Свойства хрома и покрытых им предметов
Хром (Cr) - 24-й элемент периодической системы Менделеева. В чистом виде он представляет собой голубовато-белый металл, имеющий характерный металлический блеск. На воздухе хром пассивируется - на его поверхности появляется плотная плёнка, защищающая его от коррозии и потемнения. Учёные применили это свойство на практике - они разработали технологии хромирования, позволяющие покрыть предметы тонким слоем хрома, придать им эффектный блеск и сделать стойкими к негативным внешним воздействиям.
Изделия, обработанные хромированием, приобретают сразу несколько заслуживающих внимания свойств, в числе которых:
- привлекательный внешний вид;
- высокая твёрдость;
- нечувствительность к коррозии;
- износостойкость;
- жаропрочность.
Типы покрытий из хрома
Хромовые покрытия, наносимые на изделия, по назначению делятся на функциональные и декоративные.
Функциональные покрытия из хрома повышают механическую и коррозионную стойкость форм, инструментов, элементов клапанов, частей паросилового оборудования, валов полиграфических машин и других деталей, работающих под нагрузкой. Они замедляют их износ и увеличивают срок их службы. Такие покрытия, толщина которых достигает нескольких миллиметров, наносятся на изделия из стали, титана, алюминия, иных металлов и сплавов.
Рисунок 1. Хромирование бытовых приборов.
Декоративные покрытия из хрома придают изделиям привлекательный блеск и, как и функциональные, защищают их от коррозии. Их наносят на видимые детали кузовов автомобилей, полотенцесушители, смесители и иные сантехнические изделия, статуэтки и многие другие предметы, которые должны эффектно выглядеть. Толщина декоративных хромовых покрытий невелика - как правило, она варьируется от 0,2 до 0,7 мкм. Во многих случаев хром наносится не на материал изделия, а на предварительно созданный подслой из никеля и меди.
Рисунок 2. Покрытие из хрома в сантехнике.
Электролитическое хромирование
Перед обработкой изделие тщательно очищают, полностью удаляя с него загрязнения. После этого переходят к хромированию по той или иной технологии. Большое распространение получила электролитическая обработка.
Очищенную деталь помещают в кислотоупорный резервуар с водяной рубашкой, наполненный электролитом - как правило, на основе шестивалентного хрома. В состав электролита входят серная кислота и хромовый ангидрид строго определённой плотности.
На следующем этапе задаётся необходимая температура электролита и обрабатываемого изделия. От неё зависит, каким будет результат:
- при температуре около 50°С на детали образуется красивое декоративное покрытие из хрома;
- при температуре 55-60°С получают прочное, коррозионно- и износостойкое функциональное покрытие.
В конструкцию резервуара входят аноды, изготовленные из свинца с добавлением сурьмы или олова. С их помощью через электролит пропускают постоянный электрический ток определённой плотности:
- при 25 А / кв. дм выполняют обработку изделий в декоративных целях;
- при 60 А / кв. дм получают функциональное покрытие из хрома.
Ток, протекающий через электролит, запускает процесс электролиза. В жидкой смеси серной кислоты и хромового ангидрида выделяются катионы хрома. Они осаждаются на поверхности обрабатываемого изделия, образуя покрытие с требуемыми свойствами.
Слой хрома, образующийся на деталях при электролизе, хрупок. Чтобы сделать его прочнее, изделия в некоторых случаях подвергают длительной термической обработке при температуре приблизительно 200°С.
Диффузное хромирование
Обрабатываемая деталь и смесь для металлизации, состоящая из феррохрома и шамота, помещаются в печь. В ней они нагреваются до высокой - варьирующейся от 700 до 1400 - температуры. Атомы хрома, выделяющиеся из смеси, диффундируют (проникают) в поверхностный слой изделия, формируя прочное и долговечное покрытие. Чтобы реакция шла быстрее, используют хлористый аммоний, образующий активные летучие соединения хрома.
Вакуумное хромирование
У этой технологии есть ещё одно название - PVD-процесс. Она применяется для создания покрытий на алюминиевых изделиях. Обрабатываемую деталь и металлический хром помещают в вакуумную камеру. Здесь металл нагревается до температуры, при которой начинается его испарение. Атомы хрома оседают на защищаемой поверхности. Слой, который они образуют, в большинстве случаев тонкий и непрочный, поэтому его дополнительно покрывают лаком.
Химическое хромирование
Эта технология применима для обработки как металлических изделий, так и предметов из диэлектриков. В первую очередь обрабатываемую поверхность тщательно очищают и обезжиривают. При необходимости на ней создают дополнительный слой - например, из меди. Резервуар заполняют водным раствором для хромирования, содержащим соли хрома. Жидкость нагревают до определённой - как правило, равной 80°С - температуры. Обрабатываемое изделие помещают в резервуар и выдерживают в нём несколько часов. В ходе хромирования из раствора солей восстанавливается хром, который затем оседает на поверхности детали, формируя на ней защитный слой. В последнюю очередь обработанное изделие промывают и просушивают.
Во многих случаях покрытие из хрома, получаемое химическим методом, имеет недостаточную прочность. Для её увеличения изделие подвергают термической обработке при высокой - как правило, варьирующейся от 300 до 400°С - температуре. Происходит диффузия атомов хрома, и созданное покрытие прочно соединяется с материалом детали.
Гидрофобизация
Чтобы сделать покрытие из хрома максимально стойким к коррозии, выполняют его гидрофобизацию. Хромированные поверхности обрабатывают растворами солей жирных кислот. На изделии адсорбируются молекулы используемого соединения, при этом покрытие становится гидрофобным - значительно уменьшается его смачиваемость водой и растворами на её основе. Капли, попадающие на обработанное изделие, легко стекают с него - вероятность появления очагов коррозии резко уменьшается.
Существующие риски и их устранение
Многие процессы, протекающие при хромировании, опасны для человека и окружающей среды. Так, при электролитической обработке используются агрессивные жидкости, способные причинить вред даже в разбавленном состоянии. Реактивы, применяемые при химическом хромировании, образуют токсичные испарения. Существует риск проникновения ядовитых соединений хрома в сточные воды. Для нейтрализации перечисленных угроз принимается комплекс мер:
- персонал использует индивидуальные средства защиты - специальную одежду, перчатки, фартуки, респираторы, очки;
- с сотрудниками проводят инструктаж по технике безопасности;
- в помещениях организуют эффективную вентиляцию;
- сточные воды подвергают тщательной очистке с целью обезвреживания токсичных соединений хрома.
Учёные разрабатывают технологии, способные стать альтернативой хромированию и уменьшить или полностью устранить перечисленные риски. Одной из них стало скоростное газоплазменное напыление, которое разработали в ответ на ограничение хромирования, введённое в Европе директивой RoHS в 2003 году.
