Funkční chromování

Přestože od začátku průmyslového využití chromování (Finkův patent v roce 1920) uplynulo bezmála 88 let, není mechanismus vylučování chromu zcela objasněn. Používaný oxid chromový se ve vodě rozpouští na kyselinu chromovou. Chromanové anionty nezůstávají v roztoku v této jednoduché formě a částečně přecházejí v polychromany. Z těchto roztoků se nedaří elektrochemicky přímo vyredukovat kovový chrom a k jeho vyloučení dochází až po přidání určitých typů látek – katalyzátorů. Tyto umožní a urychlí průběh vylučování chromu, ale nespotřebované zůstávají ve své původní formě v roztoku a znovu se zúčastní dalšího vylučování. Jejich spotřeba se prakticky omezuje pouze na výnos. Volba těchto katalyzátorů se ukázala být klíčovým momentem k dosažení vysoké kvality a výhodné ekonomiky v technologii funkčního chromování.

Jednotlivé složky chromovacích lázní

Chromovací lázně se dělí podle účelu na lázně pro dekorativní chromování, pro speciální chromování a pro funkční chromování. Nosnou a základní složkou chromovacích lázní je oxid chromový. U funkčního chromování se jeho koncentrace pohybuje v rozmezí 200–300 g.l^-1. Optimální koncentrace je 250 g.l^-1, neboť při této koncentraci je nejvyšší katodový proudový výtěžek. Snaha snížit výnos šestivalentního chromu do odpadních vod a pohybovat se v koncentracích oxidu chromového v rozmezí 150–200 g.l^-1 si vynutila nové typy katalyzátorů, které však v provozní praxi neměly úspěch.

Katalyzátory jsou velice důležitou složkou chromovacích lázní. Jejich správná volba a následně jejich koncentrace výrazně ovlivňují chod a ekonomiku lázně. Bylo zjištěno, že primárním katalyzátorem jsou sírany, které se do lázně přidávají ve formě kyseliny sírové. Je paradoxní, že i znečistění používaného oxidu chromového sírany vlastně působí katalyticky.

Mimo sírany mají katalytický vliv jednoduché fluoridy a také komplexní soli obsahující fluoroboritanový nebo fluorokřemičitanový aniont. Přítomnost těchto látek v lázni sice zvýší katodický proudový výtěžek, ale také výrazně zvýší agresivitu elektrolytu vůči základnímu materiálu. Dochází ke zvýšenému rozpouštění železa do chromovací lázně a tím postupně k jejímu znehodnocování. Navíc nárůstem znečistění lázně balastními kovy dochází ke zvyšování svorkového napětí a tím zvýšené spotřebě elektrické energie.

Nejnovějším trendem v oblasti vývoje katalyzátorů jsou organické sekundární katalyzátory. Jedná se především o alkyl sulfonované kyseliny a jejich deriváty. Jsou používány v kombinaci s primárním katalytickým účinkem síranů. Počátek jejich používání lze datovat ke konci 70. let minulého století. Jako první je do svých lázní použila firma M T Chemicals a později také LPW. Jejich aplikace znamenala výrazný posun v technologii funkčního chromování. Došlo k dalšímu zvýšení katodového proudového výtěžku, možnosti použití teploty při chromování až na 80 ºC, možnosti použití katodové proudové hustoty až 100 A.dm^-2, aniž by došlo k napalování vylučované vrstvy chromu. Vůči základnímu materiálu, se na rozdíl fluoridových katalyzátorů, chová neagresivně. Chromovací elektrolyty obsahující organické katalyzátory tvoří v současné době absolutní špičku v technologii funkčního chromování.

Nedílnou součástí chromovacích elektrolytů jsou chromité ionty. Při chromování se 10–30 % z celkově dodaného proudu spotřebuje na redukci šestivalentního chromu na kov. Jde o katodický proudový výtěžek, který v porovnání s jinými galvanickými lázněmi je velice nízký. Dalších cca 30 % proudu se spotřebuje na redukci šestivalentního chromu na třívalentní, který se již dále na kovový chrom neredukuje a zůstává rozpuštěn v elektrolytu. Zbytek dodaného proudu se spotřebuje na vývoj vodíku.

Důležité pro proces ovšem je, že třívalentní chrom v roztoku je zpětně na anodách, a to cca s 30% účinností, opět oxidován na chrom šestivalentní. V elektrolytu se ustaví rovnováha mezi redukcí a oxidací při koncentraci okolo 5 g.l^-1 oxidu chromitého. Toto množství je považováno za optimální pro průběh chromování. Jeho nedostatek či případně přebytek působí negativně a značně snižuje tvorbu chromového povlaku ve stíněných místech, tj. v místech s nízkou proudovou hustotou. Při nasazování nového chromovacího elektrolytu je nutné si optimální koncentraci oxidu chromitého vytvořit. Jedním ze způsobů je přídavek redukční látky, např. kyseliny šťavelové (z přídavku 1,8 g se vytvoří 1 g oxidu chromitého). Druhý způsob je elektrochemický, kdy lázeň tzv. rozpracováváme, tj. provádíme elektrolýzu při nízké proudové hustotě (2–5 A.dm^-2), kovový chrom se za těchto podmínek nevylučuje, ale na katodě probíhá redukce šestivalentního chromu na třívalentní, který zůstává v roztoku.

Jak již bylo uvedeno, v průběhu chromování dochází ke značnému vývinu vodíku, který uniká z lázně do ovzduší. Současně s sebou vynáší značné množství chromovací lázně ve formě kyselého a velmi agresivního aerosolu. Ke snížení úletu aerosolu jsou do lázně přidávány speciální tenzidy, které vytvoří na hladině lázně nízkou pěnu, kde se podstatná část aerosolu zachytí. Přídavek tenzidů výrazně sníží požadavky na množství odsávané vzdušiny nad lázní.

Nechtěnou složkou chromovacích lázní pro funkční chromování jsou balastní kovy, které se do lázně dostanou rozpouštěním základního materiálu chromovaných dílů. Jedná se především o železo a některé těžké kovy. Do bilance kovových nečistot se započítává i rozpuštěný třívalentní chrom. Pokud je v chromovací lázni současně prováděno i zdrsňování před chromováním, výrazně narůstá obsah rozpuštěného balastního železa. Nárůst těchto nečistot způsobuje snížení proudového výtěžku, snížení vodivostí lázně, zvýšení svorkového napětí a tím podstatné zvýšení spotřeby elektrického proudu čili nákladů. Za kritickou se považuje koncentrace balastů v rozmezí 17–20 g.l^-1. Při této koncentraci lázeň prakticky přestává chromovat.

HEEF 25

HEEF 25 je moderní proces funkčního chromování s obsahem pouze síranového a organického katalyzátoru s vysokým katodovým proudovým výtěžkem. Proces neobsahuje fluoridy. Úpravou koncentrace lázně a parametrů vylučování lze technologii aplikovat pro běžné funkční chromování, duplexní funkční chromování či pro chromování hlubotiskových válců.

Vícevrstvé chromování vede ke zvýšení korozní odolnosti. Proces nevyžaduje žádné zvláštní technologické požadavky a lze ho používat ve všech běžných zařízeních pro funkční chrom.

Přednosti procesu HEEF 25:

• vysoký katodový proudový výtěžek (23–28 %). Dobu chromování lze při srovnání s běžnými síranovými lázněmi zkrátit o cca 50 %;
• úspora nákladů na elektrickou energii o cca 45 % při srovnání s běžnými síranovými lázněmi;
• leptací účinky vůči oceli jsou srovnatelné s konvenčními elektrolyty;
• lázeň má dobrý rozptyl a rovnoměrné rozdělení kovu;
• všechny komponenty lázně jsou kompletně rozpustné i při pokojové teplotě, a tak je bez problémů možné provádět běžné čistící a regenerační procesy;
• vyloučený chromový povlak je mikrotrhlinkový. V závislosti na použité technologii je počet mikrotrhlinek v rozmezí 300–800 na lineární centimetr;
• vyloučený povlak je lesklý o tvrdosti cca 1 000 HV 0,1 (950–1 050 HV 0,1);
• vyloučený povlak má vysokou odolnost proti opotřebení a otěru.

Ing. Ladislav Obr, CSc.

Atotech CZ

www.atotech.cz

ladislav.obr@atotech.com