16.2. Хромирование

Хромирование получило широкое распространение как для вос­становления деталей и повышения их износостойкости, так и для декоративных и противокоррозионных целей.

Преимущества электролитического хрома: электролитичес­кий хром — металл серебристо-белого цвета с высокой микро­твердостью 400... 1200 МН/м² (в 1,5... 2,0 раза выше, чем при закалке ТВЧ), близкой к микротвердости корунда; обладает высокой из­носостойкостью, особенно в абразивной среде (в 2...3 раза по срав­нению с закаленной сталью); устойчивостью в отношении хими­ческих и температурных воздействий, причем высокая коррозион­ная стойкость сочетается с красивым внешним видом; имеет низкий коэффициент трения (на 50 % ниже, чем у стали и чугуна); высо­кую прочность сцепления покрытия с поверхностью детали.

Недостатки хромирования и хромового покрытия: низкий выход металла по току (8...42%); небольшая скорость отложения осадков (0,03 мм/ч); высокая агрессивность электролита; большое количество ядовитых выделений, образующихся при электролизе; толщина отложения покрытия практически не превышает 0,3 мм; гладкий хром плохо удерживает смазочное масло.

Электролитические осаждения хрома отличаются от других галь­ванических процессов как по составу электролита, так и по усло­виям протекания процесса. Эти особенности состоят в следующем:

в качестве электролита используют хромовую кислоту (водный рас­твор хромового ангидрида СгО₃) с небольшими добавками серной кислоты (H₂SO₄), а не растворы их солей, как при осаждении других металлов. Концентрация хромового ангидрида в электролите может колебаться в широких пределах — от 100 до 400 г/л, а серной кислоты — от 1 до 4 г/л (причем соотношение CrO₃: H₂SO₄ должно на­ходиться в пределах 90... 120). В этом случае выход по току хрома наи­больший и процесс идет устойчиво. Количество трехвалентного хро­ма в ванне должно быть 3...4% содержания хромового ангидрида;

электролиз в хромовокислых электролитах ведется с нераство­римыми свинцово-сурьмистыми анодами. Применение раствори­мых хромовых анодов невозможно ввиду того, что анодный выход по току хрома в 6...8 раз выше катодного;

процесс осаждения хрома проводится при высокой катодной плотности тока (D_к = 20…30 А/дм₂). При повышении катодной плотности тока увеличиваются твердость осадка и хрупкость слоя, а при пониженных значениях D_к осадки получаются пластичными;

обратная зависимость выхода по току от температуры электро­лита и его концентрации. С повышением концентрации электро­лита выход по току резко понижается, тогда как в большинстве других гальванических процессов выход по току повышается;

хромовые ванны имеют плохую растворяющую способность, т. е. толщина осадков оказывается неравномерной в зависимости от положения анода по отношению к детали (катоду). На ближайших к аноду участках получается большая толщина слоя, а на удален­ных — меньшая;

возникновение значительных растягивающих напряжений в элек­тролитически осажденном слое. Напряжение тем больше, чем тол­ще покрытие. При определенной толщине растягивающие напря­жения достигают таких значений, которые приводят к отслоению покрытия. В хромовых покрытиях в связи с этим снижается устало­стная прочность на 20...30%.

Указанные недостатки хромовых покрытий накладывают огра­ничение на максимально допустимую толщину слоя, которая не должна превышать 0,3 мм.

В зависимости от вида хрома выбирают состав электролита и определяют режим нанесения покрытия (табл. 16.2). Время, необ­ходимое для получения заданной толщины покрытия, рассчиты­вают по формуле (16.3). В ремонтной практике наибольшее распро­странение получил универсальный электролит.

Таблица 16.2 Состав электролитов и режимы хромирования

Наименование компонентов и параметров	Электролит и условия электролиза
	Разведен­ный	Универсаль­ный	Концентриро­ванный
Хромовый ангидрид (Сг03), г/л	120. ..150	200. ..250	350. ..400
Серная кислота (H2SО4), г/л	1,2. ..1,5	2,0. ..2, 5	3,5... 4,0
Температура электролита, С	40. ..100	20. ..60	15. ..30
Плотность тока, А/дм2	50. ..65	45. ..55	40. ..50
Выход по току, %	16. ..18	13. ..15	10. ..12

При хромировании получают блестящие, молочные или серые покрытия (рис. 16.3). Блестящий хром характеризуется высокой мик­ротвердостью (600...900 МН/м²), мелкой сеткой трещин, види­мой под микроскопом. Осадки хрупкие, но с высокой износостой­костью. Молочный хром характеризуется пониженной микротвердостыо (400...600 МН/м²), пластичностью и высокой коррозионной стойкостью. Серый хром отличается весьма высокой микротвердостью (900...1200 МН/м²) и повышенной хрупкостью, что снижает его износостойкость.

В зависимости от того, в каких условиях работает восстановлен­ная деталь, стремятся получить тот или иной вид осадка. Напри­мер, для деталей неподвижных соединений могут применяться как блестящие, так и молочные осадки. В подвижных соединениях, работающих при давлениях до 0,5 МПа, рекомендуются блестя­щие осадки; в деталях, работающих при давлениях свыше 5 МПа и знакопеременной нагрузке, — молочные осадки.

Саморегулирующий электролит. Его применяют для более устой­чивой работы ванн хромирования. Это достигается путем введения в ванну труднорастворимого сульфата стронция. Наиболее широ­кое распространение получил электро­лит следующего состава (г/л): хромовый ангидрид СгО₃ — 200...300, сульфат стронция SrSO₄ — 5,5...5,6, кремнефторид калия K₂SiF₆ — 18...20. Плотность тока D_к = 40...80 А/дм², температура 55...65°С. Выход по току в этом элект­ролите равен  = 17... 19%. Положи­тельные свойства электролита — возможность применения более высо­ких плотностей; скорость осаждения выше, чем в сернокислых электроли­тах; хорошая рассеивающая способ­ность; меньшая чувствительность к из­менению температуры и к загрязнению электролита железом, медью и другими металлами. Отрицательные с в о й с т в а: агрессивность и ядовитость электролита; детали подвесных приспособлений, аноды и детали ванн разрушаются больше, чем в сер­нокислом электролите.

Холодные электролиты в ремонтном производстве применяют двух типов: электролит с добавкой фтористых солей и тетрахроматные Наибольшее распространение для восстановления изношенных дета­лей получил тетрахроматный электролит следующего состава (г/л)-СгО₃ - 350...400, NaOH - 40...50, H₂SO₄ - 2...2,5, сахар - 1...2. Режим электролиза: катодная плотность тока D_к = 50... 100 А/дм² температура раствора — 17... 23 °С. Этот электролит позволяет полу­чать качественные осадки с большой производительностью (выход по току 30... 33 %), имеет меньшие внутренние напряжения. Покры­тия получаются более мягкие, беспористые (без трещин), серого оттенка, легко полируемые до зеркального блеска. Применяют для получения защитно-декоративных покрытий. Особенность тетрахроматных электролитов — малая агрессивность к углеродистым сталям. Поэтому вполне допустимо изготовление ванн для хромирования из малоуглеродистой листовой стали без дополнительной футеровки.

Саморегулирующийся холодный электролит — наиболее перспек­тивный электролит. Его состав (г/л): хромовый ангидрид — 380...420, кальций углекислый — 60...75, кобальт сернокислый — 18...20. Режим электролиза: катодная плотность D_к = 100...300 А/дм², тем­пература электролита — 18...25С. Преимущества электроли­та — высокий выход по току (35...40%). Недостаток — требу­ются мощные холодильные агрегаты для достижения 18... 25 °С при высокой плотности тока (до 200 А/дм²).

Специальные процессы хромирования. Пористое хромирование. При­меняют для повышения износостойкости деталей, работающих при больших давлениях и тем­пературах и недостаточ­ной смазке. Пористый хром представляет собой покрытие, на поверхнос­ти которого специально создается большое коли­чество пор или сетка тре­щин, достаточно широ­ких для проникновения в них масла. Его можно по­лучить механическим, хи­мическим и электрохими­ческим способами. Наибо­лее широко применяют электрохимический спо­соб, который заключает­ся в том, что хром осаж­дается при режиме блес­тящего хромирования, обусловливающем появление в покрытии сетки микротрещин. Для их расширения и углубления покрытие подвергают анодной обра­ботке в электролите того же состава, что и при хромировании, g зависимости от режима хромирования и анодного травления мож­но выполнить пористость двух типов: канальчатую и точечную. Для получения 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 тока. Канальчатую пористость получают при температу­ре электролита 58...62°С и продолжительности травления 6...9 мин, а точечную — при 50...52°С и 10... 12 мин. Пористые покрытия используют при размерном хромировании, например поршневых колец. Их толщина составляет 0,1...0,15 мм. Пористое хромирова­ние колец увеличивает их износостойкость в 2...3 раза, а износос­тойкость гильзы — в 1,5 раза. Детали, покрытые пористым хро­мом, обычно подвергают термообработке в масле при температуре 150... 200 °С в течение 1,5... 2 ч для устранения водородной хрупко­сти и насыщения пор маслом.

С труйное хромирование. Его проводят в саморегулирующемся электролите при температуре 50... 60 °С в широком диапазоне плот­ности тока, достигающей 200 А/дм². Скорость протекания электро­лита 40...60 см/с, катодно-анодное расстояние — 15 мм. При этом получают блестящие покрытия. Выход по току достигает 22 %, что вместе с высокой плотностью тока ускоряет процесс осаждения хрома: при t = 50 °С и D_к = 100 А/дм² скорость осаждения состав­ляет 0,1 мм/ч. При струйном хромировании в тетрахроматном элек­тролите высококачественные покрытия осаждаются при D_к = 150... 160 А/дм² со скоростью 0,25 мм/ч. В универсальном элект­ролите хромируют: при температуре — 50 °С, плотности тока — 70...90 А/дм², скорости протекания электролита — 100... 120 см/с, катодно-анодном расстоянии 15 мм. Скорость осаждения хрома со­ставляет 0,08...0,10 мм/ч. Схема установки для струйного хроми­рования показана на рис. 16.4.

Протонное хромирование. Оно обеспечивает блестящие покрытия повышенной твердости и износостойкости и улучшенной равно­мерности покрытия в универсальном электролите с повышенным содержанием серной кислоты (3...7 г/л) при температуре — 55...65°С, плотности тока — 100... 150 А/дм², скорости протекания электролита — 100... 120 см/с и межэлектродном расстоянии — 15...30 мм. Выход по току составляет 20...21 %. Способ эффективен Для хромирования цилиндров и коленчатых валов двигателей.