Хромированная сталь: свойства, преимущества, недостатки

О чем идет речь? Хромированная сталь – это материал, имеющий покрытие из хрома. Данный способ обработки добавляет металлу ряд качеств – эстетических и физических. Впрочем, недостатки у подобного сплава тоже есть.

На что обратить внимание? Результат хромирования зависит от выбранной для процесса технологии. Благодаря этому материал может использоваться во многих сферах. Вместе с тем хромированную сталь нередко сравнивают с нержавеющей.

Свойства и характеристики хромированной стали

Хромированной называют черную сталь, покрытую тонкой пленкой хрома. Образующаяся поверхность имеет привлекательный внешний вид и приобретает новые физико-химические свойства. Защитный слой защищает металл от коррозии и повышает износостойкость материала.

Образующееся при электрическом осаждении защитное покрытие придает поверхности металлической заготовки:

1. повышенную устойчивость к изнашиванию;
2. высокую твердость;
3. устойчивость к воздействию перепадов температуры;
4. долговечность;
5. высокую химическую стойкость;
6. коррозионную устойчивость;
7. повышенную отражающую способность, сравнимую с изделиями из алюминия и серебра;
8. привлекательный внешний вид.

В промышленности детали подвергают хромированию для того, чтобы повысить прочность и долговечность, а также снизить трение. Используя эту технологию, обрабатывают заготовки, работающие в агрессивных средах: пароводяную арматуру, рабочие поверхности клапанов, поршней и прочих подобных деталей. Также хром широко применяется для формирования декоративных покрытий на элементах внешней отделки автомобилей, велосипедов, мотоциклов, яхт, сантехнических изделий, мебельной фурнитуры, декора интерьеров, сувенирной продукции и т. д.

Также хромирование позволяет восстанавливать размеры и избавлять детали от следов изнашивания. Такой метод широко применяют для ремонта различных станков, приборов, двигателей внутреннего сгорания, клапанов, поршней и т. п.

К преимуществам хромированной стали относят:

• блеск и привлекательный внешний вид;
• невысокую по сравнению с нержавеющими стальными сплавами стоимость;
• повышенную прочность и стойкость к коррозии.

Среди недостатков хромированной стали следует выделить то, что она:

• нуждается в регулярном уходе для сохранения блеска;
• легко царапается;
• менее прочна, чем нержавеющая сталь;
• на хромированной поверхности хорошо видны пыль и следы от прикосновений.

Нержавеющие стальные сплавы содержат не менее 12 % хрома в качестве легирующей добавки. Поверхность полированной нержавейки отличается зеркальным блеском, долговечностью и способностью к самовосстановлению. Высокую коррозионную стойкость обеспечивает оксидная пленка, состоящая из нерастворимых окислов, входящих в состав сплава элементов, и самопроизвольно обновляющаяся при контакте с содержащимся в воздухе кислородом. Такое покрытие самостоятельно восстанавливает свою целостность при любом повреждении.

Процесс производства хромированной стали

Хромированием называют диффузионное насыщение поверхностных слоев металла хромом. Эту технологию используют для того, чтобы придать поверхности детали твердость, износостойкость, коррозионную и эрозионную стойкость. Кроме того, благодаря хромированию повышается прочность изделий из углеродистой или легированной стали к газовой коррозии при высокой температуре (образованию окалины).

Хромирование может осуществляться двумя классическими способами:

• Диффузионным – когда поверхностные слои заготовки насыщаются хромом под действием высокой температуры. Эффективность такой обработки зависит от того, как много частиц проникает в кристаллическую решетку стали.
• Электролитическим. Его суть – в катодном осаждении заряженных частиц хрома под воздействием электрического тока.

Чтобы получить равномерное и достаточно толстое покрытие, необходимо придерживаться определенной последовательности. Процесс включает:

1. очистку поверхности заготовок от грязи, пыли, абразивов и т. п.;
2. механическую обработку поверхности;
3. погружение заготовок в емкость с электролитным раствором;
4. создание требуемой для хромирования температуры;
5. подключение электродов к источнику электрического тока;
6. выдерживание обрабатываемых заготовок в растворе до получения покрытия требуемой толщины.

Толщина хромового слоя обычно составляет от 0,075 до 0,25 мм. Такая тонкая пленка практически не утяжеляет детали, но позволяет добиться твердости от 66 до 70 единиц по шкале Роквелла. Покрытие может быть шероховатым. Неровности сильнее заметны на деталях сложной конфигурации и заготовках, изначально имевших поверхностные дефекты. Именно по этой причине специалисты рекомендуют подвергать металл предварительной полировке. Растворы, применяемые для хромирования, обычно содержат сульфаты, ангидриды или хлориды.

В ходе обработки в узлах кристаллической решетки поверхностных слоев основного металла происходит постепенное замещение атомов железа хромом, с которым оно способно образовывать последовательный ряд твердых растворов при температуре от +1 100 °С до +1 200 °C. Две образующиеся при этом фазы α и γ содержат хром в концентрациях, достигающих 100 %.

Благодаря хромированию удается достичь высокой износо- и термостойкости – покрытие выдерживает нагревание до +900 °C. Если исходить из износостойкости оловянно-свинцового сплава – баббита, приняв ее за единицу, то у стали ШХ-15 этот показатель будет равен 54,6, а у хромированной стали с содержанием хрома 0,65 % он достигает 227,5.

Высокая эрозионная и кавитационная стойкость хромированного металла позволяет использовать технологию для обработки поверхности деталей топливных систем, турбинных лопаток из аустенитной стали и т. п. Кроме того, хромирование придает материалу ползучесть, длительную и усталостную прочность. При термической обработке деталей, которая нужна для того, чтобы улучшить механические параметры металла в сердцевине заготовок, хромированные поверхности не темнеют и не утрачивают своих защитных характеристик.

Методы и технологии хромирования стали

Для хромирования используются различные среды. Это могут быть порошкообразные смеси или обмазки, вакуум, газовая смесь, жидкость.

Самый простой способ – использовать порошкообразную смесь, содержащую хром или феррохром. В современной промышленности чаще всего пользуются твердыми смесями. В их состав, помимо указанных компонентов, входят галогениды (NH4C1, NH4J и т. п.) и глинозем, каолиновая глина и другие наполнители, которые позволяют предотвратить спекание порошка.

Оптимальное соотношение основного вещества и наполнителя – 1:1. Содержание галогенидных солей колеблется от 1 до 3 %. Самый популярный состав наполовину состоит из феррохрома с содержанием хрома не более 1 % или порошкообразного хрома с размером зерна от 0,149 до 0,177 мм, глинозема (от 48 до 49 %) и галогенидной соли NH4C1 (от 1 до 2 %).

После обезжиривания поверхности заготовки помещают в герметичный контейнер из низкоуглеродистого или жаростойкого стального сплава. Для герметизации используют двойные крышки со сварным или плавким затвором. Газообразные продукты химической реакции выводятся через отверстие диаметром от 1 до 2 мм. При нагревании в контейнере начинаются химические реакции. Одна из них – образование хлористого водорода при разложении хлористого аммония.

Сегодня для хромирования стальных заготовок используются три основных технологии:

• Гальваническая в электролитной среде. Равномерное осаждение атомов хрома на поверхность детали происходит под действием электрического тока, что приводит к формированию защитного слоя, устойчивого как к механическим воздействиям, так и к контакту с агрессивной средой.
• Химическая. Защитная пленка образуется в ходе восстановления хрома в растворе солей. Серый налет, который получается при обработке, удаляют с помощью фосфора, а зоны, не подлежащие хромированию, можно надежно защитить, нанеся на них смесь, в состав которой входят медь, вода и серная кислота. В процессе работы необходимо пользоваться средствами индивидуальной защиты.
• Декоративная. В этом случае для нанесения тончайшего слоя хромового покрытия пользуются специальными кистями. Этот способ применяют главным образом для улучшения внешнего вида изделия, однако пленка может выполнять и защитную функцию, хотя ее антикоррозийные свойства незначительны. Аналогичным образом выполняются золочение или серебрение металла, для этого в состав смеси вводят соответствующие компоненты.

Какой из этих методов выбрать, следует решать, исходя из требуемых однородности и толщины защитного слоя. Также важен размер заготовок – чем они больше, тем более производительную технологию следует применить. Также важно помнить, что в нашей стране пользоваться гальваническим методом можно исключительно в условиях промышленного производства при наличии необходимых разрешений и лицензий.

Итак, хромирование (при соблюдении описанных выше правил и рекомендаций) предназначено для:

• защиты поверхности металлических заготовок от коррозии, воздействия агрессивных химических сред и перепадов температуры;
• восстановления исходной геометрии деталей, благодаря которому можно увеличить срок их эксплуатации при условии, что глубина повреждения поверхности не более 1 мм;
• улучшения отражающей способности поверхности металла и внешнего вида изделий;
• повышения износостойкости, чему способствует снижение силы трения при работе соприкасающихся деталей или их расширении под действием высокой температуры.

Отличие хромированной стали от нержавеющего сплава

Чаще всего сравнивают хромированную и нержавеющую сталь, также между этими материалами нередко приходится выбирать. На первый взгляд изделие с хромированной поверхностью ничем не отличается от изделия из нержавейки. И в том, и в другом случае присутствует практически зеркальный блеск. Однако эти материалы похожи только внешне – их физико-химические свойства и эксплуатационные характеристики различны.

Нержавеющую сталь достаточно просто отличить, поднеся к металлу магнит – если магнитится, значит, перед нами черный металл, покрытый хромом. Нержавеющие стальные сплавы, как правило, не магнитны. Но и внимательный визуальный осмотр позволяет отличить один металл от другого. Поверхность нержавеющей стали имеет слегка атласный, приглушенный блеск, а хромированная блестит ярко. Однако лучше не полагаться на внешний вид и использовать более точные методы, чтобы гарантированно не ошибиться.

Дело в том, что поверхность нержавеющей стали после специальной обработки, включающей полировку, может выглядеть так же ярко и иметь зеркальный блеск, который способен ввести в заблуждение. Если остаются сомнения, лучше всего обратиться за помощью к специалисту, который сможет быстро и четко разъяснить, чем отличаются металлы друг от друга.

Если повредить хромированный слой, металл с большой вероятностью подвергнется коррозии. Существует множество предметов, контакт с которыми может привести к нарушению целостности защитной пленки. Это различные крепежные элементы, металлический инструмент и т. д. Если сплав начал корродировать, ржавчина может с большой скоростью распространиться под хромированным слоем.

Хромирование не является стопроцентной гарантией долговечности. А вот нержавеющие стальные сплавы без сомнения обладают очень высокой прочностью, изделия из них служат не один десяток лет. Один из главных недостатков нержавейки – ее относительная дороговизна, которая ограничивает сферу использования. При ограниченном бюджете лучше отдать предпочтение хромированной стали, если это допустимо с точки зрения условий, в которых будут эксплуатироваться изделия.

Подводя итог, можно сказать, что сегодня хромированная сталь – оптимальный материал для изготовления деталей, предназначенных для эксплуатации в бытовых условиях вне контакта с агрессивными химическими средами, влагой и большим потоком посетителей.

Если условия, в которых будут эксплуатироваться детали или изделия, не соответствуют указанным требованиям, лучше отдать предпочтение нержавеющей стали. Наиболее широко распространены марки AISI 201, AISI 304 и AISI 316, которые пользуются популярностью благодаря оптимальному соотношению цена/качество.