Chromowanie dekoracyjne

galwanizernie • 15 Kwiecień 2017

Właściwości fizykochemiczne i elektrochemiczne chromu

Chrom jest metalem o liczbie atomowej 24, barwy srebrzystej z niebieskawym odcieniem. Jego własności są następujące:

Właściwości chromu
Masa atomowa 51,99
Gęstość w temp. 20°C 7,18 g/cm³
Temp. topnienia 1615°C
Równoważnik elektrochemiczny Cr+6 – 0,323 g/Ah
Twardość powłoki elektr. 430-1200 HV

Chrom w warunkach atmosferycznych nie zmienia barwy. Jest odporny na działanie kwasów organicznych, kwasu azotowego oraz siarkowodoru. Powłokę chromową rozpuszcza natomiast kwas solny i gorący kwas siarkowy. Chrom charakteryzuje się małą zwilżalnością powierzchni przez roztwory, smary itp.. Dzięki dużej skłonności do pasywacji jest metalem bardzo odpornym na działanie wody. Potencjał normalny chromu wynosi – 0,509V. W szeregu napięciowym metali znajduje się zatem między cynkiem i żelazem. Jednak dzięki temu, że zaraz po zakończeniu procesu galwanicznego powłoka chromowa pokrywa się niewidoczną mikrowarstewką pasywnego tlenku, następuje przesunięcie potencjału chromu w szeregu elektrochemicznym w kierunku dodatnim w okolicę srebra i platyny (+1,19V). Powłoki dekoracyjne , celem podniesienia odporności na korozję nakłada się zazwyczaj na podwarstwie miedź – nikiel lub nikiel. Grubość warstwy chromu na wymienionych podwarstwach zawiera się między 0,3µm. - 1µm. Takie powłoki stosuje się przy pokrywaniu części samochodowych i motocyklowych, przy pokrywaniu części baterii i galanterii łazienkowej oraz przy pokrywaniu przyrządów precyzyjnych.

Typowa kąpiel do chromowania dekoracyjnego.

Skład kąpieli do chromowania dekoracyjnego
Składnik Stężenie g/l
Bezwodnik chromowy CrO3 300
Kwas siarkowy H2SO4 2,7
Anody ołowiane 8%Sn  
Warunki pracy dla kąpieli do chromowania dekoracyjnego
Parametr Wartość
Temperatura kąpieli 45 – 550°C
Katodowa gęstość prądu 10 – 20 A/dcm
Stosunek anody do katody 2 : 1

Reakcje zachodzące w trakcie procesu chromowania można zapisać w sposób następujący:

CrO3 + H2O → H2CrO4 → CrO4-2 + 2H+ (1)

2H2CrO4 → H2CrO7 + H2O → Cr2O7-2 + 2H+ + H2O (2)

(1) (2) - reakcje powstawania Cr+6

Cr2O7-2 + 14H+ + 12e → 2Cr + 7H2O (3)

(3) - reakcja zachodząca na katodzie, wydajność od 12 – 20%

2H+ + 2e → H2 (4)

(4) - reakcja wydzielania wodoru

Cr2O7-2 + 14H+ + 6e → 2Cr+3 + 7H2O (5)

2Cr+3 + 3O2 - 6e → 2CrO3 (6)

(5) (6) - reakcje przebiegające na anodzie

Aby jakość powłok chromowych była właściwa należy składniki kąpieli utrzymywać w następujących granicach:

Bezwodnik chromowy CrO3 280 – 330 g/l
Chrom trójwartościowy Cr+3 4 – 10 g/l
Siarczany SO4-2 2,3 – 2,8 g/l
Stosunek CrO3 : SO4-2 100 : 1
Ciężar właściwy kąpieli 1,2 – 1,23 g/cm³
Rola składników kąpieli.
Bezwodnik kwasu chromowego CrO3.
Wzrost zawartości bezwodnika w kąpieli powoduje poprawę przewodnictwa elektrolitu i zdolności krycia kąpieli lecz również powoduje obniżenie katodowej wydajności prądu i zawężenie obszaru gęstości prądu, przy której otrzymuje się powłoki błyszczące.
Kwas siarkowy H2SO4 (siarczany SO4-2).
Optymalne powłoki chromowe uzyskuje się w kąpieli, w których stosunek CrO3 do SO4-2 jest równy 100 do 0,8 – 1,2. Wyższe stężenie jonów SO4-2 jest przyczyną spadku wydajności prądowej, zawężenia obszaru zdolności krycia jak również powstające wówczas powłoki są bardziej kruche. Przy mniejszych zawartościach jonów SO4-2 zwiększa się zdolność krycia lecz pogarsza wgłębność. Przy bardzo niskich stężeniach jonów SO4-2 na powierzchni powłok powstają plamy o odcieniu brunatnym.
Chrom trójwartościowy Cr+3.
Optymalne stężenie jonów Cr+3 w przeliczeniu na Cr2O3 powinno wynosić 2 g na każde 100 g CrO3. Duże stężenie jonów Cr+3 powoduje powstawanie powłok matowych, szorstkich i kruchych. Małe stężenie jonów Cr+3 powoduje pogorszenie zdolności krycia oraz powoduje powstanie miękkich powłok w kolorze brązowo-szarym. Właściwe stężenie jonów Cr+3 w kąpieli zapewnia właściwy stosunek powierzchni czynnej anody, do czynnej powierzchni katody, który powinien wynosić 2 : 1.
Sporządzanie kąpieli.

Wannę zapasową napełnić wodą zdejonizowaną do 2/3 objętości. Ogrzać do temperatury 50 – 60°C, dodać odważoną porcję CrO3. Po zupełnym rozpuszczeniu CrO3 kąpiel pozostawić do odstania przez 24 godziny. Po tym okresie klarowną ciecz zdekantować do wanny roboczej. Uzupełnić roztwór do poziomu roboczego, wykonać analizę kąpieli. Następnie dodać brakującą ilość kwasu siarkowego, bezwodnika chromowego CrO3 i 2 g cukru na każdy litr kąpieli. Kąpiel po ogrzaniu do temperatury roboczej i krótkim przepracowaniu nadaje się do eksploatacji.

Parametry pracy i eksploatacja kąpieli.

W czasie chromowania należy zwracać uwagę na temperaturę kąpieli, gęstość prądu, stan anod, jak również na zawartość bezwodnika chromowego CrO3, chromu trójwartościowego Cr+3 oraz siarczanów SO4-2.

Temperaturę kąpieli należy utrzymywać w granicach 49°C ± 1°C. Zmiany temperatury powinny być rejestrowany w sposób ciągły.

Ubytki kąpieli spowodowane parowaniem i wynoszeniem należy uzupełnić roztworem z wanny odzyskowej lub przez dodanie ciepłej wody.

Gęstość prądu katodowa i anodowa winna mieścić się w granicach 10 – 20 A/dcm² (stosunek anody do katody 2 : 1).

Anody ołowiane powinny zapewniać nieprzerwany styk elektryczny z szyną anodową wanny roboczej. W czasie przerw w pracy anody pokrywają się żółtym chromianem ołowiowym PbCrO4, który powoduje obniżenie gęstości prądu przy stosowanym napięciu. Dlatego okresowo anody należy oczyścić.

Analizę na zawartość bezwodnika chromowego CrO3, chromu trójwartościowego Cr+3 oraz siarczanów SO4-2 wykonywać raz w tygodniu.

Nadmiar siarczanów w kąpieli należy usuwać strącając je węglanem baru BaCO3. Dla wytrącenia 1g siarczanów potrzeba 2g węglanu baru. Natomiast niedobór uzupełnić dodając obliczoną ilość kwasu siarkowego. W przypadku niskiego stężenia Cr+3 należy przepracować kąpiel na dużym wsadzie, tak aby gęstość prądy była mała na katodzie a duża na anodzie. Reakcja redukcji Cr+6 → Cr3 zachodzi znacznie szybciej w obecności cukru spożywczego. 1g cukru powoduje wzrost stężenia Cr+3 o około 3 g/l. W przypadku wysokiego stężenia Cr+3 obniżyć jego stężenie można poprzez przepracowanie kąpieli w następujących warunkach:

temperatura 50 – 70°C
gęstość prądu anodowa 2 A/dcm²
gęstość prądu katodowa 50 A/dcm²

Na utlenienie 1g trójwartościowego Cr+3 potrzeba około czterech amperogodzin. Na prawidłową pracę kąpieli duży wpływ ma utrzymanie na odpowiednim poziomie zanieczyszczeń takich jak; jony chlorkowe Cl-, jony żelaza Fe+3, jony cynku Zn+2 i jony miedzi Cu+2.

Najczęściej występujące wady w procesie chromowania i przyczyny ich powstawania.
Rodzaj wady Przyczyny powstawania
Niedokrycie – mała wgłębność kąpieli
  • niewłaściwy stosunek CrO3 : SO4-2
  • za wysoka temperatura
  • za mała gęstość prądu
  • spasywowanie anody lub zły kontakt z szyną anodową
  • zły kontakt części z zawieszką
  • wysokie stężenie chlorków
  • bardzo niskie stężenie Cr+3
Przypalenia
  • zbyt wysoki stosunek CrO3 : SO4-2
  • za niska temperatura
  • za duża gęstość prądu
  • niewłaściwy rozkład natężenia prądu
Tęczowe powłoki
  • za niskie stężenie jonów SO4-2
  • za wysoka temperatura kąpieli
Brązowe plamy na powierzchni
  • za wysoki stosunek CrO3 : SO4-2 (za mało siarczanów)
Powłoka matowa
  • przerwa w dopływie prądu
  • za mała gęstość prądu
  • za wysoka temperatura
Spadek wydajności prądowej kąpieli
  • zanieczyszczenia metaliczne w kąpieli
  • bardzo niska zawartość Cr+3
  • zanieczyszczenie anionami Cl-, PO4-2, NO3-