Пористое хромирование

Ценные физико-механические свойства электролитически осажденного хрома стали широко использовать в промышленности только после того, как были найдены пути удерживания смазочных масел на хромированной поверхности трущихся деталей. Несмотря на трещины, имеющиеся в нормальном блестящем хромовом покрытии, оно плохо смачивается смазочными маслами вследствие незначительной ширины и глубины этих трещин. По этой причине обычное хромовое покрытие, плохо служит при высоких удельных давлениях и высоких температурах. Происходят задиры трущихся поверхностей и выкрашивание хрома, что ускоряет износ. Смачиваемость твердых тел зависит от степени шероховатости их поверхности.

Рассмотренная выше трещиноватая структура хромовых покрытий широко использована в технике с целью улучшения смачиваемости и повышения сопротивления износу. Появилась новая технология так называемого пористого хромирования. Получающаяся при этом поверхность хорошо отполирована и пересекается узкими каналами, лежащими ниже поверхности контакта трущихся деталей. Каналы и поры образуют резервуары, в которых аккумулируется смазка, выдавливаемая на поверхность при упругой деформации металла. Вследствие капиллярных сил смазка по каналам продвигается от участков, где ее много, к участкам, где ее недостает.

Различают три метода получения пористых хромовых покрытий: механический, химический и электрохимический. Первый метод предусматривает нанесение рельефа на поверхность изделий при помощи режущего инструмента, а также обдувкой песком или дробью. После хромирования сохраняется полученный предварительно рельеф.

Химический метод заключается в обработке хромированных изделий соляной кислотой. При этом преимущественному растворению подвергается хром в местах пор и трещин. Следствием такого преимущественного растворения является расширение и углубление пор и трещин, т. е. увеличение шероховатости.

Наиболее широкое применение получил электрохимический метод, который заключается в дополнительной анодной обработке хромированных изделий в электролите такого же состава, в котором осуществляется само хромирование. При этом методе преимущественно растворяется хром в порах и трещинах *, вследствие чего происходит их расширение и углубление.

Пористое хромирование эффективно применяется для защиты от механического износа трущихся поверхностей — поршневых колец или цилиндров в двигателях внутреннего сгорания. Испытания автомобильных моторов в нормальных эксплуатационных условиях показали, что износ цилиндра, покрытого пористым хромом, понизился в 6—8 раз по сравнению с нехромированным, а износ колец снизился примерно в пять раз.

Сопротивление механическому износу трущихся хромированных деталей зависит в основном от структуры покрытия. Структура в свою очередь зависит главным образом от условий электролиза — температуры и плотности тока — и до некоторой степени от состава электролита. При пористом хромировании необходимо учитывать дополнительный фактор — длительность анодного травления.

При температуре электролита 55° С плотность тока почти не оказывает влияния на структуру хромовых осадков (рис. 111). С повышением концентрации электролита сетка каналов становится более редкой, и при концентрации 400 г/л переходит в единичные каналы. Ширина и глубина при этом увеличиваются, но в меньшей степени, чем при повышении температуры. Влияние увеличения отношения CrO3: аналогично влиянию повышения концентрации электролита или температуры — оно приводит к уменьшению густоты сетки. В пределах, обычно применяемых на практике, отношение CrO3: SO4- в меньшей степени сказывается, чем концентрация электролита или температура.

Решающее значение при анодном травлении имеет количество электричества, отнесенное к единице поверхности, условно названное интенсивностью травления. На рис. 112 показаны поверхность и поперечное сечение хрома после различного анодного травления (температура хромирования 60° С, плотность тока при хромировании 50 А/дм2, при анодном травлении 32 А/дм2). Количество растворенного хрома при анодном травлении пропорционально продолжительности (интенсивности) травления. По мере увеличения длительности травления сетка каналов становится все гуще. Ширина и глубина каналов увеличиваются, поверхность площадок уменьшается. Процесс расширения и углубления каналов сопровождается появлением новых, подповерхностых, сравнительно узких каналов.


Рис. 111. Влияние температуры и плотности тока на твердость хромовых покрытий. Цифры на кривых указывают плотность тока в А/дм2
Рис. 112. Влияние интенсивности анодного травления на структуру поверхности и поперечное сечение хрома, электроосажденного при 60° С. Х125 (при печати уменьшены на 3/ч):
а — 96 А · мин/дм2; 6 — 160 А · мин/дм2; в — 320 А · мин/дм2

Наиболее вероятной причиной предпочтительного растворения хрома в трещинах, по-видимому, является меньшая анодная стойкость наиболее деформированных участков хрома — они обладают наиболее электроотрицательным потенциалом. Чем больше поверхность хрома в трещинах, приходящаяся на 1 см2 поверхности покрытия, тем выше доля хрома, переходящего в раствор из глубины покрытия. Большая часть ионов низшей валентности образуется при растворении хрома по трещинам. При длительном травлении одиночных трещин анодный выход по току в расчете на CrVI составляет 106—108%.

На конечный результат анодной обработки хромированных изделий решающую роль играет режим хромирования, главным образом, температура электролита (рис. 113). Глубина каналов при данном режиме анодного травления составляет примерно третью часть покрытия при температуре хромирования 45° С, примерно половину толщины покрытия при 50—55° С, а при 65° С каналы прорезают толщину покрытия, равную 100 кмк.

Рис. 113. Влияние температуры хромирования на структуру пористого хрома. Х125 (при печати уменьшены на 3/4):
а — 45° С; б — 50° С; в — 55° С; г — 60° С; д — 65° С; е — 70° С

* В соляной кислоте хром активируется, а стандартный потенциал хрома электроотрицательнее потенциала железа, вследствие чего хром предпочтительно растворяется.