Tải bản đầy đủ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ KHUẤY ĐẾN CHẤT LỢNG MẠ COMPOSITE CHROME

LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 1
h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n
ĐẠI HỌC THÁI
NGUYÊN
TRỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG
NGHIỆP
************
NGUYỄN TIẾN TÀI
NGHIÊN CỨU ẢNH HỞNG CỦA CHẾ ĐỘ KHUẤY
ĐẾN CHẤT LỢNG MẠ COMPOSITE CHROME
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
MÁY
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGỜI HD KHOA HỌC: PGS.TS.NGUYỄN ĐĂNG BÌNH
Thái Nguyên –
2009
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 2
h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n

LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc
**********
THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGHIÊN CỨU ẢNH HỞNG CỦA CHẾ ĐỘ KHUẤY
ĐẾN CHẤT LỢNG MẠ COMPOSITE CHROME
NGỜI HD KHOA HỌC : PGS.TS.NGUYỄN ĐĂNG
BÌNH
HỌC VIÊN : NGUYỄN TIẾN TÀI
LỚP : CHK10
CHUYÊN NGÀNH : CHẾ TẠO MÁY
NGÀY GIAO ĐỀ TÀI :
NGÀY HOÀN THÀNH :
KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGỜI HỚNG DẪN HỌC VIÊN
HIỆU TRỞNG
DUYỆT
4
4
6
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 3
h tt p : // ww w . l r c - t nu . e du . v n
LuËn v¨n Th¹c sü Chuyªn ngµnh C«ng nghÖ CTM
MỤC LỤC
Nội
dung
Phần mở
đầu
Trang
4
Ch
ƣ
ơng
I: Tổng quan về mạ điện
9
1.1. Cơ sở chung
9
1.2. Cơ chế mạ


16
1.3. Thành phần dung dịch và chế độ mạ
17
1.3.1. Ion kim loại mạ
17
1.3.2. Chất điện ly
17
1.3.3. Chất tạo phức
18
1.3.4. Phụ gia hữu cơ
18
1.3.5. Mật độ dòng điện catốt D
c
19
1.3.6. Khuấy
20
1.4. A nốt
21
1.5. Mạ Crôm
22
1.5.1. Các loại lớp mạ crôm
23
1.5.2. Đăc điểm của quá trình mạ crôm
25
1.5.3. Cấu tạo và tính chất lớp mạ crôm
26
1.5.4. Các dung dịch mạ crôm
27
a. Mạ crôm từ dung dịch có anion SO
2-
27
b. Mạ crôm từ dung dịch có anion F
-
30
c. Mạ crôm từ dung dịch có anion SO
2-
và SiF
2-
31
d. Mạ crôm từ dung dịch có tetracronat 32
1.5.5. Mạ crôm đen 33
1.5.6. Mạ crôm xốp 34
1.5.7. Kết luận 35
1.6. Mạ composite 36
Chƣơng
II: Ảnh
hƣởng
của chế độ khuấy trong mạ composite chrome
2.1. Mạ tổ hợp crôm 37
2.2. Quá trình tạo thành lớp mạ tổ hợp 38
2.3. Sơ đồ mạ tổ hợp crôm 38
2.4. Những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình mạ tổ hợp crôm 39
2.5. Ảnh hưởng của chế độ khuấy đến quá trình hình thành lớp mạ 39
2.5.1. Sơ đồ 1: Khuấy kiểu phun dung dịch từ trên xuống 39
2.5.2. Sơ đồ 2: Khuấy theo pp bơm, sục dung dịch từ trên xuống 41
2.5.3. Sơ đồ 3: Khuấy bằng cánh quạt 42
2.5.4. Sơ đồ 4: Khuấy bằng cơ khí 43
2.5.5. Sơ đồ 5: Khuấy bằng từ 43
2.5.6. Kết luận 44
Ch
ƣ
ơng
III: Thiết kế hệ thống khuấy 45
3.1. Tính toán thuỷ lực đường ống 45
3.1.1. Lý thuyết tính toán 45
3.1.2. Tính toán thuỷ lực đường ống hút 46
3.1.3. Tính toán thuỷ lực đường ống đẩy 48
3.1.4. Tính công suất bơm 49
3.2. Mô hình hệ thống khuấy 49
3.2.1. Tính toán hệ thống khuấy 50
3.2.2. Thiết kế 50
3.3. Kết luận
52
Ch
ƣ
ơng
IV: Tiến hành thí nghiệm để xác định ảnh
h
ƣ
ởng
chế 53
khuấy đến chất
lƣợng
lớp mạ
4.1.Kế hoạch thực nghiệm đối xứng 53
4.1.1.Kế hoạch trung tâm hợp thành 53
4.1.2.Trung tâm hợp thành trực giao 54
4.2. Chế độ mạ 58
4.3.Quá trình thí nghiệm 58
4.3.1. Thí nghiệm lần 1 59
4.3.2. Thí nghiệm lần 2 60
4.3.3. Thí nghiệm lần 3 60
4.3.4. Thí nghiệm lần 4 60
4.3.5. Thí nghiệm lần 5 60
4.3.6. Thí nghiệm lần 6 61
4.3.7. Thí nghiệm lần 7 61
4.3.8. Thí nghiệm lần 8 61
4.3.9. Thí nghiệm lần 9 62
4.4. Kết luận 62
Ch
ƣ
ơng
V: Kết luận chung và
h
ƣ
ớng
tiếp theo của đề tài 63
Tài liệu tham
khảo
Phụ
lục

I . T ính c ấp t hiết c ủa
đề

tài
PHẦN MỞ ĐẦU
Mạ composite đó là lớp mạ điện bình thường nhưng trong đó cấu tạo
các hạt cực nhỏ của một hay vài chất, những hạt này đồng kết tủa từ một dung
dịch huyền phù. Huyền phù được tạo ra bằng cách trộn lẫn một lượng bột xác
định vào chất điện phân mạ kim loại. Các chất bột có kích thước hạt cùng kích
cỡ với hạt tinh thể, dao động trong khoảng 0,01 đến 20µm sẽ đồng kết tủa
cùng kim loại mạ và phân bố đồng đều trong toàn thể tích mạ những hạt cho
vào là những hạt có độ rắn cao, khó nóng chảy, bền về phương diện hoá học
cũng như cơ học. Các lớp mạ composite không chỉ có các tính chất của các
phi kim loại như độ bền hoá học cao, độ cứng cao, tính chịu mài mòn cao.
Với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật nói chung và
đặc biệt là tính chất bề mặt nói riêng, đã góp phần vào việc nghiên cứu và chế
tạo nhiều bề mặt chi tiết máy theo yêu cầu của công nghệ cao. Một trong
những ứng dụng mang tính phổ biến trong lĩnh vực tạo ra lớp mạ trên bề mặt
chi tiết máy nhằm giảm ma sát, tăng khả năng chống mòn trên bề mặt tiếp xúc,
nâng cao tính ổn định và cấu trúc toả nhiệt cao. Với những bề mặt có yêu cầu
cao về công nghệ, việc chế tạo khó khăn thì ứng dụng đó là một trong những
giải pháp mang tính đột phá thì mạ composite Chrome là một phương pháp
như vậy.
Nghiên cứu trong và ngoài nước: Năm 1929 C.G Fink và J.D Prince thu
được lớp mạ tổ hợp Cu trong dung dịch axít có chứa các hạt Grafit. Năm
1939
Bajmakov đã thu được lớp mạ tổ hợp với sự đồng kết tủa của các hạt phi
kim loại. Trong các năm sau đó nhiều tác giả đã tạo ra lớp mạ Niken với sự
kết tủa của pha thứ hai như: AL
2
O
3
, SiO
2
, TiC, TiO
2
,WC….ở trong nước có
đề tài cấp nhà nước nghiên cứu về mạ tổ hợp do PGS.TS. Nguyễn Đăng Bình
chủ trì.
Lớp mạ composite chrome có những tính chất của lớp mạ điện bình
thường như tính dẫn nhiệt, dẫn điện, chịu mài mòn, ngoài ra nó còn có tính
chất của phi kim loại như độ cứng cao, tính chịu ăn mòn cao, chịu mòn cao.
Trong
quá trình mạ composite các hạt của pha thứ hai được đưa đến bề mặt catốt
nhờ sự điện ly và nhờ sự khuấy trộn dung dịch. Quá trình khuấy tạo ra vận tốc
của các hạt đến bề mặt catốt, nếu vận tốc này phù hợp sẽ tạo điều kiện cho quá
trình bám dính để hình thành lớp mạ, nếu vận tốc quá lớn hay quá nhỏ sẽ
gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng lớp mạ.
Ý nghĩa của khuấy:
Khuấy để tăng chuyển động tương đối giữa catốt và dung dịch nên
được phép dùng mật độ dòng điện catốt cao hơn, tốc độ mạ sẽ nhanh hơn,
ngoài ra nó còn làm cho bọt khí hydro dễ tách khỏi bề mặt điện cực, san bằng
pH và nhiệt độ trong toàn khối dung dịch cũng như tại nơi gần điện cực, nó
giúp các hạt của pha thứ hai đồng đều trong dung dịch và chuyển động đến bề
mặt catốt (nhất là khi các hạt của pha thứ hai là trung tính và có trọng lượng
riêng lớn).
Có thể nói rằng sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ bề mặt, đã góp
phần tạo lên sự linh hoạt và hiệu quả trong lĩnh vực cơ khí chế tạo. Trong việc
tạo ra bề mặt chi tiết đáp ứng công nghệ cao thì mạ composite Chrome là một
trong những phương pháp điển hình.
Thực tế mạ composite Chrome là phương pháp đang được ứng dụng
trong sản xuất động cơ máy bay, động cơ tuabin khí hiện đại, công nghiệp ôtô,
vũ trụ và hạt nhân.
Vì vậy một trong những vấn đề cần được nghiên cứu để có thể khai
thác hiệu quả hơn việc sử dụng mạ composite Chrome là : Nghiên cứu ảnh
hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng mạ composite Chrome.

I I .





N



i





dun

g

n

g

h







n


c ứ u
Xuất phát từ đề tài nghiên cứu, ngoài phần mở đầu, kết luận chung và
các phụ lục luận văn này có nội dung sau:
Ch
ƣ
ơng
1: Tổng quan về mạ điện.
Nghiên cứu tổng quan về mạ điện.
Ch
ƣ
ơng
2: Ảnh
h
ƣ
ởng
của chế độ khuấy trong mạ composite Chrome.
ra.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hình thành lớp mạ và các hiện tượng xảy
- Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng lớp mạ
composite Chrome.
Ch
ƣ
ơng
3: Thiết kế hệ thống khuấy
Tính toán thiết kế hệ thống khuấy theo nguyên lý hút, sục dung dịch
cho bể mạ composite thể tích 0,4m
3
Ch
ƣ
ơng
4: Tiến hành thí nghiệm để xác định ảnh
h
ƣ
ởng
chế độ khuấy
đến chất
lƣợng
lớp mạ
Ch
ƣ
ơng
5: Kết luận và
h
ƣ
ớng
nghiên cứu tiếp theo của đề tài
I I I . Đ ố i



t
ƣ
ợ n g







p h ạm

vi



n g h iê n

c ứ u
Tìm hiểu sự ảnh hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng mạ composite
Chrome cụ thể là: Mối quan hệ giữa chế độ khuấy đến chất lượng mạ
composite Chrome, chế độ khuấy và chất lượng lớp mạ.Việc thí nghiệm được
tiến hành với các điều kiện:
- Hệ thống dây truyền mạ composite.
- Vật liệu: thép 9XC, Y8A (tôi đạt HRC 60)
- Vật liệu làm điện cực: chì.
- Đối tượng thí nghiệm: Ảnh hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng lớp
mạ.
I V.



P h
ƣ
ơ n g



p h áp



n g h iê n

c ứ u
Dùng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực
nghiệm.
- Nghiên cứu lý thuyết về quá trình hình thành lớp mạ composite.
- Thí nghiệm mạ để kiểm chứng cơ sở lý thuyết về mối quan hệ giữa
chế độ khuấy đến chất lượng lớp mạ.
- Thực nghiệm để xây dựng các hàm toán học biểu diễn mối quan hệ
giữa chế độ khuấy đến chất lượng lớp mạ.
V.



Ý



n g h ĩa



kh oa



h ọ c







ý



n g h ĩa



t h ự c



t iễ n



c ủ a



l u ậ n

vă n
1. Ý nghĩa khoa học
Thiết kế, chế tạo hệ thống khuấy để mạ thành công lớp mạ composite
nền chrome. Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ khuấy đến chất lượng lớp mạ
từ đó đưa ra chế độ khuấy phù hợp để đạt được lớp mạ có chất lượng cao, tính
kinh tế cao là rất cần thiết để triển khai công nghệ mạ composite ở Việt Nam.
2. Ý nghĩa thực tiễn
Trong công nghiệp, mạ thường dùng để mạ các bề mặt chi tiết chìu mài
mòn và phục hồi các chi tiết do bị mài mòn, vì vậy ứng dụng công nghệ mạ
composite nền Chrome đem lại hiểu quả kinh tế lớn, khi mạ composite với chi
tiết mới có thể tăng độ bền lên 1,5 đến 2 lần.
LỜI CẢM
ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS.Nguyễn
Đăng Bình - Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên trong suốt quá trình
làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô Giảng viên trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Xin cảm ơn tập thể cán bộ
Trường Cao đẳng Cơ khí - Luyện kim đã tạo điều kiện tốt nhất cho Tôi trong
quá trình học tập và thực hiện luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn sự động viên và
đóng góp ý kiến quý báu của các bạn đồng nghiệp đã giúp cho tôi hoàn thành
luận văn này.
Thái Nguyên –
11/2009
C H Ƣ Ơ N G
I
TỔNG QUAN VỀ MẠ ĐIỆN
1 . 1 . C ơ sở c hun g
- Mạ composite ứng dụng rộng rãi trong động cơ máy bay, động cơ
tuabin khí hiện đại, công nghiệp ôtô, vũ trụ và hạt nhân, được dùng trong
nhiều ngành công nghệ khác nhau để chống ăn mòn, phục hồi kích thước,
trang sức, chống mòn, tăng cứng, phản quang, dẫn nhiệt, thấm dầu và dễ
hàn...
- Quá trình mạ composite đơn giản, kinh tế, có thể hình thành trên vật
liệu nền có thể là kim loại hoặc hợp kim, đôi khi còn là chất dẻo, gốm sứ hoặc
vật liệu composite. Lớp mạ cũng như vậy ngoài kim loại và hợp kim ra nó
còn có thể là composie của kim loại - chất dẻo hoặc kim loại - gốm…Mạ
composite – lớp mạ trên bề mặt chi tiết có sự tham gia của kim loại và các hạt
cứng nhằm giảm ma sát, tăng khả năng chống mòn hoặc ăn mòn trên bề mặt
tiếp xúc. Các hạt cứng nhỏ mịn, phân bố trong cấu trúc của lớp mạ tạo lên
các tính chất cơ lý đặc biệt, nâng cao tính ổn định về cấu trúc ở nhiệt độ cao
hơn. mạ composite có thể thực hiện trên bất cứ chi tiết có hình dáng phức tạp
nào và có thể đảm bảo độ chất lượng mạ mà không cần thiết bị rất hiện đại.
Mạ composite có thể chia thành năm nhóm:
- Mạ composite hạt mịn trên nền kim loại.
- Mạ composite sử dụng sợi ứng lực trên nền kim loại.
- Mạ composite Electroless.
- Mạ composite lớp và thớ.
- Mạ composite quang học.
Trong số năm nhóm trên thì mạ composite hạt mịn trên nền kim loại
đang được sự quan tâm nghiên cứu ở nước ta. Lớp mạ
compos
ite ở dạng này
được hình thành khi vật liệu không tan ở dạng hạt mịn được đưa vào bể mạ
của quá trình mạ thông thường. Trong quá trình điện phân các hạt mịn sẽ
tham gia vào lớp mạ cùng với kim loại nền và hình thành lớp mạ composite.
Để chuẩn bị cho mạ composite các hạt cứng cần được giữ lơ lửng trong dung
dịch điện phân nhờ khuấy bằng cơ khí, cơ học, từ tính và dòng chảy. Mạ
composite có thể mạ trên tất cả các nền vật liệu mà mạ điện thực hiện được.
Chiều dày của lớp mạ phụ thuộc vào kích cỡ của hạt, bản
c
hất của hạt và
bản chất của kim loại mạ.
- Các kim loại mạ thường dùng mạ với hạt là: Co, Cu, Au, Cr, Fe, Pb,
Ni, Zn và hợp kim của chúng. Các hạt thường sử dụng đưa vào lớp mạ là:
- Carbides – Ti, Ta, Si, W, Zr, B, Ni
- Nitrides – B, Si
- Borides – Ti, Zr, Ni
- Sulfides – Mo, W
- Graphite, Mica, PTFE và kim cương.
- Mạ composite hạt mịn trên nền kim loại được ứng dụng trong việc
nâng cao khả năng chống mòn, cào xước, của kim loại hay hợp kim (Ni +
SiC, Pb + TiO
2
), tăng khả năng chống ăn mòn bằng cách sử dụng mạ Cr cỡ
micro không liên tục trên thép mạ composite nền Niken (Ni + Al
2
O
3
), tạo lớp
mạ giảm ma sát (MoS
2
với Ni hoặc Cu), tăng độ bền ở nhiệt độ cao (Ni +
Al
2
O
3
), tạo ra lớp mạ sử dụng trong công nghiệp hạt nhân (Ni + Pu, Ni +
UO
2
).
- Mạ composite có thể thực hiện trên các thiết bị điện phân thông
thường, không đòi hỏi các thiết bị hiện đại, đắt tiền vì thế có thể triển khai
nghiên cứu ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam.
- Tuy nhiên chọn vật liệu nền và mạ vào còn phụ thuộc vào trình độ và
năng lực công nghiệp, vào tính chất cần có ở lớp mạ và vào giá thành. Xu
hướng chung là dùng vật liệu rẻ tiền, sẵn có còn vật liệu mạ đắt, quý hiếm
hơn, nhưng chỉ là lớp mỏng bên ngoài. Mạ là quá trình điện kết tủa kim loai
lên bề mặt nền một lớp phủ có tính chất cơ, lý, hoá….đáp ứng được yêu cầu
mong muốn. Tuy nhiên chỉ có những công nghệ mạ nào thật ổn định trong
một thời gian dài để luôn cho sản phẩm có tính chất như nhau mới được dùng
vào nhu cầu sản xuất.
- Mặt khác khi công nghệ mạ tốt vẫn phải duy trì đúng các yêu cầu vận
hành, bởi vì mọi biến động về nồng độ về mật độ dòng điện, nhiệt độ, chế độ
công nghệ… vượt quá giới hạn cho phép đều làm thay đổi tính chất lớp mạ và
có thể sẽ không đạt được yêu cầu nữa.
- Các thành phần chính của một bộ mạ điện (Hình 1.1) gồm :
+ Dung dịch mạ gồm có muối dẫn điện, ion kim loại sẽ kết tủa thành lớp
mạ, chất đệm, các phụ gia.
+
-
5
ne
ne
Nguån mét
chiÒu
Anot 3
ChuyÓn dich Ion
Líp m¹
Catot 2
BÓ m¹
Hình 1.1 Sơ đồ thiết bị mạ
+ Catốt dẫn điện, chính là vật cần được mạ.
+ Anốt dẫn điện, có thể tan hoặc không tan.
+ Bể chứa bằng thép, thép lót cao su, polyprotylen, polyvinyclorua, chịu
được dung dịch mạ.
+ Nguồn điện một chiều, thường dùng chỉnh
lưu
+ Ion kim loại M
n+
trong dung dịch trong bề mặt Catốt (vật mạ) thực
hiện phản ứng tổng quát về sau để thành kim loại M kết tủa trên vật mạ :
M
n+
+ ne M ( 1.1)
M
n+
có thể ở dạng iôn hydrat hoá.
Ví dụ: Ni
2+
.nHO, hoặc ở dạng iôn phức [ Au(CN)
2
].
+ Anốt thường là kim loại có cung lớp mạ, khi đó phản ứng
a
nốt chính
là sự hoà tan nó thành iôn M
+
đi vào dung dịch :
M + ne M
n+
(1.2)
- Nếu không chế các điều kiện điện phân như thế nào đó để cho hiệu
suất dòng điện của hai phản ứng (1.1) và (1.2) bằng nhau thì nồng độ ion M
n+
trong dung dịch sẽ luôn thay đổi. Một số trương hợp phải dùng anốt trơ
(không tan), nên iôn kim loại được định kỳ bổ sung ở dạng muối vào dung
dịch, lúc đó phản ứng chính trên anốt chỉ là giải phóng Ôxy.
- Để cho quá trình mạ được thành công phải: gia công đúng kĩ thuật
cho catốt, chọn đúng vật liệu anốt, thành phần dung dịch mạ, mật độ dòng
điện và các điều kiện điện phân khác .
- Lớp mạ composite: là lớp mạ kim loại có chứa các hạt rắn nhỏ và
phân tán như Al
2
O
3
, WC,SiC. Cr
3
C
2
, TiO
2
,SiO
2
,TiC,Cr
3
N
2
,MoS
2
, kim cương,
graphit,…Các hạt này có đường kính 0,5 -5 µ m và chiếm 2-10 % thể tích
dung dịch, khuấy mạnh trong khi mạ để chúng bám cơ học, hoá học hay điện
hoá lên catôt rồi dẫn vào lớp mạ. Khối lượng kim loại m điện kết tủa lên diện
tích S có thể tính dựa theo định luật điện Faraday :
m = S.D
c
.t.H.C
(g)
Trong đó:
S - diện tích mạ ( dm
2
)
D
c
- mật độ dòng điện catot ( A/dm
2
)
t - thời gian mạ (t)
H- hiệu suất dòng điện (%)
C - đương lượng điện hoá của iôn kim loại mạ ( g/Ah)
- Một số kim loại cho nhiều iôn hoá trị khác nhau nên có giá trị đương
lượng tương ứng khác nhau. Ví dụ đồng từ dung dịch axit, tồn tại ở dạng
muối đơn, iôn đồng có giá trị +2, nên C tương ứng là 1,186 g/Ah, trong khi
đồng từ dung dịch Xyanua kiềm, tồn tại ở dạng muối phức, iôn đồng có hoá
trị +1, nên C tương ứng là 2,372 g/Ah.Vì vậy cùng một lượng điện được
dùng cho phản ứng kết tủa thì ion kim loại nào có trạng thái oxi hoá thấp hơn
sẽ mạ nhanh hơn.
- Hiệu suất dòng điện H phụ thuộc rất nhiều vào từng loại dung dịch
mạ. Đa số dung dịch mạ có 0,9 <H <1. Riêng mạ crôm từ dung dịch CrO
3
cho
H rất thấp, thường là 0,005 < H < 0,2 .Phản ứng phụ hay gặp nhiều nhất trên
catốt là do sự phóng điện của iôn H
+
để giải phóng hyđro.
- Từ (1.3) có thể suy ra các tính tốc độ mạ
(

δ
/t) hay chiều dày lớp mạ
(

δ
).
Ví dụ: Chiều dày lớp mạ
δ

sẽ tính được như sau
:
δ

=

100.Dc.t.C.H
γ
(
µ
m)
Trong đó:
δ
- chiều dày trung bình của lớp mạ
(
µ
m)
γ - trọng lượng riêng của kim loại mạ ( g/cm
3
)
D
c
-

mật độ dòng điện ( A/dm
2
)
t - thời gian mạ (h)
C - đương lượng điện hoá kim loại mạ (g/Ah)
H - hiệu suất dòng điện (%)
- Chất lượng của lớp mạ phụ thuộc đồng thời và tổng hợp vào nhiều
yếu tố như : nồng độ dung dịch và tạp chất, các phụ gia bóng, san bằng, thấm
ướt, độ pH, nhiệt độ, mật độ dòng điện, hình dạng của vật mạ, của anốt, của
bể mạ, và chế độ thuỷ động của dung dịch…. Vì vậy muốn điều khiển chất
lượng lớp mạ phải khống chế đồng thời cả dung dịch mạ lẫn cách thức mạ,
trong dải đó sẽ cho lớp mạ đạt chất lượng tốt: bóng, không gai nhám, cấu trúc
đồng đều….Để đánh giá một dung dịch mạ tốt xấu đến đâu phải làm thí
nghiệm so sánh trong những bình thử quy định sẵn, thông dụng nhất là bình
Hull.
- Một số yêu cầu quan trọng là lớp mạ phải đồng đều trên toàn bộ chi
tiết. Vì vậy yêu cầu phải đảm bảo mật độ dòng điện bằng nhau trên toàn bộ bề
mặt của chi tiết. Có thể sử dụng các phương pháp sau để làm đồng đều mật độ
dòng điện:
+ Dùng anốt phụ (bằng titan, titan mạ bạch kim, kim loại mạ…) có hình
dạng đặc biệt, đặt vào dung dịch tại các vị trí thích hợp để tăng mật độ dòng
điện cực bộ trên catốt ở những điểm vốn có mật độ dòng điện rất thấp (khe,
hốc, lỗ …)
+ Chỗ có xu hướng mạ đắp quá dày hoặc mật độ dòng điện quá cao
(cháy) cần phải đặt thêm các catốt phụ (catot giả) hay đặt các tấm chắn cách
điện để bố trí lại đường điện đi trong dung dịch.
Những điều này phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm và sự khéo léo
của người thợ. Tuy nhiên mỗi dung dịch đều có thể cho lớp mạ dày đều đến
mức độ nhất định. Mức độ này được gọi là khả năng phân bố của dung dịch
đó và được đo bằng bình Haring -Blum (Hình 1.2)
Hình 1.2 Bình Haring- Blum đo khả năng phân bố dung dịch mạ
Catèt 1
Anèt Catèt 2
l1 l2
- Hai catốt được đặt ở phía của một anốt với những khoảng cách l1 và l2
khác nhau rõ rệt và tiến hành điện phân.Trọng lượng kim loại mạ lên hai
catốt m1 và m2 cũng sẽ khác nhau, vì thế điện thế rơi DR đến hai catốt là
không giống nhau, điện thế trên catốt 1 thấp hơn nên lượng kim loại kết tủa
của nó sẽ ít hơn.
Công thức Field thường dùng để tính khả năng phân bố (Pb) của dung dịch là
:
PB =100(k.K)/(k+K+-2) (%)
(1.6)
Trong đó: k= l
1
/l
2
và K= m
1
/m
2
- Theo công thức này, khả năng phân bố (PB) có các giá trị giữa
+
100% (tốt nhất) và -100% (xấu nhất).
Những yếu tố quyết định khả năng phân bố của một dung dịch mạ là:
- Độ dẫn điện của dung dịch: điện thế rơi DR gây ra sự khác nhau về
điện thế trên mặt catốt có hình thức phức tạp, nếu độ dẫn điện cao thì DR sẽ
bé, do tác độ điện kết tủa trở nên đồng đều hơn tại mọi thời điểm.
- Độ nghiêng Tafel của phản ứng kết tủa: cho ta thấy có sự thay đổi điện
thế thì tốc độ mạ sẽ thay đổi ít hơn ở quá trình mạ có độ nghiêng Tafel lớn.
Thực nghiệm cho thấy dung dịch phức và dung dịch có phụ gia hấp thụ lên
catốt cho độ nghiêng Tafel lớn hơn (E/logD lớn hơn). Nhiều chất san bằng,
chất bóng có tác dụng làm cho lớp mạ dày đều trong phạm vi nhỏ (vi mô).
- Sự cạnh trang của các phản ứng điện cực: Tuy việc thoát khí Hydro có
gây ra nhiều phiền toái nhưng điều đó lại làm tăng khả năng phân bố. Khi mạ
cho thấy hydro chỉ thoát ra ở những điểm nào trên trên bề mặt catốt có hiệu
điện thế cao. Do Hydro thoát ra nên đã tiêu tốn một phần dòng điện lẽ ra là để
thoát kim loại: kết quả là lớp mạ trở nên dày và đều hơn.
Vậy các thông số chính ảnh hưởng tới khả năng phân bố là thành phần
dung dịch (nồng độ trong dung dịch, chất tạo phức, pH, phụ gia) nhiệt độ và
mật độ dòng điện.
Về nguyên tắc nên chọn dung dịch có hiệu suất dòng điện cao và thiết
kế bể mạ sao cho điện thế yêu cầu là nhỏ nhất. Tuy nhiên trong kỹ thuật mạ
điện. Năng lượng điện dùng cho điện phân thường nhỏ hơn năng lượng dùng
để đun nóng, để chạy các môtơ, để chuẩn bị các bề mặt lúc đầu…rất nhiều.
Để mạ dày 10
µ
m
cho 10cm
2
chỉ cần một điện lượng là 1- 10 C (tức là 0,28.10
-
3
Ah). Vì vậy hiệu suất dòng điện không quan trọng như nhiều công nghệ điện
phân khác. Nhưng chất lượng lớp mạ phải được đặt lên hàng đầu cho dù có
tốn kém và mất nhiều công.
Mạ điện nhiều khi phải dùng đến các dung dịch kim loại nặng, kim loại
chuyển tiếp có nồng độ cao, các hợp chất Xyanua…Để bảo vệ môi trường nên
cố gắng hạn chế sử dụng các dung dịch quá độc hại, mặt khác các xưởng mạ
phải có bộ phận đẻ xử lý nước thải để thu lại các ion kim loại và các chất độc
hại trước khi thải ra cống rãnh chung hoặc tái sử dụng. Xu hướng công nghiệp
hiện nay là tìm ra cách thu hồi triệt để kim loại về lâu dài cần loại bỏ việc
dùng chung hoá chất rất độc hại như Cr
6+
, Cd kim loại và ion xyanua, kể cả
một số phụ gia hữu ích có tính độc hại cũng như vậy.

1.



2.











c



h

ế


m ạ
- Cơ chế mạ composite là do va chạm cơ học của các hạt trong quá trình
khuấy đẩy các hạt về phía catốt; tương tác tĩnh điện của các hạt điện cực kim
loại hay điện ly; đồng lắng đọng các hạt bằng cơ chế liên kết hoá học với điện
cực, hay hai giai đoạn hấp thụ.
- Hiệu quả của catốt là rất quan trọng trong việc xác định khả năng các
hạt cứng có tính trơ có thể tham gia vào lớp mạ. Nếu tốc độ mạ quá nhanh các
hạt cứng khi đến catốt sẽ bị bật ra. Độ giảm hiệu điện thế trong quá trình mạ
điện (0,1 – 0,3 V/cm) vẫn quá thấp để tạo nên cơ chế lắng đọng của các hạt
cứng và vì thế việc khuấy dung dịch điện phân là rất cần thiết để đẩy các hạt
cứng va chạm và gắn vào bề mật catốt và sau đó tham gia vào lớp mạ.
- Cơ chế các hạt cứng tham gia vào lớp mạ:
+ Giai đoạn 1: Sự dịch chuyển các hạt lơ lửng đến bề mặt catốt, chế độ
và cường độ khuấy và dạng catốt ảnh hưởng tới quá trình hình thành một lớp
các hạt cứng đồng đều tại bề mặt phân cách giữa catốt và dung dịch điện
phân. Các hạt cứng được giữ lơ lửng nhờ khuấy.
+ Giai đoạn 2: Các hạt cứng va chạm vào catốt. Một số hạt bị bật ra,
một số hạt có thể bám lại vì năng lượng động học vừa bằng năng lượng hấp
thụ của kim loại khi va chạm. Do nhám bề mặt kim loại mạ trên catốt các hạt,
các hạt có thể tiếp tục nằm ở trạng thái tiếp xúc với catốt trong một khoảng
thời gian ngắn.
+ Giai đoạn 3: Khi này các hạt ion bị hấp thụ trên hạt cứng gần mặt
phân cách hạt cứng và catốt có thể bị giảm đi, nhờ đó tạo nên liên kết giữa hạt
với kim loại bề mặt catốt. Sự lựa chọn hình dáng của catốt, vị trí, điện thế và
các cầu nối ion. Catốt thay đổi từ vị trí thẳng đứng sang vị trí nằm ngang,
nghiêng catốt đi một góc 5
0
cũng làm tăng mức độ tham gia vào lớp mạ của
các hạt cứng. Chế độ khuấy, kích thước của hạt, bản chất kim loại mạ và vị trí
của catốt.
1. 3.



T h à n h

p h ầ n

d un g



d ịc h





c h ế



đ ộ

m ạ
Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ ,chiều dày
tối đa, mặt hàng mạ…) và chất lượng mạ, cho nên phải dùng loại mạ hoá chất
do các hãng chuyên gia sản xuất và cung cấp vật tư riêng cho ngành mạ mới
đảm bảo được yêu cầu trên. Dung dịch mà thường là một hỗn hợp khá phức
tạp gồm ion kim loại mạ, chất điện ly (dẫn điện) và các chất phụ gia nhằm
đảm bảo thu được lớp mạ có chất lượng và tính chất mong muốn. Dưới đây sẽ
xem xét vai trò của từng chất.
1. 3. 1



I on

k im

l o ạ i



m ạ
Trong dung dịch nó tồn tại ở dạng ion đơn hidrat hoá hoặc ion phức
nhưng nói chung là có nồng độ lớn, cỡ 1-3 mol/l. Lý do là để tăng giá trị của
dòng điện giới hạn D
gh
, tạo điều kiện nâng cao hơn dải mật độ dòng điện
thích hợp D
c
cho lớp mạ tốt. Dung dịch đơn thường dùng để mạ với tấc độ
cao cho các vật có hình thù đơn giản, còn dung dịch dùng cho trường hợp
cần có khả năng phân bố cao để mạ cho vật có hình dạng phức tạp.
1. 3. 2.



C h ất

đ iệ n

ly
Nhiều chất điện ly được đưa vào dung dịch với nồng độ cao để tăng tấc
độ dẫn điện cho chúng. Các chất này có thể kiêm thêm vai trò chất đệm,
khống chế pH luôn ổn định, cho dù hydro hay oxi thoát ra có làm thay đổi độ
axit ở sát các điện cực đi nữa. Vì thế độ pH lớn quá, hydroxit kim loại sẽ kết
tủa, lẫn vào lớp mạ. Điều này đặc biệt khó khăn cho các trường hợp mạ các
kim loại có tính xúc tác thoát hydro và dễ bị thuỷ phân (như Ni chẳng hạn).
Điều đó giải thích tại sao trong dung dịch mạ Niken có chứa axit boric. Khi
dung dịch có độ pH > 2 thì hầu như hydro rất khó thoát ra nên hiện tượng
giòn Hydro hoặc sinh cac hydrua sẽ giảm đi rất nhiều.
1. 3. 3.



C h ất

t ạ o

p h ứ c
Dùng phức chất để đảm bảo cho hiệu điện thế kết tủa trở nên âm hơn
nhằm tránh hiện tượng tự xảy ra phản ứng hoá học giữa catốt và ion kim loại
mạ, như trường hợp mạ đồng lên sắt thép :
Cu
2+
+ Fe Cu + Fe
2+
(1.7)
Phản ứng này cho lớp mạ Cu rất xấu, vừa xốp vừa dễ bong. Nếu cho
chất tạo phức vào để làm cho điện thế oxy hoá - khử của đồng trở nên ma hơn
của sắt thì khả năng nhiệt động xảy ra ở phản ứng (1.7) không còn nữa. Phức
chất dùng để thay thế cũng được dùng để thay đổi độ nghiêng Tafel của phản
ứng khử kim loại nhằm cải thiện khả năng phân bố cho dung dịch mạ. Chất
tạo phức thông dụng nhất trong công nghệ mạ điện là các ion xyanua, hydro
và sunfamat. Chất tạo phức có vai trò làm hoà tan vì chúng ngăn cản được sự
thụ động anốt.
1. 3. 4.

P h ụ

gia



h ữ u

c ơ
Nhiều loại chất hữu cơ được cho vào bể mạ với nồng độ tương đối thấp
nhằm làm thay đổi cấu trúc, hình thái và tính chất của kết tủa catốt. Lựa chọn
chất nào và cách thức sử dụng ra sao phần lớn dựa vào thực nghiệm. Chính
bản thân chất hữu cơ này hay sản phẩm của phản ứng điện cực của chúng đã
có những tác động nói trên. Đó là điều không dễ dàng trả lời một cách rành
rọt cho mọi trường hợp.Tuy nhiên vẫn có thể khái quát những điều có liêm
quan đến việc sử dụng phụ gia này như sau: Các chất hữu cơ thường dùng có
khả năng hấp phụ lên bề mặt catot, và có trường hợp chất hữu cơ bị giữ lại
trong kết tủa, đặc biệt là khi mạ các kim loại có năng lượng bề mặt lớn (điểm
nóng chảy cao). Nhiều chất cũng làm tăng quá điện thế kết tủa và thay đổi độ
nghiêng Tafel. Điều này có thể là do cần phải chuyển điện tử qua lớp hấp thụ
hoặc do sự hình thành phức chất trên bề mặt điện cực.
Một chất phụ gia tuy có thể ảnh hưởng đến nhiều tính chất của lớp mạ
nhưng dung dịch vẫn thường dùng đồng thời nhiều phụ gia vì cần đến tác
dụng tổng hợp của chúng. Các phụ gia này thường được phân loại như sau :
- Chất bóng: chất bóng thường được dùng với liều lượng lớn (vài ba g/l)
và có thể lẫn vào lớp mạ khá nhiều. Chúng cho lớp mạ nhẵn, mịn.
- Chất san bằng: Các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi
khá rộng. Nguyên nhân là chúng hấp thụ lên những điểm có tác độ mạ lớn
làm giảm tấc độ ở đó xuống. Vậy là các phụ gia này đã ưu tiên hấp phụ lên
các điểm lệch là chỗ có năng lượng tự do lớn hơn và lên các đỉnh lồi là chỗ có
tấc độ khuếch tán lớn các phụ gia lên đó, các phụ gia hấp phụ này sẽ làm giảm
tấc độ chuyển dịch điện tử. Trong thực tế, nhiều phụ gia có cả tác dụng của
chất bóng và chất san bằng.
- Các biến đổi cấu trúc: Các phụ gia này làm thay đổi các cấu trúc lớp
mạ và thậm chí có thể ưu tiên định hướng tinh thể hay ưu tiên sinh ra kiểu
mạng tinh thể nào đó. Một số chất được dùng để tạo ra các tính chất đặc biệt
cho lớp mạ (ứng xuất là do mạng tinh thể bị xô lệch) nên được gọi là chất
giảm ứng xuất .
- Chất thấm ướt: Chất này được cho vào để thúc đẩy tạo các bọt khí, bọt
hydro mau chóng tách khỏi bề mặt điện cực. Thiếu chúng, bọt khí, nhất là
hidro sinh ra từ phản ứng phụ sẽ gây rỗ và giòn hydro do chúng thấm vào kim
loại.

1.



3.



5.





M





ật





đ







d





ò

n

g





đ





iệ





n





c



at ot





D





c
- Lúc đang mạ, mật độ dòng điện giữ vai trò rất quan trọng. Nếu mật
độ dòng điện thấp, tấc độ chuyển đổi điện tử trong các phản ứng điện cực sẽ
nhỏ, các nguyên tử mới hình thành có đủ thời gian gia nhập có trật tự vào
mạng tinh thể, vì vật mạng lưới và cấu trúc tinh thể được duy trì, không bị
biến đổi, quan sát bằng hiển vi điện tử và nhiễu xạ điện tử cho thấy rõ điều
đó.
Khi tăng mật độ dòng điện lên, tốc độ phóng điện nhanh, các nguyên tử
kim loại sinh ra ồ ạt, không kịp ra nhập vào vị trí cân bằng trong mạng tinh
thể. Mặt khác điện thế lúc đó lớn nên nhiều mầm tinh thể mới được sinh ra.
Do vậy mà mạng tinh thể trở nên mất trật tự và được thể hiện ra là lớp mạ có
nhiều lớp, nhiều gợn sóng và nhiều khối đa tinh. Nếu tiếp tục tăng mật độ
dòng điện lên cao hơn nữa, tác độ phóng điện quá nhanh, làm cho lớp ion kim
loại gần catốt quá nghèo, quá trình điện cực lâm vào tình trạng bị chi phối bởi
sự khuếch tán: những điểm lồi, mũi nhọn,… được ion kim loại chuyển đến dễ
dàng hơn, đồng thời điện thế rơi từ các điểm này đến anốt lại bé hơn, nên tại
đó sẽ được ưu tiên phóng điện, kết quả là kết tủa sẽ sần sùi hoặc có dạng hình
nhánh cây. Nếu tăng tiếp mật độ dòng điện đến nỗi khuếch tán ion hoàn toàn
không kịp cho quá trình điện cực thì kết tủa thu được sẽ là bột kim loại: Lớp
mạ không được phép sần sùi, nhám vì vậy để có lớp mạ đạt yêu cầu buộc phải
dùng dải mật độ dòng điện tương đối thấp. Hơn nữa ở D
c
thấp kim loại mạ dễ
bắt chước lặp lại đúng kiểu mạng lưới của kim loại nền (cấu tạo epitaxy) và
cho độ gắn bám rất cao. Lớp mạ rắn, đa tinh, rất bền, được dùng nhiều nhất.
1. 3. 6.



K h u ấy
- Khuấy để tăng chuyển động tương đối giữa catốt và dung dịch nên
được phép dùng mật độ dòng điện D
c
cao hơn, tốc độ mạ sẽ nhanh hơn, ngoài
ra nó còn làm cho bọt khí hydro dễ tách khỏi bề mặt điện cực, san bằng pH và
nhiệt độ trong toàn khối dung dịch cũng như tại nơi gần điện cực.
Có thể khuấy bằng các cách:
- Chuyển động catốt: cho catốt đu đưa theo chiều dọc và chiều đứng
quay catốt, mạ trong thùng quay, catốt là dây, băng cho liên tục chạy qua
bể mạ…
- Chuyển động dung dịch: bằng cách sục khí vào bể, bơm tuần hoàn
dung dịch ra vào bể hay phun dung dịch vào khe
hẹ
p giữa anốt và catốt.

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×