کروم سخت: کنترل سختی، موج‌دارشدن و پرداخت نهایی

به گزارش سایت دیده‌بان ایران پوشش‌دهی کروم سخت روی قالب‌، یکی از روش‌های کلیدی برای افزایش دوام و کارایی این ابزارهاست. این لایه نه تنها سطح را در برابر سایش و خوردگی محافظت می‌کند، بلکه با تنظیم دقیق رافنس (زبری سطحی) و جلوگیری از موج‌دارشدن (ناهمواری‌های موجی)، کیفیت محصول نهایی را تضمین می‌کند. در قالب‌های تزریق، جایی که مواد مذاب با فشار بالا وارد می‌شوند، لایه کروم باید شکل‌پذیری یکدستی داشته باشد تا تحت تنش‌های تکراری ترک نخورد یا جدا نشود. همین‌طور در فورج، که ضربه‌های سنگین اعمال می‌شود، لایه باید رافنس کنترل‌شده‌ای داشته باشد تا اصطکاک را بهینه کند و عمر قالب را افزایش دهد. بدون این پوشش، قالب‌ها سریع‌تر فرسوده می‌شوند و هزینه‌های تعمیر بالا می‌رود.

اهمیت لایه کروم سخت در قطعات صنعتی

لایه کروم سخت روی قطعات صنعتی مانند قالب‌ها، نقش حیاتی در حفظ دقت ابعادی و عملکرد طولانی‌مدت ایفا می‌کند. این لایه با سختی بالای خود (معمولاً 800 تا 1100 ویکرز) در برابر سایش ناشی از مواد ساینده مقاومت می‌کند. در قالب‌های تزریق، جایی که پلاستیک‌های پرشده با فیبر یا مواد معدنی جریان دارند، کروم سخت از خوردگی سطحی جلوگیری می‌کند و اجازه می‌دهد قالب هزاران سیکل کاری را بدون افت کیفیت تحمل کند. الزام ایجاد این لایه از نیاز به کاهش اصطکاک ناشی می‌شود؛ بدون آن، مواد به سطح قالب می‌چسبند و جداسازی قطعه دشوار می‌شود، که منجر به نقص‌هایی مانند خطوط جریان یا حباب در محصول نهایی می‌گردد.

در فورج، لایه کروم سخت الزامی است زیرا ضربه‌های مکانیکی شدید می‌توانند سطح را تغییر شکل دهند. این لایه با ایجاد یک سد محافظ، تنش‌های برشی را توزیع می‌کند و از تمرکز تنش در نقاط خاص جلوگیری می‌کند. شکل‌پذیری یکدست لایه کروم اینجا کلیدی است؛ لایه باید بتواند بدون شکست، با انبساط و انقباض حرارتی قالب همگام شود. اگر لایه ترد باشد، ترک‌های میکروسکوپی به ترک‌های بزرگ تبدیل می‌شوند و قالب را از کار می‌اندازد. در عمل، لایه کروم سخت می‌تواند عمر قالب را تا 5 برابر افزایش دهد، به شرطی که ضخامت آن (معمولاً 20 تا 100 میکرومتر) بر اساس نوع ماده فورج (مانند فولاد یا آلومینیوم) تنظیم شود.

شکل‌پذیری یکدست لایه کروم: پایه پایداری

شکل‌پذیری یکدست به معنای توانایی لایه برای تحمل تغییر شکل بدون از دست دادن یکپارچگی است. در کروم سخت، این ویژگی از ساختار کریستالی دانه‌ریز و شبکه ترک‌های کنترل‌شده ناشی می‌شود. برای دستیابی به آن، فرآیند آبکاری باید طوری تنظیم شود که لایه به طور یکنواخت روی تمام سطح قالب رسوب کند، حتی در نواحی پیچیده مانند حفره‌های عمیق یا لبه‌های تیز. اگر شکل‌پذیری ناهموار باشد، لایه در نقاط پرتنش (مانند گوشه‌های قالب تزریق) زودتر شکست می‌خورد و منجر به نشت مواد یا تغییر ابعاد می‌شود.

در عمل، شکل‌پذیری را با کنترل چگالی جریان (15 تا 40 A/dm²) و دمای حمام (45 تا 55 درجه سانتی‌گراد) بهینه می‌کنند. چگالی جریان پایین‌تر اجازه می‌دهد لایه به آرامی رشد کند و دانه‌ها ریزتر شوند، که انعطاف‌پذیری را افزایش می‌دهد. همچنین، استفاده از آندهای کمکی در نواحی فرو رفته قالب، توزیع جریان را متعادل می‌کند و از تجمع کروم در لبه‌ها جلوگیری می‌کند. این تکنیک در قالب‌های فورج بزرگ، جایی که هندسه نامنظم است، حیاتی است و می‌تواند تفاوت بین یک لایه با شکل‌پذیری 20% و 50% ایجاد کند.

کنترل سختی در لایه کروم سخت

رافنس سطحی (Ra) یکی از پارامترهای کلیدی در پوشش کروم سخت است که مستقیماً بر عملکرد قالب تأثیر می‌گذارد. در قالب‌های تزریق، رافنس بالا (بالای 0.8 میکرومتر) می‌تواند باعث چسبندگی مواد پلاستیکی شود و جداسازی را سخت کند، در حالی که رافنس خیلی پایین (زیر 0.2 میکرومتر) اصطکاک را بیش از حد کاهش می‌دهد و جریان مواد را نامنظم می‌کند. کنترل رافنس با تنظیم پارامترهای آبکاری مانند غلظت اسید کرومیک (250 تا 350 g/L) و نسبت سولفات (1:100 تا 1:120) انجام می‌شود. غلظت بالاتر اسید کرومیک لایه‌ای صاف‌تر ایجاد می‌کند، زیرا نرخ رسوب را افزایش می‌دهد و فرصت برای تشکیل برجستگی‌ها را کم می‌کند.

در فورج، رافنس باید بین 0.4 تا 0.6 میکرومتر نگه داشته شود تا اصطکاک کافی برای نگه داشتن قطعه فراهم شود بدون اینکه سایش بیش از حد ایجاد کند. تکنیک عملی برای کنترل رافنس، استفاده از پیش‌پرداخت سطح با سندبلاست ملایم است که پایه‌ای با رافنس اولیه 1 تا 2 میکرومتر ایجاد می‌کند، سپس لایه کروم آن را به سطح دلخواه می‌رساند. اگر رافنس پس از آبکاری نامطلوب باشد، پرداخت مکانیکی با ابزارهای الماسی می‌تواند آن را تنظیم کند، اما باید مراقب بود که لایه را بیش از 5 میکرومتر برندارد تا سختی حفظ شود.

جلوگیری از موج‌دارشدن در پوشش کروم

موج‌دارشدن (waviness) به ناهمواری‌های موجی در مقیاس بزرگ‌تر از رافنس اشاره دارد و می‌تواند دقت ابعادی قالب را مختل کند. در قالب‌های تزریق، این مشکل باعث ایجاد خطوط موجی روی محصول نهایی می‌شود، که در قطعات دقیق مانند اجزای الکترونیکی غیرقابل قبول است. علت اصلی موج‌دارشدن، توزیع نامناسب جریان الکتریکی در حمام آبکاری است، که منجر به رسوب ناهموار کروم می‌شود. برای کنترل آن، از سپرهای الکتریکی (shields) استفاده می‌شود که جریان را از نواحی پرتراکم منحرف می‌کنند و اجازه می‌دهند لایه در تمام سطح یکنواخت رشد کند.

در فورج، موج‌دارشدن اغلب از تنش‌های حرارتی ناشی می‌شود، زیرا قالب‌ها در دماهای بالا کار می‌کنند. لایه کروم سخت با شکل‌پذیری یکدست می‌تواند این تنش‌ها را جذب کند، اما اگر موج‌دار باشد، نقاط ضعیف ایجاد می‌کند که تحت ضربه شکست می‌خورند. راه‌حل عملی، چرخش قالب در حمام آبکاری است که جریان مایع را یکنواخت می‌کند و موج‌دارشدن را به کمتر از 2 میکرومتر در هر 10 میلی‌متر کاهش می‌دهد. همچنین، کنترل دمای حمام با دقت 1 درجه سانتی‌گراد حیاتی است؛ نوسانات دما می‌تواند انبساط ناهموار لایه را باعث شود.

پرداخت نهایی لایه کروم سخت

پرداخت نهایی مرحله‌ای است که رافنس و موج‌دارشدن را به سطح ایده‌آل می‌رساند و شکل‌پذیری را حفظ می‌کند. در قالب‌های تزریق، پرداخت با پولیش الکترولیتی انجام می‌شود که لایه را بدون برداشتن زیاد صاف می‌کند و سختی را حفظ می‌کند. این روش رافنس را به 0.1 تا 0.3 میکرومتر می‌رساند، که برای جریان روان پلاستیک عالی است. در فورج، پرداخت مکانیکی با سنگ‌زنی دقیق ترجیح داده می‌شود، زیرا باید اصطکاک کنترل‌شده‌ای ایجاد کند.

برای حفظ شکل‌پذیری در پرداخت، از حرارت‌دهی پس از آبکاری (150 تا 200 درجه سانتی‌گراد برای 2 ساعت) استفاده می‌شود که تنش‌های داخلی را کاهش می‌دهد. این مرحله الزامی است، زیرا پرداخت بدون آن می‌تواند لایه را ترد کند و شکل‌پذیری را از 40% به 20% کاهش دهد.

 پارامترهای آبکاری برای کنترل رافنس و موج‌دارشدن

چالش‌های شکل‌پذیری در قالب‌های پیچیده

در قالب‌های تزریق با حفره‌های متعدد، شکل‌پذیری یکدست چالش‌برانگیز است زیرا جریان الکتریکی در عمق حفره‌ها ضعیف می‌شود. برای غلبه، از آندهای شکل‌دار استفاده می‌شود که جریان را مستقیماً به عمق می‌رسانند و لایه را با ضخامت یکنواخت (تفاوت کمتر از 10%) ایجاد می‌کنند. این تکنیک شکل‌پذیری را تا 60% بهبود می‌بخشد و از ترک در نقاط پرتنش جلوگیری می‌کند.

در فورج، جایی که قالب‌ها تحت ضربه قرار می‌گیرند، شکل‌پذیری باید با سختی متعادل شود. لایه خیلی سخت (بالای 1000 HV) ترد می‌شود، بنابراین با تنظیم نسبت سولفات به 1:105، لایه‌ای با سختی 900 HV و شکل‌پذیری خوب به دست می‌آید. تجربه نشان می‌دهد که تست خمش پس از آبکاری (با زاویه 90 درجه) می‌تواند شکل‌پذیری را ارزیابی کند؛ لایه خوب بدون ترک خم می‌شود.

تکنیک هایی برای پرداخت نهایی

پرداخت نهایی اغلب با ترکیب روش‌های مکانیکی و شیمیایی انجام می‌شود. در تزریق، پس از پولیش، یک لایه نازک نیکل زیر کروم اضافه می‌شود تا چسبندگی افزایش یابد و شکل‌پذیری بهبود یابد. این لایه زیرین (5-10 میکرومتر) مانند یک بافر عمل می‌کند و تنش‌ها را جذب می‌کند. در فورج، پرداخت با هونینگ (honing) دقیق، رافنس را به 0.5 میکرومتر می‌رساند و موج‌دارشدن را حذف می‌کند.

چالش‌ها و راه‌حل‌ها در کنترل رافنس و موج‌دارشدن

بهینه‌سازی لایه برای کاربردهای خاص

در قالب‌های تزریق برای پلاستیک‌های مهندسی، لایه کروم باید رافنس 0.3 میکرومتر داشته باشد تا جریان ویسکوز را تسهیل کند. این با کاهش چگالی جریان به 25 A/dm² و افزایش زمان به 3 ساعت به دست می‌آید. در فورج سرد، جایی که دقت بالا لازم است، موج‌دارشدن باید زیر 0.5 میکرومتر باشد، که با چرخش مداوم قالب در حمام حاصل می‌شود.

شکل‌پذیری یکدست همچنین با کنترل ناخالصی‌ها در حمام (مانند Cr³⁺ زیر 5 g/L) حفظ می‌شود. ناخالصی بالا لایه را ناهموار می‌کند و شکل‌پذیری را کاهش می‌دهد، بنابراین فیلتراسیون مداوم ضروری است.

مقایسه خواص لایه کروم در شرایط مختلف

منبع: رنگین پوشش شیراز