Galvani je leta 1791 izumil baterijo, ki je nato omogočila razvoj galvanostegije, torej nanašanje kovine na prevodne površine. Prvi elektroliti za kromiranje na industrijski ravni so bili uvedeni v drugi polovici 19. stoletja in izpopolnjeni v prvih letih 20. stoletja.
Razen manjših sprememb v formulacijah elektrolitov za kromiranje je do danes osnovna komponenta kopeli za kromiranje kromov trioksid CrO3, ki se imenuje kromova kislina, ko je v raztopini. Krom v tem elektrolitu je v šestvalentni obliki in njegove soli se imenujejo kromati.
Zaradi visoke toksičnosti kroma v njegovi šestvalentni obliki (Cr VI) so trenutno uvedene stroge omejitve njegove uporabe. Kovinski krom pa, čeprav je nanesen iz kopeli šestvalentnega kroma, nima omejitev uporabe, saj je inerten, in tudi njegovo raztapljanje v agresivnih okoljih ni problematično, saj se pretvori iz zerovalentnega kroma (Cr°) v trivalentni krom (Cr III), ki ni toksičen.
Zaradi nevarnosti šestvalentnega kroma je uredba REACh omejila njegovo uporabo na podjetja, ki so pridobila dovoljenje. Iz tega razloga so bili v zadnjih letih razviti elektroliti, ki za dekorativno kromiranje uporabljajo trivalentni krom namesto šestvalentnega kroma. Danes še ne obstajajo alternative šestvalentnemu kromu za trdo kromiranje z debelino.
Lastnosti kovinskega kroma, nanesenega elektrolitično, so dobro poznane in uporaba kromiranja je še vedno ena najbolj razširjenih metod za zaščito kovinskih predmetov pred korozijo in obrabo.
Kromiranje je tehnično mogoče razlikovati v dve vrsti prevlek, ki se uporabljata za različne namene:
- Trdo kromiranje z debelino
- Dekorativno kromiranje
TRDO KROMIRANJE Z DEBELINO
S postopkom kromiranja se neposredno na jeklo ali na drugo osnovno kovino nanaša funkcionalna plast kroma z namenom zagotavljanja visoke površinske trdote in zaščite dela pred obrabo in korozijo.
Prevleka trdega kroma je zelo razširjena, zlasti na delih preproste geometrije, ki so izpostavljeni abrazivni obrabi pri drsenju, kot so batnice hidravličnih in oleohidravličnih cilindrov, kalandrirni valji za papirnice ali grafiko in številne druge aplikacije, kjer sta trdota in sposobnost drsenja kroma neprekosljivi.
Debelina trdega kromiranja
Trdo kromiranje se nanaša z debelinami, ki lahko segajo od nekaj deset do več sto mikronov, odvisno od zahtevnosti uporabe.
Pri aplikacijah z visokimi obremenitvami drsenja ali hudo obrabo se nanaša plast z visoko debelino in nadaljuje z naknadnim brušenjem, da se omogoči doseganje pravilne hrapavosti in dimenzij ter izravnavanje nepravilnosti prevleke.
Precej pomembna omejitev kopeli za kromiranje je njena slaba penetracija v območja nizke gostote toka. Z drugimi besedami, tok, potreben za galvansko nanašanje, nagiba k nanašanju kroma na najbolj zunanje dele kosa, ki ga je treba prevleči. Posledično je plast kroma veliko debelejša na zunanjih robovih, medtem ko je redka ali celo neobstoječa v notranjih delih kompleksnega mehanskega kosa. Iz tega razloga se kljub izjemnim lastnostim uporablja predvsem na cilindričnih delih ali delih preprostih oblik.
Trdota in odpornost proti obrabi trdega kromiranja
Trdota kroma je visoka in se giblje od 800 do 1000HV, odvisno od načina nanašanja.
Trdo kromiranje je glavna prevleka, ko je potrebna zelo dobra sposobnost drsenja skupaj z maksimalno odpornostjo proti obrabi v situacijah zelo hude obrabe. Plast kroma, ko je nanešena pri maksimalni trdoti, je mikro-razpokana z razširjenimi razpokami in ta značilnost, če po eni strani zmanjšuje odpornost proti koroziji, po drugi strani omogoča oljnim snovem, da se naselijo v razpokah in izvajajo stalno rahlo mazanje, ki je zelo ugodno v primeru drsenja po tesnilih, kot pri hidravličnih dvigalih.
Odpornost proti koroziji trdega kromiranja
Odpornost proti koroziji je dokaj dobra, čeprav ni odlična, ko ni podprta s spodnjo prevleko, in to je posledica mikro-razpokanja plasti, ki omogoča korozijo osnovnega materiala po nekaj urah izpostavljenosti solni megli.
DEKORATIVNO KROMIRANJE
To je klasično svetlo kromiranje pip in delov, ki se uporabljajo v dekorativne namene, zaradi svetlega in privlačnega videza, ki se doseže na delu po obdelavi.
Imenuje se tudi nikelj-kromiranje, saj gre za dvojno prevleko, sestavljeno iz prve plasti elektrolitičnega niklanja, ki zagotavlja gladkost in sijaj, in naknadne plasti kroma, ki daje belo-modro barvo, konstantno skozi čas, in odpornost proti abraziji pri čiščenju zahvaljujoč svoji trdoti, kar omogoča ohranjanje sijaja kosa skozi čas.
Elektrolitični nikelj-krom ima nizke stroške in dekorativen ter sijajen videz, ki ga v estetiki ne dosegajo druge galvanske obdelave. Lahko trpi zaradi ne odlične oprijemljivosti na osnovno kovino in zato, tudi zaradi svoje neenakomernosti debeline, značilne za vse galvanske obdelave, se skoraj nikoli ne uporablja za funkcionalne namene na kosih precizne mehanike.
Debelina dekorativnega kromiranja
Debelina dekorativnega kromiranja je običajno približno 10-15µm. Elektrolitično niklanje ima debelino približno 10 µm, kromiranje pa se nanaša z zelo nizkimi debelinami, v povprečju okoli mikrona.
Odpornost proti koroziji dekorativnega kromiranja
Plast kroma, ker je mikro-razpokana, ne omogoča dobre odpornosti osnovnega materiala proti koroziji in zato pomaga plast elektrolitičnega niklja, ki poleg tega, da naredi kos privlačen zahvaljujoč sijajni in izravnalni moči prevleke, opravlja vlogo zaščite osnovne kovine pred korozijo.
ZGODOVINSKI ORIS IN UVOD V KEMIČNO NIKLANJE
Že okoli leta 1844 je bila opisana tvorba kovinskega niklja iz raztopine, ki vsebuje nikljeve soli in hipofosfite. Vendar je bilo treba počakati do povojnih let, da se je opredelil industrijski postopek za nanašanje zlitine nikelj-fosfor iz raztopin, ki vsebujejo natrijev hipofosfit in sulfat ali klorid niklja. Prvi industrijsko učinkovit postopek je bil patentiran leta 1955 pod imenom Kanigen. Od takrat, čeprav je sestava raztopine kemičnega niklanja ostala v bistvu enaka, so stalne spremembe formulacije kopeli kemičnega niklanja postopek naredile vedno bolj zanesljivega, pri čemer so danes dosegle maksimalne ravni kakovosti in konstantnosti površinskih značilnosti.
LASTNOSTI KEMIČNEGA NIKLANJA
Kemično niklanje je postopek, ki na površino kosa, ki ga je treba obdelati, nanaša prevleko na osnovi zlitine nikelj-fosfor, brez uporabe toka. Od elektrolitičnih postopkov se razlikuje prav po odsotnosti zunanjega vira energije, kar omogoča enakomerno prevleko vseh površin tudi kosov s kompleksno geometrijo. Površinske značilnosti, ki jih zagotavlja kemično niklanje, so enakomernost debeline, odpornost proti koroziji, trdota in odpornost proti obrabi.
Kemični nikelj lahko neposredno prevleče vse kovinske zlitine, ki se običajno uporabljajo v mehaniki (jeklo, nerjavno jeklo, aluminij, baker, medenina), razen cinkovih zlitin, kot je Zama, ki morajo biti pred niklanjem nujno pobakrane.
Enakomernost debeline
Kopel kemičnega niklja začne nanašati kovino v trenutku, ko je kos, ki ga je treba prevleči, potopljen v raztopino niklanja, pri čemer sproži kemijsko reakcijo med anionom hipofosfita in kationom niklja. Njegovo nanašanje poteka enakomerno na vseh površinah potopljenega kosa, s konstantno hitrostjo, kar omogoča pridobitev enakomerne prevleke zlitine nikelj-fosfor, katere debelina se spreminja med eno in drugo točko kosa v mejah ±10% zahtevane nominalne debeline. Ob predpostavki debeline 20 µm bo sprememba debeline med eno in drugo točko kosov, vnesenih v kopel kemičnega niklanja, ±2 µm na vseh površinah, do katerih doseže raztopina niklanja in kjer ta lahko kroži. Samo znotraj slepih lukenj je prevleka redka ali odsotna, ker iste luknje trpijo zaradi pomanjkanja izmenjave tekočine niklanja, zlasti ko so majhne in globoke.
Enakomernost debeline je edinstvena značilnost med različnimi kovinskimi prevlekami in omogoča vnaprejšnjo določitev ustrezne debeline za vrsto uporabe mehanskega dela, pri čemer se v fazi načrtovanja kosa izračuna, koliko bo nadkovine, ki jo je treba upoštevati, da se doseže tolerance končnih mer s prevlečenim delom.
Odpornost proti koroziji kemičnega niklanja
Kemično niklanje ima ogromno prednost, da enakomerno ščiti vse površine, ki jih prevleče. Stopnja zaščite, ki jo zagotavlja prevleka, je rahlo različna med različnimi vrstami kemičnega niklja in je vsekakor boljša od niklanja in galvanskega kromiranja pri enaki debelini. Stopnja zaščite je zelo odvisna od osnovne kovinske zlitine in stanja površinske obdelave.
Če vzamemo kot primer aluminij, bo odpornost proti koroziji zelo odvisna od uporabljene zlitine, metode proizvodnje in površinske obdelave. Kosi, obdelani iz polnega, bodo zagotovo imeli boljšo odpornost proti koroziji kot tlačno liti kosi z grobo pustimi površinami. Litina bo manj odporna od jekla zaradi svoje poroznosti, mehanske obdelane površine pa bodo bolje odporne kot površine, puščene grobe iz vlečenja.
Lahko se izberejo več ali manj visoke debeline prevleke, da se soočimo z bolj ali manj agresivnimi okolji. Debelina je običajno med 5µm in 50µm.
NIPLATE® 500 je najprimernejši za zaščito pred korozijo delov v železovih zlitinah in bakrovih zlitinah, medtem ko je za aluminij najprimernejši NIPLATE® eXtreme .
Trdota in odpornost proti obrabi kemičnega niklanja
Zlitine Ni-P, odvisno od vrste nanesenega kemičnega niklja, imajo trdote, ki segajo od približno 500 HV do 700 HV z odlično odpornostjo proti obrabi, sorazmerno s trdoto. Lahko se dodatno utrdijo s toplotno obdelavo pri temperaturah nad 250°C in v mejah 400°C, ki spremeni strukturo kovinske prevleke zlitine Ni-P, pri čemer ustvari kristalne agregate Ni3P (nikljev fosfid), ki povečajo trdoto plasti do več kot 1000 HV, pri čemer zelo povečajo tudi odpornost proti obrabi.
Trdota, podobna kromiranju, skupaj z enakomernostjo debeline, v mnogih aplikacijah daje prednost kemičnemu niklju, saj omogoča izogibanje naknadni obdelavi brušenja in povezanim stroškom.
Za potrebe odpornosti proti obrabi je najprimernejši kemični nikelj NIPLATE 600®, ki ima trdoto približno 700 HV in ga je mogoče utrditi do 1000-1050 HV. Za številne aplikacije trdota približno 700HV zadovoljuje potrebe odpornosti proti obrabi in omogoča izogibanje doseganju visokih temperatur, ki so lahko za nekatere materiale, kot je aluminijeva zlitina 7000, škodljive.
Obstaja tudi obdelava kemičnega niklanja NIPLATE 600® SiC z dodatkom delcev silicijevega karbida, ki doseže trdote 1150HV, z odpornostjo proti obrabi, ki je višja tudi od trdega kroma.
POVZETEK
Prednosti in slabosti - Trdo kromiranje
Prednosti:
- Visoka trdota, spremenljiva med 800 in 1000HV, odvisno od postopka nanašanja.
- Debeline nanosa tudi visoke, preko 100 µm za zahtevne uporabe abrazivne obrabe.
- Odpornost proti obrabi večja od utrjenega kemičnega niklja (čeprav nižja od tiste pri so-nanosu niklja + silicijevega karbida NIPLATE®600 SiC)
- Ekonomičnost obdelave na različnih delih, batnicah ali valjih tudi velikih dimenzij.
Slabosti:
- Slaba penetracija nanosa v vdolbine z potrebo po uporabi posebnih anod za premagovanje te omejitve.
- Potreba po ponovnih obdelavah brušenja zaradi neenakomernosti plasti pri visokih debelinah.
- Diskretna, ne odlična odpornost proti koroziji.
- Omejitve uporabe šestvalentnega kroma v industrijskih postopkih
Prednosti in slabosti - Dekorativno kromiranje
Prednosti:
- Ekonomičnost obdelave.
- Sijajen in izravnan videz za dekorativne namene.
Slabosti:
- Debeline slabo nadzorovane in omejene na nekaj mikronov.
- Ni primerno za uporabo za mehanske funkcije.
- Slaba odpornost proti koroziji za kose kompleksne oblike.
KEMIČNO NIKLANJE
Prednosti:
- Enakomernost debeline na celotnem prevlečenem delu z kalibriranimi debelinami in ozkimi tolerancami.
- Odlična odpornost proti koroziji.
- Visoka trdota in odpornost proti obrabi.
Slabosti:
- Stroški obdelave niso konkurenčni za dekorativne namene.
- Težave pri nanašanju debelin nad 100 µm.
- Potreba po toplotni obdelavi za doseganje maksimalnih trdot.