Электролиты, используемые для хромирования

Хромирование. Сущность процесса, состав электролитов, режимы осаждения. Область применения. Достоинства, недостатки. Вредные и опасные производственные факторы при хромировании.

Хромирование служит для получения мелкозернистых покрытий микротвердостью 4000... 12 000 МПа с низким коэффициентом трения и высокой сцепляемостью. Хром химически стоек против воз­действия многих кислот и щелочей, жароустойчив, что обеспечива­ет деталям высокую износостойкость даже в тяжелых условиях экс­плуатации, превышающую в 2...5 раз износостойкость закаленной стали. Наибольшая износостойкость покрытия получается при твердости 7000...9200 МПа.

Однако хромирование — энергоемкий, дорогой и малопроизво­дительный процесс. Его используют для следующих целей:

защитно-декоративное хромирование арматуры автомобилей, велосипедов, мотоциклов, вагонов и т.д.;

увеличение износостойкости и ресурса пресс-форм, штампов, измерительных и режущих инструментов, трущихся поверхностей деталей машин (поршневых колец, штоков гидроцилиндров, плун­жеров топливных насосов) и др.;

восстановление малоизношенных ответственных деталей авто­мобилей, тракторов и различного оборудования;

повышение отражательной способности при изготовлении зер­кал, отражателей и рефлекторов.

Для этого процесса в отличие от других характерны следующие особенности.

1. Главным компонентом электролита служит хромовый ангидрид (СЮ₃), образующий при растворении в воде хромовую кислоту (СгО₃ + Н₂О = Н2СЮ4). Главный компонент при других процессах — соль осаждаемого металла. Хром осаждается лишь при наличии в электролите определенного количества посторонних анионов, чаще всего сульфатов (ЗО^). Он шестивалентен в электролите. На катоде осаждается двухвалентный металлический хром. Механизм его осаждения весьма сложен и еще недостаточно изучен.

2. Большая часть тока расходуется на побочные процессы, в том числе на разложение воды и обильное выделение водорода, в ре­зультате чего выход хрома по току мал (10...40 %). С увеличением концентрации и температуры электролита выход по току уменьша­ется, тогда как при осаждении других металлов, наоборот, увеличи­вается.

3. Хромовый анод растворяется при электролизе с анодным вы­ходом по току, в 7...8 раз превышающим выход по току на катоде. В результате концентрация ионов хрома в электролите непрерывно возрастает. Применяют нерастворимые аноды, изготовленные из свинца или из сплава свинца с 6 % сурьмы. При использовании не­растворимых анодов электролит постоянно обедняется и его необ­ходимо периодически контролировать и корректировать, добавляя хромовый ангидрид.

Для хромирования применяют простые сульфатные электроли­ты № 1,2 и 3, состоящие из хромового ангидрида, серной кислоты и воды (табл. 3.17).

Номер электролита

Компонент, г/л:

хромовый ангидрид

серная кислота

сернокислый стронций

кремнефгористый калий

углекислый кальций

сернокислый кобальт Режим:

температура электролита, °С 50...65 45...60 40...50 50...65 18...25

плотность тока, А/дм² 30...100 20...60 15...3О 40...100 100...300

выход по току, % 15...18 12...14 8...12 18...20 35...40

На процесс большое влияние оказывает соотношение между концентрациями хромового ангидрида СгОз и серной кислоты Н2ЗО4. Для осаждения покрытий хорошего качества и с наиболь­шим выходом по току необходимо, чтобы оно было равным 100 (до­пускается изменение от 90 до 120). С этой же целью в электролите должно быть 1...2% (от количества СгОз) ионов трехвалентного хрома, который получают проработкой электролита током плотно­стью 4...6 А/дм² при температуре 45...50°С и соотношении 5'_к:5_а = 4...6.

Малоконцентрированный (разведенный) электролит № 1 отли­чается лучшей рассеивающей способностью и более высоким выхо­дом по току. Покрытия, полученные в нем, характеризуются наи­большей твердостью и износостойкостью. Однако электролит нуж­дается в частом добавлении СгО₃, и его применяют при износостой­ком хромировании и восстановлении изношенных деталей.

Концентрированный электролит № 3 отличается низким выхо­дом по току и плохой рассеивающей способностью. Вместе с тем он обладает большей стабильностью по концентрации СгО₃ и соотно­шению СгО₃: Н2ЗО4, не требует высокого напряжения на ванне. В _Нем осаждаются плотные и менее напряженные покрытия. Этот электролит используют при защитно-декоративном хромировании деталей сложной конфигурации.

С помощью электролита № 2 получают как твердые износостой­кие покрытия, так и покрытия с хорошими защитно-декоративны­ми свойствами. Его обычно называют универсальным или стандар­тным.

В электролите № 4 соотношение хромового ангидрида и суль­фатионов (5О4) поддерживается на заданном уровне автомати­чески за счет введения сернокислого стронция (5г8О₄) и крем-нефтористого калия (К^Рг), у которых ограниченная раствори­мость. Такой электролит называют саморегулирующимся.

Введенные в электролит соли в количествах, превышающих свою растворимость, будут находиться в небольшом избытке на дне ванны р виде твердой фазы. Содержание ионов 80^" в растворе при изменении концентрации СгО₃ будет постоянным за счет частично­го растворения этого избытка.

К достоинствам такого электролита по сравнению с сульфатны­ми относят следующие: стабильность состава, что уменьшает часто­ту его корректировки; колебания температуры электролита и плот­ности тока меньше отражаются на внешнем виде покрытий и выхо­де по току; хорошая рассеивающая способность и более высокие свойства покрытий; большой выход по току (18...20 %) позволяет в 1,3... 1,5 раза увеличить производительность хромирования.

Однако саморегулирующийся электролит более сложен по со­ставу, чувствителен к хлоридам и характеризуется большой агрес­сивностью. Последняя приводит к тому, что участки деталей, кото­рые не покрываются хромом (вследствие низкой плотности тока на них, экранирования и т. д.), растворяются в электролите, даже буду­чи катодно поляризованными. Поэтому такой электролит не полу­чил широкого применения.

Саморегулирующийся холодный электролит № 5 имеет высокие выход по току (35...40%) и скорость осаждения хрома (0,18... 0,50 мм/ч), примерно в 10 раз превышающую скорость осаждения из обычных электролитов при хорошем качестве покрытий. Однако для поддержания температуры 18...25 "С при плотности тока до 300 А/дм² требуется мощный холодильный агрегат.

Обезжиренные детали завешивают в ванну, выдерживают 0,5... 1,5 мин и подвергают анодному травлению по режиму, описан­ному ранее. Затем переключают полярность и устанавливают задан­ный режим. В случае покрытия рельефных и чугунных деталей для Улучшения равномерности покрытий рекомендуется в начале элек­тролиза давать «толчок» тока (ток в 1,5...2 раза превышает расчетное значение), а спустя 1...2 мин его постепенно снижают до заданного значения. Благодаря этому удается осадить хром на углубленных участках детали.

В универсальном электролите в зависимости от назначения по­крытий рекомендуются соответственно следующие температура электролита и плотность тока: для защитно-декоративного блестя­щего хромирования — 50 °С и 15...25 А/дм², для повышения изно­состойкости и восстановления малоизношенных деталей — 55 "С и 50...60 А/дм², при хромировании изношенных деталей с большой толщиной покрытия — около 67 °С и 100 А/дм².

Площадь поверхности свинцовых анодов должна в 2 раза превы­шать площадь хромируемой поверхности. Расположение анодов и деталей в ванне такое же, как и при железнении.

Обычные хромовые покрытия плохо смачиваются маслами и прирабатываются. Чтобы повысить износостойкость деталей, ра­ботающих при больших давлении и температуре и недостаточной смазке, следует применять пористое хромирование. Пористый хром представляет собой покрытие, на поверхности которого специально создаются большое количество пор или сетка тре­щин, достаточно широких для проникновения в них масла. Его можно получить механическим, химическим и электрохимичес­ким способами.

Наиболее широко используют электрохимический способ. Он заключается в том, что покрытие осаждают с сеткой микротрещин. Для их расширения и углубления покрытие подвергают анодной обработке в электролите того же состава, что и при хромировании (поверхность трещин активнее и растворяется гораздо быстрее дру­гих участков хрома). В зависимости от режима хромирования и анодного травления можно выполнить канальчатую и точечную по­ристость.

Для образования пористых покрытий деталь хромируют в уни­версальном электролите при плотности тока 40...50 А/дм², а затем переключают полярность ванны и проводят анодное травление при той же плотности. Канальчатую пористость получают при темпера­туре электролита 58...62 "С и продолжительности травления 6...9 мин, а точечную — 50...52 °С и 10... 12 мин. На анодное травле­ние оставляют припуск 0,01...0,02 мм на диаметр.

Пористое хромирование поршневых колец увеличивает их изно­состойкость в 2...3 раза, а износостойкость гильзы — в 1,5 раза.

Цинкование чаще всего применяют в ремонтном производстве для защиты от коррозии крепежных деталей и восстановления по­садочных поверхностей малонагруженных деталей.

Для этого используют следующие электролиты (табл. 3.18): кис­лые (№ 1), щелочные (№ 2 и 3), цинкатные (№ 2), аммиакатные (№ 3). Чтобы увеличить плотность тока и производительность про­цесса, их нужно перемешивать.

Кислые электролиты характеризуются плохой рассеивающей способностью, а покрытия, полученные в них, — меньшей корро­зионной стойкостью, чем в щелочных. В то же время они устойчи­вы, допускают применение высокой плотности тока при выходе