đồ án nghiên cứu chế tạo lớp mạ zn trên nền thép CT3 và xác định đặc tính của lớp mạ

Tổng quan tài liệu: tìm hiểu về lớp mạ kẽm, các phương pháp tạo lớp mạ kẽm, phương pháp xác định chiều dày, tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới.. Nghiên cứu chế tạo lớp mạ Z

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

PHẦN I TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2

1.1 Kẽm và lớp mạ kẽm 2

1.1.1 Giới thiệu chung 2

1.1.2 Lớp mạ kẽm 2

1.2 Các phương pháp tạo lớp mạ kẽm 3

1.2.1 Phương pháp nhúng nóng 3

1.2.2 Phương pháp mạ điện 3

1.3 Phương pháp xác định chiều dày lớp mạ 4

1.3.1 Xác định chiều dày lớp mạ bằng phương pháp cân khối lượng 4

1.3.2 Xác định chiều dày lớp mạ bằng thiết bị MINITEST 650 D58675 - Đức 4

1.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) xác định bề mặt lớp mạ 5

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 6

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 6

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 7

1.6 Các nhận xét rút ra từ tổng quan 10

PHẦN II THỰC NGHIỆM 11

2.1 Vật tư, hóa chất, dụng cụ, thiết bị 11

2.2 Thực nghiệm và kết quả 11

2.2.1 Chuẩn bị trước khi mạ 11

2.2.2 Tiến hành mạ 12

2.2.3 Kết quả 14

KẾT LUẬN 19

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ thiết bị mạ 3

Hình 1.2: Máy đo chiều dày lớp mạ MINITEST 650 D58675 - Đức 5

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý làm việc của kính hiển vi điện tử quét (SEM) 6

Hình 1.4: Ảnh SEM bề mặt lớp mạ Zn 7

Hình 1.5: Ảnh SEM bề mặt lớp mạ Zn 7

Hình 1.6: Ảnh SEM bề mặt lớp mạ Zn tại các mật độ dòng khác nhau 8

Hình 1.7: Hình ảnh bề mặt của lớp mạ Zn 9

Hình 1.8: Hình ảnh SEM bề mặt lớp mạ Zn không có phụ gia và lớp mạ Zn có chứa phụ gia PEG 9

Hình 2.1: Hình ảnh tấm thép CT3 trước khi mạ và dung dịch mạ Zn………12

Hình 2.2: Sơ đồ quy trình chế tạo lớp mạ kẽm 13

Hình 2.3: Bề mặt các mẫu trong thời gian mạ 30 phút khi áp dòng 1A/dm2, 2A/dm2 và 3A/dm2 14

Hình 2.4: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của điện thế theo thời gian 15

Hình 2.5: Ảnh SEM bề mặt lớp mạ Zn trên nền thép CT3 18

MỞ ĐẦU

Học phần đồ án chuyên ngành được thực hiện tại Phòng Ăn mòn và bảo vệ kim loại, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới

Thời gian thực hiện từ ngày 25/1/2021 đến 11/4/2021

Người hướng dẫn: 1 TS Phạm Thị Năm, Viện Kỹ thuật Nhiệt đới

2 PGS.TS Đặng Thị Thanh Lê, Đại học Thủy lợi Nội dung đồ án chuyên ngành gồm:

1 Tổng quan tài liệu: tìm hiểu về lớp mạ kẽm, các phương pháp tạo lớp mạ kẽm, phương pháp xác định chiều dày, tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới

2 Nghiên cứu chế tạo lớp mạ Zn trên nền thép CT3 và xác định đặc tính của lớp mạ

PHẦN I TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Kẽm và lớp mạ kẽm

1.1.1 Giới thiệu chung [1,2]

Kẽm (Zn) là kim loại trắng bạc, sắc lam nhạt, tên latinh là Zincum, nằm ở ô số 30, chu

kì 4 thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev Nguyên

tử lượng 65,38 đvC; trọng lượng riêng 7,2 kg/cm3; nhiệt độ nóng chảy 419,5oC; điểm sôi là 907oC

Điện thế tiêu chuẩn của kẽm là -0,763V nên lớp mạ kẽm bảo vệ các kim loại nền như đồng, thép,…rất tốt Tốc độ ăn mòn của kẽm mỗi năm khoảng 1 - 1,5μm ở nông thôn, 1,5 - 2μm ở vùng nhiệt đới ẩm, 6 - 8μm ở vùng công nghiệp, ở vùng biển kẽm bị ăn mòn mạnh hơn Vì vậy, thường mạ kẽm trong nhiều lĩnh vực của ngành công nghiệp để bảo

vệ sắt thép

1.1.2 Lớp mạ kẽm [3]

Mạ kẽm là hình thức tạo một lớp kẽm lên trên bề mặt kim loại nhằm mục đích bảo vệ cho bề mặt, giúp chống lại khả năng ăn mòn, hoen gỉ, nâng cao chất lượng và làm tăng thẩm mỹ cho sản phẩm

Mỗi năm, hơn 40 triệu tấn thép được mạ kẽm hoặc kẽm hợp kim và hơn 2,2 triệu tấn kẽm được sử dụng để tạo lớp phủ bảo vệ trên toàn thế giới Tại các nước phương Tây, khoảng 37% kẽm được sử dụng cho mục đích mạ bảo vệ kim loại

Mạ kẽm được coi là một trong những phương pháp kinh tế nhất và hiệu quả bảo vệ chống ăn mòn thép cacbon Lớp mạ kẽm bảo vệ cho thép theo hai cơ chế Thứ nhất, kẽm

là màng ngăn cách thép với môi trường xâm thực Thứ hai, lớp mạ kẽm bảo vệ thép theo

cơ chế điện hóa Khi lớp mạ bị khuyết tật hoặc một phần lớp mạ bị phá hủy, nền thép bị

lộ ra và tiếp xúc với các tác nhân ăn mòn, do điện thế tiêu chuẩn của kẽm (- 0,76 V) âm hơn nhiều so với thép (- 0,44 V), kẽm sẽ đóng vai trò là anốt hy sinh, bị ăn mòn và bảo

vệ cho nền thép (bảo vệ catôt)

Có nhiều loại dung dịch dùng để mạ kẽm: ZnSO4 (pH 1,5 ÷ 5,5); ZnCl2 (pH 4,0 ÷ 5,5); Zn(BF4)2 (pH 1,5 ÷ 3,5); Zn2P2O7 (pH 7 ÷ 10); xyanua và mới đây dung dịch mạ kiềm

Ưu điểm: Trang thiết bị đơn giản, thao tác dễ dàng, độ bám tốt, độ bền cao, mạ được các vật liệu có bề mặt không bằng phẳng, lồi, lõm

Nhược điểm: Cần phải thực hiện ở nhiệt độ cao, trong quá trình mạ một số đặc tính của vật liệu nền bị thay đổi không mong muốn

1.2.2 Phương pháp mạ điện

Mạ điện được dùng trong nhiều ngành công nghệ khác nhau để chống ăn mòn Về nguyên tắc, vật liệu nền có thể là kim loại hoặc hợp kim, đôi khi có thể là chất dẻo hoặc composit

Mạ điện là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặt nền, một lớp phủ có những tính chất cơ,

lý, hóa,… đáp ứng được những yêu cầu mong muốn Thiết bị nguồn một chiều được sử dụng để cung cấp điện năng cho quá trình, chi tiết mạ được nối với cực âm, cực dương của nguồn nối với điện cực đối

Mn+ + ne → M Anot thường là kim loại cùng với lớp mạ, khi đó phản ứng anot chính là sự hòa tan nó thành kim loại Mn+ đi vào dung dịch:

M - ne → Mn+

Ưu điểm: Có thể thực hiện ở nhiệt độ thường, độ bám tốt, độ bền cao, thời gian mạ có thể điều chỉnh để đạt độ dày mong muốn, độ dày của lớp mạ tương đối đồng đều Nhược điểm: Chi phí đầu tư ban đầu lớn, giá thành sản phẩm cao

1.3 Phương pháp xác định chiều dày lớp mạ

1.3.1 Xác định chiều dày lớp mạ bằng phương pháp cân khối lượng

Lượng kim loại hình thành trên bề mặt vật liệu nền xác định bằng cách cân khối lượng nền trước và sau khi mạ trên cân phân tích Precisa XR 205SM-PR

Tính chiều dày lớp mạ Zn hình thành theo công thức (1.1):

Trong đó: D: tỷ khối của Zn lấy theo lý thuyết (g/cm3); D = 7,2

m: khối lượng của lớp mạ Zn hình thành trên bề mặt nền thép CT3 (g) V: thể tích của lớp mạ Zn hình thành trên bề mặt nền thép CT3 (cm3)

S: diện tích làm việc của nền thép CT3 (cm2)

h: chiều dày lớp mạ (cm)

1.3.2 Xác định chiều dày lớp mạ bằng thiết bị MINITEST 650 D58675 - Đức

Chiều dày của lớp mạ được xác định bằng cách sử dụng thiết bị minitest (hình 1.2) đo giá trị tại nhiều điểm bất kì, từ đó xác định được chiều dày trung bình của lớp mạ

(1.1)

Hình 1.2: Máy đo chiều dày lớp mạ MINITEST 650 D58675 - Đức

1.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) xác định bề mặt lớp mạ [4]

Phương pháp SEM được sử dụng để xác định hình dạng và cấu trúc bề mặt của vật liệu đến cỡ hàng chục nanomet (10-7 m)

Nguyên lý hoạt động và tạo ảnh của SEM: điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, phát xạ trường,…) sau đó được tăng tốc Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, các electron này đập vào mẫu và tạo ra một tập hợp các hạt thứ cấp đi tới detector, tại đây sẽ được chuyển thành tín hiệu điện Các tín hiệu này sau khi được khuếch đại đi tới ống tia catot và được quét lên ảnh

Cho chùm tia quét đồng bộ trên mẫu, một tia điện tử trên màn hình của đèn hình thu và khuếch đại một loại tín hiệu từ mẫu phát ra để làm thay đổi cường độ ánh sáng của tia điện tử quét trên màn hình ta có được ảnh

Hiển vi điện tử quét dùng các thấu kính chỉ để tập trung chùm điện tử thành điểm nhỏ chiếu lên mẫu, không dùng thấu kính để khuếch đại Hiển vi điện tử quét cho phép quan sát bề mặt không bằng phẳng một cách rõ nét Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ Kích thước này bị hạn chế bởi quang sai Vì thế, SEM không thể đạt được độ phân giải tốt như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý làm việc của kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Ưu điểm của phương pháp SEM là có thể thu được những bức ảnh ba chiều chất lượng cao và không đòi hỏi phức tạp trong khâu chuẩn bị mẫu, độ phóng đại có thể thay đổi từ

10 đến 100,000 lần với hình ảnh rõ nét Từ đó, có thể phân tích, xác định được hình dạng và cấu trúc bề mặt vật liệu đến cỡ hàng chục nanomet

1.5 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.5.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện tượng ăn mòn kim loại gây nên sự suy giảm tính chất cơ lý của vật liệu và hỏng hóc trong quá trình vận hành Chính vì vậy, nhiều tác giả trong nước đã nghiên cứu lớp

mạ kẽm để bảo vệ vật liệu chống lại quá trình ăn mòn Có thể kể đến một số tác giả như: Tác giả Nguyễn Thị Thanh Hương đã nghiên cứu chế tạo lớp mạ Zn trên nền thép cacbon bằng phương pháp mạ điện Ban đầu, nền thép được đánh bóng bằng giấy ráp, tẩy dầu bằng UDYPREP-110EC và tẩy gỉ bằng HCl 10% Dung dịch mạ Zn có chứa các thành phần (ZnCl2, NH4Cl, AZA và AZB), ở nhiệt độ phòng, mật độ dòng điện sử dụng là 2A/dm2, trong thời gian 30 phút Kết quả hình ảnh SEM ở mật độ dòng 2A/dm2 trong thời gian 30 phút, bề mặt lớp mạ kẽm xốp, các tinh thể hình thành tương đối đồng đều với kích thước dao động trong khoảng từ 30 ÷ 100 nm trên bề mặt nền thép cacbon [3]

Hình 1.4: Ảnh SEM bề mặt lớp mạ Zn

Tác giả Lê Bá Thắng cùng cộng sự, đã nghiên cứu chế tạo lớp mạ Zn trên nền thép cacbon bằng phương pháp mạ điện Ban đầu, nền thép được đánh bóng bằng giấy ráp, tẩy dầu bằng UDYPREP-110EC và tẩy gỉ bằng HCl 10% Dung dịch mạ kẽm có chứa các thành phần (ZnO, NaOH), mật độ dòng điện là 2A/dm2, thí nghiệm được thực hiện trên thiết bị Autolab PGSTAT 30 Kết quả ảnh SEM cho thấy các hạt có dạng khối, kích thước hạt dao động trong khoảng từ 5 - 7μm trên bề mặt nền thép cacbon [5]

Hình 1.5: Ảnh SEM bề mặt lớp mạ Zn

1.5.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Nhiều nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu, phát triển lớp mạ Zn, do lớp

mạ Zn có nhiều tính năng ưu việt và thân thiện với môi trường, không gây hại đến sức khỏe con người Một số nghiên cứu tiêu biểu có thể kể đến như:

Tác giả Asmae El Fazazi, Moussa Ouakki và cộng sự đã sử dụng phương pháp mạ điện nghiên cứu chế tạo lớp mạ Zn trên nền thép E24 Dung dịch lớp mạ Zn có chứa thành phần (ZnSO4.7H2O, H3PO3, KCl), thí nghiệm được thực hiện trên thiết bị PGZ 100 sử

dụng phần mềm Voltamaster 4, mật độ dòng lựa chọn khảo sát lần lượt là 16mA/cm2, 24mA/cm2, 32mA/cm2 và 40mA/cm2 trong thời gian 20 phút tại nhiệt độ phòng, pH của dung dịch mạ là 4,5

Hình 1.6: Ảnh SEM bề mặt lớp mạ Zn tại các mật độ dòng khác nhau

(a)16mA/cm2, (b) 24mA/cm2, (c) 32mA/cm2 và (d) 40mA/cm2

Ảnh SEM bề mặt lớp mạ Zn tại các mật độ dòng được khảo sát cho thấy, ở mật độ dòng thấp nhất (a) lớp mạ có hình lục giác, đồng nhất, xếp khít nhau Khi tăng mật độ dòng lên 24 và 32mA/cm2 (b - c), bề mặt lớp mạ hình thành các hạt thô, xốp, nhám và không đồng nhất Mật độ dòng cao nhất 40 mA/cm2 (d), bề mặt lớp mạ Zn thu được có hình dạng giống như hoa, tuy nhiên cấu trúc này không đồng nhất, các tinh thể phát triển ngẫu nhiên không theo trật tự Có thể thấy rằng, mật độ dòng điện ảnh hưởng rất nhiều đến sự hình thành và cấu trúc lớp mạ Zn [6]

Tác giả M.Rehsepar, M.E.Bahrololoom đã nghiên cứu chế tạo lớp phủ Zn bằng phương

pháp mạ điện và thử nghiệm đánh giá tính chất điện hóa bằng phương pháp đo tổng trở

Chất nền được sử dụng là các đĩa thép cacbon, có đường kính 12mm và diện tích bề mặt

là 1,13 cm2 Các mẫu sẽ được mài cơ học bề mặt và tẩy gỉ bằng axit axetic và axit

pecloric Lớp Zn có thành phần bể mạ chứa (ZnSO4.7H2O, H3PO3), mật độ dòng điện

10.5A/dm2, pH bể mạ là 3 - 3.5 Các phép đo thực hiện ở dài tần số từ 100 kHz – 10

mHz, biên độ 10mV và được phân tích bằng phần mềm Autolab Kết quả ảnh SEM cho

thấy lớp mạ Zn hình thành có dạng đa giác, xếp khít nhau trên bề mặt mẫu [7]

Hình 1.7: Hình ảnh bề mặt của lớp mạ Zn

Tác giả Paulo Sérgio da Silva và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo lớp mạ kẽm từ việc thu

hồi pin kẽm - cacbon đã qua sử dụng bằng phương pháp mạ điện trên nền thép AISI

1018 Thành phần bể mạ có chứa ZnO, H3PO3 và polyethylene glycol (PEG) làm chất

phụ gia, mật độ dòng điện -4,5mA/cm2 trong thời gian 20 phút, pH của bể mạ là 5 Thí

nghiệm được thực hiện trên thiết bị Autolab model PGSTAT 100

Hình 1.8: Hình ảnh SEM bề mặt

lớp mạ Zn không có phụ gia (a) và lớp mạ Zn có chứa phụ gia PEG (b)

Kết quả ảnh SEM cho thấy hình thái lớp mạ Zn không chứa phụ gia có dạng hình đa giác có kích cỡ không đồng đều phân bố trên bề mặt mẫu Đối với lớp mạ Zn có sử dụng phụ gia PEG lớp mạ hình thành có dạng như xương rồng Qua ảnh SEM có thể thấy rằng việc sử dụng phụ gia ảnh hưởng rất lớn đến hình dạng của lớp phủ kẽm [8]

Các kết quả nghiên cứu trên mới chỉ dừng ở mức độ khảo sát, thử nghiệm trong quy mô phòng thí nghiệm Ăn mòn gây tổn hại đến nền kinh tế quốc gia Vì vậy, vấn đề bảo vệ chống ăn mòn là một hiện tượng toàn cầu và đang rất được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu chế tạo các lớp phủ có khả năng bảo vệ chống ăn mòn cao, độ chịu mài mòn lớn và thân thiện với môi trường

1.6 Các nhận xét rút ra từ tổng quan

Qua phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, cho thấy lớp mạ kẽm đã được nhiều các nhà khoa học trong nước và trên thế giới tập trung nghiên cứu phát triển Nhằm ứng dụng các lớp mạ trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau như công nghiệp chế tạo thiết bị - máy móc, linh kiện (bulong, ốc vít,…), gia công cơ khí, công trình xây dựng, hạ tầng đô thị, đặc biệt sử dụng cho quá trình xử lý bề mặt kim loại để tăng độ cứng, chống ăn mòn, chống rỉ sét và tăng yếu tố thẩm mỹ ngoại quan

Lớp mạ Cd đã và đang sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp quốc dân do có khả năng chịu mài mòn lớn và chống ăn mòn cao Tuy nhiên, việc sử dụng Cd đàn bị hạn chế do gây nguy hại đến sức khỏe con người Để hạn chế ảnh hưởng của lớp mạ Cd, một trong những lớp mạ thân thiện với môi trường là lớp mạ Zn đang được các nhà khoa học rất quan tâm

Các công trình nghiên cứu chủ yếu tập trung tìm ra thành phần dung dịch mạ và điều kiện chế độ mạ thích hợp để tạo ra lớp mạ kẽm có khả năng chống ăn mòn cao

ZnCl2 (≥98.0%); NH4Cl (≥99,5%), là hóa chất loại tinh khiết của Trung Quốc

Phụ gia AZA (chất mang), phụ gia AZB (chất tạo bóng), (sản phẩm thương mại của hãng Enthone)

Dung dịch UDYPREP-110EC, (sản phẩm thương mại của hãng Enthone)

Dung dịch HCl 10%, hóa chất công nghiệp, Trung Quốc

c) Dụng cụ

Bình định mức 1000 mL Cốc thủy tinh 1000 mL

Con từ Ống đong thủy tinh 500 mL

d) Thiết bị

Bể mạ sử dụng hệ thống thiết bị nguồn một chiều KIKUSUI PMC 18 – 5AS; sử dụng tế bào 2 điện cực: điện cực làm việc là thép CT3, điện cực đối Zn

Cân phân tích Precisa XR 205SM – DR, Thụy Sĩ

Máy khuấy từ IKA C – MAG HS4, Malays

2.2 Thực nghiệm và kết quả

2.2.1 Chuẩn bị trước khi mạ

a) Xử lí bề mặt mẫu thép CT3

Bước 1: Lau bề mặt mẫu thép CT3 có kích thước 3 x 5 cm bằng khăn giấy (đảm bảo

mẫu trước khi xử lí không bị ướt)

Bước 2: Đánh bóng bề mặt bằng các loại giấy ráp (lần lượt từ giấy ráp P240, P400 và

P600) dọc theo chiều dài của mẫu, sau đó khi xử lí mẫu bằng giấy ráp, dùng khăn lau đi lớp bụi bẩn còn lại trên bề mặt mẫu

Bước 3: Mẫu sau đó được tẩy dầu mỡ bằng UDYPREP-110EC trong 5 phút và được

ngâm 10 phút trong dung dịch HCl 10% để tẩy gỉ

Lưu ý:

Toàn bộ mẫu nền đều phải được làm sạch cả hai mặt

Khi dùng khăn lau mẫu cần lau nhẹ nhàng, tránh chà xát bề mặt

b) Pha dung dịch mạ

Dung dịch mạ có thành phần và nồng độ như sau: ZnCl2 60 g/L; NH4Cl 250g/L; AZA 30ml/L, AZB 1,5ml/L

Cách pha 1 L dung dịch mạ:

Cho lần lượt 60 g ZnCl2, 250 g NH4Cl, 30 ml AZA và 1,5 ml AZB vào bình định mức

1000 mL chứa 300 mL nước cất Quá trình hòa tan các muối sử dụng khuấy từ với tốc

độ 200 vòng/phút Sau khi các muối tan hoàn toàn lấy con từ ra và thêm nước cất đến vạch định mức

Hình ảnh tấm thép CT3 trước khi mạ và dung dịch mạ kẽm được trình bày ở hình 2.1:

Hình 2.1: Hình ảnh tấm thép CT3 trước khi mạ (a) và dung dịch mạ Zn (b)