آبکاری کروم سخت صنعتی

پارامترهای کلیدی در آبکاری کروم سخت صنعتی

موفقیت در این صنعت، در گرو درک عمیق و کنترل دقیق متغیرهایی است که شاید در نگاه اول ساده به نظر برسند، اما تأثیرات شگرفی بر نتیجه نهایی دارند.

دما: ترموستات کیفیت پوشش

دما در حمام آبکاری کروم سخت، صرفاً یک عدد روی نمایشگر کنترلر نیست؛ بلکه دیکته‌کننده اصلی خواص مکانیکی و ظاهری پوشش است. محدوده استاندارد برای آبکاری کروم سخت معمولاً بین ۵۵ تا ۶۵ درجه سانتی‌گراد است. اما نکته کاربردی اینجاست:

• دمای پایین (کمتر از ۵۰ درجه سانتی‌گراد): در این دما، پوشش حاصل سخت‌تر اما شکننده‌تر خواهد بود. ظاهر آن معمولاً مات و شیری‌رنگ است و تنش‌های داخلی در آن بسیار بالاست. این نوع پوشش برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت به سایش شدید دارند اما تحت ضربه نیستند، ممکن است مناسب باشد، اما کنترل آن بسیار دشوار است. راندمان جریان کاتدی در این دما پایین است، یعنی انرژی بیشتری برای رسوب مقدار معینی کروم مصرف می‌شود.
• دمای بهینه (۵۸-۶۲ درجه سانتی‌گراد): این محدوده، نقطه تعادل طلایی است. در این دما، پوششی با سختی بالا (حدود ۹۰۰-۱۱۰۰ ویکرز)، چقرمگی مناسب و ظاهری براق و درخشان به دست می‌آید. شبکه ترک‌های میکروسکوپی که مشخصه کروم سخت است، در این دما بهینه‌ترین توزیع را برای روانکاری و مقاومت به خوردگی دارد. ما در مجموعه خود، برای اکثر کاربردهای صنعتی مانند جک‌های هیدرولیک و غلطک‌ها، دما را با دقت ±۱ درجه در این محدوده کنترل می‌کنیم.
• دمای بالا (بیش از ۶۵ درجه سانتی‌گراد): با افزایش دما، سختی پوشش کاهش یافته اما انعطاف‌پذیری آن بیشتر می‌شود. ظاهر پوشش به سمت ماتی می‌رود و راندمان جریان افزایش می‌یابد. این نوع پوشش برای قطعاتی که تحت تنش‌های خمشی قرار دارند، ممکن است ترجیح داده شود، اما مقاومت به سایش آن کمتر است.

نکته منحصر به فرد: یکنواختی دما در کل حمام اهمیتی حیاتی دارد. وجود “نقاط داغ” یا “نقاط سرد” در وان، منجر به ایجاد پوششی با ضخامت و خواص غیریکنواخت در نقاط مختلف یک قطعه واحد می‌شود. استفاده از سیستم‌های سیرکولاسیون و گرمایش غیرمستقیم (مانند کویل‌های تیتانیومی) برای حفظ این یکنواختی ضروری است.

شدت جریان (Current Density): معمار سرعت و ساختار پوشش

شدت جریان، که با واحد آمپر بر دسی‌متر مربع (A/dm²) یا آمپر بر فوت مربع (ASF) اندازه‌گیری می‌شود، تعیین‌کننده سرعت رسوب‌دهی و مورفولوژی (ریخت‌شناسی) کریستال‌های کروم است. این پارامتر مستقیماً به شکل هندسی قطعه بستگی دارد.

• شدت جریان پایین (کمتر از ۲۰ A/dm²): سرعت آبکاری بسیار کند خواهد بود. پوشش حاصل معمولاً نرم و مات است و در لبه‌ها و نوک‌های تیز قطعه، پوشش بسیار ضعیفی تشکیل می‌شود (پدیده‌ای که به آن “قدرت پرتاب ضعیف” یا Low Throwing Power می‌گویند).
• شدت جریان بهینه (معمولاً ۳۰-۵۵ A/dm²): در این بازه، سرعت رسوب‌دهی مناسب بوده (حدود ۲۵ تا ۴۰ میکرون در ساعت) و پوششی براق، سخت و با چسبندگی عالی به دست می‌آید. انتخاب عدد دقیق در این بازه به دما و غلظت محلول بستگی دارد. یک قانون نانوشته در میان آبکاران حرفه‌ای وجود دارد: “جریان را تا مرز سوختگی بالا ببر، سپس کمی آن را کاهش بده.” این نقطه، بهینه‌ترین حالت برای دستیابی به حداکثر سرعت و کیفیت است.
• شدت جریان بالا (بیش از ۶۰ A/dm²): اینجاست که مشکلات آغاز می‌شوند. در لبه‌ها، گوشه‌ها و نوک‌های تیز قطعه، پوشش دچار “سوختگی” (Burning) می‌شود که به صورت رسوبی خاکستری، خشن و غیرفلزی ظاهر می‌شود. همچنین پدیده “درختی شدن” (Treeing) یا رشد دندریتی در این نواحی رخ می‌دهد که باعث ایجاد ساختاری ناهموار و شکننده می‌شود. کنترل جریان در قطعات با هندسه پیچیده، نیازمند استفاده از شیلدهای پلاستیکی برای محافظت از لبه‌ها و یا آندهای کمکی برای تقویت جریان در حفره‌هاست.

غلظت محلول اسید کرومیک و نسبت کاتالیست

محلول آبکاری کروم سخت، ترکیبی نسبتاً ساده اما با شیمی پیچیده است. دو جزء اصلی آن عبارتند از: اسید کرومیک (CrO₃) و یک کاتالیست که معمولاً یون سولفات (SO₄²⁻) است.

• غلظت اسید کرومیک: این پارامتر معمولاً در بازه ۱۸۰ تا ۳۰۰ گرم بر لیتر (g/L) تنظیم می‌شود.
  • محلول‌های غلیظ (نزدیک به ۳۰۰ g/L): قدرت پرتاب بهتری دارند (یعنی پوشش‌دهی در حفره‌ها بهتر است) و هدایت الکتریکی بالاتری دارند که ولتاژ مورد نیاز را کاهش می‌دهد. اما راندمان جریان کاتدی در آن‌ها پایین‌تر است.
  • محلول‌های رقیق (نزدیک به ۱۸۰ g/L): راندمان جریان بالاتری دارند (سرعت آبکاری بیشتر است) اما قدرت پرتاب آن‌ها ضعیف‌تر است و به ولتاژ بالاتری نیاز دارند.
• نسبت جادویی اسید کرومیک به سولفات: این مهم‌ترین پارامتر شیمیایی حمام است. نسبت وزنی CrO₃ به SO₄²⁻ باید با دقت فوق‌العاده‌ای در محدوده ۱۰۰:۱ حفظ شود. یعنی به ازای هر ۱۰۰ گرم اسید کرومیک، باید ۱ گرم یون سولفات در محلول وجود داشته باشد.
  • نسبت بالاتر از ۱۲۰:۱ (سولفات کم): پوشش حاصل براق اما مستعد ترک‌خوردگی شدید است و قدرت پرتاب محلول به شدت افت می‌کند. ممکن است در برخی نواحی قطعه اصلاً پوششی تشکیل نشود.
  • نسبت پایین‌تر از ۸۰:۱ (سولفات زیاد): پوشش حاصل مات، نرم و دارای مقاومت به خوردگی پایین خواهد بود. در موارد حاد، فرآیند آبکاری به طور کامل متوقف می‌شود.

کنترل این نسبت نیازمند آنالیزهای شیمیایی دوره‌ای (معمولاً به روش تیتراسیون یا روش سانتریفیوژ) و افزودن دقیق اسید سولفوریک یا سولفات سدیم در صورت نیاز است. این همان کاری است که در آزمایشگاه‌های مجهز مجموعه‌هایی چون رنگین پوشش شیراز به صورت روتین انجام می‌شود تا کیفیت محلول همواره در سطح ایده‌آل باقی بماند.

pH محلول

یکی از اشتباهات متداول، صحبت از “pH” در حمام آبکاری کروم سخت است. به دلیل ماهیت شدیداً اسیدی این محلول (با غلظت بالای اسید کرومیک)، pH آن همیشه کمتر از ۱ است و عملاً قابل اندازه‌گیری یا کنترل به روش‌های معمول نیست. پارامتری که به جای pH کنترل می‌شود، همان نسبت کاتالیست (سولفات) است که در بخش قبل توضیح داده شد. بنابراین، اگر کسی در مورد تنظیم pH حمام کروم سخت صحبت کرد، بدانید که با فردی غیرمتخصص روبرو هستید. تمرکز باید بر روی آنالیز و کنترل دقیق غلظت اسید کرومیک و کاتالیست باشد.

زمان‌بری و مهندسی ضخامت لایه کروم سخت صنعتی

برخلاف آبکاری‌های تزئینی که ضخامت آن‌ها در حد چند دهم میکرون است، در آبکاری کروم سخت صنعتی ما با ضخامت‌های بالا، از ۲۰ میکرون تا بیش از ۵۰۰ میکرون (نیم میلی‌متر) سروکار داریم. این ضخامت برای بازسازی قطعات فرسوده و بازگرداندن آن‌ها به ابعاد اصلی (Salvage) کاربرد دارد.

• نرخ رسوب‌دهی (Deposition Rate): این نرخ، تابعی مستقیم از شدت جریان و راندمان کاتدی است. به عنوان یک قاعده سرانگشتی، در شرایط بهینه (دمای ۶۰ درجه و شدت جریان ۴۰ A/dm²)، نرخ رسوب‌دهی حدود ۲۵ تا ۳۵ میکرون در ساعت است.
• محاسبه زمان: برای رسیدن به ضخامت مورد نظر، زمان آبکاری باید به دقت محاسبه شود.
  • مثال عملی: فرض کنید یک شفت هیدرولیک به قطر ۱۰۰.۰۰ میلی‌متر داریم که به دلیل سایش، قطر آن به ۹۹.۷۰ میلی‌متر رسیده است. برای بازگرداندن آن به قطر اولیه، باید ۰.۳۰ میلی‌متر به قطر اضافه کنیم، یعنی ۰.۱۵ میلی‌متر (۱۵۰ میکرون) بر روی شعاع. با فرض نرخ رسوب ۳۰ میکرون در ساعت، زمان مورد نیاز برای آبکاری برابر خواهد بود با:
    • زمان = ضخامت مورد نیاز / نرخ رسوب = 150 میکرون / ۳۰ میکرون/ساعت = ۵ ساعت

این محاسبه ساده، نیازمند تجربه برای در نظر گرفتن فاکتورهایی مانند شکل قطعه و تغییرات جزئی در راندمان حمام در طولانی مدت است. آبکاری‌های طولانی‌مدت (بیش از ۱۰ ساعت) نیازمند نظارت مداوم بر پارامترها و حتی گاهی اوقات چرخش قطعه برای اطمینان از یکنواختی پوشش هستند.