Czym się kierować przy wyborze techniki chromowania?
Chromowanie to jeden z procesów, które są chętnie wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu. Dzięki unikalnym właściwościom chromu powłoki z tego pierwiastka stosuje się często do ochrony innych metali – zwłaszcza stali – przed pływem czynników zewnętrznych. Rozpowszechnione jest używanie chromu do zabezpieczeń przeciwkorozyjnych. Chrom tworzy na powierzchni stali cienką – najczęściej mającą około 0,15 mm grubości jednorodną warstwę, która ulega pasywacji, powodując powstanie tlenku chromu i blokując przedostawanie się atomów tlenu do zabezpieczanej stali.
Chromowanie bywa również używane ze względu na dużą odporność chromu na wysoką temperaturę – jego temperatura topnienia wynosi ponad 1800°C, podczas gdy dla stali w zależności od rodzaju stopu będzie to około 1400–1500°C. Możliwość pokrywania metalu warstwą chromu to również sposób na podniesienie twardości. Powłoki utwardzające składające się z tego pierwiastka są w stanie osiągać nawet 1600–2000 HV (twardość w skali Brinela). Wysoka twardość oznacza dużą odporność na zarysowania, a także na ścieranie się powierzchni materiału. Coraz częściej chrom jest używany również jako powłoka dekoracyjna, ponieważ pozwala na uzyskanie lśniącego, lustrzanego efektu, który zapewnia atrakcyjny wygląd metali, z jakich wykonano różne elementy użytkowe i ozdobne od metalowych uchwytów i kranów po fragmenty mebli. Przyjrzyjmy się bliżej metodom ulepszania powierzchni metali, zobaczmy, które z nich sprawdzają się najlepiej w przypadku chromowania oraz sprawdźmy, jakie są zalety ich stosowania.
Chromowanie jako proces ulepszania powierzchni
Ulepszanie powierzchni w celu zachowania podstawowych właściwości materiału oraz powiększenia jego możliwości w wybranym zakresie, jest stosowane od dawna, a wiele wykonywanych obecnie procesów technologicznych ma swoje źródła w działaniu pracujących przed wiekami rzemieślników. Początki niektórych metod mają swe korzenie w czasach antycznych, jak choćby hartowanie czy nawęglanie stali, inne pojawiły się wraz z intensywnym rozwojem techniki i przemysłu od XVIII i XIX wieku. Chrom został wprawdzie odkryty dość późno, bo dopiero w 1797 roku dokonał tego francuski chemik Louis Nicolas Vauquelin, jednak jego różne zastosowania – w tym z wykorzystaniem galwanizacji czy tworzeniem stali chromowej – pojawiły się już w połowie XIX wieku. Dziś dokonania w inżynierii powierzchni pozwalają na wprowadzanie nowoczesnych i przyjaznych środowisku metod, takich jak choćby chromowanie w roztworze chromu trójwartościowego, które pozwoliło wyeliminować szkodliwą dla środowiska, nie zawsze bezpieczną i powodującą powstawanie trudnych do zutylizowania odpadów metodę korzystającą z chromu sześciowartościowego.
Procesy stosowane w inżynierii powierzchni związane z możliwością wpływania na parametry jego zewnętrznej warstwy, wykorzystują wiele różnych technologii i metod. Znajdują się wśród nich zarówno mechaniczne czy cieplno-mechaniczne, takie jak tradycyjne platerowanie, ale też bardziej nowoczesne natryskiwanie szeroko używane choćby przy nanoszeniu powłok cynkowych. Są również techniki fizyczne związane z implantacją jonów, czy cieplne pozwalające na hartowanie lub napawanie. Wiele technologii wykorzystuje procesy cieplno-chemiczne – w tym rozmaite sposoby nasycania powierzchni m.in. nasycanie dyfuzyjne, używane również przy nakładaniu warstw chromu oraz chemiczne i elektrochemiczne łączące się np. z trawieniem, a także osadzaniem elektrolitycznym nazywanym też galwanicznym.
Rodzaj zastosowanej metody ulepszania powierzchni jest ściśle związany z własnościami podłoża, które musi, zachowując kluczowe parametry, być w stanie znieść oddziaływanie czynników, wymaganych do wykonania powłoki w konkretny sposób. Liczą się także możliwości nanoszenia warstwy w określonych warunkach oraz zachowanie różnych materiałów powłokowych przy poszczególnych sposobach ich aplikacji. Ważny jest również efekt, który ma zostać osiągnięty. Zupełnie inne wymagania będą stawiane powłokom dekoracyjnym czy zabezpieczającym przed działaniem czynników zewnętrznych o odmiennym spektrum działania – wywoływaniu korozji, oddziaływaniu temperatury czy chemikaliów – a inne wówczas, gdy w grę wchodzi zmiana parametrów samego materiału przez przekształcenie jego struktury wewnętrznej jak przy hartowaniu albo składu chemicznego, jak przy nawęglaniu bądź azotowaniu.
Chromowanie techniczne metodami dyfuzyjnymi
Wzbogacanie materiału chromem może być przeprowadzane na różne sposoby. W przypadku, gdy niezbędna jest zmiana składu chemicznego metalu przez wprowadzenie do jego struktury innych pierwiastków, wykorzystywana jest metoda dyfuzji. W jej wyniku materiał – gdy chodzi o stal, będzie to konkretny stop, składający się z węgla, żelaza oraz wybranych dodatków stopowych – jest powierzchniowo nasycany chromem. Chromowanie dyfuzyjne zwane też technicznym jest najczęściej prowadzone w stosunkowo wysokiej temperaturze, która sięga od około 900 do 1100°C i może trwać do 10 godzin. Proces ten jest prowadzony w środowisku gazowym, w ciałach stałych – specjalnie przygotowanych proszkach – a także w kąpielach w cieczach lub pastach czy fluidach. W środowisku gazowym dyfuzja przebiega w obecności gazu obojętnego – argonu albo azotu – oraz halogenków chromu. Gdy używane są ciała stałe, proszek jest zwykle mieszanką tlenku aluminium i aktywatorów w postaci chlorku lub jodku amonu i chromu albo żelazochromu. W przypadku kąpieli używane są sole obojętne – chlorek sodu albo chlorek baru – a także chlorki chromu. Rodzajem chromowania dyfuzyjnego jest chromowanie próżniowe, zachodzące w mocno obniżonej temperaturze. W procesie wykorzystuje się rozdrobniony żelazochrom lub chrom metaliczny w postaci proszku oraz parach chromu. Niezbędne jest podniesienie temperatury do nawet 1300°C oraz odpowiednie chłodzenie.
W wyniku chromowania dyfuzyjnego powstaje materiał z powierzchnią zawierającą węgliki (Cr,Fe)7C3 oraz (Cr,Fe)23C6. W niektórych przypadkach warstwa zewnętrzna zawiera także węglikoazotki (Cr,Fe)2(C,N). Grubość materiału zawierającego węgliki chromu oscyluje od 0,005 do 0,04 mm. Materiał poddany chromowaniu dyfuzyjnemu może zyskać twardość dochodzącą do 1500 HV. Powierzchnie uzyskiwane w chromowaniu dyfuzyjnym to na ogół wymagające szczególnej obróbki części i podzespoły maszyn pracujące w bardzo wymagających warunkach ze względu na występujące tarcie, obciążenia termiczne, a także oddziaływania mechaniczne. Mogą to być zarówno narzędzia przeznaczone do obróbki – ostrza służące do skrawania, cięcia – jak i powierzchnie do obróbki plastycznej. W procesie chromowania dyfuzyjnego powstają również formy ciśnieniowe do wysokotemperaturowych tworzyw i kompozytów, a także do szkła.
Galwanizacja dzięki chromowaniu w kąpieli z roztworu chromu trójwartościowego
Zupełnie inny przebieg oraz zakres stosowania ma chromowanie wykonywane przy pomocy metod elektrochemicznych, a zatem nanoszenie chromu w procesie galwanicznym. W tym przypadku odpowiednia powłoka powstaje w wyniku pokrywania metalu stanowiącego rdzeń i będącego katodą przez jony metalu mającego wytworzyć na nim właściwą warstwę dzięki działaniu prądu elektrycznego. Materiał, który ma zostać pokryty powłoką galwaniczną, jest zanurzany w roztworze, zawierającym rozpuszczone jony metalu, mającego stanowić nanoszoną warstwę, razem z elektrodą z niego zrobioną. Wraz z przepływem prądu elektrycznego jony osadzają się na powierzchni katody, tworząc rozbudowujące się zarodki krystalizacji. Własności powłoki galwanicznej zależą od prawidłowego doboru wykorzystywanego roztworu, temperatury oraz parametrów używanego prądu elektrycznego. Pokrywanie metalu powłoką galwaniczną wiąże się z jej wysoką spójnością i jednolitością pod względem wymiarów, a także niewielką porowatością oraz wysokim stopniem czystości.
Proces chromowania metodą galwaniczną jest stosowany od dawna. W przeszłości był wykonywany z użyciem chromu sześciowartościowego (Cr6+), jednak ze względu na swoją szkodliwość (miał on działanie sprzyjające powstawaniu nowotworów, zwłaszcza płuc, a jego opary były szczególnie drażniące i mogły wywoływać owrzodzenia czy choroby układu oddechowego) oraz problemy z utylizacją powstających odpadów i zanieczyszczeń ze stosowanych materiałów pomocniczych np. ołowiu czy baru, obecnie stosowane są kąpiele w chromie trójwartościowym. W zależności od stosowanej technologii używany roztwór może zawierać siarczany i chlorki z anodami grafitowymi lub tytanowymi, siarczany wraz z anodami nierozpuszczalnymi z katalizatorem czy też siarczany łączone z anodami ołowianymi z membraną z kwasu siarkowego. Używanie chromu trójwartościowego (Cr3+) pozwala na obniżenie stężenia jego zawartości przy uzyskiwaniu identycznych efektów. Jedyną wadą używania chromu trójwartościowego jest nieco wolniejszy przebieg procesu, jednak jest to rekompensowane przez znacznie łatwiejsze zagospodarowywanie powstających ścieków.
Metoda chromowania przez galwanizację przy wykorzystaniu chromu trójwartościowego pozwala na wytwarzanie powłok ochronnych, które skutecznie zabezpieczają żelazo i jego stopy przed korozją, a także dają możliwość tworzenia powłok dekoracyjnych. Oba rodzaje zabezpieczeń są szeroko wykorzystywane w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym, meblarskim, przy produkcji mebli, czy różnych elementów narażonych na działanie warunków atmosferycznych lub podwyższonych temperatur. Galwanizację stosuje się również do wytwarzania niektórych powłok technicznych, zwłaszcza tam, gdzie liczy się właściwa porowatość powierzchni, która może ułatwić gromadzenie środków smarnych i odpowiednią redukcję powstającego tarcia.