1
PHẦN MỞ ĐẦU
Việt Nam là quốc gia đang trên đà phát triển, quá trình công nghiệp hóa – hiện
đại hóa đất nước đòi hỏi sự vượt trội về công nghệ và nguồn nhân lực trí thức trẻ. Đó là
điều mỗi nước đều theo đuổi nhằm đạt được sự ưu việt nhất trong quá trình sản xuất,
nó không chỉ có ý nghĩa về mặt lợi nhuận mà còn có ý nghĩa về sự phát triển khoa học.
Việc tìm tòi nghiên cứu và tìm ra những thiết bị, máy móc mới nhằm phục vụ sản xuất
và đời sống chính là mục tiêu cố gắng không ngừng nghỉ của mỗi người với ý nghĩa
khẳng định sự thành công trong thương trường khi áp dụng được những công nghệ tốt
nhất quốc gia và Việt Nam cũng không nằm ngoài dòng chảy chung đó của thế giới.
Tại Việt Nam khi mà việc áp dụng khoa học công nghệ còn chưa cao và chưa được
thực hiện trên quy mô lớn thì việc hiện đại hóa các quy trình sản xuất càng bức thiết
hơn bao giờ hết. Khi nền công nghiệp pháp triển cũng kéo theo các yêu cầu cao về độ
chính xác, độ bền, độ phẩm mỹ của các chi tiết cơ khí. Hiện nay trên thị trường các sản
phẩm chi tiết cơ khí có bề mặt rất bóng, có độ bền cao; đó là vì chúng đã được mạ một
lớp kim loại có những tính chất hóa học như trên. Nổi bật trong đó là hai kim loại
Nikel và Crom đóng vai trò chủ yếu và quan trọng. Tại Việt Nam, các công ty phải
nhập các dây chuyền mạ Nikel - Crom từ nước Ngoài chi phí cao. Thời gian gần đây đã
có nhiều công ty Việt Nam đã tự chế tạo các dây chuyền mạ Nikel-Crom, tuy nhiên số
lượng còn hạn chế.
Đồng thời ngành giáo dục nước nhà cũng phải đào tạo được nguồn lao động có
trình độ tay nghề cao đáp ứng được công nghệ hiện đại. Việc xây dựng các mô hình thí
nghiệm sát với các hệ thống công nghiệp tại các trường đại học, cao đẳng để sinh viên
ra trường không phải đào tạo lại là một việc mang tính cấp bách. Tại khoa Công nghệ
Hóa – Thực phẩm, trường Đại học Lạc Hồng, các bạn sinh viên đã được tiếp xúc với
quy trình thí nghiệm mạ Nikel-Crom. Tuy nhiên đây chỉ là phương pháp thủ công,
chính vì thế mà các bạn rất dễ tiếp xúc với hóa chất độc hại cao, ảnh hưởng đến sức
2
khỏe và việc học tập. Do đó việc tự động hóa quy trình mạ Nikel-Crom trong phòng thí
nghiệm là một nhu cầu cấp thiết.
Được sự chấp thuận của Ban giám hiệu, ban lãnh đạo khoa Cơ Điện trường Đại
Học Lạc Hồng, ban lãnh đạo khoa Công nghệ Hóa – Thực phẩm, hướng nghiên cứu
này được thực hiện bằng đề tài tốt nghiệp mang tên:
“Thiết kế tự động hóa pilot mạ Nikel - Crom phục vụ phòng thí nghiệm khoa
Hóa”.
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là: Kế thừa và phát huy mô hình thí
nghiệm mạ Nikel-Crom của khoa Công nghệ hóa – thực phẩm, dưới tiêu chí chế tạo
được mô hình cánh tay robot đơn giản nhất với chi phí thấp nhất nhưng mang lại hiệu
quả cao nhất. Nhóm nghiên cứu đã đưa ra nhiều ý tưởng cũng như sử dụng công nghệ
phù hợp với giải pháp của đề tài. Từ đó lựa chọn giải pháp tốt nhất mang hiệu quả
giảng dạy – học tập, tiết kiệm diện tích cho phòng thí nghiệp thực hiện việc thiết kế và
thi công mô hình.
Nội dung thực hiện của đề tài là lựa chọn các giải pháp cơ khí đơn giản, chính
xác, ứng dụng điều khiển tự động vào mô hình mạ Nikel -Crom ứng dụng trong phòng
thí nghiệm nhưng sát với các dây chuyền xi mạ trên thực tế.
Mục đích của đề tài là tự động động hóa quy trình mạ Nikel-Crom, với độ
chính xác cao, nhằm phục vụ giảng dạy thực tế với bên ngoài công ty, xí nghiệp.
Ý nghĩa khoa học của đề tài là ứng dụng kỹ thuật cơ khí và tự động hóa vào
quy trình mạ Nikel-Crom, để khi sinh viên tiến hành thí nghiệm có thể quan sát quá
trình xi mạ một cách thuận lợi nhất mà không phải tiếp xúc với các hóa chất độc hại.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là góp phần vào việc nâng cao chất lượng giảng
dạy- học tập, sinh viên không bỡ ngỡ với công nghệ tự động các dây chuyền mạ NikelCrom. Kết quả sản phẩm thành công sẽ được lắp đặt chuyển giao cho phòng thí nghiệm
khoa công nghệ Hóa - Thực Phẩm trường Đại Học Lạc Hồng, có thể nhân rộng ra các
trường khác nếu có nhu cầu.
3
PHẦN NỘI DUNG
Chương 1
Cơ Sở Lý Thuyết
1.1. Tổng quan về mạ điện
1.1.1. Lịch sử phát triển [1]
Ngành mạ điện được nhà hóa học người Ý: Luigi V.Brugnatelli khai sinh vào năm
1805. Ông đã sử dụng thành quả của người đồng nghiệp Alessandro Volta là pin Volta
để tạo ra lớp phủ điện hóa đầu tiên. Tuy nhiên, phát minh của ông không có ứng dụng
trong công nghiệp trong suốt 30 năm mà chỉ được nghiên cứu trong các phòng thí
nghiệm.
Hình 1.1: Nhà khoa học Luigi V.Brugnatelli
Năm 1839, hai nhà hóa học Anh và Nga khác độc lập nghiên cứu quá trình mạ
kim loại đồng cho những nút bản in. Ngay sau đó, John Wright, Birmingham sử dụng
chất Kali xyanua cho dung dịch mạ vàng, bạc. Vào thời kì này, đó là dung dịch duy
nhất có khả năng cho lớp mạ kim loại quý rất đẹp.
Tiếp bước Wright, George Elkington và Henry Elkington đã nhận được bằng sáng
chế kĩ thuật mạ điện vào năm 1840. Hai năm sau đó, ngành công nghiệp mạ điện tại.
Birmingham đã có sản phẩm mạ điện trên khắp thế giới. Cùng với sự phát triển của
4
khoa học điện hóa, cơ chế điện kết tủa lên bề mặt kim loại ngày càng được nghiên cứu
và sáng tỏ.
Kỹ thuật mạ điện trang trí cũng được phát triển. Lớp mạ đồng, kẽm, thiếc thương
mại chất lượng tốt đã trở nên phổ biến từ những năm 1850. Kể từ khi máy phát điện
được phát minh từ cuối thế kỉ 19, ngành công nghiệp mạ điện đã bước sang một kỉ
nguyên mới. Mật độ dòng điện tăng lên, năng suất lao động tăng, quá trình mạ được tự
động hóa từ một phần đến hoàn toàn. Những dung dịch cùng với các phụ gia mới làm
cho lớp mạ đạt chất lượng tốt hơn. Các lớp mạ được nghiên cứu phát triển để thỏa mãn
cả yêu cầu chống ăn mòn lẫn trang trí, làm đẹp...
Kể từ sau chiến tranh thế giới thứ hai, người ta còn nghiên cứu thành công kỹ
thuật mạ Crom cứng, mạ đa lớp, mạ đồng hợp kim... Nhà vật lí Mỹ Richard Feynman
đã nghiên cứu thành công công nghệ mạ lên nền nhựa. Hiện nay công nghệ này đã
được ứng dụng rộng rãi.
1.1.2. Khái niệm, nguyên lý của mạ điện
Khái niệm: Kỹ thuật mạ điện hay kỹ thuật Galvano (lấy theo tên nhà khoa học Ý
Luigi Galvani), là tên gọi của quá trình điện hóa phủ lớp kim loại lên một vật.
Trong quá trình mạ điện, vật cần mạ được gắn với cực âm (Kathode), kim loại mạ
gắn với cực dương (Anode) của nguồn điện một chiều trong dung dịch điện môi (có thể
là các axit loãng).
Hình 1.2: Nguyên lý của mạ điện (mạ Đồng)
5
Tại cực dương (Anode) xảy ra quá trình Oxy hóa kim loại, giải phóng các ion kim
loại dương, dưới tác dụng lực tĩnh điện các ion dương này sẽ di chuyển về cực âm
(Kathode), tại đây chúng nhận lại e- trong quá trình ôxi hóa, khử hình thành lớp kim
loại bám trên bề mặt của vật được mạ. Độ dày của lớp mạ tỉ lệ thuận với cường độ
dòng điện của nguồn và thời gian mạ.
1.2. Công nghệ mạ điện Nikel-Crom
1.2.1. Giới thiệu về Nikel – Crom [4]
1.2.1.1. Nikel (Ni)
Hình 1.3: Mẫu tinh thể kim loại Nikel
¾ Ký hiệu hoá học: Ni
¾ Tính chất hoá học: Nikel là kim loại có màu xám, kết tinh ở dạng lập phương
diện tâm. Khối lượng nguyên tử 58.6934 đ.v.C, Khối lượng riêng lớn d= 8.9 cm3. Nikel
có tính khử yếu hơn Fe, tác dụng với nhiều đơn chất và hợp chất, không tác dụng với
H2.
¾ Tính chất vật lý: Nikel có nhiều tính năng đặc biệt nổi trội như: cứng nhưng
lại dẻo, dễ cán mỏng, nhiêt độ nóng chảy cao (14550C), độ bền của Nikel cao hơn các
kim loại khác. Nikel bền với không khí và nước ở nhiệt độ phòng.
6
¾ Ứng dụng: Nikel dùng trong ngành luyện kim. Thép chứa Nikel có độ bền cao
về mặt cơ học và hóa học. Trong chế tạo cơ khí, sản phẩm văn phòng, trang trí mạ
Nikel để chống gỉ, chống ăn mòn cho bề mặt chi tiết.
Hình 1.4: Các chi tiết cơ khí được mạ Nikel
1.2.1.2. Crom (Cr)
Hình 1.5: Tinh thể Crom
¾ Ký hiệu hóa học: Cr
¾ Tính chất hoá học: Các trạng thái oxy hóa phổ biến của crom là +2, +3 và +6,
với +3 là ổn định nhất. Các trạng thái +1, +4 và +5 là khá hiếm. Các hợp chất của crom
với trạng thái oxy hóa +6 là những chất có tính ôxi hóa mạnh. Trong không khí, crom
được oxy thụ động hóa, tạo thành một lớp mỏng ôxít bảo vệ trên bề mặt, ngăn chặn quá
trình oxy hóa tiếp theo đối với kim loại ở phía dưới.
¾ Tính chất vật lý: Crom là một kim loại cứng, mặt bóng, màu xám thép với độ
bóng cao và nhiệt độ nóng chảy cao. Nó là chất không mùi, không vị và dễ rèn.
7
¾ Ứng dụng: do có tính chất hoá lý tương tự như Nikel nên hai kim loại này
thường đi chung cới nhau trong các ứng dụng mạ điện lên các chi tiết cơ khí, trang trí,
tạo độ bền cơ học và tính thẩm mỹ.
Hình 1.6: Các chi tiết được mạ Crom
1.2.2. Giới thiệu mạ điện Nikel - Crom
1.2.2.1. Khái niệm mạ
Mạ về cơ bản là tạo ra lớp che phủ vô cơ lên bề mặt của chi tiết cần mạ
nhằm đem lạcác đặc tính mong muốn như chống ăn mòn, tạo độ cứng, chống mài mòn,
chống rạn nứt, dẫn điện hoặc nhiệt, hoặc để trang trí. Những quy trình mạ phức tạp
đặc biệt thường ứng dụng mối quan hệ điện cực (cực âm/cực dương) giữa vật cần mạ
và bể mạ.
1.2.2.2 Phân loại mạ
¾ Mạ trống quay: loại kỹ thuật này dùng để mạ một lúc rất nhiều các chi tiết
nhỏ. Các chi tiết này được đổ ào vào bể mạ từ các thùng hoặc các thùng nhúng.
¾ Mạ xoa: lớp dung dịch mạ được phủ lên bề mặt vật cần mạ bằng một vật
thấm dung dịch mạ giống như một cây chổi quét, đóng vai trò như cực dương. Chi tiết
cần mạ giữ vai trò là cực âm và quá trình được thực hiện bằng một dòng điện trực tiếp.
¾ Mạ cơ khí: là một quá trình diễn ra trong thùng lắng kim loại lên nhiều chất
làm nền sử dụng cơ học chứ không dùng năng lượng điện.
8
¾ Mạ trên rá: đặt các chi tiết lên vị trí dễ mạ nhất để tiếp xúc với dòng mạ.
¾ Mạ xung điện: được sử dụng phổ biến để mạ vàng và hợp kim vàng, nickel,
bạc, chromium, hợp kim thiếc và palladium.
¾ Mạ điện: là một quy trình phổ biến nhất tại các nhà máy hoàn tất kim loại.
Trong một số kỹ thuật mạ điện các ion kim loại trong môi trường dung dịch a-xít,
kiềm, hoặc trung tính được giảm xuống trên vật cần mạ. Các ion kim loại trong dung
dịch thường được bổ sung bằng sự tan rã kim loại từ cực dương kim loại rắn được làm
từ chính loại kim loại đang mạ, hoặc có thể được bổ sung trực tiếp dung dịch muối kim
loại hoặc các loại ô-xít xyanua, thường ở dạng muối hoặc kali xyanua thường.
1.2.2.3. Quá trình phân cực trong mạ điện Nikel-Crom [10]
Mạ điện là một quá trình điện phân, ở đó một bề mặt kim loại sẽ được phủ một
lớp kim loại khác qua quá trình điện phân. Hoạt động mạ điện chủ yếu ứng dụng với
các dạng mạ vô cơ cho các bề mặt vì mục đích chống gỉ, tạo độ cứng, chống mòn, tạo
đặc tính chống rạn nứt, dẫn điện hoặc nhiệt, hoặc để trang trí. Các kim loại và hợp kim
thường được dùng trong mạ điện là đồng (đồng-kẽm), cát-mi, crôm, đồng đỏ, vàng,
nickel, bạc, thiếc, và kẽm. (OECA, 1995). Hình bên dưới mô tả nguyên lý cơ bản của
mạ điện.
Hình 1.7: Tổng quát quá trình mạ điện
9
Trên Anode xảy ra quá trình hòa tan kim loại:
M – ne Æ Mn+
Trên catot, cation phóng điện thành nguyên tử kim loại:
Mn+ + ne Æ M
Thực tế qúa trình này xảy ra theo nhiều bước liên tiếp nhau, bao gồm nhiều giai
đoạn nối tiếp. Quá trình xảy ra tại Kathode gồm các bước sau:
•
Cation hydrat hóa Mn+.mH2O di chuyển từ dung dịch vào bề mặt
Kathode.
•
Cation mất vỏ hydrat (mH2O), vào tiếp xúc trực tiếp với bề mặt
Kathode.
•
Điện tử (e) từ Kathode điền vào vành điện tử hóa trị của Cation,
biến nó thành nguyên tử kim loại trung hòa ở dạng hấp thụ.
•
Các nguyên tử kim loại này sẽ tạo thành tinh thể mới hoặc sẽ tham
gia nuôi lớn mầm tinh thể đã sinh ra trước. Mầm phát triển thành tinh thể,
tinh thể kết tủa thành lớp mạ.
Tốc độ chung của quá trình Kathode nhanh hay chậm là do tốc độ chậm nhất
của một trong các bước trên quyết định. Mọi trở ngại của các bước trên đều được thực
hiện ở độ phân cực Kathode (quá thế Kathode ηc), tức là điện thế Kathode dịch về phía
âm hơn một lượng ηc so với cân bằng:
ηc = φcb – φ
(1.1)
Trong đó:
φcb: điện thế cân bằng của Kathode (V)
φ: điện thế phân cực của Kathode (V)
Giữa phân cực Kathode (quá thế Kathode) và cấu trúc kết tủa (lớp mạ) có quan hệ
chặt chẽ với nhau: phân cực Kathode càng lớn, tinh thể càng nhỏ mịn.
10
Sự phân cực gây nên do tốc độ di chuyển của ion, gọi là sự phân cực nồng độ. Sự
phân cực nồng độ là do sự thay đổi nồng độ ion kim loại ở lớp sát anode và kathode. Ở
lớp sát anode nồng độ ion kim loại tăng lên, ở lớp sát kathode nồng độ ion kim loại
giảm đi.
Sự phân cực có quan hệ mật thiết với mạ và quyết định:
• Được lớp kết tinh mịn.
• Khả năng phân bố tốt, lớp mạ đồng đều.
• Làm Hydro thoát ra mạnh, làm giảm hiệu suất dòng điện và độ bám lớp
mạ. Khi nghiêm trọng có thể gây ra bọt khí, tróc.
• Sự phân cực anode làm cho hòa tan không bình thường, dung dịch không
ổn định.
Nói chung, sự phân cực của dung dịch nồng độ thấp lớn hơn sự phân cực của
dung dịch nồng độ cao. Hiện tượng này do trong dung dịch nồng độ thấp, số ion của nó
rất khó bổ sung vào lớp sát kathode. Dung dịch muối phức có sự phân cực lớn hơn
dung dịch muối đơn. Khi cho phụ gia vào dung dịch, sẽ có ảnh hưởng lớn tới sự phân
cực. Đa số trường hợp khi cho chất phụ gia vào làm tăng sự phân cực.
Nhiệt độ của dung dịch tăng lên, làm tăng sự dịch chuyển của ion, bổ sung rất
nhanh số ion ở lớp sát kathode và khuyếch tán mạnh số ion của anode hòa tan, do đó
làm giảm sự phân cực.
1.2.2.4 Thành phần dung dịch và chế độ mạ [11]
Dung dịch mạ giữ vai trò quyết định về năng lực mạ (tốc độ mạ, chiều dày tối
đa, mặt hàng mạ,...) và chất lượng mạ. Dung dịch mạ thường là một hỗn hợp khá phức
tạp gồm ion kim loại mạ, chất điên li, và các loại phụ gia nhằm đảm bảo thu được lớp
mạ có chất lượng và tính chất mong muốn.
¾ Ion kim loại mạ:
11
Trong dung dịch chúng tồn tại ở dạng ion hydrat hoá hoặc ion phức, nhưng nói
chung đều có nồng độ lớn là để tăng giá trị của dòng điện giới hạn, tạo điều kiện nâng
cao hơn giải mật độ dòng điện thích hợp cho lớp mạ tốt.
Dung dich đơn thường dùng để mạ với tốc độ cao cho các vật có hình thù đơn
giản, còn dung dịch phức dùng cho trường hợp cần có khả năng phân bố cao để mạ cho
vật có hình dạng phức tạp.
¾ Chất điện ly:
Chất điện ly được đưa vào dung dịch với nồng độ cao để tăng độ dẫn điện
cho chúng và cũng đóng vai trò là chất đệm, khống chế pH luôn ổn định.
¾ Chất tạo phức:
Dùng phức chất để làm cho điện thế kết tủa trở nên âm hơn nhằm tránh hiện
tượng tự xảy ra phản ứng hoá học giữa kathode và ion kim loại mạ và cũng dùng để
làm thay đổi phản ứng khử kim loại nhằm cải thiện khả năng phân bố của dung dịch
mạ. Nó cũng có vai trò làm hoà tan anode vì chúng ngăn cản được sự thụ động anode.
¾ Phụ gia hữu cơ :
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 kathode. Chúng thường có khả năng hấp phụ
lên bề mặt kathode, và có trường hợp chất hữu cơ bị giữ lại và kết tủa. Nhiều chất cũng
làm tăng quá thế điện kết tủa.
• Chất bóng: chất bóng thường được dùng với liều lượng tương đối lớn và có
thể bị lẫn vào lớp mạ khá nhiều. Chúng cho lớp mạ nhẵn, mịn và có thể
làm thay đổi quá trình tạo mầm.
• Chất san bằng: các chất này cho lớp mạ nhẵn, phẳng trong phạm vi khá
rộng. Nguyên nhân là chúng hấp phụ lên những điểm có tốc độ mạ lớn và
làm giảm tốc độ ở đó xuống.
• Biến đổi cấu trúc: các phụ gia là thay đổi 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
12
đó. Một số chất được dùng để tạo ra các tính chất đặc biệt cho lớp mạ, số
khác dùng để điều chỉnh ứng suất trong lớp mạ.
• Chất thấm ướt: cho vào để thúc đẩy các bọt khí, bột hydro mau chóng tách
khỏi bề mặt điện cực.
¾ Mật độ dòng điện kathode:
Mật độ dòng điện giữ vai trò rất quan trọng trong khi mạ. Nếu mật độ dòng điện
thấp, tốc 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 vậy mạng lưới và
cấu trúc tinh thể được duy trì, không bị biến đổi.
Khi tăng mật độ dòng điện, tốc độ điện tăng nhanh, các nguyên tử kim loại sinh
ra ồ ạt, không chịu gia nhập vào vị trí cân bằng trong mạng tinh thể. Mặt khác do quá
thế lúc đó lớn, nên nhiều mầm tinh thể mới tiếp tục sinh ra. Do vậy mà 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, tốc độ phóng điện quá
nhanh, làm cho ion kim loại gần kathode quá nghèo, quá trình điện cực bị 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 anode lại dễ hơn,
nên tại đó sẽ được ưu tiên phóng điện, kết tủa là kết tủa có sần sùi hoặc có dạng hình
nhánh cây. Nếu tăng tiếp mật độ dòng điện thì nó sẽ khuếch tán ion hoàn toàn không
kịp cho quá trình điện cực thì kết tủa thu được thì sẽ là bột kim loại.
¾ Anode:
Anode thường làm bằng kim loại cùng loại với lớp mạ và chọn cách sử dụng
sao cho nồng độ ion kim loại trong dung dịch thay đổi chậm nhất. Muốn vậy phải làm
cho hiệu suất dòng điện kathode và anode phải bằng nhau trong suốt thời gian phục vụ
của anode. Phải đảm bảo cho anode không bị thụ động, anode phải luôn dễ tan và tan
13
đều; muốn thế diện tích bề mặt anot phải lớn để mật độ dòng điện đủ nhỏ, tức là giữ
anode nằm trong vùng hoạt động.
Phải khống chế các điều kiện kỹ thuật để anode tan thành các ion có hoá trị
mong muốn. Anode phải được chế tạo sao cho khi hoà tan ít tạo thành bùn cặn nhất, ít
tạp chất nhất và khó bị tơi rã nhất.
1.3. Quy trình mạ điện Nikel-Crom
1.3.1. Xử lý làm sạch bề mặt kim loại trước khi mạ
Chuẩn bị bề mặt trước khi mạ là công việc tốn kém, vất vả, nhưng không thể bỏ
qua, vì nó quyết định chất lượng sản phẩm mạ. Nhiệm vụ quan trọng nhất của chuẩn bị
bề mặt là làm sạch hết các lớp gỉ, các màng ôxit, màng dầu mỡ, tạp chất, tạo độ bóng...
trên bề mặt kim loại để tạo điều kiện cho lớp mạ gắn chắc với nền; đồng thời tùy đặc
điểm của sản phẩm mà nhiệm vụ chuẩn bị bề mặt có những yêu cầu riêng nữa (với các
chi tiết mòn không đều khi hồi phục phải lấy lại hình dáng hình học...).
Chuẩn bị bề mặt trước khi mạ phải trải qua nhiều bước, tùy đặc điểm của phôi,
yêu cầu của sản phẩm và căn cứ vào thiết bị, vật liệu của chi tiết mạ. Chọn dây chuyền
mạ (chọn số bước và thứ tự các bước đó) sao cho hợp lý nhất cả về kinh tế lẫn kỹ thuật.
Vì vậy ở đây không thể tìm được quy trình công nghệ xử lý chung cho các vật mạ cho
nên chỉ lấy ví dụ để tham khảo. Khi điều kiện và yêu cầu thay đổi cần thêm bớt một
công nghệ nào đó cho hợp lý.
1.3.1.1 Gia công cơ học.
Có nhiều cách gia công cơ học: mài, đánh bóng, quay xóc, rung, phun cát, phun
nước, chải…
¾ Mài: được thực hiện bằng bột mài với nhiều cỡ hạt khác nhau. Dùng keo để
gắn bột mài lên các loại đế có hình dạng khác nhau: dạng đĩa trụ (phớt mài), dạng đai
chuyền... và chúng được gắn lên máy quay để mài.
¾ Đánh bóng: được dùng để gia công lần cuối cho bề mặt thép đã mài, để đánh
bóng các vật bằng đồng, nhôm, kẽm...hoặc đánh bóng cho các lớp mạ trang trí...Cách
14
thực hiện cũng giống như mài nhưng vật liệu dùng và chế độ gia công có khác. Chất
kết dính được đun nóng chảy rồi trộn đều với bột mài, đóng thành bánh ở dạng sáp, khi
dùng bôi lên mặt chiếc bóng. Bột mài là một trong các oxit của crôm, sắt, kẽm... Chất
kết dính là một hỗn hợp gồm parafin, stearin, axit oleic, dầu hỏa...
¾ Quay xóc: áp dụng cho các vật bé, mảnh. Chúng được đổ vào thùng quay
hay máng rung cùng với chất tẩy rửa và chất độn.
¾ Chải: áp dụng cho các vật có nhiều khe, kẽ, lỗ, rãnh, răng... Bàn chải quay
làm bằng dây thép, dây đồng thau hoặc rễ cây... Thường chải ướt bằng dung dịch xà
phòng.
Trong quá trình gia công cơ học, lớp kim loại bề mặt của sản phẩm bị biến dạng,
làm giảm độ gắn bám với lớp mạ sau này. Khắc phục bằng cách trước khi mạ phải tẩy
sạch dầu mỡ lại, hoạt hóa bề mặt kim loại sau đó rửa sạch trong nước chảy rồi mạ
ngay.
1.3.1.2 Tẩy dầu mỡ trên chi tiết cần mạ:
Bề mặt kim loại thường dính dầu mỡ, dù rất mỏng cũng đủ làm cho bề mặt kim
loại trở nên kỵ nước, không tiếp xúc được với các dụng dịch tẩy, dung dịch mạ...
Có 2 loại dầu mỡ bám trên bề mặt chi tiết mạ.
Loại thứ nhất có nguồn gốc thực vật (dầu) và động vật (mỡ): dễ bị xà phòng hóa
bởi xút (NaOH), tạo thành các muối của axit béo bậc cao (xà phòng) tan được trong
nước.
Loại thứ hai có nguồn gốc dầu mỏ: dầu hỏa, dầu nhờn, parafin: các loại dầu mỡ
không bị xà phòng hóa, nhưng chúng dễ bị nhũ hóa bởi các chất kiềm và cũng có thể bị
tách khỏi bề mặt chi tiết.
Tùy thuộc bản chất dầu mỡ bám trên bề mặt chi tiết ta có thể áp dụng phương
pháp tẩy dầu mỡ khác nhau:
- Tẩy dầu mỡ trong dung môi hữu cơ.
- Tẩy dầu mỡ trong dung dịch kiềm và nhũ tương.
15
- Tẩy dầu mỡ điện hóa.
- Tẩy dầu mỡ siêu âm.
¾ Tẩy dầu mỡ trong dung môi hữu cơ
Dung môi thường dung là trycloetylen C2HCl3, hòa tan tốt nhiều loại chất béo,
không bắt lửa, không ăn mòn kim loại (trừ Ag,Mg) nhưng độc. Hơi của nó nặng gấp 4
lần không khí, nên phải dung các thiết bị tẩy thích hợp sao cho chỗ đứng thao tác ở trên
cao và không khí mát luôn cho vào từ trên xuống nên hơi của chúng luôn ở dưới thấp.
Tẩy bằng nhúng vật vào dung môi, tuy nhiên tẩy ở trạng thái hơi ngưng tụ vẫn tốt hơn.
Cặn dầu mỡ được loại bỏ sau khi chưng. Tất cả được thực hiện trong máy kín, liên
hoàn.
Các dung môi khác có thể dùng được là tetracloetylen C2Cl4, cacbon tetraclorua
CCl4, tetracloeta C2H2Cl4, hexancloetan C2Cl6…… Những điểm cần lưu ý khi dùng các
dung môi này: vật tẩy phải khô, vì hơi ẩm hoặc dung dịch axit sót lại dễ tạo với dung
môi ở nhiệt độ cao thành HCl gây ăn mòn nhất là các vật bằng nhôm. Sau khi tẩy, dung
môi bốc hơi, để lại dầu mỡ hòa tan trên bề mặt tạo thành màng rất mỏng, cần phải tẩy
tiếp chúng trong dung dịch kiềm nóng hoặc tẩy điện hóa.
¾ Tẩy dầu mỡ trong dung dịch kiềm nóng
Dầu mỡ bám trên bề mặt vật tẩy có 2 loại: loại có nguồn gốc từ động – thực vật
và loại có nguồn gốc từ khoáng vật. Dưới tác dụng của kim loại kiềm loại dầu mỡ từ
động - thực vật biến thành xà phòng dễ tan và glyxerin.
(C17H35 COO)3C3 H5 + NaOH = 3C17H35 COO)Na + C3H5(OH)3
Stearin
xà phòng
glyxerin
Xà phòng (natri stearat) được sinh ra dễ tan trong nước, nhất là nước nóng, và
đến lượt nó, xà phòng trể lại tẩy rửa cho bề mặt kim loại.
Nồng độ NaOH đặc quá dễ tạo thành màng oxit trên bề mặt thép, đồng, hợp kim
đồng, gây thụ động, còn đối với kim loại màu khác và với kim loại nhẹ lại bị ăn mòn.
16
Na2SiO3 cho môi trường kiềm yếu, có tác dụng nhũ hóa và ức chế ăn mòn. Khi
thủy phân nó tạo thành axit silixit keo, làm phân tán chất rắn,cải thiện khả năng tẩy
rửa, ngăn cản không cho chất bẩn kết tủa lại trên bề mặt vừa được tẩy. Sau khi tẩy
xong trên bề mặt kim loại có màng mỏng của NaSiO3 và Na3PO4, rất dễ rửa sạch trong
nước trung tính hoặc kiềm yếu.
¾ Tẩy dầu mỡ điện hóa
Ưu điểm: tẩy rất nhanh, rất sạch. Thường tẩy Kathode, nhưng đôi khi cũng tẩy
Anode Dung dịch tẩy có thành phần giống tẩy dầu mỡ hóa học nhưng loãng hơn.
Cơ chế của tẩy dầu mỡ điện hóa: Dùng dòng điện 1 chiều tách dầu mỡ trong
dung môi hữu cơ. Tách dầu mỡ trên bề mặt thành nhũ tương trong dung dịch nhờ việc
thoát các bọt hidro trên Kathode hoặc oxi trên Anode.
Thường tẩy Kathode (chi tiết nối với cực âm) nhưng đôi khi cũng tẩy anôt hoặc
tẩy liên hoàn Kathode - Anode. Dung dịch tẩy có thành phần giống tẩy dầu mỡ hóa học
nhưng loãng hơn. Cơ chế của tẩy dầu mỡ điện hóa là tách dầu mỡ trên bề mặt thành
nhũ tương trong dung dịch nhờ thoát các bọt hiđrô trên kathode hoặc ôxi trên anode.
Khi nhúng chi tiết dính dầu mỡ vào dung dịch kiềm, do tác dụng của sức căng bề mặt,
màng dầu mỡ bị nứt vỡ và co lại thành giọt nhỏ. Dưới tác dụng của phân cực, độ bám
của dầu trên kim loại yếu đi, các giọt dầu càng co lại mạnh hơn, đồng thời tính thấm
ướt của kim loại tăng lên. Các bọt khí nhỏ tách khỏi bề mặt kim loại sẽ bám lên các
giọt dầu cạnh đó. Dần dần bọt khí lớn lên ôm lấy giọt dầu và cùng tách khỏi bề mặt
kim loại do sức đẩy thủy tĩnh.
¾ Tẩy dầu mỡ siêu âm
Tẩy dầu mỡ trong dung môi hữu cơ hoặc trong dung dịch kiềm yếu có thêm tác
dụng của siêu âm sẽ rất nhanh và rất sạch. Không chỉ dầu mỡ được tẩy sạch mà màng
ôxit cũng bị bào mòn, bong ra.
Tăng nhiệt độ cho dung dịch tác dụng của tẩy siêu âm càng tăng lên. Thành
phần dung dịch tẩy siêu âm cũng ảnh hưởng đến chất lượng và tốc độ tẩy rửa. Nếu chất
17
lỏng không có tác dụng gì với chất bẩn thì vật vẫn được tẩy sạch do tác dụng cơ học
tạo ra bởi siêu âm. Thường người ta tẩy trong dung dịch kiềm để tận dụng cả tác dụng
hóa học của nó nữa.
1.3.1.3. Tẩy gỉ trên chi tiết cần mạ
¾ Tẩy gỉ hóa học trên chi tiết cần mạ
Bề mặt đen thường phủ một lớp oxi dày FeO, Fe2O3, Fe3O4 (gọi là gỉ) và các
hidrogenxit của Fe2+ và Fe3+. Tẩy gỉ hóa học cho sắt thép thường dùng dung dịch axit
loãng H2SO4 hoặc HCl hay hỗn hợp của chúng. Khi tẩy thường diễn ra đồng thời hai
quá trình: hòa tan oxit và hòa tan sắt nền. HCl hòa tan oxit là chính: H2SO4 hòa tan sắt
nền là chính và cho khí hydrogen thoát ra làm bong màng oxit.
Hình 1.8: Sắt gỉ do tác động của môi trường bám trên chi tiết cần mạ
Tẩy bằng HCl nhanh hơn, cho bề mặt trắng hơn nồng độ tốt nhất là 150-200g/l
và tẩy ở nhiệt độ dưới 400C. Nồng độ và nhiệt độ cao hơn sẽ bốc mùi khó chịu, sắt nền
bị ăn mòn nhanh.
Tẩy bằng H2SO4 sẽ nhanh nếu tăng nhiệt độ dung dịch. Sau khi tẩy phải lảm
sạch mùn đen trên mặt vật tẩy. Tốt nhất là dùng nồng độ 80-120g/l ở 50-700C.
Để hạn chế hòa tan kim loại nền trong khi tẩy, ngày nay thường dùng các chất
ức chế dưới dang phụ gia của dung dịch. Các chất này đươc các nhà chế tạo cung cấp
dưới những tên gọi đã mã hóa nhưng có hướng dẫn sử dụng.
18
¾ Tẩy gỉ điện hóa
Tẩy gỉ điện hóa là tẩy gỉ hóa học đồng thới có sự tham gia của dòng điện. Vật
tẩy có thể nối với cực âm hay cực dương của nguồn điện.
Khi tẩy anode màng ôxit bị mất đi do hòa tan điện hóa và bị bong ra do tác dụng
cơ học của khí thoát ra. Dung dịch là H2SO4, HCl hoặc muối của các axit ấy. Kathode
(anode) làm bằng chì. Tẩy anode bề mặt rất sạch và hơi nhám nên độ gắn bám của lớp
mạ sẽ rất tốt. Khi tẩy anode, thoạt đầu màng ôxit bị tẩy đi, tiếp đó trên bề mặt kim loại
có thể hình thành một màng thụ động, tạo điều kiện cho OH- phóng điện và giải phóng
ôxi.
Tốc độ tẩy anode rất nhanh và mạnh nên dễ bị tẩy quá nếu không theo dõi đầy
đủ. Tẩy anode hay dùng cho các vật bằng thép cacbon, thép hợp kim có hình thù đơn
giản. Có thể tẩy anode cho thép cacbon trong dung dịch axit hoặc kiềm.
Tẩy gỉ kim loại màu để áp dụng để hoàn thiện bề mặt sản phẩm và tiếp đó phải
có lớp thụ động hay lớp sơn không màu bảo vệ, hoặc để chuẩn bị bề mặt trước khi mạ
lên nó. Tẩy gỉ cho Cu và hợp kim Cu thường dùng H2SO4. Tẩy nhẵn cho Cu và hớp
kim Cu thường dùng HNO3 có cho thêm H2SO4 và/hoặc HCl. Khi tẩy có thoát khí
NO, NO2 rất độc, cần phải có thiết bị an toàn tốt.
1.3.1.4 Tẩy nhẹ chi tiết cần mạ
Tẩy nhẹ còn gọi là hoạt hóa bề mặt (tẩm thực), nhằm lấy đi lớp ôxit rất mỏng,
không nhìn thấy bằng mắt thường, được hình thành trong quá trình chuẩn bị ngay trước
khi mạ. Khi tẩy nhẹ xong, cấu trúc của nền được lộ ra, độ gắn bám của lớp mạ được
tăng lên. Tẩy nhẹ tiến hành ngay trước khi nhúng vật mạ vào bể mạ.
Dung dịch tẩy nhẹ hóa học thường là H2SO4 hoặc HCl. Tẩy nhẹ cho đồng, hợp
kim Cu thực hiện trong H2SO4 ở một bể riêng. Có thể tẩy nhẹ trong NaCN cho Zn,
Al...trước khi mạ trong môi trường kiềm. Thời gian tẩy nhẹ chỉ cần 5- 10s. Sau tẩy nhẹ
phải rửa và mạ ngay.
19
1.3.1.5 Rửa chi tiết cần mạ.
Trong công nghệ mạ, sau mỗi khâu gia công thường phải rửa vật gia công. Nếu
do thiếu nước rửa hoặc rửa không đủ, không đúng...sẽ làm giảm độ gắn bám của lớp
mạ, làm lẫn dung dịch từ bể này sang bể kia, gây nên nhiều hư hỏng và phiền toái trong
sản xuất.
Có thể rửa nhúng liên tiếp trong nhiều bể, rửa trong dòng chảy, rửa trong bể có
sục khí, rửa dưới vòi nước hoặc dưới giàn phun mưa...Nên kết hợp nhiều cách trong
một lần rửa. Nước sau khi rửa sẽ lẫn nhiều hóa chất, nồng độ các chất này trong nước
rửa phải dưới giới hạn cho phép, nếu không sẽ gây hại cho nhiều khâu tiếp theo.
1.3.2. Một số biện pháp nhằm nâng cao chất lượng lớp mạ
1.3.2.1 Nâng cao độ đồng đều của lớp mạ
Trên thực tế lớp mạ thường không đồng đều do sự phân bố mật độ dòng điện
trên bề mặt chi tiết mạ không đều. Đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp (nhiều
chỗ lồi, lõm) sự phân bố này lại càng không đều hơn.
Lớp mạ đều có ý nghĩa rất lớn trong việc giảm thời gian mạ cũng như giảm chi
phí cho mạ.
Trên thực tế sử dụng một số biện pháp như dùng anode phụ; dùng kathode phụ;
dùng bảng chắn phi kim; dùng anode lặp lại hình dáng của chi tiết. Ngoài ra có thể tăng
khoảng cách giữa anode và kathode (chi tiết); bố trí hợp lý khoảng cách giữa thành bể
và các điện cực.
Nguyên nhân của sự không đồng đều lớp mạ là do sự phân bố mật độ dòng điện
trên bề mặt chi tiết.
1.3.2.2 Mạ với chế độ không ổn định
Mạ với chế độ không ổn định không chỉ nâng cao năng suất mà còn nâng cao chất
lượng lớp mạ. Trong thực tế sử dụng mạ với dòng điện đảo chiều và mạ với dòng điện
xoay chiều không đối xứng.
20
Khi mạ với dòng điện đảo chiều, chi tiết nối với cực âm (dòng điện Ik) trong thời
gian tk. Trong thời gian này quá trình mạ xảy ra bình thường. Sau đó thay đổi chiều
dòng điện, chi tiết nối với cực dương trong thời gian ta nhỏ hơn. Ở gian đoạn này, lớp
mạ được hòa tan một phần, nhờ đó chiều dầy lớp mạ trở lên đồng đều hơn, cấu trúc có
ứng suất nhỏ hơn.
Tương tự như vậy khi mạ với dòng điện xoay chiều bất đối xứng.
1.3.2.3 Mạ không thùng mạ (mạ ngoài bể)
Khi hồi phục các chi tiết có kích thước lớn như trục cơ, xilanh ôtô, máy kéo...gặp
nhiều khó khăn khi phải bao các vị trí không cần mạ, rửa,...Để đơn giản có thể ứng
dụng phương pháp mạ ngoài bể.
Có một số phương pháp mạ ngoài bể như: mạ phun; mạ dòng chảy và mạ quét
(mạ xoa)
Mạ phun: dung dịch mạ được cung cấp đến bề mặt chi tiết nhờ vòi phun đặc biệt.
Vòi phun đó có thể đồng thời là anode. Để có lớp mạ 6v/ph. Ngoài phương pháp quay
đều chi tiết quay với 2 chi tiết, lớp mạ đều có thể nhận được khi chi tiết không quay
nhờ bố trí các lỗ phun hợp lý. Điều đó tạo ra sự quay tương đối giữa bề mặt chi tiết và
dung dịch.
Mạ dòng chảy nguyên tắc mạ dòng chảy là cho dung dịch chảy qua bề mặt cần
mạ. Trong một số trường hợp khi mạ các bề mặt nhỏ, dung dịch mạ ở các bề mặt mạ
cục bộ có thể không luân chuyển.
Mạ quét (mạ tiếp xúc, mạ xoa): ở phương pháp này chổi quét hay bàn chải (anôt
được bọc vải bông để giữ dung dịch) dịch chuyển theo bề mặt của kathode (chi tiết).
Lớp mạ cũng có thể nhận được khi chuyển động bề mặt mạ tương đối với anode không
chuyển động. Khi đó chi tiết được định vị trên mâm cặp của máy tiện còn anôt bắt trên
bàn dao. Chổi quét được cung cấp dung dịch khi quét trên bề mặt chi tiết tạo nên bể mạ
cục bộ và diễn ra tất cả các quá trình điện hóa.
- Xem thêm -