Применение металла хром и его соединений в области строительства и машиностроения

Применение металла хром и его соединений в области строительства и машиностроения

Хром, переходный метал, который широко используется в промышленности благодаря своей прочности и устойчивости к нагреву и коррозии. Эта статья даст вам понимание некоторых важных свойств и возможностей использования этого переходного металла.

Хром относится к категории переходных металлов. Это твердый, но хрупкий металл серо-стального цвета с атомным номером 24. Этот блестящий металл помещают в группы 6 периодической таблицы, и обозначают символом «Cr».

Имя хромий является производным от греческого слова хрома, что означает цвет.

Верный своему имени, хром образует несколько интенсивно окрашенных соединений. Сегодня практически весь коммерчески используемый хром извлекается из руды хромита железа или окиси хрома (FeCr2O4).

Свойства хрома

• Хром является наиболее распространенным элементом на земной коре, но он никогда не происходит в чистом виде. В основном добывается из шахт, таких как хромитовые рудники.

• Расплавляют хром при температуре 2180 K или 3465°F, а температура кипения составляет 2944 K или 4840°F. его атомный вес 51.996 г/моль, и по шкале Мооса составляет 5,5.

• Хром встречается во многих окислительных состояниях, таких как +1, +2, +3, +4, +5, и +6, из которых +2, +3 и +6 являются наиболее распространенными, а +1, +4, А +5-это редкое окисление. В +3 степени окисления является наиболее стабильным состоянием хрома. Хром (III) может быть получен растворением элементарного хрома в соляной или серной кислоте.

• Этот металлический элемент известен своими уникальными магнитными свойствами. При комнатной температуре, он обладает антиферромагнитным упорядочением, которое показано на других металлах при относительно низких температурах.

• Антиферромагнетизм – это где соседние ионы, которые ведут себя как магниты присоединяются к противоположным или антипараллельным механизмам через материал. В результате, магнитное поле, создаваемое магнитными атомами или ионами, ориентируются в одном направлении отменяя магнитные атомы или ионы, выстроенные в противоположном направлении, так, что материал не проявляет никаких грубых внешних магнитных полей.

• При температуре выше 38°C, хром становится парамагнетиком, т. е. его привлекает внешне приложенное магнитное поле. Другими словами, хром привлекает внешнее магнитное поле при температуре выше 38°С.

• Хром не подвергается водородному охрупчиванию, т. е. не становятся хрупкими при воздействии атомарного водорода. Но при воздействии азота, он теряет свою пластичность и становится хрупким.

• Хром обладает высокой устойчивостью к коррозии. Тонкая защитная оксидная пленка образуется на поверхности металла, когда он вступает в контакт с кислородом в воздухе. Этот слой препятствует диффузии кислорода в основной материал и таким образом, защищает его от дальнейшей коррозии. Этот процесс называется пассивация, пассивация хромом дает устойчивость к воздействию кислот.

• Существует три основных изотопа хрома, которые называются 52Cr, 53Cr, 54Cr и, из которых 52 CR является наиболее распространенным изотопом. Хром реагирует с большинством кислот, но не взаимодействует с водой. При комнатной температуре он реагирует с кислородом, образуя оксид хрома.

Применение

Производство нержавеющей стали

Хром нашел широкий спектр применения благодаря своей твердости и устойчивости к коррозии. Он используется в основном в трех отраслях промышленности ― металлургической, химической и огнеупорной. Он широко используется для производства нержавеющей стали, так как это предотвращает коррозию. Сегодня это очень важный легирующий материал для сталей. Он также используется для изготовления нихрена, что используется в нагревательных элементах сопротивления из-за его способности выдерживать высокие температуры.

Покрытие поверхностей

Кислый хромат или дихромат используется также для покрытия поверхностей. Обычно это делается с помощью метода гальваники, в котором тонкий слой хрома наносится на металлическую поверхность. Другой способ – это хромирование деталей, через который хроматы используются для нанесения защитного слоя на определенные металлы, такие как алюминий (Al), кадмий (CD), цинк (Zn), серебро, а также магний (MG).

Сохранение древесины и дубление кож

Соли хрома (VI) являются токсичными, поэтому они используются для сохранения древесины от повреждения и разрушения грибком, насекомыми и термитами. Хром (III), особенно хромовые квасцы или сульфат калия используется в кожевенной промышленности, так как он помогает стабилизировать кожу.

Красители и пигменты

Хром также используется для изготовления пигментов или красителей. Желтый хром и хромат свинца, широко использовались в качестве пигмента в прошлом. Из-за экологических проблем, его использование существенно снизилось, а затем, наконец, его заменили свинец и хромовые пигменты. Другие пигменты на основе хрома, красного хрома, оксида зеленого хрома, которые является смесью желтой и Берлинской лазури. Окись хрома используется для придания зеленоватого цвета стекла.

Синтез искусственных рубинов

Изумруды обязаны своим зеленым оттенком хрому. Окись хрома применяется также для производства синтетических рубинов. Естественные рубины корунды или кристаллы оксида алюминия, которые обретают красный оттенок из-за присутствия хрома. Синтетические или искусственные рубины сделаны легированием хрома (III) на синтетических кристаллах корунда.

Биологические функции

Хрома (III) или трехвалентный хром, необходим в организме человека, но в очень небольших количествах. Это, как полагают, играет важную роль в липиде и метаболизме сахара. В настоящее время он используется во многих диетических добавках, которые как утверждают, имеют несколько преимуществ для здоровья, однако, это является спорным вопросом. Биологическая роль хрома не была должным образом проверена, и многие эксперты считают, что это не важно для млекопитающих, в то время как другие рассматривают его как важнейший микроэлемент для человека.

Другое использование

Высокая температура плавления и теплостойкость сделать хром идеальным огнеупорным материалом. Он нашел себе применение в доменных печах, цементных печах, и металлических. Многие соединения хрома применяются в качестве катализаторов для переработки углеводородов. Хром (IV) используется, чтобы произвести магнитные ленты, используемые в аудио и видеокассетах.

Шестивалентный хром или хром (VI) называется токсическим и мутагенным веществом, а хром (IV) является известным своими канцерогенными свойствами. Хромат соли также вызывает аллергические реакции у некоторых людей. Благодаря заботе о здравоохранении и экологическим проблемам, некоторые ограничения были наложены на использование соединений хрома в различных частях мира.

Применение металла хром и его соединений в строительстве и машиностроении

Хром отличается необычайной твердостью, стойкостью к коррозии и износу. Широкое применение его обусловлено способностью металла сообщать эти свойства сплавам, в состав которых он входит.

Хром обладает превосходной стойкостью к коррозии: на воздухе он образует тонкую оксидную пленку, очень плотную, которая полностью перекрывает доступ воздуха и воды к поверхности. Но самым интересным является то, что вещество при добавлении в различные сплавы сообщает им такую же стойкость к ржавлению.

На этом и основано применение металла.

Области применения хрома

Большее количество хрома, так или иначе, используется в машиностроительной промышленности. Сам по себе металл используется реже – около 30%, а большая его часть является составляющей сплавов.

Про сплав на основе циркония, кобальта, никеля и хрома, а также меди, алюминия, молибдена с хромом и железом и иными металлами расскажем ниже.

Это видео расскажет о хромировании в домашних условиях:

Сплавы металла

Конечно, на первом месте сплавы вещества с железом. Хром, отличаясь высокой твердостью, это качество способен передавать и сталям. Но быстро выяснилось, что добавка элемента приводит к куда более интересным эффектам.

В общем, все стали с примесью металла разделяют на низколегированные – менее 1,6%, и высоколегированные – более 12%.

• Низколегированные – как правило, конструкционные стали с долей хрома в составе от 0,6 до 1,6%. Такая добавка обеспечивает более высокую твердость, прочность и даже прокаливаемость. Для сравнения предел прочности стали 40 – 580 МПа, текучесть – 340 МПа, относительное удлинение – 19%. А те же самые показатели у стали 40, но с добавкой 1% хрома таковы: предел прочности – 1000 МПа, предел текучести – 800 МПа, удлинение – 13%. Хромистые стали служат сырьем для зубчатых колес, толкателей, машинных валов, болтов и других деталей, где требуется высокая прочность и стойкость к износу.
• Высоколегированные – с добавкой хрома более 12%, обладают превосходным свойством: не подвержены коррозии. Хромистая сталь обладает таким же уникальным качеством, что и ее составляющая: хром приводит к резкому увеличению потенциала α-железа, и в результате на поверхности сплава образуется тончайшая пленка плотного, несвойственного чистому железу оксида. Он и обеспечивает стопроцентную стойкость нержавеющей стали к ржавлению. Нержавеющие стали используют при изготовлении крепежа, деталей трубопровода, элементов топливной аппаратуры, бытовых предметов, деталей оборудования и так далее. Везде, где требуется долговечность и стойкость к сырости и температурным перепадам – от дюбеля до металлических частей турбин, камер сгорания и подводных лодок, везде используются нержавеющие хромистые стали.

• Третья интересная группа – жаропрочные стали. Главным их легирующим элементом выступает никель, однако без хрома здесь тоже обойтись нельзя, причем содержание металла может быть очень высоким – от 30 до 66%. Изделия из такой стали выполняет свои функции при температурах до 1200 С. Жаропрочные сплавы применяют в качестве турбинной стали, материала для клапанов поршневых двигателей, крепежа и так далее.

• Сплав хрома с никелем также обладает уникальной стойкостью к температурам и нагрузкам в условиях высоких температур. Нихромы применяют в качестве нагревательных элементов, а сплавы с добавкой молибдена и хром-кобальтовые – материала для лопатки турбин.
• Металл не обладает биологической активностью. В сплаве с кобальтом и молибденом он служит материалом для зубных протезов, ортопедических аппаратов.

Далее мы кратко расскажем о применении хрома для хромирования.

Кобальт-хром-молибденовый сплав без бериллия и никеля (фото)

Хромирование

Другой основной областью применения материала является хромирование, то есть, покрытие поверхности тонким слоем чистого хрома. Первые достойные результаты были получены только в 20-ых годах 20-го века, когда для хромирования стали использовать не трехвалентный, а шестивалентный хром. Толщина слоя минимальная – в некоторых случаях не достигает и 0,005 мм, однако функции свои выполняет.

Разрабатывали методики в первую очередь для создания защитного слоя: хром надежно укрывает любой другой металл или сплав от воздуха и воды. Однако покрытие, которое он создает очень красивое – зеркально-блестящий серебристый слой. Так что декорирование с помощью хромирования стало очень популярным.

Существует несколько методик хромирования.

• Электролитическое – то есть, высаживание хрома на поверхности при проведении электролиза. Для этого в раствор хромовой кислоты с добавкой соляной погружают деталь и подают ток. Технология настолько проста, что давно освоена автолюбителями, и производится запросто в собственном гараже. С помощью разных режимов обработки можно получить разное покрытие – твердый хром, молочный, зеркальный.
• Диффузионное – промышленный метод. Хромирование производится в печи при высокой температуре, где получают газообразный хлорид металла. Он обволакивает изделие, насыщая поверхностный слой хромом. Такое покрытие намного прочнее.
• Химический – раствор, в который погружено изделие, содержит гипофосфит натрия и хромсодержащую соль. При реакции гипофосфит восстанавливает хром, который высаживается на поверхность изделия.
• Вакуумное – металл наносится на любую предварительно нагретую поверхность в вакуумной камере. Недостаток – размеры изделия ограничены размерами камеры.

Соединения

Соединения хрома используются ничуть не меньше.

• Во-первых, это, конечно, получение разнообразных красителей для стекольной, керамической и текстильной промышленности. В этой области металл полностью оправдывает свое название.
• Во-вторых, хромиты в качестве сырья для огнеупорных материалов давно пользуются известностью. Магнезитохромитовый кирпич применяют для футеровки мартеновских печей и других сооружений.
• В-третьих, хромовые квасцы при дублении кожи придают ей прочность и блеск.
• В-четвертых, сплавы на основе карбида хрома применяются при изготовлении быстро изнашивающихся деталей наподобие вкладышей пресс-форм, фильеров, клапанов, насосов в химическом машиностроении, так как обладают высокой стойкостью к износу.

Про использование в строительстве хрома расскажем ниже.

Его использование в строительстве

В строительных и ремонтных работах металл используется в точном соответствии с его обычным применением, то есть, либо в виде сплава, преимущественно нержавеющей стали, либо в виде храмового покрытия. А уж с этим видом декорирования металлических предметов знаком каждый.

Про металлические конструкции как способ применения хрома расскажем далее.

Металлические конструкции

В строительстве обычная черная сталь используется очень редко, так как не обладает достаточной долговечностью. Как правило, это изделия, не рассчитанные на длительное пользование – тара, например. Если требуется крепеж или каркас «длительного пользования», то материалом выступает оцинкованная сталь.

Однако последняя не дает стопроцентной стойкости к коррозии. Во-первых, при оцинковке всегда возможны какие-либо ошибки. Во-вторых, при повреждении цинкового слоя или его износа, сталь оказывается беззащитной перед влагой и воздухом.

Нержавеющая сталь с примесью хрома и никеля этих недостатков лишена. Вкупе с высокой стойкостью к температуре, которую обеспечивают все те же хром и никель, нержавейка демонстрирует такую долговечность, которая зачастую намного превосходит долговечность всех остальных материалов – кирпича, кровли, обрешетки.

Кроме того, из хромовых сталей можно получить изделия любого уровня сложности.

• Трубы – круглые и профильные. Причем в строительстве себя находят все виды изделий: от привычных круглых для водопровода до треугольных для декоративного радиатора. Но, конечно, главным материалом являются профильные трубы, используемые при возведении любого рода несущих каркасов. Без них современное строительство невозможно в принципе.
• Уголки, швеллеры, двутавры, балки и прочие детали, выступающие соединительными и усиливающими элементами каркасов. Здания, мосты, туннели – без них невозможно построить хоть сколько-нибудь значительный объект.
• Листовая сталь – кровельный материал, корпуса бытовой техники, элементы вентиляции, детали архитектуры, отделочные элементы и так далее.
• Крепеж – гвозди, дюбели, анкеры из нержавеющей стали используют на самых ответственных участках, где предполагается высокая сырость и перепады температур.

Химическая металлизацияи ее технология даны в этом видеоролике:

Декоративные изделия

Нержавеющая сталь поддается ковке, так что из сплава можно получить не менее прекрасные и эффектные детали интерьера, что и из обычной электротехнической стали, которую чаще именуют железом.

• В первую очередь это разнообразные перила и кованые детали дверей, оград и ворот. Сложность орнамента любая, но при этом изделие не нуждается в дополнительной защите и особом уходе.
• Кованая мебель из стали – скамьи и детали скамей, столики и трюмо, стулья и кровати. Возможностей у хромовой стали ничуть не меньше, чем у бронзы или латуни. Кроме того, трубы из нержавейки активно применяют при изготовлении мебели в современном стиле.
• Металлическая скульптура – как чисто декоративная, так и несущая определенную функциональность, наподобие чаши для огня.
• Конечно, решетки на окнах и балконах – отличаются и декоративностью, и прочностью, и исключительной долговечностью.

Дверная ручка из хром-алюминиевого сплава

Хромированные изделия

Зеркальный блеск, который создает слой металла, остается привлекательным и по сей день. А уж практичность такого решения говорит сама за себя.

• Фурнитура – мало того что такие вентили, краны, лейки и дверные ручки не знают износа, они еще и сияют сверкающим серебристым блеском. Покрытие, кстати, в меньшей степени задерживает на себе кальциевые соли, очистить его проще.
• Сантехника – решение такое выглядит радикально, но очень интересно. Хромировать в принципе можно любой предмет, тем более керамический, так что блистающая хромом раковина или душ вполне реальны.
• Мелкие предметы – как правило, это аксессуары ванной и кухни, где сырость велика. Держатели, подставки, рейлинги, детали полок и прочее. Хромовое покрытие и от воды и пара защищает, и элегантности придает.
• Кухонная утварь – столовые приборы, половники, черпаки, ножи и прочее также покрываются хромом, чтобы продлить срок эксплуатации изделия и ради его красоты.
• То же самое касается мелкого декора – статуэток, подставок, рам для картин и зеркал, пюпитров, газетниц и прочего. Однако столь интенсивный серебристый блеск уместен лишь в современных стилях.

Применение хрома в первую очередь обусловлено его антикоррозийными качествами, но во вторую – его удивительным зеркальным блеском, делающим любые изделия столь яркими и запоминающимися.

Хромовое покрытие на деревянном изделии — тема данного видео:

Применение металла хром и его соединений в области строительства и машиностроения

Кристаллы (99,999%) хрома различной формы, полученные разложением йодида хрома.

Хром — твёрдый металл голубовато-белого цвета. Хром иногда относят к чёрным металлам. Этот металл способен окрашивать соединения в разные цвета, потому и был назван «хром», что означает «краска». Хром – микроэлемент, необходимый для нормального развития и функционирования человеческого организма. Важнейшая его биологическая роль состоит в регуляции углеводного обмена и уровня глюкозы в крови.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Кристаллическая структура хрома

В зависимости от типов химической связи — как и все металлы хром имеет металлический тип кристаллической решетки, то есть в узлах решетки находятся атому металла.
В зависимости от пространственной симметрии — кубическая, объемно-центрированная а = 0,28839 нм. Особенностью хрома является резкое изменение его физических свойств при температуре около 37°С. Кристаллическая решетка металла состоит из его ионов и подвижных электронов. Аналогично атом хрома в основном состоянии имеет электронную конфигурацию. При 1830 °С возможно превращение в модификацию с гранецентрированной решеткой, а = 3,69Å.

СВОЙСТВА

Хром имеет твердость по шкале Мооса 9, один из самых твердых чистых металлов (уступает только иридию, бериллию, вольфраму и урану). Очень чистый хром достаточно хорошо поддаётся механической обработке. Устойчив на воздухе за счёт пассивирования. По этой же причине не реагирует с серной и азотной кислотами. При 2000 °C сгорает с образованием зелёного оксида хрома(III) Cr₂O₃, обладающего амфотерными свойствами. При нагревании реагирует со многими неметаллами, часто образуя соединения нестехиометрического состава карбиды, бориды, силициды, нитриды и др. Хром образует многочисленные соединения в различных степенях окисления, в основном +2, +3, +6. Хром обладает всеми характерными для металлов свойствами — хорошо проводит тепло, электрический ток, имеет присущий большинству металлов блеск. Является антиферромагнетиком и парамагнетиком, то есть, при температуре 39 °C переходит из парамагнитного состояния в антиферромагнитное (точка Нееля).

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Самые большие месторождения хрома находятся в ЮАР (1 место в мире), Казахстане, России, Зимбабве, Мадагаскаре. Также есть месторождения на территории Турции, Индии, Армении, Бразилии, на Филиппинах.nГлавные месторождения хромовых руд в РФ известны на Урале (Донские и Сарановское). Разведанные запасы в Казахстане составляют свыше 350 миллионов тонн (2 место в мире)Хром встречается в природе в основном в виде хромистого железняка Fe(CrO₂)₂ (хромит железа). Из него получают феррохром восстановлением в электропечах коксом (углеродом). Чтобы получить чистый хром, реакцию ведут следующим образом:
1) сплавляют хромит железа с карбонатом натрия (кальцинированная сода) на воздухе;
2) растворяют хромат натрия и отделяют его от оксида железа;
3) переводят хромат в дихромат, подкисляя раствор и выкристаллизовывая дихромат;
4) получают чистый оксид хрома восстановлением дихромата натрия углём;
5) с помощью алюминотермии получают металлический хром;
6) с помощью электролиза получают электролитический хром из раствора хромового ангидрида в воде, содержащего добавку серной кислоты.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Среднее содержание Хрома в земной коре (кларк) 8,3·10 -3 % . Этот элемент, вероятно, более характерен для мантии Земли, так как ультраосновные породы, которые, как полагают, ближе всего по составу к мантии Земли, обогащены Хромом (2·10 -4 %). Хром образует массивные и вкрапленные руды в ультраосновных горных породах; с ними связано образование крупнейших месторождений Хрома. В основных породах содержание Хрома достигает лишь 2·10 -2 %, в кислых — 2,5·10 -3 %, в осадочных породах (песчаниках) — 3,5·10 -3 %, глинистых сланцах — 9·10 -3 % . Хром — сравнительно слабый водный мигрант; содержание Хрома в морской воде 0,00005 мг/л.
В целом Хром — металл глубинных зон Земли; каменные метеориты (аналоги мантии) тоже обогащены Хромом (2,7·10 -1 %). Известно свыше 20 минералов Хрома. Промышленное значение имеют только хромшпинелиды (до 54% Сr); кроме того, Хром содержится в ряде других минералов, которые нередко сопровождают хромовые руды, но сами не представляют практическое ценности (уваровит, волконскоит, кемерит, фуксит).
Различают три основных минерала хрома: магнохромит (Mg, Fe)Cr₂O₄, хромпикотит (Mg, Fe)(Cr, Al)₂O₄ и алюмохромит (Fe, Mg)(Cr, Al)₂O₄. По внешнему виду они неразличимы, и их неточно называют «хромиты».

ПРИМЕНЕНИЕ

Хром — важный компонент во многих легированных сталях (в частности, нержавеющих), а также и в ряде других сплавов. Добавка хрома существенно повышает твердость и коррозийную стойкость сплавов. Использование Хрома основано на его жаропрочности, твердости и устойчивости против коррозии. Больше всего Хрома применяют для выплавки хромистых сталей. Алюмино- и силикотермический Хром используют для выплавки нихрома, нимоника, других никелевых сплавов и стеллита.
Значительное количество Хрома идет на декоративные коррозионно-стойкие покрытия. Широкое применение получил порошковый Хром в производстве металлокерамических изделий и материалов для сварочных электродов. Хром в виде иона Cr 3+ — примесь в рубине, который используется как драгоценный камень и лазерный материал. Соединениями Хрома протравливают ткани при крашении. Некоторые соли Хрома используются как составная часть дубильных растворов в кожевенной промышленности; PbCrO₄, ZnCrO₄, SrCrO₄ — как художественные краски. Из смеси хромита и магнезита изготовляют хромомагнезитовые огнеупорные изделия.
Используется в качестве износоустойчивых и красивых гальванических покрытий (хромирование).
Хром применяется для производства сплавов: хром-30 и хром-90, незаменимых для производства сопел мощных плазмотронов и в авиакосмической промышленности.

Хромирование в машиностроении (стр. 1 из 4)

Создание первых производственных установок по хромированию относится к концу 20-х годов текущего столетия. За истекший период времени хромовые покрытия, по сравнению с другими гальваническими покрытиями, получили наиболее широкое распространение. Такое положение объясняется ценными свойствами хрома, позволяющими сочетать в покрытии красивый внешний вид и коррозионную стойкость с высокой твердостью и износостойкостью.

Важной областью хромирования являются защитно-декоративные покрытия. Наряду с этим хромовые покрытия получили широкое распространение в машиностроении для увеличения износостойкости новых деталей машин и инструмента, а также для восстановления изношенных деталей. Последнее приобрело особенно большое значение при ремонте двигателей внутреннего сгорания в связи с созданием технологии пористого хромирования.

Однако применение электролитического хромирования для восстановления изношенных деталей машин ограничивается глубиной износа. В случаях, когда величина износа достигает 0,7 – 1,0 мм хромирование становится нерациональным, так как при большой толщине слоя покрытия продолжительность процесса осаждения велика, а осажденный металл имеет склонность к скалыванию.

В этих случаях может быть применено железнение. Твердость и износостойкость электролитического железа значительно ниже, чем хрома. Поэтому железненные детали подвергаются дополнительно хромированию или цементации.

Хром – элемент 6-й группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Его атомный номер 24, атомная масса 51,99. До хрома ни один элемент периодической системы не выделяется электролизом из водных ресурсов.

Физические свойства хрома следующие: температура плавления 1890 – 1900 о С; плотность (при 20 о С) 6,9 7,2 г/см 3 ; температурный коэффициент линейного расширения (при 20 о С) 6,6 ´ 10 -6 К -1 ; удельная теплоемкость 0,46 ´ 10 3 Дж /(кг ´ К).

Соединения шестивалентного хрома являются сильными окислителями. Все хромовые кислоты относятся к сильным; по мере усложнения их состава степень их диссоциации в разбавленных растворах возрастает. Оксид Cr₂ O₃ обладает амфотерными свойствами. Соединения Cr 2++ , обладающие основными свойствами, неустойчивы.

Электрически осажденный хром обладает рядом ценных свойств: высокой твердостью, износоустойчивостью, термостойкостью и химической устойчивостью.

Хром обладает большой стойкостью против воздействия многих кислот и щелочей: он нерастворим в растворах азотной и серной кислот, в соляной и горячей серной кислотах легко растворяется, на воздухе и под действием окислителей пассивируется – на его поверхности образуется тонкая окисная пленка. Хром положительный потенциал и не обеспечивает при наличии в покрытии пор электрохимической защиты от коррозии стальных деталей.

Хорошо полированная поверхность хрома имеет высокие декоративные качества, которые отличаются стабильностью во времени: хром не тускнеет даже после нагрева до 670 – 720 К. Сернистые соединения на хром не действуют.

Хромовые покрытия применяют в следующих случаях:

1. Для защитно-декоративных целей. Хромовое покрытие с подслоем меди и никеля хорошо защищает сталь от коррозии, придавая изделиям красивый внешний вид. Защитно-декоративному хромированию подвергают детали автомобилей, велосипедов, приборов и т.п.

2. Для увеличения отражательной способности. Отражательная способность хромового покрытия уступает лишь отражательной способности серебра и алюминия, однако вследствие более высокой стойкости против окисления отражательная способность хрома более стабильна. Хромовое покрытие поэтому широко используется в производстве зеркал, отражателей, прожекторов.

3. Для увеличения износоустойчивости. Хромирование с этой целью используется в инструментальном производстве при отделке мерильных инструментов, фильер для волочения металлов и т.п. Большой эффект дает хромирование штампов и матриц при изготовлении различных изделий из резины, пластмасс, кожи, стекла. В этом случае хромовое покрытие не только обеспечивает износостойкость, но также исключает налипание прессуемых материалов к поверхности матриц. Хромовое покрытие значительно снижает смачиваемость стенок форм расплавленным стеклом или металлом. Значительное повышение износостойкости трущихся поверхностей стенок цилиндров и поршневых колец двигателей внутреннего сгорания достигается при применении процессов пористого хромирования.

4. Для восстановления изношенных размеров. Наращивание слоя хрома на изношенные поверхности термообработанных валов, втулок позволяет восстановить размеры деталей и этим увеличить срок эксплуатации изделий.

Толщина хромовых покрытий устанавливается в зависимости от условий эксплуатации и назначения покрытий по отраслевой нормативно-технической документации и имеет следующие значения, мкм:

для деталей из меди и ее сплавов…………………………………………………. …6,0 – 9,0

Повышающие износостойкость пресс-форм, штампов и т.п…………………………9 – 60

Восстанавливающие изношенные размеры……………………………………………до 500

3. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ХРОМОВЫХ ПОКРЫТИЙ.

Электролитическое хромирование применяется для внешней отделки изделий, повышения износостойкости, для защиты от коррозии и в ряде других случаев.

Декоративные и защитно-декоративные покрытия хромом отличаются долговечностью. Поэтому многие изделия, и в особенности работающие в тяжелых условиях эксплуатации, подвергаются декоративному хромированию: например, детали автомобилей, самолетов, вагонов, приборов, а также инструменты и изделия бытового характера.

Полированные хромовые покрытия обладают хорошей отражательной способностью. Коэффициент отражения света хромом достигает 70%. Эта величина несколько меньше, чем для серебра, но зато хром не тускнеет на воздухе. Поэтому хромирование используется в производстве различного типа фар и других малоответственных светоотражателей. Наряду с этим, из хромового электролита возможно осаждение черного хрома, применяющегося для уменьшения коэффициента отражения света.

Износостойкие хромовые покрытия применяются для многих инструментов и деталей машин, работающих на трение. К хромированию прибегают при покрытии новых деталей, а также при восстановлении изношенных, потерявших размеры во время работы на трение. Большое значение имеет исправление деталей, забракованных по размерам.

Номенклатура деталей, подвергаемых хромированию для повышения износостойкости, достигает больших размеров: детали мерительных инструментов, предельные калибры, режущий инструмент – метчики, сверла, развертки, фрезы, протяжки, долбяки и пр., инструмент для холодной обработки металлов давлением – волочильные глазки, пуансоны и матрицы для листовой штамповки, штампы для холодной штамповки и т.д.

Благодаря хромированию не только увеличивается срок службы деталей, но часто повышается качество выпускаемой продукции. Это наблюдается при хромировании валиков бумагопрокатных станов, штампов и прессформ для обработки неметаллических материалов и резины. Здесь важное значение имеют химическая стойкость и плохая смачиваемость хрома, что обеспечивает легкое отделение от формы и блеск отпрессованных деталей.

Применение износостойких хромовых покрытий для восстановления изношенных деталей станков и двигателей внутреннего сгорания позволяет во много раз увеличить срок их службы. Примерами подобных деталей могут служить шпиндели станков, шейки коленчатых валов, распределительные валики, толкатели клапанов, поршневые пальцы, шейки валиков различных агрегатов и другие детали.

Важной областью использования износостойких хромовых покрытий является хромирование цилиндров или поршневых колец двигателей внутреннего сгорания. Однако для этих деталей, работающих в условиях ограниченной смазки и высоких удельных нагрузок, положительного эффекта от хромирования можно ждать лишь при покрытии пористым хромом.

Хромовые покрытия нашли применение также для защиты изделий от коррозии. Хром, осажденный при определенных условиях электролиза, обеспечивающих получение беспористых осадков при толщине слоя 40 – 50 мк, защищает стальные изделия от атмосферной коррозии и коррозии в морской воде.

4. РЕЖИМЫ ХРОМИРОВАНИЯ.

Они оказывают большое влияние на свойства хромового покрытия и на его качество.

Для улучшения кроющей способности сульфатных электролитов сразу же после загрузки деталей дается ток, в 1,5 раза превышающий расчетное значение (“толчок” тока); через 15-30 с значение тока снижается до номинального. При хромировании стальных деталей вначале дается ток противоположного направления для анодного растворения окисных пленок, а затем “толчок” тока в прямом направлении, как указано выше. “Толчок” тока особенно необходим при хромировании деталей из чугуна.

Хром — общая характеристика элемента, химические свойства хрома и его соединений

Хром — элемент побочной подгруппы 6-ой группы 4-го периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 24. Обозначается символом Cr (лат. Chromium). Простое вещество хром— твёрдый металл голубовато-белого цвета.

Химические свойства хрома

При обычных условиях хром реагирует только со фтором. При высоких температурах (выше 600°C) взаимодействует с кислородом, галогенами, азотом, кремнием, бором, серой, фосфором.

2Cr + N₂ – t° → 2CrN

В раскалённом состоянии реагирует с парами воды:

Хром растворяется в разбавленных сильных кислотах (HCl, H₂SO₄)

В отсутствии воздуха образуются соли Cr 2+ , а на воздухе – соли Cr 3+ .

Наличие защитной окисной плёнки на поверхности металла объясняет его пассив-ность по отношению к концентрированным растворам кислот – окислителей.

Соединения хрома

Оксид хрома (II) и гидроксид хрома (II) имеют основной характер.

Соединения хрома (II) — сильные восстановители; переходят в соединения хрома (III) под действием кислорода воздуха.

Оксид хрома (III) Cr₂O₃ – зелёный, нерастворимый в воде порошок. Может быть получен при прокаливании гидроксида хрома (III) или дихроматов калия и аммония:

Амфотерный оксид. При сплавлении Cr₂O₃ со щелочами, содой и кислыми солями получаются соединения хрома со степенью окисления (+3):

При сплавлении со смесью щёлочи и окислителя получают соединения хрома в степени окисления (+6):

Гидроксид хрома (III) Сr(ОН)₃ . Амфотерный гидроксид. Серо-зеленый, разлагается при нагревании, теряя воду и образуя зеленый метагидроксид СrО(ОН). Не растворяется в воде. Из раствора осаждается в виде серо-голубого и голубовато-зеленого гидрата. Реагирует с кислотами и щелочами, не взаимодействует с гидратом аммиака.

Обладает амфотерными свойствами — растворяется как в кислотах, так и в щелочах:

Получение: осаждение гидратом аммиака из раствора солей хрома(Ш):

Соли хрома (III) имеют фиолетовую или тёмно-зелёную окраску. По химическим свойствам напоминают бесцветные соли алюминия.

Соединения Cr (III) могут проявлять и окислительные, и восстановительные свойства:

2Cr +3 Cl₃ + 16NaOH + 3Br₂ → 6NaBr + 6NaCl + 8H₂O + 2Na₂Cr +6 O₄

Соединения шестивалентного хрома

Оксид хрома (VI) CrO₃ — ярко-красные кристаллы, растворимые в воде.

Получают из хромата (или дихромата) калия и H₂SO₄(конц.).

CrO₃ — кислотный оксид, со щелочами образует жёлтые хроматы CrO₄ 2- :

В кислой среде хроматы превращаются в оранжевые дихроматы Cr₂O₇ 2- :

В щелочной среде эта реакция протекает в обратном направлении:

Дихромат калия – окислитель в кислой среде:

Хромат калия К₂ CrО₄. Оксосоль. Желтый, негигроскопичный. Плавится без разложения, термически устойчивый. Хорошо растворим в воде (желтая окраска раствора отвечает иону СrO₄ 2- ), незначительно гидролизуется по аниону. В кислотной среде переходит в К₂Cr₂O₇. Окислитель (более слабый, чем К₂Cr₂O₇). Вступает в реакции ионного обмена.

Качественная реакция на ион CrO₄ 2- — выпадение желтого осадка хромата бария, разлагающегося в сильнокислотной среде. Применяется как протрава при крашении тканей, дубитель кож, селективный окислитель, реактив в аналитической химии.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: спекание хромита с поташом на воздухе:

Дихромат калия K2Cr₂O₇ . Оксосоль. Техническое название хромпик. Оранжево-красный, негигроскопичный. Плавится без разложения, при дальнейшем нагревании разлагается. Хорошо растворим в воде (оранжевая окраска раствора отвечает иону Сr₂O₇ 2- ). В щелочной среде образует К₂CrO₄ . Типичный окислитель в растворе и при сплавлении. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественные реакции — синее окрашивание эфирного раствора в присутствии Н₂O₂ , синее окрашивание водного раствора при действии атомарного водорода.

Применяется как дубитель кож, протрава при крашении тканей, компонент пиротехнических составов, реагент в аналитической химии, ингибитор коррозии металлов, в смеси с Н₂SO₄ (конц.) — для мытья химической посуды.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: обработка К₂СrO₄ серной кислотой:

Хромирование

Общие сведения

Исследования в области электролитического осаждения хрома из растворов его трехвалентных солей проводились еще во второй половине XIX столетия, а из растворов хромовой кислоты — только с начала XX столетия. Промышленное применение хромирование получило в двадцатых годах текущего столетия.

В настоящее время ни один гальваностегический процесс не имеет столь разнообразного применения, как хромирование. Установки для хромирования имеются почти на всех более или менее крупных машиностроительных и приборостроительных заводах.

Главными особенностями электролитического хрома, которые и послужили причиной широкого его распространения, являются высокая химическая стойкость и сопротивление механическому износу.

Хром, как известно, в ряде напряжений стоит в группе электроотрицательных металлов (выше железа), но благодаря сильно выраженной способности пассивироваться он приобретает свойства благородных металлов. Органические кислоты на него не действуют, он хорошо противостоит азотной кислоте. В атмосфере воздуха хром совершенно не меняет цвета. В противоположность серебру на него не действует сероводород. Осажденный на предварительно отполированную поверхность хром имеет зеркальный блеск и серебристый с синеватым отливом цвет. Хромовые отложения жароустойчивы и начинают изменять свой цвет при 480—500° С. Отражательная способность хромовых осадков несколько ниже серебряных, зато она отличается постоянством и со временем не меняется.

Твердость полученных при надлежащих условиях хромовых осадков достигает 1000 единиц по Бринелю. Хромовые отложения удается получить сплошными (на глаз) в самых тонких слоях — стотысячных долях миллиметра.

Осадить электролитическим путем хром можно почти на все металлы, зато другие металлы, электролитически осажденные на хром без специальных методов его активирования, плохо сцепляются.

На перечисленных здесь особенностях электролитического хромирования мы ниже остановимся подробнее, пока воспользуемся этими данными, чтобы определить те области, где хромирование может с успехом применяться.

Хромирование проводят с двумя основными целями: сохранить красивый блестящий вид поверхности и повысить сопротивление механическому износу:
Несмотря на высокую химическую стойкость, хром не обеспечивает надежной защиты железа от коррозии. Причиной этого является то, что в гальванической паре хром — железо, которая образуется в открытых местах, железо является анодом. Поэтому вместо непосредственного хромирования применяют предварительное никелирование или более экономичное тройное покрытие: медь — никель — хром. Толщина слоя хрома при этом бывает очень незначительной — доли микрона. В больших масштабах таким методом сейчас хромируют блестящие части автомобилей, велосипедов, Трамвайных и железнодорожных вагонов, различные измерительные приборы, водо- и паропроводную арматуру, пишущие машины, часы и Т. д.

Хром широко применяют вместо серебра в производстве рефлекторов. Имея более низкий коэффициент отражения, чем серебро, хром имеет перед ним то преимущество, что он не тускнеет со временем.

В производстве стекла хром применяют для покрытия форм, благодаря чему значительно увеличивается срок их службы.

Большой эффект дает хромирование штампов и матриц при изготовлении различных изделий из резины, кожи и пластических масс. Здесь сочетаются химические и механические свойства хрома.

В производстве клише и стереотипов хром оказывает неоценимую услугу. Хромирование стереотипов поверх никеля значительно увеличивает срок службы их; хромовый слой при этом не превышает 0,005 мкм и по мере износа его можно восстанавливать.

Для защиты от механического износа трущихся поверхностей хромирование широко применяют в машиностроении, авиамоторостроении, на транспорте. Хромированию успешно поддаются цилиндры двигателей внутреннего сгорания и поршневые кольца; сопротивление износу хромированных цилиндров по сравнению с нехромированными повышается в несколько раз.

С большим успехом хромирование применяется для предельных калибров. Срок службы при этом увеличивается в 5—10 раз. Калибры предварительно соответствующим образом обрабатывают, причем при доводке размеров учитывают наращивание определенной толщины хромового слоя; после износа остающийся хром с калибров снимают и вновь наращивают.

В инструментальном деле хромирование приобретает все большее и большее значение. Правда, встречаются значительные затруднения при хромировании режущих инструментов вследствие хрупкости хрома и склонности его к скалыванию с остриев, но применением специальных «защитных» катодов эти затруднения в значительной степени устраняются. Во всяком случае хромирование такого инструмента, как сверла, метчики, развертки, дает вполне удовлетворительные результаты.