Всем добрый день!
Тема сегодняшней статьи — хромирование. Сфера применения этого покрытия огромная. Оно используется в декоративных целях на всяких бытовых безделушках и в составе серьезных сложных агрегатов, таких как гидроцилиндры и амортизаторы. И если в первом случае повреждение хромового покрытия не приведет ни к чему серьезнее падения настроения за впустую потраченные деньги, то во втором случае всё может закончиться большими проблемами. Вот о применениях хрома на ответственных деталях и поговорим.
Как именно хромировать я в этой статье не расскажу, а обращу внимание на ряд тонких нюансов, которые, возможно, будут полезны как людям, напрямую связанным с нанесением покрытия и обслуживанием агрегатов, так и просто любознательным коллегам из других отраслей промышленности и науки. Дополнительно хочу акцентировать внимание, что никаких названий пароходов, самолетов и поездов в тексте статьи не будет. Во-первых, это бессмысленно, так как от сферы применения химия и физика процесса не меняется, а во-вторых, упоминать именованные су��ности мне никто право не давал. Надеваем спецодежду и проходим на участок хромирования.
Часть 1. Знакомство
Хромирование, как следует из названия, это процесс осаждения на поверхности детали металлического хрома. Хром является катодным покрытием по отношению к стали, а значит, при повреждении до металла корродировать будет именно основной металл, приводя к его разрушению. Отдельно осложняет ситуацию тот факт, что хром, особенно с высокой твердостью, склонен к образованию трещин в силу сильных напряжений в покрытии. Поэтому применяют специфические приемы для предотвращения дефектов, эти методы мы рассмотрим ниже.
Хром может осаждаться в разных вариантах, и в самом простом случае выделяют молочный хром, твердый хром и черный хром. Это классификация неполная и может быть расширена. Молочный хром характеризуется небольшой твердостью, имеет молочный оттенок, и чаще всего для его получения требуется более высокие температуры электролита. За счет того, что он имеет относительно небольшую твердость, он менее склонен к образованию трещин и может быть использован как подслой для нанесения другого, твердого хрома.
Второй вид — твердый хром, как понятно из названия, обладает высокой твердостью, порядка 1000 кгс/мм2, цвет у него более чистый, металлический. За счет высокой твердости у него чаще образуются трещины, но есть ряд технологических нюансов, которые помогут снизить вероятность этого печального события.
С черным хромом я не работал, поэтому о нём мне, к сожалению, сказать нечего.
Хром может наносится на разные материалы, среди которых на первом месте различные стали. Кроме неё хром может быть нанесен на титан, медь и никель напрямую, а с подслоем может быть нанесен даже на пластмассу (я бы посмотрел на хромированный шток из пластмассы).
Стоит сказать, что хромирование не единственное покрытие, которое значительно увеличивает твердость поверхности детали. Так, уже достаточно давно разработаны методы нанесения покрытия на базе карбидов и нитридов металлов, таких как HVOF (высокоскоростное напыление металлов). И хотя такие покрытия отличаются высокой твердостью (выше, чем у хрома) и более высокой скоростью нанесения, в серийном производстве хромирование остается очень востребованным процессом. В первую очередь из-за цены и относительно несложного технологического оснащения.
Как-то раз у нас возникла идея заменить хромирование на HVOF. Мы взяли типовую деталь, посчитали стоимость оборудования, стоимость материалов и время нанесения. Получилось, что по сравнению с хромированием стоимость нанесения увеличивается почти в 800 раз. Следовательно, замена в лоб - не самая хорошая идея, хотя я не исключаю, что при пересмотре геометрии и требований к детали HVOF может оказаться экономически целесообразнее.
Хромирование — процесс непростой. Несмотря на то, что он дешевле HVOF, он всё же остается очень дорогим, и компаний, которые могут качественно его сделать, немного.
Теперь, когда получили представление о хромовом покрытии, перейдем к нюансам технологии.
Часть 2. Подготовка
В процессе хромирования ответственных деталей, которые будут работать на трение в критических узлах, немаловажную роль имеет подготовка детали и последующая обработка готового покрытия. Я бы даже сказал, что это важнее даже, чем сам процесс хромирования.
Подготовка детали под хром должна начинаться задолго до погружения детали в ванну с электролитом. Самая первая задача — это подготовить поверхность, на которую будет нанесен хром. Редко хром для узлов трения накладывают в толщинах, равных толщинам кадмия или цинка. Его кладут в толщинах, которые исчисляются десятками микрометров, а иногда в сотнях микрометров. А раз такая большая толщина, то на этапе механической обработки детали обязательно требуется учесть такую большую толщину хрома и выполнить деталь с занижением размера. В противном случае практически гарантируется, что окончательно изготовленная деталь не будет соответствовать либо по толщине хрома, либо по размеру поверхности, на которую нанесли покрытие. Всё-таки сотни микрометров порой значительно превышают поле допуска по выбранному квалитету.
Второе и опять немаловажное — это качество поверхности. Правило тут следующее: покрытие снижает класс поверхности (то есть увеличивает шероховатость) примерно на 1–2 класса. Таким образом, подав на хромирование деталь с классом 10 (Ra 0,16 мкм), вы с большой долей вероятности получите из ванны деталь с классом 8 (Ra 0,63 мкм). Следовательно, этот нюанс тоже необходимо учитывать, чтобы не получилось так, что качество поверхности не соответствует чертежу, а размер под полировку уже весь выбран.
Третий важный аспект подготовки — прижоги. Прижоги — это такая вещь, которую, перефразируя классика, никто н�� видит, но они есть. Чтобы понять, что это такое, немного пофантазируем. Представим, что у нас есть вал на станке и он вращается. Вращается быстро, потому что план надо сдавать, начальник торопит, а у токаря вообще сегодня день рождения и надо поскорее закончить работу. И вот он на огромной скорости подачи, да ещё и тупым резцом начинает елозить по детали. Деталь греется, СОЖ (если есть) дымит, но работа спорится, и работник довольный идет домой пораньше. А потом через пару дней (или недель) при полировке хрома осыпается покрытие. Кто виноват? Явно же, что хромировщик. Кто так хром кладёт?
В данной ситуации хромировщик, возможно, виноват, но виноват только в том, что не проверил деталь на прижоги перед хромированием. Настоящий виновник — тот самый токарь. Из-за того, что в месте обработки был локальный перегрев, структура стали изменилась, и через это слой хрома, который лег сверху, закрепился очень плохо.
Для того чтобы таких ситуаций не было, надо, во-первых, строго соблюдать режимы обработки, не допуская перегревов детали выше определенного значения. Во-вторых, проверять деталь перед хромированием на эти самые прижоги. Сложность в их выявлении состоит в том, что прижоги не видны без применения специальных химических составов, да и сами эти составы выявляют прижоги не всегда однозначно. Надо иметь некоторый опыт в их выявлении.
Ладно, с подготовкой детали мы ещё не закончили.
Четвертый аспект подготовки — снятие напряжения. Как известно из курса материаловедения, в материалах при их обработке могут накапливаться внутренние напряжения. Учтем, что хром у нас твердый, то есть его эластичность стремится к нулю. Если не снять напряжение перед хромированием, то мы можем ожидать сетку трещин после хромирования. Почему? Потому что любая система стремится занять положение с наименьшей энергией, и сталь не исключение. Все эти напряжения слегка изменят геометрию детали, буквально на доли микрометров, и хром начнет трескаться. Так что низким отпуском после механической обработки желательно не пренебрегать.
Пятый аспект (когда это уже кончится!). Хромирование приводит к наводороживанию стали. Чем больше толщина, чем дольше висит деталь в электролите, тем больше водорода переходит в сталь. Однако мы ещё не начали хромировать, зачем сейчас-то об этом говорить? А затем, что надо действовать на упреждение и упрочнить поверхность детали перед хромированием. Так мы снивелируем ту потерю прочности, что будет после хромирования. Методов упрочнения достаточно, самый простой из которых — пескоструйная обработка (не забываем про класс поверхности перед покрытием).
Резюмируя вышесказанное, перед покрытием желательно:
Точно рассчитать припуск.
Создать правильную шероховатость.
Проверить на скрытые дефекты.
Снять внутренние напряжения.
Упрочнить поверхность.
И вот теперь, когда все нюансы учтены, можно передавать деталь на нанесение покрытия. Как вы думаете, сколько времени занимает соблюдение всех описанных выше процедур?
Часть 3. Хромирование
Процесс, ради которого всё и затевалось. Ядро всей строгой системы по изготовлению нашей крайне ответственной детали. Чтобы не усложнять и без того не простую технологию, примем, что мы наносим твердый хром на низколегированную сталь напрямую, без подслоя.
Самый типовой электролит — это водный раствор хромового ангидрида и серной кислоты. Есть разные электролиты и разные режимы нанесения, но на них я останавливаться не буду. Интересующиеся могут посмотреть в ГОСТ 9.305, либо спросить в личных сообщениях, я всегда готов к диалогу.
Основная сложность при хромировании из стандартного электролита — низкая рассеивающая способность. Это значит, что, как и в случае с хлористоаммонийным кадмированием, пазы, углы и отверстия очень трудно покрыть равномерно. Практически для каждой детали требуется изготавливать собственную оснастку, а для деталей, где нужно покрыть внутренние поверхности, изготовление внутреннего анода обязательно.
Вторая проблема — низкий выход по току, около 15%. Эта цифра нам говорит, что большинство электроэнергии при хромировании уйдет на выработку водорода, а не на осаждение хрома. Водорода выделяется здесь значительно больше, чем при кадмировании, и сталь наводораживается очень сильно. Осложняется ситуация тем, что хром растет не быстро, примерно 30 мкм/час, а его толщины, как я ранее говорил, обычно большие, поэтому нередки случаи, когда деталь находится в ванне хромирования 3 часа и более. За это время очень много водорода успевает попасть в деталь.
Большое количество водорода накладывает ограничения. Так, после хромирования в течение ограниченного времени надо обязательно провести процесс обезводороживания, особенно это касается деталей, которым работать в нагруженных силовых узлах. Кроме того, ряд исследователей не рекомендует перехромировать детали более двух раз даже при условии своевременного обезводороживания, как раз из-за накопления водорода в структуре.
Ещё надо упомянуть, что перед хромированием необходима активация поверхности. Это можно проводить несколькими путями, например, травлением в соляной кислоте или применив так называемое анодное декапирование. Потом часто ещё делают удар током, чтобы инициировать процесс.
Ладно, допустим, мы деталь хромом покрыли и обезводороживание сделали. Идем дальше.
Часть 4. Обработка после хромирования
И вот у нас лежит ровная красивая чистая деталь. Хром на ней даже блестит как будто, но на тот, что на гидроцилиндрах, он ещё не похож. Он какой-то не очень блестящий и шероховатый.
Это всё потому, о чем я говорил ранее: класс поверхности ухудшился, даже если мы подали на покрытие деталь, похожую на зеркало. Теперь надо шлифовать и полировать.
Часто хром кладут с запасом по толщине специально, чтобы при шлифовке было «мясо» для выведения нужной шероховатости. Дополнительно шлифовка является проверкой, контролем сцепления хрома с поверхностью. Если при шлифовке хром отвалился, значит была проблема на предыдущих этапах производства и выявлен дефект.
После шлифовки также часто делают низкий отпуск, потому что напряжения в хроме после шлифовки тоже никто не отменял. В особых случаях можно верхнюю поверхность упрочнить дополнительно, если это требуется условиями эксплуатации.
Как я ранее говорил, назначение хрома не совсем в антикоррозийной защите, и к тому же он склонен к трещинам. Чаще всего его антикоррозионная защита в узлах трения не требуется, так как там предусмотрена смазка, хотя бы гидравлическое масло, но в некоторых случаях может быть применено фосфатирование с последующей гидрофобизацией прям по хрому. Фосфатирование закроет поры и трещины до основного металла, а гидрофобизация защитит фосфатирование от влаги.
И вот, после стольких трудов можно передавать деталь на сборку. Если всё прошло хорошо, ОТК поставит штамп, а саму деталь установят на изделие, где она прослужит долгие долгие годы. В моей практике были случаи, когда хромированные детали даже после 30 лет беспрерывной эксплуатации не требовали перепокрытия.
А на сегодня у меня всё.
С уважением, Иван Яковлев, к.х.н.
Если после статьи остались общие вопросы по технологии — задавайте в комментариях.
Если же вопрос касается вашего конкретного технологического процесса, детали или возникшей проблемы — пожалуйста, пишите в личные сообщения. Во-первых, это часто связано с NDA, а во-вторых, такие вопросы требуют углублённого разбора.
