деталей с гальваническим покрытием.

Ступень гидроцилиндра опускается в электролитическую ванну для подготовки к твердому хромированию

Процесс гальванического покрытия

Гальваническое покрытие представляет собой процесс нанесения металлического покрытия на другой кусок металла (или проводящую поверхность) посредством электроосаждения. Хромирование, меднение и серебрение — все это особые виды гальванического покрытия.

И анод, и катод (деталь, подлежащая покрытию) погружаются в электролитическую ванну, состоящую из раствора солей, включая металл, подлежащий покрытию. Через раствор пропускают постоянный электрический ток, вызывая перенос ионов металла на катодную поверхность.

В результате получается полностью прилипший слой хрома, который продлевает срок службы ваших деталей и компонентов.

Подготовка заготовки

Перед хромированием заготовку необходимо подготовить для идеального сцепления хрома. Все остаточные следы грязи и поверхностных загрязнений удаляются вручную, а изделие обезжиривается для удаления сильных загрязнений.

Следующим этапом является предварительная полировка. Заготовка доводится до постоянного размера и чистоты поверхности. Это делается либо путем прохождения шлифовальной ленты по токарному элементу, либо путем шлифования.

Затем, перед нанесением покрытия, заготовку маскируют, чтобы обеспечить хромирование только намеченных участков заготовки. Это достигается за счет использования лент, щитов и специальных обшивочных приспособлений, составляющих удерживающий механизм. Специальные приспособления обычно производятся для бесчисленных форм и размеров компонентов, которые необходимо хромировать.

Толщиномер покрытия, используемый для неразрушающего измерения немагнитных покрытий на стали, таких как хромирование

Отделка

После покрытия заготовка вынимается из ванны и полируется или шлифуется до точного размера. Может быть достигнута почти любая требуемая отделка, но из-за его чрезвычайной твердости необходимо использовать подходящие камни, ремни, колеса.

Полая заготовка, такая как ступень гидроцилиндра, хонингуется для удаления остатков хрома на внутреннем диаметре. Большинство хонинговальных и шлифовальных мастерских квалифицированы для заточки или шлифовки хрома. При необходимости обратитесь в местный магазин хрома.

Вывод

Благодаря сочетанию множества свойств и преимуществ, которыми не обладает ни один другой доступный процесс, твердое хромирование обеспечивает ценность почти во всех основных отраслях промышленности, и так уже почти столетие.

Как и в любом промышленном процессе, при работе с хромом должны быть установлены строгие правила охраны здоровья и техники безопасности, а экологические стандарты должны строго контролироваться и соблюдаться.

Но при надлежащем обращении и уходе многие преимущества твердого хромирования могут работать на вас, продлевая срок службы вашего оборудования и сокращая дорогостоящие простои.

Социальный обмен

Центр экологических ресурсов поверхностных технологий

Аэрокосмическая промышленность переходит на PVD-покрытие вместо твердого хрома

Поиск подходящей замены твердому хрому на аэрокосмических компонентах был ключевым приоритетом цепочки поставок для производителей самолетов.

Это связано с документально подтвержденными рисками для здоровья рабочих и воздействием на окружающую среду шестивалентного хрома, канцерогена, возникающего в процессе хромирования, и наиболее токсичной формы хрома.

В результате хром является химическим веществом, строго регулируемым на основных мировых рынках. В Европейском Союзе шестивалентный хром подпадает под действие Регламента Европейского Союза о регистрации, оценке, разрешении и ограничении использования химических веществ (REACH), который устанавливает правила безопасного использования химических веществ на протяжении всей цепочки поставок. Хром также строго регулируется в Соединенных Штатах Управлением по безопасности и гигиене труда (OSHA).

Однако замена твердого хрома подходящей альтернативой остается серьезной проблемой для аэрокосмической промышленности из-за его широкого использования в качестве поверхностного покрытия на многих компонентах. Долго ценившийся за свою твердость, способность минимизировать износ при скольжении, защиту от коррозии и продление срока службы металлических деталей, твердый хром можно найти во многих областях, таких как авиационные конструкции, шасси, опоры двигателя и воздушные рамы. Во многих случаях он используется на компонентах, где есть контакт металл-металл между движущимися частями из-за его низкого коэффициента трения.

В результате процесс замены твердого хрома требует от аэрокосмических компаний критической оценки того, почему они использовали твердый хром в первую очередь, и определения проблем, которые он решал, поскольку теперь они стремятся заменить его альтернативой. Это огромная задача, поскольку каждая деталь, в которой в настоящее время используется твердый хром, должна быть проверена на предмет ее функциональности, возможности соединения с другими деталями, механизмов износа, потребности в смазке и условий эксплуатации. Этот анализ необходим, поскольку точной замены твердому хрому не существует.

Существует также возможность достижения превосходных характеристик при оценке замен твердого хрома. Несмотря на его широкое распространение, твердый хром не лишен проблем с характеристиками, которые включают ограничения его твердости и защиты от коррозии, трудности с применением в углублениях и резьбах, а также риск питтинга и выкрашивания (отслаивания) в условиях высоких нагрузок.

Покрытия PVD
Одной из альтернатив, которая все чаще используется в аэрокосмической промышленности, являются покрытия методом физического осаждения из паровой фазы (PVD), прочная, неопасная, соответствующая REACH альтернатива твердому хрому. Покрытия PVD обладают многими из тех же преимуществ и в некоторых отношениях превосходят твердый хром.

PVD описывает различные методы вакуумного напыления, которые можно использовать для получения тонких покрытий. PVD обычно используется для покрытия компонентов при относительно низких температурах покрытия от 160°C до 500°C. Эти температуры идеальны, потому что они ниже температуры отпуска сталей, чтобы избежать изменения основных свойств материала.

Среди вариантов PVD есть несколько покрытий на основе углерода, которые сочетают в себе чрезвычайную твердость поверхности, низкий коэффициент трения и антикоррозионные свойства. Например, BALINIT C от поставщика покрытий Oerlikon Balzers привлек внимание некоторых крупнейших мировых производителей аэрокосмической техники, включая Airbus.

BALINET C обычно используется для подшипников и втулок шасси самолета и его соединения с рамой самолета. Airbus расширил использование BALINIT C, включив в него медные сплавы. Ранее Airbus одобрил использование PVD-покрытия на стальных, титановых и инконелевых подложках.

Техническая квалификация BALINIT C как неопасного и соответствующего REACH варианта твердого хромирования завершает процесс промышленной квалификации Airbus для производственных центров Oerlikon Balzers UK и Oerlikon Balzers France.

«Компания Airbus подтвердила, что наше покрытие BALINIT C соответствует их техническим и промышленным требованиям, — сказал Тоби Миддлмисс, менеджер глобального аэрокосмического сегмента компании Oerlikon Balzers.

Oerlikon Balzers использует смесь металла и алмазоподобного углерода для создания BALINIT C, покрытия из карбида вольфрама/углерода (WC/C). Покрытие наносится толщиной от 1 мкм до 5 мкм, что позволяет использовать его на подшипниках качения и деталях шасси. Создает яркую отделку, а однородность этого покрытия исключает необходимость пост-финишной обработки, экономя время и деньги. Это явное преимущество по сравнению с твердым хромом, который необходимо шлифовать до допусков и полировать для получения однородной поверхности.

BALINIT C обеспечивает более сильную адгезию к металлическим поверхностям, чем твердый хром, высокую несущую способность и высокий уровень устойчивости к истиранию (адгезионному износу). Благодаря низкому коэффициенту трения он снижает точечную и фреттинг-коррозию на скользящих или движущихся частях самолета, таких как приводы, системы направляющих закрылков и насосы. Это делает покрытие идеальным для работы в условиях низкого смазывания и даже при работе всухую.

Подшипники — еще один компонент, подверженный сильному и непропорционально распределенному абразивному износу. Покрытие особенно подходит для цементируемых сталей, а также сталей для шарико- и роликоподшипников, поскольку его можно наносить при температурах ниже 200°C.

Покрытие может наноситься не только на внутренние и внешние кольца и цилиндры, но и на шарики в шарикоподшипниках с очень равномерной толщиной покрытия от 0,5 мкм до 1 мкм. Небольшое увеличение шероховатости компенсируется хорошими полирующими свойствами покрытия, сглаживающим дорожки качения внутреннего и наружного колец, обеспечивая дополнительную защиту от задиров и точечной коррозии.

С ростом применения PVD-покрытий лидерами отрасли, такими как Airbus, возможность в конечном итоге полностью исключить твердый хром из аэрокосмической промышленности становится все более очевидной.

«Для аэрокосмической промышленности было непросто заменить твердый хром, потому что найти точную замену не так просто — каждая альтернатива будет немного отличаться», — говорит Миддлмисс. «Поэтому производителям пришлось вернуться к чертежной доске и оценить, почему твердый хром был использован в первую очередь, каково его применение и какие подходящие альтернативы могут работать.