قالب‌های تزریق پلاستیک و قالب‌های فورج فلزات، در شدیدترین شرایط کاری قرار دارند. یک قالب تزریق ممکن است روزانه هزاران بار با پلاستیک مذاب در دمای ۲۰۰-۳۰۰ درجه تماس پیدا کند، فشار ۸۰۰-۲۰۰۰ بار را تحمل کند و در عین حال باید دقت ابعادی میکرومتری را حفظ کند. قالب‌های فورج هم با فلزات داغ در دماهای ۹۰۰-۱۲۰۰ درجه مواجه هستند و فشارهای هیدرولیک چند هزار تنی را تحمل می‌کنند.
بدون پوشش مناسب، این قالب‌ها بعد از چند هزار شات دچار سایش، چسبندگی مواد، خراش و خوردگی می‌شوند. کروم سخت با سختی ۹۰۰-۱۱۰۰ ویکرز، یکی از معدود راه‌حل‌هایی است که می‌تواند عمر این قالب‌ها را ۳ تا ۱۰ برابر افزایش دهد. اما نکته کلیدی این است که کیفیت کروم‌کاری روی قالب، به همان اندازه که به شیمی حمام بستگی دارد، به دانش فنی آماده‌سازی سطح، کنترل عیوب و پرداخت نهایی هم وابسته است.
سه عیب اصلی که می‌تواند یک قالب کروم‌شده را از کار بیندازد: رافنس (زبری ناشی از ذرات معلق)، موج‌دارشدن (ناهمواری‌های سیستماتیک در لایه) و پرداخت نامناسب که منجر به چسبندگی محصول نهایی می‌شود. این مقاله، به بررسی عمیق این سه چالش و راهکارهای عملی برای حل آنها می‌پردازد.
ویژگی‌های خاص قالب‌های تزریق که بر فرآیند کروم‌کاری تأثیر می‌گذارند
قالب‌های تزریق، معمولاً از فولادهای ابزار سخت‌شده (P20، H13، NAK80 یا S136) ساخته می‌شوند. این فولادها بعد از عملیات حرارتی، سختی ۲۸-۵۴ راکول C دارند. وقتی می‌خواهیم روی یک سطح سخت‌شده، لایه کروم بنشانیم، با چالش‌های خاصی مواجه می‌شویم:
اول، سطح باید به شدت صاف و پولیش شده باشد—معمولاً Ra کمتر از ۰.۱ میکرون برای قطعات شفاف یا ۰.۲-۰.۴ میکرون برای قطعات معمولی. هر خط، حفره یا ناهمواری روی سطح، بعد از کروم‌کاری تشدید می‌شود نه اینکه پنهان شود. برخلاف تصور رایج، کروم لایه‌ای نازک (معمولاً ۲۰-۵۰ میکرون) است که کاملاً کانتور سطح زیرین را دنبال می‌کند.
دوم، هندسه پیچیده است. یک قالب تزریق ممکن است دارای کانال‌های داخلی، گوشه‌های تیز، حفره‌های عمیق و تغییرات ناگهانی ضخامت باشد. توزیع جریان الکتریکی در چنین هندسه‌هایی، هرگز یکنواخت نیست. نقاط برجسته، جریان بیشتری دریافت می‌کنند و ممکن است بسوزند، در حالی که نقاط فرورفته، کروم کافی دریافت نمی‌کنند.
سوم، حساسیت ابعادی است. یک تغییر ۱۰ میکرون در ابعاد قالب، ممکن است محصول نهایی را خارج از تلرانس کند. پس باید ضخامت کروم را با دقت کنترل کرد و در محاسبات طراحی، آن را در نظر گرفت.
تنظیمات حمام کروم مخصوص قالب‌سازی
قالب‌های تزریق و فورج، نیازمند لایه‌های کروم با حداکثر سختی و مقاومت سایش هستند. این به معنای استفاده از حمام با دمای پایین‌تر و چگالی جریان بالاتر است.
| پارامتر | مقدار استاندارد | مقدار برای قالب‌سازی | دلیل |
|---|---|---|---|
| غلظت CrO₃ | ۲۵۰-۳۰۰ g/L | ۳۵۰-۴۰۰ g/L | افزایش سرعت رسوب |
| نسبت CrO₃/SO₄²⁻ | ۱۰۰:۱ – ۱۵۰:۱ | ۱۲۰:۱ – ۱۴۰:۱ | تعادل بین سختی و بازده |
| دمای حمام | ۵۰-۵۵°C | ۴۲-۴۸°C | افزایش سختی و ریزدانگی |
| چگالی جریان | ۳۰-۴۰ A/dm² | ۴۵-۶۰ A/dm² | لایه ضخیم‌تر و سخت‌تر |
| Cr³⁺ | ۸-۱۲ g/L | ۱۰-۱۵ g/L | بهبود قدرت پوشش‌دهی |
دمای پایین (۴۲-۴۸°C) منجر به تشکیل کریستال‌های ریزتر می‌شود که سختی بالاتری دارند. اما این دما، بازده کاتدی را کاهش می‌دهد (از ۱۵% به ۱۰-۱۲%)، یعنی زمان بیشتری برای رسیدن به ضخامت مورد نظر نیاز است.
غلظت بالای CrO₃ (۳۵۰-۴۰۰ g/L) به دو دلیل مهم است: اول، در دماهای پایین، سرعت واکنش کند است و غلظت بالا جبران می‌کند. دوم، در قالب‌هایی با سطح زیاد، مصرف CrO₃ سریع است و غلظت بالا، پایداری بهتری می‌دهد.
کنترل رافنس: دشمن نامرئی کیفیت
علل اصلی رافنس:
۱. آلودگی‌های معلق در حمام
حمام کروم، به مرور زمان آلودگی جمع می‌کند: ذرات فلزی از فرسایش رک‌ها، ذرات اکسیدی از سطح قطعات، الیاف از دستمال‌ها و حتی گرد و غبار هوا. این ذرات در حمام شناور می‌مانند و ممکن است همراه با کروم روی سطح رسوب کنند.
راهکارهای عملی:
- فیلتراسیون مداوم با فیلترهای ۵-۱۰ میکرونی
- ته‌نشینی حمام: هر ۲-۳ ماه، حمام را بدون همزدن و بدون کار برای ۴۸ ساعت رها کنید تا ذرات ته‌نشین شوند، سپس لجن کف را بردارید
- پوشش سطح حمام: استفاده از گلوله‌های پلی‌پروپیلن شناور برای جلوگیری از ورود گرد و غبار هوا
۲. هیدروژن محبوس شده
در کروم‌کاری، مقادیر زیادی هیدروژن تولید می‌شود. اگر این حباب‌ها به سطح قطعه بچسبند، در آن نقاط کروم رسوب نمی‌کند و حفره یا ناهمواری ایجاد می‌شود.
راهکارهای عملی:
- افزودن مواد کاهش‌دهنده کشش سطحی (wetting agents) به حمام—مقادیر بسیار کم (۰.۰۵-۰.۱ g/L) کافی است
- همزدن ملایم حمام یا استفاده از جریان هوای کم‌فشار از کف حمام
- زاویه‌دار نصب کردن قطعه به گونه‌ای که حباب‌ها راحت‌تر بتوانند از سطح جدا شوند
۳. تجمع Cr³⁺ بیش از حد
وقتی غلظت کروم سه‌ظرفیتی از ۲۰ g/L بگذرد، کیفیت سطح کاهش می‌یابد. رسوب‌های سبزرنگ روی سطح ظاهر می‌شوند و لایه کروم، دانه‌ای و زبر می‌شود.
راهکار: آنالیز منظم Cr³⁺ و در صورت نیاز، اکسیداسیون آن با روش الکترولیزی یا شیمیایی (استفاده از پرسولفات آمونیوم با کاتالیزور نقره در دمای ۹۵-۹۸°C).
۴. آلودگی‌های فلزی
آهن، نیکل و مس، حتی در مقادیر ppm، می‌توانند رافنس ایجاد کنند. این فلزات، الگوهای متفاوتی از رسوب‌گذاری دارند و در کنار کروم، یک سطح ناهموار تشکیل می‌دهند.
| آلودگی فلزی | حد بحرانی (g/L) | علائم روی سطح | روش تشخیص سریع |
|---|---|---|---|
| آهن (Fe) | >1 | لکه‌های تیره، رسوب قهوه‌ای | تست با پتاسیم فری‌سیانید |
| نیکل (Ni) | >0.2 | سطح سوزنی، ترک‌های ریز | رنگ سبز روشن در محلول آمونیاک |
| مس (Cu) | >0.3 | رنگ مسی، نرمی لایه | رنگ آبی با آمونیاک |
راهکار: الکترولیز تصفیه‌ای با چگالی جریان پایین (۱-۳ A/dm²) با استفاده از کاتدهای موقت از جنس فلز آلوده‌کننده (مثلاً کاتد فولادی برای حذف آهن) به مدت ۱۲-۲۴ ساعت.
پرداخت نهایی
بعد از کروم‌کاری، سطح قالب ممکن است به‌اندازه کافی صاف نباشد یا دارای نقص‌های جزئی باشد. پرداخت نهایی، برای رسیدن به کیفیت مورد نیاز ضروری است.
پولیش مکانیکی
پولیش بعد از کروم، باید با احتیاط فوق‌العاده انجام شود، چون لایه کروم نسبتاً نازک است (۲۰-۵۰ میکرون) و پولیش بیش از حد می‌تواند آن را حذف کند.
مراحل پولیش:
- شروع با پد ۱۲۰۰ گریت (اگر سطح عیوب محسوسی داشته باشد)
- پولیش با پد ۱۵۰۰-۲۰۰۰ گریت
- پولیش نهایی با خمیر الماس ۱ میکرون یا حتی ۰.۵ میکرون
- تمیزکاری با الکل یا استون و خشک‌کردن با هوای فشرده
جدول جامع عیوب، علل و راهکارها
| عیب | علامت بصری | علت احتمالی | راهکار فوری | پیشگیری بلندمدت |
|---|---|---|---|---|
| رافنس سطح | سطح شنی، زبر | آلودگی معلق در حمام | فیلتراسیون فوری | فیلتراسیون مداوم، تمیزکاری حمام |
| سوختگی لبه‌ها | لایه سیاه، پودری در گوشه‌ها | جریان متمرکز | شیلدینگ، کاهش جریان | طراحی آند مناسب |
| حفره‌های نقطه‌ای | نقاط سوراخ ریز | حباب هیدروژن | wetting agent، زاویه قطعه | کنترل منظم افزودنی‌ها |
| موج‌دارشدن | خطوط یا امواج منظم | توزیع نایکنواخت جریان | تنظیم آندها، کنترل اتصالات | استفاده از conforming anodes |
| عدم چسبندگی | لایه‌برداری، پوسته‌پوسته شدن | آماده‌سازی ضعیف | حذف لایه، آماده‌سازی مجدد | پروتکل دقیق چربی‌زدایی و اچ |
| ترک‌خوردگی | ترک‌های ریز شبکه‌ای | تنش داخلی بالا، ضخامت زیاد | کاهش ضخامت، پخت | دمای پایین‌تر، جریان پالسی |
| رنگ غیرطبیعی | زرد، قهوه‌ای | آلودگی آهن | الکترولیز تصفیه‌ای | جلوگیری از ورود آهن |
کنترل کیفیت و آزمون‌های اختصاصی برای قالب
آزمون ضخامت دقیق:
برای قالب‌ها، اندازه‌گیری ضخامت با دستگاه‌های غیرمخرب (Eddy Current یا X-ray) در چندین نقطه ضروری است. تفاوت ضخامت در نقاط مختلف نباید بیشتر از ۲۰% باشد.
آزمون سختی میکرو:
استفاده از سختی‌سنج ویکرز با بار ۱۰۰-۲۰۰ گرم برای اندازه‌گیری سختی لایه. کروم سخت استاندارد باید ۹۰۰-۱۱۰۰ HV نشان دهد.
آزمون چسبندگی:
روش استاندارد، آزمون خراش (Scratch Test) یا آزمون خمش (Bend Test) است. لایه نباید لایه‌برداری یا ترک بخورد.
آزمون زبری سطح:
اندازه‌گیری Ra با دستگاه Profilometer. برای قالب‌های تزریق قطعات شفاف، Ra باید کمتر از ۰.۰۵ میکرون باشد.
آزمون عملکردی:
بهترین آزمون، استفاده واقعی در تولید است. قالب را در خط تولید نصب کنید و بعد از ۱۰۰۰-۵۰۰۰ شات، بررسی کنید. سطح نباید سایش، چسبندگی پلاستیک یا تغییر رنگ نشان دهد.
جدول مقایسه کروم سخت با سایر روش‌ها برای قالب
| روش پوشش | سختی (HV) | ضخامت معمول (μm) | دمای کار (°C) | هزینه نسبی | کاربرد بهینه |
|---|---|---|---|---|---|
| کروم سخت | ۹۰۰-۱۱۰۰ | ۲۰-۱۰۰ | تا ۴۰۰ | 1x (مرجع) | تزریق پلاستیک، قالب‌های سرد |
| HVOF WC-Co | ۱۰۰۰-۱۳۰۰ | ۱۰۰-۳۰۰ | تا ۵۰۰ | ۲-3x | فورج داغ، سایش شدید |
| نیکل الکترولس + PTFE | ۵۰۰-۷۰۰ | ۲۰-۵۰ | تا ۲۵۰ | ۱.5x | قطعات با چسبندگی بالا |
| PVD TiN | ۲۰۰۰-۲۵۰۰ | ۲-۵ | تا ۶۰۰ | ۳-5x | قالب‌های کوچک دقیق |
| نیتریدینگ | ۶۰۰-۱۰۰۰ | ۱۰۰-۳۰۰ (نفوذی) | تا ۵۰۰ | ۰.۵-1x | جایگزین ارزان، کیفیت کمتر |
نکات طلایی برای موفقیت در کروم‌کاری قالب
- هرگز عجله نکنید: یک قالب ۱۰ ساعته که درست کروم شده، بهتر از ۵ قالب ۲ ساعته با کیفیت پایین است.
- سرمایه‌گذاری در آماده‌سازی: ۸۰% کیفیت نهایی، از کیفیت پولیش و آماده‌سازی اولیه می‌آید نه از کروم‌کاری.
- دمای پایین = سختی بالا: برای قالب‌سازی، دمای ۴۲-۴۸ درجه را ترجیح دهید حتی اگر زمان بیشتری ببرد.
- فیلتراسیون مداوم: یک سیستم فیلتر پیوسته، بهترین سرمایه‌گذاری برای کیفیت بلندمدت است.
- ثبت پارامترها: برای هر قالب، کارت فرآیند نگهدارید: دما، جریان، زمان، ضخامت نهایی. این داده‌ها برای تکرارپذیری و عیب‌یابی ارزشمند هستند.
- پخت پس از کروم: برای قالب‌های فولادی با استحکام بالا (>1200 MPa)، پخت در ۱۸۰-۲۰۰°C به مدت ۲-۴ ساعت برای خروج هیدروژن و جلوگیری از شکستگی تاخیری الزامی است.
- ماسکینگ دقیق: از لاک‌های کروم یا نوارهای PTFE برای حفاظت نواحی که نباید کروم بگیرند استفاده کنید. جدا کردن کروم اضافی بعد از فرآیند، خیلی سخت است.
- کنترل منظم حمام: هر هفته: بومه، سولفات. هر ماه: Cr³⁺، آلودگی‌های فلزی. هر ۳ ماه: تمیزکاری کامل و فیلتراسیون عمیق.
برگرفته از مطلب آبکاری کروم سخت وبسایت رنگین پوشش شیراز
